CAD三維模型的計算機生成技術及其應用

1、文章編號 :10044736(2002 03008904CAD 三維模型的計算機生成技術及其應用鄭芙蓉 , 何翔(中南民族大學電信工程學院 , 湖北 武漢 430074摘要 :介紹了 3D 模型的種類 , 探討了利 用 A utoCA D 2000建 立三維計算機模型 的基本方法 , 闡述了三維造 型技術在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的重要作用及其發(fā)展 趨勢 .關鍵詞 :CA D ; 三維模型 ; CA M ; R PM中圖分類號 :T P 391 文獻標識碼 :B收稿日期 :20020303基金項目 :國家民委科研基金資助項目 (M Y Z99001 .0引言隨著全球市場一體化的形成 , 制造業(yè)的競爭十分激

2、烈 , 產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為市場競爭的主要矛盾 . 在這種情況下 , 自主快速產(chǎn)品開發(fā)的能力 , 成為制造業(yè)全球競爭的實力基礎 . CAD 及其技 術 的 集 成 化 CAD/CAE/CAPP/CAM /CAQ/PDM /ERP 為工程設計奠定了堅實的基礎 . 采用CAD 系統(tǒng)進行工程設計時 , 構造設計對象的三維計算機模型是一項非常重要的工作 . 利用所建立的三維計算機模型 , 可對零件進行質(zhì)量特性分析 ,運動分析、 干涉分析等處理 , 如果將三維計算機模型的具有真實感的圖像動態(tài)或靜態(tài)地顯示在屏幕上 , 設計者就可根據(jù)客戶或設計需要進行修改 , 直至滿意為止 . 另外 , 隨著現(xiàn)代集成制造

3、技術的高速發(fā)展 , 智能加工的不斷提高 , 對于從三維實體建立起來的參數(shù)化特征模型 , 利用 CAD 系統(tǒng)中的 NC模塊 , 可直接從產(chǎn)品的數(shù)字定義產(chǎn)生加工指令 , 實現(xiàn) CAD /CAM 集成 . 所以 , 采用 CAD 系統(tǒng)構造設計對象的三維計算機模型是一項非常重要的基礎工作 .1三維計算機模型的類型及造型方法1. 1三維計算機模型的類型目 前 CAD 軟 件 普及 面 最廣 的是 美 國 Au-todesk 公司推出的 AutoCAD , 還有不少國內(nèi)開發(fā)的 CAD 軟件 , 如開目、 凱圖、 高華 等 . 利用 Auto-CAD2000可以創(chuàng) 建多種三維模型 (3D Models ,歸

4、納起來 , 主要有以下三種類型 1, 2:(1 線框模型(Wireframe Models :線框模 型是三維對象 的輪廓描述 , 沒有面和體的特征 , 能簡單表達物體 , 應 用較少 . (2 表面模型 (Surface M odels :表 面模 型不僅定義了三維模型的輪廓邊界 , 而且定義了 目標對象的表面 , 所以 , 表面模型具有面的特征 . 但該面沒有厚度 , 實際上是空殼 , 可進行消隱等處 理 . (3 實體模型 (Solid M odels :三維實體造型從 體的概念出發(fā) , 以充分的幾何信息和拓撲信息描 述物體 , 不僅描述零件的輪廓和表面 , 而且描述實 體信息 , 可以

5、對他們進行各種編輯操作 , 如挖孔、 倒角以及布爾運算 , 還可以分析實體模型的質(zhì)量 特征 , 如體積、 重心、 轉動慣量等 , 此外還能將構成 實體模型的數(shù)據(jù)生成 NC 代碼 , 產(chǎn)生加工指令 . 實 體模型看起來與表面模型很相似 , 但其內(nèi)部是實 體 , 只有它最能表達生活中的物體 .1. 2三維模型造型方法利用 AutoCAD 構造復雜的三維實體的方法 主要有以下兩種 :(1 首先利用主菜單“ 繪制” 的下拉菜單“ 實 體” 下的各子菜單 , 生成各種基本的三維實體 , 如 圓柱體、 球體等 , 再對他們進行布爾運算來構造三 維實體模型 .(2 先畫出構造模型所需要的二維圖形 , 再 利

