虛擬設(shè)計(jì)的基本概念

1、第5章 虛擬設(shè)計(jì)5.1虛擬設(shè)計(jì)的基本概念科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷推動(dòng)著設(shè)計(jì)的進(jìn)步，日新月異的信息技術(shù)也深刻影響著設(shè)計(jì)的變革。信息技術(shù)發(fā)展的深度決定著設(shè)計(jì)師可在多大程度上利用信息技術(shù)為設(shè)計(jì)服務(wù)。早期引入計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行文檔管理、二維圖形處理，把設(shè)計(jì)師從枯燥無味的事務(wù)性工作中解放出來；計(jì)算機(jī)軟、硬件的升級換代使得設(shè)計(jì)師能夠使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維建模、渲染表現(xiàn)，人們可以從多個(gè)角度對產(chǎn)品進(jìn)行審視。現(xiàn)在，信息技術(shù)的集成化、智能化發(fā)展使設(shè)計(jì)發(fā)生了全面、深刻的變化，設(shè)計(jì)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代虛擬設(shè)計(jì)時(shí)代。虛擬設(shè)計(jì)（Virtual Design，簡稱VD）代表了一種全新的制造體系和模式。虛擬設(shè)計(jì)是以虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual

2、Reality，簡稱VR）技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械產(chǎn)品為對象的設(shè)計(jì)手段，虛擬地制造產(chǎn)品，在計(jì)算機(jī)上對虛擬模型進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、測試。它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。5.1.1虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)為“虛擬現(xiàn)實(shí)”?！疤摂M現(xiàn)實(shí)”一詞由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀(jì)80年代初提出，是指綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種顯示、控制等接口設(shè)備，生成可提供沉浸感覺和交互操作的三維環(huán)境技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是種計(jì)算機(jī)界面技術(shù)，從本質(zhì)上講，虛擬現(xiàn)實(shí)就是種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過給用戶及時(shí)提供視覺、聽覺、觸覺等各種客觀而又自然的實(shí)時(shí)

3、感知交互手段，最大限度地方便用戶操作，從而減輕用戶的負(fù)擔(dān)，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，體驗(yàn)比現(xiàn)實(shí)世界更加豐富的感受。簡言之，虛擬現(xiàn)實(shí)就是人與虛擬世界的交流。人的動(dòng)作和情緒可以控制虛擬世界中的物體。反之，虛擬世界中的物體也能使人產(chǎn)生真實(shí)的感覺，包括視覺、聽覺、觸覺等。虛擬現(xiàn)實(shí)經(jīng)歷了以下發(fā)展歷程：(1) 1965年，在IFIP會(huì)議上，有VR“先鋒”之稱的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的創(chuàng)始人Ivan Sutherland作了題為“The Ultimate Display(終極的顯示)”的報(bào)告，提出了一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究課題。他首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本思想，指

4、出人們可以把顯示屏當(dāng)作一個(gè)窗口觀察一個(gè)虛擬世界，使觀察者有身臨其境的感覺。這一思想提出了虛擬現(xiàn)實(shí)概念的雛形。至此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究探索歷程。(2) 1966年，美國MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。在這第一個(gè)頭盔式顯示器(HMD)的樣機(jī)完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個(gè)系統(tǒng)中。(3) 1968年，Ivan Sutherland使用兩個(gè)可以戴在眼睛上的陰極射線管(CRT)，研制出了第一臺(tái)頭盔式立體顯示器(HMD)，并發(fā)表了題為“A Head-Mounted 3D Display”的論文，對頭盔式三維顯示裝置的設(shè)計(jì)要求、構(gòu)造原理進(jìn)行了深入

5、的討論，并繪出了這種裝置的設(shè)計(jì)原型，成為三維立體顯示技術(shù)的奠基性成果。(4) 1975年，Myron Krueger提出了“人工現(xiàn)實(shí)(Artificial Reality)”的思想，展示了稱之為Video place的“并非存在的概念化環(huán)境”。(5) 20世紀(jì)80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛關(guān)注。(6) 1985年，Scott Fisher等研制了著名的稱之為VIEW的一種“數(shù)據(jù)手套(Data Glove)”，這種柔性、輕質(zhì)的手套裝置可以測量手指關(guān)節(jié)的動(dòng)作、手掌的彎曲以及手指間的分合，

6、從而可編程實(shí)現(xiàn)各種“手語”。(7) 1986年，第一套基于HMD數(shù)據(jù)手套的VR系統(tǒng)VIEW研制成功。這是世界上第一個(gè)較為完整的多用途、多感知的VR系統(tǒng)，它使用了頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、語音識(shí)別與跟蹤等技術(shù)，并應(yīng)用于空間技術(shù)、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化、遠(yuǎn)程操作等領(lǐng)域，被公認(rèn)為當(dāng)初VR技術(shù)的發(fā)源地。(8) 1990年，在美國達(dá)拉斯召開的SIGGRAPH 會(huì)議上，對VR技術(shù)進(jìn)行了討論，明確提出了VR技術(shù)的主要內(nèi)容是實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)，多傳感交互技術(shù)，以及高分辨顯示技術(shù)。這為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向。(9) 20世紀(jì)90年代以來，在“需求牽引”和“技術(shù)推動(dòng)”下，VR取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并將技術(shù)成果成功地集

7、成于些很有實(shí)用前景的應(yīng)用系統(tǒng)中，如Apple公司的人機(jī)接口實(shí)驗(yàn)組(ATG)建立個(gè)基于實(shí)景的成像環(huán)境，用戶能在其中用Quick Time數(shù)字視頻數(shù)據(jù)交互，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)波音777獲得成功，這是引起科技界矚目的一項(xiàng)工作。幾十年來，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)取得了重大成功，虛擬現(xiàn)實(shí)則提供了一個(gè)通向虛擬工程空間的途徑。在虛擬工程空間中，我們可以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測、組裝和測試各種模擬物體。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、潛艇設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)概念設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。1997年5月福特公司宣布，其已成為第一個(gè)著眼于“地球村”概念，采用計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)裝配工藝的汽車廠商。使用“虛擬工廠”的戰(zhàn)略目標(biāo)是減少其生產(chǎn)

8、中采用的90的實(shí)體模型，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)為福特公司每年節(jié)省2億美元。據(jù)估計(jì)，使用“虛擬工廠”將在推出一輛新車的過程中，至少減少20的因生產(chǎn)原因修改最初設(shè)計(jì)的事件。美國通用汽車公司利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)CAVE(Computer-Assisted Virtual Environment)來體驗(yàn)置于汽車之中的感受，其目標(biāo)是減少或消除人體模型，縮短開發(fā)周期。而以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬設(shè)計(jì)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。所謂虛擬設(shè)計(jì)就是利用“仿真”與“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)，在高性能計(jì)算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，采用群組協(xié)同工作，通過模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題，在計(jì)算機(jī)

9、上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)的設(shè)計(jì)過程。與傳統(tǒng)的CAD軟件相比，虛擬設(shè)計(jì)有很大的優(yōu)勢。CAD軟件基本上只起到“電子圖板”的作用，在設(shè)計(jì)方面功能甚弱。而虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)可考慮到受力、變形分析或與其它應(yīng)用軟件的集成，其輔助設(shè)計(jì)功能大大增強(qiáng)，更有利于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造裝配的集成。5.1.2虛擬設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 虛擬設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)。(1) 與真實(shí)相對的虛擬化 虛擬設(shè)計(jì)最主要的特征就是虛擬化。虛擬設(shè)計(jì)集三維動(dòng)態(tài)顯示、仿真、實(shí)際工況模擬等多媒體技術(shù)于一體，設(shè)計(jì)者感受視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等多種信息，發(fā)揮其多種潛能，增加設(shè)計(jì)的成功性。在科技用語中，把一個(gè)可能存在的特性理解為虛擬的，即它在一定的條件下可能真實(shí)的出現(xiàn)。虛擬設(shè)計(jì)

