第5讲-三维建模基础

三维建模基础•目前，工程设计多数还停留在二维设计阶段，工程师通过绘制多个平面图来反映产品的结构形状，但平面图有一个严重的缺陷，就是它不能使用户全局地观察产品的设计效果。•AutoCAD除具有强大的二维绘图功能外，还具备基本的三维造型能力。若物体并无复杂的外表曲面及多变的空间结构关系，则用户使用AutoCAD可以很方便地建立对象的三维模型。•值得一提的是，AutoCAD自2000版以来，在三维绘图功能方面增强了很多，现在，用户已经能够对三维实体进行编辑，并能以动态旋转的方式来观察三维模型。三维建模空间•创建三维模型时可切换至AutoCAD三维工作空间•选取菜单命令【工具】/【工作空间】/【三维建模】，就切换至该空间。•当以“acad3D.dwt”或“acadiso3D.dwt”为样板创建三维图形时，就直接进入此空间，而图形窗口中将显示三维坐标系及与坐标系xy平面重合的表示地面的栅格。•当前窗口中的视觉样式是“真实”，投影模式是透视投影模式，默认情况下，三维建模空间包含功能区及【工具选项板】。三维坐标空间理解三维图形•二维绘图时，所有工作都局限在一个平面内，点的位置只需用x、y坐标表示。•而在三维空间中，要确定一个点，就需用x、y、z这3个坐标。下图显示了在xy平面内的二维图形及三维空间的立体图形。•默认情况下，AutoCAD世界坐标系的xy平面是绘图平面，用户所画直线、圆和矩形等对象都在此平面内。•尽管如此，AutoCAD却是用三维坐标来存储这些对象信息的，只不过此时的z坐标值为零。•因此，前面所讲的二维图实际上是3D空间某个平面上的图形，它们是三维图形的特例。用户可以在3D空间的任何一个平面上建立适当的坐标系，然后在此平面上绘制二维图。•在AutoCAD中，用户可以创建3种类型的三维模型：线框模型、表面模型及实体模型。•这3种模型在计算机上的显示方式相同，即以线架结构显示出来，但用户可用特定命令表现表面模型及实体模型的真实性。线框模型•线框模型是一种轮廓模型，它是对三维对象的轮廓描述，仅由3D空间的直线及曲线组成，不包含面及体的信息。•由于模型不包含表面，因此用户可以“看穿”模型，且不能使该模型消隐或着色。•又由于它不含有立体数据，所以用户也不能得到对象的质量、重心、体积和惯矩等物理特性。•下图显示了两个立体的线框模型，用户可以透过第一个模型看到第二个模型。曲面模型•AutoCAD用多边形网格来表示曲面，如左图所示，网格密度由系统变量SURFU及SURFV控制。•各类曲面组合在一起就构成了曲面模型，此种模型具有面及三维立体边界信息。曲面不透明，能遮挡光线，因此曲面模型可以被渲染及消隐。•对于计算机辅助加工，用户还可以根据零件的曲面模型形成完整的加工信息。•右图所示的是两个曲面模型的消隐效果，前面的立体遮住了后面立体的一部分。实体模型•实体模型具有表面及体的信息。•对于此类模型，用户可以区分对象的内部及外部，并可以对它进行打孔、切槽和添加材料等布尔操作。•还能检测对象间是否发生干涉及分析模型的质量特性，如质心、体积和惯矩等。•对于计算机辅助加工，用户可利用实体模型的数据生成数控加工代码。右图所示的是在实体上开槽、打孔的结果。三维坐标系•AutoCAD的作图空间是无限制的，用户可以在里面画非常大或非常小的图形。所有图形的图元都需要使用坐标来定位。•AutoCAD的坐标系统是三维笛卡儿直角坐标系。默认状态下，AutoCAD的坐标系是世界坐标系（WCS）。•对于二维绘图，大多数情况下，世界坐标系能满足作图需要，但若是创建三维模型，用户常常需要在不同平面或是沿某个方向建立新的用户坐标系（UCS），以方便作图。世界坐标系•世界坐标系是固定不动的，在此坐标系中，AutoCAD图形的每个点都由惟一的x、y和z坐标确定。默认情况下，屏幕左下角会出现一个表示世界坐标系的图标。若图标的原点位置处有一小方块，则表示当前坐标系是世界坐标系；否则，是用户坐标系。