TU Dresden Prof. Weiß 3D-modelling mit MicroStation Institut für Geometrie Einstieg in MicroStation MicroStation besitzt als professionelles CAD-Programm ein umfangreiches Funktionsangebot. In der vorliegenden Version existieren ca. 1000 Funktionen. Für einen CAD-Einsteiger sind diese Möglichkeiten verwirrend. Jedoch kann man bereits nach dem Erlernen weniger Grundfunktionen von der Leistungsfähigkeit der Software profitieren. Um den Sprung von der Bleistiftzeichnung zum digitalen 3D-Modell zu erleichtern, bietet dieses Lehrmaterial eine erste Hilfestellung. Weitere Hilfen und Bearbeitungshinweise erhalten Sie während der CAD-Übungen und unter der Adresse: www.math.tu-dresden.de/geo/3d-modelling Beschreibung der Bedienoberfläche MicroStation /J 7.1 läuft unter Windows und zeigt eine typische Windowsoberfläche. Nach dem Start erscheint der MicroStation Manager, der als Kombination aus Datei- und Programmmanager konzipiert ist. Alle Zeichnungsdateien basieren auf so genannten Seed-Dateien (Seed = Samen) in denen wichtige Voreinstellungen wie Arbeitseinheiten, Rastereinstellungen, Auswahl und Position der Funktionswerkzeuge usw. festgelegt sind. Für unsere Übungen wählen wir Datei/Neu. Es erscheint ein Fenster Zeichnungsdatei erstellen. Wir wählen zunächst die passende Seed-Datei vom Typ 3D aus, geben der Zeichnung einen Namen und legen Sie im eigenen Verzeichnis ab. Mit Ok gelangen wir zur eigentlichen Arbeitsoberfläche, die folgendes Aussehen hat:
Oberer Bildschirmrand: Unterhalb der Pull-Down-Menüs finden wir links die Primärtoolbox mit der Schnellauswahl von Farbe, Ebene (Layer), Strichart und Strichstärke. Das Symbol steht für eine umfassende Elementinformation, Reißschiene und Dreieck stehen für das mächtige Werkzeug AccuDraw zur Navigation (intelligenter Kompass) und Präzisionseingabe, das wir umfassend nutzen wollen. Deshalb ist es bereits geöffnet. Die Standardtoolbox enthält die üblichen Windows-Icons für Öffnen, Speichern, Drucken, Ausschneiden, Kopieren und Einfügen, sowie die Undo- und Redofunktion, die es erlaubt, durchgeführte Konstruktionsschritte rückgängig zu machen, bzw. rückgängig gemachte wieder durchzuführen. Neben den Symbolen für Select-Service und Hilfedateien befindet sich rechts die Fangfunktionstoolbox. Linker Bildschirmrand: Am linken Bildschirmrand befindet sich die Hauptoolbox. Jedes mit einer kleinen Pfeilspitze versehenen Icon dieser Box fungiert als Werkzeuglade, die artverwandte Werkzeuge enthält. Das gerade ausgewählte Werkzeug wird angezeigt. Durch Ziehen der Maus mit gedrückter linker Maustaste wird die Lade geöffnet, und es kann durch Loslassen der Taste über dem entsprechenden Icon ein anderes Werkzeug ausgewählt werden, welches sofort aktiviert wird. Unterhalb der Haupttoolbox befinden sich die 3D-Haupttoolbox, die Toolbox zur Flächenmodellierung und die Toolbox B-Spline Kurven. Elementauswahl Aktive Punkte setzen Schraffuren Bögen konstruieren Sachdaten Gruppen Messen Attribute ändern Löschfunktionen Zaunfunktionen Lineare Elemente zeichnen Polygone zeichnen Kreis und Ellipse Beschriftungen Zellenoperationen Bemaßungen Manipulationen Ändern 3D-Primitive 3D-ändern 3D-konstruieren 3D-Dienstprogramme Fläche erstellen Fläche abrunden Kurven erstellen Fläche ändern 3D-abfragen Kurve modifizieren Unterer Bildschirmrand: Ganz unten erscheint die Windows-Taskleiste. Darüber befindet sich die MicroStation-Statuszeile, die im linken Teil Informationen zum gerade durchzuführenden Konstruktionsschritt enthält. Rechts werden die aktuellen Arbeitseinstellungen angezeigt. 2
