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第13卷第1期茂名学院学报Vol.13No.1 2003年2月JOURNAL OF MAOM ING COLLEGE Feb.2003文章编号:1671-6590(2003)01-0056-05三维实体造型张小勤,雷鸿源,肖方虹,陶筱梅XXX(茂名学院机电工程学院,广东茂名525000)摘要:三维实体造型,是计算机辅助设计在机械设计领域的重要应用。
该文介绍如何利用AutoCA D2000进行三维实体造型,并且讲述了怎样从简单建模到复杂建模。
拉伸和旋转是两种最基本的造型方法,再利用布尔运算,以及实体的编辑,就能创建出复杂的零件。
最后,以一个实体模型的建模过程作为实例。
关键词:实体造型;拉伸;旋转中图分类号:T P391.72文献标识码:A利用计算机进行机械领域的辅助设计,对于早期的普通用户来说,主要是二维绘图。
这跟在图板上手工绘图是相似的,只不过面对电脑屏幕而已。
随着计算机性能的提高,辅助设计的能力也是日新月异。
如今,可以先用建模技术,建立零件的立体,再直接生成二维零件图。
利用这种方式,既高效,又准确。
具有这功能的软件有很多,其中Autodesk公司的产品AutoCAD普及面广,且功能也比较齐全。
在这里,以Au-toCAD2000中文版来讲解三维实体的造型。
1坐标系因为建立的实体模型是空间三维的,所以采用的坐标也是三维坐标,主要是直角坐标系(也叫笛卡儿坐标),即X、Y、Z三个坐标轴相互垂直,并且符合右手定则。
跟太阳系中以太阳作为参照中心一样,Auto-CAD2000也以一个缺省的位置作为坐标中心,并且规定方向,这样就形成了世界坐标系(WCS),世界坐标系是唯一的112。
在AuotCAD中绘图,一般是在XOY平面,如图1要在立体的斜面上画一个圆,而当前绘图平面是在底面,这就需要先将坐标系转换到斜面,或者说在斜面建立一个新的坐标系。
这个新坐标系是相对世界坐标系的,称为用户坐标系(UCS)。
用户坐标系的建立方法有多种,其中较常用的是三点式,即第一点为新坐标系的原点,第二点为X轴正方向的点,第三点为在新XOY平面上规定Y轴正向的点。
《三维实体造型》课程标准课程代码：010321课程性质：专业课学分：4.0计划学时：64适用专业：机械制造与自动化1．前言1.1课程定位《三维实体造型》课程是机械制造与自动化专业一门重要的专业课。
在专业人才培养方案中有着重要的地位和作用。
本课程主要讲授三维绘图基础知识、观察三维模型的方法、创建三维实体、编辑三维对象、复杂实体造型、三维图形的标注、复杂三维造型绘制综合实例、工程图的生成等，使学生具有使用三维软件进行实体造型的能力，培养学生综合职业能力，满足学生职业生涯发展的需要。
通过本课程的学习，使学生具备利用三维软件进行零件建模、装配和生成工程图的能力，并为后续课程奠定基础。
它的前修课程是《机械制图》、《计算机基础》，它的后续课程有《CAM软件应用》等专业课。
1.2设计思路通过专业走访、岗位调研、毕业生质量跟踪调查、岗位分析等大量调研工作，制定出本课程标准的总体思路：将“示范与讲解”、“实践与理论”、“技能与知识”、“单元与综合”、“训练与考核”有机地融于一体；紧紧围绕完成工作任务的需要来选择课程内容；打破传统的以“了解”、“掌握”为特征设定的学科型课程目标，从“任务与职业能力”分析出发，设定课程目标；变书本知识的传授为动手能力的培养，采用项目训练的模式，按“看”、“练”、“思”、“考”的顺序，结合职业资格证书考证，培养学生的综合能力。
本课程标准以机械制造与自动化专业学生就业为导向，根据行业专家对机械制造与自动化专业所涵盖岗位群进行任务和职业能力分析，以本专业的核心课程所涉及知识为核心，以本专业学生必须具备岗位职业能力为依据，遵循学生由简单到复杂、由单一到综合的认知规律，紧密结合“三维建模师”国家职业资格考试的要求，确定本课程的工作任务模块、课程内容和教学要求。
该标准将本课程的教学活动分解设计成若干任务，以任务为载体组织教学，通过具体零件的设计造型，引出相关专业理论知识，使学生在完成各个项目训练的过程中逐渐展开对专业知识、技能的理解和应用，培养学生综合职业能力，满足学生职业生涯发展的需要。
