AutoCAD第十一章、三維設(shè)計基礎(chǔ)

第十章、三維設(shè)計基礎(chǔ)除了可以使用AutoCAD繪制二維圖形外，還可以使用AutoCAD進行零件或產(chǎn)品造型的三維設(shè)計。事實上，在機械設(shè)計領(lǐng)域，三維圖形的應用越來越廣泛。本章介紹三維設(shè)計的基本概念和方法。一、三維制圖的基本概念在AutoCAD中提供了3種處理三維建模的方式：線框模型、曲面模型和實體模型。線框模型：實際就是一種輪廓模型，它由三維的直線和曲線構(gòu)成，沒有面和體的特征信息，不能進行消隱、著色和渲染等操作。曲面模型：它不僅具有邊界，還具有表面，其表面由多個平面多邊形組成?？梢赃M行消隱和渲染等操作。實體模型：具有線和面的特征，并具有面所包圍的空間，可以進行消隱、著色和渲染等操作。二、三維坐標三維笛卡爾坐標：與輸入二維坐標（X，Y）相似，但除了指定X值，Y值外，還要指定Z值柱坐標：例（5〈30，6）表示距當前UCS的原點5個單位、在XY平面上的投影與X軸正方向的夾角為30度、沿Z軸方向有6個單位的點。球坐標：例（8〈30〈30）表示一個點，它與當前UCS原點的距離為8個單位、在XY平面的投影與X軸的夾角為30度，與XY平面的夾角為30度。三、創(chuàng)建和管理用戶坐標系在三維繪圖中，坐標的空間概念很重要，用戶可以根據(jù)需要定制自己的坐標系，即UCS坐標系，可以方便繪制出三維面、體。新建UCS有三種方法：在命令行中輸入UCS，回車。單擊工具欄上的“UCS”按鈕。單擊“工具/新建UCS”命令，彈出級聯(lián)菜單。提示中各選項的含義和功能：（1）新建：創(chuàng)建新的UCS。要命令行中輸入“N”，回車，提示要求用戶確定UCS的創(chuàng)建方法。指定新UCS的原點：通過移動原坐標系的原點到新的位置來創(chuàng)建新UCS；Z軸：在不改變坐標系X和Y軸方向的前提下，通過確定新坐標系原點和Z軸正方向上的任一點創(chuàng)建新UCS；3點：通過定義3個點創(chuàng)建新UCS對象：根據(jù)用戶選擇的對象創(chuàng)建新UCS面：根據(jù)三維實體上的平面創(chuàng)建UCS。視圖：新建UCS的XY平面與當前視圖面平行，原點為原UCS的原點；X/Y/Z：將原UCS繞X/Y/Z軸旋轉(zhuǎn)指定的角度，得到新UCS。（2）移動：通過改變當前UCS原點的位置或原點的Z軸來重新定義UCS，新UCS的X、Y坐標軸的方向不變。（3）正交：從六個事先定義好的坐標系中選擇一個作為用戶坐標系。（4）上一個：返回到上一個坐標系。（5）恢復：恢復命名保存的UCS，使其成為當前UCS。（6）保存：保存當前用戶坐標系。（7）刪除：刪除某個用戶坐標系。（8）？：列出各命名保存的UCS相對于當前UCS的名稱、坐標原點及坐標軸的方向矢量。（9）世界：將當前坐標系設(shè)置為世界坐標系。管理UCS：單擊“工具/命名UCS”命令，彈出“UCS”對話框有三個選項卡。（1）命名UCS：用來顯示當前使用和已命名的UCS，或把某一UCS設(shè)置為當前坐標系。（2）正交UCS：將UCS設(shè)置為某一正交形式。（3）設(shè)置：設(shè)置UCS圖標的顯示形式和應用范圍。四、設(shè)置三維視圖設(shè)置視點單擊“視圖/三維視圖/視點預置”命令，彈出“視點預置”對話框。該對話框中“絕對WCS”和“相對WCS”兩個單選項分別用來確定是“絕對坐標系”還是“相對坐標系”中設(shè)置視點。