Zeichenfenster: Jedes Zeichenfenster (acht können maximal gleichzeitig geöffnet sein) enthält links oben ein Bentley-Icon, das beim Anklicken ein Menü öffnet. In diesem Menü befinden sich Dialoge zur Einstellung der Ansichtsattribute (Raster, Koordinatensystem zeigen, Ausfüllung von Flächen usw.), zum Rendern der Ansicht und zum Ein- und Ausblenden von Ebenen. Rechts oben sind Windows-Symbole zum Ablegen, Vergrößern/ Verkleinern und zum Schließen dieses Fensters angeordnet. Rechts und unten rechts sind Laufleisten vorhanden. Palette zur Ansichtssteuerung: Unten links in jedem Fenster befindet sich die Palette zur Ansichtssteuerung. Der Pinsel bedeutet neu zeichnen, + und - stehen für zoom in und zoom out mit festem Vergrößerungsfaktor, das Fenster gestattet, einen gewählten Fensterbereich auf Fenstergröße zu zoomen, das Gebirge passt die aktiven Elemente der Zeichnung in das Fenster ein, das Koordinatenkreuz steht für eine dynamische 3D-Ansicht (Standardansichten mit einbegriffen), der Pfeil bedeutet Fensterinhalt verschieben, die Undo- und Redosymbole gestatten die Reaktivierung der vorhergehenden Ansichten, der perspektivisch verzerrte Würfel aktiviert eine Zentralprojektion, das Flächenstück steht für die Darstellung der Ansicht (Rendering) vom Drahtmodell bis zur Phongschattierung und das Flugzeug steht für Kameraeinstellungen und Kamerafahrten. Präzises Zeichnen mit der Maus Da wir generell 3D-Seed-Dateien verwenden, treffen wir die Festlegung, dass bei 2D-Anwendungen, die x,y-ebene die Zeichenfläche darstellt. Wir zeichnen unsere Objekte also in der Draufsicht (Ansicht 1). Die z-koordinate ist konstant z=0. Gezeichnet wird mit der Maus, wobei den Maustasten in MicroStationen spezielle Bedeutung zukommt. Ein Klick auf die linke Maustaste setzt einen Datenpunkt an die Cursorposition, ein Klick auf die rechte Maustaste löst ein Reset-Befehl in MicroStation aus (nicht zu verwechseln mit dem Reset des Rechners) und ein Klick auf die linke und rechte Maustaste gleichzeitig setzt einen Tentativpunkt in Abhängigkeit von der Cursorposition und der aktiven Fangfunktion. Der Tentativpunkt und die Fangfunktionen bilden den Schlüssel für genaues Zeichnen in MicroStation. Abkürzung für weiteren Text: Datenpunkt (D) = linke Maustaste Reset (R) = rechte Maustaste Tentativpunkt (T) = rechte + linke Maustaste gleichzeitig Anhand eines Polygonzuges soll das präzise Zeichnen von geometrischen Objekten dargestellt werden: Unterstützt wird die Dateneingabe vom Werkzeug AccuDraw, das bereits geöffnet ist. Nach der Auswahl des Werkzeugs Smartline platzieren aus der Toolbox Lineare Elemente legen wir durch Setzen eines (D) den Anfangspunkt des Polygonzuges fest. Mit Hilfe des Kompasses und der AccuDraw-Eingabefelder lässt sich das Polygon rasch zeichnen. Mit der Leertaste kann zwischen kartesischem und polarem Koordinatensystem umgeschaltet werden. Eine Übersicht der AccuDraw-Funktionen und Einstellungen kann man unter der eingangs genannten Webadresse abrufen. Fangfunktionen in MicroStation: Die Fangfunktionen gestatten es, gewisse Eigenpunkte eines geometrischen Objektes, bzw. solche Punkte, die sich aus den geometrischen Beziehung mehrerer Objekte ableiten lassen, exakt zu erfassen und für die Konstruktion zu nutzen. Beispiele: Mittelpunkt eines gegebenen Kreises, Endpunkt einer Strecke, Schnittpunkte von zwei Kreisen. Die möglichen Fangfunktionen hängen vom gerade durchzuführenden Konstruktionsschritt ab. Nicht nutzbare Fangmodi sind deaktiviert und grau dargestellt. Eine Beschreibung der Fangfunktionen liegt ebenfalls auf der Homepage bereit. 3