10、的各個(gè)環(huán)節(jié)都具有虛擬性的特點(diǎn)，它們也具有真實(shí)世界中一切有價(jià)值的特性。雖然它們的存在某種程度上是虛假的，但人們卻可以真實(shí)地感受到它們，以一種雙方都能夠理解的交流方式進(jìn)行溝通。當(dāng)設(shè)計(jì)階段的任務(wù)完成以后，這些虛擬的模型可以通過一些設(shè)備（如快速成型）轉(zhuǎn)化為真實(shí)的存在。虛擬是相對于真實(shí)而存在的，虛擬與真實(shí)存在著相互轉(zhuǎn)化的雙向可能性。(2) 由信息技術(shù)所達(dá)成的集成化 集成化是虛擬設(shè)計(jì)的根基所在，沒有技術(shù)設(shè)備的集成，就不會(huì)有虛擬設(shè)計(jì)的形成基礎(chǔ)，也就確立不了虛擬設(shè)計(jì)的基本原則。信息技術(shù)的發(fā)展把各個(gè)斷續(xù)的、形不成聯(lián)系的計(jì)算機(jī)輔助過程集成為一體化的系統(tǒng)，把以前的單獨(dú)的過程作為整體中的子系統(tǒng)，在各個(gè)子系統(tǒng)形成可以共

11、享的信息流。這些信息適應(yīng)不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（或可以方便的轉(zhuǎn)換），流通中的信息內(nèi)容也是一致的。這樣一來，各個(gè)子系統(tǒng)之間互為支撐，它們獲得其它子系統(tǒng)的信息時(shí)，不會(huì)由于標(biāo)準(zhǔn)的差異遭到拒絕，也不用費(fèi)時(shí)費(fèi)力地對獲得的信息進(jìn)行復(fù)查。子系統(tǒng)間經(jīng)常不斷的進(jìn)行信息交流，也不斷更新、豐富著整個(gè)系統(tǒng)的信息庫。這不僅對于虛擬設(shè)計(jì)有重要意義，也是虛擬設(shè)計(jì)與虛擬產(chǎn)品開發(fā)其它階段進(jìn)行交流的依據(jù)。集成化從技術(shù)上保證了虛擬設(shè)計(jì)的內(nèi)外信息交流，有利于設(shè)計(jì)師不斷地調(diào)整自己的航向。(3) 人機(jī)交互的動(dòng)態(tài)化 虛擬設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)思維、操作的過程。運(yùn)用多種交互手段(數(shù)據(jù)手套、聲音、命令等)支持更多的設(shè)計(jì)行為(建模、仿真、預(yù)測、評估等)，

12、設(shè)計(jì)師可以對虛擬模型進(jìn)行修改，虛擬模型也會(huì)馬上做出相應(yīng)的反應(yīng)，設(shè)計(jì)師能夠時(shí)刻看到自己修改的結(jié)果。這種人機(jī)互動(dòng)的過程有利于設(shè)計(jì)師充分表達(dá)自己的想法成熟的或者不成熟的，虛擬模型也因此而更加細(xì)致。使用計(jì)算機(jī)建?？梢苑奖愕匕烟摂M攝像機(jī)擺在任何位置，既可以在人們慣常的視平線上，也可以是真實(shí)世界中達(dá)不到的位置。從這些視點(diǎn)上，人們可以看到習(xí)以為常的場景效果，也會(huì)看到難以想象的畫面。多媒體技術(shù)的發(fā)展使人們觀察模型從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)，可以觀看流暢的模型動(dòng)畫，而且多媒體技術(shù)還可以刺激人的其它感官系統(tǒng)。人們不僅僅是對模型本身的賞析，深入了解設(shè)計(jì)的創(chuàng)意，甚至還是對設(shè)計(jì)過程、生產(chǎn)過程的享受。(4) 信息互動(dòng)的數(shù)字化 虛擬設(shè)

13、計(jì)的信息都是以數(shù)字信息方式存儲(chǔ)的，數(shù)字化是虛擬設(shè)計(jì)形成信息流的關(guān)鍵。以數(shù)字化為基礎(chǔ)的虛擬設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，每個(gè)子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的修改，馬上就會(huì)影響到整個(gè)虛擬設(shè)計(jì)過程，過程中每個(gè)與此有關(guān)的數(shù)據(jù)都會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)。這種數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性，可以使設(shè)計(jì)師很快知道自己的修改會(huì)對全局造成什么樣的影響。這與以前完全不同，那時(shí)還要把圖形重新描過，而且還不能保證相關(guān)的數(shù)據(jù)都因此發(fā)生了正確的變化。數(shù)字化的另一個(gè)好處是可以方便地存儲(chǔ)、調(diào)用，用不大的空間就可以記錄下設(shè)計(jì)過程的整個(gè)歷史。有了歷史記錄，就有了積累，這使得設(shè)計(jì)可以在以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)過程的歷史，做出符合要求的調(diào)整，如Pro/E中Model Tree 。良

14、好的可修改性，保證了設(shè)計(jì)和開發(fā)產(chǎn)品的效率。虛擬技術(shù)提供的可視化，不只是一般幾何型體的空間顯示，而且也可對噪聲、溫變、力變、磨損、振動(dòng)等予以可視化，還可以把人的創(chuàng)新思維表達(dá)為可視化的虛擬實(shí)體，促進(jìn)人的創(chuàng)造靈感進(jìn)一步升華。因此，在虛擬狀態(tài)下，可以對產(chǎn)品生命周期的全過程(設(shè)計(jì)、加工制造、裝配、性能分析、使用及回收等各個(gè)環(huán)節(jié))進(jìn)行可視化跟蹤描述，更加強(qiáng)調(diào)在物料未形成物理模型，即產(chǎn)品加工之前，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的高度可行性和可靠性，使在投入資金比例大的制造等后續(xù)階段的產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)降到最低限度?？巳R斯勒汽車公司為迅速推出新產(chǎn)品，應(yīng)用了虛擬原型技術(shù)。該公司的工程師應(yīng)用虛擬環(huán)境實(shí)施一個(gè)名為克萊斯勒數(shù)據(jù)可視化(CDV)的

15、項(xiàng)目。通過這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施，工程師可以檢查Catia軟件所建模型的干涉情況，當(dāng)找到零件發(fā)生互相干涉的地方，工程師可圈出該部位，并加上批注，便于修改設(shè)計(jì)。其在98型汽車設(shè)計(jì)過程中，借助虛擬原型發(fā)現(xiàn)了1500多處零部件干涉，并在制作第一個(gè)物理原型之前就進(jìn)行了改正，避免了幾百萬美元的損失。目前，虛擬設(shè)計(jì)對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的革命性影響已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出來。由于虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本上不消耗資源和能量，也不生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品，而是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)與加工過程在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，即完成產(chǎn)品的數(shù)字化過程。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造相比較，虛擬設(shè)計(jì)具有高度集成、快速成型、分布合作等特征，具體的優(yōu)點(diǎn)如下：1)虛擬設(shè)計(jì)繼承了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的所有特點(diǎn)

