AutoCAD结合MATLAB实现公式曲线、曲面的精确绘

shenrf

在进行产品设计时，经常会涉及到公式曲线、曲面的绘制，而一般的设计人员使用的方法比较复杂，不利于掌握和使用。本文介绍了一种结合MATLAB和Excel在AutoCAD中精确绘制各种公式曲线、曲面的技巧，而通过这种方法绘制的曲线、曲面不是插图，而是实际绘出的AutoCAD图元。
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一、引言

    用AutoCAD绘制平面公式曲线（如渐开线、心形线）、空间公式曲线（如螺旋线）以及公式曲面（如马鞍形曲面）是比较困难的，一般情况下，需要用AutoCAD开发程序编程，但多数程序比较复杂，尤其是公式曲面的绘制程序，需要多层嵌套循环，复杂且运行效率低。

    快速且精确地绘制各种公式曲线、曲面恰恰是MATLAB的长项，但是MATLAB绘制的图形却不能直接用于机械零件设计。其中非常关键的一点，就是MATLAB绘制的曲线、曲面分别是由有限个点连接而成的折线和空间网格构成的，而在AutoCAD中绘制的曲线、曲面也是如此。因此，只需要把在MATLAB中绘制的公式曲线、曲面上所有的点坐标数据都提取出来，若能让AutoCAD正确识别，那么我们就可以在AutoCAD中精确地绘制这些曲线、曲面了。
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    本文介绍了一种快速、精确地绘制各种公式曲线、曲面的方法，即在AutoCAD中通过调用经过Excel处理的MATLAB数据实现。

二、AutoCAD和MATLAB的特点

    MATLAB是非常优秀的科学计算、信号处理以及图形显示软件，它有自身的语言，与其他高级语言相比，MATLAB提供了一个人机交互的数学环境，并以矩阵作为基本的数据结构，可大大节省编程时间。另外，MATLAB不仅语法规则简单，容易掌握，调试方便，还可以存储中间结果，这使得MATLAB既可以快捷、精确地绘制各种公式曲线、曲面，又可以很方便地提取中间数据。

, B$ i$ ?# S9 M0 n7 C    在工业设计领域，AutoCAD不仅被广泛应用于平面绘图，也可以用于三维建模，但在曲线、曲面造型方面不是很理想。它是开放型的人机交互系统，有多种语言接口，与外界的数据交换很灵活，这些特点使得它与MATLAB的结合成为可能。
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三、结合MATLAB在AutoCAD中绘制曲线、曲面的原理及方法

& p9 @9 h: i" {5 o    1.原理

( a( n( I$ Z. m3 L* u    MATLAB中的矩阵数据虽然很容易提取，但由于它不是AutoCAD能识别的格式，因此不能直接被AutoCAD调用，需要先用Excel对从MATLAB中提取的数据进行编辑，转换成AutoCAD可以识别的格式，才能在AutoCAD中绘出曲线、曲面。

    2.方法

3 a$ S  C& |' U, d2 R    由于在AutoCAD中绘制平面曲线、空间曲线和曲面的绘制命令不同，且数据结构也不同，因此结合MATLAB的绘制方法也稍有区别。这种绘制方法的关键就是把数据格式转换成AutoCAD的绘制命令所需要的数据格式，只要熟悉AutoCAD的数据结构，就可以举一反三。
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    在这三者中最复杂的是绘制公式曲面的数据结构，下面就以一个马鞍形曲面的绘制为例来介绍这种方法，数学模型如公式(1)所示。

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(1)利用MATLAB得到公式曲面数据

9 L+ _. O2 x" m5 O+ J. k    1)在MATLAB中绘制出曲面
: W) H$ s2 A- R0 v. l
& g* ]7 T9 @: r( N5 E* Y. Q4 Z    在MATLAB中输入如下命令：

    [th,r]=meshgrid((0:5:360)*pi/180,0:.05:1); %在极坐标系下设置一个73×21的网格矩阵，即圆周方向分为73份，半径方向分为21份，总共分了1533个点，节点越多，图形越精确 %
; v' [) U; v* _/ |- P+ F
& _1 ~4 J; ?* I, C- G- l5 X    [X,Y]=pol2cart(th,r); %转化为笛卡儿坐标系%
9 u! r7 k, ~' ^$ M: P
    Z=X+i.*Y;
( R: e: N/ N. v8 a$ n/ j9 E0 c
( R+ p4 H( N3 d( e+ z    F=abs((Z.^4-1).^(1/4));
8 Q& i  n+ w! D* W7 d5 ~& }, g
3 m8 ^. c: E9 a! E6 {- P1 L0 G    surf(X,Y,F); %显示曲面的立体图形%