Löschen und Wiederherstellen von Objekten: Nach Auswahl des Werkzeugs Löschen wird das gewünschte Objekt angeklickt, worauf es die Farbe Magenta annimmt. Setzen eines (D) (es kann dabei schon ein weiteres zu löschendes Objekt ausgewählt werden) löscht das Objekt. Mit der Undo-Funktion kann ein versehentlich gelöschtes Element wieder hergestellt werden. Ändern von Elementattributen: Mit dem Werkzeug Elementattribute ändern können die Ebene (Layer), die Farbe, die Strichart und die Strichstärke des ausgewählten Objektes geändert werden. Grundkonstruktionen in der Ebene Dreieck mit Um- und Inkreis: Rechtwinkliges Dreieck ABC mit a = 8cm und b = 6cm in der Draufsicht zeichnen: Farbe schwarz, Strichstärke 1 wählen, Werkzeug Smartline aktivieren, Startpunkt B durch (D)(=linke Maustaste) setzen, Kompass erscheint. Im AccuDraw- Eingabefeld X: 8.0 eingeben mit (D) bestätigen. Am Kompass senkrechte Richtung auswählen und 6.0 für Y eingeben, mit (D) bestätigen, (T) (=gleichzeitiges Drücken von rechter und linker Maustaste, großes Kreuz am Streckenanfang erscheint) am Punkt B setzen, mit (D) bestätigen und mit (R) (= rechte Maustaste) das Zeichnen beenden. Umkreis zeichnen: Farbe rot, Strichstärke 0 wählen, Werkzeug Kreis platzieren aktivieren, Methode Kante auswählen, d.h. der Kreis wird durch Vorgabe der Peripherie erzeugt. In der Statuszeile links unten erscheint die Aufforderung: Punkt auf Kreis identifizieren. Nun (T) am Eckpunkt B setzen, mit (D) bestätigen. Anschließend (T) bei C, mit (D) bestätigen. Jetzt erscheint dynamisch ein Kreis, der durch die zwei Eckpunkte B und C verläuft, und den Cursorpunkt als dritten Punkt enthält. Durch (T) bei A und Bestätigung mit (D) wird der Umkreis gezeichnet. Inkreis zeichnen: Farbe blau, Strichstärke 0, Werkzeug Kreis platzieren, Methode Kante. Der Inkreis hat die Eigenschaft, dass er die Dreieckseiten berührt, damit liegt der Inkreis tangential zu den Dreiecksseiten. Nach der Aufforderung Punkt auf Kreis identifizieren aktivieren wir durch linken Mausklick die Fangfunktion Tangente fangen. In der Statuszeile rechts unten wird die aktive Fangfunktion angezeigt. Wir setzen einen (T) auf die Strecke BC (etwa in der Mitte) und Bestätigen mit (D). In der Statuszeile erscheint als aktive Fangfunktion wieder Eigenpunkt fangen, weil diese Funktion als Standard eingestellt ist und auch gesetzt bleiben sollte. Durch Klick auf Tangente fangen wird die gewünschte Fangfunktion wieder temporär aktiv. Wir setzen einen (T) auf die Strecke AC und bestätigen mit (D). Nochmaliges Aktivieren des Tangentenfangens und ein (T) auf die Strecke AB mit abschließendem (D) vervollständigt die Inkreiskonstruktion. Hinweis: Eine alternative Konstruktionsmöglichkeit ergibt sich über zwei Winkelhalbierende des Dreiecks (Inkreismittelpunkt ist Schnittpunkt) und Tangenteneigenschaft der Dreiecksseiten. Zur Konstruktion der Winkelhalbierenden existiert ein spezielles Werkzeug in der Toolbox Lineare Elemente. Polygone konstruieren: Das Werkzeug Rechteck platzieren erlaubt das Zeichen achsparalleler (Methode: Orthogonal) oder gedrehter (Methode: gedreht) Rechtecke, durch Eingabe zweier diagonal gelegener Eckpunkte. Diese könne dabei auch mit einer zu wählenden Farbe ausgefüllt werden. Das Werkzeug Polygonfläche platzieren dient zur Konstruktion einer ebenen Fläche, die durch einen geschlossenen, sich nicht überschneidenden Polygonzug berandet wird. Beginnend mit dem Startpunkt, werden die Eckpunkte nacheinander eingegeben. Durch Mausklick auf den Button Element schließen wird der letzte Punkt des Polygonszuges mit dem ersten Punkt verbunden. Alternativ kann der Anfangspunkt auch als Eigenpunkt mit einem (T) gefangen und mit (D) bestätigt werden. 4
Das Werkzeug Regelmäßiges Polygon platzieren gestatte die schnelle Konstruktion von regelmäßigen n-ecken. Dabei kann n zwischen 3 und 100 gewählt werden. Bei Wahl der Methode Mitte/Ecke wird der erste (D) auf den Mittelpunkt gesetzt (das n-eck erscheint dynamisch), der zweite (D) auf einen Eckpunkt. Die Methode Mitte/Kante erfordert die Eingabe von Mittelpunkt und Mitte eine Polygonkante. Die Auswahl der Methode über Kante benötigt Anfangs- und Endpunkt einer Kante, wobei das n-eck auf der linken Seite des Kantenweges erzeugt wird. Stutzen und Verlängern: In der Toolbox Ändern