16、；2)虛擬設(shè)計(jì)繼承了傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，便于利用原有成果；3)具有仿真技術(shù)的可視化特點(diǎn)，便于改進(jìn)和修正原有設(shè)計(jì)；4)支持協(xié)同工作和異地設(shè)計(jì)，利于實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補(bǔ)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；5)便于利用和補(bǔ)充各種先進(jìn)技術(shù)，保持技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢。5.1.3虛擬設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢 (1) 全新的VRCAD系統(tǒng) 高交互、沉浸式、三維設(shè)計(jì)環(huán)境，可以進(jìn)行諸如虛擬曲面造型，在三維空間中拖動(dòng)曲面的控制頂點(diǎn)；虛擬雕塑造型，“虛擬手”修改、操縱三維物體的表面幾何形狀；虛擬實(shí)體造型(概念設(shè)計(jì))，三維感知、三維操作和快速草繪三維形狀。 (2) 協(xié)同式虛擬設(shè)計(jì) 沉浸式(有利于真實(shí)現(xiàn)場感)與半沉浸式(有利于用戶間交流)協(xié)

17、同虛擬設(shè)計(jì)，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)。 知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代為我們革新設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)手段提供了契機(jī)，我們必須充分利用現(xiàn)代的、高科技的創(chuàng)新設(shè)計(jì)手段和技術(shù)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，開發(fā)出更多具有市場競爭能力的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)不僅在科技界，而且在企業(yè)界引起了廣泛關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)。5.2 虛擬設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) 虛擬設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下內(nèi)容： (1) 全息產(chǎn)品的建模理論與方法。(2) 基于知識(shí)的設(shè)計(jì) 包括設(shè)計(jì)知識(shí)的獲取、表達(dá)與應(yīng)用：設(shè)計(jì)信息和知識(shí)的合理流向、轉(zhuǎn)換與控制；設(shè)計(jì)知識(shí)的融合、管理與共享；從設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)中挖掘設(shè)計(jì)知識(shí)。 (3) 設(shè)計(jì)過程的規(guī)劃、集成與優(yōu)化 包括設(shè)計(jì)

18、活動(dòng)的預(yù)規(guī)劃和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃、設(shè)計(jì)活動(dòng)的并行運(yùn)作以及設(shè)計(jì)過程的沖突管理與協(xié)商處理。(4) 虛擬環(huán)境中的人機(jī)互動(dòng)工程學(xué)。(5) 虛擬環(huán)境與設(shè)計(jì)過程的相互聯(lián)系。 (6) 產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集 包括一般所需要的軟件支撐系統(tǒng)以及能夠接受各種高性能傳感器信息，能生成立體的顯示圖形，能調(diào)用和互連各種數(shù)據(jù)庫和CAD軟件的各種系統(tǒng)。 5.2.1建模技術(shù)(1) 幾何建模幾何建模在廣義上包括在計(jì)算機(jī)上處理幾何對象的所有方法。幾何建模的基礎(chǔ)匯集了多門學(xué)科，如拓?fù)鋵W(xué)、解析幾何學(xué)、微分幾何學(xué)、投影幾何學(xué)、數(shù)字?jǐn)?shù)學(xué)法、集合論和矩陣代數(shù)學(xué)等，從而形成理論和應(yīng)用信息科學(xué)專業(yè)領(lǐng)域，如軟件工程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和圖論等。各種領(lǐng)域的這種組合

19、構(gòu)成幾何建模的基礎(chǔ)。 (a)線框建模 (b)表面建模 (c)實(shí)體建模圖5-1 三維建模三維幾何體的基本元素是點(diǎn)、線、面和體。如圖5-1所示，根據(jù)基本構(gòu)型的復(fù)雜程度不同，可將幾何模型分為線框模型、表面模型和實(shí)體模型三種形式。1)線框模型 線框模型是表面模型與實(shí)體模型的基礎(chǔ)，通過點(diǎn)元素和棱邊元素定義并按層次排列成體邊點(diǎn)關(guān)系，用物體的棱邊或輪廓線(曲線、直線、圓弧)描述零件或產(chǎn)品的形狀特征。識(shí)別一個(gè)物體，是以其棱邊的組合結(jié)構(gòu)表示的。頂點(diǎn)與棱邊一經(jīng)確定，物體就被唯一地確定。線框模型僅能描述物體的框架結(jié)構(gòu)，而沒有面的信息，故不能進(jìn)行隱藏線面的消除，不能顯示物體的真實(shí)圖像。2)表面模型 用一組表面表示物體

20、的外形，將棱邊有序連接而構(gòu)成實(shí)體的表面結(jié)構(gòu)。表面模型由于增加了面與棱邊的關(guān)系，所以在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上比線框模型復(fù)雜，表面模型所定義的表面實(shí)際上完全定義了物體的邊界，但是物體的實(shí)心部分在邊界表面的哪一側(cè)是不明顯的。表面模型比線框模型增加了更多的幾何信息，可以實(shí)現(xiàn)圖形的消隱，產(chǎn)生色調(diào)圖，計(jì)算表面積以及數(shù)控加工軌跡。但表面模型沒有體的信息，因此，表面模型難以保證被描述實(shí)體的拓?fù)渲滦?，不能完整描述產(chǎn)品的幾何特征和物理特征。表面模型可以主要由表面特征確定，是曲面也可以是平面。對于曲面是自由曲面的情況，表面模型就理解為曲面模型。曲面模型在數(shù)學(xué)表示上有一套完整的理論和方法。曲面模型強(qiáng)調(diào)表面的性質(zhì)，如光滑性、連續(xù)性

21、、凸凹性。這里，表面模型主要是指曲面模型。圖5-2說明了自由曲面是如何生成的。在表面模型的基礎(chǔ)上可以構(gòu)造復(fù)雜的、具有美觀性的表面。除了用交互的方式生成自由表面以外，大多數(shù)三維表面建模系統(tǒng)都提供了生成標(biāo)準(zhǔn)表面的可能性，如平面、柱面、錐面、球面和環(huán)面。視系統(tǒng)的不同，這些表面可以利用解析法，或者插補(bǔ)法，亦或是逼近法來計(jì)算。表面模型的最大缺點(diǎn)在于表面無法自動(dòng)形成一個(gè)實(shí)體，無法區(qū)別面的哪一側(cè)是體內(nèi)還是體外。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者必須自己注意生成一個(gè)無縫隙的封閉的模型，其截面也不能被系統(tǒng)識(shí)別，原因是表面模型只給出了外形特征而缺乏實(shí)體信息。3)實(shí)體模型 用基本體素構(gòu)造物體，是表達(dá)和處理三維物體的一種完整表達(dá)模型。

22、雖然控制點(diǎn)曲 線兩條曲線曲線和點(diǎn) 輸入的數(shù)據(jù)曲 面導(dǎo)曲線構(gòu)成曲面規(guī)則曲面帶點(diǎn)的規(guī)則曲面結(jié) 果圖5-2 自由曲面建模方法實(shí)體模型表示仍以表面模型的表面作為邊界，但從物體本身的意義講，物體是實(shí)心的。它的內(nèi)部在表面的哪一側(cè)是確定的，由表面圍成的區(qū)域內(nèi)部為物體的空間區(qū)域。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上實(shí)體模型要比表面模型復(fù)雜，它將表面模型的表面定義成有向面，從而定義體在面的哪一側(cè)。實(shí)體模型完整描述了物體的幾何信息和拓?fù)湫畔?。一個(gè)有效實(shí)體具有如下的性質(zhì)：剛件，即形狀與位置及方向無；有限性，即占有限空間；封閉性，即集合運(yùn)算與剛體運(yùn)動(dòng)不改變其有效實(shí)體的性質(zhì)；邊界確定性；維數(shù)致性，即沒有懸面和懸邊。可見這些模型的區(qū)別在于建?；?/p>