左邊的圖用來確定原點與視點之間的連線在XY平面上的投影與X軸正向的夾角，右面的圖用于確定該連線與投影之間的夾角。也可以在下面直接輸入數(shù)據(jù)來確定視點的位置。設(shè)置平面視圖：平面視圖是指當用戶視線與Z軸平行時，所看到的XY平面上的視圖，是觀察視圖很常用的一種方法。在命令行中輸入Plan，可以選擇當前UCS、命名保存的UCS、或WCS坐標系下的平面視圖。五、三維動態(tài)觀察器很多方法可以觀察三維實體模型，其中三維動態(tài)觀察器是一種比較好的方法。調(diào)用方式：單擊“視圖/三維動態(tài)觀察器”命令；或工具欄上的“三維動態(tài)觀察器”按鈕。三維觀察器為一個弧球，用大圓表示，圓的各象限點處有一個小圓。光標位于弧球不同位置，表示觀察器的不同功能。（1）光標位于弧球之內(nèi)：用戶可以旋轉(zhuǎn)目標。（2）光標位于弧球之外：按下并拖動鼠標繞弧球移動，視圖為繞過弧球中心與計算機垂直的軸旋轉(zhuǎn)。（3）光標位于弧球的左邊和右邊小圓上：按下并水平拖動鼠標，視圖為繞過弧球中心的垂直軸旋轉(zhuǎn)。（4）光標位于弧球的上邊或下邊的小圓上：按下并垂直拖動鼠標，視圖為繞過弧球中心的水平軸旋轉(zhuǎn)。六、創(chuàng)建基本的三維對象三維對象的繪制包括三維點、線、面，其中三維點和三維線與二維對象畫法相同，只是需要注意空間位置。創(chuàng)建三維多段線三維多段線只有直線段而沒有圓弧。執(zhí)行菜單“繪圖/三維多段線”可以進行三維多段線的繪制操作。創(chuàng)建三維曲面曲面模型設(shè)計是機械零件設(shè)計的一個重要組成部分，與實體模型相比，它是空心的，沒有質(zhì)量。繪制曲面的工具欄如圖所示：基本三維曲面的繪制：包括長方體表面、楔形表面、棱錐表面現(xiàn)象、圓錐面、球面、圓環(huán)面等。選擇菜單“繪圖/曲面/三維曲面”命令，打開“三維對象”對話框；在“三維對象”對話框上選擇需要繪制的三維曲面對象，單擊“確定”按鈕。也可以直接在“曲面”工具欄上單擊相應的工具按鈕。根據(jù)命令行的提示完成相應曲面的繪制。此處不一一詳述。創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)曲面：將指定的對象繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)設(shè)定的角度，從而生成旋轉(zhuǎn)曲面。繪制一條直線作為旋轉(zhuǎn)軸，并繪制一條旋轉(zhuǎn)母線作為旋轉(zhuǎn)對象；選擇“繪圖/曲面/旋轉(zhuǎn)曲面”命令；選擇旋轉(zhuǎn)對象，選擇旋轉(zhuǎn)軸，設(shè)置旋轉(zhuǎn)起、始角度，回車?？梢酝ㄟ^設(shè)置surftab1和surftab2的值來調(diào)整曲面的圓滑度。創(chuàng)建平移曲面：可以將指定的曲線（平移對象）沿一定方向平移，從而生成平移曲面。繪制作為平移對象的樣條曲線和一條作為方向矢量的直線；選擇菜單“繪圖/曲面/平移曲面”命令；選擇平移對象，選擇作為方向矢量的直線，回車。創(chuàng)建直紋曲面：可以在選定的兩條曲線之間采用直線連接的方式生成直紋曲面：繪制定義曲面邊界的兩條曲線；選擇“繪圖/曲面/直紋曲面”命令；選擇定義曲面邊界的兩條曲線，回車。創(chuàng)建邊界曲面：可以在一個封閉的區(qū)間內(nèi)生成曲面。繪制一個封閉區(qū)間；選擇“繪圖/曲面/邊界曲面”命令；選擇圍成封閉區(qū)間的對象，回車。