befinden sich wichtige Werkzeuge zum Bearbeiten von Objekten: Das Werkzeug Element ändern gestattet die Änderung von Streckenendpunkten, Kreisradien, Ellipsenachsen, Polygonpunkten usw. Die jeweiligen Möglichkeiten erschließen sich beim Anklicken des jeweiligen Objektes. Bei Polygonzügen entscheidet die Lage des gesetzten (D) ob ein Punkt verschoben wird, oder aber eine Polygonstrecke parallel verschoben wird. Das Werkzeug Teil löschen wird zum Aufbrechen und Stutzen von Objekten verwendet. Ein Kreis wird zum Kreisbogen, ein geschlossenes Polygon wird geöffnet. Das Werkzeug Linie verlängern gestatte das Verlängern und Verkürzen von Strecken. Der neue Endpunkt kann entweder mit der Maus, mittels (T) oder durch Eingabe der Streckenlänge festgelegt werden. Mit zwei Elemente zum Schnittpunkt verlängern verlängert oder verkürzt man zwei geometrische Objekte bis zum gemeinsamen Schnittpunkt. Beim Verkürzen bleiben die durch (D) ausgewählten Bereiche erhalten. Bereiche, die über den Schnittpunkt herausragen, werden entfernt. Element zum Schnittpunkt verlängern funktioniert wie das obige Werkzeug, mit dem Unterschied, dass nur das erste Objekt verändert wird. Elemente trimmen dient dem exakten Abschneiden von Teilen mehrerer Objekte. Ein Teil der Objekte kann als Schnittkanten definiert werden, andere werden exakt an diesen Kanten abgeschnitten. Die restlichen Werkzeuge dieser Box erfüllen Spezialfunktionen wie intelligentes Trimmen, Abrunden und Fasen. Geometrische Objekte manipulieren: MicroStation bietet acht Funktionen für die geometrische Elementmanipulation an. Element kopieren, erstellt eine Kopie des ausgewählten Elementes. Element verschieben verschiebt das ausgewählte Element, Parallele konstruieren erzeugt ein Objekt, dessen Punkte einen festen Abstand zum ausgewählten Objekt besitzen. Element skalieren staucht bzw. streckt das ausgewählte Element in den Achsrichtungen. Element drehen dreht das Element um einen vorzugebenden Winkel bzgl. eines wählbaren Drehzentrums. Elemente über Kante ausrichten ordnet Elemente entlang von wählbaren Geraden an. Matrix konstruieren gestattet die Vervielfältigung des ausgewählten Elementes in rechteckigen oder polaren Anordnungen. Bis auf die beiden letzten, besitzen alle Funktionen die Option Kopie erstellen. Die Durchführung der Manipulationen geschieht entweder in der Reihenfolge Element identifizieren Funktion aufrufen Bezugspunkt(e) definieren oder alternativ in Funktion aufrufen Element(e) identifizieren Bezugspunkt(e) definieren. 3D- Modellierung Dreidimensionale Objekte können auf verschiedene Arten modelliert werden. Das einfachste Modell stellt das Drahtmodell (Wireframe) dar. Die Objekte werden durch Linien und Kurvenelemente dargestellt. Es gibt keine Informationen über die Flächen und Volumina, die durch die Kanten eingeschlossen werden. Man kann keine automatischen Sichtbarkeitsentscheidungen generieren. Beim Flächenmodell werden nur die Oberflächen der Objekte generiert. Das entspricht dem Vorgehen in der klassischen darstellenden Geometrie. Ein Volumenmodell gestattet, Objekte aus Grundkörpern (so genannte 3D-Primitive) zu erzeugen. Hier gibt es im wesentlichen zwei Zugänge. Das Vollkörpermodell (CSG-Model, CSG = Constructive Solid Geometry) erzeugt die geometrischen Objekte aus den Primitiven Quader, Zylinder, Kegel, Kugel usw. durch Anwendung von Mengenoperationen wie Vereinigung, Durchschnitt und Differenz (boolesche Operationen) in Verbindung mit Manipulationen wie Verschiebung, Drehung, Spiegelung. 5