23、本元素和基本數(shù)據(jù)的維數(shù)以及在于隱式或顯式描述拓?fù)潢P(guān)系的程度。建模幾何基本元素的維數(shù)是應(yīng)當(dāng)區(qū)別于物體的維數(shù)和包圍空間的維數(shù)的，它是根據(jù)模型形式區(qū)別的。不同的幾何模型對應(yīng)著不同的造型方法，例如曲面模型的造型方法適合自由曲面類表面的處理，在曲面的數(shù)控加工中有著廣泛的應(yīng)用。實(shí)體模型的造型方法則更適合于規(guī)則物體的處理。對于造型方法來說，主要是將各種模型的表示轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的形式，同時(shí)加入輸入及輸出功能，以配合造型所需的數(shù)據(jù)信息的處理。(2) 實(shí)體建模實(shí)體指的是在空間具有有限體積的物體，它既具有幾何特性，如面積、形狀和中心等，又有物理特性，如質(zhì)量、重心等。實(shí)體模型一般可以表示實(shí)體的幾何和物理特性，采

24、用這種模型，可以得到如NC編程、有限元分析、虛擬裝配等工程應(yīng)用所需要的各種信息。三維實(shí)體建模也稱體素建模，主要研究如何方便地定義簡單的幾何形體(即體素)，以及如何經(jīng)過適當(dāng)?shù)牟紶柤线\(yùn)算構(gòu)造出所需的復(fù)雜形體，并在圖形設(shè)備上輸出的方法。其核心問題是采用什么方法來表示實(shí)體，應(yīng)用較為廣泛的方法有構(gòu)造實(shí)體幾何法(CSG)、邊界表示法(B-rep)、掃描法。1)構(gòu)造實(shí)體幾何法(CSG) 將簡單的實(shí)體(又稱為基本體素)進(jìn)行一定的集合運(yùn)算構(gòu)成所需設(shè)計(jì)的復(fù)雜物體。這些體素可以是形狀簡單的規(guī)則物體(如長方體、圓柱體等)，也可以是由半空間構(gòu)成的，如正方體是由半空間x0，x1；y0，y1；z0，z1經(jīng)集合運(yùn)算構(gòu)成。利

25、用這種方法實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模的過程就是集合運(yùn)算過程，這一過程可以形象地用一棵二叉樹CSG樹表示，CSG樹定義了物體的構(gòu)成體素和構(gòu)造方式，如圖5-3所示。樹中的非終端結(jié)點(diǎn)表示操作，如移動(dòng)，正則化交、并、差運(yùn)算；樹的葉結(jié)點(diǎn)表示參與運(yùn)算的基本體素；樹的根結(jié)點(diǎn)表示集合運(yùn)算的最終結(jié)果。CSG樹表示法本身就是用來說明實(shí)體的構(gòu)造過程，記錄實(shí)體中所含體素的全部定義參數(shù)，必要時(shí)還可以（a）構(gòu)造方式 （b）實(shí)體 圖5-3 CSG操作生成實(shí)體附加實(shí)體和體素的各種屬性及特征的描述，但不反映物體的面、邊、頂點(diǎn)等有關(guān)信息。圖5-4 邊界顯示物體的層次結(jié)構(gòu)BodyFaceShellLoopEdgeVertexSurfaceCur

26、vePoint2)邊界表示法(B-rep) 如圖5-4所示，邊界表示法通過描述物體的表面邊界來表示一個(gè)物體。一個(gè)物體的邊界把物體分成物體的內(nèi)部和外部，同時(shí)邊界也構(gòu)成了物體與周圍環(huán)境之間的界面。邊界表示包含了兩類主要信息，一是幾何信息物體幾何元素的尺寸數(shù)據(jù)，它描述物體的大小、位置、形狀等；二是拓?fù)湫畔缀卧刂g的連接關(guān)系，構(gòu)成物體的“骨架”。物體的邊界一旦定義，就唯一地定義了該物體。邊界表示法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，以體面邊點(diǎn)的拓?fù)溥B接確定物體的形狀。B-rep描述法強(qiáng)調(diào)實(shí)體的外表細(xì)節(jié)，詳細(xì)記錄構(gòu)成實(shí)體的幾何信息與拓?fù)湫畔?，可以直接取得?shí)體的各個(gè)組成面、面的邊界以及各個(gè)頂點(diǎn)的定義數(shù)據(jù)，有利于

27、邊和面的運(yùn)算與操作。但是，其數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，對幾何特性的整體描述能力弱，不能反映實(shí)體的構(gòu)造過程和特點(diǎn)，也不能記錄實(shí)體組成元素的原始特性。3)掃描表示法 將一個(gè)點(diǎn)、一段直線或曲線、一個(gè)平面沿空間一定路徑運(yùn)動(dòng)而生成一個(gè)二維或三維形體。這種方法被認(rèn)為是對某方向具有固定形狀剖面的產(chǎn)品進(jìn)行建模的實(shí)用而有效的方法。掃描法有兩種基本的類型：旋轉(zhuǎn)掃描法和平移掃描法。如圖5-5 所示，將圖（a）沿z軸正方向掃描，生成圖（b），將（a）繞x-x軸旋轉(zhuǎn)360°，生成圖（c）。與線框建模、曲面建模等幾種建模技術(shù)相比，實(shí)體建模的突出優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)內(nèi)真正存儲(chǔ)了物體的三維幾何與拓?fù)湫畔ⅲ@使物體體積、面積、

28、重心、慣性矩等的自動(dòng)計(jì)算，隱藏線、隱藏面的消除，有限元x'x圖5-5 掃描生成實(shí)體（a）（b） （c）網(wǎng)格自動(dòng)劃分，物體截切及碰撞干涉檢查，CADCAM初步集成，動(dòng)畫模擬，真實(shí)感圖形顯示等成為可能，從而使這一技術(shù)在CADCAM模擬仿真、醫(yī)學(xué)、廣告、計(jì)算機(jī)藝術(shù)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。(3) 參數(shù)建模 除去前面所描述的顯式幾何建模外，對于許多設(shè)計(jì)任務(wù)要有目的地采用參數(shù)化建模。虛擬設(shè)計(jì)中最主要的任務(wù)在于設(shè)計(jì)要適應(yīng)新的要求。對現(xiàn)代設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)主要要求在于輔助變量設(shè)計(jì)和已有設(shè)計(jì)的可再使用性。用構(gòu)造復(fù)雜的模型輔助設(shè)計(jì)部件，為此部件必須要具有合適的描述形式，允許以各種表達(dá)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。 參數(shù)化建模

29、或參數(shù)化設(shè)計(jì)是虛擬設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向，它可以達(dá)到滿足上述要求的目的，消除傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的一系列缺陷。1)參數(shù)化設(shè)計(jì)(Parametric Design) 在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常遇到這樣的情況，許多零件（如標(biāo)準(zhǔn)零件)的形狀具有相似性，僅尺寸的大小不同，或者一個(gè)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是在一個(gè)原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上做些小的改動(dòng)，希望修改后馬上產(chǎn)生新的模型。這樣的要求在傳統(tǒng)的幾何模型基礎(chǔ)上難以實(shí)現(xiàn)，一般只能重新建模。也就是說，傳統(tǒng)的建模方法(線框建模、曲面建模、實(shí)體建模)只能建立固定的設(shè)計(jì)模型，不能夠滿足設(shè)計(jì)自動(dòng)化的要求，模型一旦建立，修改時(shí)則需更新建模，設(shè)計(jì)效率低。 參數(shù)化設(shè)計(jì)是以規(guī)則或代數(shù)方程的形式定義尺寸間