三维实体造型在制图教学中的应用《工程制图》是工程类学生必须掌握的一门实践性较强的专业基础课，主要任务是培养学生具有一定的识读和绘制工程图样的能力与一定的空间想象能力。
大量的空间立体分析是本课程不同于其他课程的一个显著特点。
传统的教学模式是从二维到三维再到二维，由于学生的空间想象能力较差，学习起来比较吃力。
教学实践表明，借助于CAD软件的三维实体造型功能，通过对工程形体的实体模型演示，把工程形体的抽象、静止的内容转换成形象、生动的立体模型图，采用先三维、后二维、再三维的模式进行教学，既可培养学生的思维能力，也可提高教学质量，收到良好的教学效果。
CAD三维实体建模概述目前的三维实体造型软件很多。
常用的软件有UG，Pro/Engineer，SolidWorks，CAXA，AUTOCAD等，该类软件一般都具有二维和三维绘图功能，能完成三维实体造型并能从实体造型生成三视图和剖面图，可以绘制显示真实的色彩、材质、表面特征、光影及背景特征的高质量效果图。
在教学中使用三维实体造型软件，可以把工程形体制作成效果逼真、生动形象的实体模型，在具体演示中实体可以实现任意方向的旋转、任意截面的剖切，可以很清晰地观察物体的各部分结构。
AUTOCAD在工程制图中应用比较广泛，学生比较熟悉。
AUTOCAD实体造型在制图教学中的应用截交线、相贯线截交线是由平面截切立体所产生的表面交线，相贯线是两立体结交所产生的表面交线，是工程制图教学中学生较难掌握的一个章节。
在传统工程制图教学中，求截交线、相贯线等内容，都是用立体表面取点、辅助面等方法来解决此类问题，这样讲解起来学生很难理解空间之间的相互关系。
引入三维实体造型，在AUTOCAD中，让学生自己观察，通过截切命令后产生的截切形体的截交线的形状（如图1所示）以及两个物体相交产生的相贯线的形状（如图2所示），总结截交线、相贯线的投影规律，增强感性认识，可以为求截交线、相贯线的三视图打下良好的基础。
三维实体建模三维实体建模的方法主要有以下几种方式如：三维线架建模、叠加法建模、混合建模法等。
在三维实体建模中，具体运用何种建模法，应根据模型的具体情况而定。
●三维线架法建模：三维线架建模法是指在空间各坐标平面内绘制相应的平面图，由这些平面图图形搭建起空间的三维线架图。
然后，用生成三维实体的命令，创建三维实体模型。
●叠加建模法：叠加法建模是指在创建的基本实体的基础上，通过加、减实体进行实体模型的创建。
●混合法建模：混合法是综合以上的建模方法。
【实训任务1】运用“线架结构建模法”绘制如图1所示的支架三维实体模型。
图1 支架三维实体模型●应用线架结构建模方法创建三维模型的操作步骤：在前视平面上绘制草图（1）在前视平面中绘制平面图形。
单击【视图】工具栏上的【前视】工具按钮，将【前视平面】设置为当前的绘图面。
绘制如图1-1所示的图形，并将图形2、5生成【面域】。
在前视平面上，绘制6个独立的图形，其中：二个同心圆（3、4）：其中心高度为50，圆直径大小分别为“70”和“38”（将生成圆筒造型）；二个矩形（1、5）：下面的矩形其大小为：70 ×5（该矩形将生成支架底坐标底部的通槽）。
上面的矩形大小为：图1-2 在前视平面绘制平面图8 × 48（该矩形将生成上面的“开口通槽”）。
草图（2）：用于创建圆筒两端的支撑。
长度为70，高度为35，垂直高度为50，其圆弧半径比R35略小一点。
直线（6）：该直线用于定位直径分别为26和16的圆。
直线的长度为85，垂直高度为90。
在左视平面上绘制草图（2）在左视平面上绘制草图。
单击【视图】工具栏上的【左视】工具按钮，将【左视平面】设置为当前的绘图面。
绘制如图1-3所示的图形，并将各图其生成【面域】。
在左视平面上绘制4个独立的图形。
其中：底座草图（7）：如图中“红色”图形所示。
坚固座草图（8）：宽度为40，顶端圆弧半径为R20，圆弧中心高度为90。
两个同心圆（9、10）：用于创建紧固座图1-3 在左视平面上绘制草图两端的沉孔造型。
第6节参数化设计前面谈到的造型技术在具体应用于一个产品模型后，形成了固定的模型数据，当需要改变产品模型的某一数据时，只有删除该模型，再重新进行模型的造型设计。