七、創(chuàng)建基本的三維實體三維實體設(shè)計是機械零件造型設(shè)計的一個重要組成部分，三維實體與三維曲面模型有著質(zhì)的不同，三維實體具有質(zhì)量特性。在機械設(shè)計中，實體模型才是真正意義上的三維造型，對于實體模型可以進行剖切、干涉、著色、貼圖、渲染等各種高級操作。長方體可以通過指定長方體的角點創(chuàng)建長方體；也可以通過指定長方體的中心創(chuàng)建長方體；或者輸入長方體的長、寬、高；當然也可以在命令行中輸入“C”創(chuàng)建立方體?；救S實體還包括球體、圓柱體、圓錐體、楔體、圓環(huán)體等，用戶可以根據(jù)命令行的提示輕松建立這些實體。八、由二維圖形創(chuàng)建實體對于一些復雜的三維實體，可以先繪制二維圖形，然后對這些二維圖形進行拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作，從而創(chuàng)建出三維實體。拉伸二維圖形：可以將指定的二維圖形沿Z軸或某條方向軌跡拉伸成實體，作為拉伸對象的二維圖形可以是封閉的二維多段線、圓、圓弧、封閉的樣條曲線或面域，如果二維圖形由多種圖元組成，先將這些圖元生成一個面域，從而成為有效的拉伸對象。拉伸二維圖形的步驟：新建一個圖形文件，繪制一個二維圖形；將此二維圖形轉(zhuǎn)化為面域；點擊“實體”工具欄上的“拉伸”命令按鈕；選擇被拉伸的對象，指定拉伸高度，回車（此時圖形沿Z軸方向拉伸）；或者選擇被拉伸對象后，在命令行中輸入“P”，回車后選擇拉伸路徑，回車（此時圖形沿路徑拉伸）。說明：拉伸過程中可以設(shè)置拉伸的傾斜角，可以是正值或負值，但絕對值不能大于90度；沿某個方向拉伸二維圖形時，需注意：拉伸的方向軌跡可以是開放的，也可以是閉合的，但不能與被拉伸的對象共面。旋轉(zhuǎn)二維圖形：可以將二維對象繞指定的軸進行旋轉(zhuǎn)，從而生成等旋轉(zhuǎn)截面的三維實體新建一個圖形文件，繪制在旋轉(zhuǎn)的二維圖形；將此二維圖形轉(zhuǎn)化為面域；單擊“實體”工具欄上的“旋轉(zhuǎn)”工具按鈕；選擇要旋轉(zhuǎn)的二維圖形，選擇旋轉(zhuǎn)軸，回車。九、三維實體的布爾運算三維實體的布爾運算主要包括并（UNION）、交（INTERSECT）、差（SUBTRACT）運算，對基本的三維實體進行并集、交集和差集布爾運算，可以創(chuàng)建出復雜的三維實體。并集運算：選擇菜單“修改/實體編輯/并集”，可以通過組合多個實體來生成一個新實體。執(zhí)行并集運算的步驟很簡單，在選擇并集命令后依次選擇欲合并的實體對象回車即可。交集運算：可以求出各實體的相交部分（公共部分），以此作為新創(chuàng)建的實體。差集運算：從一個實體中減去部分實體，從而獲得一個新實體。并集、交集、差集運算示例十、三維操作三維操作主要包括三維陣列、三維鏡像、三維旋轉(zhuǎn)和對齊操作。三維陣列：矩形陣列：采用矩形陣列的方式復制對象時，需在定義行數(shù)、列數(shù)和層數(shù)以及行距、列距和層距，矩形陣列的行、列、層分別沿著當前UCS的X、Y、Z軸方向。輸入的間距可以是正值也可以是負值，當輸入的是正值，表示沿著相應坐標軸的正方向進行陣列。環(huán)形陣列：采用環(huán)形陣列的方式復制對象時，需要定義陣列的項目個數(shù)、環(huán)形陣列的填充角度、陣列的中心等。三維鏡像：在三維空間，可以將選定的對象相對于某一平面來創(chuàng)建其鏡像實體。三維旋轉(zhuǎn)：可以對選定的對象進行旋轉(zhuǎn)操作，可以圍繞任意軸、視圖、對象和兩點進行旋轉(zhuǎn)。