3D-建模初学者指南-全-
3D 建模初学者指南（全）
原文：
zh.annas-archive.org/md5/6c0bf7416085b11e7d91d4da5d770f6d译者：飞龙
第一章：计算机辅助设计的简史**
人类一直在创造自己的设计，在计算机出现之前的黑暗时代，工程师们使用技术制图来描述三维物体。
你可能曾经做过一些基本的技术制图。也许你画过一张自己制作咖啡桌的草图，或者画过一张简单的浴室平面图，告诉承包商你想放在哪里安装新的按摩浴缸。
在这两种情况下，想法都是一样的：尽可能清晰地表现出某个物体。假设你回家发现承包商把新浴缸放在了浴室门口，因为你的图纸不够明确，那就会很麻烦。
制图与工业革命
由于工业革命的推动，18 世纪对技术制图技能的需求激增。机器和产品设计的复杂性成倍增长，因此需要更精确的制造零件的指示。对于制作一张桌子的木匠来说，一张粗略的草图可能就足够了，但蒸汽机和工业工具需要更为详细的图纸。
这种需求催生了正式的制图学科，即绘制技术图纸的实践，就像图 1-1 中显示的蒸汽机专利装配图一样。制图员（也称为制图专家）开始创作没有任何歧义的工程图纸。制图行业中最重要的一部分就是能够创建只能以一种方式解读的图纸。工厂每天生产成千上万的零件；想象一下，如果由于机械师误解了他们所使用的图纸，而必须废弃所有这些零件，情况会如何。
图 1-1：1899 年蒸汽机的专利图纸
当然，要确保图纸只有一种解释，需要一个共同的视觉语言。随着专利制度的发展以及制造商之间开始分享想法，这种设计语言逐渐演变并变得更加明确。最终，通过像美国机械工程师学会（ASME）、美国国家标准协会（ANSI）和国际标准化组织（ISO）等组织的工作，制图语言得到了标准化。
虽然这些标准在细节上略有不同（例如使用什么符号），但它们的目的都是一样的：为技术图纸定义一种视觉语言，当正确使用时，可以消除所有歧义。经过专门训练的人能够完全客观地解读按照该标准绘制的图纸。这些标准涵盖了技术图纸的各个方面——从尺寸使用什么字体，到不同部件特征的线条粗细和样式。直到最近，制图员仍然使用各种工具手工绘制所有这些细节，比如制图台（如图 1-2 所示）、安装的描图仪、专用的钢笔、直尺、方尺和曲线模板。
图 1-2：一个大尺寸制图台，配有支架安装的直角尺
到了 20 世纪下半叶，制图员的工作变得异常复杂。产品拥有数千个零部件并不罕见，尤其是在汽车和航空航天行业中。制造商需要为这些零部件中的每一个制作技术图纸；还需要图纸来说明它们的组装方式，甚至需要更多的图纸用于维护和修理等任务。
每一张图纸都消耗了制图员的时间，尽管市场需求促使设计变得越来越复杂。幸运的是，正如地球上几乎所有其他行业一样，蓬勃发展的数字时代彻底改变了制图行业。
替代笔和纸
在任何人构建出第一台数字计算机之前，制造商就已经意识到使用计算机进行工程设计的潜在好处。毕竟，20 世纪 40 年代和 50 年代工程任务所需的复杂计算，正是数字计算机后来能够解决的类型问题。1952 年，麻省理工学院（MIT）的研究人员成功地制造了第一台数字数控（NC）机床。这成为了第一台由计算机控制的铣床，并为未来的计算机辅助设计（CAD）系统奠定了基础。
尽管技术进步迅速，但早期的计算机在图形显示、存储能力和用户界面方面仍有限制。尽管如此，工程界已经看到了 CAD 的潜力，任何有资金的组织都争相加入这一领域。麻省理工学院和多家汽车及航空航天公司在 50 年代和 60 年代独立开发了原型 CAD 系统。例如，在麻省理工学院，伊凡·萨瑟兰开发了名为 SKETCHPAD 的软件，允许操作员在 CRT 显示器上使用光笔进行绘图。在 1963 年关于 SKETCHPAD 的演示中，萨瑟兰声称：“对于高度重复的图纸或需要精确度的图纸，SKETCHPAD 比传统方法更快，因此非常值得使用。”（你可以在https://www.cl.cam.ac.uk/techreports/UCAM-CL-TR-574.pdf阅读这篇演示文稿。）
与此同时，像通用汽车（与 IBM 合作）、福特、雪铁龙、雷诺、洛克希德、波音和贝尔等公司也在开发商业 CAD 软件。这些早期的 CAD 系统，如图 1-3 所示，主要旨在取代手工绘图，而电子化的技术图纸创建（和修改）大大加快了绘图的速度。
图 1-3：Computervision CADDS 的早期版本之一，CAD 软件的早期示例
进入三维世界
70 年代，价格适中的个人计算机的引入，促使 CAD 在各类工程领域（包括机械、电气和土木工程）得到了广泛的应用。
随着这些设备带来新的 3D 软件包，设计过程发生了彻底的变化。工程师和设计师们现在可以创建大型机械组件的 3D 模型，并能够快速高效地测试和验证设计，而无需进行任何实物制造。当需要制造零件时，设计师可以利用 3D 模型快速生成技术图纸，甚至可以直接使用计算机辅助制造（CAM）软件来编程机床。
在 90 年代，开发者们优化了 3D CAD 软件，以利用计算能力的提升，直到大多数软件可以在价格适中的个人计算机上运行。这个时代的程序包括 SolidWorks、Solid Edge 和 Autodesk Inventor。
现代世界中的 CAD
进入 21 世纪后，CAD 继续发展。在土木工程领域，像 Autodesk Revit 这样的软件使得工程师能够建模整个建筑物，包括电气系统和暖通空调布局。电气工程师可以使用像 KiCAD 和 Autodesk Eagle 这样的软件设计印刷电路板（PCB）和原理图，这些软件包含电路仿真工具。
本书从机械工程的角度讲解 3D 实体建模，在这个领域，CAD 已经变得不可或缺。在我作为机械设计师的职业生涯中，我的大部分日常工作都在创建 3D 模型。你遇到的几乎每一个现代产品，最初都是由机械工程师、设计师和绘图员使用软件完全建模的。
如今，绘图员制作零件和组件的数字 3D 模型，然后利用这些模型创建技术图纸。绘图员可以从任何角度生成模型的视图，并且能够非常快速地添加尺寸、物料清单和其他技术信息。
爱好者的 CAD
直到最近，大多数爱好者无法负担高质量的 CAD 软件，这些软件主要面向专业工程团队，并且价格相应较高。大多数专业的 3D 实体建模 CAD 软件包价格高达几千美元，这使得它们对于从事爱好项目的创客和爱好者来说并不实际。
随着廉价 3D 打印机的流行，一切开始发生变化。突然间，全球的创客们对实惠的 3D CAD 软件产生了巨大需求。开源的 3D 网格建模工具已经存在，但它们只满足了部分爱好者的需求；虽然它们在艺术模型方面表现出色，但在机械任务方面则显得笨拙。
在过去的几年里，CAD 软件开发商开始回应爱好者对真正的机械化、参数化 3D 实体建模 CAD 系统的需求。他们从非常基础的软件开始，如 Autodesk 123D 和 SketchUp。尽管这些软件是向前迈出的一步（而且是免费的），但它们有着严重的局限性。用户大多只能使用原始的多边形进行工作，而高级建模要么非常困难，要么根本不可能。
幸运的是，针对全球的创客和 3D 打印爱好者，Autodesk 发布了Fusion 360，这是我们在本书中将要使用的工具。图 1-4 展示了使用 Fusion 360 可以实现的功能。
Fusion 360 是一款功能完备的参数化 CAD 程序，几乎拥有任何昂贵专业 CAD 软件中的所有功能。当我经营一个制造业务时，它是我所需的唯一 CAD 程序。而且最棒的是，Fusion 360 对非商业用途是免费的。
图 1-4：Fusion 360 让创客们能够免费创建高质量的 3D 模型。
在接下来的章节中，我们将介绍如何使用 Fusion 360 来创建您自己的专业级 CAD 模型。您将从基础的草图绘制到高级建模技巧，学习所有内容。到本书结束时，您将掌握设计复杂模型所需的所有知识，适用于 3D 打印甚至生产制造。
第二章：参数、特征与 Fusion 360 工作空间
理解参数化建模软件如何工作的关键就在于它的名称：在参数化建模中，你通过一组叫做参数的特征来定义每一个单独的特征。例如，一个简单的立方体是通过定义其原点、高度、宽度和深度等变量来构建的。这些维度只是软件用来描述立方体的参数。然后，你可以使用软件保存所有这些参数，并在之后进行编辑或引用。
在工程中使用基于参数的建模非常重要，原因有几个。最明显的原因是，当你为现实世界设计一个物理零件时，你需要精确地定义它的尺寸。例如，设计一个适配发动机的活塞时，你不能依赖视觉估算。相反，你需要通过明确的尺寸定义活塞的精确大小和形状——这些就是构成你模型的参数。
使用特征作为构建块
参数化建模的构建块叫做特征。单个特征通常只是基本的多边形——将这些基本形状与其他特征结合，最终得到一个复杂的零件。作为设计师，你将学习的基本技能之一就是如何将你设想的复杂零件拆解成一系列基本特征。
将一个组件（如图 2-1 所示）拆解成单独的特征是一个每个人都会以不同方式处理的任务。没有绝对正确或错误的方法。两个设计师可能会用完全不同的特征序列得到完全相同的零件。当然，关于高效建模的最佳实践是存在的。
图 2-1：由多个特征组成的简单零件。数字表示特征添加到零件的顺序。
如果你是参数化建模的初学者，你可能会试图使用尽可能少的特征，但这种方法通常不是理想的。单个特征会变得过于复杂，并且可能包含难以发现和修改的错误。然而，反过来也一样——创建一系列非常简单的特征可能会浪费时间并且低效。最佳的做法是找到复杂性与效率之间的平衡。
理解如何找到这个平衡点是一个优秀设计师的标志。通过实践和经验，你将学会如何将一个复杂的零件拆解成一系列遵循逻辑计划的特征。你选择哪条路径取决于你作为设计师的决定，但关键是要慢下来，做好规划。
当你小时候在搭建 LEGO 太空船时，你可能有一个大致的构想，想要让太空船看起来是什么样子的。但你实际搭建太空船的方式完全取决于你自己。现在，假设你的朋友来了，决定他也想建造一艘和你的一模一样的太空船。仅仅因为他能够做到这一点，并不意味着他是以相同的方式实现的。他可能使用了完全不同的积木，仍然能够搭建出一个尺寸和形状完全相同的太空船。
你可以把参数化建模软件中的特征看作那些单独的 LEGO 积木。积木有不同的大小、形状和风格，你可以用它们做很多事情。在参数化建模软件中，一个特征可以用来创建一个基本的立方体，而另一个可能用来在那个立方体中切一个洞。还有一个可能用来圆化边缘和角落。
你将使用的每个特征都由至少一个参数定义，例如切割的深度。大多数特征会有多个参数，你可以显式设置这些参数，或者软件会为以后的使用生成它们。在许多特征上，例如图 2-2 中所示的拉伸（Extrude），你将结合草图使用参数，草图是用于制作三维形状或定义位置或路径的二维图纸。
图 2-2：与草图结合定义的拉伸（Extrude）
你可以使用草图绘制你要切割到零件中的腔体轮廓，或者制作一条管道将要遵循的路径。并非所有特征都需要草图，但大多数特征都需要，你会发现自己大部分建模时间都在创建草图。
Fusion 360 工作空间
既然你已经熟悉了参数化建模的基本原理，那么现在是时候了解一下 Autodesk Fusion 360 工作空间了。让业余爱好者望而却步的一个主要因素是软件的复杂性。界面充满了按钮和工具栏，乍一看似乎毫无意义，因此未接触过的人可能会感到不知所措。一旦掌握了工作空间的基础知识，CAD 变得不再那么令人生畏。
下载 Fusion 360
Autodesk Fusion 360 可在 Windows 和 macOS 上使用。你可以在https://www.autodesk.com/products/fusion-360/free-trial/找到下载链接。Fusion 360 对于业余爱好者和爱好者是免费的；只有在你用于商业目的且年收入超过 $100,000 时，才需要支付费用。在要求输入公司名称时，你可以填写自己的名字作为公司名称。
由于 Fusion 360 是基于云的软件，你需要一个免费的 Autodesk 帐户才能访问它。按照链接下载安装程序到你的计算机。一旦软件安装完成，按照提示创建一个 Autodesk 帐户，或者如果你已经有帐户，可以直接登录。如果你是出于非商业目的使用 Fusion 360，记得选择适合爱好者的选项。
创建帐户并登录后，你会被要求选择你想要使用的单位。为了便于计算，整本书中我将使用毫米作为单位，但如果你更喜欢英寸，也可以使用英寸。你随时可以更改此设置，或者为单个文件设置不同的单位。选择好单位后，你应该能看到一个像图 2-3 一样的屏幕。
图 2-3：Fusion 360 启动屏幕
屏幕分为两个窗格：左侧窗格是你的项目浏览器，你可以在这里找到文件（尽管它们存储在云端），右侧窗格是你的工作空间。
使用项目浏览器
默认情况下，你会获得一个名为“[你的名字]的第一个项目”的项目，你的文件将保存在该项目中。你可以使用这个项目，或者如果你愿意，可以创建一个新的项目。这个项目是你保存 3D 模型、图纸和其他文件的地方，这些文件作为 Fusion 360 文档保存。
当你处理较大的项目时，你可以创建文件夹来保持项目的组织。如果你和其他用户合作，你可以与他们共享项目，让他们访问你的文件。要打开或关闭项目浏览器（以节省显示空间），使用图 2-4 中的图标。
图 2-4：关闭和打开项目浏览器
你只需要在创建新项目、更改项目或打开现有文件时打开项目浏览器。否则，你可以保持项目浏览器关闭，以便为工作空间窗格提供尽可能多的屏幕空间，在这里你将实际进行工作。位于项目浏览器和保存按钮之间的文件图标让你可以访问菜单选项，创建新文件、保存文件、导出模型等。
切换工作空间
在主工作空间窗格中，你应该能够看到窗口顶部的主工具栏。左侧是一个下拉菜单，默认应该设置为“模型”。这个下拉菜单允许你在不同任务的工作空间之间切换（参见图 2-5）。
图 2-5：切换工作空间以访问菜单和工具栏
切换工作空间应当让你能够访问其他工具栏和菜单选项。在这里，你将看到一个工作空间列表，并附有简要的总结：
模型 这是你可能使用最多的工作空间。它包含所有的实体建模工具，这意味着你建模的所有内容都有可能作为真实的物理对象存在。
修补 这个工作区包含了所有的曲面建模功能。您将在第七章中了解一些关于曲面建模的内容，但本书将主要聚焦于固体建模。
渲染 这个工作区包含了创建高质量 3D 模型渲染图的工具，通常用于演示目的。第九章涵盖了创建渲染图的基础知识。
动画 这个工作区允许您对装配体进行动画处理，以展示机器（例如）如何运作。尽管本书不涉及动画内容，但我建议您在这个工作区里玩一玩。
仿真 您可以使用这个工作区进行强度测试和应力分析仿真，这些内容也不在本书的范围之内。
CAM 计算机辅助制造（CAM）是 Autodesk Fusion 360 的主要卖点之一。它允许您创建工具路径并编程各种计算机数控（CNC）机器。CAM 是一个复杂的主题，因此本书中并未涉及。
绘图 在这里，您可以创建技术图纸，用于制造、申请专利或简单地展示您的模型。您将在第八章中了解更多关于此工作区和主题的内容。
在模型工作区中的导航
模型工作区是您大部分工作进行的地方。导航到该工作区并查看屏幕，屏幕应该被划分为几个关键区域，如图 2-6 所示。
图 2-6：模型工作区
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功能区 是主要工具栏，您将在其中找到创建固体模型所需的草图和特征工具，以及一些其他杂项工具。通常，您将从左到右工作——从草图开始，接着是创建，再到修改，依此类推。
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您的 Autodesk 账户选项、帮助文档以及 Fusion 360 的偏好设置和选项都可以通过下拉菜单访问。
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组件浏览器 显示您创建的视图、平面和其他构建几何图形——其中一些是默认创建的。目前，您将一次只处理一个组件，但如果有多个组件，您可以在这里选择它们。
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视图立方体 让您可以在空间中旋转您的 3D 模型，并快速将视口定向到模型的特定面。
