基于AUTOCAD三維建模的研究和應(yīng)用

高鐸文（新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 昌吉 831100）

基于AUTOCAD三維建模的研究和應(yīng)用

高鐸文
（新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 昌吉 831100）

摘 要：本文基于實際工作需求，對三維建模進行理論淺析，并結(jié)合AUTOCAD設(shè)計對三維建模的思路和方法進行探討，包括對形體分析、用戶坐標變換以及AUTOCAD設(shè)計的軟件操作技巧進行論述。最后，根據(jù)實際工作的實例探討基于AUTOCAD三維建模在實際工作中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維建模；AUTOCAD；三維設(shè)計；形體分析；UCG變換

1　引言

計算機三維技術(shù)可以全方位模擬現(xiàn)實物體模型，并通過立體、光澤以及色彩和動畫等畫面表達計算機內(nèi)部產(chǎn)品的設(shè)計效果，這種設(shè)計及應(yīng)用能夠脫離于傳統(tǒng)的二維設(shè)計模式，使得產(chǎn)品的設(shè)計和外觀在設(shè)計初期有較好的雛形和體現(xiàn)。特別對于機械設(shè)計和自動化等電氣設(shè)計，三維設(shè)計方式已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)主流的設(shè)計方式，傳統(tǒng)的簡單二維設(shè)計已經(jīng)基本無法滿足復(fù)雜的機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、自由曲面外形、運動干涉以及裝配干涉等主要工作屬性的設(shè)計。對比之下，三維設(shè)計則可以簡單實現(xiàn)以上功能，并通過相關(guān)的轉(zhuǎn)換軟件或接口實現(xiàn)三維模型到二維圖紙之間的簡單轉(zhuǎn)換，生成符合工作需求的工程圖紙，甚至可以模擬機械產(chǎn)品的加工過程，通過數(shù)控設(shè)備進行加工生產(chǎn)。因此，三維設(shè)計是機械及自動化等多個領(lǐng)域工業(yè)設(shè)計的主要發(fā)展趨勢，相關(guān)學(xué)者專家也將研究重點放在其中。

2　三維建模概述

三維建模，主要包括實體模型、表面模型和線框模型。其中前者包括線、面和體的全面信息，基本綜合了后兩者的所有設(shè)計，它不僅擁有體積和質(zhì)量等物理特征更在外觀上注重于事物的相似度契合。在設(shè)計上，三維模型的實體之間能夠進行包括交、并、差等布爾運算，從而建立起更加復(fù)雜的組合實體模型。再之，它還能在實際的計算機設(shè)計上通過繪制二維平面視圖、斷面圖和剖析圖進行二維數(shù)據(jù)上的分析，甚至通過計算機軟件實現(xiàn)對數(shù)控加工以及后續(xù)的有限元分析。

3　三維建模的思路和方法

3.1 形體分析

形體分析是三維建模的基礎(chǔ)。由于計算機技術(shù)的設(shè)計原理和物體存在特性（實際工作中復(fù)雜的形體都由簡單形體進行布爾運算或截取而成）在傳統(tǒng)的三維設(shè)計軟件中對模型進行形體分析是軟件三維建模的基本工作。而在AUTOCAD的設(shè)計上，考慮的重點在于：一是建模的對象是否為3D工具條中已有的基本設(shè)計體（例如圓柱體、球體、長方體、圓錐體、凌錐體等等）的布爾運算；二是是否可以以二維幾何面進行旋轉(zhuǎn)、拉伸和放樣后，再與基本體進行布爾運算；三是設(shè)計三維模型是否為上述基本體進行面截取。因此，設(shè)計工作的核心主要在于組合體在布爾運算和差運算上對于用戶三維形體分析的良好結(jié)合，較好的形體分析能夠帶給設(shè)計更加優(yōu)良的效果。

3.2 用戶坐標變換設(shè)計

在AUTOCAD軟件上，系統(tǒng)擁有兩個基本坐標系，一是傳統(tǒng)的世界坐標系（WCS），二則是用戶坐標系（UCS,User Coordinste System）。相比之下，AUTOCAD的三維建模設(shè)計不再等同于其二維設(shè)計的坐標原點位置以及坐標軸方向的固定不變（WCS），而是基于用戶坐標系，一種可以根據(jù)用戶設(shè)計需要進行原點位置變化、坐標軸方向變換的坐標系（UCS）。而在用戶坐標系的操作和設(shè)計上，首先是建立起新的坐標平面，這一點也與二維的傳統(tǒng)編輯命令有所差異（例如傳統(tǒng)的arc/pline/circle/ellipse等可以在平面內(nèi)繪制），三維主要的圖像形成是基于二維圖形（例如三維實體命令，圓錐、圓柱、長方體、拉伸和旋轉(zhuǎn)等等）。因此，從這一點上講AUTOCAD是通過UCS將二維平面建立在所設(shè)計需要的空間上任意平面內(nèi)實現(xiàn)三維設(shè)計。相關(guān)文獻指出，建立三維空間概念的過程，是二維繪圖到三維建模設(shè)計的過程，而學(xué)習(xí)其過程的關(guān)鍵在于三維模型設(shè)計的空間變換。