Beim Begrenzungsflächenmodell (Boundary Representation) werden die Objekte durch ihre Oberflächen, in Verbindung mit topologischen Eigenschaften (Inneres, Äußeres...)dargestellt. Während beim Vollkörpermodell die Konstruktionsschritte im Modell mit abgespeichert sind, enthält das Begrenzungsflächenmodell nur das Konstruktionsergebnis. MicroStation kombiniert die verschieden Objektdarstellung, um unterschiedlichen Nutzeranforderungen gerecht zu werden. Der Vorteil der direkten 3D-Konstruktion liegt in der Erstellung eines räumlichen Modells, von dem die gewünschten Teile herausgeschnitten werden (3D-Clipping) und über geeignete Projektionsvorschriften (Parallel- bzw. Zentralprojektion) in die Darstellungsebene abgebildet werden. Die Werkzeuge zur 3-D Modellierung sind in der 3D-Haupttoolbox zusammengefasst. 3D-Primitive: Unter 3D-Primitive sind die Konstruktionswerkzeuge für die wichtigsten Grundkörper zusammengefasst: Platte platzieren erzeugt einen Quader, Kugel platzieren, Zylinder platzieren, Kegel platzieren, Torus platzieren und einen Keil platzieren erzeugen eine Kugel, einen Zylinder, einen Kegel(stumpf),einen Torus und einen Zylindersektor. 3D konstruieren: Die Toolbox 3D konstruieren enthält die Werkzeuge Extrudieren Rotation konstruieren Entlang einem Pfad extrudieren Volumenelement entschalen Zu Volumenelement verstärken Erzeugung eines allgemeinen Zylinders durch Ausstoßen eines Kurven- oder Flächenstücks Erzeugung einer Rotationsfläche bzw. eines Rotationskörpers durch Drehung einer Kurve bzw. einer Fläche Erzeugung eines Schlauches mit vorgegebenem Profil entlang einer Raumkurve Aushöhlung von Körpern (es entsteht eine Schale mit wählbarer Schalenstärke, dabei können Teilflächen geöffnet werden) Sonderform des Extrudieren (auf einer oder auf beiden Seiten einer Fläche wird Material mit einer vorzugebenden Schichtdicke aufgetragen). 6
3D ändern: Die Toolbox 3D ändern gestattet die Korrektur von 3D-Konstruktionen. Volumenelement ändern nachträgliche Änderung geometrischer Parameter, wie Kugelradius, Zylinderhöhe usw. Diese Änderungen funktionieren in MicroStation/J nur eingeschränkt (probieren!), eine erweiterte Funktionalität liefert der 3D-Modeller, der jedoch nicht mehr Bestandteil der Basissoftware ist. Fläche entfernen und korrigieren entfernt z.b. Bohrungen, abgeschrägte Kanten aus einem Körper und korrigiert dabei das 3D-Modell. Mit den Werkzeugen für die booleschen Operationen werden die mengentheoretischen Verknüpfungen Vereinigung, Durchschnitt und Differenz für Körper realisiert. Als Ergebnis entsteht i.a. ein Körper, der alle Raumpunkte enthält, die in mindestens einem der beiden Körper (Vereinigung), in beiden Körpern (Durchschnitt) oder im ersten Körper, aber nicht im zweiten Körper (Differenz: A ohne B) enthalten sind. Das Werkzeug Volumenelement ausschneiden schneidet mit einer Profilkurve, die der Nutzer vorher generiert haben muss, senkrecht zur ausgewählten Ansicht (in z-richtung der Ansicht), einen Teil aus dem Körper heraus (z.b. Bohrung, Schlitz, Aussparung). Wird z.b. als Schnittprofil eine Gerade ausgewählt, wird der Körper durch einen ebenen Schnitt geteilt. Der Nutzer kann entscheiden, welcher Teil des Körpers entfernt werden soll. Kanten abrunden und Kanten abschrägen runden bzw. schrägen auszuwählende Körperkanten ab. Der Kantenradius bzw. die Kantenabstände werden in einer Dialogbox abgefragt. 3D Dienstprogramme: Flächen ausrichten Ausrichtung eines Profils an einer zu markierenden Seitenfläche eines Körpers. Die Funktion gestattet auch die Ausrichtung zweier Körper zueinander. SmartSolid Anzeige ändern Änderung eines Drahtmodells zu einem Polygon- bzw. Flächenmodell. Funktion ist in MicroStation/J überflüssig, da Umwandlungen automatisch vorgenommen werden. Flächen- oder Kantengeometrie extrahieren Filterung von Flächen oder Kanten eines Körpers. Diese können anschließend als Flächen oder Kurven weiter bearbeitet werden( z.b. Abwicklung eines Polyeders). Volumenelement/Fläche mit einem linearen Element verschneiden Erzeugung von Durchstoßpunkten linearer Elemente bei einem Körper bzw. einer Fläche. 7