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设计历史时间线 会随着您创建草图、特征和构建几何图形而更新。这会保持您所做的所有操作的历史，并允许您根据需要返回并进行更改。
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其他视图工具，用于围绕模型旋转、适应窗口、平移和缩放。
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各种显示设置和选项。您可以使用这个工具栏来更改工作区和模型的外观和感觉，设置视图网格并确定其行为，还可以将视图窗口划分为多个视口。
视口 是你实际与 3D 模型互动的地方（见图 2-7）。这是一个几乎无限的空间，模型将存在其中。因为你还没有创建模型，所以你应该看到一个覆盖在由两个轴组成的平面上的网格——在这种情况下是 x 轴和 z 轴，并且以原点为中心，原点是 x 轴、y 轴和 z 轴相交的点。
图 2-7：视口是你与 3D 模型互动的地方。
使用视图立方体围绕原点和模型旋转视口，或者使用导航工具栏中的轨道工具自由旋转或旋转模型。按住鼠标滚轮可以平移工具栏。通过窗口底部的放大镜按钮进行缩放，或通过选择视图工具栏中的手形图标来平移视口。你也可以使用鼠标滚轮或笔记本触控板上的两根手指进行平移。
理解模型工作区的主工具栏
每个工作区都有自己的主工具栏，模型工作区的工具栏包含进行实体建模所需的一切。2D 平面只能作为表面或参考几何体存在，这意味着它不属于实体模型的一部分。这是因为 2D 模型没有厚度，因此在现实世界中是无法制造的。使用实体模型确保你创建的部件（至少在理论上）是可以实际制造的。这与表面建模形成对比，在表面建模中，你可以创建具有零厚度的表面，这是物理上不可能实现的。
在接下来的章节中，你将学习如何使用模型工作区中的每个工具。但现在，简要概述一下主工具栏中的下拉菜单（见图 2-8）：
图 2-8：模型工作区的主工具栏
草图 创建草图以及在你创建的草图内绘图的各种工具。
创建 这是你可以找到用于创建实体的工具的地方。这些工具中的一些需要草图，但也有一些可以在没有草图的情况下创建基本原型的功能。
修改 用于修改现有实体的功能，例如添加倒角以圆滑 3D 模型的边缘。此下拉菜单还提供设置模型材质和外观的选项。设置材质可以让你计算质量等参数并进行仿真。外观仅影响模型的外观，这在创建渲染时非常有用。你还可以在这里找到自定义参数。
组装 用于将多个组件组合成一个整体的工具。这对于检查零件是否完全契合、测试它们的运动以及创建装配图非常有用。
构造 所有构造几何体，包括用于辅助建模的非实心平面、线条和点，这些几何体本身没有实际的三维实体。
检查 这里有许多工具可以用来分析你的模型。最常用的是测量工具，用于执行基本任务，比如检查从一个点到另一个点的距离，但也有用于检查重心、草图（用于模具制作）等的工具。
插入 用来将外部资源导入到你的模型中。例如，在创建高质量渲染时，你可能需要插入一个贴花——一张图像文件——比如刻度盘上的印刷面。你还可以导入外部的 DXF 和 SVG 文件（二维线图），以及 3D 网格文件，如 STL 文件，后者可用于 3D 打印。
制作 主要用于 3D 打印，这个下拉菜单提供了导出 STL 文件的选项。它还有一些工具可以将你的模型上传到各种付费 3D 打印服务。
插件 Fusion 360 提供了许多第一方和第三方插件，可以为你提供专门任务的工具。你可以在这里找到它们。
选择 大多数情况下，默认选择选项足够使用，但一旦你的草图、模型和装配变得复杂，可能会很难实际点击到你想选择的部分。在这种情况下，这个下拉菜单为你提供了只选择草图或几何体中特定部分的选项。
概述
现在你对界面和工作空间有了基本了解，可以自由地尝试不同的选项和设置。如果你觉得自己不小心弄乱了设置，可以随时通过点击右上角的用户名，然后点击首选项 ▸ 恢复默认设置来恢复到默认设置。
第三章：**3
设计你的第一个模型
终于到了开始建模的时候！在接下来的几章中，你将逐渐学习越来越复杂的草图工具、功能和技巧。在本书的结尾，你将成为 3D 建模的高手，并且拥有设计任何你想要的东西的能力。首先，让我们从基础开始。
了解你的工具
在本章中，你将学习如何使用 Fusion 360 中的基本草图工具和功能，这些工具是你在接下来章节中使用最多的，而不是复杂的工具。就像一个熟练的木匠可以用一把简单的工具做出惊人的事情一样，你将学会如何使用像拉伸和旋转这样简单的工具来构建模型。这些基础工具虽然不华丽，也不是为了专门的工作设计的，但它们功能强大，并且在各种任务中非常有用。
使用基本的草图工具
你可以在“草图”下拉菜单中找到基本工具，如图 3-1 所示。如果你看不到“草图”下拉菜单，请确保你处于“模型”工作区。
图 3-1：草图工具菜单
你应该能看到这里有很多选项，其中许多选项有附加的子菜单。在本章中，你将使用以下工具：
创建草图 创建一个新的草图。使用此工具时，你必须选择草图将在何种平面上绘制。当你还没有开始建模时，你通常会选择 x-y、y-z 或 z-x 平面；如果你已经开始了建模工作，通常会选择一个平坦的面作为草图平面。你也可以通过选择一个草图工具，如“直线”工具，然后选择一个平面来开始草图。
直线 绘制直线段。你可以将多个线段连接在一起，形成形状。这个工具使用频繁，所以有一个默认的快捷键：L。
矩形 自动创建四条线段，并使用约束将它们连接起来，约束是指定草图实体如何链接的规则。例如，一个约束可能会锁定两条线段的端点，使得弧形与直线相切，或使两条线平行。在这种情况下，矩形工具会自动约束四条线的端点，并使它们互相垂直。子菜单中包含了定义矩形的选项，快捷键 R 可以绘制由任意两个角定义的两点矩形。
圆形 用于绘制圆形。子菜单中提供了多种选项，用于定义和定位圆形。草图中的圆形是真正的数学圆形——它们不是分成弧形或一系列线段的。C 快捷键用于创建一个由圆心和直径定义的圆形。
弧形 用于绘制弧形。子菜单提供了几种选项，供你定义弧形的约束条件。由于弧形不像其他形状那样常见，弧形工具没有快捷键。
倒角 倒角（发音为“fill-it”）是一个常用的工具，用于将草图的角落圆滑化。你通过连接两条线的弧的半径来定义它。当你在草图中使用时，该工具会自动缩短两条线段，放置一个连接它们的弧，并将该弧约束为与两条线段相切。
修剪 当两条线相交时，此工具会将其中一条线修剪到交点位置。快捷键是 T。
延伸 延长一条线，直到与另一条线相交为止。如果你应用此工具时没有其他线条与之交叉，则什么也不会发生——在 Fusion 360 中，线条不能无限延伸。
偏移 创建一条或一系列与选定线段在定义的距离内偏移的线。快捷键是 O。
草图尺寸 定义草图的尺寸，比如线段的长度或两条线之间的角度。快捷键是 D。
使用这些工具创建的草图实体可能会成为你工具集的主体——你几乎可以用这些工具绘制任何东西。但你读这本书不仅仅是为了做草图——你是想创建 3D 模型！这时特征就派上用场了。
使用初始特征
你可以使用“创建”菜单中的工具（如图 3-2 所示）来制作初始特征，随后将它们组合成 3D 形状。你必须始终使用这些初始特征之一来创建你的第一个 3D 实体，因为它们不需要现有的模型几何形状（尽管可能需要草图）。这与“修改”菜单中的工具不同，后者只能处理现有几何形状。请记住，你可以在整个建模过程中使用这些工具来创建特征，而不仅仅是用来创建初始特征。
图 3-2：初始特征位于“创建”下拉菜单中。
这些初始特征中，有些使用频率较高。下面的列表简要描述了最常用的特征：
拉伸 为草图添加厚度，形成 3D 实体。相反，拉伸特征也可以用于以选定草图的形状切割现有实体。这是 3D 建模中最常用的特征，快捷键是 E。
旋转 类似于拉伸，这个特征通过草图在选择的中心轴上旋转指定的角度数来创建新的实体或从现有实体中切割出一个部分。例如，如果一个触及旋转轴的正方形被旋转 360 度，就会形成一个圆柱体。
孔 简化了在实体中打孔的过程。使用拉伸和旋转，你可以创建任何形状的孔，只要你能够画出它，但使用孔功能有时可以更快速地创建简单的孔。然而，由于使用拉伸或旋转切割孔更为常见和多功能，我通常避免使用孔功能。
盒子、圆柱、球体、环面、螺旋和管道 这些功能可以创建基础的原始实体。像孔功能一样，这些功能在某些情况下可以节省时间——主要作为基础的起点——但出于学习目的，你在本书中不会使用这些功能。你可以使用拉伸或旋转来创建这些每一个（可能唯一例外的是螺旋功能）。
你可能会惊讶地发现，目前你只会使用这两个初始特征（拉伸和旋转），但它们非常强大且有用。事实上，单靠拉伸和旋转，可能就会占据你 3D 建模过程中 90%以上的初始特征。
修改特征
尽管你可以在没有任何现有实体的情况下创建初始特征，但你需要有一个 3D 物体来修改特征。修改工具通常在建模过程的后期使用，以对你设计的部件进行最后的修饰，但你完全可以在更早的时候使用它们。你可以通过修改下拉菜单访问这些工具（见图 3-3）。
图 3-3：你可以在修改下拉菜单中找到修改特征。
像初始特征一样，你会比其他工具更多地使用其中一些，因此以下列表仅涵盖了 Autodesk Fusion 360 中一些可用的修改工具：
圆角 与圆角草图工具类似，你可以使用圆角修改工具来三维创建圆滑的边缘和角落。你可以选择内边或外边，并定义半径。快捷键是 F。
倒角 倒角工具的工作方式与圆角工具非常相似，唯一的区别是它将边缘削成斜面，而不是圆滑的曲线。你可以通过切割角度和距离来定义倒角，或者使用两个边缘的距离来定义。
壳体 这是一个令人惊讶的有用功能，壳体工具可以将实体内部挖空，并移除选定的面以形成开口。你还需要指定墙壁的厚度，以确保模型保持为实体。例如，壳体可以将一个圆柱体变成一个杯子，或将一个立方体变成一个盒子。
现在你已经了解了工具箱中的内容，让我们开始建模吧！
建模一个立方体
创建一个立方体就像是 3D 建模中的“Hello, World!” 虽然你可以通过使用盒子初始特征快速轻松地创建一个立方体，但你将通过草图以更复杂的方式创建一个立方体，这样你可以了解建模过程。
创建草图
要使用拉伸（Extrude）特性建模立方体，首先需要从草图开始。前往草图下拉菜单并选择创建草图选项。系统会要求你选择一个绘制草图的平面。图 3-4 展示了在 xy 平面上绘制的草图。你选择的平面完全由你决定——你随时可以在后期旋转模型，因此关键在于你如何在脑海中构思部件的形状。
一旦选择了草图平面，视口应该会旋转以面对该平面。如果你愿意，你可以旋转视图，但大多数时候你会希望在面朝草图平面时进行绘制。
因为你要建模的是立方体，所以首先绘制一个矩形。在这种情况下，你需要选择一个中心矩形。这意味着矩形将被约束保持在原点（0, 0, 0）处居中。约束是适用于草图实体的几何规则。例如，垂直约束会强制两条线以 90 度角相交。将模型约束到原点通常是一个好的实践，因为这将使将来使用默认参考平面和轴线变得更容易。
现在导航到草图 ▸ 矩形 ▸ 中心矩形。一个提供各种选项的对话框应该会弹出在屏幕上。点击平面确定中心点，所以点击原点以自动创建矩形的第一个约束。接下来的点击应该放置矩形的一个角落，所以稍微远离原点点击一点，你将得到一个矩形，如图 3-5 所示。你点击的点应该在 x 轴和 y 轴上对称——自动放置矩形的四个点。
图 3-4：选择最适合你的平面进行草图绘制。
图 3-5：在草图绘制过程中，你可以在操作过程中或操作后定义尺寸。
你可能已经注意到，在你第二次点击设置矩形的一个角落时，矩形的宽度和高度尺寸会弹出。你本可以指定其中一个，按 TAB 键，输入另一个的尺寸，然后按 ENTER 键。这将定义矩形的尺寸并将其约束到这些尺寸。
但是，由于你没有这样做，而是直接点击了空中的一个点，Fusion 就绘制了一个没有任何相关尺寸的矩形。这意味着矩形被约束保持在原点居中，四条线的端点通过重合约束自动锁定在一起，四条线被约束为彼此垂直。但它没有任何尺寸来约束实际的大小。
完全约束草图
此时，矩形的四条线应该变成蓝色，这表示草图尚未完全约束。你不应该在草图没有完全约束几何约束或尺寸的情况下完成草图。直到草图完全约束之前，点和线可能会无意中发生位移，这会导致零件精度的模糊性；而在 CAD 中，模糊性总是有害的。
要完全约束矩形，你需要定义零件的尺寸。使用 D 快捷键创建草图尺寸，或者从草图菜单中选择，并选择一条垂直线。将光标移到该线的一侧，然后点击放置尺寸。接着输入50并按回车键。对其中一条水平线做同样的操作。尺寸应该如图 3-6 所示显示。
图 3-6：草图线条在完全约束后变为黑色。
一旦你定义了尺寸，在默认的 Photobooth 视觉环境中，所有的线条应该变成黑色（如果你更改环境，颜色可能会有所不同）。这意味着你已经完全约束了矩形，之后不会有任何意外情况发生，影响草图的精度。确保草图始终完全约束，可以避免在处理更复杂的模型时追查问题。草图部分未约束不会破坏任何东西，但如果草图或特征发生位移，可能会导致不可预测的结果。
拉伸草图
要将你完全约束的草图拉伸成一个 3D 实心体，按 E 或选择创建 ▸ 拉伸。视图应该会发生变化，让你更容易分辨拉伸的效果，你将被要求选择一个轮廓，即草图中的任何封闭曲线。在这种情况下，你的轮廓是矩形，所以点击矩形内部的某个地方。如同图 3-7 所示，选中的轮廓应该会被高亮显示。虽然这里不适用，但如果多个轮廓位于同一平面，你可以在对话框的“轮廓”字段激活时点击它们来选择多个轮廓。
与所有特征一样，Extrude 也提供了一些选项供你使用。Start 选项是你希望零点，即拉伸的起点所在的位置。在这种情况下，你应该保持默认设置，即从草图平面开始。
图 3-7：拉伸对话框
方向选项决定了拉伸是应该扩展到草图平面的一侧、两侧但距离不同，还是两侧对称扩展。你希望立方体保持在原点居中，因此选择对称。当你选择对称时，系统会询问维度是指总拉伸长度还是每一侧的长度。你需要选择总拉伸长度，以便所有尺寸一致。将距离选项设置为 50 毫米，锥度角度为 0 度。
最后的选项，操作，决定了特征的功能。由于模型中没有其他固体体，因此新体是唯一合理的选项，但如果你想在现有的体上切割一个孔，可以选择切割。其他选项包括交集，它只保留两个固体重叠部分的部分，以及合并，它将两个固体合并为一个。
最后，点击确定来创建你的第一个 3D 模型！完成的模型应该像图 3-8 中的立方体。
图 3-8：立方体，你的第一个 3D 模型！
现在你已经完成了立方体的建模，让我们通过一些修改工具为它增添更多特点。
修改立方体
在本节中，你将修整所有立方体的边缘，并在其中一侧切割一个圆形孔。修整边缘会使立方体看起来更加圆润。
由于修整是一个修改特征，你不需要草绘任何内容，只需选择你想要修整的边缘。确保旋转模型以获取背面的边缘，并选择 5 毫米的半径，如图 3-9 所示。
图 3-9：选择边缘进行修整。
为了更好地理解修整工具的工作原理，尝试调整半径的尺寸并观察其行为。
要在立方体的一侧切割一个孔，创建一个新的草图。对于草图平面，选择立方体的前面或后面平面（你很快就会明白为什么）。接下来，绘制一个中心直径圆，圆心位于原点，直径为 25 毫米，如图 3-10 所示。
图 3-10：在立方体的一侧画出以原点为中心的圆
这就是为什么你花时间将矩形居中于原点，并使用对称拉伸的原因。当你选择草图平面时，原点会自动居中于你的零件，因为之前的特征是围绕原点对称建模的。现在，当你将圆形居中于原点时，你知道它也会居中于立方体的面。如果你的立方体没有居中于原点，你将不得不使用额外的约束、构造几何或尺寸来将圆形居中于面上。
绘制并完全约束圆形后，你可以将其挤出以切割孔。要执行单面挤出，将“范围”选项设置为全部，这样它就可以切割穿过所有现有的实体。你可能需要选择翻转切换按钮来改变方向，然后将操作设置为切割（参见图 3-11）。
图 3-11：使用挤出切割孔
你的立方体现在有了一个孔——很棒！要保存你的模型，请点击保存图标。
使用设计历史时间线
