AutoCAD第十一章、三维设计基础

第十章、三维设计基础除了可以使用AutoCAD绘制二维图形外，还可以使用AutoCAD进行零件或产品造型的三维设计。事实上，在机械设计领域，三维图形的应用越来越广泛。本章介绍三维设计的基本概念和方法。一、三维制图的基本概念在AutoCAD中提供了3种处理三维建模的方式：线框模型、曲面模型和实体模型。线框模型：实际就是一种轮廓模型，它由三维的直线和曲线构成，没有面和体的特征信息，不能进行消隐、着色和渲染等操作。曲面模型：它不仅具有边界，还具有表面，其表面由多个平面多边形组成。可以进行消隐和渲染等操作。实体模型：具有线和面的特征，并具有面所包围的空间，可以进行消隐、着色和渲染等操作。二、三维坐标三维笛卡尔坐标：与输入二维坐标（X，Y）相似，但除了指定X值，Y值外，还要指定Z值柱坐标：例（5〈30，6）表示距当前UCS的原点5个单位、在XY平面上的投影与X轴正方向的夹角为30度、沿Z轴方向有6个单位的点。球坐标：例（8〈30〈30）表示一个点，它与当前UCS原点的距离为8个单位、在XY平面的投影与X轴的夹角为30度，与XY平面的夹角为30度。三、创建和管理用户坐标系在三维绘图中，坐标的空间概念很重要，用户可以根据需要定制自己的坐标系，即UCS坐标系，可以方便绘制出三维面、体。新建UCS有三种方法：在命令行中输入UCS，回车。单击工具栏上的“UCS”按钮。单击“工具/新建UCS”命令，弹出级联菜单。提示中各选项的含义和功能：（1）新建：创建新的UCS。要命令行中输入“N”，回车，提示要求用户确定UCS的创建方法。指定新UCS的原点：通过移动原坐标系的原点到新的位置来创建新UCS；Z轴：在不改变坐标系X和Y轴方向的前提下，通过确定新坐标系原点和Z轴正方向上的任一点创建新UCS；3点：通过定义3个点创建新UCS对象：根据用户选择的对象创建新UCS面：根据三维实体上的平面创建UCS。视图：新建UCS的XY平面与当前视图面平行，原点为原UCS的原点；X/Y/Z：将原UCS绕X/Y/Z轴旋转指定的角度，得到新UCS。（2）移动：通过改变当前UCS原点的位置或原点的Z轴来重新定义UCS，新UCS的X、Y坐标轴的方向不变。（3）正交：从六个事先定义好的坐标系中选择一个作为用户坐标系。（4）上一个：返回到上一个坐标系。（5）恢复：恢复命名保存的UCS，使其成为当前UCS。（6）保存：保存当前用户坐标系。（7）删除：删除某个用户坐标系。（8）？：列出各命名保存的UCS相对于当前UCS的名称、坐标原点及坐标轴的方向矢量。（9）世界：将当前坐标系设置为世界坐标系。管理UCS：单击“工具/命名UCS”命令，弹出“UCS”对话框有三个选项卡。（1）命名UCS：用来显示当前使用和已命名的UCS，或把某一UCS设置为当前坐标系。（2）正交UCS：将UCS设置为某一正交形式。（3）设置：设置UCS图标的显示形式和应用范围。四、设置三维视图设置视点单击“视图/三维视图/视点预置”命令，弹出“视点预置”对话框。该对话框中“绝对WCS”和“相对WCS”两个单选项分别用来确定是“绝对坐标系”还是“相对坐标系”中设置视点。左边的图用来确定原点与视点之间的连线在XY平面上的投影与X轴正向的夹角，右面的图用于确定该连线与投影之间的夹角。也可以在下面直接输入数据来确定视点的位置。设置平面视图：平面视图是指当用户视线与Z轴平行时，所看到的XY平面上的视图，是观察视图很常用的一种方法。在命令行中输入Plan，可以选择当前UCS、命名保存的UCS、或WCS坐标系下的平面视图。五、三维动态观察器很多方法可以观察三维实体模型，其中三维动态观察器是一种比较好的方法。调用方式：单击“视图/三维动态观察器”命令；或工具栏上的“三维动态观察器”按钮。三维观察器为一个弧球，用大圆表示，圆的各象限点处有一个小圆。光标位于弧球不同位置，表示观察器的不同功能。（1）光标位于弧球之内：用户可以旋转目标。（2）光标位于弧球之外：按下并拖动鼠标绕弧球移动，视图为绕过弧球中心与计算机垂直的轴旋转。