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第9章　三维图形基础
本章简介：
AutoCAD 2020 中文版除了具有强大的平面图形绘制功能，还提供了强大的三维图形绘制功能。通过绘制零件的三维图形，用户可以方便、直观地检查设计中存在的缺陷。本章主要介绍基本的三维图形绘制方法。通过本章的学习，读者可以绘制简单的三维曲面和三维实体，为以后的学习打下基础。
学习目标
掌握直角坐标、圆柱坐标和球坐标的定义
掌握 UCS 的新建方法
掌握使用视点预设命令和视点命令设置视点的方法
掌握受约束的动态观察、自由动态观察和连续动态观察的方法
掌握三维曲面的绘制方法
掌握三维实体的绘制方法
掌握三维图形的高级操作
掌握压印和抽壳的方法
技能目标
掌握观察支架的三维模型的方法
掌握绘制螺母的方法
掌握绘制普通阶梯轴的方法
9.1 三维坐标系
WCS概述
UCS概述
新建UCS
9.1.1 WCS 概述
WCS 的图标，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。
在 WCS 中，三维坐标的表示方法有直角坐标、圆柱坐标和球坐标 3 种形式。
世界坐标系 从三维空间观察世界坐标系
9.1.2 UCS 概述
在 AutoCAD 2020 中文版中绘制二维图形时，绝大多数命令仅在 xy 平面内或在与 xy 平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的二维绘图命令，这样当用户需要在某斜面上绘图时，该操作就不能直接进行。
启用命令的方法：
工具栏：“UCS”工具栏中的“UCS”按钮。
菜单命令：“工具”菜单中有关用户坐标系的菜单命令。
命令行：UCS。
9.1.3 新建 UCS
1、通过指定新坐标系的原点可以创建一个新的 UCS。输入新坐标系原点的坐标后，系统会将当前坐标系的原点变为新坐标所确定的点，但 x、y 和 z 轴的方向不变。
2、通过指定新坐标系的原点与 z 轴来创建一个新的 UCS，在创建过程中系统会根据右手定则判定坐标系的方向。
3、通过指定新坐标系的原点、x 轴的正方向及 y 轴的正方向来创建一个新的 UCS。
4、通过指定一个已有对象来创建新的 UCS，创建的坐标系与选择对象具有相同的 z 轴方向。
5、通过选择三维实体的面来创建新 UCS。被选中的面以虚线形式显示，新建坐标系的 xy 平面落在该实体面上，同时其 x 轴与所选择面的最近边对齐。
6、通过当前视图来创建新 UCS。新 UCS 的原点保持在当前坐标系的原点位置，其 xy 平面设置在与当前视图平行的平面上。
9.2 三维图形的观察方法
课堂案例—观察支架的三维模型
视图观察
设置视点
动态观察器
多视口观察
9.2.1 课堂案例—观察支架的三维模型
启用“命名视图”命令设置视图的名称，并使用“左视”“西南等轴测”“前视”“世界 UCS”“视点预设”“视点”“自由动态观察”命令从不同的方向观察支架的三维模型。
效果图
9.2.2 视图观察
AutoCAD 2020 中文版提供了 10 个标准视点便于用户观察模型，其中包括 6 个正交投影视图和4 个等轴测视图，分别为俯视图、仰视图、左视图、右视图、前视图、后视图，以及西南等轴测视图、东南等轴测视图、东北等轴测视图和西北等轴测视图。
启用命令的方法：
工具栏：“视图”工具栏中的按钮。
菜单命令：“视图 > 三维视图”子菜单命令。
9.2.3 设置视点
在 AutoCAD 2020 中文版中观察模型，除了可以通过标准视点观察外，还可以自定义视点，从任意位置对模型进行观察。可以启用“视点预设”或“视点”命令来设置视点。
1．启用“视点预设”命令来设置视点
启用命令的方法：
菜单命令：“视图 > 三维视图 > 视点预设”。
命令行：DDVPOINT。
2．启用“视点”命令来设置视点
启用命令的方法：