當繪制的對象由當前平面變換到其他平行平面時必須重新指定UCS原點，在AUTOCAD上主要實現(xiàn)在于保持UCS坐標軸不變對其原點進行平移。通過Z軸和原點的確立定義XY平面，并根據(jù)需求指定Z軸的正向和原點。因此在設(shè)計上，首先可以給定三個點定義新的UCS。第一個點可以對原點進行確定，第二個點和第三個點則可以定義X軸和Y軸的正向；其次，可以選擇一個實體對象建立新的UCS。在新坐標系的Z軸方向與所選的三維對象的邊緣延長線一致；再之，可以選擇一個三維實體中的平面對象使得新建立的UCS能夠與其平行。在設(shè)計上可以選擇三維實體的平面作為XY面進行設(shè)計；最后，當然也可以選擇Z軸垂直于當前的前視圖平面，這相當于設(shè)置一個新的UCS，使其以WGS原點為原點， Z軸的正向為當前指向用戶，XY平面平行于設(shè)計計算機屏幕，并可以通過右手規(guī)則定義出X軸和Y軸的正向。更為特殊的，當前坐標系繞用戶坐標軸轉(zhuǎn)過角度進行設(shè)計時，可以通過旋轉(zhuǎn)角度形成新的UCS，而在對“UCS”命令行提示進行回車響應(yīng)時AUTOCAD可以實現(xiàn)對世界坐標系的重返。因此三維設(shè)計上，用戶坐標變換是AUTOCAD對簡單、復(fù)雜的三維模型設(shè)計的基礎(chǔ)，對其進行深入剖析是熟練掌握AUTOCAD設(shè)計的關(guān)鍵。

3.3 AUTOCAD三維設(shè)計的技巧

AUTOCAD作為一個成熟的軟件，在實際工作設(shè)計上有其獨特的應(yīng)用技巧。

首先，對于復(fù)雜的三維模型設(shè)計，分析好形體特征之后，設(shè)計必須有先后的建模順序，并選擇合理的造型設(shè)計方法。第一步創(chuàng)建好基本特征，并根據(jù)基本特征與實際需要進行輔助特征的創(chuàng)建，完成再加以附加特征的修繕，即由大而小、由外而里、由粗而精的設(shè)計思路；其次，在熟悉掌握UCS變換的前提下對于較為復(fù)雜的實體模型必須對布爾運算進行多次測試，并堅持先加后減的原則。這在AUTOCAD的設(shè)計上可以減少一些設(shè)計的失誤以及提高工作效率；再之，進行分圖層設(shè)計。對于產(chǎn)品設(shè)計較為復(fù)雜的模型，必須對產(chǎn)品模型進行結(jié)構(gòu)分析，并分好圖層。將相關(guān)圖層進行凍結(jié)處理可以提高AUTOCAD圖像生成效率，這對于復(fù)雜形體的設(shè)計也是一個好的方式，可以提供給用戶較好的設(shè)計環(huán)境和設(shè)計界面；最后，對于相對規(guī)范的二維圖形，AUTOCAD可以通過其在基本視圖中的位置進行分類分批處理，甚至可以通過圖形文件的輸出實現(xiàn)二維圖形生成三維實體。

4　三維設(shè)計實例

以機械工程和自動化設(shè)計中較為常見的三通模型為例，淺析AUTOCAD三維建模的思路和方法。

4.1 形體分析

三通模型是主要的多直徑管道連接器，也是最為常見的機械零件模型之一。通過不同直徑管道的分支，三通模型可以實現(xiàn)不同接口管道的互相連接，是一種典型的腔體類零件。因此可以將模型按照實際實體分為接頭，通孔以及分支接頭三部分進行繪制，并如上所述按照“由大而小、由外而里、由粗而精”的設(shè)計原則首先創(chuàng)建較大的、主要的結(jié)構(gòu)，再進行小的、次要的結(jié)構(gòu)的修繕，并對外部結(jié)構(gòu)進行首要設(shè)計完畢后再設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由下而上完成組合基本體的設(shè)計。因此，三通模型可以首先繪制接頭，再繪制通孔，最后再繪制分支接頭。

4.2 創(chuàng)建模型

首先，繪制接頭可以在AUTOCAD的三維空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)三維視圖中的東南等軸測方向進行繪圖，并調(diào)用基本體—圓柱體，通過陣列和差集等主要命令實現(xiàn)接頭的繪制；其次，在通孔的繪制上可以調(diào)用圓柱體并采用并集命令實現(xiàn)上述接頭與通孔的合二為一；再之，繪制分支接頭模塊，可以通過UCS的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)坐標系繞Y軸進行角度轉(zhuǎn)換，繪制完畢圓柱體后再將其原點平移至圓柱體的圓心，最后調(diào)用拉伸命令和面域命令繪制各個分支接頭，實現(xiàn)并集差集運算；最后設(shè)計可以通過3D導(dǎo)航觀察實體，運用CUBE命令可以實現(xiàn)對所設(shè)計的三維模型進行直觀的觀察，修改不符合要求的部分。

5　結(jié)束語

AUTOCAD是當前主流的三維建模設(shè)計軟件之一，其提供了與二維繪圖設(shè)計較為合理的繼承接口和設(shè)計理念，在機械和自動化零配件的設(shè)計上受到廣泛應(yīng)用。本文淺析了三維設(shè)計的理論基礎(chǔ)，并在此之上對三維設(shè)計的形體設(shè)計、UCS變換進行進一步的淺析，同時結(jié)合實際工作經(jīng)驗對AUTOCAD的軟件操作技巧進行簡單的介紹。最后根據(jù)實際工作設(shè)計模型以實例探討了基于AUTOCAD三維建模的實際應(yīng)用，為相關(guān)的三維建模和AUTOCAD軟件設(shè)計提供一種思路和參考。

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作者簡介：高鐸文（1964-），女，山東長清人,講師，機械制造及自動化。