Создание 3D-модели штангенциркуля в AutoCAD 2010

Вилен Габидулин,
Ведущий преподаватель Центра компьютерного обучения "Специалист" при МГТУ  им. Н.Э. Баумана.

Почему штангенциркуль

Столь древний измерительный прибор, конструкция которого практически не претерпела каких­-либо существенных изменений за много веков, служит эталоном технического совершенства и заслуживает максимального преклонения перед гением человеческой мысли. Вряд ли можно подсчитать, сколько штангенциркулей находится сейчас в употреблении.

Почему AutoCAD

В наше быстротечное время срок существования и постоянного совершенствования этой поистине универсальной программы также заслуживает большого уважения. Существуют и более приспособленные для данной цели программные продукты, в частности Autodesk Inventor. Но при наличии некоторого навыка и в AutoCAD задача построения электронной модели осуществляется достаточно просто.

Итак, данная статья - "электронный памятник" красивому измерительному прибору и практикум для пользователей AutoCAD, уже обладающих навыком работы в системе.

Построение модели штангенциркуля

Штангенциркуль состоит из следующих основных частей (рис. 1):

1. штанга;
2. подвижная рамка;
3. шкала штанги;
4. губки для внутренних измерений;
5. губки для наружных измерений;
6. линейка глубиномера;
7. нониус;
8. винт для зажима рамки;
9. пластина.

Помимо этого имеются еще две детали:

• пластина для ограничения вертикального перемещения глубиномера (на нижней плоскости штанги);
• винты крепления этой пластины.

Процесс создания модели штангенциркуля можно разделить на несколько этапов:

1. Создание контура штанги (вид сверху).
2. Создание контура подвижной рамки (вид сверху).
3. Создание заготовок штанги и подвижной рамки в виде 3D-тел.
4. Создание точных моделей штанги и подвижной рамки.
5. "Электронная гравировка" - создание выдавленных надписей.
6. Создание моделей линейки глубиномера, пластины и винтов.
7. Присвоение материалов.
8. Визуализация.

Рис. 1

Создание контура штанги (вид сверху)

Сначала создадим штангу 1 - вид сверху. При моделировании всех деталей будем придерживаться принципа максимальной детализации, что означает минимум упрощений, максимально точные размеры. Исходные размеры для создания штанги приведены на рис. 2. Выполнена деталь с применением обычных примитивов системы - отрезков и дуг окружностей. Набор примитивов, из которых состоит контур штанги, позволяет создать из них замкнутую полилинию.

Рис. 2

Создание контура подвижной рамки (вид сверху)

Приступим к созданию подвижной рамки 2. Для ускорения процесса можно использовать тот факт, что примыкающие части деталей 4 и 5, принадлежащие штанге и подвижной рамке соответственно, симметричны относительно линии АВ (рис. 3). Применяя зеркальное отражение относительно АВ, создаем соответствующие части подвижной рамки. Далее по размерам на рис. 3 заканчиваем рамку.

Все остальные операции выполняются в рабочем пространстве 3D-моделирования.

Рис. 3

Создание заготовок штанги и подвижной рамки в виде 3D-тел

Для начала создадим полилинию из отрезков и дуг, моделирующих контур штанги и подвижной рамки. Полилинию можно создать при помощи инструмента Редактировать полилинию или Создать контур , указав внутреннюю точку контуров, составляющих штангу и подвижную рамку (в данном случае можно создать и область, также указав внутрь контура).

Внимание! Проследите за тем, чтобы линии, составляющие контур штанги, были замкнуты.

Перейдем в пространство 3D-моделирования и установим ЮВ-изометрию.

Инструментом Выдавить создадим 3D-тела из штанги и подвижной рамки. Глубина выдавливания - 3 мм. Получим картину, подобную приведенной на рис. 4.

Рис. 4

Создание точных моделей штанги и подвижной рамки

Создание точной модели штанги

Верхняя плоскость губок для наружных и внутренних измерений имеет скос. Для его создания можно использовать различные методы. В данном случае удобно создать вспомогательное тело из набора стандартных примитивов - клин. Расположим пользовательскую систему координат (ПСК), как показано на рис. 5.