你可能已经注意到，图标开始出现在设计历史时间线窗口的左下角。这些图标代表了你在创建此特定模型过程中所采取的每一步（参见图 3-12）。
你还可以使用“回退”和“前进”按钮在所有功能间跳转，查看每一步的变化。你甚至可以使用播放按钮，查看你建模过程的时间流逝效果。
能够跳过各个功能步骤很酷，但设计历史时间线的真正强大之处在于它能够修改那些旧的功能和草图。当你使用时间线对早期步骤进行更改时，时间线中所有后续项目应该更新以反映你的更改。让我们来试试吧！
图 3-12：设计历史时间线
右键点击时间线中的第二个项目——第一个应该是草图，第二个应该是初始挤出。接下来，点击编辑特征，原始的挤出特征对话框应该会重新弹出。现在，将距离从 50 毫米更改为 100 毫米，然后点击确定。结果应该和图 3-13 中所示的模型一样。
图 3-13：所有更改后的功能都会更新以反映更改。
注意到边缘圆角被加长了，但孔依然贯穿整个部件。得益于参数化建模的强大功能，Fusion 360 将几何体分组为变量驱动的特征，这些特征会随着更改而调整。边缘本身有圆角，所以当边缘变长时，圆角也会变长。回想一下，当你挤出孔切割时，你选择了“全部”选项，所以当挤出长度增加时，切割也随之增加。
你选择前面或后面作为该特征的原因是为了避免出现像图 3-14 所示的意外结果。
图 3-14：孔在错误的面上！
在这个案例中，孔是通过其中一个侧面挤出的。当模型只是一个立方体时，无论你在哪个面上绘制孔，它看起来都是一样的。但当模型被扩展时，如果你选择了左、右、上或下的面，孔可能会出现在错误的位置。你如何选择模型的朝向完全取决于你，只要你记住功能之间的位置关系。
练习
通过完成以下练习，自己练习本章中学到的技巧。
添加槽口
通过右键点击设计历史时间线中相应的特征并选择删除，可以移除块体中的孔。在此案例中，孔特征是时间线中的最后一个。但是，如果你丢失了特征的位置，可以将光标悬停在设计历史时间线的条目图标上，以高亮显示模型中的相应特征，或将标记拖回时间线，查看每个建模步骤。
现在，你将向顶部面添加一个槽口。要绘制槽口，你可以使用“草图”菜单中的槽口工具。有不同的定义方式，而你将选择使用总长度。设定其长度为 50 mm，宽度为 20 mm。完成后，它应当看起来像图 3-15 所示的模型。
图 3-15：在块体的顶部面添加槽口。
使槽口响应式
正如你已经看到的，考虑模型未来如何变化非常重要。在第一个练习中，你将槽口设置为 50 mm 长——即块体本身长度的一半。假设你始终希望槽口的长度是块体长度的一半，无论块体的长度如何变化。
为此，编辑槽口草图。在“修改”下拉菜单中，点击更改参数，会弹出一个对话框，列出模型中使用的所有尺寸（你可能需要展开子菜单）。参数分为用户参数（你显式创建的）和模型参数（Fusion 360 在你建模新特征时自动生成的）。其中一个尺寸将是 100 mm 的拉伸距离。记下它的名称，在我的情况下是“d3”。
接下来，你可以修改槽口的长度尺寸，使用类似“d3 / 2”这样的表达式。现在，槽口的长度将始终被计算为拉伸距离的一半。
如果你延长块体，你的模型应该看起来像图 3-16 所示的模型。
图 3-16：使用参数使槽口长度始终为块体长度的一半。
总结
通过一个简单的 CAD 建模示例，你学会了如何使用 Fusion 360 的最通用工具：拉伸。在接下来的章节中，你将深入学习越来越复杂的功能，但你将继续在本书以及所有 3D 建模项目中使用拉伸工具。
第四章：将二维草图旋转为三维物体
生成参数化三维物体的最直接方法是通过操作二维草图。在上一章中，您通过拉伸一个正方形生成了一个立方体。在本章中，您将学习如何使用旋转特征从草图生成一个球形物体，然后通过倒角和倒圆角将特征平滑连接起来。
创建一个球体作为旋转特征
在本节中，您将使用旋转工具通过围绕中心轴旋转轮廓来创建一个实心体。
草图圆形
从创建一个草图开始，选择前视平面；记得点击视图立方体上的前视，以将视图定向到正确的平面。所有旋转操作都需要一个中心轴——一个围绕其旋转草图几何体的假想线——以创建一个实心体。在这种情况下，中心轴将是现有的 y 轴。
绘制一个中心直径圆，其圆心位于原点，直径为 50 毫米。然后，从圆的顶部绘制一条线到圆的底部。确保这条线是垂直的；如果是，您的光标应自动吸附到圆上。您的草图应如下所示：图 4-1。
图 4-1：一个中心直径圆，圆心位于原点，直径为 50 毫米
注意，您刚绘制的线是蓝色的，这表示它没有完全约束。为了确保该线通过圆心，请按住 Windows 上的 CTRL 或 Mac 上的 COMMAND，同时选择该线和圆的圆心。然后，在 Fusion 360 窗口右侧的草图调色板中，向下滚动到约束并点击共线，如图 4-2 所示。共线约束会强制您的选择对齐。共线约束应将圆心锁定在该线段的路径上，但它仍然可以在该路径上自由移动。
图 4-2：添加共线约束将完全约束圆形草图。
选定的轮廓不应与旋转轴（这里是 y 轴）相交，但可以触及该轴。目前，圆形与旋转轴相交，因此需要修剪它。您可以在功能选项中选择圆的一半，或者选择修剪工具并点击圆的左侧某个位置。
您删除的圆的部分应被红色突出显示。修剪工具将在其最近的交点处切断线。在本例中，最近的交点是垂直线与圆的交点。您应该剩下一个与旋转轴接触的半圆。
旋转圆形
现在你可以选择旋转工具。选择轮廓并然后选择旋转轴。为了确保你成功选择了 y 轴，点击屏幕左上角的原点按钮旁边的箭头。箭头会显示默认的参考几何体（如图 4-3 所示），其中包括自动生成的原点、坐标轴和面。你可以从那里选择Y轴。
图 4-3：手动选择 y 轴
类型设置应该选择角度为 360 度或全圆；对于操作设置，选择新建实体。你现在已经拥有了一个像图 4-4 所示的崭新球体！
图 4-4：一个基本的球体
修改球体
现在你有了一个基本的球体，接下来通过添加几个特征来让它更有趣。首先，使用挤出功能在球体的中心沿垂直轴做一个孔。
由于这是一个球体，没有平面面，因此你需要在现有的顶部平面上进行草图绘制——即 x-z 平面，这是默认创建的。创建一个新草图，然后从窗口左侧的原点文件夹中选择x-z 平面（如图 4-5 所示）。接着在原点中心画一个直径为 15 毫米的圆，并执行切削挤出，将范围选项设置为全部。选择双向作为方向，这样它就会将孔贯穿整个球体。
图 4-5：沿球体的垂直轴挤出一个 15 毫米的孔
你现在应该有一个看起来像珠子的物体；不过，边缘有些粗糙，所以请给孔的两个开口添加倒角特征。你可以在“修改”菜单下找到倒角工具，它用于将选定的边缘削平。
你通过指定从选定边缘开始切削的距离来定义倒角——可以选择两个不同的距离、两个相等的距离，或一个距离和一个角度。在这种情况下，选择两个相等的距离。输入 2 毫米的距离并完成特征，使得你的模型看起来像图 4-6 所示。
图 4-6：孔现在有了精美的倒角边缘。
现在你应该理解参考几何体的重要性。接下来，你将最终建模一些有用的东西！
建模一个装饰性铅笔盒
3D CAD 建模的乐趣最在于设计一些你真正能用到的物品。也许你打算将模型进行 3D 打印、CNC 加工，甚至外包给工厂生产。
在本节中，你将学习如何建模一个基本的装饰性铅笔盒。你将使用你已经学过的功能，并且会用到一些新的功能，比如弧形和外壳。如果你愿意，完成后你可以将此模型进行 3D 打印，并把它放在你的桌子上，让同事们羡慕你新学到的技能。
创建一个简单的盒子特征
首先，在顶部平面（x-z 平面）上绘制一个 75 mm × 75 mm 的正方形。使用中心矩形选项，将正方形居中于原点。然后，拉伸你所创建的轮廓—100 mm 向上—以创建基础特征，如图 4-7 所示。
接下来，你将创建一个 Revolve 特征。
图 4-7：基础特征是一个 75 mm × 75 mm × 100 mm 的拉伸。
绘制弧线
在前视平面（x-y 平面）上创建 Revolve 特征，首先绘制一个草图，类似于图 4-8 所示。约束弧线，使其与从底部起始的 80 度角度线相切。一定要使用现有的 y 轴作为 Revolve 工具的旋转轴。
图 4-8：按照所示绘制草图，特别注意约束条件。
你只需要使用的新工具是弧线工具。画一条从角度线到顶部水平线的弧线；然后选择角度线和弧线，从草图面板中给它们添加一个切线约束。你可以使用三点弧线，也可以使用切线弧线，这样可以省去手动添加切线约束的第二步。
围绕弧线特征进行旋转
草图完成后，现在你可以创建 Revolve 特征了。你可以像之前那样操作——选择你刚刚绘制的草图作为轮廓，并将 y 轴作为旋转轴。不过，这次将操作类型更改为交集，如图 4-9 所示。
图 4-9：使用 Revolve 特征和交集选项。
交集类型只保留现有实体与新实体重叠部分的几何体。在这个例子中，Revolve 特征本应创建的实体并没有完全达到 Extrude 特征所创建的盒子的角落，因此交集操作去除了模型中没有重叠的部分——即角落部分。你现在应该只剩下一个看起来像图 4-10 的实体。
图 4-10：Extrude 和 Revolve 特征相交的结果
现在你有了一个有趣的形状，但这些边缘并没有很好地融合在一起——从视觉上看，有些生硬。倒角和圆角对于平滑这种突兀的边缘非常有用，而且它们能让你的模型更显精致。为了改善外观，可以在底边以及四个泪滴形状的边缘上添加 5 mm 的倒角或圆角，如图 4-11 所示。
你的铅笔架现在应该有了圆润的边缘。
图 4-11：倒角和圆角非常适合改善模型的表面处理效果。
使用壳体特征 hollow 处理模型
最后，添加一个壳体特征来将模型 hollow 处理；这样，你就可以在模型内部放置铅笔了。
从修改下拉菜单中选择壳体，确保取消选中切线链，并选择顶部面。这告诉 Fusion 360，这是你希望保持开放的面。方向设置应选择内侧，内侧厚度设置为 5 毫米，即墙壁的厚度。
点击确定，完成！你的模型应该有一个开放的顶部和一个中空的内部，四周墙壁厚度为 5 毫米。尝试使用挤出、旋转和倒角功能来调整设计，以满足你的需求。
打印模型
如果你想 3D 打印你的设计，从制作下拉菜单中选择3D 打印。在选择选项中，通过点击你的模型来选择你想要打印的实心体。你可以通过精细化选项来设置网格的质量，这决定了构建网格时使用多少三角形。通常，唯一不使用最高设置的原因是为了保持文件大小较小。如果你只想保存 STL 文件以供后续打印，请取消选中发送到 3D 打印工具。如果勾选，它将自动将 STL 文件导出到你选择的切片软件。
练习
你应该完成以下项目，以练习到目前为止学到的技能。本书到目前为止涵盖的工具和功能足以让你完成每个项目。
记住，建模没有对错之分——虽然有最佳实践。你创建这些模型的步骤可能与别人不同；重要的是最终的结果，并且你理解自己所做的以及为什么这么做。
这些模型的实际尺寸并不重要。它们只是你练习和测试所学知识的起点。你可以随意更改设计或添加内容！
钱夹夹子
尝试建模图 4-12 中展示的简单钱夹夹子；然后尝试调整设计，使其更加个性化或更具功能性。
图 4-12：一个简单的钱夹夹子！
衬衫按钮
衬衫上的钮扣经常掉落，谁能记得把那些附带的备用钮扣放在哪里呢？现在你可以自己 3D 打印替换按钮了！图 4-13 中的模型在顶部有一个凹陷面，增加了一些难度。
图 4-13：一个替换的衬衫按钮
一旦掌握了这个按钮，尝试复制你已有的衬衫上的按钮。
电子元件引脚弯曲器
你是否曾经做过电子项目，发现自己在弯曲元件引脚时很难做到长度一致且整齐？图 4-14 中展示的这个方便工具可以解决这个问题。它有槽位可以固定像电阻或 LED 这样的元件，让你可以把它们的引脚弯曲到你想要的长度。尝试根据你的面包板的间距来定制它。
图 4-14：使用这个工具弯曲电子元件的腿部。
总结
在这一章中，你掌握了一些重要的新技能，并扩展了你的建模词汇，加入了更多的工具。在本书的其余部分，你将学习到越来越多的高级工具和技术，但你已经可以仅凭目前所学完成许多项目了。
你制作的大多数模型将由像这样的特征组成，这些特征乍一看似乎很简单，但它们非常多功能，你可以利用它们创建种类繁多的几何形状。尝试以下练习来建模一些有用的部件；然后通过在你自己的建模项目中运用这些新技能进行实验。
第五章：建模装配体
到某个时候，你可能会对只包含单个零件的设计感到厌烦。在本章中，你将学习如何使用 Fusion 360 创建更复杂的、多部件的机制，称为装配体，它们可以由两个或更多的组件（零件）组成，甚至由多个子装配体构成。一辆车的引擎就是一个装配体的例子。
Fusion 360 提供了几种创建装配体的方法。你可以在一个 Fusion 360 文件中制作并装配多个实体体，也可以将单独的文件合并成一个装配体。在本章中，你将学习这两种方法，以及如何将它们结合使用。
你使用的方法取决于你想要完成的任务，以及从直觉上最适合你的方法。对于某些人来说，每个文件包含一个单独的实体体（一个组件）似乎是最自然的结构方式。其他人则更喜欢将所有固体体放在一个文件中—并将其转换为组件—来进行装配。使用一个文件可能更简单，但它提供的灵活性较少。除非你有充分的理由不这样做，否则最好将组件作为单独的文件保存，因为这样更容易编辑组件，并有助于组织和协作。
在本章中，你还将学习参考几何体，这是一种创建复杂模型及其内部关系的宝贵工具，对于高级建模至关重要。
将实体体转换为单个文件中的组件
组件允许你在构建实体的同一文件中构建装配体。传统上，大多数 CAD 软件要求用户在单独的文件中处理零件和装配体；你需要在零件文件和装配体文件之间做出选择。Fusion 360 不会明确区分文件类型，因此你可以在同一个文件中编辑零件和装配体。用户可以在组件内创建和操作实体，组件保持自己的坐标系，并且可以在同一文件或不同文件中创建。
以下是一些常见的用户界面术语：
关节 组件之间的物理关系。
组件 存储局部坐标系、实体、特征和草图。
实体 存储带有某种构造类型的几何体。
特征 设计上的一个动作及该动作的参数。
参数 一个命名的值。当参数被更改时，设计会重新计算。
我将首先向你展示如何在一个 Fusion 360 文件中创建并装配组件。这样做有两个主要好处。首先，由于你会将所有零件存储在一个文件中，因此它们易于跟踪。其次，通过将一个实体体拆分为两个，你可以确保组件之间的精确配合。
为了学习这项技术，你将建模一个带盖子的盒子，二者共同组成一个组件。首先，打开一个新文件，并建模一个宽 100 mm、深 75 mm、高 50 mm 的矩形棱镜。为了增加一点风格，可以将除了底部四个边以外的所有边都加上 5 mm 的倒角（见图 5-1）。
要将这个物体变成一个盒子和一个盖子，你需要将其分割成两部分。你可以使用分割体工具轻松做到这一点。不过，首先你需要一种方法来定义分割发生的位置。
图 5-1：首先建模一个 100 mm × 75 mm × 50 mm 的矩形棱镜。
使用构造平面分割物体
告诉分割体工具在哪儿进行切割的一种方法是画一条简单的线穿过前面或侧面。这种方法在分割不是直线时特别有用。例如，你可以沿着一个弧形来分割模型。
因为我们只需要一个简单的直线切割，我们将使用一种更快的方法：沿着构造平面切割。构造平面、轴和点都是参考几何体的例子。（参考几何体在建模过程中用作引导，但它不是模型的物理部分。）你可能使用构造平面将一个特征从模型的一侧镜像到另一侧，或者你可能使用构造轴作为旋转特征的旋转轴。
在这种情况下，你将创建一个构造平面，告诉分割体工具在哪里划分固体体积。从构造下拉菜单中选择偏移平面。偏移平面工具会创建一个与所选平面平行的构造平面。在“平面”框中，选择盒子的顶面。接下来，在下拉菜单的“距离”框中，确定新平面距离原平面的距离。正值会使新平面位于原平面之上，而负值则使其位于下面。对于我们的目的，输入–15.00 mm，如图 5-2 所示。
现在，你已经具备了将模型分割成两个固体体所需的一切。从修改下拉菜单中选择分割体工具。当工具询问你要分割哪个体时，你可以点击模型的任意位置。它还会询问要使用什么作为分割工具，或者说你希望在哪里分割模型。在这种情况下，分割工具就是你刚刚创建的构造平面（但它也可以是草图或其他参考对象）。选择构造平面，然后完成分割，如图 5-3 所示。
图 5-2：使用偏移平面创建一个距离顶面 15 mm 的构造平面。
