CAD中UCS在機械零件設計中的應用

王美蓉

（西安鐵路職業技術學院 機電工程系，陜西 西安710014）

0 引言

CAD 三維圖形設計的主要工作就是建立機械部件的三維模型[1]。在三維模型的建立過程中，坐標系的選擇非常重要，坐標系選擇得當不但可以減少復雜繁瑣的工作，起到事半功倍的效果，還可以避免出現由于坐標系轉換造成設計困難的問題。可以說建立三維圖形的過程就是不斷改變用戶坐標系的過程，這就要求工程設計人員都應掌握用戶坐標系的建立、變換的方法。

在CAD 軟件中，默認使用的是世界坐標系（WCS），世界坐標系是一種固定的坐標系，其坐標軸的位置、方向均固定不變，默認XOY 面（機械制圖中所講的水平面）為繪圖面。顯然，這種坐標系很難在單一的坐標面上創建出零件的所有表面。因為，繪圖過程中常常需要在不同的點，從不同的方向繪出構成復雜零件各部分的三維模型，最后才能通過一定的方式得到零件的實體。為了解決這個問題，CAD軟件引入了一種新的坐標系，以滿足創建零件三維模型的需要，這種坐標系叫做用戶坐標系，簡稱UCS。UCS 是一種活動的坐標系，用戶可以根據需要選取任意一點作為坐標系原點，也可以以任意方向為軸的正方向。通過UCS 用戶可以靈活地改變繪圖表面，從不同的方向來建立零件的三維模型，使三維繪圖工作變得簡單、方便。本文以機械行業較復雜的典型零件拔叉[2]為例，探討在CAD 中如何運用UCS解決機械設計中零件三維建模的難點問題。

1 UCS概述

為了便于繪制三維圖形，CAD 提供了三種形式的三維坐標系，分別是笛卡爾坐標系、柱坐標系和球坐標系，默認采用笛卡爾坐標系來確定形體[3]。笛卡爾坐標系又分為世界坐標系和用戶坐標系。

世界坐標系，World Coordinate System，簡稱WCS，又稱通用坐標系[4]，是CAD 中的默認坐標系，該坐標系中各坐標軸的位置、方向是固定的，但有西南等軸側、東南等軸側、西北等軸側和東北等軸側四種不同的觀察圖形的方向，如圖1 所示，可以看出四種方向下繪圖平面保持不變，是X、Y 軸確定的水平面。

圖1 三維世界坐標系

用戶坐標系（User Coordinate System），簡稱UCS[5]，是一個可移動、可旋轉的活動坐標系。用戶可以通過移動坐標系原點，改變坐標軸方向，來設定新的繪圖面，西南等軸側下三種不同的繪圖面：水平面、正平面和側平面，如圖2 所示。作圖時根據具體情況選擇不同的坐標系，定位零件上的不同繪圖面，以方便作圖。在笛卡爾坐標系中可用右手定則確定X、Y、Z 軸的正方向，即右手背向屏幕，拇指指向X軸的正向，食指指向Y 軸正向，彎曲其余三指垂直手掌，則中指指向為Z 軸正向。繪圖時還常常要判斷繞某個坐標軸的正旋轉方向，具體的判斷方法是，右手握住坐標軸使拇指指向坐標軸的正向，其余四指的彎曲方向即為繞該軸的正旋轉方向。

圖2 西南等軸側下三種不同的用戶坐標系

圖3 繞Z 軸旋轉得到的用戶坐標系

圖2 中所示的三種用戶坐標系均可通過繞Z 軸旋轉產生各種不同的用戶坐標系，如圖3 所示。除此之外，還可以通過繞X、Y 軸旋轉任意角得到各種不同的UCS，這樣可以靈活改變繪圖面，方便創建各種結構復雜、形式多變的零件三維模型。

設定用戶坐標系的方法還有很多，但最常用的就是通過移動坐標系原點或繞坐標軸旋轉而成，建立零件三維模型的過程也就是不斷改變用戶坐標系的過程，因此掌握用戶坐標系的設定方法至關重要。譬如，要繪制圖4 所示的零件，在進入三維繪圖狀態后，輸入“UCS”，“Y”，“-90”，回車，即通過旋轉軸的方式建立新用戶坐標系，該坐標系以正面為繪圖面，在此坐標系中繪出特征圖形，如圖5a 所示，此時三維繪圖就轉化成了二維繪圖。創建好基本形體后，要得到打孔效果，就需要重新設定用戶坐標系。

圖4 帶孔形體

圖5 UCS 的設定

具體設定方法如下：①輸入“UCS”，捕捉圖中A點，將當前坐標系移動至形體的前表面，繪圖面不變，繪出前表面上孔的特征圖形，如圖5b 所示。②輸入“UCS”，捕捉圖中B 點，將當前坐標系移動至形體的上表面。再輸入“UCS”，“Y”，“90”，回車，指定水平面為繪圖面，在此面上繪出孔的特征圖形，如圖5c 所示。③輸入“UCS”，捕捉圖中C 點，將當前坐標系移至形體的左側面。再輸入“UCS”，“x”，“90”，回車，指定側面為繪圖面并繪出孔的特征圖形，如圖5d 所示。④輸入“UCS”，捕捉圖中D 點，將當前坐標系移至形體的斜面上。再輸入“UCS”，“X”，“-45”，回車，指定傾斜面為繪圖面并繪出孔的特征圖形，如圖5e 所示。