Рис. 5

Геометрические характеристики клина определяются по чертежу (см. рис. 2). Скопируем клин несколько раз для дальнейшего использования. После этого с помощью команды вычитания (из 3D-тела-штанги построенный клин) получаем результат (см. рис. 5). Действуя подобным образом, создаем скосы верхней губки на штанге. На задней плоскости штанги имеется углубление для глубиномера размером 2x1,1x177 мм. Построим любым методом вспомогательный параллелепипед указанных размеров, разместив рабочую плоскость по торцу штанги. Скопируем этот параллелепипед куда-нибудь в свободное пространство модели, а основной вычтем из штанги. Таким образом, мы одним выстрелом убиваем двух зайцев: создаем вырез в штанге и заготовку для глубиномера. Осталось сделать два отверстия диаметром 2 мм для пластины, ограничивающей горизонтальное перемещение глубиномера. Переместим ПСК на верхнюю грань штанги в точку с координатами будущего отверстия. Рабочую плоскость расположим на верхней грани штанги. Создадим окружность с центром в начале координат диаметром 2 мм и выдавим цилиндр с заведомо большей высотой, чем толщина штанги. Сделаем копию этого цилиндра и центр его нижнего основания разместим в точке с координатами центра второго отверстия. Вычтем из штанги полученные цилиндры. Штанга почти готова (рис. 6).

Рис. 6

Создание точной модели подвижной рамки

По сравнению со штангой подвижная рамка представляет собой более сложное геометрическое тело. Изолируем слой "подвижная рамка" и начнем работать с грубой заготовкой (см. рис. 3). Опишем основные этапы и приемы работы, применяемые для создания точной модели. Подвижная рамка (далее - рамка) имеет толщину 6 мм, а ее заготовка - 3 мм. Используем команду Извлечь ребра  и создаем область из контура нижней плоскости рамки. Выдавим эту плоскость на 1,5 мм вниз и командой Объединение  создадим новое 3D-тело. Ту же операцию проведем с верхним контуром рамки. Выдавливаем на 1,5 мм и объединяем. Скосы и отверстия - как при создании штанги. Внимательно и точно располагайте ПСК. Результат работы представлен на рис. 7.

Рис. 7

"Электронная гравировка" - создание выдавленных надписей

Это один из наиболее ответственных этапов работы. Если она выполняется впервые, то неплохо бы создать новый файл, скопировав туда готовую штангу, и потренироваться.

Создание делений

Располагаем рабочую плоскость на плоскости штанги. Начало координат совмещаем с предполагаемым расположением будущей цифры "0". Проводим базовый отрезок длиной 5 мм перпендикулярно нижнему ребру. При помощи команды Смещение  проводим параллельные отрезки по обе стороны от базового на расстоянии 0,05 мм. Соединяем их концы, удалив базовый отрезок. Делаем область из полученного контура и выдавливаем его вниз на расстояние 0,1 мм. Полученный параллелепипед - заготовка для всех делений штангенциркуля. Далее создаем обычный двумерный массив с количеством строк 1, количеством столбцов 0. Расстояние между столбцами (будьте внимательны!) - 1 мм. Число элементов массива - 165. У каждого пятого параллелепипеда выдавливаем верхнюю грань на 1 мм - это основные деления: целые цифры и половинные доли. Есть возможность автоматизировать эту процедуру, но для единичного образца подобный способ построения не слишком утомителен, а самое главное - гарантирует абсолютную точность и отсутствие ошибок. Вполне возможно, что глубина в 0,1 мм избыточна, но при повторе этот недостаток легко исправить. Далее вычитаем из 3D-тела "штанга" 165 вспомогательных параллелепипедов. Вы должны получить результат, изображенный на рис. 8.

Рис. 8

Создание цифр

Создаем текстовый стиль. Для создания цифр очень хорошо подходит шрифт romans.shx с высотой цифр 2 мм. Располагаем ПСК на верхней плоскости штанги (можно также использовать ДПСК - динамическую пользовательскую систему координат). Наносим цифры по основным делениям. Для нанесения цифр используем однострочный текст. После нанесения текста его необходимо расчленить до полилиний. Для этого нам потребуется заголовок строки меню EXPRESS (если вы поклонник классического интерфейса) или соответствующая вкладка ленты (рис. 9).

