基于AutoCAD的三维实体建模探讨

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结合实例从UCS坐标系、固层、多视口、实体编辑将二维图形生成三维实体等方面，对三维实体建模进行了研究探讨，旨在提高三维实体建模效率。

    随着计算机技术的飞速发展，三维CAD软件日趋成熟，三维实体造型开始广泛应用于产品或工程设计。目前，常用的三维建模软件主要有AutoCAD、 Pro／Engineer、UG、Solidwork、CAXA等。虽然在上述几种软件中三维建模功能相AutoCAD对较弱，对形状复杂的形体难以构建，且不便修改，但对于具有AutoCAD二维绘图基础的教师或技术人员，简单易学，容易掌握，上手快。下面笔者结合AutoCAD三维实体建模的教学实践，谈几点体会。
   
    1 三维实体模型概述
   
    三维模型包括线框模型、表面模型和实体模型。其中实体模型包括线、面、体的全部信息，是三种模型中最高级的一种。它不仅具有质量、体积等物理属性，更接近于真实物体，而且实体之间能进行并、交、差等布尔运算，建立更加复杂的实体模型，并能进行消隐、着色和渲染。此外，实体模型还可以生成二维平面视图、剖视图和断面图，通过AutoCAD输出的实体模型数据还可以提供给后续的数控加工和有限元分析。
   
    2 AutoCAD的三维实体建模
   
    2.1建模思路及方法
   
    创建三维实体模型时，首先对模型的结构进行分析，无论模型的结构多么复杂，它总是由若干个简单实体构成。因此，复杂模型的建立过程实际上是不断创建简单实体并将其组合的过程。当然，建立复杂模型的方案可能有好几种，应选择一种较方便、合理的方案进行建模。然后使用基本体或将二维图形经拉伸或旋转生成各个简单实体。最后将各个简单实体之间进行并、差、交等布尔运算和各种编辑操作获得更加复杂的实体。
   
    2.2建模技巧
   
    2.2.1学会建立和管理用户坐标系
   
    在AutoCAD中，坐标系分为世界坐标系(WCS)和用户坐标系(ucs)两种。二维绘图中使用的坐标系大都是世界坐标系，它是唯一且不变的。但在三维绘图过程中，为了便于绘制和观察图形，除WCS外，用户可以根据需要建立自己的坐标系--用户坐标系(ucs)，这样的坐标系其原点位置和x、y、z轴方向可以任意移动和旋转，甚至可以依赖于图形中某个特定的对象而变化。学会建立用户坐标系将简化三维建模过程，是三维建模的关键。
   
    如图1所示三维实体模型，绘制圆柱体A时采用图中的世界坐标系(wcs)，而绘制圆柱体B时，当前坐标系应绕茹轴旋转900，绘制圆柱体C时，当前坐标系应绕y轴旋转90。，绘制圆柱体D时，应指定面或三点建立UCS。
   
    另外，绘制复杂的三维图形，由于需要建立的UCS数目较多，为了避免频繁地进行坐标系变换，用户可以通过UCS管理器将不同方向的UCS预先定义和保存好，在需要时随时调用。

    2.2.2台理设置图层
   
    图层(Layer)是AutoCAD组织管理图形对象最为有效的工具之一。通过将不同性质的对象放置在不同的层上，可以方便地通过控制层的特性来显示和编辑对象。三维图形较二维图形更为复杂，视觉干扰更大，因此更应借助图层来管理图形。三维实体模型的分层可按照形体分析法，把组成该模型的各个实体对象放置在不同的层上，并以不同颜色加以区分，以便更清晰地作图，为后续的着色处理和材质的分配带来方便。当发生干扰时，可通过关闭或冻结某些图层使一些实体不可见，以便其他实体对象的定位或选择。另外，借助图层管理三维图形时，一般不要急于对不同图层间的实体对象做布尔运算，除非已完成整个三维图形的绘制，否则不利于后面的编辑工作。
   
    2.2.3多视口的应用
   
    绘制复杂的三维图形时，可以在一个三维视图中直接进行，但往往会出现表达不方便和效率低等问题。这些问题，通过建立多视口即可解决。AutoCAD允许将绘图区域划分为多个窗口(视口)，并允许在不同的视口中使用不同的UCS。因此，在绘制和观察复杂的三维图形时，将绘图区域划分为多个视口，每个视口中根据需要建立或使用不同的UCS，设置不同的观测点或选择显示不同的视图等，如图2的四个视口中分别显示了三维图形的主视图、俯视图、左视图及等轴测图，这样既可在不同视口中绘制和观察图形的不同部分，极大地减少了UCS坐标系和视图的转换工作，而且不论在那个视口中绘图或修改，最终结果在其他视口中也将同时显示。当组成三维实体的简单实体之间有干涉时，也可在不同视口中绘制不同的简单实体。
   
    如图2中绘制筋板时，在轴测图中先绘制一个筋板，再切换到俯视图中，用镜像的方法绘制第二个筋板。由此可见，将这些视图结合起来绘制图形，可以简化绘图过程。这种绘制图形的方法也是由三维实体生成三视图雏形的方法。

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    2.2.4熟练运用实体的面、边、体编辑命令
   
    三维图形除了可以使用二维图形中的移动、复制、删除、倒角、倒圆角等编辑操作外，还可以对实体的面、边、体进行编辑，例如可以拉伸、移动、偏移、复制、旋转、倾斜实体表面，也可复制实体棱边，还能够对实体进行布尔运算，进行剖切、切割、抽壳等操作，这些功能使用户可以很方便地修改现有实体以形成新特征。灵活地运用实体编辑功能将大大提高建模效率。例：如图2的三维实体建模中，书33ram的圆柱体有两种方法绘制：一是以U形实体背面的圆心为圆柱体底面的中心点，绘制高度为38ram的圆柱体；二是以U形实体正面的圆心为圆柱体底面的中心点，绘制高度为--30mm的圆柱体，然后执行"移动匾"或"拉伸面" 的编辑操作，选中前端面，将其沿Z轴方向移动或拉伸8mm。

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    2.2.5灵活运用拉伸和旋转命令将二维图形生成三维实体
   
    在AutoCAD中，任何复杂的实体一般都可以看作由若干个简单实体经过叠加、切割等方式而形成。对于规则的简单实体，可以使用长方体、球体、圆柱体、圆锥体、楔体等基本体，通过并、交、差等布尔运算生成。图3(a)所示为两个长方体进行差运算后得到的简单实体，图3(b)所示为长方体和圆柱体进行并运算后再与另一圆柱体进行差运算得到的简单实体，图3(c)所示为两个圆柱体进行交运算后再与另一圆柱体进行差运算得到的简单实体。对于不规则的简单实体，首先切换到相应的视图平面，绘制出它的平面图形，组成面域后，将平面图形沿其垂直方向按指定的高度或路径拉伸即可生成，如图4所示。

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    对于实心或空心回转体，可先绘制出回转体的截面，组成面域后，将其绕着回转轴旋转一定角度即可生成，如图5所示。轴套类零件、圆盘类零件都可采用此方法绘制，远比多次调用画圆柱、圆锥、球体命令，再用布尔运算生成实体简单。

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    3 结语
   
    随着AutoCAD产品的不断升级更新，其三维建模功能会越来越强大。要想熟练地运用AutoCAD建立三维模型，提高建模效率，除了综合运用本文介绍的方法和技巧外，还必须努力挖掘AutoCAD新的三维建模功能。

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