图 5-3：分割体工具使用一个参考对象将模型分割成多个固体体。
你的模型现在由两个独立的实心实体组成（一个是盒子，一个是盖子）。你不再需要参考平面，因此可以通过点击组件浏览器（左侧）构造部分对应的灯泡图标将其隐藏。然而，不要删除构造平面，因为拆分实体功能依赖于它。如果删除了平面，任何依赖于它的功能都会失效，包括你刚刚创建的拆分实体。
创建组件
尽管我们模型中的两个实体已经被拆分，但它们还没有被定义为组件。要一次性将所有实体转换为组件（见图 5-4），右击组件浏览器中的实体，然后选择从实体创建组件。你也可以通过右击每个实体单独进行此操作。
图 5-4：所有实体可以一步完成转换为组件。
组件浏览器现在应该列出了两个组件：盖子和盒子。如果你点击这两个组件的下拉箭头，你会看到每个组件现在都有自己的原点、平面和实体。你实际上已经将两个独立的模型放入了同一个文件中。你可以单独移动每个组件，同时保留它们各自的原始坐标。
挖空盒子并创建唇边
目前，每个组件都是实心的，但为了在盒子里存储物品，你需要将其做成空心，如图 5-5 所示。你已经知道如何使用壳体工具来实现这一点，所以将盒子壳体厚度设为 3 毫米，盖子壳体厚度设为 6 毫米。为了单独处理每个组件，在组件浏览器中将鼠标悬停在组件上并点击激活组件。要同时编辑两个组件，将鼠标悬停在组件浏览器的顶部级别，并选择激活组件。
图 5-5：将每个组件做成空心。
盖子组件应该比盒子有更厚的壳体，因为你不希望盖子在关闭盒子时滑脱。为了防止这种情况发生，你需要给盖子加一个适合放入底部盒子的唇边。使用更厚的壳体可以提供额外的材料来制作这个唇边。激活盖子组件并旋转它，使你能看到里面，然后在底面上创建一个草图（唇边将在此处）。接下来，将外边缘偏移 3.5 毫米，并将内部轮廓拉伸 2.5 毫米，如图 5-6 所示。
图 5-6：展示盖子组件拉伸的唇边的截面视图
在唇缘和盒子之间应该留有 0.5 毫米的间隙，因为当你设计配合的零件时，考虑它们在现实世界中的实际契合非常重要。如果这两个零件被建模为零间隙，那么实际物体可能会配合得太紧（或者根本无法配合）。在工程术语中，你为某些误差留出的空间叫做tolerance（公差）。这个 0.5 毫米的公差有助于确保即使这些零件的制造不完美，它们仍能配合在一起。
给配合零件留多少公差是一个比较棘手的问题。如果你希望零件紧密配合，可能根本不留任何公差。如果它们需要能够自由移动，你可能会给它们留很大的公差。确定准确的公差量需要经验、反复试验以及对制造技术和材料的理解。高质量的机械加工可以非常精确，因此在这种情况下通常可以使用非常严格的公差。然而，3D 打印本身就不精确（尤其是业余爱好者使用的熔融沉积成型打印），因此在这种情况下更适合使用较松的公差。
定义关系
在构建装配时，你通常需要在组件之间创建关系。例如，在建模活塞和气缸时，你需要明确指出活塞位于气缸的中心。同时，你还需要指定它的方向，以及它在气缸中可以移动的距离。
为了定义盒子与盖子之间的关系，你首先需要固定其中一个组件。这应该将该组件锁定在空间中，从而使其他组件相对于它移动。通常，你会将你认为是“基础”的组件固定。右键点击盒子组件，然后点击固定。
接下来，你将使用连接器来定义盖子相对于盒子的运动。连接器可以限制或允许某些类型的运动；例如，前面的活塞和气缸示例中，活塞会使用圆柱形连接器来允许沿中心轴线的运动，但不允许垂直于轴线的运动。
为了让我们的盒子能够开合，我们需要保持盖子在盒子上居中，同时又能让它上下移动。
从“装配”下拉菜单中，选择连接器（或使用J快捷键）。接下来，选择一个组件以及该组件上的一个参考点。通常，这个参考点是面的一部分或一个中心点。选择每个组件侧面的中心点（见图 5-7）。然后，如果需要，点击翻转，并选择平面作为运动类型。
图 5-7：将平面连接添加到组件的侧面。
重复这个过程，为前面添加第二个平面连接。现在你应该能够自由地上下移动盖子，但不能左右或前后移动。
你的第一个装配完成了！如果你愿意，可以将每个组件导出为 STL 文件，使用这个模型 3D 打印你自己的盒子。
从外部文件装配组件
虽然你可以像制作盒子那样，在一个文件中建模和组装所有零件，但将组件分开存储在不同文件中也是很有用的。以下是一些原因：
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当你处理包含多个零件的大型装配时，将零件分开管理可以使得保持组件的有序性变得更容易，并且有助于保持文件大小可管理。
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这样可以与他人协作，工程团队的每个成员可以同时在不同组件上工作。
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大多数装配有重复的零件。如果你在设计一辆车，你不会希望单独建模每一个 M5X100 的机器螺钉。相反，你只需要建模一个螺钉，然后根据需要将多个实例添加到最终的装配文件中。
为了学习如何从单独的文件创建装配，我们将制作一个有两个相同面的门铰链。你将创建一个单一模型，并将其两个副本导入到装配文件中，完成铰链的制作。
制作铰链桶和支架
我们从制作铰链的桶开始。这个桶应该是一个中空的圆柱体，草图在顶部平面上，进行对称拉伸。外径（OD）设为 12 毫米，内径（ID）设为 8 毫米，总长度 100 毫米，如图 5-8 所示。
图 5-8：拉伸一个具有以下尺寸的圆柱体：外径 12 毫米，内径 8 毫米，长度 100 毫米。
接下来，为铰链支架创建一个平面。首先在圆柱体的一个端面上绘制草图。远离圆柱体，完成一个长 56 毫米、宽 3 毫米的矩形的三边。
不需要修剪重叠的线条——如果你像在图 5-9 中看到的那样保留它们，它们不会产生任何问题。如果我们真的在生产这个铰链，我们希望留出一些容差空间。但为了简化，你可以将一条线与桶的中心对齐。
图 5-9：绘制一个平面为铰链支架创建平面。重叠的线条没有问题；你可以直接拉伸封闭的轮廓。
一旦你的草图看起来像图 5-9，选择矩形区域并将其拉伸到桶的另一端。此时，你的模型应该像图 5-10 一样。接下来的步骤是切割桶的部分区域。
图 5-10：拉伸铰链主体的其余部分。
切割桶并更改参数
我们将在圆柱体上打两个缺口，这样两半将像拼图一样装配在一起。每个缺口的长度必须为 25 毫米（圆柱体的长度除以 4），宽度为 12 毫米（桶体的外径），并且距圆柱体对面的平边 50 毫米。按照这些尺寸绘制并拉伸两个矩形，将桶体分成四个相等的部分，如图 5-11 所示。
等等！如果原始尺寸发生变化，会怎样呢？例如，如果你更改了桶体的直径，那么你刚创建的部分将不再按比例缩放。这时，你可以利用参数化建模的强大功能，重用你已经指定的尺寸。
返回并编辑你刚创建的草图。然后，从修改下拉菜单中打开更改参数对话框。在图 5-12 所示的“模型参数”标签下，你将看到你创建的每个特征的条目。如果你展开这些条目，你将看到创建该特征所使用的所有尺寸的列表，以及这些尺寸的名称。
图 5-11：将桶体分成四个 25 毫米的部分。
图 5-12：参数对话框列出了你在之前的特征中使用的所有尺寸。
现在，你可以改变某些尺寸，使它们引用之前的特征，通过将数值条目替换为依赖于其他物体尺寸的值。例如，因为桶体的长度命名为“d3”，你可以将矩形的长度表达式改为“d3 / 4”，以确保它们总是测量桶体长度的四分之一。
此时，你的铰链应当与图 5-13 中所示的样子相似。
图 5-13：你的切割拉伸后，实体应当看起来是这样的。
现在，我们只需要创建安装孔了。
使用孔工具
建模过程的最后一步是为平板添加一些安装孔，螺钉将通过这些孔。这个步骤对于本教程并不重要，但养成添加细节的习惯是很好的。
你可以随意放置这些孔，但我建议你使用我们还未使用过的方法：孔工具。为了使铰链工作，螺钉头需要与平板表面平齐。这意味着你需要制作沉头孔。在铰链的内侧面上，添加一些你认为孔应该放置的位置。使用约束或参数引用来放置它们。这样，如果铰链尺寸发生变化，它们的位置也会随之更新。
完成草图后，从创建下拉菜单中选择孔工具。选择你刚刚绘制的每个点。将 孔类型 设置为 沉头孔，然后探索其余设置，了解它们的功能。当你觉得它看起来像铰链上的安装孔时，完成该特征（参见 图 5-14）。
图 5-14：最终产品应该大致如下所示。
继续并将此文件保存为类似 HingeHalf 的文件名。然后打开一个新文档并将其保存为 HingeAssembly。
当你处于空白的 HingeAssembly 文件时，使用 Fusion 360 窗口左上角的 Data Panel 按钮打开项目浏览器。右键点击 HingeHalf 模型并选择 插入到当前设计 选项。点击对话框中的 确定，将组件放置到 HingeAssembly 文档空间中的任何位置。然后重复此过程插入另一个 HingeHalf 模型的副本。
现在你可以像本章第一部分那样组装两个半部分。选择其中一个半部分作为基础模型，使用关节将两者连接起来，如 图 5-15 所示。一个关节应该是圆柱形的，另一个则是平面的。
图 5-15：为装配体添加关节，以便铰链可以开合。
这样应该可以让你的铰链在保持连接的同时开合。
组合装配方法
如你所见，创建装配体的两种方式各有其优点。在单一文件中工作可以从单个基础对象中派生出多个零件，而从多个文件中创建装配体则可以节省你制作重复对象的麻烦。你还可以将这些方法结合起来，获得两者的最佳效果。现在让我们试试，通过在 HingeAssembly 文件中为铰链装配体添加一个销钉。
确保在组件浏览器中激活 HingeAssembly 的顶层，然后通过右键点击 HingeAssembly 创建一个新组件（参见 图 5-16）。
使用到目前为止你学到的工具来建模销钉。完成后，重新激活 HingeAssembly 的顶层，为销钉添加关节，使其看起来像图 5-16 中显示的模型。
图 5-16：在 HingeAssembly 文件中为组件添加一个销钉。
总结
现在你知道如何构建装配体了，你的项目不再局限于单一零件。你可以创建包含任意多个零件的复杂模型。
在接下来的章节中，我不会告诉你使用哪种方法来构建装配体，而是让你自己选择最适合执行项目的方式。
第六章：使用复杂曲线建模**
到目前为止，你已经学到了足够的知识，可以重建你在像 Thingiverse 这样的设计分享网站上找到的约 75%的机械模型，尽管具体怎么做可能并不总是显而易见。你创造复杂模型的能力更多依赖于你如何创造性地利用基本功能，而不是你知道多少高级功能。
话虽如此，你仍然会遇到需要使用不寻常工具的情况。本章我们将重点讲解扫掠和放样特性。你将使用这些特性来创建有机形状，这样你就不会局限于构建方块模型。
扫掠和放样
如图 6-1 所示，扫掠特性通过沿着路径拉伸闭合的轮廓来创建实体。与常规拉伸的路径不同，扫掠的路径可以在三维空间中弯曲和扭曲，这使得此功能非常适合创建电线、管道和手柄。
图 6-1：扫掠特性将轮廓沿路径移动，创建类似管道的实体。
放样特性通过使用两个或更多闭合的轮廓作为截面，创建一个实体，软件会将这些轮廓合并成一个完整的实体。与扫掠不同，放样不需要使用路径；它只是将一个截面变形为下一个截面，生成一个无缝的单一实体，如图 6-2 所示。
图 6-2：这个放样将三种不同形状和大小的截面拼接在一起。
在使用这些特性之前，你需要先熟悉切线和平面、垂直线和平面的概念。两者对于通过扫掠和放样获得你想要的实体至关重要。
表达切线概念出乎意料地困难。从数学上讲，切线是一个与曲线函数在某一点的斜率相等的线，但你很可能是凭直觉理解它为一条从曲线的某一点延续出去的线。想象一下，将一个弹珠绑在绳子的一端，然后释放绳子。弹珠飞行的轨迹线会在你释放绳子的那一刻与弹珠路径的曲线相切。
如图 6-3 所示，左侧的线与圆相切——就像释放弹珠后的路径一样。右侧的线则不是切线，代表弹珠因此不能沿着这条路径运动。好消息是，Fusion 360 理解切线，所有你需要做的就是将其作为约束添加进去。
图 6-3：只有左边的线与相应的圆相切。
垂直线要简单得多——它们只是两条相交于 90 度角的线，一条线与平面，或两平面。
这些概念很重要，因为扫掠和拉伸功能都会考虑相对角度。扫掠功能查看路径与轮廓交汇处的角度，而拉伸功能则查看截面之间的角度。在大多数情况下，你会希望确保路径和轮廓之间是切线、垂直或平行的，以避免出现意外。此外，除了单个扫掠或拉伸的部分外，你还需要注意它们如何与其他特征相交。图 6-4 中的模型显示了一个间隙，因为扫掠的末端没有与块面垂直。
图 6-4：这个扫掠的路径与它连接的块并不垂直。
这个模型可以通过两种方式轻松修复。可以通过减小弧度半径或改变块的角度来使扫掠路径与块垂直。或者，如果由于某些设计限制无法更改这些项目，可以将路径延伸更远进入块中以消除间隙。
你选择如何处理类似问题将取决于你正在设计的内容，但始终注意草图、路径、轮廓和特征之间的几何关系是个好主意。这样做不仅是良好的设计实践，而且从长远来看，也能避免建模时的头痛。
有机形状和茶壶
是时候学习如何使用扫掠和拉伸了。你将像图 6-5 中的茶壶一样进行建模。正如你所看到的，它由弯曲的有机表面组成，而这些表面是无法通过拉伸和旋转方式创建的。
整个模型由四个主要特征组成。我们将使用一个拉伸（loft）来构建主体，使用一个扫掠（sweep）来做手柄，再用一个第二个拉伸来做壶嘴，最后用壳体（shell）把整个模型做成空心。
图 6-5：这个茶壶由通过拉伸和扫掠建模的有机形状组成。
茶壶的主体
我们将从使用拉伸功能创建茶壶的主体开始。我们将绘制三个独立的草图，并将它们合并成一个整体，如图 6-6 所示。
图 6-6：第一个拉伸由三个草图组成。
你可以自由选择自己的尺寸，但应使用椭圆作为底部草图（轮廓 1），用较大的椭圆作为中间草图（轮廓 2），并用圆形作为顶部草图（轮廓 3），这样以后建模盖子时会更加方便。所有三个草图共享相同的中心点，且应位于原点处。
你可以在现有的 x-y 平面上绘制轮廓 1 的草图。对于其他两个轮廓，你需要创建施工平面。为了创建这些平面，从“构建”下拉菜单中选择偏移平面（Offset Plane），并将其从轮廓 1 的草图平面偏移。当你创建了两个施工平面后，在上面绘制你的草图。
要完成 loft，参考图 6-6 中的对话框。这个 loft 不需要导轨，所以可以将该部分留空。确保勾选链选择框，并将操作字段设置为新建实体。按顺序选择将要使用的每个轮廓，然后点击确定。
茶壶的把手
接下来，我们将创建形成茶壶把手的扫掠体。你需要为扫掠体创建一条路径，然后创建一个定义把手横截面的轮廓。我们首先创建路径草图，这将为我们提供一个参考点，用于创建轮廓草图，并且提供一条线，可以用来确保轮廓垂直于路径。
在与茶壶底座垂直的 x-z 平面上开始绘制路径草图。我的路径，如图 6-7 所示，由两条弧线组成，但你可以根据自己的需要绘制任何形状的路径。尽管如此，你应该确保路径延伸到茶壶的主体部分。如果你将路径绘制到茶壶主体边缘停止，就会像图 6-4 中看到的那样留下一个间隙。为了更容易查看这个交互作用，你可以通过屏幕底部的显示设置菜单将视觉样式切换为线框模式。
图 6-7：绘制扫掠体路径。
你可能注意到你没有定义尺寸。你几乎总是应该明确地定义草图的尺寸。然而，在这种情况下，实际尺寸并不重要，因为我们主要关注的是视觉效果。你仍然应该约束路径，以确保它不会意外地移动。要做到这一点，只需选择这些线条，然后在约束菜单中添加一个固定约束，该菜单用于将线条设置为垂直或平行。这样可以将线条锁定在当前位置，并将其变为绿色，表示它们已被固定。
既然你已经创建了路径，就可以为扫掠体创建轮廓了。为了避免在图 6-4 中看到的问题，轮廓应该在路径交点处垂直于路径。然而，这很难做到，因为两个弧的结束角度是我们没有指定的，且没有额外的工作我们也无法测量。因此，我们将创建一个与路径垂直的构造平面。
Fusion 360 实际上提供了一个专门为这种情况设计的构造工具，叫做沿路径平面，可以在构造下拉菜单中找到。选择它，然后选择你刚刚绘制的路径，如图 6-8 所示。
图 6-8：使用“沿路径平面”工具，轻松创建垂直于路径的平面。
