陳佳鵬

摘 要：運用計算機輔助設計軟件（CAD）進行快速高效的二維圖形繪制及三維實體建模，是從事機械行業(yè)應用最廣泛的技術，其中的布爾實體運算及用戶坐標系（UCS）的轉換最為關鍵。該文通過典型的某高校的金工實習零件的三維實體建模繪制過程為例，詳細的分析了其應用方法及難點，不但使零件加工實習過程形象化，增加學生學習的理解能力，也為從業(yè)人員今后的三維實體建模設計及教學應用打下良好的基礎，為高校金工實習教學的方法提供了一個全新的思路。

關鍵詞：計算機輔助設計 實體建模 布爾運算 UCS坐標

中圖分類號：TH126 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0019-02

美國Autodesk公司開發(fā)的AutoCAD是一款計算機輔助設計軟件，應用領域非常廣泛，主要有服裝加工、裝飾裝潢、土木建筑、電子、化工、機械工程制圖等。在機械行業(yè)中，快速高效的CAD輔助設計實現(xiàn)零件二維圖形及三維實體建模與渲染上表現(xiàn)都很優(yōu)異[1]。

布爾運算是一種非常重要的實體建模技術[2]，在各類三維軟件中都發(fā)揮著重要作用；UCS的轉換是三維實體建模中的關鍵，適當轉換UCS坐標軸的方向，運用繞指定坐標軸旋轉對象，使繪圖更簡單方便并得到不同方向不同位置的三維實體模型[3]。理解并熟練運用這些工具，可以提高三維實體建模的效率及質量，也會為以后的教學和設計都打下非常良好的基礎。

1 高校金工實習零件的實體建模分析

借助AutoCAD三維實體建模過程，不但使零件加工實習過程形象化，增加學生學習理解能力，也為高校金工實習教學方法提供了新思路[4]。

下面就以某高校金工實習的一個零件的實體建模為例，如圖1，繪制過程如下。

1.1 工件主體三維建模過程

（1）進入視圖工具中的西南等軸測界面，對象捕捉模式中選擇端點、中點、圓心、切點、外觀交點。首先用實體工具中的長方體工具建立一長方體：隨意指定長方體的第一角點，指定第二角點的相對坐標為@（x=70，y=12，z=12）。

（2）運用楔體工具建立一楔體：捕捉長方體的某一角點為指定楔體的第一角點，（根據(jù)所選點的位置結合圖紙要求，計算出楔體的長度、寬度、高度數(shù)值）然后選擇L命令，長度為-30 mm，指定寬度為12 mm，指定高度為-10 mm。

（3）進行實體布爾運算：運用布爾運算中的差集工具，選擇對象為長方體，選擇要減去的實體為楔體，確認后工件主體三維建模完成。

1.2 倒角——實體布爾運算結合UCS坐標轉換

（1）倒角1×45°共4個。

①用楔體工具建立一楔體，捕捉長方體另一端的某一角點為指定楔體第一角點，（根據(jù)所選點的位置結合圖紙要求，計算出楔體的長度、寬度、高度數(shù)值）然后選擇L命令，長度為1 mm，指定寬度為12 mm，指定高度為-1 mm。共建立4個方向不同的楔體圍繞在長方體端部（注意每個小楔體的坐標數(shù)值會因為所選點的位置不同而有所變化）。

②進行實體布爾運算：運用布爾運算中的差集工具，選擇對象為長方體，選擇要減去的實體為4個小楔體，確認后1×45°倒角完成。

（2）倒圓角共8個。

①倒圓?。河捎诮鸸嵙曋泄ぜ膱A弧為圓銼與工件成45°角加工形成，因此圓弧為圓柱與長方體相交的相貫線，在二維三視圖上表現(xiàn)為橢圓弧，2.5 mm為橢圓長軸半徑。模擬銼刀的圓柱體半徑r=≈1.7678 mm。運用圓柱體工具建立一圓柱體，捕捉A點（A點位置見圖1）為指定圓柱體的底面中心點，半徑為1.7678 mm，高度為5。將所建立的圓柱體從A點移動到圓弧中心B點（B點距離A點為20-1-1.7678=17.2322 mm）。轉換UCS坐標軸，由于修改工具中的旋轉工具在旋轉三維實體的時候旋轉軸默認為z軸，（注意觀察當前UCS的坐標軸方向，現(xiàn)以CAD中西南等軸測圖的WCS坐標為當前坐標軸）。

