第5讲 三维建模基础

线框模型
• 线框模型是一种轮廓模型，它是对三维对象的轮廓描述， 仅由3D空间的直线及曲线组成，不包含面及体的信息。 • 由于模型不包含表面，因此用户可以“看穿”模型，且不 能使该模型消隐或着色。 • 又由于它不含有立体数据，所以用户也不能得到对象的质 量、重心、体积和惯矩等物理特性。 • 下图显示了两个立体的线框模型，用户可以透过第一个模 型看到第二个模型。
用户坐标系及动态用户坐标系
• 为了使用户更方便地在3D空间中绘图，AutoCAD 允许用户创建自己的坐标系，即用户坐标系。 • 与固定的世界坐标系不同，用户坐标系可以移动 和旋转，可以设定三维空间的任意一点为坐标原 点，也可指定任何方向为x轴的正方向。 • 在用户坐标系中，坐标的输入方式与世界坐标系 相同，但坐标值不是相对于世界坐标系，而是相 对于当前坐标系。
快速建立平面视图
• PLAN命令可以生成坐标系的xy平面视图，即视点 位于坐标系的z轴上，该命令在三维建模过程中非 常有用。 • 例如，当用户想在3D空间的某个平面上绘图时， 可先以该平面为xy坐标面创建UCS坐标系，然后 使用PLAN命令使坐标系的xy平面视图显示在屏幕 上，这样，在三维空间的某一平面上绘图就如同 画一般的二维图一样。 • 练习
• 启动3DFORBIT命令，AutoCAD窗口中出现一个大圆和4 个均布的小圆，当光标移至圆的不同位置时，其形状将发 生变化，不同形状的光标表明了当前视图的旋转方向 。 • 球形光标。光标位于辅助圆内时，就变为上面这种形状。 此时，用户可假想一个球体把目标对象包裹起来，单击并 拖动鼠标，就使球体沿光标拖动的方向旋转，模型视图也 就随之旋转起来 • 圆形光标。移动光标到辅助圆外，光标就变为上面这种形 状。按住鼠标左键并将光标沿辅助圆拖动，就使3D视图 旋转，旋转轴垂直于屏幕并通过辅助圆心。 • 水平椭圆形光标。当把光标移动到左、右小圆的位置时， 其形状就变为水平椭圆。单击并拖动鼠标就使视图绕着一 铅垂轴线转动，此旋转轴线经过辅助圆心。 • 竖直椭圆形光标。将光标移动到上、下两个小圆的位置时， 光标就变为上面的这种形状。单击并拖动鼠标将使视图绕 着一水平轴线转动，此旋转轴线经过辅助圆心。
曲面模型
• AutoCAD用多边形网格来表示曲面，如左图所示，网格密 度由系统变量SURFU及SURFV控制。 • 各类曲面组合在一起就构成了曲面模型，此种模型具有面 及三维立体边界信息。曲面不透明，能遮挡光线，因此曲 面模型可以被渲染及消隐。 • 对于计算机辅助加工，用户还可以根据零件的曲面模型形 成完整的加工信息。 • 右图所示的是两个曲面模型的消隐效果，前面的立体遮住 了后面立体的一部分。
三维建模空间
• 创建三维模型时可切换至AutoCAD三维工作空间 • 选取菜单命令【工具】/【工作空间】/【三维建 模】，就切换至该空间。 • 当以“acad3D.dwt”或“acadiso3D.dwt”为样板创 建三维图形时，就直接进入此空间，而图形窗口 中将显示三维坐标系及与坐标系xy平面重合的表 示地面的栅格。 • 当前窗口中的视觉样式是“真实”，投影模式是 透视投影模式，默认情况下，三维建模空间包含 功能区及【工具选项板】。
用标准视点观察3D模型
• 任何三维模型都可以从任意 一个方向观察。【视图】面 板上的【视图控制】下拉列 表提供了10种标准视点。 • 用户通过这些视点就能获得 3D对象的10种视图，如前视 图、后视图、左视图和东南 等轴测图等。 • 标准视点是相对于某个基准 坐标系设定的，基准坐标系 不同，则所得视图不同。
三维坐标系
• AutoCAD的作图空间是无限制的，用户可以在里 面画非常大或非常小的图形。所有图形的图元都 需要使用坐标来定位。 • AutoCAD的坐标系统是三维笛卡儿直角坐标系。 默认状态下，AutoCAD的坐标系是世界坐标系 （WCS）。 • 对于二维绘图，大多数情况下，世界坐标系能满 足作图需要，但若是创建三维模型，用户常常需 要在不同平面或是沿某个方向建立新的用户坐标 系（UCS），以方便作图。
【SteeringWheels】工具