6、用拉伸、 旋轉的方法來生成三維實體模型 . 對已生成的三維模型仍需進行進一步的編輯 操作 , 才能得到復雜的所需的模型 . 這些編輯操作 包括倒直角 (Chamfer 、 切開實心體 (Slice 、 旋轉 及三種布爾運 算等 . 用 AutoCAD 完成三 維造型 后 , 表現(xiàn)出來的只是一些線條 , 缺乏真實感 , 可根 據(jù)需要 , 進行渲染 , 給它設定材料、 光源、 設 置背 景 , 最后著色得到真實感很強的三維模型圖像 . 第 24卷 第 3期武漢化工學院學報 V ol. 24 N o. 32002年 9月 J. W uhan Inst. Chem. T ech. Sep. 20022

7、 CAD 三維模型的應用隨著 CAD 技術的發(fā)展與普及 , CAD 三維造 型技術也得到了廣泛的應用 , 依此技術產(chǎn)生的三 維模型在智能化生產(chǎn)中起著重要的作用 .2. 1在計算機輔助制造 (CAM 中的應用 計算機 輔助制造 3, 4是利用 CAD 、 CAPP 的 信息在 數(shù)控加工設備 上實現(xiàn)制 造自動 化 . CAM 的主要任務是選擇加工工具、 生成加工路徑、 配置 加工驅動、 仿真加工過程等 , 以滿足小批量、 高精 度、 短周期和加工一致性要求高的產(chǎn)品制造的需 要 . 現(xiàn)代的 CAM 技術已經(jīng)成為 CAX 體系的重要 組成部分 , 與 CAD 系統(tǒng)集成在一起 , 直接在 CAD 建立起

8、來的參數(shù)化、 全相關的三維幾何模型 (實體 +曲面 上進行加工編程 , 生成正確的加工軌跡 . 計算機圖形專家孫家廣教授指出 :隨著 CAD 技 術的 普 及及 應 用 越來 越 廣 泛 , 越 來 越 深入 , CAD 技術正向著開放、 集成、 智能和標準化的方 向 發(fā)展 5. 這在 很 大 程度 上 說 明了 當 今 CAD / CAM 的發(fā)展趨勢 . 首先 , 開放性是決定一個系統(tǒng) 能否真正達到實用化并轉化為現(xiàn)實生 產(chǎn)力的基 礎 , 這主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的工作平臺、 用戶接口、 應 用開發(fā)環(huán)境與其它系統(tǒng)的信息交換等方面 . 所謂 集成就是向企業(yè)提供一體化的解決方案 . 并行工 程是一種集成

9、, 企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 (PDM 也是 一種集成 6. 通過集成能最大限度地實現(xiàn)企業(yè)信 息共享 , 建立新的企業(yè)運行機制 , 提高生產(chǎn)效率 . 這種生產(chǎn)組織的集成化和自動化對 CAD 三維造 型技術提出了更高的要求 , 也促使了建模技術的 不斷發(fā)展 .2. 2在快速原型 /零件制造技術 (RPM 中 的應用RPM 技術 78是由 CAD 模型直接驅動的快 速制造任意復雜形狀三維實體的技術總稱 . 快速 原型技術采用離散 /堆積成型原理 , 其過程是 :先 由三維 CAD 軟件設計出所需要零件的計算機三 維曲面或實體模型 (亦稱電子型 ; 然后根據(jù)工藝 要求 , 將其按一定厚度進行分層 , 使原