（3）光标位于弧球的左边和右边小圆上：按下并水平拖动鼠标，视图为绕过弧球中心的垂直轴旋转。（4）光标位于弧球的上边或下边的小圆上：按下并垂直拖动鼠标，视图为绕过弧球中心的水平轴旋转。六、创建基本的三维对象三维对象的绘制包括三维点、线、面，其中三维点和三维线与二维对象画法相同，只是需要注意空间位置。创建三维多段线三维多段线只有直线段而没有圆弧。执行菜单“绘图/三维多段线”可以进行三维多段线的绘制操作。创建三维曲面曲面模型设计是机械零件设计的一个重要组成部分，与实体模型相比，它是空心的，没有质量。绘制曲面的工具栏如图所示：基本三维曲面的绘制：包括长方体表面、楔形表面、棱锥表面现象、圆锥面、球面、圆环面等。选择菜单“绘图/曲面/三维曲面”命令，打开“三维对象”对话框；在“三维对象”对话框上选择需要绘制的三维曲面对象，单击“确定”按钮。也可以直接在“曲面”工具栏上单击相应的工具按钮。根据命令行的提示完成相应曲面的绘制。此处不一一详述。创建旋转曲面：将指定的对象绕旋转轴旋转设定的角度，从而生成旋转曲面。绘制一条直线作为旋转轴，并绘制一条旋转母线作为旋转对象；选择“绘图/曲面/旋转曲面”命令；选择旋转对象，选择旋转轴，设置旋转起、始角度，回车。可以通过设置surftab1和surftab2的值来调整曲面的圆滑度。创建平移曲面：可以将指定的曲线（平移对象）沿一定方向平移，从而生成平移曲面。绘制作为平移对象的样条曲线和一条作为方向矢量的直线；选择菜单“绘图/曲面/平移曲面”命令；选择平移对象，选择作为方向矢量的直线，回车。创建直纹曲面：可以在选定的两条曲线之间采用直线连接的方式生成直纹曲面：绘制定义曲面边界的两条曲线；选择“绘图/曲面/直纹曲面”命令；选择定义曲面边界的两条曲线，回车。创建边界曲面：可以在一个封闭的区间内生成曲面。绘制一个封闭区间；选择“绘图/曲面/边界曲面”命令；选择围成封闭区间的对象，回车。七、创建基本的三维实体三维实体设计是机械零件造型设计的一个重要组成部分，三维实体与三维曲面模型有着质的不同，三维实体具有质量特性。在机械设计中，实体模型才是真正意义上的三维造型，对于实体模型可以进行剖切、干涉、着色、贴图、渲染等各种高级操作。长方体可以通过指定长方体的角点创建长方体；也可以通过指定长方体的中心创建长方体；或者输入长方体的长、宽、高；当然也可以在命令行中输入“C”创建立方体。基本三维实体还包括球体、圆柱体、圆锥体、楔体、圆环体等，用户可以根据命令行的提示轻松建立这些实体。八、由二维图形创建实体对于一些复杂的三维实体，可以先绘制二维图形，然后对这些二维图形进行拉伸、旋转等操作，从而创建出三维实体。拉伸二维图形：可以将指定的二维图形沿Z轴或某条方向轨迹拉伸成实体，作为拉伸对象的二维图形可以是封闭的二维多段线、圆、圆弧、封闭的样条曲线或面域，如果二维图形由多种图元组成，先将这些图元生成一个面域，从而成为有效的拉伸对象。拉伸二维图形的步骤：新建一个图形文件，绘制一个二维图形；将此二维图形转化为面域；点击“实体”工具栏上的“拉伸”命令按钮；选择被拉伸的对象，指定拉伸高度，回车（此时图形沿Z轴方向拉伸）；或者选择被拉伸对象后，在命令行中输入“P”，回车后选择拉伸路径，回车（此时图形沿路径拉伸）。说明：拉伸过程中可以设置拉伸的倾斜角，可以是正值或负值，但绝对值不能大于90度；沿某个方向拉伸二维图形时，需注意：拉伸的方向轨迹可以是开放的，也可以是闭合的，但不能与被拉伸的对象共面。旋转二维图形：可以将二维对象绕指定的轴进行旋转，从而生成等旋转截面的三维实体新建一个图形文件，绘制在旋转的二维图形；将此二维图形转化为面域；单击“实体”工具栏上的“旋转”工具按钮；选择要旋转的二维图形，选择旋转轴，回车。九、三维实体的布尔运算三维实体的布尔运算主要包括并（UNION）、交（INTERSECT）、差（SUBTRACT）运算，对基本的三维实体进行并集、交集和差集布尔运算，可以创建出复杂的三维实体。并集运算：选择菜单“修改/实体编辑/并集”，可以通过组合多个实体来生成一个新实体。执行并集运算的步骤很简单，在选择并集命令后依次选择欲合并的实体对象回车即可。