这对于同类产品不同型号的产品设计造成了极大的不便。
因而在目前流行的CAD系统中又创造应用了参数化设计技术，可以对已有产品模型的数据进行修改，以形成新的产品模型，从而加快产品设计的速度。
在新产品的研制过程中，约70尬80%的成本耗费于设计阶段，因此，如何开发、研究先进的设计方法和工具以提高产品设计的效率是至关重要的。
设计是创造性的活动，需经多次循环而逐步求精。
无论是全新设计或是局部更新设计，设计师总是在设计要求等条件的限制下，自设计开始的概念设计阶段，便开始将其设计活动勾画在图纸之上。
从概念到具体的结构设计，设计师的几乎所有创作活动都蕴含于产品图纸(含电子图档)的演变与衍生之中。
虽然图形的生成与演变在设计活动中占有基础性的地位，但并非设计活动的基本特征和本质表现。
人工智能学研究认为：设计问题是约束满足问题(CSP: constraint satisfaction problem),即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得设计对象的细节。
由此而生的参数化设计就是：用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。
目前能处理的几何约束类型基本上是组成产品形体的几何实体公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系。
参数化设计的关键是：几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。
目前，二维参数化设计技术已发展得较为成熟，在参数化绘图方面已得到了广泛应用。
而三维参数化造型能处理的问题还比较简单，能处理的类型主要是轴线、平面和轴对称面；能处理的约束类型还很有限，如：(1) 两个或多个平面间的垂直距离;(2) 两个或多个轴线间的垂直距离;(3) 两个或多个平面间的角度;(4) 轴和平面间的垂直距离；(5) 两个或多个轴线间的角度；(6) 轴和平面间的角度;(7) 轴对称面的半径等。
济源职业技术学院教案首页第九章组合体的三维实体造型本章重点；三维实体编辑命令、本章难点；实体剖切、倒角，圆角命令本章要求；能熟练运用各种命令，做出符合要求的三维实体造型四、本章内容：§9－1 三维实体的编辑和布尔运算；实体模型具有线框模型和表面模型所没有的体的特征，其内部是实心的，所以用户可以对它进行各种编辑操作，如穿孔、切割、倒角和布尔运算，也可以分析其质量、体积、重心等物理特性。
而且实体模型也能为一些工程应用，如数控加工、有限元分析等提供数据。
创建实体模型的方法归纳起来主要有两种；一种是利用系统提供的基本实体创建对象来生成实体模型；另一种是由二维平面图形通过拉伸旋转等方式生成三维实体模型。
前者只能创建一些基本实体，如长方体、圆柱体、圆椎体、球体等；而后者则可以创建出许多形状复杂的三维实体模型，是三维实体建模中一个非常有效的手段。
对三维实体不仅可以进行复制、删除、移动等操作（其操做方法与二维图形的编辑类似，不再介绍）而且可以进行三维阵列、三维镜像、三维旋转、对齐等命令。
一、三维阵列；用于在三维空间中将实体进行矩形或环形阵列。
该命令可用于大量性通用构件模型的阵列复制，用户只需创建好一个实体，就可将该实体按一定的顺序在三维空间中排列，极大地减少工作量。
命令格式：◆命令行：3Darray(回车)◆菜单：[修改]→[三维操作]→[三维阵列]◆工具栏：单击[修改]工具栏上的[阵列]按钮步骤：1)输入命令：3Darray(回车)。
2)选择矩形阵列或环形阵列。
3)如果用户选择矩形阵列，系统提示输入阵列的行数、列数、层数以及行距、列距和层距：如果选择环形阵列，则系统提示阵列环形的中心点坐标、复制数目、阵列的环绕角度。
在创建环形阵列时，如果旋转角度输入为负值，则表示沿顾时针方向阵列；输入正值，则表示沿逆时针方向阵列。
4)选择实体对象．5)回车。
二、三维镜像命令格式：◆命令行：Mirror3D(回车)◆菜单栏：[修改]→[三维操作] →[三维镜像]◆工具栏：单击[修改]工具栏上的[镜像]按钮步骤：1)输入命令：Mirror3D(回车)。
2)选择对象，可选择多个对象，选择完后回车。
