AutoCAD第十一章、三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第十章、三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)除了可以使用AutoCAD繪制二維圖形外，還可以使用AutoCAD進(jìn)行零件或產(chǎn)品造型的三維設(shè)計(jì)。事實(shí)上，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，三維圖形的應(yīng)用越來越廣泛。本章介紹三維設(shè)計(jì)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(shí)體模型。線框模型：實(shí)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(jìn)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(gè)平面多邊形組成。可以進(jìn)行消隱和渲染等操作。實(shí)體模型：具有線和面的特征，并具有面所包圍的空間，可以進(jìn)行消隱、著色和渲染等操作。二、三維坐標(biāo)三維笛卡爾坐標(biāo)：與輸入二維坐標(biāo)（X，Y）相似，但除了指定X值，Y值外，還要指定Z值柱坐標(biāo)：例（5〈30，6）表示距當(dāng)前UCS的原點(diǎn)5個(gè)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(gè)單位的點(diǎn)。球坐標(biāo)：例（8〈30〈30）表示一個(gè)點(diǎn)，它與當(dāng)前UCS原點(diǎn)的距離為8個(gè)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(biāo)系在三維繪圖中，坐標(biāo)的空間概念很重要，用戶可以根據(jù)需要定制自己的坐標(biāo)系，即UCS坐標(biāo)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U(xiǎn)CS，回車。單擊工具欄上的“UCS”按鈕。單擊“工具/新建UCS”命令，彈出級(jí)聯(lián)菜單。提示中各選項(xiàng)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(diǎn)：通過移動(dòng)原坐標(biāo)系的原點(diǎn)到新的位置來創(chuàng)建新UCS；Z軸：在不改變坐標(biāo)系X和Y軸方向的前提下，通過確定新坐標(biāo)系原點(diǎn)和Z軸正方向上的任一點(diǎn)創(chuàng)建新UCS；3點(diǎn)：通過定義3個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建新UCS對(duì)象：根據(jù)用戶選擇的對(duì)象創(chuàng)建新UCS面：根據(jù)三維實(shí)體上的平面創(chuàng)建UCS。視圖：新建UCS的XY平面與當(dāng)前視圖面平行，原點(diǎn)為原UCS的原點(diǎn)；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(dòng)：通過改變當(dāng)前UCS原點(diǎn)的位置或原點(diǎn)的Z軸來重新定義UCS，新UCS的X、Y坐標(biāo)軸的方向不變。（3）正交：從六個(gè)事先定義好的坐標(biāo)系中選擇一個(gè)作為用戶坐標(biāo)系。（4）上一個(gè)：返回到上一個(gè)坐標(biāo)系。（5）恢復(fù)：恢復(fù)命名保存的UCS，使其成為當(dāng)前UCS。（6）保存：保存當(dāng)前用戶坐標(biāo)系。（7）刪除：刪除某個(gè)用戶坐標(biāo)系。（8）？：列出各命名保存的UCS相對(duì)于當(dāng)前UCS的名稱、坐標(biāo)原點(diǎn)及坐標(biāo)軸的方向矢量。（9）世界：將當(dāng)前坐標(biāo)系設(shè)置為世界坐標(biāo)系。管理UCS：單擊“工具/命名UCS”命令，彈出“UCS”對(duì)話框有三個(gè)選項(xiàng)卡。（1）命名UCS：用來顯示當(dāng)前使用和已命名的UCS，或把某一UCS設(shè)置為當(dāng)前坐標(biāo)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(biāo)的顯示形式和應(yīng)用范圍。四、設(shè)置三維視圖設(shè)置視點(diǎn)單擊“視圖/三維視圖/視點(diǎn)預(yù)置”命令，彈出“視點(diǎn)預(yù)置”對(duì)話框。該對(duì)話框中“絕對(duì)WCS”和“相對(duì)WCS”兩個(gè)單選項(xiàng)分別用來確定是“絕對(duì)坐標(biāo)系”還是“相對(duì)坐標(biāo)系”中設(shè)置視點(diǎn)。左邊的圖用來確定原點(diǎn)與視點(diǎn)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(diǎn)的位置。設(shè)置平面視圖：平面視圖是指當(dāng)用戶視線與Z軸平行時(shí)，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(dāng)前UCS、命名保存的UCS、或WCS坐標(biāo)系下的平面視圖。五、三維動(dòng)態(tài)觀察器很多方法可以觀察三維實(shí)體模型，其中三維動(dòng)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(dòng)態(tài)觀察器”命令；或工具欄上的“三維動(dòng)態(tài)觀察器”按鈕。三維觀察器為一個(gè)弧球，用大圓表示，圓的各象限點(diǎn)處有一個(gè)小圓。光標(biāo)位于弧球不同位置，表示觀察器的不同功能。