三維造型技術(shù)發(fā)展史綜述

1、三維造型技術(shù)三維建模技術(shù)是研究在計(jì)算機(jī)上機(jī)型空間形體的表示、 存貯和處 理的技術(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)。首先我們了解一下三維建模技術(shù)的開展史。三維建模技術(shù)的產(chǎn)生首先就是 CA豉術(shù)。三維建模技術(shù)是伴隨著 CAD技術(shù)的開展而開展的。CAD在早期是英文 computer aideddrafting的縮寫，CADi術(shù)是一項(xiàng)綜合性的、機(jī)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù) 庫、網(wǎng)絡(luò)通訊等計(jì)算機(jī)及其它領(lǐng)域知識于一體的高新技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成局部，也是提高設(shè)計(jì)水平、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、增 強(qiáng)行業(yè)競爭能力的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。隨著計(jì)算

2、機(jī)硬、軟件技術(shù)的開展， 人們逐步的認(rèn)識到單純使用計(jì)算機(jī)繪圖還不能稱之為計(jì)算機(jī)輔助技 術(shù)。真正的設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計(jì)、 機(jī)構(gòu)分析、加工制造等，二維工程圖設(shè)計(jì)只是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一個(gè)小的 局部。在CADK術(shù)開展初期，CA改限于計(jì)算機(jī)輔助繪圖，隨著三維 建模技術(shù)的開展，CADK術(shù)才從二維平面繪圖開展到三維產(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)思想和特征模型那么代表了當(dāng)今CADK術(shù)的開展方向。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，正值飛機(jī)和汽車工業(yè)的蓬勃開展時(shí)期。 此 間飛機(jī)及汽車制造中出現(xiàn)了大量的自由曲面問題， 當(dāng)時(shí)只能采用多截 面視圖、特征緯

3、線的方法來近似表達(dá)所要設(shè)計(jì)的曲面。 由于三視圖表達(dá)的不完整性，因此很難到達(dá)設(shè)計(jì)者的要求。此時(shí)法國人貝塞爾提出 了 Bezier算法，使得人們在用計(jì)算機(jī)處理曲面及曲線問題時(shí)變得可 以操作。法國達(dá)索飛機(jī)制造公司開發(fā)了三維曲面造型系統(tǒng)CATIA帶來了第一次CA限術(shù)革命。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，CA格依然令一般企業(yè)望而卻步，這使 得CA限術(shù)無法擁有更廣闊的市場。由于外表模型技術(shù)只能表達(dá)形體 的外表信息，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CAE十分不利?；趯AD/CAJ體化技術(shù)開展的探索，SDRC 公司在美國國家航空及宇航局支持下與 1979年發(fā)布了世界上第一個(gè) 完全基于實(shí)體造型

4、技術(shù)的大型 CAD/CA件一一I-DEAS。由于實(shí)體模 型能準(zhǔn)確表達(dá)零件的全部屬性，在理論上統(tǒng)一 CAD/CAE/CA帶來 了 CA冊展史上的第二次技術(shù)革命。20世紀(jì)80年代中晚期，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛開展，硬件本錢大幅度 降低，CADK術(shù)的硬件平臺從二十幾萬美元降到只需幾萬美元。很多 中小企業(yè)也開場有能力使用 CADg術(shù)。1988年，參數(shù)技術(shù)公司采用 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/E軟件，為三維實(shí)體造型提供了一個(gè)優(yōu)良的平臺。 參數(shù)化造型的主體思想是幾何約 束、工程方程與關(guān)系來說明產(chǎn)品模型的形狀特征，從而到達(dá)一系列在 形狀或功能上具有相似性的設(shè)計(jì)方案。目前能處理的集合約束類型根

5、 本上組成產(chǎn)品形體的集合實(shí)體公稱尺寸關(guān)系和尺寸間的工程關(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)。 帶來了 CA冊展史上的第 三次技術(shù)革命。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(dòng)形狀改變，一切以尺寸即參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)，干擾 和制約著設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力和想象力的發(fā)揮。為此，SDRC司的開發(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年推出了全新體系結(jié)果的I-DEAS Msater Series 軟件 帶來了 CADFF展史上的第四次技術(shù)革命。變量化技術(shù)將參數(shù)化技 術(shù)中所需

6、定義的尺寸“參數(shù)進(jìn)一步區(qū)分為形狀約束和尺寸約束， 而 不是像參數(shù)化技術(shù)那樣只用尺寸來約束全部幾何。除考慮幾何約束之 外，變量化設(shè)計(jì)還可以將工程關(guān)系作為約束條件直接與幾何方程聯(lián)立 求解，無須另建模型處理?；谔卣鞯膮?shù)化造型在三維造型中占有很重要的位置，所以我們介紹一下參數(shù)化造型首先特征就是任何已被承受的某一個(gè)對象的幾何、功能元素和 屬，通過它們我們可以很好地理解該對象的功能、行為和操作。更為 嚴(yán)格的定義也被使用：特征就是一個(gè)包含工程含義或意義的幾何原型 外形。特征在此已不是普通的體素，而是一種封裝了各種屬性attribute 和功能function的功能要素。目前特征的分類還沒有統(tǒng)一的體制。

