CAD经典教程第12章三维绘图.docx
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CAD经典教程第12章三维绘图
CAD经典教程第12章三维实体建模
内容提要虽然在实际工程中大多数设计是通过二维投影图来表达设计思想并组织施工或加工的,但有很多场合,需要建立三维模型来直观表达设计效果,进行干涉检查或构造动画模型等。
AutoCAD2008提供了强大的三维建模工具以及相关的编辑工具。
本章将围绕基础的三维绘制命令展开讲解,重点介绍三维坐标的变换、三维模型的建模方法以及三维模型的观察、三维实体的渲染等内容。
通过本章学习，应达到如下基本要求。
①熟练掌握三维坐标的变换过程，并能运用到实体模型的创建过程中。
②掌握实体模型的各种观察方法，做到能随时在立体和平面图形之间进行切换。
③熟练运用三维图形的消隐和渲染功能，创建更加逼真的实体效果。
12.1三维坐标系
在三维空间中，图形对象上每一点的位置均是用三维坐标表示的。
所谓三维坐标就是平时所说的XYZ空间。
在AutoCAD中，三维坐标系分为世界坐标系和用户坐标系。
12.1.1世界坐标系
世界坐标系的平面图标如图12-1所示，其X轴正向向右，Y轴正向向上，Z轴正向由屏幕指向操作者，坐标原点位于屏幕左下角。
当用户从三维空间观察世界坐标系时，其图标如图12-2所示。
图12-1平面世界坐标系图12-2三维世界坐标系
在三维的世界坐标系中，其表示方法包括直角坐标、圆柱坐标以及球坐标等三种形式。
绝对坐标值的输入形式是：
r<θ<Φ，其中，r表示输入点与坐标系原点的距离，θ表示输入点和坐标系原点的连线在XY平面上的投影与X轴的夹角，Φ表示输入点和坐标系原点的连线与XY平面形成的夹角。
相对坐标值的输入形式是：
@r<θ<Φ，例如：
“100<60<30”表示输入点与坐标系原点的距离为100个单位，输入点和坐标系原点的连线在XY平面上的投影与X轴的夹角为60°，该连线与XY平面的夹角为30°。
12.1.2用户坐标系
在AutoCAD中绘制二维图形时，绝大多数命令仅在XY平面内或在与XY面平行的平面内有效。
另外在三维模型中，其截面的绘制也是采用二维绘图命令，这样当用户需要在某斜面上进行绘图时，该操作就不能直接进行。
由于世界坐标系的XY平面与模型斜面存在一定夹角，因此不能直接进行绘制。
此时用户必须先将模型的斜面定义为坐标系的XY平面，通过用户定义的坐标系就称为用户坐标系。
建立用户坐标系，主要有两种用途：
一是可以灵活定位XY面，用二维绘图命令绘制立体截面；另一个是便于将模型尺寸转化为坐标值。
例如：
如图12-3所示，当前坐标系为世界坐标系，用户需要在斜面上绘制一个新的圆锥体，由于世界坐标系的XY平面与模型斜面存在一定夹角，因此不能直接绘制，必须通过坐标变换，使世界坐标系的XY平面与斜面共面，转变为用户坐标系，这样才能绘制出圆锥体，如图12-4所示。
图12-3当前坐标系为世界坐标系图12-4当前坐标系为用户坐标系
启用“用户坐标系”命令有三种方法。
★选择→【工具】→【新建UCS】子菜单下提供的绘制命令，如图12-5所示“UCS”子菜单
★在已经打开的工具栏上右击，选择【UCS】选项,弹出如图12-6所示“UCS”工具栏
★输入命令：
UCS
图12-5“UCS”子菜单图12-6“UCS”工具栏
12.2三维图形的类型
在AutoCAD中，三维图形有三种类型，分别为线框型、表面模型和实体模型。
12.2.1线框模型
线框模型是用线条来表示三维图形,如图12-7所示,用9条线段来表示一个楔形体,用一个圆和两条线表示圆锥体,用两个圆和两条线段来表示一个圆柱体。
线框模型结构简单，易于绘制。
但同时也存在一些不足，因为线框模型没有面和体的信息,所以线框模型不能着色和渲染。
图12-7线框模型
学习提示：
由于构成线框的每个对象必须单独绘制和定位，因此这种建模方式最耗时，而且不够形象直观，所以极少使用三维线框模型来表达三维模型。
