三維模型設計方法三維模型設計方法

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項目二

三維工程設計《快速成型技術與應用》2-1三維模型設計方法本節(jié)學習目標了解產品三維模型設計的幾種方式了解目前市場上主要的3D建模軟件河南工業(yè)職業(yè)技術學院構造三維模型模型近似處理成型方向選擇切片處理前處理分層疊加成型后處理光固化快速成型－SLA疊層實體制造－LOM選擇性激光燒結－SLS熔融沉積制造－FDM工件剝離或去支撐等強硬化處理表面處理快速成型制作過程快速成型的前處理設計過程先通過計算機軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。什么是產品三維模型設計？就是利用三維制作軟件通過虛擬三維空間構建出具有三維數據的模型。河南工業(yè)職業(yè)技術學院一、構建三維模型的三種方式：1.利用3D建模軟件構建模型2.基于圖像構建3D模型3.利用3D掃描儀構建3D模型（逆向設計）1.利用3D建模軟件構建模型

目前市場上有很多3D建模軟件，其中包括SketchUp、Blender、3Done等開源的3D建模產品，以及CAD、3DMax、pro/E、maya等商業(yè)軟件。它們專注于不同的領域，例如CAD主要應用于工業(yè)設計、而maya則主要應用于動畫、影視方面。

具體步驟：（1）建立工作空間的坐標系（包括原點，坐標軸和基準平面）；（2）在草繪平面繪制模型的特征截面或掃描軌跡，并根據參照平面放置特征截面的各圖形元素；（3）對二維特征截面進行拉伸，旋轉，掃描等操作，可生成三維模型的基礎特征。

特征是構成三維模型的基礎，各種各樣的三維模型就是由不同的特征按照一定的設計要求進行組合所形成的集合體。工業(yè)設計類軟件市面上的三維軟件分為兩種類型，一種屬于藝術創(chuàng)作設計用，另一種屬于工業(yè)設計用。這之間有著很大的區(qū)別：設計

螺桿螺母（UG）設計方法與步驟:步驟一：創(chuàng)建螺桿主體步驟二：創(chuàng)建螺桿三角螺紋步驟三：創(chuàng)建螺母主體步驟四：創(chuàng)建螺母三角螺紋（1）

Maya美國Autodesk公司出品的世界頂級的三維動畫軟件，應用對象是專業(yè)的影視廣告，角色動畫，電影特技等。Maya功能完善，工作靈活，易學易用，制作效率極高，渲染真實感極強，是電影級別的高端制作軟件。/products/maya/features藝術創(chuàng)作類軟件

（2）

3Dmax

Discreet公司開發(fā)的(后被Autodesk公司合并)基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。運用在電腦游戲中的動畫制作，后更進一步開始參與影視片的特效制作，例如X戰(zhàn)警II，最后的武士等。在Discreet3Dsmax7后，正式更名為Autodesk3dsMax,，最新版本是3dsmax2018。/products/3ds-max/features

（3）

Zbrush

ZBrush是一個數字雕刻和繪畫軟件，它以強大的功能和直觀的工作流程徹底改變了整個三維行業(yè)。它將三維動畫中間最復雜最耗費精力的角色建模和貼圖工作，變成了小朋友玩泥巴那樣簡單有趣。設計師可以通過手寫板或者鼠標來控制zbrush的立體筆刷工具，自由自在地隨意雕刻自己頭腦中的形象。他細膩的筆刷可以輕易塑造出皺紋、發(fā)絲、青春痘、雀斑之類的皮膚細節(jié)，包括這些微小細節(jié)的凹凸模型和材質。成為專業(yè)動畫制作領域里面最重要的建模材質的輔助工具。（4）Rhino

Rhino是美國RobertMcNeel&

Assoc.開發(fā)的PC上強大的專業(yè)3D造型軟件，它可以廣泛地應用于三維動畫制作、工業(yè)制造、科學研究以及機械設計等領域。是一款超強的三維建模工具，大小才幾十兆，硬件要求也很低。不過不要小瞧它，它包含了所有的NURBS建模功能，用它建模感覺非常流暢，所以大家經常用它來建模，然后導出高精度模型給其他三維軟件使用。２.基于圖像構建模型

這種建模方法需要提供一組物體不同角度的序列照片，利用計算機輔助工具，即可自動生成物體的3D模型。這種方法主要針對已有物體的3D建模工作，操作較為簡單，自動化程度很高，成本低，真實感強。例如：Autodesk123DCatch就是一種基于圖像的3D建模軟件，用戶需要對著物體簡單拍攝幾張照片，軟件就能輕松自如地為其生成3D模型。3.利用3D掃描儀構建3D模型(逆向設計)

三維掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，通過測量空間物體表面點的三維坐標值，得到物體表面的點云信息，并轉化為計算機可以直接處理的三維模型，又稱為“實景復制技術”。18三維掃描儀的分類19（1）三坐標測量機

