AutoCAD 三维建模方法和技巧探讨

2011-12-08张圣敏陈红中

黄河水利职业技术学院学报 2011年2期

张圣敏，陈红中

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封 475004；2.华北水利水电学院水利职业学院，河南郑州 450000）

0 引言

随着计算机技术的飞速发展，三维实体造型开始广泛应用于产品或工程设计。目前，常用的三维建模软件主要有 AutoCAD、Pro／Engineer、UG、Solidwork、CAXA 等。在这些建模软件中，AutoCAD的三维建模功能相对较强，其他软件对形状复杂的形体难以构建，且不便修改，但对于具有AutoCAD二维绘图基础的教师或技术人员，简单易学，容易掌握，上手快。笔者辅导的学生连续两届参加全国大学生先进制图与创新大赛中的水利类比赛，建模采用AutoCAD，均取得了团体第一名的好成绩；连续四届参加全国水利高职院校水利工程CAD 技能大赛，都取得了很好成绩；连续两届参加河南省大学生先进制图与创新大赛，获得了建筑类团体第一名。通过多次大赛发现，不同的建模软件没有优劣好坏之分，关键是学生对软件应用的熟练程度和对软件建模方法与技巧的掌握。

1 三维建模方法

三维模型包括线框模型、表面模型和实体模型。其中实体模型包括线、面、体的全部信息，是3种模型中最高级的一种。它不仅具有质量、体积等物理属性，更接近于真实物体，而且实体之间通过并、交、差等布尔运算，可以建立更加复杂的实体模型，并能进行消隐、着色和渲染。此外，实体模型还可以生成二维平面视图、剖视图和断面图，并且通过AutoCAD 输出的实体模型数据可以提供给后续的数控加工和有限元分析[1]。

1.1 创建三维实体模型步骤

创建三维实体模型时，首先应当对模型的结构进行分析。无论模型的结构多么复杂，都是由若干个简单实体构成的。因此，复杂模型的建立过程，就是不断创建简单实体，并将其组合的过程。当然，建立复杂模型的方案可能有好几种，应选择一种较方便、合理的方案进行建模。其次，将基本体，二维图形拉伸、旋转变幻成各个简单实体。最后，将各个简单实体之间进行并、差、交等布尔运算和各种编辑操作，就获得更加复杂的实体[2]。

1.2 视图转换绘制三维图形

用户坐标总是以当前坐标系的xy 平面作为构造平面的（在默认情况下，构造平面与用户建立的UCS 坐标系的xy 平面重合，所有的图形都是绘制在构造平面上）[3]，很多辅助功能，如图形界限、对象捕捉、正交、栅格等也只是在当前坐标系的xy 平面内才有效。有的绘图人喜欢采用坐标转换的方式来绘制三维实体，该方法比较繁琐，并且在旋转坐标时，不易理解。这使许多人采用AutoCAD 绘制三维图形时，感到困难。实际上，绘制三维图形时，完全可以不旋转坐标，只要调出view tool bar，切换视口，就能够很容易地解决坐标转换问题。

根据形体的特征，选择合适的视图，绘制二维图形，然后运用构建三维图形的方法来完成实体的创建。这需要绘图者具备比较强的读图能力，对视图的概念等有比较深的理解。只有这样，才能做到在绘制图形时，很自如地通过转换视图，来绘制图形。根据已知视图完成模型创建，如图1 所示。