10、來的三維電 子模型變成二維平面信息 (截面信息 , 即離散的 過程不同地將分層后的數(shù)據(jù)進行一定的處理 , 加 入加工參數(shù) , 產(chǎn)生數(shù)控代碼 ; 在微機控制下 , 數(shù)控 系統(tǒng)以平面加工方式 , 有序地連續(xù)加工出每個薄 層 , 并使它們自動粘接而成形 , 這就是材料堆積的 過程 .RPM 在快速產(chǎn)品開發(fā)中的關鍵作用和重要 迅速地將展示于計算機屏幕上的設計變?yōu)榭蛇M一 步評估的實物 . 根據(jù)原形 , 可對設計的正確性、 造 型合理性、 可裝配和干涉進行具體的檢驗 . 一般來 說采用 RPM 產(chǎn)品開發(fā)技術 , 可減少產(chǎn)品開發(fā)成 本 30%70%, 減少開發(fā)時間 50%.CAD 技術是 RPM 技術產(chǎn)生的

11、前提和基礎 , CAD 技術的產(chǎn)生 和發(fā)展不僅為人們迅速地進行顯示和修改設計提 供了簡便易行的手段 , 更重要的是 , 這種方法可以 使人們得到完整的數(shù)據(jù) , 便于修改和進一步的處 理 . CAD 是實現(xiàn) RPM 的前提 , 在應用上 CAD 建 模往往是 RPM 推廣應用的瓶頸 .2. 3在虛擬現(xiàn)實 (VR 中的應用虛擬現(xiàn)實包括基于圖像處理的全景攝影技術 和基于 3D 造型技術的虛擬現(xiàn)實 . 其實 , 全景攝影 并不是真正意義上的 3D 圖形技術 , 比較實用但 交互性有限 . 虛擬現(xiàn)實 911是一項與多媒體技術 密切相關的邊緣技術 , 它通過綜合應用計算機圖 像處理、 模擬與仿真、 顯示系

12、統(tǒng)等技術和設備 , 以 模擬仿真的方式 , 給用戶提供一個真實反映操作 對象變化與相互作用的三維圖像環(huán)境 . 虛擬現(xiàn)實 技術用于 CAD, 使 CAD 技術主要在兩個方面得 到提高 :一是更逼真地看到正在設計的產(chǎn)品及其 開發(fā)過程 , 以便從多方面觀察和評審所設計的產(chǎn) 品 ; 另一方面是提高交互能力 , 使用不同的虛擬工 具來扭曲、 擠壓和拉伸物體 , 虛擬地切削或擠壓材 料 , 使設計人員可直接在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品 , 而無需耗費材料或占用寶貴的加工設備 .目前 , 整個世界的制造業(yè)生產(chǎn)能力過剩 , 對那 些迅速發(fā)展的企業(yè) , 更多的是考慮通過專業(yè)化的 協(xié)作 , 實現(xiàn)世界級的制造和供應網(wǎng)絡

13、. 因此 , 在充 分利用信息技術的前提下 , 虛擬工廠的實現(xiàn)成為 可能 . 例如 , 在美國通用汽車公司的生產(chǎn)過程中 , 大量的零部件生產(chǎn)、 裝配都通過“ 虛擬工廠” 、 “ 動 態(tài)企業(yè)聯(lián)盟” 的方式完成 , 本企業(yè)只負責產(chǎn)品總體 設計和生產(chǎn)少數(shù)零部件 , 并最終完成產(chǎn)品的裝配 . CAD 三維模型設計廣泛應用于機械、 建筑、 三維動畫、 3dWeb 等領域 , 發(fā)展前景非常廣闊 , 產(chǎn) 生的社 會效益非常 巨大 . 例 如 , 12波音 757、 767的設計制造周期在過去為 910年 , 但波音公司 通過使用 CAX 技術和 PDM 技術 , 實現(xiàn)了從傳統(tǒng) 二維工程圖到 CAD/CAM