接觸式測量又稱為機械測量，這是目前應用較廣的自由曲面三維模型數字化方法之一。三坐標測量機是接觸式測量儀中的典型代表，它以精密機械為基礎，綜合應用了電子技術、計算機技術、光學技術和數控技術等先進技術。根據測量傳感器的運動方式和觸發(fā)信號的產生方式的不同，一般將接觸式測量方法分為單點觸發(fā)式和連續(xù)掃描式兩種。

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工作原理：三坐標測量機的測量傳感器的主要形式為各種不同直徑和形狀的探針(或稱為接觸測頭)，當探針沿被測物體表面運動時，被測表面的反作用力使探針發(fā)生形變。這種形變觸發(fā)測量傳感器，將測出的信號反饋給測量控制系統，經計算機進行相關的處理得到所測量點的三維坐標。三坐標測量機的原理

將被測物體置于三坐標測量機的工作臺上，通過手動或自動對物體進行逐點檢測，將物體測量點的坐標位置經計算機處理成被測物體的幾何尺寸和空間的的相互位置關系。

骨骼的掃描及反求22232425

優(yōu)點：（1）適用性強、精度高（可達微米級別）；

（2）不受物體光照和顏色的限制.

適用于沒有復雜型腔、外形尺寸較為簡單的實體的測量；

缺點：（1）不能對軟質的物體進行測量（可能損傷探頭和被測物表面）；

（2）受環(huán)境溫濕度影響；

（3）掃描速度受到機械運動的限制，且測量前需要規(guī)劃測量路徑，測量速度慢、效率低；

目前還需要人工干預，不可能實現全自動測量；接觸測頭的掃描路徑不可能遍歷被測曲面的所有點，它獲取的只是關鍵特征點，因而，它的測量結果往往不能反映整個零件的形狀。接觸式測量的特點（2）非接觸式測量

非接觸式設備是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現象，如聲、光、電磁等，來獲取物體表面的三維坐標信息。其中以應用光學原理發(fā)展氣流的測量方法應用最為廣泛。隨著“光機電一體化”技術的發(fā)展，結合了計算機、圖像處理、激光技術以及精密機械的三維激光掃描機逐漸成為逆向工程中測量設備的主流。

26三維激光掃描儀：

三維激光掃描儀的分類：

按照不同工作原理來分類，可分為脈沖測距法（亦稱時間差測量法）和三角測量法。

①脈沖測距法：激光掃描儀由激光發(fā)射體向物體在時間t1發(fā)送一束激光，由于物體表面可以反射激光，所以掃描儀的接收器會在時間t2接收到反射激光。由光速c，時間t1，t2算出掃描儀與物體之間的距離d=(t2-t1)c/2。

當用該方式測量近距離物體的時候，就會產生很大誤差。所以相位法比較適合測量遠距離物體，如地形掃描，但是不適合于近景掃描。

②三角測量法：用一束激光以某一角度聚焦在被測物體表面，然后從另一角度對物體表面上的激光光斑進行成像，物體表面激光照射點的位置高度不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用CCD（圖像傳感器）光電探測器測出光斑像的位置，就可以計算出主光線的角度θ。然后結合己知激光光源與CCD之間的基線長度d，經由三角形幾何關系推求掃描儀與物體之間的距L≈dtanθ。結構簡單、測量距離大、抗干擾、測量點?。◣资⒚祝?、測量準確度高。但是會受到光學元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強和直徑大小以及被測物體的表面特征等因素的影響。30三維拍照式掃描儀

在非接觸式三維掃描儀中，還有一個很重要的就是三維白光掃描儀，其工作過程類似于照相過程，掃描物體的時候一次性掃描一個測量面，快速，簡潔，因此而得名。照相式三維掃描采用的是面光技術，掃描速度非?？?，一般在幾秒內便可以獲取百萬多個測量點，基于多視角的測量數據拼接，則可以完成物體360度掃描，是三維掃描和工業(yè)設計、工業(yè)檢測的好助手。

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三維拍照式掃描儀工作原理：采用結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的三維非接觸式測量方式，測量時光柵（光點）裝置投射數幅特定編碼的結構光線（點）到待測物體上，成一定夾角的兩個(或多個)攝像頭同步采得相應圖象，然后對圖象進行相位和解碼計算，并利用匹配技術、三角形測量原理，解算出兩個(或多個)工業(yè)相機公共視場內物體表面像素點的三維坐標。32三維掃描儀的特點：優(yōu)點：（1）測量速度非常快，不必像接觸觸發(fā)探頭那樣逐點進行測量。（2）可測量材質較軟的產品，如塑膠薄件、不可接觸等高精密物件。缺點：（1）測量精度較差。（2）易受工件表面的反射特性的影響，對個別顏色（如黑色）及透明材料有限制，需要噴涂顯像劑方能較好的掃描出來。（3）測量