应用于Auto CAD三维几何造型中的形体分析法

2011-09-29 苗青 江南大学 机械工程学院

　　为利用现有大量的二维图形资源,快速生成三维模型,提出了符合三维建模特征的形体分析法. 其可将复杂立体分解成基本几何体和简单体,整理出简单体的特征视图,然后将“二维图形”中的“特征视图”复制、粘贴到“三维图形”文件所需位置上,经组合编辑,完成三维建模.该方法与直接建立三维模型相比,避免了重复性的工作,更为直观、方便、快捷。

　　目前在加工制造业中,传统的二维工程图在表达尺寸标注、表面粗糙度、公差与配合等方面依然具有明显的优势.Auto CAD 作为一个优秀的绘图软件,绘制和编辑二维工程图作为其主要优势而得到了广泛应用[1] .同时,Auto CAD 也提供了建立三维模型的方法:表面模型和实体模型.实体模型最为复杂,功能也最多,所以应用最广[2,3] .当需要建立三维模型用以直观地表达设计效果、构造、动画模型时,可直接进行三维造型.而利用现有二维图形进行符合三维建模特征[4] 的形体分析,可方便、快捷地建立三维模型,同时扩展了传统形体分析法[5 ,6] 的内涵。

1、由二维视图快速建立三维模型

1.1、形体分析法在三维模型中的应用

　　在工程图学中,采用形体分析法对二维图形进行分析:任何机械零件都可分解成若干基本形体,再由这些基本形体经过堆积和挖切两种方式组合而成.一般认为,基本形体为完整的基本几何体(如棱柱、棱锥、圆柱、圆锥、球、圆环等)、不完整的基本几何体或为它们的组合.

　　而按三维建模特性来分析,基本形体应扩展分为基本几何体和简单体.基本几何体为立方体、圆柱体、圆锥体、球体、圆环、楔形体等,简单体为一般柱体和回转体.按此基本形体的定义,建立三维基本形体的方法可分为3 种:

　　1)直接调用法:用于基本几何体(立方体、圆柱体、圆锥体、球体、圆环、楔形体),根据基本几何体的参数从实体(Solids)工具栏中直接调出相应建模命令.

　　2)扫描法:用于简单体(一般柱体和回转体),通过拉伸(Extrude)或旋转(Revolve)简单体的二维“特征视图”生成三维模型.

　　3)间接编辑法:如果基本几何体不属于Solids工具栏中的三维立体,可先建立相近的三维模型,再利用实体编辑命令进行修改而满足要求.

　　建立基本形体的三维模型后,再按一定的方式进行组合.组合方式分为堆积和挖切两种,堆积方式可用布尔运算中的并集(Union)命令实现;挖切方式可再细分为内部挖孔(挖缺口)和外部切割.挖孔(挖缺口)可根据孔和缺口的形状直接建立三维实体,再用布尔运算中的差集(Subtract)实现.而立体外部边缘的切割可用剖切(slice )命令及多种实体编辑命令来实现[7] .因此,要建立一个三维模型,一定要运用符合三维建模特点的形体分析法.

1.2、操作步骤

1.2.1、形体分析

　　图1 所示为阀体三视图. 可运用符合三维建模特点的形体分析法将其分解成若干简单体———柱体和回转体.分析柱体和回转体的“特征视图”,柱体的“特征视图”是具有柱体端面形状特征的视图;回转体的“特征视图”是具有回转体不同母线形状特征的视图,见图2。

阀体三视图特征视图

图1 阀体三视图　　 　　 　　　　　　 　　　 　　　　　　　　　 　　　　图2 特征视图

1.2.2、数据交换

　　在AutoCAD 中同时打开二维和三维两个文件的窗口,进行数据交换,见图3 .

Auto CAD 窗口

图3 Auto CAD 窗口

　　把二维图形中各组成部分的“特征视图”按其在基本视图中的位置分类, 然后分批复制(Copyclip ),再粘贴( Pasteclip )到“三维图形”文件中,此时的三维视图切换到正等轴测图为佳.一般情况下都是从“二维图形”所在的X Y 平面内复制“特征视图”,故只能粘贴到“三维图形”中的X Y 平面内,所以要注意坐标系的对应关系,调整坐标面.通过UCS 工具栏中的3 个浮动按纽(绕X ,Y ,Z 轴旋转当前UCS 的命令),可调整“三维图形”中当前UCS 的X Y 坐标面的位置,使“特征视图”粘贴到“三维图形”中所需的位置.

1.2.3、创建基本形体三维模型

　　用面域( Region )命令将“三维图形”中的“特征视图”转化为面域.对有两个以上的封闭线框围成的“特征视图”,将生成相应两个以上的面域,需用差集命令(Subtract )来生成一个新面域.对这些面域进行拉伸(注意拉伸高度方向为Z 轴方向,其他方向用选择路径P 的方式)和旋转,得到如图4 所示的三维简单体.

1.2.4、组合

　　通过实体编辑及实体操作命令将图4 中的简单体组合起来.组合时应尽量先进行堆积(用并集Union命令实现),再对堆积后的新实体进行挖切.这样可避免已被挖切的简单体在用并集命令进行叠加时,出现多余的内部结构.最后,完成如图5 所示的三维模型.

三维简单体三维阀体

图4 三维简单体　　　　　　　　　　图5 三维阀体

2、结语

　　针对Auto CAD 的三维建模,提出了符合三维建模特征的形体分析法,以及简单体及其“特征视图”的概念.通过形体分析,可从二维模型中整理出简单体的特征视图,并将其复制、粘贴到“三维图形”文件所需的位置上,快速高效生成简单体的三维模型实体编辑及实体操作命令,将简单体与基本几何体进行组合,最终完成三维建模。

参考文献:
[1] 周玉玲. Pro/E工程图转换为Auto CAD工程图的探讨与应用[J] . 机械研究与应用,2005,18(1):105-106 .
[2] 刘志红, 涂晓斌, 蒋先刚. 由机件实体模型自动生成零件图[J]. 中国制造业信息化, 2004 ,33(9):98-100.
[3] 吴绍兰. 二、三维相结合的工业设计制图体系研究[J].华东交通大学学报, 2003,20(2):109-110.
[4] 章易程,李蔚,曾韬. CAD系统中三维特征造型方案的描述[J].组合机床与自动化加工技术,2001,(4):20-21.
[5] 何铭新,钱可强. 机械制图(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2004.
[6] 盛奎川.组合体及其形体分析法的基本理论问题[J].工程图学,2001,45(3):151-155.
[7] 路纯红,郭朝勇.AUTOCAD 2004中文版机械应用实例教程[M].北京:清华大学出版社,2004.