Текст книги "AutoCAD 2010. Самоучитель"

Глава 10
Основы трехмерного моделирования

В настоящей главе приводится описание основных принципов создания каркасных 3D-моделей и на их примере – главных инструментов, позволяющих ориентироваться в трехмерном пространстве при создании 3D – объектов различных типов. Также в этой главе описываются методы создания различных типов трехмерных объектов: каркасных, поверхностных и твердотельных.

Режим 3D – моделирования

В предыдущих главах все описание и все примеры приведены для режима 2Б-моделирования. Безусловно, создавать и редактировать 3D – объекты невозможно в режиме 2Б-моделирования, так как он ограничивает функциональность и возможности.

В AutoCAD 2010 предусмотрено переключение рабочего пространства в режим 3D – моделирования. Для этого необходимо открыть раскрывающийся список панели рабочего пространства и выбрать пункт 3D Modeling (3D – моделирование) (рис. 10.1). В результате программа перенастроит интерфейс рабочего окна соответствующим образом.

ЛЕНТА В РЕЖИМЕ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ

Переключение в режим 3D Modeling (3D – моделирование) изменяет стандартную ленту (рис. 10.2). Помимо изменения некоторых вкладок, оставшиеся вкладки имеют уже другой состав инструментальных групп.

На ленте в режиме 3D-моделирования присутствуют такие вкладки:

Ноте (Главная) – содержит инструментальные группы, позволяющие использовать простые объекты, изменять текущие объекты на чертеже, а также набор утилит (встроенный калькулятор, быстрое выделение и т. д.);

Mesh Modeling (Сеточное моделирование) – обеспечивает легкий доступ к средствам создания и редактирования полигональных моделей;

Render (Тонирование) – содержит необходимый набор инструментальных групп для визуализации построенных 3D– объектов;

Insert (Вставка) – дает возможность использовать команды вставки блоков, внешних ссылок и объектов других приложений;

Annotate (Аннотации) – содержит средства, необходимые для вставки в чертеж текста, таблиц и размеров;

Parametric (Параметризация) – содержит команды, предназначенные для создания параметрических объектов, вид которых определяется автоматически заданием определенного параметра, например длины или диаметра;

View (Вид) – дает возможность использовать команды управления экраном, панорамирования, переключения режимов пространства листа и пространства модели, установки точки наблюдения, удаления невидимых линий, закраски, тонирования, управления параметрами дисплея;

Manage (Управление) – позволяет управлять настройками пользовательского интерфейса, а также редактировать и создавать макросы;

Output (Вывод) – содержит команды, необходимые для печати чертежа, а также экспортирования настроек;

Express Tools (Экспресс-инструменты) – содержит команды вызова пакета Express Tools. Данный пакет является устаревшим и включается в поставку AutoCAD только для тех пользователей, которые к нему привыкли. Скорее всего, при установке с параметрами по умолчанию эта вкладка в системе меню AutoCAD будет отсутствовать.

Типы 3D-объектов в AutoCAD

Любой трехмерный объект, созданный в AutoCAD, отличается от двухмерного наличием третьей координаты, придающей детали объем и реалистичность. Способы создания 3D-объектов могут быть различными и зависят, в первую очередь, от постановки задачи. Всего AutoCAD располагает тремя типами 3D-объектов: каркасы (wireframes), трехмерные поверхности (surfaces) и твердотельные объекты (solids).

Каркасы представляют собой трехмерные скелетные модели деталей, созданные путем индивидуального построения точек, прямых и кривых линий, формирующих ребра 3D-объектов. Каждая точка такого каркаса описывается тремя координатами – X, Y и Z. Для построения скелетных моделей используют различные приемы: построение совмещенных 20-объектов в ортогональных системах координат, добавление координаты Z, определяющей ПСК для плоскости XY, с использованием трехмерных полилиний и сплайнов и т. д. Следует заметить, что каркасные модели считаются самыми трудоемкими, отнимающими наибольшее количество времени, и при этом на них не распространяются способы визуализации, присущие другим типам объектов. Однако данный тип 3D-моделей имеет право на существование и в некоторых случаях позволяет добиться быстрого результата.