14、產(chǎn)品三維建模質(zhì)的飛 躍 , 完全實現(xiàn)無圖紙的設計和全數(shù)字化制造 , 使波 音 777在 4. 5年的周期內(nèi)完成了設計制造 , 而每 架波音 777要價達 1. 4億美元 , 企業(yè)因而獲得巨90武漢化工學院學報 第 24卷3三維造型技術的發(fā)展建模技術是 CAD 的核心 技術 , 建模技 術的 研究、 發(fā) 展和應用 , 就代表了 CAD 技術的研究、 發(fā)展和應用 . 隨著計算機軟、 硬件技術 的飛速發(fā) 展 , CAD 技術從二維平面繪圖發(fā)展到三維產(chǎn)品建 模 , 隨之也就產(chǎn)生了三維線框造型、 曲面造型以及 實體造型技術 . 而如今參數(shù)化、 變量化設計思想和 特征造型以及產(chǎn)品集成建模則代表了當今 CA

15、D 技術的發(fā)展方向 .3. 1參數(shù)化設計、 變量化設計隨著幾何建模技術 的發(fā)展和實際應用 的要 求 , 到 80年代后期又出現(xiàn)了參數(shù)化和變量化的建 模技術 . 參數(shù)化建模技術 13一般是指設計對象的 結構形狀比較定型 , 可以用一組參數(shù)來約定尺寸 關系 , 參數(shù)的求解較簡單 , 參數(shù)與設計對象的控制 尺寸有顯式對應關系 , 設計結果的修改受尺寸驅 動 . 生產(chǎn)中最常用的系列化標準件就是屬于這一 類型 , 這種 CAD 系統(tǒng)最早推出的是 PTC 公司的 Pro /Engineer . 變量化設計 14, 15是指 設計對象 的 修改需要更大的自由度 , 通過求解一組約束方程 來確定產(chǎn)品的尺寸和形

16、狀 . 約束方程可以是幾何 關系 , 也可以是工程計算條件 , 設計結果的修改受 約束方程的驅動 . 變量化設計可以用于公差分析、 運動機構協(xié)調(diào)、 設計優(yōu)化、 初步方案設計選型等 , 在做概念設計時 , 尤其顯示出它的優(yōu)越性 . 變量化 建模的代表是 SDRC 公司的 VGX . VGX 為 CAD 軟件帶來了空前的易用性 , 使設計人員可以非常 直觀地、 實時地進行產(chǎn)品三維幾何模型的操作和 修改 .3. 2特征造型技術特征造型 16, 17是 CAD 建模方法的一個新發(fā) 展 , 它是在 CAD /CAM 技術的發(fā)展和應用達到一 定的水平 , 要求進一步提高生產(chǎn)組織的集成化和 自動化程度的歷史

17、進程中孕育發(fā)展起來的 . 特征 建模不僅僅描述產(chǎn)品的幾何信息 , 而是著眼于更 好地表達產(chǎn)品完整的功能和生產(chǎn)管理信息 , 為建 立產(chǎn)品的集成信息模型服務 . 特征包含了產(chǎn)品的 特定幾何形狀、 拓撲關系、 典型功能、 繪圖表示方 法、 制造技術和公差要求等 . 特征的引用直接體現(xiàn) 了設計意圖 , 使得建立的產(chǎn)品模型更容易為人理 解和組織生產(chǎn) , 為開發(fā)新一代的基于統(tǒng)一產(chǎn)品信 息模型的 CAD/CAPP/CAM 集成系統(tǒng)創(chuàng)造了前 提條件 .3. 3產(chǎn)品集成建模 CAD /CAM 領域 , 成為產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的關鍵技 術 . 從而提出了面向產(chǎn)品生命周期的關系型產(chǎn)品 模型的概念 18, 19. 由此

18、, 才 能較好地解決信 息在 設計、 制造和檢驗及裝配等環(huán)節(jié)的共享問題 , 完整 地描述產(chǎn)品在概念設計 裝配設計 零件設計全過 程中的各種屬性和相互關系 , 實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期 中的內(nèi)部描述信息 (如產(chǎn)品設計、 計劃、 加工和檢 驗等方面 和外部過程信息 (如內(nèi)部描述信息所依 賴的環(huán)境、 知識和規(guī)劃等 的集成 . 這種產(chǎn)品集成 建模技術仍在研究中 .21世紀是網(wǎng)絡的時代 , 網(wǎng)絡環(huán)境下 的 CAD 系統(tǒng) (NAD 的開發(fā)和應用必將成為網(wǎng)絡時代一 個新的發(fā)展趨勢 . 它對三維造型技術提出了更高 的要求 :產(chǎn)品設計模型要面向產(chǎn)品的全生命周期 , 設計過程要支持并行工程 20, 要支持動態(tài)建模 , 支