12.2.2表面模型
表面模型是用物体的表面表示三维物体。
表面模型包含了线、面的信息，因而可以解决与图形有关的大多数问题。
表面模型适合于表示由复杂曲面构成的三维模型,如图12-8所示的曲面花饰和圆环体就是二个表面模型。
但是表面模型没有包含体的信息，因此表面模型不能进行布尔运算以及计算模型的体积、质量等。
通常，表面模型用于近似表示薄壳状三维模型。
图12-8表面模型
学习提示：
AutoCAD中的曲面模型是使用多边形网格来定义镶嵌面的，由于网格面是平面，因此网格只能近似于曲面。
12.2.3实体模型
实体模型是三维模型中最高级的1种，包含了线、面、体的全部信息。
利用实体模型可以计算实体模型的体积、质量、重心、惯性矩等，在AutoCAD2008中可以对实体模型设置颜色、材质并进行渲染，从而创建出一幅逼真的效果图。
绘制实体模型通常是先绘制简单的基本体，然后通过布尔运算、模型修改等操作形成组合体，如交、并、差等运算命令。
在AutoCAD2008中创建的实体模型如图12-9所示。
图12-9实体模型
12.3三维观察
通常三维模型建立完成后，用户希望从多个角度对其进行观察，此时就需要用户对模型的观察方向进行定义。
在AutoCAD2008中用户可以采用系统提供的观察方向对模型进行观察，也可以自定义观察方向。
另外，在AutoCAD2008中用户还可以进行多视口观察。
12.3.1标准视点观察
AutoCAD2008提供了10个标准视点，可供用户选择来观察模型，其中包括6个正交投影视图、4个等轴测视图，分别为主视图、后视图、俯视图、仰视图、左视图、右视图以及西南等轴测视图、东南等轴测视图、东北等轴测视图、西北等轴测视图。
选择标准视点对模型进行观察，有两种方法。
★选择→【视图】→【三维视图】子菜单下提供的选项，如图12-10所示
★在已打开的工具栏上右击，单击选择“视图”选项,系统弹出【视图】工具栏，如图12-11所示。
图12-10三维视图子菜单图12-11视图工具栏
12.3.2动态观察器
利用“动态观察器”对三维模型进行观察，有三种方法。
★选择→【视图】→【动态观察器】菜单命令
★在已打开的工具栏上右击，单击选择“动态观察器”选项,系统弹出“动态观察器”工具栏，单击“动态观察”
按钮中的“自由动态观察”按钮
启用“动态观察器”命令后，系统将显示一个转盘，如图12-12所示。
按住鼠标左键不放并拖动鼠标，三维模型将随之旋转，当到达所需视角后，按【Enter】键或是【ESC】结束命令，也可以单击鼠标右键，从弹出的光标菜单中选择【退出】选项即可。
图12-12三维动态观察器
在拖动鼠标旋转模型时，鼠标指针指向转盘的不同部位，会显示为不同的形状，拖动鼠标也将会产生不同的显示效果。
当移动鼠标到大圆之外时，指针显示为
，拖动鼠标视图将绕通过转盘中心并垂直于屏幕的轴旋转。
当移动鼠标到大圆之内时，指针显示为
，可以在水平、铅垂、对角方向拖动鼠标旋转视图。
当移动鼠标到左边或右边小圆之上时，指针显示为
，拖动鼠标视图将绕通过转盘中心的竖直轴旋转。
当移动鼠标到上边或下边小圆之上时，指针显示为
，拖动鼠标视图将绕通过转盘中心的水平轴旋转。
12.4创建基本三维实体模型
AutoCAD中提供了一些绘制常用的简单三维实体的命令，由这些简单三维实体可以编辑成各种实体模型。
三维实体具有质量特性，形体内部是实心的，可以通过布尔运算进行打孔、挖槽和合并等操作来创建复杂的三维模型，而表面模型无法进行这些操作。
多段体、长方体、楔形体、圆锥体、球体、圆柱体、圆环体、棱锥体、螺旋以及平面曲面，是最基本的三维模型，这些基本的三维模型通常是创建复杂三维模型的基础，一般在实体绘制实体过程中，为了提高效率，首先在已经打开的工具栏上鼠标右击，选择“建模”选项，调出绘制“建模”的工具栏，如图12-13所示，绘图时建议用户使用“建模”工具栏。
图12-13“实体”工具栏