• 【SteeringWheels】将动态观察、平移及缩放等多个常用导航工 具结合到一个控制盘中，控制盘上的每个按钮代表一种导航工具。 • 鼠标光标悬停在控制盘中每个按钮上方时，都会在控制盘下方显 示该按钮的工具提示。可以通过单击并按住鼠标左键来激活其中 一种导航工具。按住鼠标左键后，在图形窗口上拖动，可以更改 当前视图。松开鼠标左键可返回至控制盘。 • 某个导航工具是否显示取决于当前控制盘模式，常用导航工具如 下。 • 缩放 • 激活【缩放】工具后，可以通过向上和向下拖动鼠标光标来调整 模型的比例。 • 平移 • 激活【平移】工具后，拖动鼠标时，模型将朝拖动的方向移动。 • 动态观察 • 激活【动态观察】工具后，拖动鼠标时，模型将绕轴心点旋转， 而视图保持固定。
管理UCS坐标系
• UCSMAN命令可以方便地管理及操作UCS。 例如，用户可利用该命令删除、重命名或 恢复已命名的UCS坐标系，此外，还能选 择AutoCAD预设的标准UCS坐标系及控制 UCS图标显示。 • 综合练习 创建新用户坐标系 保存坐标系 恢复坐标系
观察三维模型的方法
• 用户在绘制三维图形的过程中，常需要从不同方向观察图 形。当用户设定某个查看方向后，AutoCAD就显示出对应 的3D视图，具有立体感的3D视图将有助于正确理解模型 的空间结构。 • AutoCAD的默认视图是xy平面视图，这时观察点位于z轴 上，且观察方向与z轴重合，因而用户看不见物体的高度， 所见的视图是模型在xy平面内的视图。 • AutoCAD提供了多种创建3D视图的方法，如利用VIEW、 DDVPOINT、VPOINT和3DORBIT等命令就能沿不同方向 观察模型。 • 其中，VIEW、DDVPOINT和VPOINT命令可使用户在三 维空间中设定视点的位置，而3DORBIT命令则可使用户 利用单击并拖动鼠标的方法将3D模型旋转起来，该命令 使三维视图的操作及三维可视化变得十分容易。
三维动态旋转
• 3DFORBIT命令用于激活交互式的动态视图，用户通过单 击并拖动鼠标的方法来改变观察方向，从而能够非常方便 地获得不同方向的3D视图。 • 使用此命令时，用户可以选择观察全部对象或是模型中的 一部分对象，AutoCAD围绕待观察的对象形成一个辅助圆， 该圆被4个小圆分成四等份。 • 辅助圆的圆心是观察目标点，当用户按住鼠标左键并拖动 时，待观察的对象（或目标点）静止不动，而视点绕着 3D对象旋转，显示结果是视图在不断地转动。 • 当用户想观察整个模型的部分对象时，应先选择这些对象， 然后启动3DFORBIT命令，此时，仅所选对象显示在屏幕 上。若其没有处在动态观察器的大圆内，就单击鼠标右键， 选择【范围缩放】选项 。
ຫໍສະໝຸດ Baidu体模型
• 实体模型具有表面及体的信息。 • 对于此类模型，用户可以区分对象 的内部及外部，并可以对它进行打 孔、切槽和添加材料等布尔操作。 • 还能检测对象间是否发生干涉及分 析模型的质量特性，如质心、体积 和惯矩等。 • 对于计算机辅助加工，用户可利用 实体模型的数据生成数控加工代码。 右图所示的是在实体上开槽、打孔 的结果。
世界坐标系
• 世界坐标系是固定不动的，在此坐标系中，AutoCAD图形 的每个点都由惟一的x、y和z坐标确定。默认情况下，屏 幕左下角会出现一个表示世界坐标系的图标。若图标的原 点位置处有一小方块，则表示当前坐标系是世界坐标系； 否则，是用户坐标系。 • 图标中附带字母“X”或“Y”的大箭头表示当前坐标系x轴、 y轴的正方向，z轴正方向由右手螺旋法则确定。 • 三维绘图时，用户常常需要在三维空间的某一平面上绘图。 由于世界坐标系不能变动，因而给作图带来很多不便。 • 例如，若用户想在下图中的ABC平面内画一个圆，在世界 坐标系中是无法完成的，此时，若用户以平面ABC为xy坐 标面创建新坐标系，就可以用CIRCLE命令画圆了。
三维建模基础
• 目前，工程设计多数还停留在二维设计阶段，工 程师通过绘制多个平面图来反映产品的结构形状， 但平面图有一个严重的缺陷，就是它不能使用户 全局地观察产品的设计效果。 • AutoCAD除具有强大的二维绘图功能外，还具备 基本的三维造型能力。若物体并无复杂的外表曲 面及多变的空间结构关系，则用户使用AutoCAD 可以很方便地建立对象的三维模型。 • 值得一提的是，AutoCAD自2000版以来，在三维 绘图功能方面增强了很多，现在，用户已经能够 对三维实体进行编辑，并能以动态旋转的方式来 观察三维模型。
