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)是研究在計算機上進行空間形體的表示、存貯和處理的技術(shù)。實現(xiàn)這項技術(shù)的軟件稱為三維建模工具。本課程主要培養(yǎng)運用Pro/Engineer軟件表示和設(shè)計空間形體的能力。三維建模技術(shù)是利用計算機系統(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僅限于計算機輔助繪圖，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、曲面模型和實體造型技術(shù)。而如今參數(shù)化及變量化設(shè)計思想和特征模型則代表了當今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60年代末開始研究用線框和多邊形構(gòu)造三維實體，這樣地模型被稱為線框模型。三維物體是由它的全部頂點及邊的集合來描述，線框由此得名，線框模型就像人類的骨骼。優(yōu)點：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)簡單，節(jié)約計算機資源；學習簡單，是人工繪圖的自然延伸。缺點：因為所以棱線全部顯示，物體的真實感可出現(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)成實體，無法識別面與體，不能區(qū)別體內(nèi)與體外，不能進行剖切，不能進行兩個面求交，不能自動劃分有限元網(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。曲面模型的特點與線框模型相比，曲面模型多了一個面表，記錄了邊與面之間的拓撲關(guān)系。曲面模型就像貼付在骨骼上的肌肉。優(yōu)點：能實現(xiàn)面與面相交、著色、表面積計算、消隱等功能，此外還擅長于構(gòu)造復雜的曲面物體，如模具、汽車、飛機等表面。缺點：只能表示物體的表面及邊界，不能進行剖切，不能對模型進行質(zhì)量、質(zhì)心、慣性矩等物性計算第二次技術(shù)革命實體造型系統(tǒng)進入20世

4、紀80年代，CAD價格依然令一般企業(yè)望而卻步，這使得CAD技術(shù)無法擁有更廣闊的市場。由于表面模型技術(shù)只能表達形體的表面信息，難以準確表達零件的其它特性，如質(zhì)量、重心、慣性矩等，對CAE十分不利?；趯AD/CAE一體化技術(shù)發(fā)展的探索，SDRC公司在美國國家航空及宇航局(NASA)支持下于1979年發(fā)布了世界上第一個完全基于實體造型技術(shù)的大型CAD/CAE軟件I-DEAS。由于實體模型能精確表達零件的全部屬性，在理論上統(tǒng)一CAD/CAE/CAM帶來了CAD發(fā)展史上第二次技術(shù)革命。實體模型(SolidModel)：實體模型在表面看來往往類似于經(jīng)過消除隱藏線的線框模型在線框模型或經(jīng)過消除隱藏面的曲

5、面模型；但實體模型上如果挖一個孔，就會自動生產(chǎn)一個新的表面，同時自動識別內(nèi)部和外部；實體模型可以使物體的實體特性在計算機中得到定義。它有如下特性：它是一個全封閉（實體）的三維形體的計算機表示；具有完整性和無二義性；保證只對實際上可實現(xiàn)的零件進行造型；零件不會缺少邊，面，也不會有一條邊穿入零件實體，因此，能避免差錯和不可實現(xiàn)的設(shè)計。提供高級的整體外形定義方法?？梢酝ㄟ^布爾運算從舊模型得到新模型。實體模型：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80年代中晚期，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，硬件成本大幅度降低，CAD技術(shù)的硬件平臺成本從二十幾萬美元降到只需幾萬美元。很多中小型企業(yè)也開始有能

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)庫和全參數(shù)化造型技術(shù)開發(fā)了Pro/Engineer軟件，為三維實體造型提供了一個優(yōu)良的平臺。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)系來說明產(chǎn)品模型的形狀特征，從而達到設(shè)計一系列在形狀或功能上具有相似性的設(shè)計方案。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)動幾何技術(shù)。帶來了CAD發(fā)展史上第三次技術(shù)革命。參數(shù)化設(shè)計是CAD技術(shù)在實際應(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，包括標準件庫均可采用該項技術(shù)）。其中數(shù)學方法又分為初等方法（PrimaryApproach）和代數(shù)方法（AlgebraicApproach）o初等方法利用預先設(shè)定的算法，求解一些特定的幾何約束。這種方法簡單、易于實現(xiàn)，但僅適用于只有水平和垂直方向約束的場合；代數(shù)法則將幾何約束轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程，形成一個非線性方程組。該方程組求解較困難，因此實際應(yīng)用受到限制；人工智能方法是利用專家系統(tǒng)，對圖形中的幾何關(guān)系

8、和約束進行理解，運用幾何原理推導出新的約束，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)在使用機制，如決不允許欠尺寸約束、不可以逆序求解等；2）當零件截面形狀比較復雜時，將所有尺寸表達出來讓設(shè)計者為難；3）只有尺寸驅(qū)動這一種修改手段，那么究竟改變哪一個（或哪幾個）尺寸會導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，則引起拓撲關(guān)系的改變。5）從應(yīng)用來說，參數(shù)化系統(tǒng)特別適用

9、于那些技術(shù)已相當穩(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，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)計者在設(shè)計初期及全過程中，必須將形狀和尺寸聯(lián)合起來考慮，并且通過尺寸約束來控制形狀，通過尺寸改變來驅(qū)動形狀改變，一切以尺寸（即參數(shù)）為出發(fā)點，干擾和制約者設(shè)計者創(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)計正確進行下去？沿著這個思路，SDRC公司的開發(fā)人員以參數(shù)化技術(shù)為藍本，提出了一種比參數(shù)化技術(shù)更為先進的變量化技術(shù)，1993年推出全新體系結(jié)構(gòu)的I-DEASMsaterSeries軟件帶來了CAD發(fā)展史上第四次技術(shù)革命。變量化技術(shù)：我們在進行機械設(shè)計和工藝設(shè)計時，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，能夠讓我們在平面的顯示器上，構(gòu)造出三維立體的設(shè)計作品，而且希望保留每一個中間結(jié)果，以備反復設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計時使用。VGX（VariationalGeometryExtended超變量化幾何，SDRC公司推出）實現(xiàn)的就是這樣一種思想。變量化系統(tǒng)的指導思想是：1）設(shè)計者可以采用先形狀后尺寸的設(shè)計方式，允許采用不完全尺寸約束，只給出必要的設(shè)計條件，這種情況下仍能保證設(shè)計的正確性及效率性。2）造型過程是一個類似工程師在腦海里思考設(shè)計方案的過程