菜单命令：“视图 > 三维视图 > 视点”。
9.2.4 动态观察器
利用动态观察器可以通过简单的鼠标操作对三维模型进行多角度观察，从而使操作更加灵活，观察角度更加全面。动态观察又分为受约束的动态观察、自由动态观察和连续动态观察3种。
1. 受约束的动态观察
沿 xy 平面或 z 轴约束三维动态观察。
2. 自由动态观察
自由动态观察是指不参照平面，在任意方向上进行动态观察。沿 xy 平面和 z 轴进行动态观察时，视点不受约束。
3. 连续动态观察
连续动态观察是指进行连续的动态观察。在连续动态观察移动的方向上单击并拖曳鼠标，然后释放鼠标，轨道将沿该方向继续移动。
9.2.5 多视口观察
在模型空间内，可以将绘图窗口拆分成多个视口，这样在创建复杂的模型时，就可以在不同的视口中从多个方向观察模型。
启用命令的方法：
菜单命令：“视图 > 视口”子菜单中的命令。
命令行：VPORTS。
9.3 绘制三维曲面
长方体表面
楔体表面
棱锥体表面
圆锥表面
球体表面
圆环表面
三维网格面
旋转曲面
平移曲面
直纹曲面
边界曲面
9.3.1 长方体表面
启用命令的方法：
工具栏：“平滑网格图元”工具栏中的“网格长方体”按钮 。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 网格 > 图元 > 长方体”。
命令行：MESH 。
长方体表面
9.3.2 楔体表面
楔体表面
启用命令的方法:
工具栏：“平滑网格图元”工具栏中的“网格楔体”按钮 。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 网格 > 图元 > 楔体”。
命令行：MESH 。
9.3.3 棱锥体表面
启用命令的方法:
工具栏：“平滑网格图元”工具栏中的“网格棱锥体”按钮 。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 网格 > 图元 > 棱锥体”。
命令行：MESH 。
棱锥体表面
9.3.4 圆锥表面
圆锥体表面
启用命令的方法：
工具栏：“平滑网格图元”工具栏中的“网格圆锥体”按钮 。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 网格 > 图元 > 圆锥体”。
命令行：MESH 。
9.3.5 球体表面
球体表面
启用命令的方法:
工具栏：“平滑网格图元”工具栏中的“网格球体”按钮 。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 网格 > 图元 > 球体”。
命令行：MESH 。
9.3.6 圆环表面
圆环体表面
启用命令的方法：
工具栏：“平滑网格图元”工具栏中的“网格圆环体”按钮。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 网格 > 图元 > 圆环体”。
命令行：MESH 。
9.3.7 三维网格面
将要绘制的曲面用 M 行 N 列，即 M×N 个网格来表示，并将形成网格的各个节点坐标赋给AutoCAD 2020 中文版，最终形成三维网格面。
启用命令的方法:
命令行：3DMESH。
三维网格面
9.3.8 旋转曲面
绘制旋转曲面必须具备两个对象：一个是旋转的轮廓，也称为迹线；另一个是旋转的中心，也称为轴线。
启用命令的方法:
菜单命令：“绘图 > 建模 > 网格 > 旋转网格”。
命令行：REVSURF。
旋转曲面
9.3.9 平移曲面
绘制平移曲面必须具备两个对象，分别是轮廓曲线和方向矢量。
启用命令的方法：
菜单命令：“绘图 > 建模 > 网格 > 平移网格”。
命令行：TABSURF。
平移曲面
9.3.10 直纹曲面
直纹曲面是指用连接两条曲线的直线段形成的平面或曲面。
启用命令的方法:
菜单命令：“绘图 > 建模 > 网格 > 直纹网格”。