•图标中附带字母“X”或“Y”的大箭头表示当前坐标系x轴、y轴的正方向，z轴正方向由右手螺旋法则确定。•三维绘图时，用户常常需要在三维空间的某一平面上绘图。由于世界坐标系不能变动，因而给作图带来很多不便。•例如，若用户想在下图中的ABC平面内画一个圆，在世界坐标系中是无法完成的，此时，若用户以平面ABC为xy坐标面创建新坐标系，就可以用CIRCLE命令画圆了。用户坐标系及动态用户坐标系•为了使用户更方便地在3D空间中绘图，AutoCAD允许用户创建自己的坐标系，即用户坐标系。•与固定的世界坐标系不同，用户坐标系可以移动和旋转，可以设定三维空间的任意一点为坐标原点，也可指定任何方向为x轴的正方向。•在用户坐标系中，坐标的输入方式与世界坐标系相同，但坐标值不是相对于世界坐标系，而是相对于当前坐标系。•除用UCS命令改变坐标系外，用户也可打开动态UCS功能，使UCS坐标系的xy平面在绘图过程中自动与某一平面对齐。按F6键或按下状态栏上的按钮，就打开动态UCS功能。•启动二维或三维绘图命令，将光标移动到要绘图的实体面，该实体面亮显，表明坐标系的xy平面临时与实体面对齐，绘制的对象将处于此面内。绘图完成后，UCS坐标系又返回到原来状态。•AutoCAD多数2D命令只能在当前坐标系的xy平面或与xy平面平行的平面内执行，若用户想在空间的某一平面内使用2D命令，则应沿此平面位置创建新的UCS。•练习管理UCS坐标系•UCSMAN命令可以方便地管理及操作UCS。例如，用户可利用该命令删除、重命名或恢复已命名的UCS坐标系，此外，还能选择AutoCAD预设的标准UCS坐标系及控制UCS图标显示。•综合练习创建新用户坐标系保存坐标系恢复坐标系观察三维模型的方法•用户在绘制三维图形的过程中，常需要从不同方向观察图形。当用户设定某个查看方向后，AutoCAD就显示出对应的3D视图，具有立体感的3D视图将有助于正确理解模型的空间结构。•AutoCAD的默认视图是xy平面视图，这时观察点位于z轴上，且观察方向与z轴重合，因而用户看不见物体的高度，所见的视图是模型在xy平面内的视图。•AutoCAD提供了多种创建3D视图的方法，如利用VIEW、DDVPOINT、VPOINT和3DORBIT等命令就能沿不同方向观察模型。•其中，VIEW、DDVPOINT和VPOINT命令可使用户在三维空间中设定视点的位置，而3DORBIT命令则可使用户利用单击并拖动鼠标的方法将3D模型旋转起来，该命令使三维视图的操作及三维可视化变得十分容易。用标准视点观察3D模型•任何三维模型都可以从任意一个方向观察。【视图】面板上的【视图控制】下拉列表提供了10种标准视点。•用户通过这些视点就能获得3D对象的10种视图，如前视图、后视图、左视图和东南等轴测图等。•标准视点是相对于某个基准坐标系设定的，基准坐标系不同，则所得视图不同。•各轴测视点在基准坐标系中的位置矢量如下。•西南轴测视点：（-1,-1,1）。•东南轴测视点：（1,-1,1）。•东北轴测视点：（1,1,1）。•西北轴测视点：（-1,1,1）。•用户可在【视图管理器】对话框中指定基准坐标系，选取菜单命令【视图】/【命名视图】，打开【视图管理器】对话框，该对话框左边的列表框中列出了预设的标准正交视图名称，这些视图所采用的基准坐标系可在右边的【设定相对于】下拉列表中选定。•练习三维动态旋转•3DFORBIT命令用于激活交互式的动态视图，用户通过单击并拖动鼠标的方法来改变观察方向，从而能够非常方便地获得不同方向的3D视图。•使用此命令时，用户可以选择观察全部对象或是模型中的一部分对象，AutoCAD围绕待观察的对象形成一个辅助圆，该圆被4个小圆分成四等份。•辅助圆的圆心是观察目标点，当用户按住鼠标左键并拖动时，待观察的对象（或目标点）静止不动，而视点绕着3D对象旋转，显示结果是视图在不断地转动。•当用户想观察整个模型的部分对象时，应先选择这些对象，然后启动3DFORBIT命令，此时，仅所选对象显示在屏幕上。