7、一般來說，特征可分為造型 特征和面向過程的特征。造型特征又稱為形狀特征是指那些實(shí)際 構(gòu)造出零件的特征，而面向過程的特征并不實(shí)際參與零件幾何形狀的 構(gòu)造。造型特征進(jìn)一步分為根本特征和二次特征，根本特征是指構(gòu)成零件主要形狀的特征，二次特征是指用來修改根本特征的特征， 通常分為正、負(fù)特征。面向過程的特征可細(xì)分為：精度特征、技術(shù)要求特 征、材料特征和裝配特征。由此我們可以利用較高層次的語義豐富的特征來代替簡單的原 始的幾何元素作為根本元素，通過一定的組合法那么來建模，這就是 特征造型。特征的表示和建立就成為其中的關(guān)鍵。隨著面向?qū)ο蟮募夹g(shù)的建立和開展，尤其是封裝和繼承的概念，解決了可擴(kuò)大性和數(shù)據(jù) 構(gòu)造的

8、復(fù)雜性，使得特征可以只包含所需的信息， 需要時(shí)可通過繼承 來添加所需信息，它對特征造型提供了強(qiáng)有力的支持。關(guān)于特征描述。在基于特征的造型中對于特征的描述是關(guān)鍵，特征描述應(yīng)該包含幾何形狀的表示和相關(guān)的處理機(jī)制以及特征高層語意信息的，目前主要是探討形狀特征。特征嚴(yán)格地說是語義特征可被視為由三類屬 性描述的面向幾何的物體：數(shù)據(jù)屬性包含特征的靜態(tài)信息；規(guī)那么或 方法屬性定義特征特定的設(shè)計(jì)和制造特性；關(guān)系屬性描述特征間的位置關(guān)系。形狀特征實(shí)際上是幾何實(shí)體無任何語義的構(gòu)造化組合，形狀特征與特征間是一對多的關(guān)系，這表達(dá)了特征的應(yīng)用多視角性。通常, 對形狀特征的描述有幾種： B-REPbound repres

9、entation 、 CSG(constructive solid geometry) > 以及混合法。但在 CAEZ用中， 參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用越來越廣，因此就出現(xiàn)了將參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到特征設(shè) 計(jì)中去，使得特征具有可調(diào)整性，主要是針對特征的幾何和拓?fù)湫畔ⅰ?我們可以利用混合法來建立特征模型，并將參數(shù)化法引入到特征造型中去，使形狀特征可以根據(jù)需求調(diào)整變化，這就是基于特征參數(shù)化設(shè) 計(jì)。對于特征的描述可以利用面向?qū)ο蟮恼Z言來描述， 利用封裝來包 含特征所需的信息，使用成員變量來表示特征的靜態(tài)屬性以及與其他 特征的關(guān)系屬性，用成員函數(shù)來描述特征特定的設(shè)計(jì)、 制造和行為規(guī) 那么方法，并且由可以通過繼承來

10、產(chǎn)生新的特征，開展已有的特征， 來滿足造型時(shí)的需要。在建立特征類的關(guān)鍵是形狀特征的描述方法。 建立形狀特征的過 程可視為約束滿足的過程，設(shè)計(jì)本質(zhì)上是通過提取特征有效的約束來 建立其約束模型并進(jìn)展約束求解這也可稱為變量化設(shè)計(jì)。那么在 類內(nèi)，可以將形狀特征分解成為多個(gè)成員變量，通過使用成員函數(shù)進(jìn) 展約束求解來連接這些變量，然后通過圖形顯示的成員函數(shù)來使特 征的外形可視。這些約束一般根據(jù)不同的產(chǎn)品的功能、 產(chǎn)品構(gòu)造強(qiáng)度 剛度和制造過程的不同來轉(zhuǎn)化的， 并將這些限制綜合成設(shè)計(jì)目標(biāo)，然 后將它們映射成為特定的幾何和拓?fù)錁?gòu)造，從而轉(zhuǎn)化為約束。通常在國外將約束分為基約束、尺寸約束、幾何約束和拓?fù)浼s束。 拓?fù)?/p>

11、約束用來約束零部件的構(gòu)造，幾何約束用來約束各幾何元素的固 定聯(lián)系，尺寸約束用來約束各幾何元素的大小尺寸， 基約束為描述一 個(gè)實(shí)體相對于其他實(shí)體的位置。在國內(nèi)很多文章將這些約束統(tǒng)稱為幾 何約束，分類為尺寸約束和拓?fù)浼s束，拓?fù)浼s束包含了本文中的幾何 約束和拓?fù)浼s束將基約束、尺寸約束、幾何約束和拓?fù)浼s束作為構(gòu)成幾何或拓?fù)錁?gòu)造的幾何要素和外表輪廓要素， 可以導(dǎo)出各形狀構(gòu)造 的位置和形狀參數(shù)，從而形成參數(shù)化的產(chǎn)品幾何模型。構(gòu)成使用混合法表示出特征的幾何體素構(gòu)成， 可采用一個(gè)雙向鏈 表來表示，是多個(gè)實(shí)體構(gòu)造，實(shí)體構(gòu)造一個(gè) structure 表示是由 B-RERg示的線、面等元素的綜合。目前最好是使用數(shù)據(jù)