( R  e3 T4 V9 q9 P! Z+ u    S=[X(: ) Y(: ) F(: )]; %把X、Y、F 3个矩阵中的数据存储到矩阵S中%
3 U3 t7 c/ Z2 e( b3 v9 C
8 }  m, T1 N" F$ i# B1 q    运行后得到曲面图形，如图1所示。

7 b& t+ n, m9 f) t5 ?图1 MATLAB中绘制的曲面

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2)提取点坐标
  r( H1 i  x( V
    在MATLAB的“Workspace”窗口中可以看到S是个1533×3的矩阵，即表示有1533个点的坐标，每个点有三个坐标参数，双击打开S，则弹出“Array Editor：S”窗口，窗口表格中的数字就是矩阵的数据。

    先将全部数据复制到剪贴板，下面用Excel对坐标数据进行数据处理。
- n, j1 O( q' [) d4 _
4 H) n, d8 f2 n( M/ l+ f8 R    (2)利用Excel编辑曲面数据

    打开Excel，将保存在剪贴板里的数据粘贴到Excel表格里，得到三列数据，每列1533行。其中，A、B、C列中的数据分别是曲面上各点的笛卡儿坐标系中的X、Y、Z值，而在AutoCAD中的笛卡儿坐标系的点坐标的输入形式为“x，y，z”，所以我们需要对A、B、C列的数据间加个“，”。
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. H* z  G+ k) W7 y4 Y    方法是：点选中D1（D表示第D列，1表示第1行）格，在公式栏里输入“=A1&","&B1&","&C1”后回车，再将光标放到D1格的左下角，当光标变成黑色十字时，按住鼠标左键向下拖动，一直到D1533格，这时D列的数据格式已经变成了“X，Y，Z”，就可以被AutoCAD正确读取了。复制D列数据到剪贴板后，就可以在AutoCAD中绘制曲面了，如图2所示。
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图2 在Excel中编辑后的曲面数据

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3.在AutoCAD中绘制曲面

    在AutoCAD中运行3dmesh（三维网格）命令，命令行提示“Enter size of mesh in M direction: ”，输入“73”后回车，命令行提示“Enter size of mesh in N direction: ”，输入“21”后再回车，（即73×21的网格矩阵），然后在命令行中粘贴剪贴板中的数据，程序将自动运行，结束后就得到了马鞍形曲面，如图3所示。

图3 网格矩阵为73×21的马鞍形曲面
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+ r' t: J4 T  M2 ~
2 k' F% o& `$ u5 a0 N( q5 h; N7 `% G 特别需要注意的是，在运行3dmesh命令时的网格矩阵一定要和MATLAB中的相同，否则将得到错误图形或运行出错。如果输入的网格节点数不等于1533，则命令运行出错；如果输入成21×73的网格，则命令执行结束后将得到错误的图形，如图4所示。
7 \  H8 M% E6 A/ X: W; L+ G+ ]
% }1 B; E3 J) \) i图4 网格矩阵为21×73的错误图形

shenrf

四、结束语
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    用这种方法得到的公式曲线、曲面不是贴图，而是实际绘出和AutoCAD图元，不仅可以在MATLAB中控制精度，还可以被用于进行各种相应发的命令操作，比如复制、镜像、拉伸放样、旋转放样或用鼠标直接拖动任意节点来调整图形等等。AutoCAD结合MATLAB实现公式曲线、曲面的绘制，加强了AutoCAD在曲线、曲面造型方面的功能，使其在辅助设计方面发挥更大的作用。

austin_tom

好东西！非常实用，正为这发愁呢！

majingyue2004

是个好东西!我要下载.

wuzhuo1

有些看不懂
4 P1 Y% r: l$ J$ C1

江山风云

有心人感谢

plbr05

很详细，谢谢，一直在找这个方法，兄弟你太好了！

plbr05

用了一下，很好用，基本知道原理了!非常感谢，基本上什么曲线都能画了！

caozhijie

为何无法查看