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Manuali di CAD AutoCAD thinkdesign

Scritti e articoli

Le prime applicazioni d'informatica grafica risalgono all'inizio degli anni '60 mediante il collegamento di un calcolatore ad un monitor per la visualizzazione dei disegni e nello stesso tempo anche con un plotter per la produzione dei disegni su carta. Le prime applicazioni furono realizzate nel settore militare con il sistema SAGE che serviva per il controllo dello spazio aereo e che riusciva a trasferire le informazioni radar ottenute su carta utilizzando il plotter. In questo sistema viene introdotto per la prima volta la penna ottica (light pen) come dispositivo di selezione e di inserimento delle informazioni a monitor. La penna ottica ha rappresentato il sistema di input principale anche nella tesi dello studente Ivan Sutherland che presenta nel 1962 come suo lavoro di dottorato al MIT il programma Sketchpad - sistema grafico per la comunicazione uomo-macchina. Sketchpad rappresenta il primo sistema grafico interattivo ed è riconosciuto da tutti come la prima realizzazione di Computer grafica e di conseguenza rappresenta una pietra miliare nell'informatica. L'interese per il nuovo settore applicativo è manifestato non solo dagli ambienti militari ma anche dall'industria civile aeronautica e meccanica. L'interesse si orienta non solo verso la parte hardware dei sistemi ma anche nello sviluppo dei programmi software con la realizzazione dei primi sistemi CAD e la formalizzazione di algoritmi grafici, come ad esempio la definizione di superfici "sculturate" fatte da Steve Coons, al quale in seguito si deve anche lo sviluppo di un algoritmo per il rendering delle superfici. I primi progetti di ricerca nel settore del disegno vengono promossi, tra gli altri, anche dalla General Motors con il sistema DAC-1 (Design Augmented by Computer), iniziato nel 1959 e presentato come prodotto completo nel 1963. Nello stesso periodo anche la società Lockeed Aircraft sviluppa un proprio sistema di disegno che sarà commercializzato con il nome CADAM, attualmente distribuito dalla società IBM. Alla fine degli anni '60 vengono immessi sul mercato i primi sistemi di disegno sfruttando anche la disponibilità dei minicalcolatori e dei terminali video dal costo accessibile anche per aziende private. La diffusione però dei sistemi CAD in tutti i livelli della progettazione e produzione si registra solo con la disponibilità dei primi Personal Computer a basso costo all'inizio degli anni '80.

L'acronimo CAD sta propriamente per Computer Aided Design cioè Progettazione assistita dal Calcolatore. Il termine Design va inteso nel suo significato più completo di Progettazione, e non con il termine ridotto di Disegno. Infatti, quando si stavano diffondendo i primi sistemi, l'acronimo per CAD veniva inteso come Computer Aided Drafting, cioè Disegno assistito dal calcolatore e questa definizione veniva applicata a tutti i sistemi che consentivano di tracciare, in piano, elementi geometrici bidimensionali di base quali segmenti, cerchi, curve e quote. Il loro impiego era molto simile al classico tecnigrafo e per questo venivano definiti anche "tecnigrafi elettronici". Ora per CAD s'intende Computer Aided Design e si fa esplicito riferimento ad un sistema che utilizza un modellatore geometrico per "scolpire" le geometrie nello spazio generando un modello tridimensionale esatto e non ambiguo. Dopo aver creato il modello geometrico, definito anche modello numerico, il sistema genera la sua rappresentazione nello spazio applicando le regole delle proiezioni geometriche che possono essere ortogonali, assonometriche o prospettiche. Un elemento importante in un sistema CAD è la parte di gestione delle informazioni relative ai modelli numerici cioè la gestione di un database interno riguardante le informazioni non esclusivamente geometriche, come i dati relativi alle operazioni di valutazione, di analisi e di produzione del modello stesso. La produzione avviene attraverso un'interazione di sistemi fra loro collegati e tende ad ottenere un' automatizzazione dei processi produttivi, a partire dalla progettazione svolta da un sistema CAD, la verifica ingegneristica e la simulazione del funzionamento del modello alle varie condizioni operative, fatte con sistemi CAE (Computer Aided Engineering), la produzione fisica del modello in officina fornita sistemi CAM (Computer Aided Manufacturing).

