基於AutoCAD的三維實體建模探討

結合實例從UCS坐標系、固層、多視口、實體編輯將二維圖形生成三維實體等方面，對三維實體建模進行了研究探討，旨在提高三維實體建模效率。

    隨著計算機技術的飛速發展，三維CAD軟體日趨成熟，三維實體造型開始廣泛應用於產品或工程設計。目前，常用的三維建模軟體主要有AutoCAD、Pro／Engineer、UG、Solidwork、CAXA等。雖然在上述幾種軟體中三維建模功能相AutoCAD對較弱，對形狀複雜的形體難以構建，且不便修改，但對於具有AutoCAD二維繪圖基礎的教師或技術人員，簡單易學，容易掌握，上手快。下面筆者結合AutoCAD三維實體建模的教學實踐，談幾點體會。
   
    1 三維實體模型概述
   
    三維模型包括線框模型、表面模型和實體模型。其中實體模型包括線、面、體的全部信息，是三種模型中最高級的一種。它不僅具有質量、體積等物理屬性，更接近於真實物體，而且實體之間能進行並、交、差等布爾運算，建立更加複雜的實體模型，並能進行消隱、著色和渲染。此外，實體模型還可以生成二維平面視圖、剖視圖和斷面圖，通過AutoCAD輸出的實體模型數據還可以提供給後續的數控加工和有限元分析。
   
    2 AutoCAD的三維實體建模
   
    2.1建模思路及方法
   
    創建三維實體模型時，首先對模型的結構進行分析，無論模型的結構多麼複雜，它總是由若干個簡單實體構成。因此，複雜模型的建立過程實際上是不斷創建簡單實體並將其組合的過程。當然，建立複雜模型的方案可能有好幾種，應選擇一種較方便、合理的方案進行建模。然後使用基本體或將二維圖形經拉伸或旋轉生成各個簡單實體。最後將各個簡單實體之間進行並、差、交等布爾運算和各種編輯操作獲得更加複雜的實體。
   
    2.2建模技巧
   
    2.2.1學會建立和管理用戶坐標系
   
    在AutoCAD中，坐標系分為世界坐標系(WCS)和用戶坐標系(ucs)兩種。二維繪圖中使用的坐標系大都是世界坐標系，它是唯一且不變的。但在三維繪圖過程中，為了便於繪製和觀察圖形，除WCS外，用戶可以根據需要建立自己的坐標系--用戶坐標系(ucs)，這樣的坐標系其原點位置和x、y、z軸方向可以任意移動和旋轉，甚至可以依賴於圖形中某個特定的對象而變化。學會建立用戶坐標系將簡化三維建模過程，是三維建模的關鍵。
   
    如圖1所示三維實體模型，繪製圓柱體A時採用圖中的世界坐標系(wcs)，而繪製圓柱體B時，當前坐標系應繞茹軸旋轉900，繪製圓柱體C時，當前坐標系應繞y軸旋轉90。，繪製圓柱體D時，應指定面或三點建立UCS。
   
    另外，繪製複雜的三維圖形，由於需要建立的UCS數目較多，為了避免頻繁地進行坐標系變換，用戶可以通過UCS管理器將不同方向的UCS預先定義和保存好，在需要時隨時調用。

    2.2.2臺理設置圖層
   
    圖層(Layer)是AutoCAD組織管理圖形對象最為有效的工具之一。通過將不同性質的對象放置在不同的層上，可以方便地通過控制層的特性來顯示和編輯對象。三維圖形較二維圖形更為複雜，視覺幹擾更大，因此更應藉助圖層來管理圖形。三維實體模型的分層可按照形體分析法，把組成該模型的各個實體對象放置在不同的層上，並以不同顏色加以區分，以便更清晰地作圖，為後續的著色處理和材質的分配帶來方便。當發生幹擾時，可通過關閉或凍結某些圖層使一些實體不可見，以便其他實體對象的定位或選擇。另外，藉助圖層管理三維圖形時，一般不要急於對不同圖層間的實體對象做布爾運算，除非已完成整個三維圖形的繪製，否則不利於後面的編輯工作。
   