利用多个视口观察3D图形
• 在三维建模过程中，用户经常需要从不同的方向观察三维 模型，以便于定位实体或检查已建模型的正确性。 • 在单视口中，每次只能得到3D对象的一个视图，若要把 模型不同观察方向的视图都同时显示出来，就要创建多个 视口（平铺视口）。
• 平铺视口具有以下特点。 • 每个视口并非独立的实体，而仅仅是对屏幕的一 种划分。 • 对于每个视口都能设置观察方向或定义独立的 UCS坐标系。 • 用户可以保存及恢复视口的配置信息。 • 在执行命令的过程中可以从一个视口转向另一个 视口操作。 • 单击某个视口就将它激活，每次只能激活一个视 口，被激活的视口带有粗黑边框。 • 练习
• 除用UCS命令改变坐标系外，用户也可打开动态 UCS功能，使UCS坐标系的xy平面在绘图过程中 自动与某一平面对齐。按F6键或按下状态栏上的 按钮，就打开动态UCS功能。 • 启动二维或三维绘图命令，将光标移动到要绘图 的实体面，该实体面亮显，表明坐标系的xy平面 临时与实体面对齐，绘制的对象将处于此面内。 绘图完成后，UCS坐标系又返回到原来状态。 • AutoCAD多数2D命令只能在当前坐标系的xy平面 或与xy平面平行的平面内执行，若用户想在空间 的某一平面内使用2D命令，则应沿此平面位置创 建新的UCS。 • 练习
三维坐标空间
理解三维图形
• 二维绘图时，所有工作都局限在一个平面内，点 的位置只需用x、y坐标表示。 • 而在三维空间中，要确定一个点，就需用x、y、z 这3个坐标。下图显示了在xy平面内的二维图形及 三维空间的立体图形。
• 默认情况下，AutoCAD世界坐标系的xy平面是绘 图平面，用户所画直线、圆和矩形等对象都在此 平面内。 • 尽管如此，AutoCAD却是用三维坐标来存储这些 对象信息的，只不过此时的z坐标值为零。 • 因此，前面所讲的二维图实际上是3D空间某个平 面上的图形，它们是三维图形的特例。用户可以 在3D空间的任何一个平面上建立适当的坐标系， 然后在此平面上绘制二维图。 • 在AutoCAD中，用户可以创建3种类型的三维模 型：线框模型、表面模型及实体模型。 • 这3种模型在计算机上的显示方式相同，即以线架 结构显示出来，但用户可用特定命令表现表面模 型及实体模型的真实性。
利用导航工具观察3D图形
• 利用AutoCAD提供的【ViewCube】工具可定义模型的主视图， 在标准视图和等轴测视图间切换，新建UCS等。利用 【SteeringWheels】工具，可以动态观察模型、平移和缩放模 型等。 • 【ViewCube】工具 • 当设定视觉样式不为“二维线框”时，【ViewCube】导航工具 将自动显示在图形窗口中，单击【视图】面板上的按钮，可显 示或隐藏该工具。 • 在【ViewCube】工具的立方体上定义了26个区域，这些区域 包括面、边及角，其中6个面代表模型的标准正交视图：前视图、 俯视图、左视图等，8个角点代表等轴测视图。单击这些区域就 可在标准视图和等轴测视图间切换。除这种方法外，还可通过 单击立方体并拖动光标的方法来改变观察点。 • 位于【ViewCube】工具下方的是指南针和UCS菜单，通过 UCS菜单可恢复已命名的UCS、切换为WCS或定义新的UCS。 在【ViewCube设置】对话框中，可以控制指南针和【UCS】 菜单的显示。
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各轴测视点在基准坐标系中的位置矢量如下。 西南轴测视点：（-1,-1,1）。 东南轴测视点：（1,-1,1）。 东北轴测视点：（1,1,1）。 西北轴测视点：（-1,1,1）。 用户可在【视图管理器】对话框中指定基准坐标 系，选取菜单命令【视图】/【命名视图】，打开 【视图管理器】对话框，该对话框左边的列表框 中列出了预设的标准正交视图名称，这些视图所 采用的基准坐标系可在右边的【设定相对于】下 拉列表中选定。 • 练习