基于AUTOCAD三维建模的研究和应用

高铎文（新疆昌吉职业技术学院,新疆 昌吉 831100）

基于AUTOCAD三维建模的研究和应用

高铎文
（新疆昌吉职业技术学院,新疆 昌吉 831100）

摘 要：本文基于实际工作需求，对三维建模进行理论浅析，并结合AUTOCAD设计对三维建模的思路和方法进行探讨，包括对形体分析、用户坐标变换以及AUTOCAD设计的软件操作技巧进行论述。最后，根据实际工作的实例探讨基于AUTOCAD三维建模在实际工作中的应用。

关键词：三维建模；AUTOCAD；三维设计；形体分析；UCG变换

1　引言

计算机三维技术可以全方位模拟现实物体模型，并通过立体、光泽以及色彩和动画等画面表达计算机内部产品的设计效果，这种设计及应用能够脱离于传统的二维设计模式，使得产品的设计和外观在设计初期有较好的雏形和体现。特别对于机械设计和自动化等电气设计，三维设计方式已经成为业内主流的设计方式，传统的简单二维设计已经基本无法满足复杂的机械产品的结构、自由曲面外形、运动干涉以及装配干涉等主要工作属性的设计。对比之下，三维设计则可以简单实现以上功能，并通过相关的转换软件或接口实现三维模型到二维图纸之间的简单转换，生成符合工作需求的工程图纸，甚至可以模拟机械产品的加工过程，通过数控设备进行加工生产。因此，三维设计是机械及自动化等多个领域工业设计的主要发展趋势，相关学者专家也将研究重点放在其中。

2　三维建模概述

三维建模，主要包括实体模型、表面模型和线框模型。其中前者包括线、面和体的全面信息，基本综合了后两者的所有设计，它不仅拥有体积和质量等物理特征更在外观上注重于事物的相似度契合。在设计上，三维模型的实体之间能够进行包括交、并、差等布尔运算，从而建立起更加复杂的组合实体模型。再之，它还能在实际的计算机设计上通过绘制二维平面视图、断面图和剖析图进行二维数据上的分析，甚至通过计算机软件实现对数控加工以及后续的有限元分析。

3　三维建模的思路和方法

3.1 形体分析

形体分析是三维建模的基础。由于计算机技术的设计原理和物体存在特性（实际工作中复杂的形体都由简单形体进行布尔运算或截取而成）在传统的三维设计软件中对模型进行形体分析是软件三维建模的基本工作。而在AUTOCAD的设计上，考虑的重点在于：一是建模的对象是否为3D工具条中已有的基本设计体（例如圆柱体、球体、长方体、圆锥体、凌锥体等等）的布尔运算；二是是否可以以二维几何面进行旋转、拉伸和放样后，再与基本体进行布尔运算；三是设计三维模型是否为上述基本体进行面截取。因此，设计工作的核心主要在于组合体在布尔运算和差运算上对于用户三维形体分析的良好结合，较好的形体分析能够带给设计更加优良的效果。

3.2 用户坐标变换设计

在AUTOCAD软件上，系统拥有两个基本坐标系，一是传统的世界坐标系（WCS），二则是用户坐标系（UCS,User Coordinste System）。相比之下，AUTOCAD的三维建模设计不再等同于其二维设计的坐标原点位置以及坐标轴方向的固定不变（WCS），而是基于用户坐标系，一种可以根据用户设计需要进行原点位置变化、坐标轴方向变换的坐标系（UCS）。而在用户坐标系的操作和设计上，首先是建立起新的坐标平面，这一点也与二维的传统编辑命令有所差异（例如传统的arc/pline/circle/ellipse等可以在平面内绘制），三维主要的图像形成是基于二维图形（例如三维实体命令，圆锥、圆柱、长方体、拉伸和旋转等等）。因此，从这一点上讲AUTOCAD是通过UCS将二维平面建立在所设计需要的空间上任意平面内实现三维设计。相关文献指出，建立三维空间概念的过程，是二维绘图到三维建模设计的过程，而学习其过程的关键在于三维模型设计的空间变换。