30、的約束關(guān)系，建立相應(yīng)的推理和求解驅(qū)動(dòng)機(jī)制，把實(shí)體模型和曲面模型歸于統(tǒng)一的系統(tǒng)，實(shí)施模型變換，并力圖形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，以使幾何造型、工藝規(guī)劃生成參數(shù)化，使尺寸變化與工藝規(guī)程的改變、零件裝配信息的改變、加工編程的改變實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或部分自動(dòng)化。 參數(shù)化設(shè)計(jì)可直接面向工程應(yīng)用，當(dāng)模型修改或變形時(shí)，設(shè)計(jì)者可以分析修改某些數(shù)值的參數(shù)(如長度、角度)的值，得到相應(yīng)的幾何模型，并保持原有模型中相互的約束關(guān)系不變，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)修改產(chǎn)品幾何模型的需要。2)參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn) 要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，必須先建立零件的參數(shù)化模型。所謂參數(shù)化模型，就是標(biāo)有參數(shù)名的零件草圖，由用戶輸人，并在屏幕上顯示出來。一般情況下，模型的結(jié)構(gòu)（即拓

31、撲信息）是不變的，各個(gè)參數(shù)值是可變的，通過改變參數(shù)可再生成同一結(jié)構(gòu)不同尺寸的新模型。在某些情況下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可改變。 目前較為成熟的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法是基于約束的尺寸驅(qū)動(dòng)方法和基于特征的參數(shù)化建模方法。基于約束的尺寸驅(qū)動(dòng)方法的基本原理是：對初始圖形施加一定的約束(以尺寸進(jìn)行約束或?qū)嶓w關(guān)系進(jìn)行約束)，模型但建好后，尺寸的修改立即會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ偷男薷模闯叽珧?qū)動(dòng)模型(Dimension Driven Geometry)。如一個(gè)長方體，對其長L、寬W、高H賦予一定的尺寸，它的大小就確定了。當(dāng)改變L、W、H的值時(shí)，長方體的大小隨之改變。這里，不但包含了尺寸的約束，而且包含了隱含的幾何關(guān)系的約束，如相對的

32、兩個(gè)面互相平行，矩形的鄰邊互相垂直等。 基于約束的尺寸驅(qū)動(dòng)是將幾何模型中的一些基本圖素進(jìn)行約束，當(dāng)尺寸變化時(shí)，必須仍滿足其約束條件，從而達(dá)到新的平衡。 約束一般分為兩類：一類為尺寸約束，包括線性尺寸、角度尺寸等一般尺寸標(biāo)注中的尺寸約束，也稱顯式約束；另類稱為幾何約束，它包括水平約束、垂直約束、平行約束、相切約束等，這類約束稱為隱式約束。圖5-6表示了約束的幾種類型。約束時(shí)可能存在過約束與欠約束問題。過約束是指對一個(gè)圖形的幾何形狀及關(guān)系設(shè)定了過多的約束，而欠約束則是約束未給夠，這些都可能導(dǎo)致求解時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 LLD（a）（b）（d）（e）（f）（g）A垂直線水平線垂直平行相切角度同心圖5-6 約

33、束的幾種類型（c）常用的基于約束的尺寸驅(qū)動(dòng)方法有三種：1)變動(dòng)幾何法(Variation Geometry) 是基于幾何約束的數(shù)學(xué)方法，是較早使用的參數(shù)化建模方法。它將給定的幾何約束轉(zhuǎn)化為一系列以特征點(diǎn)為變元的非線性方程組，通過數(shù)值方法求解非線性方程組確定幾何細(xì)節(jié)。2)幾何推理法(Geometric Reasoning) 是根據(jù)幾何模型的幾何特征，和各約束之間的相互關(guān)系，對給定的一組約束采用匹配方法，將約束條件與規(guī)則庫中的推理規(guī)則進(jìn)行匹配，逐步得到幾何模型的一種方法。3)參數(shù)驅(qū)動(dòng)法 是一種基于對圖形數(shù)據(jù)庫的操作和對幾何約束處理。使用驅(qū)動(dòng)樹來分析幾何約束，對圖形進(jìn)行編程處理的方法。 首先將復(fù)雜的

34、物體逐步分解為相對簡單的幾何體素，然后對圖形數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，再通過圖形之間的約束對生成的簡單幾何體素進(jìn)行處理，得到所需的幾何模型。這種方法不涉及復(fù)雜的方程組的求解問題，簡單易用，能夠很好地處理相對復(fù)雜物體的三維建模問題。在參數(shù)概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，大部分創(chuàng)造性的面向概念設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工作都可以采用計(jì)算機(jī)輔助的方法來完成。由此，概念設(shè)計(jì)的多樣性和靈活性也會(huì)有極大的提高。(4) 特征建模為了提高建模的效率，一種新的建模方法被研制出來。這種方法既可以減少輸入的費(fèi)用，又可以增加幾何設(shè)計(jì)的多樣性。與此同時(shí)，在制訂設(shè)計(jì)方案時(shí)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性思維有了更廣闊的空間。這種新的建模方法就是特征建模法。 特征建模(Featur

35、ebased Modeling)是將一門新技術(shù)特征(Feature)技術(shù)引入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，用更高層次的具有工程意義的特征體素來描述零件的種建模方法。特征建模從工程的角度講是對形體的組成及整體信息完整表達(dá)，使所描述的信息更具工程含義，而且面向加工。建模時(shí)以特征為操作對象，工藝設(shè)計(jì)時(shí)以特征為基本單位，加工時(shí)以特征為基礎(chǔ)。1)特征的含義 特征是具有工程含義的幾何實(shí)體，為了表達(dá)產(chǎn)品的完整信息而提出的一個(gè)概念。特征是對諸如零件形狀、工藝和功能等與零件描述相關(guān)的信息集的綜合描述，是反映零件特點(diǎn)的可按一定的規(guī)則分類的產(chǎn)品描述信息。特征是產(chǎn)品信息的集合，不僅具有按一定拓?fù)潢P(guān)系組成的特定形狀，而且反映特定的工程

36、語義，所以兼有形狀和功能兩種屬性。從其名稱和語義足以聯(lián)想其特定幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系、典型功能、繪圖表示方法、創(chuàng)造技術(shù)、公差要求，適宜在設(shè)計(jì)、分析和制造中使用。特征的分類方法有很多，主要有按產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的性質(zhì)分類，按幾何形狀分類，按功能分類，按制造方法分類等。各方面的信息有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成了基于特征的零件信息模型，如圖5-7所示。零件形狀特征精度特征管理特征性能分析特征材料特征裝配特征屬性1屬性n屬性1屬性n幾何元素幾何級圖5-7 基于特征的零件信息模型級零件級屬性級特征級2)基于特征的模型生成方法 基于特征的建模方法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

37、征高層語義信息。目前主要探討機(jī)構(gòu)形狀特征，其常用描述方法主要有基于B-rep的方法、基于CSG的方法、基于混合CSG/B-rep的方法等三種方法。其中混合CSG/B-rep的方法是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中表示特征的較好方法，這是因?yàn)樗瑫r(shí)兼有CSG模型及B-rep模型的優(yōu)點(diǎn)，CSG模型易于對高層元素操作，B-rep模型易于與低層元素(點(diǎn)、線、面)附加尺寸、公差和其它屬性?；谔卣鞯哪Ｐ蜕煞绞街饕幸韵氯N：特征定義特征模型幾何模型設(shè)計(jì)員工作計(jì)劃員圖5-8 交互式特征定義幾何建模器1)交互式特征定義(Interactive Feature Definition) 如圖5-8 所示，交互式特征定義總是在一個(gè)以