在正確繪出各孔特征圖形的基礎上，通過其他三維操作，可以得到圖5 所示形體，在進行零件設計時，繪圖后常常還需要對圖形進行修改或在圖形上書寫文字、標注尺寸，這時仍然需要在以上用戶坐標系中完成，如果重新建立坐標系，既浪費時間也沒有必要，簡單起見，可以將所建立的用戶坐標系均保存下來，方便后期調用。在建立好一個用戶坐標系后，單擊“工具”，“命名UCS”，在彈出的“UCS”對話框中完成對用戶坐標系的保存，如圖6 所示。

圖6 UCS 命名對話框

2 基于UCS設計復雜機械零件實例

圖7 所示撥叉零件是機械行業的一種典型零件，其作用是推動滑動齒輪，在變速箱中起換擋作用。從其零件圖中可看出，撥叉的工作部分帶有矩形槽，支持部分帶有軸孔及帶孔的凸臺，連接部分帶有肋板結構，結構較為復雜，在設計創建撥叉零件三維模型時，可充分利用UCS 以簡化作圖過程。

圖7 撥叉實體圖

2.1 對撥叉的形體分析

分析撥叉零件圖可知，撥叉由工作部分（空心四棱柱）、連接部分（柱體和肋板）及帶有開孔凸臺的支持部分（空心圓柱體）構成。連接部分的柱體和圓桶在側面反映實形，肋板在正面方向反應實形，而空心四棱柱和圓桶上的凸臺與任何一個基本投影面都不平行。

2.2 應用UCS創建撥叉三維模型的方法

（1）切換至三維作圖模式

單擊“視圖”，“三維視圖”，“西南等軸側”，進入三維繪圖模式。此時，是默認三維世界坐標系。

（2）創建連接部分柱體和圓桶的模型

輸入“UCS”，“Y”，“-90”,回車，將側面設置為當前繪圖面。建立如圖8a 所示的用戶坐標系，在此坐標系下繪制（a）所示圖形，尺寸參考零件圖。再經過復制、剪切等操作得到8b、c 所示的圓桶及連接部分柱體的特征圖形。

運用“面域”、“差集”、“建模”，“拉伸”命令，繪制圓桶及連接部分柱體的三維模型，如圖9a、b 所示。再經過“移動”命令操作，得到圖9c 所示圖形。

圖8 圓桶及連接部分柱體的視圖

圖9 圓桶及連接部分柱體的三維實體

（3）創建空心四棱柱的模型

輸入“UCS”，用對象捕捉功能準確拾取連接部分柱體上的A 點，見圖6（c），將用戶坐標系移至A 點。輸入“UCS”，“X”，“-90”，回車，將正面設置為繪圖面。但由于空心四棱柱與正面并不平行，而是具有30°夾角，因此繼續輸入“UCS”,“Y”，“30”，回車，使繪圖面與正面夾角30°，得到需要的用戶坐標系，并在該用戶坐標系下繪出空心四棱柱的特征圖形，如圖10a所示，再對其進行“面域”，“拉伸”等操作，得到圖10b 所示三維圖形。

（4）依次創建肋板模型、凸臺模型、撥叉模型等，不再贅述。

（5）對撥叉進行消隱、著色處理

單擊“視圖”，“消隱”；“視圖”“視覺樣式”，“著色”，得到圖11 中的各圖形，顯然西北等軸側下更能清晰地反映凸臺的結構及位置。

圖10 添加了空心四棱柱的三維實體

3 應用UCS進行機械零件設計時的注意問題

（1）作圖、對形體進行移動、復制時為保證尺寸、位置的準確，可以通過輸入坐標值、利用對象捕捉、對象追蹤、極軸追蹤等功能進行準確定位，必要時也可以畫出少量的輔助線。

圖11 消隱、著色處理后的撥叉三維模型

（2）繪圖時為方便后期的調用、檢查和書寫文字等，可以將每次新建的UCS 命名并保存下來。為了使繪圖過程更簡單、方便，在新建UCS 時應充分考慮X、Y、Z 軸的正方向。

（3）零件上的一些輔助結構的尺寸在零件圖中并沒有直接標注，而是根據作圖確定的，如凸臺的厚度、連接部分的高度，在創建其三維實體時應注意尺寸的大小要取的合適，尺寸太小可能無法正確進行并集處理；尺寸太大差集處理后不能得到正確的實體圖形。

（4）要根據零件的具體結構、尺寸考慮對構成零件各部分的結構進行差、并、交集的順序，如凸臺上的盲孔一部分是在圓桶壁上形成的，因此作圖時應先將凸臺和圓桶作并集處理，再和盲孔進行差集處理，如果先將凸臺和盲孔進行差集，最后得到的實體中盲孔的深度就是錯誤的。

4 結語

建立正確的用戶坐標系是繪制零件三維模型的關鍵，通過繞坐標軸的旋轉定義繪圖表面，從而可以繪制不同方向的三維模型；改變坐標系原點實現坐標系的移動，能使繪圖更簡單、方便，隨著數控加工、仿真技術[6]等的不斷發展，未來創建零件的三維模型中UCS 必將體現出更大優勢。

[1]牛 青.AuotCAD 中的用戶坐標系及其在三維建模中的應用[J].甘肅聯合大學學報（自然科學版），2010,24（1）：83-87.

[2]馮 巖，王美蓉.機械制圖與CAD 繪圖[M].北京：北京郵電大學出版社，2013.

[3]周子立，郭吉平，祁 翔.AutoCAD 2008 高手成長手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4]劉 哲，劉宏麗.中文版AutoCAD 2006 實例教程[M].大連:大連理工大學出版社,2008.

[5]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，2011，46（2）：118-120.

[6]陳啟升.多連桿壓力機三維實體建模及運動仿真[J].鍛壓裝備與制造技術，2014，49（2）：15-17.