Создание 3D модели штангенциркуля в AutoCAD 2010

Почему штангенциркуль?

Деревянные штангенциркули использовались уже в начале XVII века. Первые настоящие штангенциркули с нониусом появились только в конце XVIII века в Лондоне
(см. ).

Столь древний измерительный прибор, конструкция которого практически не претерпела каких-либо существенных изменений за все эти века, служит эталоном технического совершенства и заслуживает максимум почтения пред гением человеческой мысли. Вряд ли можно подсчитать, сколько экземпляров штангенциркуля находится сейчас в употреблении.

Почему AutoCAD?

Итак, эта статья — «электронный памятник» красивому измерительному прибору и практикум для пользователей AutoCAD, уже обладающих некоторым навыком работы в системе.

Штангенциркуль состоит из следующих основных частей:
hspace=

подвижная рамка
шкала штанги
губки для внутренних измерений
губки для наружных измерений
линейка глубиномера
нониус
винт для зажима рамки
пластина

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.

Этапы создания модели:

Cоздание контура штанги (вид сверху)
Создание контура подвижной рамки (вид сверху)
Создание заготовок штанги и подвижной рамки в виде 3D тел
Создание точных моделей штанги и подвижной рамки
«Электронная гравировка» — создание надписей
Создание моделей линейки глубиномера, пластины и винтов
Присвоение материалов
Визуализация

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

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 (). Используя зеркальное отражение относительно АВ, создаем соответствующие части подвижной рамки. Далее, по размерам на заканчиваем рамку. Все остальные операции выполняются в рабочем пространстве 3D моделирование.

Для начала создания 3D модели, создадим полилинию из отрезков и дуг, моделирующих контур штанги и подвижной рамки. Полилинию можно создать при помощи инструмента «РЕДАКТИРОВАТЬ ПОЛИЛИНИЮ» или инструмента «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, представляли собой замкнутый контур.

Перейдем в пространство 3D моделирование и установим ЮВ изометрию. Инструментом «Выдавить» создадим 3D тела из штанги и подвижной рамки. Глубина выдавливания — 3 мм. Получим картину, подобную приведенной на . Займемся штангой.

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 . Геометрические характеристики клина определяются по чертежу (). Скопируем клин несколько раз для дальнейшего использования. После этого, используя команду вычитания (из 3D тела штанга построенный клин), получаем результат (). Действуя подобным образом, создаем скосы верхней губки на штанге. На задней плоскости штанги имеется углубление для глубиномера размерами 2 х 1,1 х 177 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 Ø 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 Ø 2 мм и выдавим цилиндр с высотой, заведомо большей толщины 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:

Создание точной модели подвижной рамки
Подвижная рамка представляет собой более сложное геометрическое тело по сравнению со штангой. Изолируем слой ПОДВИЖНАЯ РАМКА и начнем работать с грубой заготовкой (). Опишем основные этапы и приемы работы, используемые для создания точной модели. Подвижная рамка (далее просто рамка) имеет толщину 6 мм, а ее заготовка — 3 мм.
Используем команду ИЗВЛЕЧЬ РЕБРА 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 .

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 очень утомителен и, самое главное, гарантирует абсолютную точность и отсутствие ошибок. Вполне возможно, что глубина 0,1 мм великовата, но при повторении этот недостаток легко исправить. Далее вычитаем из 3D тела «штанга» 165 вспомогательных параллелепипедов. Вы должны получить результат, изображенный на .

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 (или используйте 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 ().
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 команды ПОДОБИЕ (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 выдавите 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 нанесения рисок, не настаиваю на глубине 0,1 мм. Экспериментируйте. Результатом вашей работы должно стать изображение на :

Винт для зажима рамки
Моделируем по месту. Отверстие под винт в рамке уже готово. Устанавливаем ПСК, как показано на . Создаем окружность Ø 3. (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 головку винта — это массив из 40 параллелепипедов со скошенными гранями. Алгоритм создания очень похож на создание рисок. На представлен результат.

Винты пластины
Создаются по тому же принципу, что и предыдущие винты. Отличие: они утоплены в тело штанги таким образом, что верхняя плоскость головки винтов расположена заподлицо с верхней плоскостью штанги. На всех винтах смоделирована резьба. Резьба моделируется следующим образом:

создается примитив спиральвдоль цилиндра (тела винта)

вдоль спирали при помощи команды СДВИГвыдавливается профиль резьбы (желательно по соответствующему ГОСТу).

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

Пластина для зажима винтов.
Построим параллелепипед размерами 4,5 х 14 х 1 мм с двумя сквозными отверстиями Ø 2 мм.

Итак, модель штангенциркуля создана. Вот деталировка этой модели в концептуальном визуальном стиле.

Вызовем ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ПАЛИТРЫ (). Перенесем в файл материал из стандартной палитры AutoCAD «Двери и окна. Библиотеки материалов», указанный на . 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.

Для выполнения боле качественной визуализации «поиграем» параметрами освещения. Результаты визуализации модели, представленные в этой статье, выполнены с использованием двух точечных источников света интенсивностью 1500 Cd каждый с расположением 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 получения очень хороших визуальных эффектов.

Результаты визуализации:

Заключение
Принципы работы, изложенные в данной статье, могут использоваться 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 дальнейшем.

ведущий преподаватель
Бауманского учебного центра «Специалист»