Трехмерные поверхности представляют собой объекты, которые помимо единого каркаса имеют грани (рис. 10.3а). Хотя эти объекты и не обладают физическими свойствами сплошных тел, зато уже более реально (в сравнении с каркасными моделями) позволяют представить деталь в пространстве. Дело в том, что поверхности имеют свойство закрывать объекты заднего плана и отбрасывать тень при раскрашивании и тонировании. Также нужно отметить, что AutoCAD располагает встроенной библиотекой поверхностных моделей (например: сфера, цилиндр, конус, призма, тор и т. д.), при помощи которой можно быстро создать чертеж, задав основные параметры модели. Кроме того, наличие специальных команд (например, команды построения поверхности объекта путем вращения образующей) позволит вам без труда создавать собственные поверхностные 3D-объекты.

Частным случаем поверхностей принято считать сетки – трехмерные модели, определенные на основе многоугольных плоских или аппроксимированных кривыми сеток (рис. 10.36). Для построения этих объектов AutoCAD также располагает широкими инструментальными возможностями, позволяющими быстро создавать самые разнообразные по сложности поверхностные модели.

Наконец, самые сложные и наиболее реалистические – это твердотельные объекты или тела (рис. 10.Зв). Такие объекты представляют собой полный цифровой вариант реальных деталей, обладающих такими физическими данными, как объем, масса, инерционные характеристики и т. д. Используя специальные инструменты для таких объектов, можно получить любые проекции, разрезы или отсечения.

Трехмерные координаты

В предыдущих главах были рассмотрены приемы построения чертежей в плоскости XY. Положение любой точки в этой системе координат характеризуются двумя значениями – абсциссой и ординатой. Для выполнения построений в трехмерном пространстве к этим координатам добавляется третья величина, определяющая объем того или иного изделия. Речь идет о координате Z, придающей плоским объектам объем. Умение правильно задавать координаты трехмерных объектов способствует корректному моделированию пространственных деталей. Для этих целей AutoCAD располагает тремя типами систем отсчета: трехмерные декартовые, цилиндрические и сферические координаты.

ДЕКАРТОВЫЕ КООРДИНАТЫ

Для обозначения положения точки в трехмерном пространстве при помощи декартовых координат необходимо к значениям ее координат на плоскости XY добавить третье значение – координату Z. Так, например, на рис. 10.4 изображена точка, у которой координаты в плоскости XY равны 13.19, а по оси Z – 11 единиц.

При вводе координат в этой системе в первую очередь задается координата X, затем через запятую Y и только потом Z. Например: 13,19,11. Если числовое значение координаты дробное, то разделять целую и дробную части необходимо точкой. Кроме того, пробелы между числами и запятыми не допускаются.

Примечание. Если при вводе координат в трехмерном пространстве пропущено значение Z, AutoCAD автоматически присвоит ему значение по умолчанию, записанное в системной переменной ELEVATION и называемое возвышением.

При создании трехмерных объектов используются понятия возвышения (уровня плоскости XY) и высоты. Возвышение определяется Z-координатой плоскости XY, на которой объект построен. Понятно, что если возвышение равно нулю (значение по умолчанию), то уровень объекта (его плоскость) совпадает с плоскостью XY. При положительном возвышении объект находится выше плоскости XY, а при отрицательном – ниже. Что касается высоты трехмерных объектов, то она определяет расстояние, на которое объект смещен относительно возвышения.

Обычно к редактированию параметров возвышения и высоты прибегают в случае, когда необходимо построить несколько точек, у которых координата Z имеет одно и то же значение. Упрощение построений вызвано тем, что при этом достаточно будет вводить для каждой такой точки только два значения, определяющих ее положение в плоскости XY.

Как уже было отмечено, текущее значение возвышения хранится под именем системной переменной ELEVATION, а высоты – переменной THICKNEES. Для того чтобы изменить значение обоих параметров, присваиваемое вновь созданным объектам, нужно выполнить команду Elev и ответить на следующие вопросы:

Command: Elev

Specify new default elevation <0.0000>: <Ввод нового значения возвышения>

Specify new default thickness <0.0000>: <Ввод нового значения высоты>

Также следует отметить, что значение высоты объекта можно менять из палитры Properties (Свойства).

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ КООРДИНАТЫ

Положение точки в цилиндрических координатах также определяется тремя величинами, однако одно из них – угловое.