接下来，设置距离字段，该字段决定沿路径放置构造平面的位置。它不会要求你输入毫米或英寸数，而是要求你输入路径总长度的十进制比例。因此，“0”会将平面放置在一个端点，“1”会将其放置在另一个端点，而“0.5”则将其放置在两者之间。在这种情况下，选择 0 或 1，构造平面将自动垂直于路径端点的切线。
现在你可以确保平面在路径的端点处与路径垂直。你只需要在该平面上绘制一个轮廓，用来表示把手的横截面。与 Loft 功能不同，Loft 功能会将多个轮廓拼接在一起，而 Sweep 功能只是沿路径延伸一个横截面。在图 6-9 中，你可以看到我绘制的轮廓（为了更容易查看，我隐藏了主体）。同样，你可以将其设计成任何你喜欢的形状。
图 6-9：Sweep 的轮廓草图
当你创建 Sweep 特征时，该功能位于创建下拉菜单中，你需要选择你刚刚绘制的轮廓和路径。你在图 6-10 中看到的对话框中的其他选项作用不太明显。以下是它们的功能说明：
类型 这个选项让你可以使用导轨或表面来控制扫掠的扭曲。如果路径是三维绘制的，扫掠可能会产生不必要的扭曲，导轨可以帮助消除这种扭曲。
距离 类似于沿路径平面工具，距离要求你输入路径长度的十进制比例。如果你不希望扫掠覆盖整个路径长度，可以在此指定。
锥度角度 默认情况下，轮廓的大小会在整个扫掠过程中保持不变。如果你希望它在过程中增大或减小，可以指定锥度角度设置。
扭曲角度 这个选项使轮廓沿路径轴旋转。
方向 用此选项确定轮廓相对于路径的方向。因为我们绘制的轮廓与路径完全垂直，我们希望它保持垂直。
图 6-10：Sweep 对话框选项比较复杂，通常保持默认设置。
为了让把手顺畅地过渡到茶壶的主体，可以添加几个大圆角，这样你的模型看起来就像图 6-11 中的那样。
图 6-11：圆角始终能带来平滑的过渡。
为此，只需选择把手与主体连接的边缘，Fusion 360 会自动处理添加圆角到不规则边缘的操作。
茶壶的壶嘴
接下来的功能，壶嘴，是这个模型中最复杂的部分。它是一个 Loft，但使用了一个导轨，其作用类似于 Sweep 的路径。
如同我们用于手柄的 sweep 路径一样，首先绘制导轨。我在图 6-12 中展示了我的导轨。绘制完成后，使用固定约束（fix constraint）将其固定。
图 6-12：Loft 的导轨与 Sweep 的路径类似。
您需要在导轨的每一端放置一个轮廓，以形成壶嘴的开始和结束部分。使用“沿路径平面”（Plane Along Path）构造平面，在导轨垂直方向上绘制这些轮廓。如图 6-13 所示，我在与茶壶主体接触的地方做了一个大椭圆形的轮廓，在壶嘴的末端做了一个较小的圆形轮廓。
图 6-13：在导轨的两端添加轮廓以形成壶嘴
要创建您的 loft，从选择您刚绘制的两个轮廓开始。在对话框的“导轨类型”（Guide Type）字段中，有两个选项供您选择：导轨（Guide Rails）和中心线（Centerline）。如果您希望导轨与轮廓的边缘相交，则选择导轨选项；如果希望导轨位于轮廓内部，则选择中心线。它不必位于轮廓的正中央——对于不规则的形状，这会很棘手。只需要确保它与轮廓边缘上的导轨明显不同。选择中心线后，选择您绘制的导轨。
将茶壶 hollow 化
要完成模型，首先在壶嘴的底边添加一个倒角，然后为整个模型添加一个壳体特征，将茶壶 hollow 出来。创建壳体时，您需要选择顶部面（盖子的部分）和壶嘴尖端的面。
壳体的厚度可能会导致模型出现错误。这是因为手柄相对较窄，当 Fusion 360 无法创建带有单一开口腔体的壳体时，它会出错。例如，如果手柄最窄处为 10 毫米宽，那么 6 毫米的壁厚会导致两侧墙体相交，从而产生错误。您可能需要调整厚度，并可能需要将其更改为外部（Outside）而非内部（Inside）（或者同时使用两者）。最终，模型应该像图 6-14 所示。
图 6-14：茶壶，以其有机形状的光辉呈现
练习
本章最后，我将让您自己使用 Sweep 和 Loft 特征来建模茶壶的盖子。它应该看起来像图 6-15 中的样子。
图 6-15：尝试使用您刚学到的技巧来建模这个盖子。
确保盖子的底部是一个能够适配茶壶顶部的圆形。然后，盖子应向上逐渐变窄，最终形成一个椭圆形。在顶部添加一个小手柄，并使用倒角来平滑过渡。您应该能够运用本章所学的技巧来建模这个盖子。
总结
本章中你学习如何使用的 Sweep 和 Loft 功能一开始可能看起来有些复杂，但最终它们让你能够创建之前章节工具无法实现的有机几何体。此时，你几乎可以建模任何你能想象的东西。但仍然有一些工具在特定场景下可能会有用。翻到下一章，了解关于线圈、螺纹和需要复杂构建几何体的固体的所有内容。
第七章：弹簧、螺丝及其他高级建模
在本章中，你将学习一些建模几何复杂形状的技巧。你将学习如何使用线圈和螺纹工具，这些工具通常用于制作弹簧和螺丝。你还将学习如何使用表面来建模复杂几何体，这将用于设计一个 20 面的骰子。
建模一个线圈
线圈工具创建螺旋形或螺旋状的形态。你也可以通过在 3D 螺旋路径上使用扫掠来创建这些形状，但使用线圈工具要简单得多。要制作用于热交换线圈的空心管，你可能需要使用两个线圈——一个用于新体积，另一个用于切割。
要开始，选择创建下拉菜单中的线圈。软件会要求你选择一个平面，应该使其垂直于线圈的轴线。线圈截面的中心点将从这个平面开始。绘制一个圆圈，如图 7-1 所示，以指定线圈的中心轴线和直径。
图 7-1：选择一个点作为线圈的中心轴线，然后绘制一个圆圈来指定直径。
在你设置了圆圈的直径后，线圈对话框应该会弹出，Fusion 360 应该会显示一个带有默认参数的模型。
确保你刚绘制的圆圈被选为轮廓。在类型字段中，选择你希望使用的维度来创建线圈。默认设置要求你指定线圈的旋转数和高度。软件将使用这些维度来计算线圈的步距，即沿轴线所需的距离，令线圈完成一整圈。如果你不关心线圈转了多少圈，而关心具体的步距，可能需要切换类型。
选择旋转数和高度，然后在旋转数字段中指定线圈应该旋转多少圈。在高度字段中，指定线圈的名义高度，即从最上方截面中心点到最下方截面中心点的距离。请注意，这不是要求你提供线圈的总高度。如果你的线圈需要恰好 100 毫米高，你需要从高度值中减去截面大小，即截面的直径。在旋转字段中，设置线圈顺时针或逆时针旋转。
当你绘制圆圈时已经设置了直径，但你可以在直径字段中进行更改。如果你希望直径逐渐增大或减小，可以使用角度字段让其呈现锥形。使用截面来设置线圈截面的形状。你可以选择将其设为圆形、方形、内向三角形或外向三角形。
默认情况下，横截面会自动与您选择的直径对准，但如果你希望你的线圈适配已经存在的部件直径，你需要将“横截面位置”字段设置为“外部”并选择该部件。如果你希望它适配一个具有该直径的圆柱体，你需要将该字段更改为“内部”。
花几分钟时间调整各种参数，看看模型如何随之变化。图 7-2 显示了我选择的尺寸。
图 7-2：调整你的线圈尺寸，感受一下参数的作用。
就这样——你已经创建了一个线圈！Fusion 360 让这一切变得如此简单。
使用线程工具建模螺丝
尽管建模螺丝看起来很简单，但如果你试图使用你已知的工具来完成这项工作，你会遇到困难。这是因为螺丝外表的螺旋形状的脊线，叫做 螺纹，具有非常特定的尺寸，专为螺丝的用途量身定制。例如，一个正骨骨钉的螺纹与机械螺丝的螺纹完全不同。在建模螺丝时，你必须定义螺纹的外径、内径、螺距和螺纹角度，且必须确保一切都正确。
在传统的二维技术图纸中，制图员通常不会绘制螺丝的螺纹。相反，制图员会指定螺纹类型——例如 6 g M4×25 毫米——以便制造商知道使用哪种攻丝工具或螺丝。如果你打算为你的项目购买螺纹插销和螺丝，你也可能想做同样的事情。但是，如果你想用 3D 打印机打印所有零件，你就必须精确地建模出螺纹的外观。在 3D CAD 的早期，这意味着需要精确绘制每个螺纹的横截面，并用类似于 Coil 工具的螺旋特征来建模。
幸运的是，为了你的理智和耐心，Fusion 360 提供了一个工具，让你跳过所有这些步骤。线程工具包含了几乎所有当前常用的螺纹库。你需要做的只是创建一个圆柱体来放置螺纹。
为了看看它是如何工作的，你将建模一个 M4×25 毫米的螺丝。这是一个非常常见的螺丝；你使用的计算机中可能就有几个这样的螺丝来运行 Fusion 360。
创建螺丝的主体
你的螺丝模型将具有可变长度，因此首先创建一个 25 毫米的长度参数（修改 ▸ 更改参数 ▸ 新建用户参数）。然后像 图 7-3 中所示那样绘制一个新的草图，并将 fx: 25.00 尺寸设置为你创建的长度用户参数。尺寸中的 “fx:” 表示该值已通过用户参数计算得出。将螺丝头部长度设置为 4 毫米，宽度为 3.5 毫米。
图 7-3：使用你的长度用户参数创建类似这样的草图。
我使用的是标准六角螺丝头的测量值，但 1.5 毫米的尺寸完全是任意的；当你添加螺纹时，软件应该会自动调整圆柱的宽度，以符合螺纹的规格。你的草图看起来像这样时，将它围绕底线旋转，创建一个新的实体。
和标准紧固件上的其他所有部分一样，这个螺丝有一个特定的插座尺寸，设计用于配合特定的螺丝刀头。我们将使用一个 3 毫米的六角插座，如图 7-4 所示。
图 7-4：为螺丝头绘制一个内接多边形。
要进行建模，在螺丝头的顶部创建一个新的草图。在草图（Sketch）菜单中选择多边形（Polygon）选项。这样你就可以创建任何边数相等的多边形，就像图 7-4 所示的那样。对于这个六角螺丝头，你需要六个边。外接定义为一个假想圆的直径，该圆接触每条边的中点，而内接定义为一个假想圆的直径，该圆接触每个顶点。选择外接并将直径设置为 3 毫米。
建模螺纹
现在你可以通过选择线程（Thread）从创建（Create）菜单中创建螺纹了。你应该会看到图 7-5 所示的对话框。
图 7-5：根据所需的紧固件类型选择螺纹对话框选项。
选择圆柱的面，然后勾选已建模（Modeled）以显示螺纹。（如果你不勾选已建模选项，Fusion 360 将仅存储螺纹信息，以供后续技术图纸使用。）因为我们希望螺纹覆盖圆柱的整个长度，所以勾选全长（Full Length）。
其余的选项允许你选择特定类型的螺纹。对于螺纹类型，选择ISO 公制轮廓。将尺寸设置为 4.0 毫米，规格设置为 M4×0.5。等级设置决定了容差的大小。我们这里使用 6g。最后，因为这是一个标准螺丝，将方向（Direction）设置为右旋（Right Hand）。几乎所有的紧固件都使用右旋螺纹，通过顺时针旋转来拧紧，但有时你可能需要使用左旋螺纹，通过逆时针旋转来拧紧。
现在你的模型应该看起来像一个真正的螺丝，带有内置的螺纹。作为最后一步，给螺丝的尖端做一个旋转切割，这样可以更容易插入。我给我的螺丝做了一个 45 度的切割，起始点距离中心轴 1.5 毫米，但这是紧固件中少数没有严格规格的部分，所以你可以根据自己的需求调整尺寸。最终，你的模型应该像图 7-6 所示那样。
图 7-6：你的模型应该在末端有一个旋转切割，便于插入。
恭喜！你已经完成了第一个螺丝的建模。
建模一个 20 面骰子
不幸的是，Fusion 360 无法为每个复杂的设计提供专用工具。在本节中，你将学习如何使用曲面工具以及黄金矩形的几何概念，通过分解任务为可管理的步骤来建模一个 20 面骰子。
这些骰子被称为正二十面体或口语中常叫做 d20，它们在像龙与地下城这样的桌面角色扮演游戏中非常受欢迎。骰子由 20 个相同的等边三角形组成，这些三角形连接起来，使得所有的顶点都触及同一个假想的球面。每个顶点处有五个面相交，如图 7-7 所示。
图 7-7：你将建模这个 20 面（d20）骰子。
从几何学角度来看，骰子的结构相当复杂；即使使用公式来计算三角形边缘的长度，对于不擅长数学的人来说也会很棘手。幸运的是，我们可以通过黄金矩形将几何形状表达得更加简单。
黄金矩形的尺寸遵循黄金比例，这意味着它们的长度大约是宽度的 1.618 倍。图 7-8 展示了三个互相交错的黄金矩形，彼此垂直放置。
图 7-8：由三个黄金矩形构成的 20 面骰子
当矩形按这种方式排列时，矩形的角点形成了骰子的 12 个顶点。骰子有 20 个面，每个面有 3 个角，总共是 60 个角点。由于 5 个面共享同一个顶点，因此总共有 12 个顶点。
当你在最接近的矩形角点之间画线时，你就形成了骰子的边缘。为了建模的目的，我们可以利用这些边缘为每个 20 个面创建曲面。然后你可以将这些曲面拼接在一起，形成一个整体的实体。
要使用曲面工具，切换到修补工作空间，在这里你可以访问创建和修改下拉菜单中你尚未见过的工具。除此之外，这个工作空间与模型工作空间看起来是一样的。
使用你已经熟悉的草图工具，在每个现有平面上绘制三个黄金矩形。确保它们的朝向与图 7-9 中所示一致。每个矩形的高度设为 10 毫米，宽度设为 16.18 毫米。
图 7-9：画出三个垂直的黄金矩形。
接下来，我们需要绘制连接矩形角点的线，以形成骰子面的边缘。为此，我们首先需要创建构造平面，在其上进行草图绘制。从构造下拉菜单中选择三点平面选项。选择三个点，这三个点将构成一个三角形面上的顶点，如图 7-10 所示。
图 7-10：创建一个触及三角形面三个顶点的构造平面。
现在在你刚刚创建的平面上绘制一个新的草图。使用线条连接与平面本身相同的三个点。你应该会得到一个等边三角形，像图 7-11 所示。
图 7-11：绘制一个连接三点形成三角形的草图。
现在你可以开始创建第一个表面了。表面没有厚度，因此它们不像你到目前为止在本书中使用的那些实体那样是实心的。虽然它们本身没有实际的物质，但你可以将多个表面连接在一起，创建一个实体。
要建模第一个表面，从创建菜单中选择Patch。这将打开图 7-12 所示的对话框。
图 7-12：使用 Patch 功能根据三角形的三条线创建一个表面。
使用你刚刚绘制的三角形的三条线作为边界边。选择启用链式连接（Enable Chaining）。忽略“内部轨道/点（Interior Rails/Points）”选项；这个项目不需要这些。将连续性下拉菜单设置为连接（Connected），将操作下拉菜单设置为新体（New Body）。
点击确定后，你应该会得到一个单一的三角形表面——骰子的一面。现在，重复这个过程 19 次，生成所有面。（是的，这有点繁琐。）
如果你忘记了需要连接的点，参考图 7-8。所有边应该是等长的，所以如果你得到的某条边长度不同，说明你连接错了点。最终，你应该得到一个由 20 个单独面构成的形状，如图 7-13 所示。
现在模型看起来像一个 d20，但它还不是真正的实体。正如所提到的，表面没有厚度。如果你尝试将其导出为 STL 文件进行 3D 打印，Fusion 360 不会允许你——因为它没有任何可以转换为网格的东西。
Fusion 360 提供了缝合（Stitch）功能，可以将多个表面转换为一个单一的实心体。为了使此功能生效，表面必须连接起来，形成一个密封的体。如果你只制作了 19 个面，缝合功能会失败，因为缺少了一个面。
图 7-13：继续创建三角形表面，直到你得到所有 20 个面。
既然你已经得到了所有 20 个面，接下来从修改菜单中选择缝合（Stitch）；然后选择所有表面，如图 7-14 所示。选择完所有 20 个表面并点击确定后，Fusion 360 应该会“缝合”这些表面，并将其转化为一个实心体。
图 7-14：使用缝合功能将你的表面转换为一个实心体。
最后一步是给边缘添加倒角，因为没有人想要一个有尖角的 d20。为此，切换回 模型 工作区。然后，使用 倒角 工具，选择所有边缘并设置半径为 1 毫米。完成后，你的骰子应该和 图 7-15 中的样子一样。
图 7-15：你完成的 d20 应该是这个样子。
练习
尝试做以下练习，借此练习 Fusion 360 提供的一些小工具。
改变 d20 的大小
当你开始建模 d20 时，我给了你黄金矩形的尺寸。我选择这些尺寸是为了简化数学计算，但你可能希望你的 d20 有不同的大小，例如两个对面之间的距离为 75 毫米。当然，你可以计算出矩形的尺寸如何与骰子的两面之间的距离相关，然后相应地调整矩形的尺寸，但直接调整最终模型的大小要简单得多。