（1）光標(biāo)位于弧球之內(nèi)：用戶可以旋轉(zhuǎn)目標(biāo)。（2）光標(biāo)位于弧球之外：按下并拖動(dòng)鼠標(biāo)繞弧球移動(dòng)，視圖為繞過弧球中心與計(jì)算機(jī)垂直的軸旋轉(zhuǎn)。（3）光標(biāo)位于弧球的左邊和右邊小圓上：按下并水平拖動(dòng)鼠標(biāo)，視圖為繞過弧球中心的垂直軸旋轉(zhuǎn)。（4）光標(biāo)位于弧球的上邊或下邊的小圓上：按下并垂直拖動(dòng)鼠標(biāo)，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(duì)象三維對(duì)象的繪制包括三維點(diǎn)、線、面，其中三維點(diǎn)和三維線與二維對(duì)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(jìn)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(jì)是機(jī)械零件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，與實(shí)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(duì)象”對(duì)話框；在“三維對(duì)象”對(duì)話框上選擇需要繪制的三維曲面對(duì)象，單擊“確定”按鈕。也可以直接在“曲面”工具欄上單擊相應(yīng)的工具按鈕。根據(jù)命令行的提示完成相應(yīng)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(duì)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(duì)象；選擇“繪圖/曲面/旋轉(zhuǎn)曲面”命令；選擇旋轉(zhuǎn)對(duì)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(duì)象）沿一定方向平移，從而生成平移曲面。繪制作為平移對(duì)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(duì)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(gè)封閉的區(qū)間內(nèi)生成曲面。繪制一個(gè)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(duì)象，回車。七、創(chuàng)建基本的三維實(shí)體三維實(shí)體設(shè)計(jì)是機(jī)械零件造型設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，三維實(shí)體與三維曲面模型有著質(zhì)的不同，三維實(shí)體具有質(zhì)量特性。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，實(shí)體模型才是真正意義上的三維造型，對(duì)于實(shí)體模型可以進(jìn)行剖切、干涉、著色、貼圖、渲染等各種高級(jí)操作。長方體可以通過指定長方體的角點(diǎn)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(dāng)然也可以在命令行中輸入“C”創(chuàng)建立方體?；救S實(shí)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(shí)體。八、由二維圖形創(chuàng)建實(shí)體對(duì)于一些復(fù)雜的三維實(shí)體，可以先繪制二維圖形，然后對(duì)這些二維圖形進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作，從而創(chuàng)建出三維實(shí)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(shí)體，作為拉伸對(duì)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(gè)面域，從而成為有效的拉伸對(duì)象。拉伸二維圖形的步驟：新建一個(gè)圖形文件，繪制一個(gè)二維圖形；將此二維圖形轉(zhuǎn)化為面域；點(diǎn)擊“實(shí)體”工具欄上的“拉伸”命令按鈕；選擇被拉伸的對(duì)象，指定拉伸高度，回車（此時(shí)圖形沿Z軸方向拉伸）；或者選擇被拉伸對(duì)象后，在命令行中輸入“P”，回車后選擇拉伸路徑，回車（此時(shí)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(fù)值，但絕對(duì)值不能大于90度；沿某個(gè)方向拉伸二維圖形時(shí)，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(duì)象共面。旋轉(zhuǎn)二維圖形：可以將二維對(duì)象繞指定的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而生成等旋轉(zhuǎn)截面的三維實(shí)體新建一個(gè)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(shí)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(shí)體的布爾運(yùn)算三維實(shí)體的布爾運(yùn)算主要包括并（UNION）、交（INTERSECT）、差（SUBTRACT）運(yùn)算，對(duì)基本的三維實(shí)體進(jìn)行并集、交集和差集布爾運(yùn)算，可以創(chuàng)建出復(fù)雜的三維實(shí)體。并集運(yùn)算：選擇菜單“修改/實(shí)體編輯/并集”，可以通過組合多個(gè)實(shí)體來生成一個(gè)新實(shí)體。