Chapter 7 爱迪生的灯泡

托马斯·爱迪生发明了很多东西，他有 1000 余件发明，举几个例子：留声机、股票行情自动接收器、和移动画面照相机。然而有一样东西真不是他发明的，那就是灯泡。虽然这个主意不是他的发明，但是他在基本设计和制造工艺的基础上，做了好多改进，让电灯泡终于变得实用了。记录表明，爱迪生尝试了上万种材料，直到找出了可靠的白炽灯灯丝。他并不把这些没成功的尝试看作是失败，而看作是成功地确认了什么不行。

你做下面这些练习的时候，就以爱迪生为榜样吧：寻找有效的方式，同时也是在试验什么东西不适用。在不同的任务中，各种技巧的表现有好有坏，没有哪项技术肯定比其他的好。

爱迪生的白炽灯泡

图 7.1: 爱迪生的白炽灯泡

7.1 技巧

  • 导入图片作参考用；
  • 为模型创建多个 body；
  • 旋转 sketch；
  • 用 Part 工作台中的螺旋线创建螺纹。

7.2 灯泡建模

如果你发现画一个零件的形状有困难，照着图片描轮廓可能是个好办法。很多艺术设计类软件有这个功能，FreeCAD 也行。使用这个方法有两点要注意：第一，图像要比例合适，因为 FreeCAD 的几何体要画成准确的尺寸，事后缩放会有问题；第二，因为新的几何体在渲染时处于 3D 空间，基础图片也必须端端正正。

  1. 切换到“图片/Image”工作台 。
  2. 这个工作台只有两个命令按钮。很不巧，截止到本书写作时，它们还是共用 一样的图标 。不过还好，它们有不同的提示信息。我们要用到的那个图标会提示说：“在 3D 工作空间中创建一个平面图像”。
  3. 点击那个命令图标，打开了一个对话框，你可以选择想用的图片文件。
  4. 它提醒你选择放置图片的平面(图 7.2)，一般我们总是在三个基本平面中做选择。如果图片的投影视角比较特别，可以后续调整。
设置图片平面。正视图，用 XZ 平面

图 7.2: 设置图片平面。正视图，用 XZ 平面

好图片的标准：对象与背景对比鲜明，方位也对正主坐标面。也就是说，摄像机正对着对象的前面、顶部或者侧面。
灯泡图所在平面。尽量找对比良好、视角端正的图片。

图 7.3: 灯泡图所在平面。尽量找对比良好、视角端正的图片。

  1. 图片的比例可能不对，做 sketch、加元素之前，你需要把图像调整到真实尺寸。FreeCAD 还没有一个原生的工具来缩放图片，但是有人写了一个很不错的宏，可以通过附加组件管理器安装。从“工具”菜单里打开“附加组件管理器”，切换到宏的标签页，找到后安装“调整图片比例宏/Image Scaling Macro”。
附加组件管理器（宏）

图 7.4: 附加组件管理器（宏）

  1. 宏安装好之后，可以通过“宏编辑器 Macro Editor”运行。在下拉列表中找到它，执行。
宏编辑器列出了安装好的宏

图 7.5: 宏编辑器列出了安装好的宏

  1. 这个宏会提示你在图片上选择两个点，然后指定它们之间的距离，用这个信息计算出缩放比例来调整图片。一个普通的白炽灯灯泡，它的金属根部直径是 26mm，我们把它作为参考值。输入数值前，必须预先在项目树里选中图片平面。测量值以毫米值输入，不带单位。

  2. 图片方向和大小定好了，但是还需要调整一下位置。只要能看到坐标线，这也不难办。切换到 Part Design 工作台，创建一个 body，在 XZ 平面上开始画 sketch。注意 sketch 平面与图片平面是一致的。

    打开着 sketch ，能看到 XZ 坐标线，我们就可以做最后的调整图片工作了。图片的对象属性控制着它的精确位置和旋转方向。不必关掉 sketch 任务面板，切换回项目树，选择图片平面，展开它的属性中的位置/position 节点。在这个例子中，只需要稍微调整一下图片的位置，让灯泡的中线对正 Y 轴，让灯泡的金属部的顶端与 X 轴相切(图 7.6)。