選擇繞y軸旋轉當前UCS，角度為90°。用修改工具中的旋轉工具，旋轉圓柱體，指定基點為底面圓心B點，角度為-45°，然后運用實體編輯中的拉伸面工具，拉伸圓柱體的底面，拉伸高度5 mm，拉伸角度為0，拉長圓柱體使其與工件實體相。運用布爾運算中的差集工具，選擇對象為長方體，選擇要減去的實體為圓柱體，確認圓弧完成。

②與圓弧相切的斜面：運用繪圖工具里的直線工具，捕捉A點為指定第一點，捕捉一個圓弧切點為第二點畫出一條直線。重復運用直線工具，捕捉A點為指定第一點，捕捉圓弧的另一個切點為第二點畫出第二條直線。繼續(xù)重復運用直線工具，連接兩個切點，畫出第三條直線。運用繪圖工具中的面域工具，選擇對象為上述所畫的三條直線，確認后形成一個面域。運用實體工具中的拉伸工具，選擇對象為剛剛建立完成的面域，拉伸高度為5 mm，拉伸角度為0，確認后建立一個等腰三角形實體。運用布爾運算中的差集工具，選擇對象為長方體，選擇要減去的實體為等腰三角形實體，確認與圓弧相切的斜面完成。

圓弧及與之相切的斜面一共8個，其他圓弧及斜面的建模過程同上面一樣，但是注意建立圓柱體時圓心點的選擇不同，輸入坐標數(shù)值也不同，而且不同圓柱體及斜面的具體位置不同，UCS旋轉軸的選擇及旋轉角度也不同，此處坐標數(shù)值及角度的選擇在三維實體建模中經常容易混淆，需要建模者反復分析體會才能融會貫通。

③螺紋孔：由工件圖紙可知，內螺紋外徑為8 mm，根據(jù)公式D1=D-2*H=D-1.0825P，D2=D-2*H=D-0.6495P，其中螺距P=1.2 mm5，計算出螺紋基本牙型尺寸，螺紋外徑D=8 mm，螺紋內徑D1 =6.647 mm[5]，螺紋牙型角度60°[6]，繪制螺紋二維剖面圖形，螺紋長度20 mm，并運用繪圖工具中的面域工具將其形成一個面域。運用實體工具中的旋轉工具將其圍繞螺紋軸線旋轉360°，形成螺紋的三維實體。轉換UCS坐標軸（仍然以初始UCS坐標軸為當前坐標軸），選擇繞x軸旋轉當前UCS，角度為90°。用修改工具中的旋轉工具，旋轉螺紋實體，指定基點為螺紋一端圓心點，角度為90°，將螺紋實體角度調整完成后，以螺紋一端圓心為基點，將其移動到工件實體的相應位置（具體坐標數(shù)值見圖1零件圖要求），與工件相交。運用布爾運算中的差集工具，選擇對象為長方體，選擇要減去的實體為螺紋實體，確認后螺紋孔建模完成（見圖2）。

至此運用AutoCAD進行實習工件的三維實體建模繪制已經完成，在不同的建模過程中需具體分析UCS轉換時，不同的當前UCS坐標軸的狀態(tài)對UCS轉換后運用旋轉命令所形成的結果也不同。在進行布爾運算之前應仔細分析實體結構，合理的進行布爾運算組合及模型的修改。理解并熟練運用這些工具，可以提高三維實體建模的效率及質量，也會為以后的教學和設計都打下非常良好的基礎。

參考文獻

[1] 李汾娟.CAD技術在機械設計中的應用[J].現(xiàn)代機械，2015

（5）：81-83.

[2] 劉金義，歐宗瑛.多面體布爾運算中位置關系的判別[J].計算機工程，1994（3）：7-10.

[3] 徐亞娥.用戶坐標系（UCS）在三維建模中的應用[J].鍛壓裝備與制造技術，2011（2）：118-120.

[4] 張淑艷，雷光明，成彬，等.三維CAD輔助工程制圖教學的方法[J].圖學學報，2014（3）：464-468.

[5] GB/T 193-2003.普通螺紋基本牙型[S].北京：中國標準出版社，2003.

[6] GB/T 192-2003.普通螺紋基本尺寸[S].北京：中國標準出版社，2003.