執(zhí)行并集運(yùn)算的步驟很簡單，在選擇并集命令后依次選擇欲合并的實(shí)體對(duì)象回車即可。交集運(yùn)算：可以求出各實(shí)體的相交部分（公共部分），以此作為新創(chuàng)建的實(shí)體。差集運(yùn)算：從一個(gè)實(shí)體中減去部分實(shí)體，從而獲得一個(gè)新實(shí)體。并集、交集、差集運(yùn)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(duì)齊操作。三維陣列：矩形陣列：采用矩形陣列的方式復(fù)制對(duì)象時(shí)，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(dāng)前UCS的X、Y、Z軸方向。輸入的間距可以是正值也可以是負(fù)值，當(dāng)輸入的是正值，表示沿著相應(yīng)坐標(biāo)軸的正方向進(jìn)行陣列。環(huán)形陣列：采用環(huán)形陣列的方式復(fù)制對(duì)象時(shí)，需要定義陣列的項(xiàng)目個(gè)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(duì)象相對(duì)于某一平面來創(chuàng)建其鏡像實(shí)體。三維旋轉(zhuǎn)：可以對(duì)選定的對(duì)象進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，可以圍繞任意軸、視圖、對(duì)象和兩點(diǎn)進(jìn)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(shí)地反映出物體的模樣?？梢詫?duì)其進(jìn)行消隱、著色和渲染處理。消隱命令使位于三維實(shí)體視點(diǎn)后的部分被隱藏起來。著色命令的功能比消隱命令更強(qiáng)，不僅可以給物體著色，還可以實(shí)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(xiàng)的含義和功能如下：（1）二維線框：用于表示實(shí)體邊界的直線和曲線顯示對(duì)象。（2）三維線框：用于實(shí)體在三維線框模式下顯示對(duì)象。（3）消隱：以三維線框模式顯示對(duì)象，并消支隱藏線。（4）平面著色：使對(duì)象實(shí)現(xiàn)平面著色，只對(duì)各多邊形的面著色，不對(duì)面邊界做光滑處理。（5）體著色：使對(duì)象實(shí)現(xiàn)體著色，不僅對(duì)各多邊形的面著色，還要對(duì)邊界做光滑處理，使對(duì)象看上去更光滑、更真實(shí)。（6）帶邊框的面著色：平面著色的同時(shí)顯示三維線框。（7）帶邊框體著色：體著色的同時(shí)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(shí)感和材質(zhì)感，通過對(duì)材質(zhì)、燈光和場景等的設(shè)置，可以獲得照片級(jí)的真實(shí)感圖像。單擊菜單“視圖/渲染/渲染”命令，彈出渲染對(duì)話框。對(duì)話框中主要選項(xiàng)的含義和功能：（1）渲染類型：包括一般渲染、照片級(jí)真實(shí)感渲染和照片級(jí)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(dòng)對(duì)當(dāng)前場景的對(duì)象進(jìn)行有選擇的渲染；修剪窗口：是否以窗選方式選取一個(gè)區(qū)域進(jìn)行渲染；跳過渲染對(duì)話框：是否出現(xiàn)渲染對(duì)話框（3）光源圖標(biāo)比例：控制圖形中光照面積的大小。（4）平滑角度：渲染時(shí)相鄰兩個(gè)面的夾角大于或等于這個(gè)角度值時(shí)，才將兩個(gè)面之間的棱角顯示出來，小于此角時(shí)，做平滑處理。（5）目標(biāo)視口：渲染到當(dāng)前視口，渲染的數(shù)據(jù)和圖像只是暫時(shí)保留在當(dāng)前視口；渲染窗口：系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開一個(gè)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(dú)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(gè)重要方面是光線的應(yīng)用，光線主要由顏色和強(qiáng)度兩個(gè)方面決定。單擊“視圖/渲染/光源”彈出“光源”對(duì)話框，該對(duì)話框中各選項(xiàng)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(diǎn)光源、平行光和聚光燈三種光源，分別介紹如下：點(diǎn)光源：點(diǎn)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(diǎn)光源”，單擊“新建”按鈕，彈出“新建點(diǎn)光源”對(duì)話框：光源名：在該文本框中輸入新建點(diǎn)光源的名稱；強(qiáng)度：設(shè)置光源的強(qiáng)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(gè)方向發(fā)射平行光，其光源位于無限遠(yuǎn)的地方。聚光燈：從一點(diǎn)按錐形向一個(gè)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(duì)該項(xiàng)光源進(jìn)行編輯。（6）北方位置：確定光的北方位置。（7）環(huán)境光強(qiáng)度：設(shè)置環(huán)境光的強(qiáng)度。（8）環(huán)境光顏色：設(shè)置環(huán)境光的顏色。材質(zhì)：渲染對(duì)象時(shí)，可以使用材質(zhì)來增強(qiáng)實(shí)體模型的真實(shí)感