38、定義的幾何模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，以人機(jī)交互的方式輔助識(shí)別特征，這種方式首先建立產(chǎn)品的幾何模型，然后由用戶直接通過圖形來提取定義特征所需的幾何要素，輸入工藝信息，建立零件或產(chǎn)品描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。交互式特征定義的原理利用B-rep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以很好地實(shí)現(xiàn)，但是效率低，且?guī)缀涡畔⑴c非幾何信息是分離的，產(chǎn)品的數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)共享。利用這種方法其結(jié)果取決于用戶的正確選擇，如果選擇了錯(cuò)誤的元素或選擇的元素?cái)?shù)量不恰當(dāng)，就不可能對元素進(jìn)行定義，必須重新進(jìn)行選擇。因此，使用人員必須掌握系統(tǒng)和現(xiàn)行的匹配模型方面的精確知識(shí)。特征識(shí)別實(shí)體模型實(shí)體建模器特征分選特征圖5-9 自動(dòng)特征識(shí)別2)自動(dòng)的特征識(shí)別(Feature Rec

39、ognition) 在建立幾何模型后，通過啟動(dòng)專門的程序，利用實(shí)體建模信息，自動(dòng)地處理幾何數(shù)據(jù)庫，識(shí)別特征，搜索并提取特征信息，產(chǎn)生特征模型，如圖5-9所示。特征識(shí)別方法主要有匹配、邊面延伸、體分解以及CSG識(shí)別等。這種方式應(yīng)用面廣，但識(shí)別能力有限，且提取特征信息很困難，應(yīng)用的零件范圍狹小。特征識(shí)別通常只對簡單形狀有效，難以處理復(fù)雜情況，處理結(jié)果也未必與原意圖相符，有很大的局限性。自動(dòng)的特征識(shí)別是通過利用一個(gè)幾何建模器自動(dòng)的生成加工計(jì)劃的第一步。與在銑削加工時(shí)直接從建模器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)求得工件的合適區(qū)域的加工區(qū)識(shí)別方法不同，特征識(shí)別的任務(wù)是尋找一個(gè)幾何模型的范圍，這個(gè)范圍應(yīng)與先前定義的一般特征相符合

40、?？傊嬖谝粋€(gè)成熟的構(gòu)件模型是先決條件，一個(gè)特征識(shí)別系統(tǒng)的任務(wù)主要有以下幾方面：按照與預(yù)定義模型的拓?fù)?幾何一致性原則搜尋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中分離和抽取已被識(shí)別的特征；求得特征參數(shù)(例如孔徑和槽深)；完備幾何特征模型；把簡單的幾何特征組合成高價(jià)值的特征。特征識(shí)別還有一系列其它的問題，比如在難以區(qū)別特征的語義方面；還有，用于完整識(shí)別在其中所含有特征的幾何模型必須由預(yù)定義的特征組成。特征識(shí)別在應(yīng)用復(fù)雜的、用戶定義的特征時(shí)會(huì)引起問題。特征識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)在于在不同的應(yīng)用領(lǐng)域之間轉(zhuǎn)換時(shí)其原理上具有多面性。只要建模器數(shù)據(jù)本身的交換能夠得到保證，特征識(shí)別可以使得隨后的應(yīng)用與模型生成的類型無關(guān)，并因此也與所應(yīng)

41、用的設(shè)計(jì)系統(tǒng)無關(guān)。特征造型器幾何造型器特征模型幾何模型應(yīng)用系統(tǒng)圖5-10 基于特征的設(shè)計(jì)表示圖用戶3)基于特征的設(shè)計(jì)(Design by Feature) 如圖5-10所示，利用特征進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，預(yù)先將大量的標(biāo)準(zhǔn)特征或用戶自定義的特征存儲(chǔ)進(jìn)特征庫，在設(shè)計(jì)階段就調(diào)出特征庫中的特征，將之作為基本建模單元進(jìn)行建模，再逐步輸入幾何信息、工藝信息建立起零件的特征數(shù)據(jù)模型，并將其存入數(shù)據(jù)庫。由于這種方法適用范圍廣，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，因此，得到了廣泛的應(yīng)用。在基于特征的設(shè)計(jì)過程中，特征已經(jīng)融通在設(shè)計(jì)過程中，因此，在特征中含有的幾何的、拓?fù)涞暮驼Z義的信息保持在產(chǎn)品模型中。由此，盡管在后續(xù)安排的加工和過程計(jì)劃系

42、統(tǒng)中仍需進(jìn)行特征識(shí)別，卻不需唯一地通過建模器內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而是可以在特征數(shù)據(jù)庫中實(shí)施。只要數(shù)據(jù)庫保證必要的一致性，通過特征的支持幫助，設(shè)計(jì)人員可以得到遠(yuǎn)比在一種簡單的幾何和拓?fù)浯_定時(shí)更多的建模自由空間?；谔卣鞯脑O(shè)計(jì)更多的是通過設(shè)計(jì)模型的一致性來支持設(shè)計(jì)人員，通過與特征聯(lián)系的語義可以確定信息、文件功能的關(guān)系并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，并可以在進(jìn)一步的處理系統(tǒng)中得到利用，使設(shè)計(jì)人員有更多的使用空間及給出嚴(yán)格的格式化工作方式。采用特征時(shí)的一個(gè)關(guān)系重大的問題是在每種情況下的特征干擾問題，它可能產(chǎn)生不合適數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的后果，導(dǎo)致模型的不致性。這個(gè)問題一般可以通過對相應(yīng)規(guī)范和強(qiáng)制條件的動(dòng)態(tài)審查來避免。如果違反

43、了建模時(shí)的規(guī)范，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與相應(yīng)的問題處理有關(guān)聯(lián)的通告，把強(qiáng)制性條件直接分配給特征，這樣就可以對每項(xiàng)措施進(jìn)行檢驗(yàn)。然而，執(zhí)行這樣的算法和設(shè)計(jì)所必需的規(guī)范是困難的，至今尚沒有完整實(shí)現(xiàn)上述功能的商用系統(tǒng)，這是在產(chǎn)品和過程建模模型系統(tǒng)方面需要加強(qiáng)研究的課題。 (5) 基于特征的參數(shù)化建模 基于特征的參數(shù)化建模是將特征造型技術(shù)與參數(shù)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對多種設(shè)計(jì)方式(自頂向下或自底而上等)和設(shè)計(jì)形式(初始設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)和變異設(shè)計(jì)等)的支持的一種建模方法?；谔卣鞯膮?shù)化建模主要過程如下： 1)基于約束的特征描述；2)特征結(jié)構(gòu)圖元參數(shù)化建模；3)特征之間的約束建模?；谔卣鞯膮?shù)化設(shè)計(jì)過程中，最