Il processo di progettazione rappresenta l'attività principale nelle varie attività industriali. Ogni prodotto prima di essere messo in produzione richiede l'apporto di diverse discipline che insieme determinano il risultato dell'oggetto della progettazione. Di recente diversi autori hanno provato a dare una descrizione formale di tutto il processo di progettazione allo scopo di migliorare le varie fasi della progettazione. Fra i primi modelli del processo di progettazione elaborati possiamo citare quello di Pahl e Beitz del 1984. Il processo di progettazione è descritto come un diagramma di flusso comprensivo di quattro fasi fondamentali: Specifiche del progetto, Progettazione concettuale, Progettazione di massima e Progetto costruttivo. Specifiche del progetto: consiste nella definizione degli obiettivi e nella raccolta di tutte le informazioni necessarie alla progettazione. Saranno anche definite le caratteristiche e i vincoli del progetto. Progettazione concettuale: contiene le specifiche delle funzioni che devono essere incluse nel progetto, le soluzioni migliori e i metodi produttivi ottimali. Progettazione di massima: in questa fase viene sviluppato il progetto in dettaglio attuando cicli di verifica delle varie soluzioni per individuare quella migliore anche dal punto di vista economico. Progetto costruttivo: riguarda il disegno di dettaglio di tutti i componenti finalizzati alla produzione. Con il termine modello si comprende anche il prodotto del progetto stesso che può essere rappresentato in forme diverse a seconda della finalità a cui sono destinati. Il modello ha il ruolo di rappresentazione dell'idea durante l'azione progettuale e di comunicazione delle informazioni contenute nel progetto a tutti coloro che partecipano al progetto. L'utilizzo di tecniche CAD per generare i modelli dei progetti in tridimensionale presenta dei notevoli vantaggi nell'utilizzo di uno stesso modello per applicazioni diverse: ad esempio uno stesso modello può essere usato per le tavole tecniche, per una vista prospettica in rendering (con la resa delle luci e superfici) e per la verifica di calcolo strutturale. Dal modello creato inoltre possono inoltre essere ricavate una serie di informazioni geometriche, come superfici, volume o peso, noto il materiale di costruzione, e collegare queste, ed altre informazioni, ad un sistema PDM (Program Data Management) per la gestione dei dati relativi a tutto il progetto in modo coordinato, completo e integrato fra tutte le fasi della produzione. I vantaggi del CAD rispetto ad un approccio di tipo tradizionale sono molteplici e si possono riassumere nei seguenti punti: - possibilità di correggere e aggiornare più rapidamente i disegni; - velocizzazione delle azioni ripetitive e uguali; - estrazione di informazioni sia grafiche sia alfanumeriche da un disegno; - verifica strutturale, cinematica e dinamica con programmi dedicati; - collegamento con un database centralizzato di tutto il processo produttivo; - realizzazione fisica del modello con macchine a controllo numerico, CAM, o in Prototipazione Rapida. L'introduzione del CAD presenta anche alcuni svantaggi o limiti, che possiamo riassumere nei seguenti punti: - il programma CAD impone una metodologia di disegno (progetto) che condizionano l'utente; - è produttivo solo nella fase del progetto costruttivo, non nella fase di ideazione; - in definitiva, rispetto al tecnigrafo, non permette una velocità maggiore durante l'azione normale di disegno ma è impareggiabile nelle parti ripetitive.