19、持面向產(chǎn)品過程及性能設計的建模 .4結語通過對三維模型計算機生成技術的應用及其 發(fā)展趨勢的分析可知 , 隨著現(xiàn)代集成制造 (CIM 、 信息集成、 并行工程、 虛擬制造和敏捷制造技術的 飛速發(fā)展 , 三維造型技術發(fā)揮著越來越重要的作 用 , 它是真正解決產(chǎn)品設計問題 , 實現(xiàn)企業(yè)信息化 的重要基礎 . 三維造型技術的研究和軟件開發(fā) , 對 促進現(xiàn)代集成制造技術的發(fā)展有著深遠的影響 .參考文獻 :1 美 R alph Gr abow ski 著 . A ut oCAD 2000使 用 指南 M . 北京 :機械工業(yè)出版社 , 2000.2顏國忠 , 韋文斌 . 圖形圖象動畫 專家 A uto C

20、A D 三維 設計與實例 M .北京 :電子工業(yè)出版社 , 2000. 3戴同 . CIM S 系列培訓教 材 CAD /CA PP /CAM 基 本教程 M .北京 :機械工業(yè)出版社 , 1997.4李健 . 迎接制造業(yè) 信息化的春天 J.計算機輔助 設計與制造 , 2002, (5 :89.5孫 家廣 . CA D 賦予 “ 創(chuàng) 新” 新概念 N . 計算機 世界 報 . 2001719.6吳 海曙 , 劉 曉平 . P DM 系統(tǒng)在制 造業(yè)中的 應用分析 J . 計算機輔 助設計與制造 , 2002, (5 :1517. 7 揚繼全 , 侯 麗雅 . 快速 成型技 術在 集成 制造及 微

21、機 械制造中的應用 J.機械制造 , 2002, (1 :7. 10 8顏永年 . 快速 成型技術 發(fā)展的 新趨勢 J.計 算機輔 助設計與制造 , 2002, (3 :59.9 V aler ie D . Distribut ed vitual reality J . IEE . Co m-puter G raphics and A pplicatio n, 1997, 1317.10梁 艷霞 , 聶如 春 . 基 于虛擬現(xiàn)實 技術的計 算機輔助 概念設計 J .機械工程師 , 2002, (4 :810.的 J 91第 3期 鄭芙蓉 等 :CAD 三維模型的計算機生成技術及其應用計算機輔助

22、設計與制造 , 2001, (11 :911.12 PT C 公司 信 息 化 論 談 . 信 息 化 帶 動 傳統(tǒng) 制 造 業(yè) CPC 創(chuàng) 造價值與商機 J. 計 算機輔助設計 與制造 2002, (5 :1517.13張 峰 , 李兆 前 , 黃傳 真 . 參數(shù) 化設 計的 研究 現(xiàn)狀 與發(fā)展趨勢 J.機械工程師 , 2002, (1 :1315. 14劉文 劍 . 產(chǎn)品自 頂向 下設計 的研 究現(xiàn) 狀及發(fā) 展方 向 J .計 算 機 集 成 制 造 系 統(tǒng) CIM S , 2002, (1 :17.15胡愛武 , 傅志 紅 . 產(chǎn)品 綠色設計概 念及其發(fā) 展 J. 機械設計與制造工程 , 2002, (3 :79.16 Bidarr ab , Br onsvo ort W . Semantic feat ur e modeling J.Co mputer A ided D esig n, 2000, 32(14 :201225.17陳英莫 , 肖志 華 , 陳敏 . 21世紀 初期 機械制 造業(yè) 發(fā)展的趨勢 J. 機械制造 , 2002, (4 :2022. 18王建民 ,