3)指定镜像轴线上第一点。
4)指定镜像轴线上第二点。
5)系统提示是否删除源对象，选择后回车。
三、三维旋转此命令可将实体按一定的轴进行旋转，以满足作图的需要。
命令格式，◆命令行：Rotate3D(回车)◆菜单栏：[修改]→[三维操作]→[三维旋转]◆工具栏，单击[修改]工具栏上的[旋转]按钮步骤：1)选择对象后回车。
2)指定基点。
3)指定旋转角度。
四、下述4条编辑命令仅对具有质量的三维实心体有效；1、实体斜面倒角在机械设计中常常对机械零件的边缘、棱缘进行倒角处理。
实体倒角包括斜面倒角和圆弧倒角，下面先进行实体的斜面倒角。
命令格式：◆命令行：Chamfer(回车)◆菜单：[修改]→[倒角]◆工具栏：单击[修改]工具栏中的[倒角]按扭步骤：1)输入命令：Chamfer(回车)，出现如下提示：当前倒角距离1＝5．0000，距离2＝5．0000(回车)。
2)选择一条线作为等角线，等角线是实体表面形状的边缘线，两个表面的交线即等角线。
3)基表面选择。
等角线所在的其中一个平面即为基表面。
4)回车，AutoCAD选择等角线所在的其中一个平面为基表面，回车即认可。
如果要选择另一个面为基表面，则要输入Next。
5)说明基表面倒角尺寸即输入斜面倒角的长度。
回车即接受默认值。
指定另一表面的倒角长度。
6)选择基表面上的边用于倒角，回车接受默认值表示选择基表面上的所有边，这些都将被按照同一尺寸进行倒角。
2、实体圆弧倒角命令格式：◆命令行：键入Fillet(回车)◆菜单栏：[修改]→[圆角]◆工具栏：单击[修改]工具栏中的[圆角]按扭步骤： 1)输入命令：Fillet(回车)。
2)当前模式，模式：修改，半径：5．0000(回车)。
3)选择第一个对象或{多段线(P)／半径(R)／修剪(T))。
4)输入圆角半径<5．0000>：回车键入倒角圆弧的半径；回车接受默认值。
5)选择边或[链(C)／半径(R)L选择要被倒角的边。
3、实体剖切通过定义截面，把一个实体对象切割成两半，并对切开的部分进行选择性保留，从而生成新的实体。
命令格式：◆命令行：Slice(回车)◆菜单栏：[绘图]→[实体]→[剖切]◆工具栏：单击[实体]工具栏上的[剖切]按钮步骤：1)输入命令；Slice (回车）。
2)用鼠标选择要剖切的实体对象。
3)重复选择要剖切的实体对象，不再选择时回车即可。
4)定义分割平面。
5)选择所要保留的那一半实体，点击那一半即可。
回车则说明两半都要。
对剖切平面选择的几点说明：对象：对象选项说明定义的分割平面是二维对象，即圆、椭圆、圆弧、样条线、多义线等。
所定义的二维对象在分割实体对象之前就已经存在。
Z轴：Z轴选项说明定义的分割平面是平行于XY平面且有一点在Z轴上的二维平面。
键入Z后，命令行显示为：选择位于XY平面内的一点；选择Z轴一点。
视图：视图选项说明定义的分割平面与当前视平面对齐。
输入V后，命令行显示：指定一点即可定义分割平面的位置。
XY平面／YZ平面／ZX平面XY平面／YZ平面／ZX平面选项说明定义的分割平面，平行于当前UCS中的XY／YZ ／ZX平面。
输入ZY后，命令行显示：指明一个点确定XY平面的位置。
3点：3点选面说明用3点来定义分割平面。
回车接受默认值，命令行显示：选定第1点：选定第2点：选定第3点：4、实体截面实体剖切与实体截面的区别是：实体剖切是提用分割平面将实体的对象分割成若干块，从面生成若干个新的实体；而实体截面是利用一个剖面将实体对象剖切开，然后看面域(或无名块)与实体对象相交截面的剖面视图。
命令格式：◆命令行：Section(回车)◆菜单栏：[绘图]→[实体]→[截面]◆工具栏：单击[实体]工具栏上的[切割]按钮步骤：1)输入命令：Section(回车)。
2)选择要被剖视的实体对象。
3)[对象／Z轴／视图／XY平面／YZ平面／ZX平面／3点]：定义剖视平面这些选项的含义与Slice命令中出现的选项含义相同。
操作完毕，即生成剖面视图，用Move命令移动生成的新对象，以便查看.二、布尔运算；逻辑布尔运算，是由英国著名的数学家George Boole发明的，定义的操作方式有：与，或、非、异或。
在CAD制图过程中，我们经常用到的就是与、或、非三项，即并、差、交。