La diffusione degli strumenti di progettazione CAD nei vari settori della produzione comporta una maggiore richiesta di training e di formazione a livelli diversi a seconda delle particolari esigenze degli utenti. Queste richieste possono essere schematizzate in tre diverse tipologie di utenti: il disegnatore, il progettista e lo studente. Il primo livello di utilizzo di un sistema CAD è quello richiesto da un disegnatore le cui conoscenze sono finalizzate alla precisione e velocità di disegno. Questa tipo di formazione viene fornita dai corsi di formazione per operatori di durata limitata, spesso organizzati direttamente dalle società produttrici dei sistemi o da centri di formazione specializzati. Un progettista invece è interessato ad un livello di formazione più approfondito, con conoscenze non finalizzate esclusivamente al disegno ma in grado di poterlo guidare nella scelta degli strumenti informatici e nella migliore pianificazione del loro utilizzo all'interno di un progetto o di uno studio professionale. La figura dell'esperto informatico, presente in alcuni studi di progettazione, è destinata a ridimensionarsi con la diffusione delle conoscenze informatiche e sarà sempre più il progettista stesso che si occuperà della scelta e della gestione degli strumenti di produzione cioè dei sistemi CAD. Assumerà sempre più importanza la consapevolezza che un sistema CAD è prima di tutto una metodologia progettuale resa disponibile al progettista e che questo sceglie in modo più o meno consapevole. Conoscendo i vantaggi ed i limiti di un sistema il progettista ha una padronanza migliore delle potenzialità degli strumenti che utilizza. Ad esempio se un sistema CAD è nato per applicazioni meccaniche, è evidente che il suo impiego nel settore elettronico presenterà dei limiti significativi non solo nelle procedure di disegno ma anche nella flessibilità di progettazione. Infine il terzo livello di utilizzo di un sistema CAD è quello richiesto dallo studente cioè da un soggetto non ancora inserito nell'ambiente di lavoro e pertanto ancora in formazione. Vista la velocità di evoluzione delle tecnologie e dei linguaggi, la scuola dovrebbe fornire una formazione di base per operare in modo flessibile con gli strumenti informatici. Lo studente pertanto, che sarà sul mercato del lavoro solo dopo alcuni anni, deve sviluppare, oltre alle normali capacità e abilità operative, anche un metodo flessibile di apprendimento personale che gli permetta di aggiornarsi anche dopo il periodo scolastico.

Anche le prestazioni di disegno dei sistemi CAD hanno subito nella loro breve storia una significativa evoluzione: dai primi sistemi di disegno esclusivamente bidimensionale, definiti propriamente "tecnigrafi elettronici", si è giunti a sistemi con prestazioni sempre più evolute soprattutto nella generazione di solidi e funzioni tridimensionali. Il progetto finora si poteva distinguere fra disegno in 2D, fatto di proiezioni ortogonali e viste assonometriche funzionale al disegno tecnico esecutivo e dal modello in 3D che era finalizzato alla presentazione del progetto con viste assonometriche, prospettiche anche con tecniche di rendering (resa dei materiali e delle luci) ed animazioni grafiche. Con le nuove prestazioni dei modellatori solidi il progettista può, e deve, pensare in 3D attraverso processi mentali nuovi, alcuni molto simili a quelli compiuti in officina o in cantiere: quali associare solidi diversi, sottrarre o tagliare solidi diversi (operazioni booleane).

Dal modello in 3D è possibile anche ricavare, in automatico, le viste ortogonali e assonometriche con in più l'aggiunta delle quote secondo schemi predefiniti (vedi figura).

