第1章 三维造型技术发展史

三维造型技术将物体的形状及属性存储在计算机内，形成三维几何模型，表达直观、充分、清楚，并广泛应用于工程设计和制造的各个领域。本课程主要培养运用Pro/Engineer软件表示和设计空间形体的能力。三维造型技术是利用计算机系统描述物体形状的技术。如何利用一组数据表示形体，如何控制与处理这些数据，是几何造型中的关键技术。1.1三维造型技术的产生及其特点1.CAD技术的产生CAD技术产生于20世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中，1989年，美国国家工程研究院将CAD技术评为1964－1989十项最杰出的工程技术成就之一。CAD在早期是英文ComputerAidedDrafting的缩写，随着计算机硬、软件技术的发展，人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计；真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等，二维工程图设计只是产品设计中一个小的部分；于是CAD的缩写词改为ComputerAidedDesign，CAD不再是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。CAPP现代产品开发过程图例概念设计工程绘图结构设计详细设计结构有限元分析机械系统动态分析（运动学分析、动力学分析）加工仿真生产过程仿真（数字化车间）现代产品开发过程图例2.CAD领域的主流技术•三维造型技术的研究和发展在CAD技术发展初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着三维造型技术的发展，CAD技术才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之产生了三维线框模型、曲面模型和实体造型技术。而如今参数化及变量化设计思想和特征模型则代表了当今CAD技术的发展方向。CAD技术是一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及许多学科领域，如计算机科学和工程，计算数学，计算几何、计算机图形显示、数据库技术、网络技术、仿真技术、人工智能学科和技术以及与各领域产品设计有关的专业知识等三维造型技术是伴随CAD技术的发展而发展的！1.2三维造型技术的发展史20世纪60年代末开始研究用线框和多边形构造三维实体，这样地模型被称为线框模型。线框模型的表示方法V1V4V2V3V5V8V6V7e1e2e3e4e5e6e7e8e9e10e11e12XYZ顶点表棱线表1.线框模型（WireFrameModel)线框模型的特点三维物体是由它的全部顶点及边的集合来描述，线框由此得名，线框模型就像人类的骨骼。优点：1)有了物体的三维数据，可以产生任意视图，视图间能保持正确的投影关系，这为生产工程图带来了方便。此外还能生成透视图和轴侧图，这在二维系统中是做不到的；2)构造模型的数据结构简单，节约计算机资源；3)学习简单，是人工绘图的自然延伸。缺点：1)因为所以棱线全部显示，物体的真实感可出现二义解释；2)缺少曲线棱廓，若要表现圆柱、球体等曲面比较困难；3)由于数据结构中缺少边与面、面与面之间的关系的信息，因此不能构成实体，无法识别面与体，不能区别体内与体外，不能进行剖切，不能进行两个面求交，不能自动划分有限元网络等等。目前许多CAD/CAM系统仍将此系统作为表面模型和实体模型的基础进入20世纪70年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造中出现了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方法来近似表达所要设计的曲面。由于三视图表达的不完整性，因此很难达到设计者的要求。此时法国人贝赛尔提出了Bezier算法，使得人们在用计算机处理曲面及曲线问题时变得可以操作。法国达索（Dssault）飞机制造公司开发了三维曲面造型系统CATIA带来了第一次CAD技术革命。曲面造型系统带来了技术革新，使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，许多车型的开发周期由原来的6年缩短只需约三年.2.第一次技术革命——曲面造型系统曲面模型是在线框模型的数据结构基础上，增加可形成立体面的各相关数据后构成的。曲面模型（SurfaceModel)V1V4V2V3V5V8V6V7e1e2e3e4e5e6e7e8e9e10e11e12XYZ曲面模型的表示方法F1F2F3F4F5F6表面表曲面模型的特点与线框模型相比，曲面模型多了一个面表，记录了边与面之间的拓扑关系。曲面模型就像贴付在骨骼上的肌肉。优点：能实现面与面相交、着色、表面积计算、消隐等功能，此外还擅长于构造复杂的曲面物体，如模具、汽车、飞机等表面。缺点：只能表示物体的表面及边界，不能进行剖切，不能对模型进行质量、质心、惯性矩等物性计算。常见曲面生成手段如生成平面、直纹面、柱状面等曲面a、延伸如生成圆柱面、球面、圆锥面、环面等回转面b、回转生成自由曲面如：Bezier曲面、B样条曲面、Coons曲面等c、蒙皮（放样）d、指定边界（cover）e、扫描曲面f、过渡g、等距进入20世纪80年代，CAD价格依然令一般企业望而却步，这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利。基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司在美国国家航空及宇航局(NASA)支持下于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件——I-DEAS。由于实体模型能精确表达零件的全部属性，在理论上统一CAD/CAE/CAM——带来了CAD发展史上第二次技术革命。3.第二次技术革命——实体造型系统实体模型在表面看来往往类似于经过消除隐藏线的线框模型在线框模型或经过消除隐藏面的曲面模型；但实体模型上如果挖一个孔，就会自动生产一个新的表面，同时自动识别内部和外部；实体模型可以使物体的实体特性在计算机中得到定义。它有如下特性：1.它是一个全封闭(实体）的三维形体的计算机表示；2.具有完整性和无二义性；3.保证只对实际上可实现的零件进行造型；零件不会缺少边，面，也不会有一条边穿入零件实体，因此，能避免差错和不可实现的设计。