44、主要的是基于約束的特征描述，主要包括以下內(nèi)容： 1)將產(chǎn)品描述為幾何形狀特征的集合；2)將形狀特征分解為具有一定幾何體素的特征結(jié)構(gòu)圖元，結(jié)構(gòu)圖元一般可以是由線段、圓、圓弧、樣條曲線等組成的特征框模型；3)根據(jù)幾何體素及位置關(guān)系進(jìn)行分析結(jié)構(gòu)圖元的幾何構(gòu)成及其位置。在CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，產(chǎn)品的主特征和輔助特征均要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，特征結(jié)構(gòu)圖元參數(shù)化一般為個(gè)主特征和部分輔助特征參數(shù)化。參數(shù)化定義過程可以描述如下：1)首先選擇并創(chuàng)建結(jié)構(gòu)特征的幾何體素，使用參數(shù)完整表達(dá)幾何形狀的結(jié)構(gòu)模型；2)指定足夠的測量實(shí)體，如組成實(shí)體的點(diǎn)、線、圓弧、倒角等測量基準(zhǔn)；3)建立定形尺寸，即各個(gè)標(biāo)注的尺寸單元；4)建立定位

45、尺寸，以定位點(diǎn)為基準(zhǔn)，確定各個(gè)特征點(diǎn)的對應(yīng)位置；5)確定尺寸約束和位置約束，建立約束方程，并對約束方程進(jìn)行求解。針對某一類產(chǎn)品的部分輔助特征還應(yīng)單獨(dú)定義，如軸類零件，其中的鍵槽、中心孔就應(yīng)作為輔助特征單獨(dú)定義，以滿足特殊主特征的需要。輔助特征實(shí)現(xiàn)參數(shù)化主要是將輔助特征用計(jì)算方程和邏輯方程表達(dá)，參數(shù)可以是邏輯謂詞或計(jì)算關(guān)系式的變量。在設(shè)計(jì)過程中，特征之間的約束建模主要包括下列三個(gè)方面：1)針對不同類型的產(chǎn)品，建立產(chǎn)品的形狀特征分解簡圖；2)分析構(gòu)成此類產(chǎn)品的各個(gè)特征之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，并用二叉樹表示特征模型之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系；3)分析構(gòu)成此類產(chǎn)品的各個(gè)特征之間的約束關(guān)系，顯式地指定以完全滿足產(chǎn)品

46、建模所需確定的約束，這些約束主要是特征的空間位置關(guān)系、公差、裝配結(jié)構(gòu)等幾何約束。(6) 環(huán)境建模虛擬環(huán)境是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心，是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)人機(jī)交互的交互環(huán)境。虛擬環(huán)境的創(chuàng)建包括實(shí)景虛化與虛景實(shí)化兩個(gè)方面。實(shí)景虛化是將現(xiàn)實(shí)世界的多維感知信息映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世界，主要包括虛擬景物模型構(gòu)建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)使得真實(shí)感虛擬環(huán)境生成、虛擬環(huán)境對用戶實(shí)時(shí)交互信息的檢測與獲取成為可能；虛景實(shí)化是通過各種高性能計(jì)算和仿真技術(shù)使計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中的景物或客體能夠產(chǎn)生各種逼真的感官刺激，并以盡可能自然的方式反饋給用戶，主要包括具有真實(shí)感的視覺感知、聽覺感知

47、、力覺和觸覺感知等技術(shù)，例如HMD、立體眼鏡、大屏幕投影等立體顯示技術(shù)，三維立體聲音技術(shù)，力反饋手套、力反饋操縱桿等。當(dāng)前的虛擬環(huán)境建模方法一般分為以下三類：1)基于幾何造型(Geometry-based VE) 基于幾何造型方法通常利用造型軟件(如3DSMAX、AutoCAD等)手工搭建模型；或者通過對三維物體表面直接測量，獲得離散的三維數(shù)據(jù)，然后將這些三維數(shù)據(jù)進(jìn)行三角剖分，得到景物的多邊形描述。虛擬環(huán)境由各類三維幾何體合成，在虛擬環(huán)境中漫游是根據(jù)觀察點(diǎn)及其觀察方向通過實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)繪制三維幾何體來實(shí)現(xiàn)的。2)基于圖像繪制(Image-based VE) 基于圖像繪制方法利用全景圖集合來構(gòu)建

48、虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中漫游相當(dāng)于選擇不同的全景圖。全景圖可用計(jì)算機(jī)生成，也可用全景相機(jī)拍攝或用普通相機(jī)拍攝后再加以鑲嵌。這種方法制作簡單，場景逼真自然，能實(shí)時(shí)地顯示構(gòu)建的環(huán)境。3)基于幾何造型和圖像繪制的混合方法(Hybrid VE) 這種方法通過組合上述兩種建模方法的優(yōu)點(diǎn)而開發(fā)出更為優(yōu)化的虛擬環(huán)境?；旌戏椒ɡ没趫D像繪制的虛擬環(huán)境建模的快速、低價(jià)、方便的優(yōu)點(diǎn)，營造主體場景，在此基礎(chǔ)上能融合計(jì)算機(jī)繪制的幾何三維模型，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式交互。5.2.2基于知識(shí)的虛擬設(shè)計(jì)虛擬設(shè)計(jì)必須是根據(jù)產(chǎn)品與零件的功能、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞和動(dòng)平衡等的設(shè)計(jì)，決定產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)、造型和尺寸，即基于知識(shí)的虛擬設(shè)計(jì)。

49、反之，只有基于知識(shí)的虛擬設(shè)計(jì)才能符合真實(shí)制造的要求，能更深入地發(fā)展虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，使虛擬制造各階段的數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)、繼承、可重用和共享。為此，必須建立合適的設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型。基于知識(shí)的虛擬設(shè)計(jì)過程中要用到各種標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)時(shí)要用到各種材料參數(shù)、圖表集等制作成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，以便設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行調(diào)用。每個(gè)零件的模型實(shí)際上是一個(gè)小的專家系統(tǒng)，根據(jù)不同零件設(shè)計(jì)要求，其結(jié)果是形成反映零件的尺寸、特征、形狀、功能、行為、意圖等屬性的數(shù)據(jù)，其特征包括方位特征、形狀特征、精度特征和技術(shù)管理特征等。圖5-11為元模型的結(jié)構(gòu)。(1) 元模型及基于知識(shí)的元模型建模1)元模型的結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的元模型為系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，對應(yīng)機(jī)械零件的模

50、型。區(qū)別于一般CAD的直接幾何造型方法，元模型的建模是先采用人工設(shè)計(jì)零件時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)公式、循環(huán)修改、有限元法、邊界元法、分布參數(shù)、實(shí)驗(yàn)推理等知識(shí)，對零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、疲勞、穩(wěn)定、動(dòng)平衡等設(shè)計(jì)，從而確定零件的材料、幾何形狀特征和尺寸數(shù)據(jù)，然后用計(jì)算出的數(shù)據(jù)選擇合適的計(jì)算機(jī)坐標(biāo)，利用圖形學(xué)的不同算法，如多邊形的頂點(diǎn)法、各種曲面曲線的樣條法、OpenGL函數(shù)庫法等形成零件的幾何造型，并加適當(dāng)?shù)墓庹?，使?shí)際尺寸與計(jì)算機(jī)坐標(biāo)尺寸有一個(gè)映射，再根據(jù)材料參數(shù)進(jìn)行表面紋理映射和渲染，從而得到零件在計(jì)算機(jī)上的元模型。元模型零件N強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)則庫標(biāo)準(zhǔn)庫材料參數(shù)剛度設(shè)計(jì)疲勞設(shè)計(jì)剛度設(shè)計(jì)疲勞