Как известно, круговой цилиндр образуется путем вращения образующей 2–3 (рис. 10.5а) по окружности, описывая угол 360°. Именно этот принцип положен в концепцию цилиндрических координат. Определяя положение точки, необходимо задать вначале радиус цилиндра (0–1), затем угол вращения образующей (1–2) и, наконец, высоту цилиндра (2–3). Так, например, точка, изображенная на рис. 10.36, была построена относительно текущей ПСК после ввода в командную строку 23<55,12. Значок «<» указывает на то, что после него вводится числовое значение угла поворота образующей, запятая перед этим значком не ставится, а после величины угла – должна вводиться обязательно. Таким образом, в цилиндрической системе координат положение точки определяется в следующем порядке: радиус – угол – образующая.

Следует обратить внимание на правило знаков. Что касается линейных координат, то тут все просто – направление осей определяет положительные значения отсчета. При этом положительное направление оси Z можно контролировать правилом правой руки. Это правило заключается в следующем. Если большой палец правой руки совместить с осью X, а указательный – с осью Y, то остальные пальцы в изогнутом положении укажут положительное направление оси Z (рис. 10.56).

Для определения положительного направления вращения относительно любой оси нужно следовать следующему правилу. Если установить наблюдателя со стороны положительного направления оси, то положительное направление отсчета углов будет совпадать с движением против часовой стрелки (рис. 10.4). Таким образом, чтобы ввести направление угла по часовой стрелке, значение угла следует вводить со знаком минус.

СФЕРИЧЕСКИЕ КООРДИНАТЫ

Положение точки в сферических координатах определяется также тремя величинами, из которых одно линейное, а два остальных – угловые.

Как известно, сферическая поверхность представляет собой геометрическое место точек пространства, равноудаленных от одной точки – центра шара. Поэтому, чтобы определить положение точки, расположенной на поверхности сферы (рис. 10.7а), достаточно указать радиус окружности, вращением которой образуется шар (0–1), затем угол, образованный вращением окружности вокруг оси Z (1–2), и наконец, угол, образованный вращением окружности относительно оси X (2–3). Так, например, точка, изображенная на рис. 10.76, была построена относительно текущей ПСК после ввода в командную строку 25<55<27. Значок «<» указывает на то, что после него вводится числовое значение угла поворота образующей. Таким образом, в сферической системе координат положение точки определяется в следующем порядке:

ФИЛЬТРЫ ТОЧЕК

Координатные фильтры точек – это еще один способ ввода координат в трехмерном пространстве, отличительной чертой которого является зависимость от координат ранее введенных объектов. Другими словами, чтобы назначить координаты этим способом, нужно привязаться к узлам уже существующих объектов для автоматического извлечения из них заказанной вами координаты.

Примечание. Задание координат в трехмерном пространстве способом фильтрации точек может быть эффективно только при использовании режимов объектной привязки.

Просмотр 3D-объектов

Работа с трехмерными объектами в AutoCAD базируется на использовании некоторых понятий. Точка наблюдения на объект (позиция наблюдателя) называется камерой, а точка, на которую направлена камера (точка фокуса), называется целью. Таким обра3Dм, получить нужный вид можно путем вращения либо камеры, либо цели, либо того и другого. При этом линия, соединяющая цель и камеру, называется линией просмотра.

Назначить характер отображения трехмерной модели в видовом экране можно посредством инструментальной группы View (Вид), расположенной на вкладке View (Вид) (рис. 10.10). С ее помощью можно, например, поменять ортогональный вид на изометрический или выполнить поворот фигуры набок, задать направление взгляда наблюдателя с помощью точки камеры и точки цели и т. д.

Чтобы задать направление взгляда наблюдателя на видовой экран и масштаб его отображения, достаточно указать текущий видовой экран и нажать на одну из кнопок в раскрывающемся списке.

Описание кнопок инструментальной группы View приведено в табл. 10.1.

Работать с ортогональными и изометрическими видами можно также посредством вкладки Preset Views (Стандартные виды) диалогового окна View Manager (Менеджер видов) (рис. 10.11), открывающегося при нажатии кнопки Named Views (Измененные виды),

Изометрический или ортогональный вид можно выбрать в списке, а чтобы сделать нужный вид активным, достаточно выполнить двойной щелчок на его имени. В раскрывающемся списке Relative to (Относительно) содержатся имена всех поименованных ПСК, относительно которых ортогональный вид может быть текущим. По умолчанию в этом списке установлена мировая система координат (МСК) – World (Мировая). Restore orthographic UCS with View (Вернуть ПСК из вида) восстанавливает ПСК, связанную с текущим видом.