如果你使用 检查 菜单中的 测量 工具测量对面平行面之间的距离，你会发现它大约是 15.114974 毫米。（这个值在不同的面之间会有非常小的差异，因为 1:1.618 实际上只是黄金比例的一个近似值。像 π 一样，黄金比例是一个无理数，小数点后会无限延续。对于实际应用，1:1.618 是足够准确的。）
我们希望对面之间的距离为 75 毫米，因此它大约是现在大小的 4.961967 倍。为了实现这一目标，从 修改 菜单中选择 缩放 功能并选择模型。保持 缩放类型 设为 均匀，如 图 7-16 所示，然后将 缩放因子 设置为 4.961967。
图 7-16：缩放模型，使对面之间的距离为 75 毫米。
点击 确定 来调整 d20 的大小。再次测量对面的距离，应该几乎完全是 75 毫米（在任何合理的公差范围内）。
刻上数字
如果你想实际 3D 打印你的巨型 d20 来在下次 D&D 游戏中给地下城主留下深刻印象，你需要添加数字，否则你会发现它很难使用。要添加数字，从 草图 菜单中选择 文本 选项并定位文本；然后像处理任何其他草图一样将其挤出，以轻微切割到面上。我在 图 7-17 中对“20”进行了这个操作。
图 7-17：通过挤出文本将数字添加到骰子的面上。
重复该过程直到所有 20 个数字都完成。从统计学角度来看，标记面朝向并不重要——骰子的每一面都有相等的机会出现——但还是有一个约定俗成的方法来进行标记。选择一个随机的面，放置数字 1。然后，在对面放置数字 20。接着，在与 20 相邻的面上放置数字 2。然后在与 2 相对的面上放置数字 19。与 19 相邻的面放置数字 3，以此类推。最终，任何一对相对的面之和应该总是等于 21。
总结
本章的建模难度从简单到相当复杂不等，但希望你已经学会，即使是看起来一开始非常复杂的项目，也能分解为可管理的步骤。凭借你目前在本书中学到的技能，只要你花时间逐步思考如何着手，你应该能够创建出几乎任何你能想象的 3D 模型。
现在你已经知道如何使用所有最重要的建模工具。在第八章中，你将学习如何制作技术图纸，如果你希望你的模型被建造出来，这将非常有用。在第九章中，你将学习如何为展示目的制作漂亮的渲染图。
第八章：草图制作**
在本章中，我们将介绍草图制作，这是创建技术图纸的过程。理想情况下，你可以将包含 3D 模型的文件发送给加工厂或制造商进行制作，但在现实世界中，这通常是不足够的。这其中有一些实际原因。制造商可能不会使用与你相同的 CAD 软件，这样他们甚至无法打开你的原始模型文件。也有可能他们根本不会使用 CAD。
手工加工仍然非常常见；制造商在制作你的零件时可能根本不接触计算机。即使他们使用 CAD，许多工厂还是更喜欢使用一种更适合其机床的系统重新创建 3D 模型。
但除了实际问题之外，事实是单靠 3D 模型并不能传达制造所需的所有信息。像图 8-1 中所示的模型，仅能告诉制造商零件的基本几何形状。其他细节，如公差和表面处理，也会影响零件，这正是技术图纸的作用所在。例如，如果你希望工厂在加工完成后清理零件的粗糙边缘，你可以在技术图纸上标注“去毛刺所有边缘”来指示这一点。
图 8-1：像这样的 STL 文件传达了零件的几何形状，但没有提供如何制造它的信息。
不过别灰心，草图制作其实在有了 3D 模型后变得很简单。
草图制作指南
正式的草图制作有数百条规则，涉及从不同线条的粗细到文字的字体类型。幸运的是，在现实世界中，绝大多数这些规则其实并不被人们过于关注。
例如，美国国家标准协会（ANSI）规则规定，技术图纸的文字高度应为 1/8 英寸。如果你记住这个规则，它是很好的，但如果你发送给制造商的图纸中文字高度为 3/16 英寸，他们也不会拒绝图纸。草图制作作为一门学科，充满了这样的例子。对于技术图纸的每个细节都有规则和指南，但归根结底，重要的是你发送给的人能够轻松并正确地解读它。
在本章中，我们将介绍影响制造商制造你模型能力的技术图纸部分。这些方面最为关键，尽管有很多细节，Fusion 360 将为你自动创建其中的大部分内容。你只需要熟悉这些内容，以便在发送图纸之前检查其质量。
图纸大小
图纸有多种特定的物理纸张尺寸，这些尺寸根据图纸所遵循的标准有所不同。在流行文化中你常见到的大型建筑蓝图，称为建筑 E 规格图纸，尺寸为 48 英寸 x 36 英寸，而标准的 8.5 x 11 英寸打印纸被称为 ASME（美国机械工程师学会）A 规格纸。
这一尺寸和 ASME B 规格纸（11 英寸 x 17 英寸）是最常见的纸张尺寸，因为它们可以通过常规打印机打印，并且比更大的纸张更容易存储和处理。我建议你使用 ASME A 规格纸，除非有充分的理由使用其他规格。
比例
比例，即图纸的大小与物体实际大小之间的关系，是技术图纸中最关键的细节之一——也是许多新手容易忽视的细节。正确设置比例很重要，因为如果有人需要获取某个部分的尺寸信息，他们应该能够通过图纸进行测量。如果你的零件长 1 英寸，且比例为 1:1，那么图纸中的零件长度应该正好是 1 英寸。如果你使用的是 2:1 的比例，那么图纸中该零件将显示为 2 英寸长。
尽管这是一个容易理解的概念，但有几个因素可能导致图纸的缩放不准确。其中最明显的一个因素是忘记标明图纸的不同部分采用了不同的比例。图纸的标题框位于页面的右下角，显示图纸的整体比例，适用于每个视图，除非另有说明。但有时，图纸会从多个视角显示同一物体，通常情况下，其中一个视图会使用更大的比例，以更清晰地展示某些细节。
如果单个视图的比例与整体图纸的比例不同，必须在该视图的标题中注明。Fusion 360 会在视图的属性对话框中为你跟踪这些比例，但你需要在视图的文本描述中手动输入这些比例。图纸 图 8-2 的整体比例是 1:1，但其中一个视图的比例被单独设置为 2:1。
图 8-2：右侧的视图与其他图纸的缩放比例不同。
另一个常见的缩放错误发生在打印图纸或将其保存为 PDF 时。在大多数计算机上，打印工具通常会自动放大文档，以便填满整个页面，或者缩小其大小，使其适应一张纸。这会导致缩放错误，因此请确保软件没有进行任何缩放。你可以通过保存 PDF 文件并以“实际大小”打印来避免这种情况。
投影角度
投影是使用另一个视图作为参考绘制的视图。这种方法可以追溯到传统的笔纸绘图时代，那时绘图员会使用直尺从一个视图绘制引导线到下一个视图。它们还使得阅读图纸的人能够轻松对齐不同视图之间的特征。投影与正视图（你绘制的第一个视图）保持固定，并且必须保持相同的比例。
投影角度决定了你如何根据正视图布置其他视图。你可以选择两种选项：第一角投影和第三角投影。在第一角投影（参见图 8-3）中，位于正视图右侧的视图将显示零件，好像你是从左侧看它一样。
图 8-3：第一角投影图纸
第三角投影（参见图 8-4）将显示零件，好像你是从右侧看它一样。
图 8-4：第三角投影图纸
你可能会遇到的投影类型主要取决于你所在的位置。在美国和澳大利亚，第三角投影最为常见。世界其他地方通常使用第一角投影。我在本章中使用第三角投影，因为我来自美国，并且接受过相关培训。用户偏好窗口（如图 8-5 所示）让你可以更改投影角度或选择默认设置。
图 8-5：在用户偏好窗口中切换投影样式。
ISO 标准规定了第一角投影，而 ASME 标准规定了第三角投影。
公差
公差告诉制造商需要多精确地遵守图纸上显示的尺寸（即标称尺寸）。你可能已经建模了一个每一边长为 50 毫米的立方体，但也许这个物体并不需要完全符合这些测量值。即使是世界上最先进的制造技术也不完美；这就是物理物体的特性。公差让制造商知道在你接受零件的情况下，它需要多接近你的标称尺寸。
假设 50 毫米的立方体是一个独立的玩具。在这种情况下，每一面不需要精确测量 50 毫米，因此你可能会指定一个公差值为±0.1 毫米。这个“加减”符号告诉制造商，如果每一面的尺寸在 49.9 毫米到 50.1 毫米之间，你都可以接受。这种宽松的公差给制造商在加工选项上提供了更多的灵活性，并使得零件更容易通过质量控制，从而可能降低你每个零件的费用。
另一方面，假设你的立方体上有一个 25 毫米的孔，用于与第二件部件的圆柱体配合。为了确保圆柱体能够适当地放入其中而不会留太多空隙，你可能会给这个孔设定一个更小的公差，例如+0.01 毫米，如图 8-6 所示。这样，机械师就会知道他们可以把这个孔加工到 25 毫米到 25.01 毫米之间。他们会知道不能加工到小于 25 毫米，否则圆柱体就无法配合。
由于公差可能因特征而异，你可以在两个地方指定它们：在图纸说明中或在尺寸标注上。说明中的公差通常是你对整个部件所能接受的最宽松的公差。当某个特征需要更高的精度时（比如 25 毫米的孔），你可以在单独的尺寸标注中指定该公差。
图 8-6：立方体中央的孔的公差比其他部件更严格。
线型
最后，你需要注意图纸中使用的线型类型。再一次，Fusion 360 会为你自动创建这些线型，但你确实需要了解其中的一些，如图 8-7 所示。
图 8-7：Fusion 360 中的线型
实线表示在该视图中你可以实际看到的边缘。常规间隔的虚线表示在该视图中隐藏的特征的边缘，例如部件另一侧的边缘。你并不总是需要显示隐藏的线条，特别是当特征在另一视图中清晰可见时。过多的杂乱会使你的图纸难以阅读，因此最好只在隐藏线条实际上有帮助时才显示它们。
某些特殊的线条有助于说明部件的几何形状。最常见的两种是中心线和中心标记，用于圆形部件。你可以使用中心线来表示圆柱体的轴线，使用中心标记来表示孔的中心点。中心线通常是错落的虚线，而中心标记是延伸到孔边缘之外的十字准线。
起草单件图
技术图纸有两种类型：零件图纸，显示单个部件的具体尺寸，以及装配图纸，显示多个部件如何组合在一起。虽然可以在装配图纸上显示零件尺寸，但你应该避免这样做，因为这两种图纸有不同的用途。零件图纸告诉制造商如何制作每个部件，而装配图纸告诉制造商如何将这些部件组合起来。
通常，每个零件都应该有自己的零件图。唯一的例外是那些购买的零件，比如螺栓、垫圈和电子元件，这些是你自己不制造的。另一方面，只有在你支付制造商组装你的作品或申请专利时，才需要创建装配图，这样专利局才能看到它是如何工作的。
我们将为你在第五章中创建的铰链制作零件图。打开项目浏览器中的模型零件文件（不是装配文件）。在开始绘图之前，通过修改下拉菜单中的物理材料选项为你的模型分配一个物理材料。向下滚动到金属部分。将黄铜拖放到你的模型上，如图 8-8 所示。这告诉 Fusion 360 该零件是由黄铜制成的，它将使用这些信息来计算零件的重量。
图 8-8：从物理材料菜单中选择黄铜并将其分配给你的零件。
现在保存文件，并将工作区切换到绘图，选择从设计选项。应该会弹出一个对话框。这给你提供了一些基本的技术绘图选项。选择图 8-9 中所示的选项。
图 8-9：你的绘图选项应该如下所示。
保持选中完整装配，因为你的文件只有一个零件。在绘图字段中选择创建新建。你不应该有任何模板，所以将该字段保持为从头开始。我们将制作一个第三角投影图，所以将标准设置为ASME。在单位字段中选择mm（毫米），并将纸张大小设置为A (11in × 8.5in)。
创建你的视图
一旦点击“确定”，你将进入绘图工作区，Fusion 360 会要求你放置基准视图，其他视图将基于该视图进行投影。基准视图可以显示你选择的任何一侧的零件。然而，对于几乎所有的图纸，你通常会选择前视图作为基准视图，然后投影左视图或右视图，以及顶部视图或底部视图。你应该选择那些能够清楚展示零件所有特征的视图。从方向下拉菜单中选择后视，因为铰链的一侧具有安装孔倒角。否则，保持默认设置（如图 8-10 所示）。
图 8-10：基准视图应使用后视方向。
在放置基准视图后，你可以使用工具栏上的投影视图工具来投影顶部视图和右视图。只需点击基准视图，再点击基准视图右侧的位置，然后第三次点击基准视图的顶部位置，按下 ENTER 键。最佳做法是将投影视图放置在大致与基准视图相同的距离上，如图 8-11 所示，因此如果需要的话，可以拖动它们。
图 8-11：将你的右视图和顶视图与正视图保持相等距离。
在图 8-3 和 8-4 中，我标注了视图，以展示第一角投影和第三角投影之间的区别，但标准图纸中不需要这样做。如果你正确放置了视图，行业内的人士会明白这些是正视图、右视图和顶视图。
对于像这样的简单零件，也不需要使用等轴测视图（显示零件的三分之一角度视图）。通常，只有在标准的三视图不能清晰显示几何形状时，才需要这种视图。不过，如果你确实需要等轴测视图，只需再添加一个正确定向的基准视图。你还需要标注它，并小心不要与其他视图对齐，否则制造商可能会误认为它是投影视图。
添加中心标记和中心线
放置完视图后，你可以开始注释图纸。首先，放置中心标记和中心线。你可以在主工具栏的几何部分找到这些工具。对任何正面显示的孔添加中心标记，对任何隐藏的孔添加中心线。完成后，你的图纸应该类似于图 8-12。
图 8-12：在图纸中的孔上添加中心标记和中心线。
添加尺寸
接下来，向图纸中添加尺寸。添加尺寸时，请遵循以下指南：确保添加足够的尺寸来准确定义每个特征，但避免冗余的尺寸。如果不确定，始终倾向于添加过多的尺寸，但尽量避免让图纸杂乱无章，添加不必要的信息。
标准惯例可以帮助保持简洁。如果你在模型中重复了多个特征（如孔），则无需为每个孔都指定完整的尺寸；只需在一个孔的直径旁边写“X3”。要表示孔倒角的直径和角度，在尺寸前添加倒角符号(∨)。当两个特征明显对齐时，你只需为其中一个添加尺寸。以图 8-13 为参考，向图纸中添加尺寸。尺寸放置后，你可以双击进行编辑。
图 8-13：添加了所有必要尺寸的图纸
你可能会在添加某些尺寸时遇到困难，特别是“X3 Ø5.00∨Ø7.00 x 45°”孔的尺寸和以“.00”开头的两列尺寸。孔的尺寸要求你编辑文本本身。首先，在 Fusion 360 给出的Ø5.00 前添加“X3”。然后，通过对话框中的插入符号工具添加倒角尺寸。
顶视图和右视图中对齐的尺寸叫做坐标尺寸。“.00”表示起点，每个其他值表示该特征距离起点的距离。要添加坐标尺寸，只需从工具栏的尺寸部分选择该工具，选择起点，然后点击每个要添加尺寸的点。
坐标尺寸使图纸更加简洁、清晰，易于阅读。它们对于避免一种叫做tolerance stacking的问题也很重要。
正如我在本章之前提到的，您应该为每个尺寸指定一定的公差，以便在制造零件时为制造商提供一定的灵活性。但是当一个特征的尺寸是基于另一个特征的尺寸时，公差可能会叠加。看看图 8-14 中的孔的尺寸。现在，假设这些尺寸的公差都是 0.1 毫米。
图 8-14：公差叠加会导致最右侧的孔有很大的变化。
如果每个距离都达到了最大公差，最右侧的孔距零件左边缘可能会有 90.5 毫米。如果每个距离都达到了最小公差，那么该孔距边缘可能只有 89.5 毫米。这就意味着总变动可能高达 1 毫米，这可能会导致零件无法使用。坐标尺寸通过使用单一的硬边作为每个特征的参考来避免公差叠加。
添加文本
现在，所有的尺寸都确定了，您可以通过添加一些注释来完善标注，如图 8-15 所示。第一个注释指示您接受哪种类型的公差。第二个注释告诉制造商在加工后去毛刺。要添加注释，请在主工具栏中选择文本工具。
图 8-15：在图纸上添加注释，向制造商提供重要信息。
最后的步骤是填写标题框（如图 8-16 所示），其中包含有关零件和图纸本身的详细信息。Fusion 360 会自动填写其中一些信息，但您可以通过双击标题框来编辑它。如果您愿意，您可以在左上角框中放置一个包含徽标的图像文件。批准和检查字段是许多公司内部文档控制流程的一部分；例如，工程经理可能会用它们来批准图纸。
图 8-16：典型的标题框
在绘制（Drawn）字段中，填写创建图纸的人员（即你！）及其绘制日期。在项目（Project）字段中，通常标识零件所属的装配或子装配，但这没有硬性规定；你可以随意命名项目。在标题（Title）字段中，写下零件的名称。在尺寸（Size）字段中，写明你使用的图纸类型（在本例中为 A）。在代码（Code）字段中，你可以指定零件和图纸可能遵循的任何规范性代码。除非有特别理由坚持使用某个特定代码，否则可以将该字段留空。制造商将使用图纸编号字段（Dwg No）来在内部和与你的沟通中引用图纸。你可以使用任何数字，但每个图纸必须有唯一的编号，建议你制定一些编号规则。
