三維建模發(fā)展史

1、建模技術(shù)的發(fā)展史三維建模技術(shù)是研究在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行空間形體的表示、存貯和處理的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的軟件稱為三維建模工具。本課程主要培養(yǎng)運(yùn)用Pro/Engineer軟件表示和設(shè)計(jì)空間形體的能力。三維建模技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)描述物體形狀的技術(shù)。如何利用一組數(shù)據(jù)表示形體，如何控制與處理這些數(shù)據(jù)，是幾何造型中的關(guān)鍵技術(shù)。三維建模技術(shù)的研究和發(fā)展在CAD技術(shù)發(fā)展初期，CAD僅限于計(jì)算機(jī)輔助繪圖，隨著三維建模技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)才從二維平面繪圖發(fā)展到三維產(chǎn)品建模，隨之產(chǎn)生了三維線框模型、曲面模型和實(shí)體造型技術(shù)。而如今參數(shù)化及變量化設(shè)計(jì)思想和特征模型則代表了當(dāng)今CAD技術(shù)的發(fā)展方向。三維建模技術(shù)是伴隨CAD

2、技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的！三維建模技術(shù)的發(fā)展史1線框模型(WireFrameModel):20世紀(jì)60年代末開(kāi)始研究用線框和多邊形構(gòu)造三維實(shí)體，這樣地模型被稱為線框模型。三維物體是由它的全部頂點(diǎn)及邊的集合來(lái)描述，線框由此得名，線框模型就像人類的骨骼。優(yōu)點(diǎn)：有了物體的三維數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生任意視圖，視圖間能保持正確的投影關(guān)系，這為生產(chǎn)工程圖帶來(lái)了方便。此外還能生成透視圖和軸側(cè)圖，這在二維系統(tǒng)中是做不到的；構(gòu)造模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約計(jì)算機(jī)資源；學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單，是人工繪圖的自然延伸。缺點(diǎn)：因?yàn)樗岳饩€全部顯示，物體的真實(shí)感可出現(xiàn)二義解釋；缺少曲線棱廓，若要表現(xiàn)圓柱、球體等曲面比較困難；由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中缺少邊與面、面

3、與面之間的關(guān)系的信息，因此不能構(gòu)成實(shí)體，無(wú)法識(shí)別面與體，不能區(qū)別體內(nèi)與體外，不能進(jìn)行剖切，不能進(jìn)行兩個(gè)面求交，不能自動(dòng)劃分有限元網(wǎng)絡(luò)等等。2曲面模型(SurfaceModel)曲面模型是在線框模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加可形成立體面的各相關(guān)數(shù)據(jù)后構(gòu)成的。曲面模型的特點(diǎn)與線框模型相比，曲面模型多了一個(gè)面表，記錄了邊與面之間的拓?fù)潢P(guān)系。曲面模型就像貼付在骨骼上的肌肉。優(yōu)點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)面與面相交、著色、表面積計(jì)算、消隱等功能，此外還擅長(zhǎng)于構(gòu)造復(fù)雜的曲面物體，如模具、汽車、飛機(jī)等表面。缺點(diǎn)：只能表示物體的表面及邊界，不能進(jìn)行剖切，不能對(duì)模型進(jìn)行質(zhì)量、質(zhì)心、慣性矩等物性計(jì)算第二次技術(shù)革命實(shí)體造型系統(tǒng)進(jìn)入20世

4、紀(jì)80年代，CAD價(jià)格依然令一般企業(yè)望而卻步，這使得CAD技術(shù)無(wú)法擁有更廣闊的市場(chǎng)。由于表面模型技術(shù)只能表達(dá)形體的表面信息，難以準(zhǔn)確表達(dá)零件的其它特性，如質(zhì)量、重心、慣性矩等，對(duì)CAE十分不利。基于對(duì)CAD/CAE一體化技術(shù)發(fā)展的探索，SDRC公司在美國(guó)國(guó)家航空及宇航局(NASA)支持下于1979年發(fā)布了世界上第一個(gè)完全基于實(shí)體造型技術(shù)的大型CAD/CAE軟件I-DEAS。由于實(shí)體模型能精確表達(dá)零件的全部屬性，在理論上統(tǒng)一CAD/CAE/CAM帶來(lái)了CAD發(fā)展史上第二次技術(shù)革命。實(shí)體模型(SolidModel)：實(shí)體模型在表面看來(lái)往往類似于經(jīng)過(guò)消除隱藏線的線框模型在線框模型或經(jīng)過(guò)消除隱藏面的曲

5、面模型；但實(shí)體模型上如果挖一個(gè)孔，就會(huì)自動(dòng)生產(chǎn)一個(gè)新的表面，同時(shí)自動(dòng)識(shí)別內(nèi)部和外部；實(shí)體模型可以使物體的實(shí)體特性在計(jì)算機(jī)中得到定義。它有如下特性：它是一個(gè)全封閉（實(shí)體）的三維形體的計(jì)算機(jī)表示；具有完整性和無(wú)二義性；保證只對(duì)實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的零件進(jìn)行造型；零件不會(huì)缺少邊，面，也不會(huì)有一條邊穿入零件實(shí)體，因此，能避免差錯(cuò)和不可實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。提供高級(jí)的整體外形定義方法?？梢酝ㄟ^(guò)布爾運(yùn)算從舊模型得到新模型。實(shí)體模型：骨骼肌肉內(nèi)臟的完整人體第三次技術(shù)革命特征參數(shù)化技術(shù)20世紀(jì)80年代中晚期，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，硬件成本大幅度降低，CAD技術(shù)的硬件平臺(tái)成本從二十幾萬(wàn)美元降到只需幾萬(wàn)美元。很多中小型企業(yè)也開(kāi)始有能

