三维建模思路教学浅析_三维建模教学计划

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AutoCAD（中级）培训中三维建模思路教学浅析

谢珍真

内容摘要：复杂的形体大多都是由简单的基本形体进行布尔运算或面截切得到的。在教学中从简单零件的画法开始，就注重引导学生进行形体分析，养成良好的建模思维习惯，同时，让学生理解UCS变换的目的是至关重要的一步。重视建模思路的分析引导，让学生自主探求模型的构建方法，使不同层次的学生得到不同程度的发展。

关键词：三维建模思路，形体分析，UCS变换

AutoCAD是目前应用最广的计算机辅助设计（CAD）通用软件，从AutoCAD2000以后，其三维建模与功能随着软件版本的不断升级而日显强大。AutoCAD（中级）培训其主要任务是完成三维建模的学习。这个过程既是AutoCAD 三维建模技能的教学过程，更是为学生构建三维设计理念，拓展三维设计视野，为今后触类旁通地学习其他更专业的3D参数化设计软件做铺垫的过程，因此在教学中不仅要重视通过建模实例熟悉命令，更应注重通过三维建模思路的分析，让学习者能举一反三，熟悉三维建模的思维过程，达到真正理解与掌握三维建模过程的目的。本文拟通过多年的AutoCAD实践对三维建模思路的教学加以总结分析。

一、形体分析是三维建模的思维基础

正如我们在《工程制图》教学中，形体分析法是读懂图纸的基本分析方法一样，在3D设计中，无论是象AutoCAD这种基于二维发展起来的三维设计模块，还是参数化3D 设计软件：如3dmax、Pro/E、ug，其建模的基本思路都是首先对模型进行形体分析，因为复杂的形体大多都是由简单的基本形体进行布尔运算或面截切得到的。在教学中从简单零件的画法开始，就注重引导学生进行形体分析，养成良好的建模思维习惯，只有这样才能使学生真正掌握三维建模的技能。

三维建模时的形体分析（本文主要讨论实体造型），主要从以下几方面进行考虑：1）是否为3d工具条中已有基本体（长方体、圆柱体、球体、圆锥体、楔体、圆环体, AutoCAD2007又新增了螺旋体、棱锥体等）的布尔运算（并、差、交集），2）是否为二维几何面拉伸、旋转、放样（2007新增）后与基本体的布尔运算3）是否为基本体的面截切。一些形体，尽管看起来复杂，但基本形体的判断与分解并不困难，这是由于组合形体主要是布尔并、差运算，运算后基本形体的特征仍然明显。例如（图1）所示泵体，建模时可将其分解为图2所示的二维几何面拉伸体与圆柱体的布尔并、差运算,复杂的形体也就变得简单了。而有些形体，看似简单，但初学者却感觉无从下手，例图3，六角螺母的倒角，不少初学者常常在倒角与倒圆命令上兜圈子，而其形体的形成应是六棱柱与圆锥的布尔交运算所得，采用布尔交运算后的得到的形体，其基本形体的特征已不明显，往往不易判断，因此，在形体分析时，应熟悉布尔交运算结果的特点：两形体的共有部分。形体分析的目的是在弄清形体结构的基础上，确定建模方法。一个形体，其构建的方法往往并不是唯一的，因此，在教学中，通过形

图3 体分析启发学生探讨建模方法，并对各种方法加以分析比较，选择最简方法，可以使学生在学习中不拘于教材或老师的建模步骤而独立完成三维建模，真正掌握三维造型的技能，达到授之以渔的目的。

二、UCS变换是三维建模的关键

形体分析为三维建模奠定了建模方法的思维基础，但能不能完成建模，关键还在于对UCS的理解与灵活运用。

UCS为user coordinate system的缩写，即用户坐标系。在AutoCAD中有两个坐标系，一是WCS（世界坐标系），另一个就是UCS。在二维绘图中，我们采用的是WCS，其原点位置和坐标轴的方向是固定不变的。而UCS是一个原点位置和坐标轴方向可根据用户需要变换的坐标系。由于是在2D平面绘制3D图形，因此，所有的3D软件都要解决同一问题，即2D绘图平面的变换，只是各自的术语不一样而已，如：pro/E将二维绘图平面称为草绘平面，masterCAM中将其称为构图面，Solidworks将其称为基准面。AutoCAD中没有明确给出二维绘图面的名称，而是用可变换的UCS确定二维绘图面XY平面，理解了这一点，UCS变换也就容易掌握了，同时对于其他3D软件的入门也起到触类旁通的作用。

初学者对UCS变换目的不理解，在建模时最感困难的就是UCS 的应用。因此，在教学中，让学生理解UCS变换的目的是至关重要的一步。UCS变换的一个重要目的，就是建立新的XY平面，由于许多2D绘图及编辑命令（如PLINE、ARC、CIRCLE、ELLIPSE）只能在xy平面内绘制，而三维实体命令（圆柱、圆锥、长方体、楔体及拉伸、旋转、扫描，放样）都是基于2D图形形成的，因此在三维建模时必须通过UCS变换将XY平面建立在所需的空间任意平面内，使各个方向基本形体得以完成。如图4示的机件，是由1、2、3块板组合而成，而创建1、2、3板的2D几何平面图形只能在xy平面内绘制，通过UCS的变换，就可以使 xy平面位于图示所需的三种位置，达到构建各个方位基本形体的目的。

（图4）

明白了UCS变换的目的，再让学生来理解和应用UCS变换的各个命令就容易的多了。UCS变换命令的灵活应用则在于让学生熟悉UCS工具条中各命令的特点，为了让学生能熟练掌握各命令，可以根据各UCS变换命令特点分类介绍：

1）绕坐标轴旋转（），其特点是原点不变，只改变坐标轴的方向，例图5，1绘水平方向圆柱 绕Y轴旋转90°（图5）

绕X轴旋转45°绘斜圆柱

配合原点平移命令，可以将XY平面变换到任何位置与角度。2）原点、坐标轴方向变换（），这三个命令原点都可改变。为原点平移，理解与应用不会有困难，灵活应用可以在确定基本形体位置时简化坐标输入。图6示确定键槽位置时，UCS变换后，轴向坐标（X）输入1.5 即可。

为定原点及Z轴正向，为三点定新XY平面，应用的前提是已知Z方向

或已知平面的三点，这两个命令应用得当，可以使UCS变换快捷简单。(图7)

3)变换到指定平面（）），这三个命令的特点是 指定某面（对象、实体表面、视图）为新的XY平面。对于 指定对象确定新的坐标系，学生一般感觉较困难，但在实际 中应用并不多，因此可以简略介绍即可。(图8)

指定实体平面

（图8）

图7 Z轴正向

教学中注意给出UCS 变换的典型实例，注意分解难点。如（图8）的建模，形体分析简单，但须经多次UCS变换才能完成。（图9）

（图9）

无论是已有模型的绘制，还是三维创意的表达，形体分析是三维建模思维的基础，只有清楚了各部分的基本形体，才能确定建模的方式。而UCS变换则是解决各基本形体在各个不同空间方位的绘制。三维模型的构建，重要的是建模思路的构建。在教学中，宜采用引导——探究教学方法，探究学习理论认为，传统的理科学教学热衷于灌输和记取结论性知识，不利于学生思维能力的发展，而该理论强调学生自主地通过探究过程式学生的思维得到开发并获取知识。教学中不是照本宣科地讲授命令或绘图步骤，而是重视建模思路的分析引导，让学生自主探求模型的构建方法。采用引导-探究式教学可以让学生成为学习的主体，从而使不同层次的学生得到不同程度的发展。参考文献

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