4.提供高级的整体外形定义方法。可以通过布尔运算从旧模型得到新模型实体模型（SolidModel)实体模型和线框模型实体模型：骨骼＋肌肉＋内脏的完整人体实体模型表示方法边界表示法（BoundryRepresentation）简称B-Reps建构实体几何法（ConstructiveSolidGeometry）简称CSG实体模型的两种表示方法边界表示法（B-Reps）边界表示按照体－面－环－边－点的层次，详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息及其相互连接的拓扑关系。在进行各种运算和操作中，就可以直接取得这些信息V1S1f1f2L1L2e1e2e3e4v2v3v4v1v1v2v3v4...............VolumeShellFaceLoopEdgeVertexe1e2e3e4v1v2v3v4e5e5f1f2f3f4f5f6V1S1边界表示法（B-Reps）在Por/E中，实体造型的制作方法有拉伸、旋转、扫描，混合图中，实体模型包含：•环形扫描（CircleSweeping）：在Pro/E中称“旋转”（Revolution）•线性扫描（LinearSweeping）：在Pro/E中称“拉伸”（Exrude）•路径扫描（Sweep）：在Pro/E中称“伸出项”•混合扫描（SweepBlend）：混合扫描即针对可变截面（剖面）的扫描，是用于同一路径，但路径中每段截面的形状不同，或截面轮廓为渐缩或渐增的状况。（1）表示形体的点、边、面等几何元素是显式表示的，使得绘制Brep表示的形体的速度较快，而且比较容易确定几何元素间的连接关系；（2）容易支持对物体的各种局部操作，比如进行倒角，我们不必修改形体的整体数据结构，而只需提取被倒角的边和与它相邻两面的有关信息，然后，施加倒角运算就可以了；（3）便于在数据结构上附加各种非几何信息，如精度、表面粗糙度等。由于Brep表示覆盖域大，原则上能表示所有的形体，而且易于支持形体的特征表示等，Brep表示已成为当前CAD/CAM系统的主要表示方法。B-Reps法的优点B-Reps法的缺点（1）数据结构复杂，需要大量的存储空间，维护内部数据结构的程序比较复杂；（2）B-Reps表示不一定对应一个有效形体，通常运用欧拉操作来保证B-Reps表示形体的有效性、正则性等。建构实体几何法CSG•构造实体几何（CSG）表示是通过对体素定义运算而得到新的形体的一种表示方法，体素可以是立方体、圆柱、圆锥等，其运算为变换或正则集合运算并、交、差。•CSG表示可以看成是一棵有序的二叉树。建构实体几何法CSG机械零件和机械产品的几何形状多数是由立方体和圆柱体等简单几何形体组合而成的。所谓CSG法，就是将一些基本的立体组成图形，例如，立方体、锥体、圆柱、球体等，互相重叠放置在一起；然后，剪去或拟和重复的部分即可。基本的CSG立体实体布尔运算在利用CSG进行组合构成新的几何形体时，要在这些CSG之间进行所谓的并集（Union）、差集（Subtract）、交集（Intersection）等几何逻辑运算，理论上称为“布尔运算”CSG表示的优点•1)数据结构比较简单，数据量比较小，内部数据的管理比较容易；•2)CSG表示可方便地转换成边界（Brep）表示；•3)CSG方法表示的形体的形状，比较容易修改。CSG表示的缺点•1)对形体的表示受体素的种类和对体素操作的种类的限制，也就是说，CSG方法表示形体的覆盖域有较大的局限性；•2)对形体的局部操作不易实现，例如，不能对基本体素的交线倒圆角；•3)由于形体的边界几何元素（点、边、面）是隐含地表示在CSG中，故显示与绘制CSG表示的形体需要较长的时间。20世纪80年代中晚期，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度降低，CAD技术的硬件平台成本从二十几万美元降到只需几万美元。很多中小型企业也开始有能力使用CAD技术。1988年，参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，PTC)采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术开发了Pro/Engineer软件，为三维实体造型提供了一个优良的平台。参数化（Parametric）造型的主体思想是用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一系列在形状或功能上具有相似性的设计方案。目前能处理的几何约束类型基本上是组成产品形体的几何实体公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系，因此参数化造型技术又称尺寸驱动几何技术。带来了CAD发展史上第三次技术革命。4.第三次技术革命——特征参数化技术参数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前参数化技术大致可分为如下三种方法：（1）基于几何约束的数学方法；（2）基于几何原理的人工智能方法；（3）基于特征模型的造型方法（特征工具库，包括标准件库均可采用该项技术）。其中数学方法又分为初等方法（PrimaryApproach）和代数方法（AlgebraicApproach）。初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。这种方法简单、易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束的场合；代数法则将几何约束转换成代数方程，形成一个非线性方程组。该方程组求解较困难，因此实际应用受到限制；人工智能方法是利用专家系统，对图形中的几何关系和约束进行理解，运用几何原理推导出新的约束，这种方法的速度较慢，交互性不好。参数化系统的指导思想是：你只要按照系统规定的方式去操作，系统保证你生成的设计的正确性及效率性，否则拒绝操作。这种思路的副作用是：1）使用者必须遵循软件内在使用机制，如决不允许欠尺寸约束、不可以逆序求解等；2）当零件截面形状比较复杂时，将所有尺寸表达出来让设计者为难；3）只有尺寸驱动这一种修改手段，那么究竟改变哪一个(或哪几个)尺寸会导致形状朝着自己满意方向改变呢？这并非容易判断；4）尺寸驱动的范围亦是有限制的。如果给出了不合理的尺寸参数，使某特征与其它特征相干涉，则引起拓扑关系的改变。5）从应用来说，参数化系统特别适用于那些技术已相当稳定成熟的零配件行业。这样的行业，零件的形状改变很少，