12、庫來存儲(chǔ)讀 取基準(zhǔn)，以及測量實(shí)體包括點(diǎn)、線、面，對于今后造型時(shí)特征的位 置很重要，并且是形狀特征產(chǎn)生時(shí)的根底是正特征還是負(fù)特征，材料 信息，公差信息，制造信息，功能信息等約束是用來具體定各幾何 體素的尺寸，關(guān)系，位置構(gòu)造，是一些成員函數(shù)，其中構(gòu)造函數(shù)用來 初始化特征，給出各默認(rèn)參數(shù)，其他一些函數(shù)用來計(jì)算約束求解，賦 值給各體素，定位定型各體素，實(shí)現(xiàn)特征調(diào)整后的各體素的聯(lián)動(dòng)和配 合，完成顯示特征行為用來描述特征在今后造型中的利用用布爾 運(yùn)算進(jìn)展特征造型，定位特征特征可以被視為一個(gè)小型的包含多種 信息的根本的幾何模型。鑒于此，我們可以根據(jù)以上所述來建立特征 描述模型。關(guān)鍵是形狀特征的描述，形狀特征

13、應(yīng)包含它的構(gòu)成組成 它的幾何體素，以及幾何體素之間的關(guān)系。形狀特征的構(gòu)成可以用 CSC&、B-RE喈和混合法來表示，一般采用混合法較好，消除了 B-REP 法的不唯一性，又防止了 CSM的抽象性，它整體是采用 cscfe,在 其中應(yīng)用B-REP的表示法，結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)。利用B-REP法來表示 最根本的實(shí)體也可以算是最根本的沒有語義信息的特征，并且需 要在其中加上參數(shù)變量以描述尺寸及關(guān)系， 使得參數(shù)變量化設(shè)計(jì)可以 進(jìn)展。上述用CSM進(jìn)展構(gòu)造特征模型即復(fù)合特征，在應(yīng)用中的特征造型上就可利用實(shí)體進(jìn)展布爾運(yùn)算來進(jìn)展建模。對幾何體素的關(guān)系就需要利用約束，進(jìn)展變量化設(shè)計(jì)，定義尺寸大小，相對的幾何

14、關(guān) 系相切、平行、垂直等以及拓?fù)錁?gòu)造。新的特征可以由舊的特征繼承得來， 并參加所需的新的信息，一 般是對形狀特征的擴(kuò)大。對特征構(gòu)成的描述也較為重要，實(shí)體的表示 就是其中的關(guān)鍵，實(shí)體表示為一 structure 構(gòu)造，該構(gòu)造中還需要一 structure 構(gòu)造來描述B-REP更型，一般用鏈表，在其中要包含所需 的線、框和面的參數(shù)變量。按照目前的趨勢，可引入數(shù)據(jù)庫接口，使 它的數(shù)據(jù)成員能由數(shù)據(jù)庫來進(jìn)展存取。然后有關(guān)于產(chǎn)品描述。產(chǎn)品描述為形狀特征的集合；形狀特征有其對應(yīng)的構(gòu)造與關(guān)系固 定的幾何體素，產(chǎn)品的幾何模型實(shí)質(zhì)上是由許多幾何體素構(gòu)成的；幾何體素可以是實(shí)體、曲面和線框模型。這些體素通過約束來連接。特 征的構(gòu)成表示的實(shí)體通過拓?fù)溥\(yùn)算來構(gòu)造所需產(chǎn)品，特征的成員變量中的基準(zhǔn)用來定位，根據(jù)是正還是負(fù)特征來決定在原根底上增加還是 去掉該特征。任何一個(gè)產(chǎn)品都可以用一個(gè)包含特征鏈表、 參數(shù)變量和 約束的構(gòu)造來表示，特征鏈表用來描述產(chǎn)品的組成元素， 參數(shù)變量用 來表示尺寸、幾何和構(gòu)造，當(dāng)進(jìn)展參數(shù)化調(diào)整時(shí)的產(chǎn)品的參數(shù)變量也 變化，約束用來協(xié)調(diào)特征關(guān)系以及產(chǎn)品的尺寸構(gòu)造?；谔卣鞯膮?shù)化設(shè)計(jì)將基于特征的設(shè)計(jì)與參數(shù)化設(shè)計(jì)有機(jī)的 結(jié)合起來，使用較完整的帶有語義的特征描述方式， 并使特征本身就 包含參數(shù)