命令行：RULESURF。
直纹曲面
9.3.11 边界曲面
边界曲面是指以相互连接的 4 条曲线作为曲面边界形成的曲面，要注意的是，这 4 条曲线可以在同一平面内，也可以不在同一平面内，但必须首尾相接。
启用命令的方法：
菜单命令：“绘图 > 建模 > 网格 > 边界网格”。
命令行：EDGESURF。
边界曲面
9.4 绘制简单的三维实体
课堂案例—绘制螺母
长方体
球体
圆柱体
圆锥体
楔体
圆环体
通过拉伸绘制三维实体
通过旋转绘制三维实体
获取三维实体截面
剖切三维实体
9.4.1 课堂案例—绘制螺母
使用“圆”“面域”“差集”“拉伸”“圆角”“倒角”“多边形”“交集”按钮来绘制螺母。
效果图
9.4.2 长方体
启用命令的方法：
工具栏：“建模”工具栏中的“长方体”按钮。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 长方体”。
命令行：BOX。
长方体
9.4.3 球体
启用命令的方法:
工具栏：“建模”工具栏中的“球体”按钮。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 球体”。
命令行：SPHERE。
球体
9.4.4 圆柱体
启用命令的方法：
工具栏：“建模”工具栏中的“圆柱体”按钮。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 圆柱体”。
命令行：“CYLINDER”。
圆柱体
9.4.5 圆锥体
启用命令的方法:
工具栏：“建模”工具栏中的“圆锥体”按钮。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 圆锥体”。
命令行：CONE。
圆锥体
9.4.6 楔体
启用命令的方法:
工具栏：“建模”工具栏中的“楔体”按钮。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 楔体”。
命令行：WEDGE。
楔体
9.4.7 圆环体
启用命令的方法:
工具栏：“建模”工具栏中的“圆环”按钮。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 圆环体”。
命令行：TORUS。
圆环体
9.4.8 通过拉伸绘制三维实体
拉伸操作用于将一个平面图形沿着特定的路径拉伸形成一个三维实体。通过拉伸操作绘制三维实体必须具备两个元素：拉伸截面和拉伸路径。
拉伸截面可以是一个封闭的二维对象，也可以是由封闭曲线形成的面域。
启用命令的方法：
工具栏：“建模”工具栏中的“拉伸”按钮。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 拉伸”。
命令行：EXTRUDE。
9.4.9 通过旋转绘制三维实体
将一个平面图形绕特定的旋转轴旋转一定的角度，可以形成一个三维实体。通过旋转操作绘制三维实体必须具备两个元素：旋转截面和旋转轴。与通过拉伸操作绘制三维实体相似，用来形成旋转实体的旋转截面可以是一个封闭的二维对象，也可以是由封闭曲线形成的面域。旋转轴可以由两点来定义，也可以通过选择已有的对象或当前 UCS 的 x 轴或 y 轴来定义。
启用命令的方法：
工具栏：“建模”工具栏中的“旋转”按钮。
菜单命令：“绘图 > 建模 > 旋转”。
命令行：REVOLVE。
9.4.10 获取三维实体截面
绘制完三维实体后，通常还需要对实体的内部截面进行观察，为此 AutoCAD 2020 中文版提供了“截面”命令，让用户可以快速、轻易地从三维实体中获取相关的截面信息。
启用命令的方法如下。
命令行：SECTION。
原图 三维实体截面
9.4.11 剖切三维实体
剖切是指定义一个剖切平面并通过该剖切平面将已有的三维实体剖切为两个部分。在剖切过程中，用户可以选择是保留剖切产生的两部分实体，还是只保留其中一部分。