12.4.1绘制多段体
多段体可以看作是带矩形轮廓的多段线，只不过直接绘制出来就是实体，在建筑立体图中用多段体来创建墙体非常方便。
启动“绘制多段体”的命令有如下三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【多段体】命令。
★单击“建模”工具栏或“三维制作”面板中的
按钮。
★在命令行中执行POLYSOLID命令。
【例】绘制如图12-14所示多段体图形
图12-14多段体图例
12.4.2绘制长方体
长方体是最基本的实体模型之一，作为最基本的三维模型，其应用非常广泛。
绘制长方体的命令有如下三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【长方体】菜单命令
★单击【建模】工具栏中的“长方体”按钮
★输人命令：
BOX
学习提示：
绘制长方体比较简单，绘制长方体的默认方法是直接通过长方体两个角点及指定Z轴上的点进行供绘制，如图12-15所示。
如果没有已有的定位点，这种方式不能精确绘图，因此常通过指定长、宽、高的值进行绘制。
图12-15绘制长方体图例
12.4.3绘制楔形体
启用“楔形体”命令有三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【楔形体】菜单命令
★单击【建模】工具栏中的“楔形体”按钮
★输入命令：
WEDGE
学习提示：
楔形体实际相当于是将长方体从两个对角线处剖切来的实体，由于在机械建模中，经常需要创建的肋板等都是楔形体形状。
绘制的高度是指从第一个角点（起点）开始向上的高度。
如图12-16所示的形式。
图12-16楔形体图例
12.4.4绘制圆锥体
启用“圆锥体”命令有三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【圆锥体】菜单命令
★单击【建模】工具栏或“三维制作”面板中的“圆锥体”按钮
★输入命令：
CONE
【例】分别绘制一个直经为80、高为80的圆锥体，绘制一个以长轴为80、短轴为40的椭圆底面，高为80的圆锥体，如图12-17所示。
a）圆锥体b）底面为椭圆
图12-17圆锥体图例
12.4.5绘制球体
启用“球体”命令有三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【球体】菜单命令
★单击【建模】工具栏或“三维制作”面板中的“球体”按钮
★输入命令：
SPHERE
【例】绘制一个直径为120的球体，如图12-18所示。
a）b）
图12-18球体图例
a）概念视觉显示b）二维线框
12.4.6圆柱体
启用“圆柱体”命令有三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【圆柱体】菜单命令
★单击【建模】工具栏或“三维制作”面板中的“圆柱体”按钮
★输入命令：
CYLINDER
【例】绘制直经为200、高度为100的圆柱，如图12-19所示。
a）b）c）
图12-19绘制圆柱体图例
a）底圆b）绘制圆柱c）二维线框显示
12.4.7圆环体
启用“圆环体”命令有三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【圆环体】菜单命令
★单击【建模】工具栏或“三维制作”面板中的“圆环体”按钮
★输入命令：
TORUS
【例】绘制一个半经为100、圆管半经为20的圆环体，如图12-20所示。
a）b）
图12-20圆环体图例
a）圆环体b）二维线框显示
12.4.8绘制棱锥体
棱锥体与圆锥体不同之处在于圆锥体是回转面，而棱锥体除底面外，其他部分由平面组成。
棱锥体命令可以创建3～32个侧面的棱锥体。
启用“棱锥体”命令有三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【棱锥面】命令。