布尔操作就是通过实体的部分进行重叠、连接、裁剪、编辑等手段来实现所期望的实体模型的操作。
1．实体结合实体结合是两个单独的实体连接而生成一个完整的独立实体。
生成的新实体是两个实体加上它们的公共部分组成的实体。
命令格式：◆命令行：Union(回车)◆菜单：[修改]一[实体编辑]一[并集] ·◆工具栏：单击[实体编辑]工具栏上的[并集]按钮步骤：1)输入命令：Union(回车)。
2)选择要结合的实体对象(图中的球体)。
3)再选择别一个实体对象(图中的长方体)。
4)若不再选择，回车即可。
操作结束，AutoCAD将以上两个实体连接成为一个新的实体.2.实体裁减实体裁减是从两个实体中裁去其中一个与其重叠相交的部分后生成的新实体。
命令格式：◆命令行：Sublract(回车)◆菜单栏：[修改]→[实体编辑]→[差集]◆工具栏：单击[实体编辑]工具栏上的[差集]按钮步骤；1)精入命令：Subtract(回车)。
2)选择实体和区域作为源对象从中裁减。
3)选择被裁减对象。
选择裁减对象是有顺序的，Subtract命令要求先选定要从中裁减的源对象，然后再选定要被裁掉的对象。
4)回车。
操作完毕，就生成了新实体。
3．实体重叠；实体重叠是两个实体在连接后产生交叉重叠部分的操作，生成的新实体是它们共同拥有的那部分实体。
命令格式：◆命令行：Intersect[(回车)◆菜单栏：[修改]→[实体编辑]→[交集]◆工具栏：单击[实体编辑]工具栏上的[交集]按钮步骤：1)输入命令：Intersect[(回车)。
2)选择实体对象．3)选择另一个要重叠的实体对象。
4)回车。
§9－2 组合体的三维实体造型；综合实例讲解；用轴支架的二维图形及尺寸，绘制三维图形。
一、绘图方法与步骤；1、设置绘图界限；594×420。
2、设置图层；细点画线层、截面层、实体层。
3、调出工具条：坐标系(Ues)、视点(View)、实体(Solids)、实体编辑(SolidsEdilting)工具条。
4、绘制图形二、绘制底板：设置实体层为当前层。
选择观察视点：西南等轴测(SWlsometric)。
第一步：绘制长方体。
单击图标→提示：指定长方体的起点→输入：0，0，0↓→提示：指定角点或[立方体(C)长度(L)]→输入：L↓→提示：指定长度→输入：200↓→提示：指定宽度输入：120↓→提示：指定高度→输入：25↓。
第二步：倒R30圆角。
单击图标→提示：选择第一个对象或[多段线(P)／半径(R)／修剪(T)]→选择需倒角的边→提示：输入圆角半径＜10.000＞→输入：30↓→，提示：选择边或[链(C)半径(R)]→↓。
第三步：在长方体的上表面绘制直径44的圆，并拉伸其高度为25的实体设置细点画线层为当前层．启用直线命令在长方体的上表面绘制细点画线。
设置截面层为当前层，启用圆命令绘制直径44的圆(过程略)。
设置实体层为当前层，拉伸直径44的圆周。
单击图标→提示：选择拉伸对象→选择两直径44的圆‘提示：指定拉伸高度→输入：－25↓→提示：指定倾斜角度＜0＞，→↓。
第四步：实体布尔运算一减运算。
单击图标一提示：选择被减对象、选择长方体，并按Enter健一提示：选择减去对象一选择两个直径44圆，按Enter键，如图(a)所示。
三、绘制立板第一步：新建UCS坐标系。
单击图标→提示：选择选项→输入：N↓→提示：指定原点或选择选项→：3／→提示：指定新原点→指定长方体的左上角点→在x轴正向上指定点→指定长方体的左下角点→提示：在Y轴正向上指定点→指定右上角点。
第二步：绘制立板截面图，并拉伸截面为实体。
设置截面层为当前层，启用多段线命令绘制立板的后表面(过程略)。
设置实体层为当前层．拉伸截面为厚60mm的实体(输入拉伸高度为-60) (过程第三步：减运算：从立板中减去内圆柱。
四、绘制肋板第一步：设置截面层为当前层。
启用多段线命令绘铡两个肋板的后截面(过程略)。
第二步：设置实体层为当前层。
启用拉伸命令拉伸截面为厚度30mm的实体(过程略).五、并运算单击图标→提示：选择并运算对象→选择底板、立板、两个肋板→按Enter键。
六、关闭用户坐标系UCS：单击图标→显示UCS对话框→单击“设置”选项卡→关闭UCS→单击“确定”按钮。