启用命令的方法:
菜单命令：“修改 > 三维操作 > 剖切”。
命令行：SLICE。
原图 剖切三维实体
9.5 三维图形的高级操作
课堂案例—绘制普通阶梯轴
三维阵列
三维镜像
三维旋转
三维对齐
布尔运算
9.5.1 课堂案例—普通阶梯轴
使用“直线”“面域”“旋转”“圆角”“倒角”“偏移”“拉伸”“差集”按钮来绘制普通阶梯轴。
效果图
9.5.2 三维阵列
根据三维图形的阵列特点，三维阵列可分为矩形阵列与环形阵列。执行矩形阵列后可以同时在 x、y、z 这 3 个方向绘制一定数目的相同三维图形，在操作过程中，用户需要输入阵列的列数、行数和层数。其中，列数、行数、层数分别指三维图形在 x、y、z 方向的数目。其操作过程与二维图形的阵列有相似之处，不同的是二维图形阵列的阵列中心是一个点，而三维图形阵列的阵列中心是由两点定义的一个旋转轴。
启用命令的方法:
菜单命令：“修改 > 三维操作 > 三维阵列”。
命令行：3DARRAY。
9.5.3 三维镜像
“三维镜像”命令通常用于绘制具有对称性的三维图形，在进行三维镜像操作的过程中，先选择要进行镜像操作的对象，然后定义镜像平面。
启用命令的方法:
菜单命令：“修改 > 三维操作 > 三维镜像”。
命令行：MIRROR3D。
9.5.4 旋转
使用“三维旋转”命令可以灵活定义旋转轴，并对三维图形进行任意旋转。三维旋转有两种方式。
方式一：启用命令的方法:
菜单命令：“修改 > 三维操作 > 三维旋转”。
命令行：3DROTATE。
方式二：启用命令的方法:
命令行：ROTATE3D。
9.5.5 三维对齐
启用“三维对齐”命令，可以移动、旋转一个三维图形，使其与另一个三维图形对齐。三维对齐有两种方式。
方式一：启用命令的方法:
菜单命令：“修改 > 三维操作 > 对齐”。
命令行：ALIGN。
方式二：启用命令的方法:
菜单命令：“修改 > 三维操作 > 三维对齐”。
命令行：3DALIGN。
9.5.6 布尔运算
布尔运算分为并运算、差运算、交运算 3 种。在 AutoCAD 2020 中文版中，布尔运算通常用来绘制组合体。灵活、巧妙地运用布尔运算可以绘制出各种复杂的三维图形。
1. 并运算
启用命令的方法:
工具栏：“实体编辑”工具栏中的“并集”按钮。
菜单命令：“修改 > 实体编辑 > 并集”。
命令行：UNION。
9.5.6 布尔运算
2. 差运算
启用命令的方法:
工具栏：“实体编辑”工具栏中的“差集”按钮。
菜单命令：“修改 > 实体编辑 > 差集”。
命令行：SUBTRACT。
3. 交运算
启用命令的方法:
工具栏：“实体编辑”工具栏中的“交集”按钮。
菜单命令：“修改 > 实体编辑 > 交集”。
命令行：INTERSECT。
9.6 压印与抽壳
压印
抽壳
9.6.1 压印
启用“压印”命令可以将选择的图形对象压印到另一个三维图形的表面。可以用来压印的图形对象包括圆、圆弧、直线、二维和三维多段线、椭圆、样条曲线、面域、实心体等。另外，用来压印的图形对象必须与三维图形的一个或几个面相交。
启用命令的方法:
工具栏：“实体编辑”工具栏中的“压印”按钮。
菜单命令：“修改 > 实体编辑 > 压印边”。
9.6.2 抽壳
“抽壳”命令可以用来绘制壁厚相等的壳体，还可以选择删除实体的某些表面而形成敞口的壳体。
启用命令的方法:
工具栏：“实体编辑”工具栏中的“抽壳”按钮。
菜单命令：“修改 > 实体编辑 > 抽壳”。
9.7 课堂练习—绘制手柄
使用“椭圆”“直线”“偏移”“修剪”“删除”命令和“圆弧”“面域”“旋转”按钮绘制手柄。
效果图
9.8 课后习题—绘制深沟球轴承
使用“直线”“圆”“圆角”“修剪”“面域”“三维阵列”命令和“旋转”按钮绘制深沟球轴承。
效果图

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