★单击【建模】工具栏或“三维制作”面板中的“棱锥面”按钮
★在命令行中执行PYRAMID（PYR）命令。
【例】绘制如图12-21所示，棱锥底面内接圆半径为200，高为150的六棱锥。
图12-21棱锥图例
12.4.9绘制螺旋
启用“螺旋”命令有三种方法。
★选择→【绘图】→【螺旋】菜单命令。
★单击“建模”工具栏或“三维制作”面板中的
按钮。
★在命令行中执行HELIX命令。
学习提示：
在AutoCAD中，螺旋实际上是一个特殊对象，也可以说它是二维对象，这里归于三维实体模型，是由于其被放置在“建模”工具栏中，而且它同时位于不同的平面中，但直接用螺旋命令绘制出来的对象还不属于实体。
【例】分别绘制底圆半径为100，顶圆半径为100；底圆半径为100，顶圆半径为50，高度为200的螺旋，如图12-22所示。
图12-22螺旋图例
12.5二维图形转换成三维立体模型
三维建模不仅可以通过图素建立，也可以通过对二维图形的拉伸或旋转来产生。
尤其在已有二维平面图形、已知曲面立体轮廓线的情况下，或立体包含圆角以及用其他普通剖面很难制作的细部图形时，通过拉伸和旋转操作产生三维建模非常方便。
12.5.1创建面域
面域是用闭合的形状创建的二维区域，该闭合的形状可以由多段线、直线、圆弧、圆、椭圆弧、椭圆或样条曲线等对象构成。
面域的外观与平面图形外观相同，但面域是一个单独对象，具有面积、周长、形心等几何特征。
面域之间可以进行并、差、交等布尔运算，因此常常采用面域来创建边界较为复杂的图形。
利用面域的拉伸或旋转实现平面到三维立体模型的转换。
在AutoCAD2008中用户不能直接绘制面域，而是需要利用现有的封闭对象，或者由多个对象组成的封闭区域和系统提供的“面域”命令来创建面域。
启用“面域”命令有三种方法。
★选择→【绘图】→【面域】菜单命令
★单击【绘图】工具栏中的“面域”按钮
★输入命令：
REG（REGION）
利用上述任意一种方法启用“面域”命令，选择一个或多个封闭对象，或者组成封闭区域的多个对象，然后按【Enter】键，即可创建面域，效果如图12-23所示。
a）b）
图12-23创建面域图例
a）创建面域前b）已创建的面域
教学提示：
缺省情况下，AutoCAD在创建面域时将删除原对象，如果用户希望保留原对象，则需要将DELOBJ系统变量设置为0。
12.5.2通过拉伸二维图形绘制三维实体
通过拉伸将二维图形绘制成三维实体时，该二维图形必须是一个封闭的二维对象或由封闭曲线构成的面域，并且拉伸的路径必须是一条多段线。
若拉伸的路径是由多条曲线连接而成的曲线时，则必须选择“编辑多段线”工具
将其转化为一条多段线，该工具按钮位于“修改Ⅱ”工具栏中。
可作为拉伸对象的二维图形有：
圆、椭圆、用正多边形命令绘制的正多边形、用矩形命令绘制的矩形、封闭的样条曲线、封闭的多义线等。
而利用直线、圆弧等命令绘制的一般闭合图形则不能直接进行拉伸，此时用户需要将其定义为面域。
启用“拉伸”命令来创建三维实体有三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【拉伸】菜单命令
★单击“建模”工具栏或“三维制作”面板中的“拉伸”按钮
★输入命令：
EXTRUDE
【例】如图12-24所示，通过拉伸平面图形,使之变成三维模型图例。
图12-24拉伸图例
a）二维图形b）实体模型c）拉伸圆环和拉伸路经d）拉伸实体e）渲染处理后的效果
注意事项：
不能拉伸具有相交或自交段的多段线。
多段线应包含至少3顶点，但不能多于500个顶点。
如果选定的多段线具有宽度，将忽略其宽度并且从多段线路经的中心线处拉伸；如果选定对象具有厚度，将忽略该厚度。
如果是多个对象组成的封闭区域，则拉伸时将生成一组曲面。
12.5.3通过按住并拖动创建实体
启用“按住并拖动”命令来创建三维实体有二种方法。
★单击“建模”工具栏或“三维制作”面板中的“按住并拖动”按钮