Глава 11
Твердотельное моделирование

Твердотельное моделирование подразумевает создание тел, имеющих все атрибуты реального физического тела. Также твердотельные модели способствуют лучшему визуальному восприятию деталей в сравнении с каркасными или поверхностными объектами. Специальный набор команд позволяет быстро построить для тел их различные проекции и сечения. Данная глава знакомит с методикой создания и редактирования встроенных и пользовательских твердотельных моделей.

Элементарные твердотельные модели

К элементарным твердотельным моделям (далее – тела) относятся объекты, на основе которых в дальнейшем осуществляется создание пользовательских тел. Простейшие тела – параллелепипед, клин, конус, цилиндр, шар и тор. Для их создания AutoCAD располагает специальными командами, при отработке которых задаются основные геометрические характеристики объекта. Одна из них – это количество характерных линий криволинейных поверхностей, придающих объекту лучшее зрительное восприятие. Для выбора от 0 до 2047 образующих необходимо соответственно изменить значение системной переменной ISOLINES. Однако при этом следует учитывать, что чрезмерное количество линий может привести не только к улучшению качества изображения, но и к увеличению времени вывода изображения на экран. Для просмотра твердых тел в виде сетчатых или тонированных моделей используют команды Hide, Shade и Render.

Наиболее простой вариант создания ЗD-объектов – это выбор соответствующей кнопки объекта в раскрывающемся списке, расположенном в инструментальной группе Modeling (Моделирование) вкладки Ноте (Главная) (рис. 11.1).

В табл. 11.1 приводится краткое описание команд, соответствующих этим кнопкам.

ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕД

Для создания тела параллелепипеда предназначена команда

Box, которую можно вызвать щелчком по кнопкеBox (Параллелепипед). После вызова этой команды в строке подсказки будут выполняться следующие действия. Command: Box

Specify corner of box or [Center] <0,0,0>: <Ввод координат первого угла параллелепипеда, щелчок в произвольном месте экрана или выбор параметра Center > Specify corner or [Cube/Length]: <Ввод координат противоположного угла параллелепипеда или выбор параметров Cube или Length для перехода к другому способу построения>

Параметры команды следующие:

Center – позволяет вместо координат угла определить положение геометрического центра параллелепипеда;

Cube – создает равносторонний параллелепипед;

Length – позволяет создать коробок по его основным размерам: длине, ширине, высоте.

Таким образом, параллелепипед можно создать четырьмя способами:

Ввести координаты двух противоположных углов или отметить щелчком мыши их положение на экране (рис. 11.2а).

Ввести координаты геометрического центра параллелепипеда и одного из его углов (рис. 11.26). Для этого необходимо в ответ на вопрос Specify corner of box or [Center] <0,0,0> выбрать параметр Center, после чего на вопрос Specify center of box <0,0,0> ввести координаты геометрического центра, а после появления следующей подсказки Specify corner or [Cube/ Length] определить положение любой вершины.

Ввести координаты первой вершины, а потом перейти к размерам сторон (рис. 11.2в). Для перехода к длине, ширине и высоте параллелепипеда нужно на подсказку Specify corner or [Cube/Length] ввести параметр Length, после чего ответить на три вопроса:

Specify length: <Ввод с клавиатуры значения длины (размера, откладываемого в направлении оси X текущей ПСК)> Specify width: <Ввод с клавиатуры значения ширины (размера, откладываемого в направлении оси Y текущей ПСК)>

Specify height: <Ввод с клавиатуры значения высоты (размера, откладываемого в направлении оси Z текущей ПСК)>

4. Ввести координаты геометрического центра, а затем перейти к размерам сторон (рис. 11.2 т). Чтобы определить положение центра коробка, нужно в ответ на вопрос Specify corner of box or [Center] < 0,0,0 > выбрать параметр Center, после чего на вопрос Specify center of box <0,0,0> ввести соответствующие координаты. Для перехода к длине, ширине и высоте параллелепипеда нужно на подсказку Specify corner or [Cube/Length] ввести параметр Length, после чего ответить на три вопроса (см. выше).