当绘制的对象由当前平面变换到其他平行平面时必须重新指定UCS原点，在AUTOCAD上主要实现在于保持UCS坐标轴不变对其原点进行平移。通过Z轴和原点的确立定义XY平面，并根据需求指定Z轴的正向和原点。因此在设计上，首先可以给定三个点定义新的UCS。第一个点可以对原点进行确定，第二个点和第三个点则可以定义X轴和Y轴的正向；其次，可以选择一个实体对象建立新的UCS。在新坐标系的Z轴方向与所选的三维对象的边缘延长线一致；再之，可以选择一个三维实体中的平面对象使得新建立的UCS能够与其平行。在设计上可以选择三维实体的平面作为XY面进行设计；最后，当然也可以选择Z轴垂直于当前的前视图平面，这相当于设置一个新的UCS，使其以WGS原点为原点， Z轴的正向为当前指向用户，XY平面平行于设计计算机屏幕，并可以通过右手规则定义出X轴和Y轴的正向。更为特殊的，当前坐标系绕用户坐标轴转过角度进行设计时，可以通过旋转角度形成新的UCS，而在对“UCS”命令行提示进行回车响应时AUTOCAD可以实现对世界坐标系的重返。因此三维设计上，用户坐标变换是AUTOCAD对简单、复杂的三维模型设计的基础，对其进行深入剖析是熟练掌握AUTOCAD设计的关键。

3.3 AUTOCAD三维设计的技巧

AUTOCAD作为一个成熟的软件，在实际工作设计上有其独特的应用技巧。

首先，对于复杂的三维模型设计，分析好形体特征之后，设计必须有先后的建模顺序，并选择合理的造型设计方法。第一步创建好基本特征，并根据基本特征与实际需要进行辅助特征的创建，完成再加以附加特征的修缮，即由大而小、由外而里、由粗而精的设计思路；其次，在熟悉掌握UCS变换的前提下对于较为复杂的实体模型必须对布尔运算进行多次测试，并坚持先加后减的原则。这在AUTOCAD的设计上可以减少一些设计的失误以及提高工作效率；再之，进行分图层设计。对于产品设计较为复杂的模型，必须对产品模型进行结构分析，并分好图层。将相关图层进行冻结处理可以提高AUTOCAD图像生成效率，这对于复杂形体的设计也是一个好的方式，可以提供给用户较好的设计环境和设计界面；最后，对于相对规范的二维图形，AUTOCAD可以通过其在基本视图中的位置进行分类分批处理，甚至可以通过图形文件的输出实现二维图形生成三维实体。

4　三维设计实例

以机械工程和自动化设计中较为常见的三通模型为例，浅析AUTOCAD三维建模的思路和方法。

4.1 形体分析

三通模型是主要的多直径管道连接器，也是最为常见的机械零件模型之一。通过不同直径管道的分支，三通模型可以实现不同接口管道的互相连接，是一种典型的腔体类零件。因此可以将模型按照实际实体分为接头，通孔以及分支接头三部分进行绘制，并如上所述按照“由大而小、由外而里、由粗而精”的设计原则首先创建较大的、主要的结构，再进行小的、次要的结构的修缮，并对外部结构进行首要设计完毕后再设计内部结构，由下而上完成组合基本体的设计。因此，三通模型可以首先绘制接头，再绘制通孔，最后再绘制分支接头。

4.2 创建模型

首先，绘制接头可以在AUTOCAD的三维空间内旋转三维视图中的东南等轴测方向进行绘图，并调用基本体—圆柱体，通过阵列和差集等主要命令实现接头的绘制；其次，在通孔的绘制上可以调用圆柱体并采用并集命令实现上述接头与通孔的合二为一；再之，绘制分支接头模块，可以通过UCS的转换实现坐标系绕Y轴进行角度转换，绘制完毕圆柱体后再将其原点平移至圆柱体的圆心，最后调用拉伸命令和面域命令绘制各个分支接头，实现并集差集运算；最后设计可以通过3D导航观察实体，运用CUBE命令可以实现对所设计的三维模型进行直观的观察，修改不符合要求的部分。

5　结束语

AUTOCAD是当前主流的三维建模设计软件之一，其提供了与二维绘图设计较为合理的继承接口和设计理念，在机械和自动化零配件的设计上受到广泛应用。本文浅析了三维设计的理论基础，并在此之上对三维设计的形体设计、UCS变换进行进一步的浅析，同时结合实际工作经验对AUTOCAD的软件操作技巧进行简单的介绍。最后根据实际工作设计模型以实例探讨了基于AUTOCAD三维建模的实际应用，为相关的三维建模和AUTOCAD软件设计提供一种思路和参考。

参考文献：

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[4]梁云峰,丁璞.基于AutoCAD软件的组合体三视图绘制方法研究[J].重庆文理学院学报(自然科学版),2008(01).

[5]张大庆,绳晓玲.基于AutoCAD的输电铁塔三维系统开发[J].仪器仪表与分析监测,2008(01).

作者简介：高铎文（1964-），女，山东长清人,讲师，机械制造及自动化。