6、力使用CAD技術(shù)。1988年，參數(shù)技術(shù)公司（ParametricTechnologyCorporation,PTC）采用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)和全參數(shù)化造型技術(shù)開(kāi)發(fā)了Pro/Engineer軟件，為三維實(shí)體造型提供了一個(gè)優(yōu)良的平臺(tái)。參數(shù)化（Parametric）造型的主體思想是用幾何約束、工程方程與關(guān)系來(lái)說(shuō)明產(chǎn)品模型的形狀特征，從而達(dá)到設(shè)計(jì)一系列在形狀或功能上具有相似性的設(shè)計(jì)方案。目前能處理的幾何約束類型基本上是組成產(chǎn)品形體的幾何實(shí)體公稱尺寸關(guān)系和尺寸之間的工程關(guān)系，因此參數(shù)化造型技術(shù)又稱尺寸驅(qū)動(dòng)幾何技術(shù)。帶來(lái)了CAD發(fā)展史上第三次技術(shù)革命。參數(shù)化設(shè)計(jì)是CAD技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中提出的課題，它不僅可

7、使CAD系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動(dòng)繪圖的功能。目前參數(shù)化技術(shù)大致可分為如下三種方法：（1）基于幾何約束的數(shù)學(xué)方法；（2）基于幾何原理的人工智能方法；（3）基于特征模型的造型方法（特征工具庫(kù)，包括標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)均可采用該項(xiàng)技術(shù)）。其中數(shù)學(xué)方法又分為初等方法（PrimaryApproach）和代數(shù)方法（AlgebraicApproach）o初等方法利用預(yù)先設(shè)定的算法，求解一些特定的幾何約束。這種方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但僅適用于只有水平和垂直方向約束的場(chǎng)合；代數(shù)法則將幾何約束轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程，形成一個(gè)非線性方程組。該方程組求解較困難，因此實(shí)際應(yīng)用受到限制；人工智能方法是利用專家系統(tǒng)，對(duì)圖形中的幾何關(guān)系

8、和約束進(jìn)行理解，運(yùn)用幾何原理推導(dǎo)出新的約束，這種方法的速度較慢，交互性不好。參數(shù)化系統(tǒng)的指導(dǎo)思想是：你只要按照系統(tǒng)規(guī)定的方式去操作，系統(tǒng)保證你生成的設(shè)計(jì)的正確性及效率性，否則拒絕操作。這種思路的副作用是：1）使用者必須遵循軟件內(nèi)在使用機(jī)制，如決不允許欠尺寸約束、不可以逆序求解等；2）當(dāng)零件截面形狀比較復(fù)雜時(shí)，將所有尺寸表達(dá)出來(lái)讓設(shè)計(jì)者為難；3）只有尺寸驅(qū)動(dòng)這一種修改手段，那么究竟改變哪一個(gè)（或哪幾個(gè)）尺寸會(huì)導(dǎo)致形狀朝著自己滿意方向改變呢？這并非容易判斷；4）尺寸驅(qū)動(dòng)的范圍亦是有限制的。如果給出了不合理的尺寸參數(shù)，使某特征與其它特征相干涉，則引起拓?fù)潢P(guān)系的改變。5）從應(yīng)用來(lái)說(shuō)，參數(shù)化系統(tǒng)特別適用

9、于那些技術(shù)已相當(dāng)穩(wěn)定成熟的零配件行業(yè)。這樣的行業(yè)，零件的形狀改變很少，經(jīng)常只需采用類比設(shè)計(jì)，即形狀基本固定，只需改變一些關(guān)鍵尺寸就可以得到新的系列化設(shè)計(jì)結(jié)果。第四次技術(shù)革命變量化技術(shù)參數(shù)化技術(shù)要求全尺寸約束，即設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)初期及全過(guò)程中，必須將形狀和尺寸聯(lián)合起來(lái)考慮，并且通過(guò)尺寸約束來(lái)控制形狀，通過(guò)尺寸改變來(lái)驅(qū)動(dòng)形狀改變，一切以尺寸（即參數(shù)）為出發(fā)點(diǎn)，干擾和制約者設(shè)計(jì)者創(chuàng)造力的及想象力的發(fā)揮。一定要求全尺寸約束嗎？欠約束能否將設(shè)計(jì)正確進(jìn)行下去？沿著這個(gè)思路，SDRC公司的開(kāi)發(fā)人員以參數(shù)化技術(shù)為藍(lán)本，提出了一種比參數(shù)化技術(shù)更為先進(jìn)的變量化技術(shù)，1993年推出全新體系結(jié)構(gòu)的I-DEASMsaterSeries軟件帶來(lái)了CAD發(fā)展史上第四次技術(shù)革命。變量化技術(shù)：我們?cè)谶M(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)時(shí)，總是希望零部件能夠讓我們隨心所欲地構(gòu)建，可以隨意拆卸，能夠讓我們?cè)谄矫娴娘@示器上，構(gòu)造出三維立體的設(shè)計(jì)作品，而且希望保留每一個(gè)中間結(jié)果，以備反復(fù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)使用。VGX（VariationalGeometryExtended超變量化幾何，SDRC公司推出）實(shí)現(xiàn)的就是這樣一種思想。變量化系統(tǒng)的指導(dǎo)思想是：1）設(shè)計(jì)者可以采用先形狀后尺寸的設(shè)計(jì)方式，允許采用不完全尺寸約束，只給出必要的設(shè)計(jì)條件，這種情況下仍能保證設(shè)計(jì)的正確性及效率性。2）造型過(guò)程是一個(gè)類似工程師在腦海里思考設(shè)計(jì)方案的過(guò)程