51、設(shè)計(jì)零件2強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)則庫標(biāo)準(zhǔn)庫材料參數(shù)剛度設(shè)計(jì)疲勞設(shè)計(jì)剛度設(shè)計(jì)疲勞設(shè)計(jì)零件1圖5-11元模型的結(jié)構(gòu)2)元模型的建模 一個(gè)基于知識(shí)的元模型的建模可由來描述，其中，為零件類的名稱符號集合，例如可設(shè)齒輪類為集合，軸類為集合等，表示零件子類集合；是受力分析，其結(jié)果是得到所設(shè)計(jì)零件的載荷，；為輸入集，是設(shè)計(jì)過程中所需的常數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、材料參數(shù)、工作環(huán)境等數(shù)據(jù)和圖表參數(shù)等；為設(shè)計(jì)種類的集合，這里是某種設(shè)計(jì)，可以為空，即有些零件的設(shè)計(jì)不是每種設(shè)計(jì)都要求的，但不全為空，例如假定為強(qiáng)度設(shè)計(jì)，為剛度設(shè)計(jì)，為疲勞設(shè)計(jì)等，可表示為，又是某種設(shè)計(jì)的不同公式或不同對應(yīng)規(guī)律。通過個(gè)設(shè)計(jì)，可求出某零件的一組特征、

52、形狀、尺寸、功能、行為、意圖等參數(shù)；是元模型，即，為元模型的各種屬性，由一些幾何物理特征參數(shù)、材質(zhì)、光照等來描述；為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，也就是一個(gè)映射。(2) 機(jī)構(gòu)模型及建模方法1)機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu) 機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)見圖5-12。對于機(jī)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)，要將現(xiàn)有的實(shí)際機(jī)構(gòu)分類分級，不同機(jī)構(gòu)可能有不同的類、級、層，然后由零件構(gòu)造機(jī)構(gòu)，又由子機(jī)構(gòu)構(gòu)造父機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)。機(jī)構(gòu)模型呈樹形，元模型作為葉節(jié)點(diǎn)，機(jī)構(gòu)模型要調(diào)用零件元模型的數(shù)據(jù)，父機(jī)構(gòu)要用到子機(jī)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)，再上層的爺節(jié)點(diǎn)調(diào)用父節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，依此類推，一直到一個(gè)獨(dú)立的部件或產(chǎn)品的獨(dú)立部分為止，而且各層機(jī)構(gòu)模型中要有一個(gè)機(jī)構(gòu)專家系統(tǒng)模塊，以便

53、對各層機(jī)構(gòu)的組成、功能及機(jī)理進(jìn)行映射。這樣分解機(jī)構(gòu)模型，即可使機(jī)構(gòu)機(jī)理清晰，又能降低建模難度。2)機(jī)構(gòu)模型的建模方法 產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常是多人在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)進(jìn)行的，為此，機(jī)構(gòu)模型可采用元模型子機(jī)構(gòu)模型1元模型元模型父機(jī)構(gòu)模型1元模型子機(jī)構(gòu)模型N元模型元模型機(jī)構(gòu)組成專家系統(tǒng)N層父機(jī)構(gòu)模型n機(jī)構(gòu)部件模型圖5-12機(jī)構(gòu)模型的樹形結(jié)構(gòu)圖Agent系統(tǒng)的方法建模，每一個(gè)機(jī)構(gòu)可以成為一個(gè)Agent，一個(gè)大的Agent包含多個(gè)小的Agent。多Agent系統(tǒng)正好滿足機(jī)構(gòu)模型中的多個(gè)子機(jī)構(gòu)組成一個(gè)父機(jī)構(gòu)的模式，不同粒度的Agent恰好能表明機(jī)構(gòu)的不同層次。在設(shè)計(jì)時(shí)，不同設(shè)計(jì)人員可分別基于Internet/Int

54、ranet作為同一或不同Agent同時(shí)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而形成多Agent系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)的基本Agent結(jié)構(gòu)由感知器、效應(yīng)器、任務(wù)求解、角色分工列表和通信管理模塊組成，見圖5-13。角色列表任務(wù)求解感知器效應(yīng)器通信管理圖5-13機(jī)構(gòu)模型的基本Agent結(jié)構(gòu) 感知器是Agent接受外部世界信息的感覺通道，可以感知其它Agent已成功設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)對本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。通信管理模塊實(shí)際上是一個(gè)通信控制器，負(fù)責(zé)與其它Agent進(jìn)行交互的機(jī)制或協(xié)議，還可調(diào)用外部元模型庫中的元模型，它包括用來具體控制消息傳遞的消息門和對消息內(nèi)容進(jìn)行的解釋器。角色列表是本Agent在系統(tǒng)中所承擔(dān)的任務(wù)列表，并將任務(wù)定義成可求

55、解的具體問題。任務(wù)求解模塊是Agent的基于知識(shí)的設(shè)計(jì)核心部分，將從任務(wù)列表模塊中傳來的問題分別或同時(shí)指定給推理引擎和核心算法，推理引擎是利用元模型庫、機(jī)構(gòu)組成專家知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行設(shè)計(jì)求解；核心算法主要依賴載荷分析和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等設(shè)計(jì)求解，任務(wù)求解主要包括求解管理、推理引擎/核心算法、數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫及其管理系統(tǒng)，此知識(shí)庫包括機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所用到的多種專家系統(tǒng)，如某層機(jī)構(gòu)的組成、功能及機(jī)理等。效應(yīng)器是本Agent影響或改變其它Agent及環(huán)境的界面，完成的設(shè)計(jì)任務(wù)由它輸出給系統(tǒng)并被其它Agent所感知。(3) 產(chǎn)品模型及建模方法1)產(chǎn)品模型的結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品模型可能是多個(gè)模型的集合，應(yīng)根據(jù)不同

56、類型產(chǎn)品建立不同類型的模型集合，即要進(jìn)行集成化建模。產(chǎn)品模型應(yīng)是產(chǎn)品最高一個(gè)層次的模型，其結(jié)構(gòu)見圖5-14。一般情況下，將整個(gè)系統(tǒng)按不同功能的不同性質(zhì)劃分為幾大模塊(不同于機(jī)構(gòu)的劃分方產(chǎn)品集成模型目的1目的2目的n性能仿真模型1性能仿真模型2性能仿真模型n性能仿真模型1性能仿真模型2性能仿真模型n模擬裝配模型圖514產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)法)，如機(jī)電產(chǎn)品模型的結(jié)構(gòu)有動(dòng)力模塊、電氣及控制模塊、傳動(dòng)變速模塊、執(zhí)行模塊等，然后再根據(jù)產(chǎn)品不同功能目的，為其建立產(chǎn)品的各方面性能的虛擬仿真模型；在各部件模型基礎(chǔ)上，繼承、歸納、綜合、抽象、提煉各機(jī)構(gòu)部件模型的信息而形成產(chǎn)品的裝配模型，從而形成集成化的產(chǎn)品模型。考慮到

57、集成化的產(chǎn)品模型的多目的虛擬仿真、虛擬裝配要求，即每一模型可以完成某一或多個(gè)仿真的目的，其中有可能包含面向結(jié)構(gòu)的、面向幾何的、面向特征的及面向知識(shí)的產(chǎn)品模型。對于具體仿真模型來說，它可能是連續(xù)的，也可能是離散的，可能是時(shí)變的，也可能是時(shí)不變的，基于不同目的仿真算法要根據(jù)具體情況來定，但總體上產(chǎn)品模型與元模型和機(jī)構(gòu)模型不同，它側(cè)重的是基于產(chǎn)品各方面性能的仿真模型。2)產(chǎn)品模型的建模 集成化產(chǎn)品模型中各模型的數(shù)據(jù)傳輸、交換和共享是極為重要的，它本身也是建模的一部分。為實(shí)現(xiàn)集成化產(chǎn)品建模，一種重要方法是使用ISO的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，STEP標(biāo)準(zhǔn)定義了一種中性的格式，用于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表達(dá)與交換。使用STEP