КОНУС

Для создания тела конуса с окружностью или эллипсом в основании предназначена команда Cone, которую можно вызвать щелчком по кнопкеCone (Конус). После вызова этой команды в строке подсказки будут выполняться следующие действия:

Command: Cone Command: ISOLINES

Enter new value for ISOLINES [4]: <Указывает количество линий контура для изложения поверхностей объектов. Допустимые значения – целые числа от 0 до 2047. Начальное число 4> Command: Cone

Specify center point for base of cone or [3P/2P/Ttr/Elliptical] <0,0,0>: <Ввод или обозначение на экране координат центра основания конуса или выбор параметра Elliptical>

Specify base radius or [Diameter]: <Ввод координат второй точки, образующей вместе с первой отрезок, равный радиусу основания конуса, или выбор параметра Diameter> Specify height or [2Point/Axis endpoint/Top radius]:

<Ввод числового значения высоты конуса, отсчитываемого от плоскости основания, или выбор параметра Арех>

Параметры команды следующие:

ЗР – определяет длину окружности основания и базовую плоскость конуса с помощью задания трех точек;

2Р – указывает, что высотой конуса является расстояние между двумя заданными точками;

Ttr – определяет основание конуса по задаваемым касательным к двум объектам;

Elliptical – служит для построения эллипса в основании конуса;

Diameter – используется для ввода диаметра основания конуса вместо радиуса.

Таким образом, конус в AutoCAD можно построить с окружностью или эллипсом в основании. В первом случае необходимо указать три точки (рис. 11.3а), причем если требуется, чтобы плоскость, в которой строится радиус (диаметр), не совпадала с плоскостью основания, воспользуйтесь параметром Apex.

Во втором случае основание эллипса можно задать двумя способами: двумя точками, расположенными на концах первой оси эллипса, и третьей точкой, лежащей на конце второй оси (рис. 11.36); точкой центра эллипса и двумя точками, лежащими на концах первой и второй осей эллиптического основания (рис. 11.3в).

Command: Cone Command: ISOLINES

Enter new value for ISOLINES [12]: <Указывает количество линий контура для изложения поверхностей объектов. Допустимые значения – целые числа от 0 до 2047. Начальное число 12>

Specify CENTER point for base of cone or [3P/2P/Ttr/ Elliptical]: E

Specify axis endpoint of ellipse for base of cone or [Center]:

<Выбор положения точки, лежащей на конце первой оси эллипса, или выбор параметра Center для перехода ко второму способу формирования эллиптического основания> Specify other endpoint of first axis: <Выбор положения второй точки, лежащей на конце первой оси эллипса> Specify endpoint of second axis: <Выбор положения точки, лежащей на конце второй оси эллипса> Specify height or [2Point/Axis endpoint/Top radius]: <Ввод численного значения высоты конуса, отсчитываемого от плоскости основания, или выбор параметра 2Point/Axis endpoint/Top radius>

Параметры команды следующие:

2Point – определяет диаметр основания цилиндра путем указания двух точек;

Axis endpoint – задает положение конечной точки для оси цилиндра. Эта конечная точка является точкой центра верхней грани цилиндра. Конечная точка оси может быть расположена в любой точке ЗВ-пространства;

Top radius – задает верхний радиус пирамиды при создании усеченной пирамиды.

ШАР

Для создания цилиндра с окружностью или эллипсом в основании предназначена команда Sphere, которую можно вызвать кнопкойSphere (Шар). После вызова этой команды в строке подсказки будут выполняться следующие действия:

Command: Sphere Command: ISOLINES

Enter new value for ISOLINES [12]: <Указывает количество линий контура для изложения поверхностей объектов. Допустимые значения – целые числа от 0 до 2047. Начальное число 12>

Specify center point or [3P/2P/Ttr] <0,0,0>: <Ввод координат центра шара или Enter для совмещения центра с началом координат>

Specify radius or [Diameter]: <Ввод числового значения радиуса или выбор положения места точки на поверхности шара при помощи «резиновой» линии, берущей начало из центра шара>

Таким образом, методика построения шара аналогична действиям при построении конуса.

Для придания более реалистичного вида рекомендуется выставить значение системной переменной ISOLINES равным 20 или более. Кроме того, независимо от установленного количества образующих линий поверхность шара можно просмотреть, выполнив команду Hide. Эта команда осуществляет триангуляцию поверхности (разбивку на треугольные непрозрачные грани). Для восстановления исходного изображения следует выполнить команду Regen. Так, например, на рис. 11.4 показано, как выглядит тело шара до и после выполнения команды Hide.