在修订（Rev）字段中，填写一个字母，表示你使用的图纸版本。从 A 开始，每次修改图纸时，按字母顺序递增。如果你到达 Z，则重新开始，依次为 AA、AB，依此类推。记录修订版对于确保制造商和你使用的是相同版本的图纸至关重要。例如，如果你将图纸编号 10021 更新到 D 版，你给制造商的沟通可能会是“请参考图纸 10021-D”。
比例字段显示图纸的整体比例。Fusion 360 会自动将其设置为你在初始基准视图中输入的比例。如果有变化，你应该在标题框中修改该比例以匹配。在重量字段中，填写你的零件重量。要获取这些信息，请回到模型中，右键点击组件浏览器的顶层，查看属性。最后，复杂的零件图纸可能有多个页面，因此使用页面字段来指示这是第几页。
一旦填写了标题框，你就完成了！然后，你可以从输出菜单中选择一个选项（通常是 PDF 格式）来保存图纸。记住，如果你要打印图纸，必须确保关闭缩放，以便以实际尺寸打印。
练习
在本章中，我带你了解了如何创建单个零件的图纸，但有时你需要创建装配图，展示多个零件如何组合在一起。现在，从完整的铰链装配中创建一个图纸。最终效果应该类似于图 8-17。
你需要创建一个爆炸视图，展示各个拆分的部件如何组合在一起。为此，进入动画工作区，从主工具栏点击自动爆炸，然后保存装配文件。如果需要，你可以通过右键点击视图立方体重新调整模型方向，并将其保存为新的主页视图。然后，在创建图纸时，选择来自动画选项来使用该爆炸视图。
图 8-17：你的铰链装配图应该像这样。
你还需要添加物料清单（BOM），它是图纸顶部的一个表格，显示你的零件清单。要创建它，从主图纸工具栏中选择表格。一旦你放置了表格，零件会自动填充到其中。零件编号、描述和材料都由在模型工作区的组件浏览器中可访问的属性控制。然后，只需从相同的菜单中放置气球（balloons），以标记图纸中的每个零件。
总结
技术图纸非常复杂，作为一种职业，绘图需要多年才能掌握。幸运的是，像 Fusion 360 这样的 3D CAD 软件使得这个过程变得容易得多。运用你在本章中学到的技巧，你应该能够创建清晰且专业的技术图纸，真实的制造商可以用它们来制作你的设计。在第九章中，你将学习如何制作高质量的设计渲染图用于演示。
第九章：渲染**
渲染是你的计算机将 3D 模型转换为 2D 图像并显示在屏幕上的过程。从技术上讲，Fusion 360 在你工作时一直在渲染你的 3D 模型。其他类型的软件，如视频游戏中也是如此。当你玩视频游戏时，游戏主机或计算机会将屏幕上的 3D 资产渲染并每秒超过 30 次地显示出来。
但是，当 CAD 领域的人们谈论“渲染”时，他们通常指的是为展示目的专门创建的单一照片级逼真图像或动画视频，这需要大量的计算能力来生成。虽然 Fusion 360 在你工作时每秒都会渲染你的模型很多次，但它并不是在生成高质量的图像。计算机的处理能力是有限的，为了让 Fusion 360 以可用的帧率显示你的模型，它必须限制每帧的渲染时间。这意味着它创建的是低质量的渲染图——对于设计阶段足够了，但不适合用于展示。
你给 Fusion 360 更多时间处理单帧，它生成的图像就越好。只要有足够的时间，它就能生成接近照片级逼真效果的图像。这个过程需要多长时间取决于你的计算机、你希望图像的质量以及图像的分辨率。一个快速且粗略的渲染可能只需要几秒钟，而一个复杂的高质量渲染则可能需要超过一个小时。
尽管如此，Fusion 360 的渲染能力还是有限的。它当然能够生成非常漂亮的渲染图，足以满足像 Kickstarter 这样的平台需求，但它缺少一些专门为渲染设计的软件所具备的工具。如果你需要在复杂场景中获取真正的照片级逼真渲染图，你可以随时将模型导出为 STL 文件，并在更先进的渲染软件中打开。图 9-1 展示了一个使用 3D 建模和专业渲染软件创建的照片级逼真场景，该软件主要用于创建视觉效果（而非机械设计）。
图 9-1：使用专业渲染软件创建的照片级逼真渲染图
本书的重点是 Fusion 360，因此我们将利用该程序内建的渲染功能，创建一个关于我们在第七章建模的螺钉的漂亮图像。
渲染你的螺钉
现在，打开螺钉模型。此时，它应该是一个简单的平灰色，这就是默认的外观。
改变模型外观有两种方法。第一种是设置物理材质选项，正如你在第八章中使用黄铜铰链时所做的那样。第二种是明确分配外观设置，它会覆盖物理材质的外观。通过设置物理材质创建的外观将应用于整个模型，但你也可以将外观分配给整个模型或单个面。例如，你可能想给一个实心模型做一个双色涂装。
在这种情况下，模型是由单一原材料制成的普通老式螺丝，因此将其物理材质选项设置为不锈钢，抛光。现在，模型应该看起来更漂亮了；颜色和反射应该像抛光不锈钢一样。但这仍然是一个低质量的渲染，因为 Fusion 360 需要保持高帧率，以便你可以继续与模型进行操作。如果软件试图持续生成高质量的渲染，每次你移动模型、旋转它或修改它时，可能需要几秒钟甚至几分钟才能刷新。
为了显著改善模型的外观，切换到渲染工作区。你会立刻注意到，模型比在模型工作区时看起来更逼真。在我们创建渲染之前，需要确保螺丝在地面上真实地放置，然后准备一个环境来执行渲染。
让螺丝稳稳地放在地面平面上
你可能已经注意到，地面平面上的阴影看起来完全不对。螺丝似乎悬浮在空中，而真实的螺丝通常不会这样。为了将螺丝放置到地面上，打开主工具栏中的场景设置对话框。点击位置按钮，查看图 9-2 中显示的选项。调整距离设置，该设置控制地面平面与模型之间的距离，直到地面平面刚好触及螺丝。
尽管螺丝头现在已经触及地面平面，但螺丝看起来仍然不对，因为螺纹端仍然悬空，使得螺丝看起来像是平衡在螺丝头上。这是因为 Fusion 360 将地面平面定位为与视图立方体底部平行。
为了解决这个问题，我们需要重新调整螺丝与视图立方体的关系。点击屏幕右上方视图立方体上的前视，以正对螺丝头。然后使用视口底部显示菜单中的自由轨道选项，将螺丝的螺纹端旋转到下方。此时，地面平面会随着螺丝一起旋转，但当你旋转完螺丝后，可以通过右键点击视图立方体，将鼠标悬停在设定当前视图为上，选择前视来固定视图（如图 9-3 所示）。
图 9-2：将地面平面放置到刚好触及螺丝的位置。
图 9-3：旋转螺钉至休息位置并将视图设置为前视图。
设置好前视图后，地面平面将旋转，使其与新的底部视图平行。你的螺钉可能又会浮在空中，但如果需要，你可以调整它与地面平面的距离。完成后，螺钉应该看起来像是安放在一个真实的物理表面上。
设置环境
接下来，你需要设置环境。更改环境会做几件事：它定位光源，提供背景和地面平面，并确定在模型表面上显示哪些反射。
如果你再次打开场景设置，你将看到一系列控制外观的选项。切换到对话框顶部的环境库标签。在那里，你会找到内置的环境，还有一些可以从 Autodesk 下载的环境。
一些提供的户外场景使模型看起来像是置身于真实的地方，但大多数环境在渲染图像中不会显示模型背后的背景。相反，大多数环境，如冷光和摄影棚，旨在为模型提供逼真的光照、阴影和反射。
本章稍后你将学习如何将模型放入一个逼真的场景中，但现在，我们将重点放在使模型本身看起来更好。选择摄影棚环境，然后切换回设置标签页。第一个选项是亮度（以 Lux 为单位）。调整这个值将增加或减少场景中光线的亮度。
我们已经讨论过的位置设置更改了地面平面的高度和旋转。背景下拉菜单让你选择使用环境背景或纯色背景。对于此渲染，使用纯色选项并选择默认的灰色。下面，你可以选择打开或关闭地面平面和反射。平坦地面选项仅在使用环境背景时生效，在这种情况下，它将使背景看起来不那么球形。
设置相机
场景设置中的其他选项都与虚拟相机的设置有关。相机几乎总是应该设置为透视模式，因为这种模式看起来最真实。你可以将其设置为正投影模式，这可以去除所有镜头畸变，但这并不是人类实际的视觉方式，因此我建议避免使用此设置。焦距的效果与实际相机相同：较长的焦距具有较少的畸变并使图像变得平坦，而较短的焦距则会使图像看起来高度失真（就像鱼眼镜头一样）。
同样，像真实相机一样，你可以调整曝光设置来改变虚拟相机的快门打开时间。这将增加或减少渲染图像的整体亮度，而不是仅仅通过亮度设置改变光源。如果你愿意，你可以开启景深效果，让图像随着距离焦点中心越来越远而失焦。
默认设置在这里都没问题，但如果渲染图像太暗或太亮，你总是可以调整它们。为了准备图像，关闭场景设置，然后点击主工具栏中的渲染按钮，并将分辨率设置为你想要的渲染图像大小。
执行渲染操作
完成后，将渲染方式切换为本地渲染器，它会在你的电脑上处理计算，而不是使用基于云的 Autodesk 服务。Autodesk 提供了云渲染器，但那需要消耗积分。将渲染质量设置为最终，然后点击渲染。Fusion 360 会开始渲染过程，并且在屏幕底部的渲染库中会出现一个缩略图。进度条会大致显示渲染过程需要的时间（在我的情况下，大约是 30 秒）。渲染完成后，你可以双击缩略图打开最终渲染效果（见图 9-4）。然后你可以保存或分享它。
图 9-4：你的最终渲染效果应该像这样。
这个螺丝看起来不错，但它由一个单独的部件组成。你大部分的模型将是由多个部件组成的组件，模型越详细，最终的渲染效果就会越好。例如，如果螺丝的头部边缘有微小的倒角，它看起来会更逼真。
接下来，让我们看看如何让渲染效果看起来更逼真。
渲染带有贴花表盘的时钟
让模型看起来真实的最佳方式之一是添加贴花或 2D 图像。几乎每一个你可以购买的物品上都会印刷一些东西，无论是标志、警告图标还是按钮标签。
为了说明这个概念，我们将建模并渲染一个带有时钟面贴花数字的模拟时钟。
创建时钟部件
首先，建模出时钟的物理部件，使其看起来像图 9-5 中的样子。时钟应该包含六个组件：表框、时针、分针、秒针、指针固定销和透明塑料罩。你可以根据自己的想法来创建这些部件。
图 9-5：建模一个由六个独立部件组成的时钟。
接下来，为每个部分分配物理材质。框架部分将有两种外观：外框为黑色塑料，表盘为白色塑料。在分配材质和外观后，使用接头将它们锁定在一起。时针、分针和秒针应该有圆柱形接头，以便你稍后可以将它们旋转到特定的时间设置。
创建贴花
一旦你建模完成，前往 Google 找到一张时钟面的图片。任何图片都可以，但分辨率越高越好。这张图片将作为你放置在时钟面上的贴花，而低分辨率图片的像素化会显得不真实。理想情况下，你应该找到一张带有透明背景的图片，这样它看起来像是图形直接打印在塑料表面上。
找到合适的图片后，进入渲染工作区将其作为贴花放置。隐藏透明塑料盖并点击时钟面。接着，从主工具栏中选择贴花工具。对于选择面，选择时钟的面，对于选择图像，选择你找到的图片。关闭链面，以免贴花包裹到黑色塑料框架上。然后调整贴花的大小和位置，如图 9-6 所示。
图 9-6：选择面和图像，然后定位贴花。
现在你已经把贴花放到时钟面上，可以开始设置其余的渲染。移动时针、分针和秒针，使它们显示你想要的时间；然后展示透明塑料盖。设置网格光源作为环境，因为强烈的光照将使塑料盖产生一些真实的光反射。
你的场景设置应该勾选地面平面、平坦地面和反射。你可以将相机设置保持在默认值：90 mm 焦距和 9.5 EV 曝光。然后，按照你想要的方式定位模型并创建最终渲染。结果应该类似于图 9-7。
图 9-7：最终的时钟渲染效果应该非常不错！
正如你所看到的，添加贴花可以增加 3D 模型渲染的细节真实感，就像时钟的透明塑料盖上的反射一样。但是时钟仍然只是摆放在一个简单的背景上——这显然表明你正在看一个渲染图。
将渲染图放入实际照片中
要真正展示渲染的现实感，最好的方法是将其放置在一张实际的照片中。理想情况下，你应该选择一张可能会出现你的模型的场景照片。
为了说明这个概念，你将学习如何将渲染出的 Arduino Uno 微控制器开发板放入一张真实的桌面照片中。我从 Autodesk 的在线画廊下载了 Arduino Uno 的 3D 模型。这个模型是 Kevin Schneider 制作的，细节非常丰富，甚至电容器上都有标签。这些细节对创建逼真的渲染效果至关重要。
设置你的背景
首先，你需要拍一张照片。安排一个你将放置模型的桌面场景。你可能会用到一个真实的 Arduino Uno 和其他电子设备，因此在我的背景中，我放置了一个电烙铁、面包板和其他类似的物品（如图 9-8 所示）。在拍照之前，将一些占位符放在桌面上，以帮助你稍后定位 3D 渲染。我使用了一张纸，大小比真实的 Arduino Uno 略小。
图 9-8：设置你的场景并为 Arduino Uno 添加占位符。
拍完照片后，将你制作的 3D Uno 模型导入渲染工作区。如果你下载了与我相同的模型，所有细节（包括贴花）应该已经存在了。选择一个与拍照时房间内光线相似的环境光照设置。然后使用位置旋转角度来确保光源与照片中的角度一致，仿佛它真实地出现在照片中。
定位你的模型
在你之前创建的渲染中，相机设置并不是那么重要。然而在这种情况下，我们要确保渲染中的镜头畸变与拍摄的照片一致。最关键的参数是焦距。你可以在照片的元数据中找到相关信息，或者如果焦距不可调，可以从相机的规格中查找该信息。在我的案例中，我是用 iPhone 7 拍的照片，焦距为 28 毫米，等效焦距为 35 毫米。你可以在图 9-9 中看到我的场景设置。
图 9-9：调整相机设置，以匹配你实际相机的设置。
现在将模型定向，确保它与照片中的位置匹配。确保模型与相机之间的距离与拍照时的距离相同。你需要在垂直和水平方向上都匹配这个距离，以确保渲染的畸变与照片的畸变一致。
一旦你将模型移动到正确的位置，旋转它以确保它处于正确的角度。这时你放在照片中的占位符就派上用场了，它能帮助你调整模型的方向。
精确调整距离和角度可能需要多次尝试，因此在下一步中，你可能想使用低质量的渲染图，直到你调整好方向。你可能需要创建多个渲染图，因此降低质量能节省时间。当你创建这些渲染图时，确保选择透明背景选项。
合并你的图像
下一步是将你的渲染图与拍摄的照片合并。为此，我使用了 GIMP（GNU 图像处理程序），它是一个免费的开源替代品，可以替代 Adobe Photoshop。使用 GIMP 的具体操作超出了本书的范围，但你将在接下来的内容中了解基本流程。（在其他照片编辑器中也应该差不多。）
打开你拍摄的原始照片和刚刚创建的渲染图。然后，将渲染图复制到一个新图层，并将其放置在照片图层之上。接下来，调整渲染图的位置和比例，使其位于 Arduino Uno 的占位符上。如果方向看起来不太对，调整模型并渲染一个新的图像。重复这个过程，直到渲染图完全匹配占位符的距离和倾斜度；然后切换到高质量渲染图，确保高分辨率。
你可能需要调整渲染图和原始照片的颜色，以使它们匹配，特别注意白平衡。由于渲染图具有透明背景，因此目前没有地面阴影。为了添加阴影，创建一个新图层，放置在渲染图层和照片图层之间，然后使用喷枪工具在新图层上绘制阴影。
一旦渲染的 Arduino Uno 看起来像是原始照片的一部分——包括阴影——将图像压缩并合并图层。
最后，给图像添加一些摄影噪点或颗粒感。你的原始照片几乎肯定有少量噪点，而渲染图则没有，这使得它显得与众不同。给整个图像加上一点色调、饱和度和值（HSV）噪点会让它看起来更加一致。最终效果应该类似于图 9-10。
看起来还不错，对吧？像这样的图像虽然不太能经得起照片法医鉴定，但它能比单纯在空白背景上的模型更好地让你的模型看起来像一个真实的物体。花时间将渲染图放入场景中，有助于你将模型与现实世界联系起来，并在向他人展示你的想法时大有裨益。
图 9-10：在你的最终图像中，Arduino Uno 应该看起来真的像是在照片中。
总结
当你开始读这本书时，创建一个简单的立方体可能让你感到兴奋。现在，你已经掌握了一套宝贵的技能，可以用来设计复杂的 3D 模型，制作技术图纸以便进行生产，甚至可以创建你作品的逼真渲染图。无论你是利用这些技能制作厨房电器的 3D 打印替换零件，还是设计下一代高科技机器人，我希望你能继续练习所学的知识。不过，在你离开之前，我还有一个最后的令人兴奋的项目给你，位于第十章。
第十章：CAPSTONE 项目：创建机器人手臂**