图片对中竖直轴，让 X 轴在玻璃部分的底端

图 7.6: 图片对中竖直轴，让 X 轴在玻璃部分的底端

  1. 现在开始画 sketch 吧。用多段线工具 ，大致沿着灯泡的右侧边缘画。画这得多练习。如果线条不合适，加上一些约束，比如重合的点或固定的角度。试试不同的约束。这个练习并不要求严格的精确性，但是注意下面几点很重要：
    • 顶部的弧线在相交点与中心线垂直 ；
    • 这些边应该围城一个封闭的区域，没有间隙，没有交叉；
    • 左侧的边有一个竖直约束，至少有一个端点在竖直坐标轴上。
如果你看不到你画的 sketch 线，调整图片平面的 Y 方向位置，让它是某个负的值。
完成后的草图大致描摹了灯泡的轮廓

图 7.7: 完成后的草图大致描摹了灯泡的轮廓

用多段线工具时，配合使用 m 键，可以在多种模式之间切换。这方便画直线、圆弧、正交线、相切线，及其他变化形状。

你愿意的话可以添加更多约束，甚至完全约束，但是它此时并不重要。关闭 sketch。

  1. 用旋转工具把 sketch 旋转成实体。
旋转草图得到玻璃灯泡的实体（隐藏了图片平面）

图 7.8: 旋转草图得到玻璃灯泡的实体（隐藏了图片平面）

  1. 图片平面还要用来绘制更多特征。我们为灯泡的金属部分创建一个新的 body。重复上面的过程，画出螺纹部分的轮廓，旋转成实体。这里只给顶部的边设置了一个宽度约束，让后续创建螺纹更容易。
螺纹部分的轮廓。约束了总宽度。

图 7.9: 螺纹部分的轮廓。约束了总宽度。

  1. 给螺纹部分建模的过程很像在第6章做的那样，这里省略了很多细节。做螺纹可以有两种方式，既可以从 body 上切出沟槽，又可以向 body 上添加螺纹。本例中示范减法扫掠的操作。无论那种方式，螺旋线的半径都与上一步的宽度约束精确一致。高度与螺距可以大致猜一下，它们可以在下一步中再作调整。
为螺纹创建一个螺旋线。精确参数可以稍后调整。

图 7.10: 为螺纹创建一个螺旋线。精确参数可以稍后调整。

  1. 隐藏螺纹 body，保持图片平面可见。选中模型树中的螺旋线，调整参数和位置，使得螺旋线的形状与图片相符。
调整螺旋线参数以配合图片。

图 7.11: 调整螺旋线参数以配合图片。

  1. 我们用一个圆来扫掠过螺旋线。给 body 添加一个 sketch，放一个圆。
绘制一个形状来扫掠过螺旋线

图 7.12: 绘制一个形状来扫掠过螺旋线

在画 sketch 时还要使用图像平面的话，使整个机体/body 保持可见，只隐藏最后添加的特征。
  1. 最后，用这个 sketch 扫掠过螺旋线来创建螺纹。在模型树中选中 sketch，使用减法扫掠工具 。点击写着“添加边”的按钮，选择螺线线底部的线段。重复选中螺旋线的其他边，然后点击“OK”。FreeCAD 会问是否在 body 内复制一份螺旋线。接受推荐的选项，创建一个“不独立的复制版/independent copy”。
选中螺旋线的边，完成螺纹槽

图 7.13: 选中螺旋线的边，完成螺纹槽

最终结果

图 7.14: 最终结果

7.3 下几步留给学生

如果你想多做一点，可以在这几个方面改进模型：

  • 改善螺纹截面，让轮廓更准确；
  • 现在的灯泡是一个满实体，而不是一个壳实体。把它挖空；
  • 给灯丝建模，启用玻璃灯泡的透明性；
  • 给各机体/body 添加颜色。