若其没有处在动态观察器的大圆内，就单击鼠标右键，选择【范围缩放】选项。•启动3DFORBIT命令，AutoCAD窗口中出现一个大圆和4个均布的小圆，当光标移至圆的不同位置时，其形状将发生变化，不同形状的光标表明了当前视图的旋转方向。•球形光标。光标位于辅助圆内时，就变为上面这种形状。此时，用户可假想一个球体把目标对象包裹起来，单击并拖动鼠标，就使球体沿光标拖动的方向旋转，模型视图也就随之旋转起来•圆形光标。移动光标到辅助圆外，光标就变为上面这种形状。按住鼠标左键并将光标沿辅助圆拖动，就使3D视图旋转，旋转轴垂直于屏幕并通过辅助圆心。•水平椭圆形光标。当把光标移动到左、右小圆的位置时，其形状就变为水平椭圆。单击并拖动鼠标就使视图绕着一铅垂轴线转动，此旋转轴线经过辅助圆心。•竖直椭圆形光标。将光标移动到上、下两个小圆的位置时，光标就变为上面的这种形状。单击并拖动鼠标将使视图绕着一水平轴线转动，此旋转轴线经过辅助圆心。快速建立平面视图•PLAN命令可以生成坐标系的xy平面视图，即视点位于坐标系的z轴上，该命令在三维建模过程中非常有用。•例如，当用户想在3D空间的某个平面上绘图时，可先以该平面为xy坐标面创建UCS坐标系，然后使用PLAN命令使坐标系的xy平面视图显示在屏幕上，这样，在三维空间的某一平面上绘图就如同画一般的二维图一样。•练习利用多个视口观察3D图形•在三维建模过程中，用户经常需要从不同的方向观察三维模型，以便于定位实体或检查已建模型的正确性。•在单视口中，每次只能得到3D对象的一个视图，若要把模型不同观察方向的视图都同时显示出来，就要创建多个视口（平铺视口）。•平铺视口具有以下特点。•每个视口并非独立的实体，而仅仅是对屏幕的一种划分。•对于每个视口都能设置观察方向或定义独立的UCS坐标系。•用户可以保存及恢复视口的配置信息。•在执行命令的过程中可以从一个视口转向另一个视口操作。•单击某个视口就将它激活，每次只能激活一个视口，被激活的视口带有粗黑边框。•练习利用导航工具观察3D图形•利用AutoCAD提供的【ViewCube】工具可定义模型的主视图，在标准视图和等轴测视图间切换，新建UCS等。利用【SteeringWheels】工具，可以动态观察模型、平移和缩放模型等。•【ViewCube】工具•当设定视觉样式不为“二维线框”时，【ViewCube】导航工具将自动显示在图形窗口中，单击【视图】面板上的按钮，可显示或隐藏该工具。•在【ViewCube】工具的立方体上定义了26个区域，这些区域包括面、边及角，其中6个面代表模型的标准正交视图：前视图、俯视图、左视图等，8个角点代表等轴测视图。单击这些区域就可在标准视图和等轴测视图间切换。除这种方法外，还可通过单击立方体并拖动光标的方法来改变观察点。•位于【ViewCube】工具下方的是指南针和UCS菜单，通过UCS菜单可恢复已命名的UCS、切换为WCS或定义新的UCS。在【ViewCube设置】对话框中，可以控制指南针和【UCS】菜单的显示。【SteeringWheels】工具•【SteeringWheels】将动态观察、平移及缩放等多个常用导航工具结合到一个控制盘中，控制盘上的每个按钮代表一种导航工具。•鼠标光标悬停在控制盘中每个按钮上方时，都会在控制盘下方显示该按钮的工具提示。可以通过单击并按住鼠标左键来激活其中一种导航工具。按住鼠标左键后，在图形窗口上拖动，可以更改当前视图。松开鼠标左键可返回至控制盘。•某个导航工具是否显示取决于当前控制盘模式，常用导航工具如下。•缩放•激活【缩放】工具后，可以通过向上和向下拖动鼠标光标来调整模型的比例。•平移•激活【平移】工具后，拖动鼠标时，模型将朝拖动的方向移动。•动态观察•激活【动态观察】工具后，拖动鼠标时，模型将绕轴心点旋转，而视图保持固定。•中心•使用【中心】工具时，可以通过单击并拖动鼠标来设置缩放或动态观察的中心。拖动鼠标光标时，光标将变为球形，把球形光标移动到模型要建立的