★输入命令：
PRESSPULL
使用“按住并拖动”命令，可以通过拾取封闭区域，然后单击并拖动鼠标来创建实体。
该命令与拉伸类似，但又有所不同。
（1）执行拉伸操作时，如果封闭区域由多个对象组成，拉伸时将生成一组曲面，而按住并拖动命令仍将生成实体，如图12-25所示。
图12-25执行“按住并拖动”与“拉伸”命令由多个对象组成区域效果对比
（2）执行拉伸操作时必须选中对象，而按住并拖动执行命令时，只需将光标移至封闭区域（无论它是由一个还是多个对象组成），系统会自动分析边界。
（3）执行拉伸操作时，原对象被删除，执行按住并拖动命令时，原对象被保留。
（4）执行拉伸操作时，只能创建新实体。
执行按住并拖动命令时，如果生成的实体与另一个实体相交，则系统会自动执行布尔差集运算，即从已有实体中减去新生成的实体。
（5）拉伸只能对封闭的二维图形进行拉伸，而按住并拖动还可以对所形成的立体表面进行拉伸操作，如图12-26所示，这是以前AutoCAD版本所没有的功能。
图12-26用按住并拖动命令拉伸立体侧面
12.5.4通过旋转二维图形绘制三维实体
可以旋转闭合多段线、多边形、圆、椭圆、闭合样条曲线、圆环和面域成为三维立体模型。
可以将一个闭合对象绕当前UCSX轴或Y轴旋转一定的角度生成实体。
也可以绕直线、多段线或两个指定的点旋转对象。
启用“旋转”命令来创建三维实体有三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【旋转】菜单命令
★单击实体工具栏或“三维制作”面板中的“旋转”按钮
★输入命令：
REVOLVE
【例】将图12-27a所示的二维图形分别绕轴旋转360度，形成如图12-27b所示的实体。
a）b）
图12-27旋转二维图形绘制实体
a）二维图形b）绕轴旋转360度
12.5.5通过扫掠创建实体
通过扫掠的方法可以将闭合的二维对象沿指定的路径创建出三维实体，用这种方法创建弹簧等需要同时在不同平面间转换的实体非常方便。
启用“扫掠”命令来创建三维实体有三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【扫掠】菜单命令
★单击实体工具栏或“三维制作”面板中的“扫掠”按钮
★输入命令：
SWEEP
【例】将图12-28左图所示，圆对螺旋进行扫掠，形成弹簧体。
图12-28扫掠图例
学习提示：
如果将开放的二维对象沿一条路径进行扫掠，则将生成表面模型。
12.5.6通过放样创建实体
通过放样的方法可以将一系列闭合的横截面用来创建出新的实体，用这种方法创建极不规则的形体时比较方便，如山体等。
启用“放样”命令来创建三维实体有三种方法。
★选择→【绘图】→【建模】→【放样】菜单命令
★单击实体工具栏或“三维制作”面板中的“放样”按钮
★输入命令：
LOFT
【例】将图12-29a所示图形通过“放样”变成实体模型。
a）b）c）d）
图12-29放样绘制实体图例
a）放样前图形b）二维线框c）平滑放样d）直纹放样
学习提示：
放样的横截面可以是开放的（如曲线、直线、圆弧），也可以是闭合的（如正方形、圆等），如果对一组开放的横截面曲线进行放样，则生成表面模型。
由于放样是在横截面之间的空间内创建实体，因此必须至少指定两个横截面才能进行。
12.6三维实体的编辑
对三维实体可以进行旋转、镜像、阵列、倒角、对齐、倒圆角、并、差、交、剖切、干涉、压印、分割、抽壳、清除等编辑操作，同时可以对实体的边和面进行编辑。
在已打开的工具上鼠标右击,在弹出的光标菜单中选取“实体编辑”选项,弹出如图12-30所示的工具栏,在进行实体编辑时使用此工具栏非常方便。
图12-30“实体编辑”工具栏
12.6.1用布尔运算创建复杂实体模型
通过布尔运算可以进行多个简单三维实体求并、求差及求交等操作，从而创建出形状复杂的三维实体，许多挖孔、开槽都是通过布尔运算来完成的，这是创建三维实体使用频率非常高的一种手段。