图1 形体三视图Fig. 1 Shape 3-D view

其具体操作步骤是：（1）切换为主视图，执行西南等轴测显示，应用矩形命令完成矩形绘制（长40 mm，宽20 mm），然后再利用拉伸命令(拉伸长度是31 mm)，构建成长方体。（2）在长方体前后表面分别应用圆弧命令绘制半径17 mm 与12 mm 的圆弧，利用直线命令封闭圆弧，并创建为两个面域，仍然执行拉伸命令（拉伸距离分别是13 mm 与10 mm），形成图2 所示的图形。（3）在图2 立体中，在前面半圆柱的后表面绘制直径为11 mm 的圆，并拉伸成圆柱体，如图3 所示。（4）切换为俯视图，执行西南等轴测显示，绘制半径为10 mm 的圆弧，用直线封闭，形成面域，并拉伸成实体。这样，实体就创建完成，但是需要的实体还需要执行一些运算，如，先执行并集命令，将长方体与上部的半圆柱并起来，形成一个整体，再执行差集命令，被减数是合并后的长方体与上部的半圆柱。减掉的实体包含前后的小圆柱与半圆柱、上下方向的半圆柱3 个实体，如图4 所示。

图2 在长方体模型前后表面绘制圆弧Fig. 2 Drawing arcs of cuboid model front surface and back surface

图3 逐个完成形体模型创建Fig. 3 Finish establishing shape model one by one

图4 布尔运算前后模型Fig. 4 Models before and after Boolean Operation

在绘图中，绘图人员没有频繁改变坐标，只是应用了主视图与俯视图在西南等轴测的显示状态，就轻松完成了模型创建。实际上，用户一定要具备一定的图形分析能力，分析形体构成，选择便捷的构建模式。笔者大量采用了绘制平面图形，然后创建为面域，并应用拉伸命令完成一些基本实体的创建。特别是，最后实体都完成后，要形成与视图表达相对应的三维实体，还需要再执行布尔运算中的并集与差集命令[4]。

2 布尔运算技巧

在三维建模过程中，经常要使用到布尔运算中的并集与差集命令。布尔运算中有些技巧是非常实用的[5]。

2.1 并集运算中重叠部分的处理技巧

在上面例子中，采用绘制圆弧封闭直径形成面域创建半圆柱，可以直接绘制圆，拉伸为圆柱，如图5 和图6 所示。执行并集后，两种方法形成的实体没有任何差别，查询体积也相同，如图7 所示。由此可知，遇到类似情况，完全可以采用绘制完整圆柱的方法，避免绘制圆弧、封闭直径、形成面域、拉伸为半圆柱等比较多的绘图步骤，减少操作步骤，简化绘图过程，从而提高绘图速度。在执行并集命令的操作中，一个特别重要的事实就是，重叠实体部分不会重复计算体积[6]，所以用户可以放心利用此种方法。

图5 绘制圆与圆弧比较Fig. 5 Comparison of drawing circle and arc

图6 观念状态显示形体效果Fig. 6 Shape effect of concept status

图7 布尔运算后形体显示效果Fig. 7 Effect after Boolean Operation

2.2 差集运算中超出部分的处理技巧

在差集运算中，超出要从中减去实体部分，执行差集后，会自动扣除。如在图8 所示的长方体前上部挖除一个半圆柱，可以采用应用圆弧命令绘制圆弧，用直线封闭直径形成面域，拉伸半圆柱，最后执行差集命令，扣除半圆柱，完成在长方体上挖柱槽的形体构成。根据实践，也可以不用这么多步骤，直接绘制圆柱，执行差集命令。本来挖去的是下半圆柱，很显然上半圆柱超出了长方体部分，但是执行差集命令后，用户会惊奇地看到，超出的部分会自动扣除。也就是说，用两种不同方法形成的实体，执行差集后，形成了完全相同的结果，如图9 所示。这个发现非常实用，应用这个理论，可以特别便捷地完成类似形体构成，大量应用到三维建模绘图中[7]。

同理，应用上面提到的方法，直接在长方体前表面中点位置为圆心，完成前后方向小圆柱与上下位置大圆柱的绘制，如图10 所示。然后执行并集命令，将长方体与后上部的圆柱并合并起来，形成一个整体，再执行差集命令。被减的实体是合并后的长方体与后上部的圆柱，减掉的实体包含前后方向的小圆柱与大圆柱，上下方向的圆柱3 个实体，执行差集后，形成与如图4 所示的结果。