2.1 Gli strumenti di disegno Con la diffusione delle stazioni grafiche si assiste anche alla ricerca applicata allo sviluppo delle periferiche grafiche, sempre più precise, facili da usare ed economiche. Dopo le penne ottiche, il dispositivo sviluppato per il disegno è stato la tavoletta grafica, un'evoluzione del tecnigrafo. L'utente utilizza una penna magnetica o un digitizer (puntatore) per disegnare su una superficie magnetica che trasmette le coordinate rilevate al sistema e le visualizza sul monitor. L'utilizzo della penna è molto simile al gesto di disegno che normalmente si compie su di un normale tecnigrafo ed il suo uso ha rappresentato la modalità più diffusa nei primi sistemi di progettazione. Un altro dispositivo di puntamento utilizzato fin dalle prime applicazioni grafiche è il joystick, sistema di controllo molto simile al sistema di controllo del volo aereo. Il mouse, che ora è presente in tutti i computer, è una realizzazione recente come sistema di controllo, introdotto solo all'inizio degli anni '70 a livello di grande impiego. 2.2 Le basi del disegno Un sistema CAD fornisce una serie di funzioni grafiche di base dette "primitive": la linea o il cerchio ad esempio sono primitive bidimensionali che sono presenti in tutti i sistemi non solo di disegno tecnico. Le primitive tridimensionali o primitive solide, come la sfera, il cubo e il cilindro sono invece presenti nei sistemi grafici più evoluti, detti modellatori solidi che permettono la costruzione di modelli complessi operando direttamente sui solidi con lavorazioni di tipo meccanico, come saldatura, taglio e sottrazione. Primitive bidimensionali Le primitive bidimensionali sono le funzioni di base per il tracciamento del disegno e sono le seguenti: il punto, la linea, l'arco, il cerchio, le curve, il poligono. L'inserimento di queste primitive richiede la specifica delle coordinate d'inserimento o di dimensione a secondo della funzione selezionata. Ogni sistema fornisce inoltre delle ulteriori opzioni ai singoli comandi che dovrebbero facilitare il tracciamento: per inserire un arco ad esempio in AutoCAD è possibile selezionare la modalità desiderata fra i diversi modi forniti. Il sistema di riferimento è un sistema cartesiano ortogonale dello spazio euclideo, generalmente visualizzato con i tre assi con le frecce ad indicare la direzione positiva. Il sistema segue la regola della mano destra per facilitare l'individuazione e la direzione dei tre assi: ascissa X, ordinata Y, quota Z. Ogni punto nello spazio viene individuato da una terna di valori, corrispondenti alla sua distanza assoluta dall'origine del sistema, definito Sistema in Coordinate Globali o Mondo. Durante il disegno il sistema di riferimento può essere ridefinito temporaneamente dall'utente modificando la posizione e l'orientamento: in questo caso assume la definizione di Sistema in Coordinate Utente. Ogni sistema utilizza delle sigle diverse per definire il tripode: in AutoCAD il sistema globale viene definito WCS (World Coordinate System) mentre per il sistema utente viene definito UCS (User Coordinate System). Con queste funzioni di disegno si inseriscono le varie componenti grafiche utilizzando modalità diverse di disegno quali: - coordinate assolute: si utilizzano raramente durante il disegno e soprattutto per inserire una entità grafica all'origine assoluta del sistema. - coordinate relative: vengono utilizzate per inserire una entità ad una distanza precisa e nota. Si definiscono relative perché fanno riferimento al punto precedente e da questo indicano una distanza in coordinate cartesiane (X,Y,Z), in coordinate polari (distanza e angolo) e in coordinate sferiche (distanze angolari ). - punti geometrici notevoli: a partire da entità esistenti sul disegno, si inseriscono le altre entità su punti notevoli degli elementi grafici. In genere tutti i sistemi forniscono l'utilizzo dei punti notevoli nel disegno. Vediamo i più usati e utili: FINE per individuare l'estremo di una linea, MEDIO per indicare il punto mediano, CENTRO per individuare il centro di un cerchio o un arco, INTERSEZIONE: per indicare il punto di contatto di due o più entità, PERPEDICOLARE: per tracciare una linea perpendicolare ad un'altra passante per un punto definito. L'utilizzo di questi filtri deve essere attivato dopo aver attivato la funzione di disegno (es. linea) e prima di indicare il punto d'inserimento. - linee di costruzione: inserimento delle linee di costruzione utilizzando soprattutto le funzioni di linee parallele a partire da linee ortogonali originarie del disegno. Questa modalità si avvicina molto al metodo manuale di disegno con il tecnigrafo da cui prende la modalità di tracciamento di linee parallele che individuano la gabbia strutturale del modello da disegnare. Le linee non necessarie vengono eliminate con la funzione di taglio.

Un limite che salta subito agli occhi, è il caso di dire, nell'utilizzo di una workstation grafica è la dimensione limitata dell'area di lavoro rappresentata dal monitor; a differenza del tecnigrafo che permette una grande dimensione di lavoro, lo spazio fisico fornito dal monitor è ancora molto ristretto. La dimensione dei monitor, che normalmente viene utilizzata nel disegno CAD, varia da 17" (pollici) a 19" fino ad arrivare alla dimensione "considerevole" di 21" corrispondente ad una diagonale reale di circa 50 cm. Dimensione ben lontana dal più piccolo tecnigrafo disponibile. La limitatezza della dimensione fisica del monitor viene però superata dalla possibilità di gestire in modo flessibile e molto veloce la finestra di visualizzazione sul disegno che il monitor rappresenta in un sistema CAD. La finestra di visualizzazione può essere modificata durante tutte le fasi di lavoro sia come dimensione sia come posizione. Le due funzioni base nella gestione della finestra grafica sono: Zoom e Pan. La funzione Zoom permette di variare la scala di visualizzazione del disegno modificando l'area proiettata sul monitor. Corrisponde esattamente alla funzione Zoom della macchine fotografica: si ingrandiscono i particolari avvicinandosi al disegno, si allarga il disegno allontanandosi. Viene modificata la scala di visualizzazione del disegno ma non la sua dimensione. Con Pan invece si cambia il punto osservato sul disegno coma se si facesse scorrere il "foglio" davanti ad una telecamera.