    2.2.3多視口的應用
   
    繪製複雜的三維圖形時，可以在一個三維視圖中直接進行，但往往會出現表達不方便和效率低等問題。這些問題，通過建立多視口即可解決。AutoCAD允許將繪圖區域劃分為多個窗口(視口)，並允許在不同的視口中使用不同的UCS。因此，在繪製和觀察複雜的三維圖形時，將繪圖區域劃分為多個視口，每個視口中根據需要建立或使用不同的UCS，設置不同的觀測點或選擇顯示不同的視圖等，如圖2的四個視口中分別顯示了三維圖形的主視圖、俯視圖、左視圖及等軸測圖，這樣既可在不同視口中繪製和觀察圖形的不同部分，極大地減少了UCS坐標系和視圖的轉換工作，而且不論在那個視口中繪圖或修改，最終結果在其他視口中也將同時顯示。當組成三維實體的簡單實體之間有幹涉時，也可在不同視口中繪製不同的簡單實體。
   
    如圖2中繪製筋板時，在軸測圖中先繪製一個筋板，再切換到俯視圖中，用鏡像的方法繪製第二個筋板。由此可見，將這些視圖結合起來繪製圖形，可以簡化繪圖過程。這種繪製圖形的方法也是由三維實體生成三視圖雛形的方法。

    2.2.4熟練運用實體的面、邊、體編輯命令
   
    三維圖形除了可以使用二維圖形中的移動、複製、刪除、倒角、倒圓角等編輯操作外，還可以對實體的面、邊、體進行編輯，例如可以拉伸、移動、偏移、複製、旋轉、傾斜實體表面，也可複製實體稜邊，還能夠對實體進行布爾運算，進行剖切、切割、抽殼等操作，這些功能使用戶可以很方便地修改現有實體以形成新特徵。靈活地運用實體編輯功能將大大提高建模效率。例：如圖2的三維實體建模中，書33ram的圓柱體有兩種方法繪製：一是以U形實體背面的圓心為圓柱體底面的中心點，繪製高度為38ram的圓柱體；二是以U形實體正面的圓心為圓柱體底面的中心點，繪製高度為--30mm的圓柱體，然後執行"移動匾"或"拉伸面"的編輯操作，選中前端面，將其沿Z軸方向移動或拉伸8mm。

    2.2.5靈活運用拉伸和旋轉命令將二維圖形生成三維實體
   
    在AutoCAD中，任何複雜的實體一般都可以看作由若干個簡單實體經過疊加、切割等方式而形成。對於規則的簡單實體，可以使用長方體、球體、圓柱體、圓錐體、楔體等基本體，通過並、交、差等布爾運算生成。圖3(a)所示為兩個長方體進行差運算後得到的簡單實體，圖3(b)所示為長方體和圓柱體進行並運算後再與另一圓柱體進行差運算得到的簡單實體，圖3(c)所示為兩個圓柱體進行交運算後再與另一圓柱體進行差運算得到的簡單實體。對於不規則的簡單實體，首先切換到相應的視圖平面，繪製出它的平面圖形，組成面域後，將平面圖形沿其垂直方向按指定的高度或路徑拉伸即可生成，如圖4所示。

    對於實心或空心迴轉體，可先繪製出迴轉體的截面，組成面域後，將其繞著迴轉軸旋轉一定角度即可生成，如圖5所示。軸套類零件、圓盤類零件都可採用此方法繪製，遠比多次調用畫圓柱、圓錐、球體命令，再用布爾運算生成實體簡單。

    3 結語
   
    隨著AutoCAD產品的不斷升級更新，其三維建模功能會越來越強大。要想熟練地運用AutoCAD建立三維模型，提高建模效率，除了綜合運用本文介紹的方法和技巧外，還必須努力挖掘AutoCAD新的三維建模功能。

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