交集运算：可以求出各实体的相交部分（公共部分），以此作为新创建的实体。差集运算：从一个实体中减去部分实体，从而获得一个新实体。并集、交集、差集运算示例十、三维操作三维操作主要包括三维阵列、三维镜像、三维旋转和对齐操作。三维阵列：矩形阵列：采用矩形阵列的方式复制对象时，需在定义行数、列数和层数以及行距、列距和层距，矩形阵列的行、列、层分别沿着当前UCS的X、Y、Z轴方向。输入的间距可以是正值也可以是负值，当输入的是正值，表示沿着相应坐标轴的正方向进行阵列。环形阵列：采用环形阵列的方式复制对象时，需要定义阵列的项目个数、环形阵列的填充角度、阵列的中心等。三维镜像：在三维空间，可以将选定的对象相对于某一平面来创建其镜像实体。三维旋转：可以对选定的对象进行旋转操作，可以围绕任意轴、视图、对象和两点进行旋转。十一、着色在屏幕上绘制好的物体模型是以线框形式显示的，并不能完全真实地反映出物体的模样。可以对其进行消隐、着色和渲染处理。消隐命令使位于三维实体视点后的部分被隐藏起来。着色命令的功能比消隐命令更强，不仅可以给物体着色，还可以实现模型消隐，而且还可以给其表面着色。着色中所包含的各选项的含义和功能如下：（1）二维线框：用于表示实体边界的直线和曲线显示对象。（2）三维线框：用于实体在三维线框模式下显示对象。（3）消隐：以三维线框模式显示对象，并消支隐藏线。（4）平面着色：使对象实现平面着色，只对各多边形的面着色，不对面边界做光滑处理。（5）体着色：使对象实现体着色，不仅对各多边形的面着色，还要对边界做光滑处理，使对象看上去更光滑、更真实。（6）带边框的面着色：平面着色的同时显示三维线框。（7）带边框体着色：体着色的同时显示本维线框架。十二、渲染同着色效果相比，渲染操作所获得的图形效果更具真实感和材质感，通过对材质、灯光和场景等的设置，可以获得照片级的真实感图像。单击菜单“视图/渲染/渲染”命令，弹出渲染对话框。对话框中主要选项的含义和功能：（1）渲染类型：包括一般渲染、照片级真实感渲染和照片级光线跟踪渲染三种。（2）渲染过程：可以选择渲染范围。查询选择集：是否自动对当前场景的对象进行有选择的渲染；修剪窗口：是否以窗选方式选取一个区域进行渲染；跳过渲染对话框：是否出现渲染对话框（3）光源图标比例：控制图形中光照面积的大小。（4）平滑角度：渲染时相邻两个面的夹角大于或等于这个角度值时，才将两个面之间的棱角显示出来，小于此角时，做平滑处理。（5）目标视口：渲染到当前视口，渲染的数据和图像只是暂时保留在当前视口；渲染窗口：系统会自动打开一个渲染窗口，并将渲染后的生成的图像置于该渲染窗口中，可以单独编辑或保存；文件：可以将渲染图像直接输出到文件中。（6）子例样设置要渲染的像素比例并控制渲染速度，1：1效果最好，8：1速度最快，但效果最差。（7）背景：确定渲染背景，有纯色、渐变色和图像三种。光源：渲染的一个重要方面是光线的应用，光线主要由颜色和强度两个方面决定。单击“视图/渲染/光源”弹出“光源”对话框，该对话框中各选项的含义和功能如下：（1）光源列表框中显示已创建的光源名称；（2）通过“新建”按钮，用户可以创建点光源、平行光和聚光灯三种光源，分别介绍如下：点光源：点光源是从光源处向外发射放射性光的光源。从位于“新建”按钮右侧的下拉列表框中选择“点光源”，单击“新建”按钮，弹出“新建点光源”对话框：光源名：在该文本框中输入新建点光源的名称；强度：设置光源的强度；位置：修改和查看光源的位置；颜色：设置光源的颜色；衰减：设置光源的衰减程度；阴影：确定是否打开阴影功能。平行光：模拟太阳光，它向某一个方向发射平行光，其光源位于无限远的地方。聚光灯：从一点按锥形向一个方向发射的光源。（3）修改：修改选定的光源。（4）删除：删除选定的光源。（5）选择：单击该按钮，将回到绘图窗口，在图中选择所需的光源后即可对该项光源进行编辑。（6）北方位置：确定光的北方位置。（7）环境光强度：设置环境光的强度。（8）环境光颜色：设置环境光的颜色。材质：渲染对象时，可以使用材质来增强实体模型的真实感