A differenza del disegno tradizionale al tecnigrafo, un disegno con un sistema CAD viene sempre prodotto in scala 1:1, cioè in scala reale. L'utente però nella fase di impostazione del progetto deve decidere quale unità di misura intende utilizzare, anche se esistono delle convenzioni applicate da tutti per ogni settore produttivo. Nelle applicazioni meccaniche l'unità di misura utilizzata nei disegni è il millimetro, in edilizia il centimetro, in cartografia il metro. Il sistema lavora in unità di disegno che può corrispondere ad unità di misura diverse: infatti una distanza rilevata dal sistema di 10 unità di disegno, può corrispondere indifferentemente 10 mm. oppure 10 cm. a seconda dell'unità di misura adottata. Pertanto quando si importano delle parti di disegno (blocchi o simboli) all'interno di un disegno è importante essere a conoscenza se l'unità di misura è la stessa. I vantaggi nell'utilizzare una scala di disegno reale sono molteplici non ultimo quello di eliminare tutta la fatica di conversione delle dimensioni durante il processo di disegno. Fra gli altri vantaggi possiamo citare: - tutte le dimensioni misurate sul disegno sono reali e non comportano riduzione in scala; - il sistema inserisce in automatico le quote senza fattori di conversione; - si possono plottare i disegni utilizzando scale diverse senza dover modificare i valori riportati. Ad esempio la dimensione di 100 unità di disegno viene riportata sempre uguale indipendentemente dalla scala di disegno. Deve essere però modificata la dimensione del testo delle quote, che su carta deve avere sempre la stessa altezza (in genere di 2.5 mm.)

Un modello geometrico solido è una rappresentazione matematica di un oggetto fisico che deve essere completa ed accurata: completa perché deve rappresentare l'oggetto in tutte le sue parti e accurata perché non si deve prestare a rappresentazioni ambigue e imprecise. Un modello contiene diversi tipi di informazioni a seconda di ciò che descrive: i modelli contengono dati relativi alla loro forma, dimensione, aspetto esterno e struttura. Sono composti da elementi base che permettono una semplice interpretazione grafica e da una serie di relazioni esplicite fra questi ultimi. Forma e dimensione sono descritte dalla geometria degli oggetti, mentre la struttura o topologia descrive le interconnessioni fra i componenti. Il modello può inoltre contenere informazioni relative all'aspetto degli oggetti, il materiale di composizione con riportato il colore, il tipo di superficie e il comportamento alla luce. I modellatori solidi si possono raggruppare in tre categorie diverse, corrispondenti a prestazioni ed evoluzione storica successiva.

I modellatori wire-frame, a filo di ferro, sono stati sono i primi modellatori ad essere sviluppati in ordine di tempo. La modellazione wire-frame viene definita anche modellazione per spigoli perché consiste nel rappresentare un oggetto fisico attraverso i suoi spigoli utilizzando entità geometriche elementari quali punti, segmenti e curve collocati nello spazio. Rispetto ad un sistema bidimensionale in cui un punto era individuato da due coordinate, in un sistema wire-frame ogni punto ha tre coordinate corrispondenti alla posizione rispetto agli assi X,Y,Z. Le informazioni ricavate dal modello sono soltanto quelle relative alle entità geometriche elementari, come le coordinate dei vari punti. Non vengono in pratica visualizzate le facce che permettono la visualizzazione con linee nascoste dei modelli. Infatti il limite di questo tipo di rappresentazione è nella possibile ambiguità nella visualizzazione degli oggetti: in figura X.5 l'oggetto descritto in wire-frame può corrispondere ad ognuno dei tre modelli visualizzati.