十一、著色在屏幕上繪制好的物體模型是以線框形式顯示的，并不能完全真實地反映出物體的模樣?？梢詫ζ溥M行消隱、著色和渲染處理。消隱命令使位于三維實體視點后的部分被隱藏起來。著色命令的功能比消隱命令更強，不僅可以給物體著色，還可以實現(xiàn)模型消隱，而且還可以給其表面著色。著色中所包含的各選項的含義和功能如下：（1）二維線框：用于表示實體邊界的直線和曲線顯示對象。（2）三維線框：用于實體在三維線框模式下顯示對象。（3）消隱：以三維線框模式顯示對象，并消支隱藏線。（4）平面著色：使對象實現(xiàn)平面著色，只對各多邊形的面著色，不對面邊界做光滑處理。（5）體著色：使對象實現(xiàn)體著色，不僅對各多邊形的面著色，還要對邊界做光滑處理，使對象看上去更光滑、更真實。（6）帶邊框的面著色：平面著色的同時顯示三維線框。（7）帶邊框體著色：體著色的同時顯示本維線框架。十二、渲染同著色效果相比，渲染操作所獲得的圖形效果更具真實感和材質(zhì)感，通過對材質(zhì)、燈光和場景等的設(shè)置，可以獲得照片級的真實感圖像。單擊菜單“視圖/渲染/渲染”命令，彈出渲染對話框。對話框中主要選項的含義和功能：（1）渲染類型：包括一般渲染、照片級真實感渲染和照片級光線跟蹤渲染三種。（2）渲染過程：可以選擇渲染范圍。查詢選擇集：是否自動對當前場景的對象進行有選擇的渲染；修剪窗口：是否以窗選方式選取一個區(qū)域進行渲染；跳過渲染對話框：是否出現(xiàn)渲染對話框（3）光源圖標比例：控制圖形中光照面積的大小。（4）平滑角度：渲染時相鄰兩個面的夾角大于或等于這個角度值時，才將兩個面之間的棱角顯示出來，小于此角時，做平滑處理。（5）目標視口：渲染到當前視口，渲染的數(shù)據(jù)和圖像只是暫時保留在當前視口；渲染窗口：系統(tǒng)會自動打開一個渲染窗口，并將渲染后的生成的圖像置于該渲染窗口中，可以單獨編輯或保存；文件：可以將渲染圖像直接輸出到文件中。（6）子例樣設(shè)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：確定渲染背景，有純色、漸變色和圖像三種。光源：渲染的一個重要方面是光線的應用，光線主要由顏色和強度兩個方面決定。單擊“視圖/渲染/光源”彈出“光源”對話框，該對話框中各選項的含義和功能如下：（1）光源列表框中顯示已創(chuàng)建的光源名稱；（2）通過“新建”按鈕，用戶可以創(chuàng)建點光源、平行光和聚光燈三種光源，分別介紹如下：點光源：點光源是從光源處向外發(fā)射放射性光的光源。從位于“新建”按鈕右側(cè)的下拉列表框中選擇“點光源”，單擊“新建”按鈕，彈出“新建點光源”對話框：光源名：在該文本框中輸入新建點光源的名稱；強度：設(shè)置光源的強度；位置：修改和查看光源的位置；顏色：設(shè)置光源的顏色；衰減：設(shè)置光源的衰減程度；陰影：確定是否打開陰影功能。平行光：模擬太陽光，它向某一個方向發(fā)射平行光，其光源位于無限遠的地方。聚光燈：從一點按錐形向一個方向發(fā)射的光源。（3）修改：修改選定的光源。（4）刪除：刪除選定的光源。（5）選擇：單擊該按鈕，將回到繪圖窗口，在圖中選擇所需的光源后即可對該項光源進行編輯。（6）北方位置：確定光的北方位置。（7）環(huán)境光強度：設(shè)置環(huán)境光的強度。（8）環(huán)境光顏色：設(shè)置環(huán)境光的顏色。材質(zhì)：渲染對象時，可以使用材質(zhì)來增強實體模型的真實感