（1）并集通过并集绘制组合体，首先需要创建基本实体，然后再通过基本实体的并集产生新的组合体。
启用“并集”命令有三种方法。
★选择→【修改】→【实体编辑】→【并集】菜单命令
★单击【实体编辑】工具栏中的并集按钮
★输入命令：
UNION
【例】将图12-31a所示的两个实体组合成一个实体。
a）b）
图12-31并集运算效果
a）合并前实体b）合并后的实体
（2）差集和并集相类似，也可以通过差集创建组合面域或实体。
通常用来绘制带有槽、孔等结构的组合体。
启用“差集”命令有三种方法。
★选择→【修改】→【实体编辑】→【差集】菜单命令
★单击实体编辑工具栏中的“差集”按钮
★输入命令：
SUBTRACT
【例】将图12-32a所示的球体当中去掉圆柱体。
a）b）
图12-32差集运算效果
a）合并前实体b）合并后的实体
（3）交集和并集和交集一样，可以通过交集来产生多个面域或实体相交的部分。
启用“交集”命令有三种方法。
★选择→【修改】→【实体编辑】→【交集】菜单命令
★单击实体编辑工具栏中的“交集”按钮
★输入命令：
INTERSECT
【例】绘制图12-33所示的球体和圆柱体的相交的部分。
a）b）
图12-33交集运算效果
a）合并前实体b）合并后的实体
12.6.2剖切实体
剖切实体是可以用平面剖切一组实体，从而将该组实体分成两部分或去掉其中的一部分。
启用“剖切”命令有三种方法。
★选择→【修改】→【三维操作】→【剖切】菜单命令
★单击“三维制作”面板上“剖切”按钮
★输入命令：
SLICE
【例】将图12-34a所示的实体剖切成两部分。
a）b）c）
图12-34剖切实体图例
a）剖切前b）剖切后两侧保留c）剖后保留后半部
经验之谈：
执行剖切命令的过程中，系统默认指定平面上两点的方式进行，通过两点的剖切平面将垂直于当前UCS坐标系，如果想要剖切斜面，一定要用三点法剖切，这是与CAD2006不同的地方。
12.6.3干涉检查
干涉检查是用来检查二个或者多个三维实体的公共部分的复合实体。
启用“干涉检查”命令有三种方法。
★选择→【修改】→【三维操作】→【干涉检查】菜单命令
★单击“三维制作”面板上“干涉”按钮
★输入命令：
INTERFERE
【例】检查12-35所示，圆柱和圆体的公用部分。
a）b）
图12-35干涉实体图例
a）原实体b）干涉检查显示
12.6.4三维阵列
利用“三维阵列”命令可阵列三维实体。
在操作过程中，用户需要输入阵列的列数、行数以及层数。
其中，列数、行数、层数分别是指实体在X、Y、Z方向的数目。
别外，根据实体的阵列特点，可分为矩形阵列与环形阵列。
启用“三维阵列”命令有二种方法。
★选择→【修改】→【三维操作】→【三维阵列】菜单命令
★输入命令：
3DARRAY
启用“三维阵列”命令后，命令行提示如下：
教学提示：
在矩形阵列中，行、列、层分别沿当前UCS的X、Y、Z轴方向阵列。
当命令行提示输入沿某方向的间距值时，可以输入正值，也可以输入负值。
输入正值，将沿相应坐标轴的正方向阵列；否则，沿负方向阵列。
【例】将图12-36所示的小圆櫈以桌子中轴线为轴进行6个环形阵列。
a）b）
图12-36环形阵列图例
a）阵列前b）阵列后
【例】将图12-37所示的10×10×10小方框进行5×5矩形阵列，其中，行、列、层间距
a）b）
图12-37矩形阵列图例
a）阵列前b）阵列后
12.6.5三维镜像
三维镜像命令通常用于绘制具有对称结构的三维实体。
启用三维镜像命令有二种方法。
★选择→【修改】→【三维操作】→【三维镜像】菜单命令
★输入命令：
MIRROR3D
【例】将图12-38a所示的两个小圆球进行三维镜像。
a）b）
图12-38三维镜像图例
a）镜像前b）镜像后
12.6.6三维旋转
通过“三维旋转”命令可以灵活定义
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