Molte ambiguità dei modelli in wire-frame sono superate utilizzando la modellazione per superfici. Il modello viene rappresentato attraverso le sue superfici esterne che lo compongono. La superficie di base è il piano che costituisce l'elemento più semplice nella rappresentazione di una superficie: un piano può essere individuato da due linee, da tre punti o da una linee e un punto. Le superfici vengono classificate in tre categorie: superfici definite da punti di controllo, superfici generate da curve Spine, superfici di collegamento con altre superfici. Superfici definite da punti di controllo Sono delle superfici, note come superfici di Bèzier e B-spline, la cui caratteristica è di essere elastiche con un grado di tensione variabile verso la poligonale che le sottende. La poligonale individuata dai punti di controllo risente della posizione dei singoli punti di controllo perché esercitano un'attrazione modificabile rispetto alla superficie. Le curve e le curve di Bèzier sono state applicate per la prima volta nel modellare la carrozzeria delle automobili perché facilmente adattabili e manipolabili. Superfici generate da curve Spine Le curve Spline sono curve di interpolazione che, a differenza delle curve di Bèzier, passano per punti assegnati e vincolanti. Le curve Spline derivano dalla pratica navale ed aeronautica e corrispondono ad un curvilinee elastico (spline) che viene appoggiato su alcuni punti predefiniti (poli) per individuare la curva interpolata. Le superfici generate da curve possono essere: superfici rigate: si ottengono congiungendo i punti di due curve di base con un fasci di rette. superfici di rivoluzione: sono ricavate da rotazione di una curva attorno ad un asse. superfici di estrusione: vengono generate dalla modifica del valore Z della curva orientata lungo un vettore definito o l'asse Z. Superfici di collegamento con altre superfici Queste superfici sono prodotte da una lavorazione di raccordo o smusso applicata su uno spigolo di un modello. La superficie ricavata è prodotta sulla base di una serie di valori forniti al sistema, quali il raggio di raccordo o l'angolo di smusso, o la variazione del raggio e dell'angolo lungo la lavorazione.

I modellatori solidi di tipo CSG (Constructive Solid Geometry) costruiscono i modelli a partire dalle primitive solide semplici, quali il cubo, il cilindro, la sfera ed il cono, e possono generare dei solidi complessi attraverso operazioni booleane. Queste operazioni, dette anche operazioni logiche, sono di tre tipi: Unione, Sottrazione e Intersezione. Riportiamo in dettaglio le operazioni booleane utilizzate nella modellazione solida (come in figura):

Operazioni booleane di Unione, Sottrazione e Intersezione.
(A AND B), (A NOT B), (A AND NOT B).

Unione

Un solido viene prodotto dall'unione di due o più solidi. L'operazione in termini booleani può essere espressa come: solido ricavato dal primo solido più il secondo solido (A AND B).

Sottrazione

Il solido che si produce è il risultato di una sottrazione di un solido da un altro. L'operazione può essere formalizzata anche come: solido risultante dal primo solido ma non dal secondo (A NOT B).

Intersezione

Il solido prodotto è la parte di sovrapposizione dei due solidi. In altri termini, è la regione dello spazio occupata sia dal primo solido sia dal secondo (A AND NOT B). Il modello numerico del solido costruito con i modellatori CSG contiene la struttura ad albero (tree) di tutte le fasi di costruzione, dalle primitive di partenza alle operazioni booleane operate successivamente. La struttura dei dati rispecchia il processo di costruzione del solido in tutta la sua storia e riporta tutte le informazioni dimensionali dei vari componenti permettendo la modifica e l'aggiornamento anche dopo il suo completamento. Modellatori di superfici B-rep Un modello a volte non può essere sempre descritto utilizzando le primitive solide quali cubo e sfera: si ricorre allora ad una rappresentazione dei solidi mediante le superfici di contorno, Boundary Representation o B-rep. Un solido in B-rep è rappresentato solo dalle superfici e dai contorni che lo compongono e richiede minor tempo di calcolo rispetto ad un modello CSG. Inoltre l'uso delle sole superfici nella rappresentazione del contorno consente la creazione di superfici complesse altrimenti non realizzabili con un modello CSG. Per ovviare ai limiti presenti nei due metodi, alcuni sistemi utilizzano le due modalità di rappresentazione (modellatori ibridi).