在最终练习中，你将展示在本书中学到的技能，设计一个小型机器人手臂。这个手臂，如 图 10-1 所示，使用了四个小型 9G 爱好级舵机，这些舵机可以通过微控制器开发板的命令将电机旋转到特定位置。完成的机器人手臂将具有大约 7 英寸的伸展范围。它不能提起特别重的物品或进行高精度操作，但相对简单的结构是了解机器人学和多部件组装的良好入门。
本章不会指导你完成建模过程中的每一步。相反，你将学习足够的内容，自己决定如何建模各个部分。我们也不会涉及如何编程这个机器人手臂，因为那是一个独立的复杂话题。不过，如果你使用像 Arduino 这样的流行微控制器开发板，你可以在网上找到许多教程，详细说明如何控制舵机。
图 10-1：完成的机器人手臂
对于这个项目，你需要以下零件：
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四个 2.5 kg·cm 停止扭矩 9G 爱好级舵机电机（任何品牌都可以）
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Arduino 或类似的微控制器开发板
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足够的 3D 打印机耗材来打印这些零件，重量应少于 0.1 kg
这个设计不使用任何轴承，你只需要舵机电机附带的螺丝。一点点的强力胶水可以帮助零件固定在一起，但如果你愿意，也可以设计一种其他方式来连接它们。
测量和建模你的舵机
虽然你需要购买这个项目中使用的舵机，但你也需要建模它们。虽然大多数 9G 爱好级舵机在大小和形状上非常相似，但不同制造商的型号之间常常会有一些小的差异。为了确保所有零件都能完美匹配，你需要精确地建模舵机的每个细节。
许多制造商提供带有舵机尺寸的图纸，因此你应该首先查看它们的官网，看是否可以找到这些信息。如果没有，你可以使用一套数字卡尺自己测量舵机。数字卡尺可以比尺子或卷尺更精确地测量特征之间的距离。你可以在网上找到价格不到 30 美元的便宜卡尺。在测量时，特别注意舵机与其他零件配合的地方，例如螺丝安装位置和电机轴。
建模机器人手臂的底座
有了舵机的模型，你可以开始设计手臂的 3D 打印部分。第一个部分——底座，如 图 10-2 中所示的红色部分——是一个泪珠形状，用来防止手臂在完全伸展时倾斜。
图 10-2：底座模型，显示与其他组件分离的部分
从创建一个直径为 60 毫米的圆形开始，然后将其拉长，形成水滴形状。底座应足够宽，以承受负载，但如果你的手臂倒下了，可以为它添加额外的稳定性元素。底座也应该是空心的。你将使用螺钉通过电机外壳上伸出的孔将第一个伺服电机固定在底座内侧，电机控制机器臂的肩部旋转。
伺服电机主体顶部，轴从其中伸出的位置，应该略高于底座的顶部表面，大约一两毫米，以提供足够的间隙。最后，在底部放置一个小的切口，以便伺服电机电缆可以通过，这样底座仍然可以平稳地放在表面上。
一旦你设计好了底座，将其与第一个伺服电机一起放入装配中。
肩部电机支架
接下来，你将建模第二个伺服电机的支架，如图 10-3 所示。这个部分将连接底座中的第一个伺服电机和第二个伺服电机。第一个伺服电机使整个手臂相对于底座旋转。第二个伺服电机则让手臂上下倾斜。支架应能支撑第二个伺服电机，使其侧卧放置。
图 10-3：第二个伺服电机支架连接了伺服电机 1 和 2。
在支架底部的中心创建一个孔，以便第一个伺服电机的轴可以穿过。这个孔的顶部还应有一个凹槽，以保持轴螺丝的头部低于表面。接下来，创建另外两个小孔，用于安装伺服电机的固定螺丝；将这些孔与伺服电机上的孔对齐。最后，创建一个通道和孔，以便伺服电机的电缆能够通过支架。注意图 10-3 中第二个伺服电机的方向，并确保你的通道和孔位于电缆出口的那一侧。
在支架的另一侧（与伺服电机输出轴相对）沿着轴的轴线创建另一个孔。你将使用这个孔来放置一个销钉，作为下一个部分的支点。这个孔必须与伺服电机的电机轴在同一轴线上，以确保运动的平稳性。一旦你完成支架建模，将其添加到你的装配中。
第三个电机支架和第一部分
接下来的部分，如图 10-4 所示，将同时作为手臂的第一部分和第三个伺服电机的支架。它在每一端都有平行的支点——一个用于第二个伺服电机，另一个用于第三个伺服电机。支点的一侧是销钉和孔，另一侧是伺服电机的中心轴和销孔。你可以将肩部电机支架的几何形状作为起始点进行重用，因为你将像安装第二个伺服电机一样安装第三个伺服电机。
图 10-4：第三个伺服电机支架也是手臂的第一部分。
第二个伺服电机铰链轴到第三个伺服电机铰链轴的距离应该约为 70 毫米。为另一侧制作 U 形，以便它能够围绕第二个伺服电机和安装支架安装。 在一侧创建一个孔，适合伺服电机轴，另一侧创建一个销钉，适合安装支架上的孔。最好为该部件添加一个肋条（部件中间的垂直条），以增加部件的刚性。将其添加到装配模型中，确保它可以自由旋转。
第四电机安装和第二段
与第一段模型一样，你可以通过复用一些几何图形来开始第二段模型。第二段安装到第三个伺服电机的区域与第一段安装到第二个伺服电机的区域完全相同。正如你在图 10-5 中看到的那样，必须从头开始创建的部分是另一端，即连接到夹爪机制的部分。
图 10-5：复用第二段与第一段相同的侧面。
在夹爪机制一侧，创建一个孔，就像在底座顶部为安装第四个伺服电机所创建的孔一样。在该侧的末端，建模两个 45 度的突出部分，孔径为 4 毫米，这将成为夹爪臂的铰链点。每个突出部分的长度大约为 12 毫米。再次将该部件添加到装配中，确保它可以自由移动。
夹爪机制
机器人臂的夹爪机制是整个项目中最复杂的部分。电机轴上的一个中心轴连接到两个短连杆，而这些连杆又连接到夹爪的臂。当中心轴旋转时，它推动连杆，使夹爪臂发生转动并闭合。
该机制复杂，因为伺服电机轴臂的长度、连杆以及夹爪的“手指”会影响其操作效果。如果其中一个项目设置错误，整个夹爪可能会卡住。因此，你需要在实际 3D 打印零件之前，在 CAD 中花时间实验不同的长度。首先从与图 10-6 相似的长度开始，并为它们添加关节。然后，移动机制，看看它是否完全打开和关闭。如果没有，调整长度并重新尝试。
图 10-6：连杆的长度决定了夹爪的工作效果。
在建模时，你需要将一个臂长做得比另一个长，以避免卡住。为了补偿这种不对称，你可以使中心轴的一侧比另一侧长。这使得夹爪能够在每一侧大致均匀地打开。
最后，在处理连接销和它们所配合的孔时要特别小心。销子需要有足够大的直径来保证强度，避免断裂，同时孔的配合要足够松动，以便自由移动。你可以在组装完成后 3D 打印小圆盘并用超级胶水将其固定在销子上，以保持连接件的位置，也可以设计带有卡扣的销子，使其卡入位置。
在你完成建模后，将这些零件添加到你的组装中，并确保它们都能完美地组合在一起。
打印零件并组装机器人臂
你可以在任何业余爱好者的 3D 打印机上使用 PLA 或 ABS 打印所有这些零件，包括熔融沉积建模（FFF）打印机。只有第二段在 3D 打印时需要支撑材料。你需要确保零件的密度足够高以保持强度，同时又不至于太重。25%到 50%的填充密度应当是理想的选择。
一旦你有了所有零件，组装它们就像用提供的螺钉安装伺服电机并将各个零件卡在一起那么简单。第二个和第三个伺服电机枢轴支架会紧密贴合，但稍加用力即可将其安装好。将每个零件放置到相应的伺服电机上后，使用随附的轴螺钉将它们固定牢固。然后，只需在夹爪连接销上涂一小滴超级胶水，将圆盘固定在连接销上，防止销子滑出。
组装好机械臂后，你可以将伺服电机的电缆连接到微控制器开发板上以控制机械臂。这些 9G 的业余伺服电机只使用少量电力，因此你可能不需要单独的电源；检查你的电机规格，看看它们需要多少电流以及你的微控制器开发板能提供多少电力。
总结
在你开始阅读本书之前，你可能不知道如何开始建模整个机器人臂。现在，只需最少的指导，你应该已经通过所学内容完成了这一目标。本章中的项目展示了你能利用本书所学的 CAD 技能完成多少工作。
无论是作为业余项目还是在你的职业生涯中，你都可以继续发展这些技能。虽然本书没有涉及 Fusion 360 的某些专用工具，但你对软件和 CAD 建模实践的工作知识应该能够帮助你理解这些工具，如果你有需要的话。到目前为止，你应该已经理解了参数化 CAD 是如何工作的。掌握 3D 建模不仅仅是知道如何使用工具，它需要一种特定的思维方式和前瞻性思维。现在，运用这种思维方式去应用到你的下一个项目中吧！
第十一章：索引
符号和数字
∨ (沉孔符号), 98
3D 打印工具, 42
A
激活组件菜单选项, 50
动画工作区, 12, 101
美国国家标准协会 (ANSI), 3, 88
弧形工具, 19, 40
美国机械工程师学会 (ASME), 3, 92
装配体, 45
装配图, 94, 101
材料清单, 102
爆炸视图, 101
自动爆炸工具, 101
轴, 34
B
材料清单 (BOM), 102
体, 46
边界边缘, 82
框工具, 21
C
计算机辅助设计 (CAD), 4
计算机辅助制造 (CAM) 软件, 5
CAM 工作区, 12
中心线, 93, 97
中心标记, 93, 97
中心矩形, 22
坡口工具, 22, 37
更改参数菜单选项, 31, 55
圆形工具, 19
数控 (CNC), 12
卷绕工具, 21, 73–75
共面约束, 34
组件浏览器, 13
组件, 45, 46, 49
计算机辅助设计 (CAD), 4
计算机辅助制造 (CAM) 软件, 5
数控 (CNC), 12
约束, 18, 22, 34
构造几何体, 15
构造菜单, 49
构造平面, 47–49
沉孔选项, 57
沉孔符号 (∨), 98
从体创建组件菜单选项, 49
创建草图工具, 18, 22
切割拉伸, 28, 37
圆柱工具, 21
D
贴花, 15
设计历史时间轴, 13, 28
尺寸标注, 97–99
尺寸, 24
显示设置菜单, 66
制图, 2–3, 87, 88–89
装配图, 94
材料清单, 102
爆炸视图, 101
标注, 97–99
线型, 93
中心线, 93, 97
中心标记, 93, 97
定间隔虚线, 93
实线, 93
部件图, 94–95
投影角度, 90–92
比例, 89–90
尺寸, 89
文本, 99–101
公差, 92–93
视图, 95–97
草图员, 2
绘图比例, 89–90
绘图大小, 89
绘图工作空间, 12, 95
E
编辑特征, 29
爆炸视图, 101
延伸工具, 19
拉伸工具, 20, 25
F
特征, 8–9。另见 工具
初始特征, 19–21
修改特征, 21–22
倒角工具, 19, 22, 26–27
第一角投影, 90, 91
固定约束, 67
Fusion 360, 6, 7
特征, 8–9
安装, 10–11
界面, 13–14
主工具栏, 14–16
项目浏览器, 11
工作空间, 9–10, 11–16
动画, 12, 101
CAM, 12
绘图, 12, 95
模型, 12。另见 模型工作空间
补丁, 12, 80
渲染, 12, 105
仿真, 12
G
地面菜单选项, 52
导轨, 70
H
孔工具, 20, 57–59
I
插入符号工具, 98
国际标准化组织 (ISO), 3, 92
交集操作, 40
等轴视图, 97
J
联接, 46, 52
L
线工具, 18
线型
中心线, 93, 97
中心标记, 93, 97
定间隔虚线, 93
实线, 93
凹模工具, 62–64, 65
M
制作菜单, 42
机械工程, 5
网格建模, xviii–xix
建模
20 面骰, 78–84
装配体, 45
线圈, 73–75
复杂曲线, 61
放样工具, 62–64, 65
扫掠工具, 62–64, 66
组件, 45, 46, 49
约束, 18, 22, 34
立方体, 22–28
设计历史时间轴, 28
尺寸, 24
铰链, 53–60
空心盒子, 46–52
接头, 46, 52
网格建模, xviii–xix
有机形状, 64
参数, xviii, 7
参数化建模, xviii–xx
铅笔盒, 38–42
参考几何, 14, 35, 47
机器人臂, 115
螺丝, 73, 75–78
实体建模工具, 12, 13. 另见 模型工作区
球体, 34–38
弹簧, 73
茶壶, 64–71
模型参数部分, 31, 55
模型工作区, 12
组件浏览器, 13
设计历史时间轴, 13, 28
界面, 13–14
主工具栏, 14–16
原点, 14
功能区工具栏, 13
视图立方体, 13, 14
视口, 14
修改特征, 21–22
N
导航工具栏, 14
新建体操作, 36
标称尺寸, 92
数控（NC）, 4
O
偏移平面工具, 47, 66
偏移工具, 19
座标尺寸, 99
原点, 14, 22
输出菜单, 101
重叠, 40
P
参数, xviii, 7
参数化建模, xviii–xx
部件图纸, 94–95
部件属性, 101
补丁工具, 82
补丁工作区, 12, 80
物理材料菜单选项, 94
管道工具, 21
螺距, 74
沿路径平面工具, 67
通过三点定义平面, 80
多边形选项
外接, 77
内接, 77
截面, 25
投影视图工具, 96
投影角度, 90–92
第一角投影, 90, 91
第三角投影, 90, 91
项目, 11
R
矩形工具, 18
参考几何, 14, 35, 47
等间距虚线, 93
渲染, 103
恢复默认菜单选项, 16
修订, 101
旋转切割, 78
旋转工具, 20, 33–36
功能区工具栏, 13
S
缩放工具, 84
螺丝, 73, 75–78
图纸尺寸设置, 95
壳体工具, 18–19
草图尺寸工具, 19
草图, 9
草图工具, 18–19
实线, 93
实体建模工具, 12, 13。参见 模型工作区
球体工具, 21
分割体工具, 47
弹簧, 73
拼接工具, 82
表面建模特征, 12
表面, 73, 78, 82
苏瑟兰, 伊万, 4
扫掠工具, 62–64, 66
T
切线, 63
技术图纸, 1–3, 87–89。参见 绘图
文本工具, 85
第三角投影, 90, 91
螺纹工具, 73, 75–78
标题块, 89, 100
公差, 51, 92–93
公差堆叠, 99
工具, 17
弧, 19, 40
自动爆炸, 101
方块, 21
倒角, 22, 37
圆, 19
螺旋, 21, 73–75
创建草图, 18
圆柱, 21
延伸, 19
拉伸, 20
倒角, 19, 22, 26–27
孔, 20, 57–59
直线, 18
放样, 62–64, 65
偏移, 19
偏移平面, 47, 66
补丁, 82
管道, 21
沿路径平面, 67
投影视图, 96
矩形, 18
旋转, 20, 33–36
比例, 84
壳体, 22, 42, 50
草图尺寸, 19
草图工具, 18–19
球体, 21
分割体, 47
缝合, 82
扫描, 62–64, 66
文本, 85
线程, 73, 75–78
环形, 21
剪切, 19, 35
U
用户参数部分, 31
V
视图立方体, 13
视口, 14
视觉风格菜单, 66
W
工作空间, 9–10, 11–16
动画, 12, 101
CAM, 12
绘图, 12, 95
模型, 12. 另见 模型工作空间
补丁, 12, 80
渲染, 12, 105
仿真, 12
Z
零点, 25
3D 建模初学者指南 使用了 New Baskerville, Futura, 和 Dogma 字体。
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关于作者
Cameron Coward 是一位制造者，曾是机械设计师和制图员。他在医疗、汽车和家具行业中建模零件和装配件多年。目前，他专注于 3D 打印和其他爱好项目的 CAD 建模。他是Hackster.io和Hackaday.com的常驻作者，也是《白痴指南：3D 打印》的作者。
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