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(shí)際工作需求，對三維建模進(jìn)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(jìn)行探討，包括對形體分析、用戶坐標(biāo)變換以及AUTOCAD設(shè)計的軟件操作技巧進(jìn)行論述。最后，根據(jù)實(shí)際工作的實(shí)例探討基于AUTOCAD三維建模在實(shí)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(jī)三維技術(shù)可以全方位模擬現(xiàn)實(shí)物體模型，并通過立體、光澤以及色彩和動畫等畫面表達(dá)計算機(jī)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(jī)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(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、自由曲面外形、運(yùn)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(shí)現(xiàn)以上功能，并通過相關(guān)的轉(zhuǎn)換軟件或接口實(shí)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(jī)械產(chǎn)品的加工過程，通過數(shù)控設(shè)備進(jìn)行加工生產(chǎn)。因此，三維設(shè)計是機(jī)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(diǎn)放在其中。

2　三維建模概述

三維建模，主要包括實(shí)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(shí)體之間能夠進(jìn)行包括交、并、差等布爾運(yùn)算，從而建立起更加復(fù)雜的組合實(shí)體模型。再之，它還能在實(shí)際的計算機(jī)設(shè)計上通過繪制二維平面視圖、斷面圖和剖析圖進(jìn)行二維數(shù)據(jù)上的分析，甚至通過計算機(jī)軟件實(shí)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(jī)技術(shù)的設(shè)計原理和物體存在特性（實(shí)際工作中復(fù)雜的形體都由簡單形體進(jìn)行布爾運(yùn)算或截取而成）在傳統(tǒng)的三維設(shè)計軟件中對模型進(jìn)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(diǎn)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(yùn)算；二是是否可以以二維幾何面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拉伸和放樣后，再與基本體進(jìn)行布爾運(yùn)算；三是設(shè)計三維模型是否為上述基本體進(jìn)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(yùn)算和差運(yùn)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(biāo)變換設(shè)計

在AUTOCAD軟件上，系統(tǒng)擁有兩個基本坐標(biāo)系，一是傳統(tǒng)的世界坐標(biāo)系（WCS），二則是用戶坐標(biāo)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(biāo)原點(diǎn)位置以及坐標(biāo)軸方向的固定不變（WCS），而是基于用戶坐標(biāo)系，一種可以根據(jù)用戶設(shè)計需要進(jìn)行原點(diǎn)位置變化、坐標(biāo)軸方向變換的坐標(biāo)系（UCS）。而在用戶坐標(biāo)系的操作和設(shè)計上，首先是建立起新的坐標(biāo)平面，這一點(diǎn)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(shí)體命令，圓錐、圓柱、長方體、拉伸和旋轉(zhuǎn)等等）。因此，從這一點(diǎn)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(shí)現(xiàn)三維設(shè)計。相關(guān)文獻(xiàn)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(dāng)繪制的對象由當(dāng)前平面變換到其他平行平面時必須重新指定UCS原點(diǎn)，在AUTOCAD上主要實(shí)現(xiàn)在于保持UCS坐標(biāo)軸不變對其原點(diǎn)進(jìn)行平移。通過Z軸和原點(diǎn)的確立定義XY平面，并根據(jù)需求指定Z軸的正向和原點(diǎn)。因此在設(shè)計上，首先可以給定三個點(diǎn)定義新的UCS。第一個點(diǎn)可以對原點(diǎn)進(jìn)行確定，第二個點(diǎn)和第三個點(diǎn)則可以定義X軸和Y軸的正向；其次，可以選擇一個實(shí)體對象建立新的UCS。在新坐標(biāo)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(shí)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(shí)體的平面作為XY面進(jìn)行設(shè)計；最后，當(dāng)然也可以選擇Z軸垂直于當(dāng)前的前視圖平面，這相當(dāng)于設(shè)置一個新的UCS，使其以WGS原點(diǎn)為原點(diǎn)， Z軸的正向?yàn)楫?dāng)前指向用戶，XY平面平行于設(shè)計計算機(jī)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(dāng)前坐標(biāo)系繞用戶坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)過角度進(jìn)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(jìn)行回車響應(yīng)時AUTOCAD可以實(shí)現(xiàn)對世界坐標(biāo)系的重返。因此三維設(shè)計上，用戶坐標(biāo)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(jìn)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(shí)際工作設(shè)計上有其獨(dú)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(shí)際需要進(jìn)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(shí)體模型必須對布爾運(yùn)算進(jìn)行多次測試，并堅(jiān)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(jìn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并分好圖層。將相關(guān)圖層進(jìn)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(jìn)行分類分批處理，甚至可以通過圖形文件的輸出實(shí)現(xiàn)二維圖形生成三維實(shí)體。

4　三維設(shè)計實(shí)例

以機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)際實(shí)體分為接頭，通孔以及分支接頭三部分進(jìn)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(jìn)行小的、次要的結(jié)構(gòu)的修繕，并對外部結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系繞Y軸進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，繪制完畢圓柱體后再將其原點(diǎn)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(shí)現(xiàn)并集差集運(yùn)算；最后設(shè)計可以通過3D導(dǎo)航觀察實(shí)體，運(yùn)用CUBE命令可以實(shí)現(xiàn)對所設(shè)計的三維模型進(jìn)行直觀的觀察，修改不符合要求的部分。

5　結(jié)束語

AUTOCAD是當(dāng)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(jī)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(jìn)行進(jìn)一步的淺析，同時結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對AUTOCAD的軟件操作技巧進(jìn)行簡單的介紹。最后根據(jù)實(shí)際工作設(shè)計模型以實(shí)例探討了基于AUTOCAD三維建模的實(shí)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(jī)械制造及自動化。