Рис. 9

Примечание. Опция EXPRESS устанавливается только при инсталляции системы на ваш компьютер.
Итак:
EXPRESS→TEXT→EXPLODE TEXT
В ответ на запрос командной строки выделите все однострочные тексты.
Внимание! Для многострочного текста эта команда не работает!

Теперь все ваши тексты превратились в полилинии. При помощи командыПодобие (Смещение)  сделайте из них конгруэнтные фигуры. Величина смещения - 0,05 мм от осевой линии. Осевую линию удаляйте осторожно, не все цифры сразу готовы к операции Выдавить. Придется повозиться с цифрами 3, 4, 5, 8 - в противном случае будет выдавлена поверхность. Выдавливая полилинии (бывшие цифры) по направлению внутрь штанги на глубину 0,1 мм, мы получим 3D-тела. Вычитая их из штанги, получим углубления - абсолютно точный электронный аналог процесса гравировки. Так же как и в случае с нанесением рисок, не настаиваю на глубине 0,1 мм. Экспериментируйте! Результатом вашей работы должно стать изображение как на рис. 10.

Рис. 10

Рис. 11

Создание моделей линейки глубиномера, пластины и винтов

Моделируем по месту. Отверстие под винт в рамке уже готово. Устанавливаем ПСК как показано на рис. 11. Создаем окружность диаметром 3 мм (величину диаметра можно указать объектной привязкой). Используя эту окружность в качестве основания, выдавливаем цилиндр высотой 7 мм. (Толщина подвижной рамки в данном месте - 5 мм, но резьбовая часть винта несколько выступает за пределы рамки.) Переставляем ПСК на верхнюю грань полученного цилиндра и создаем головку винта. С точки зрения геометрии головка винта - это цилиндр с диаметром основания 5 мм и высотой 0,7 мм. Создаем этот цилиндр. Накатка на головке винта - это массив из 40 параллелепипедов со скошенными гранями. Алгоритм создания очень похож на создание рисок. Результат показан на рис. 12.

Рис. 12

Винты пластины

Винты пластины создаются по тому же принципу, что и предыдущие винты. Отличие заключается в том, что они утоплены в тело штанги таким образом, что верхняя плоскость головки винтов расположена заподлицо с верхней плоскостью штанги.

На всех винтах смоделирована резьба, которая получается следующим образом:

• создается примитив "спираль"  вдоль цилиндра (тела винта);
• вдоль спирали при помощи команды Сдвиг  выдавливается профиль резьбы (желательно по соответствующему ГОСТу).

Эта процедура не является обязательной, но делает модель более реалистичной.

Пластина для зажима винтов

Построим параллелепипед размером 4,5x14x1 мм с двумя сквозными отверстиями диаметром 2 мм.

Итак, модель штангенциркуля создана. На рис. 13 приведена деталировка этой модели в концептуальном визуальном стиле.

Рис. 13

Присвоение материалов

Вызовем Инструментальные палитры (рис. 14). Перенесем в файл материал из стандартной палитры AutoCAD "Двери и окна. Библиотеки материалов" - материал указан на рис. 14. Вызовем палитру Материалы и присвоим указанный материал всем деталям штангенциркуля. Установим флажок По объекту и ползунок Блеск в положение 57. Создадим несколько вспомогательных параллелепипедов произвольных размеров, моделирующих коробку, в которой находится штангенциркуль. Установим визуальный стиль Реалистичный для проверки правильности выбранных параметров в первом приближении. Выполним пробную визуализацию со стандартным освещением.

Рис. 14

Визуализация

Для выполнения более качественной визуализации варьируем параметры освещения. Результаты визуализации модели, представленные в этой статье, получены с использованием двух точечных источников света интенсивностью 1500 Rg каждый при расположении их на плоскости нижней грани штангенциркуля (высота 0) и на 50 мм выше. Это просто один из вариантов расположения освещения, существует и множество других, возможно, гораздо лучше подчеркивающих красоту форм. Тем более что AutoCAD 2010 имеет достаточное количество средств для получения очень хороших визуальных эффектов.

Результаты визуализации представлены на рис. 15-17.

Рис. 15

Рис. 16

Рис. 17

Заключение

Принципы работы, изложенные в данной статье, могут применяться для создания множества сложных технических изделий. За рамками данной публикации остались замечательные возможности создания точных технических чертежей на базе готового 3D-тела, но об этом в последующих публикациях.