第1章 三維造型技術(shù)發(fā)展史ppt課件

1、 三維外型技術(shù)開展史 三維外型技術(shù)將物體的外形及屬性存儲在計算機內(nèi)，構(gòu)成三維幾何模型，表達(dá)直觀、充分、清楚，并廣泛運用于工程設(shè)計和制造的各個領(lǐng)域。本課程主要培育運用Pro/Engineer軟件表示和設(shè)計空間形體的才干。 三維外型技術(shù)是利用計算機系統(tǒng)描畫物體外形的技術(shù)。如何利用一組數(shù)據(jù)表示形體，如何控制與處置這些數(shù)據(jù)，是幾何外型中的關(guān)鍵技術(shù)。. 1.1 三維外型技術(shù)的產(chǎn)生及其特點 CAD技術(shù)的產(chǎn)生 CAD技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代后期興隆國家的航空和軍事工業(yè)中，1989年，美國國家工程研討院將CAD技術(shù)評為19641989十項最出色的工程技術(shù)成就之一。 CAD在早期是英文Computer Aid

2、ed Drafting的縮寫，隨著計算機硬、軟件技術(shù)的開展，人們逐漸的認(rèn)識到單純運用計算機繪圖還不能稱之為計算機輔助設(shè)計； 真正的設(shè)計是整個產(chǎn)品的設(shè)計，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計、構(gòu)造分析、加工制造等，二維工程圖設(shè)計只是產(chǎn)品設(shè)計中一個小的部分； 于是CAD的縮寫詞改為Computer Aided Design，CAD不再是輔助繪圖，而是整個產(chǎn)品的輔助設(shè)計。CAPP.現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)過程圖例概念設(shè)計工程繪圖構(gòu)造設(shè)計詳細(xì)設(shè)計構(gòu)造有限元分析機械系統(tǒng)動態(tài)分析運動學(xué)分析、動力學(xué)分析加工仿真消費過程仿真數(shù)字化車間.現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)過程圖例.CAD領(lǐng)域的主流技術(shù)三維外型技術(shù)的研討和開展 在CAD技術(shù)開展初期，CAD

3、僅限于計算機輔助繪圖，隨著三維外型技術(shù)的開展，CAD技術(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、曲面模型和實體外型技術(shù)。而如今參數(shù)化及變量化設(shè)計思想和特征模型 那么代表了當(dāng)今CAD技術(shù)的開展方向。CAD技術(shù)是一項綜合性的、技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及許多學(xué)科領(lǐng)域，如計算機科學(xué)和工程，計算數(shù)學(xué)，計算幾何、計算機圖形顯示、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)、人工智能學(xué)科和技術(shù)以及與各領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計有關(guān)的專業(yè)知識等 三維外型技術(shù)是伴隨CAD技術(shù)的開展而開展的！. 1.2 三維外型技術(shù)的開展史 20世紀(jì)60年代末開場研討用線框和多邊形構(gòu)造三維實體，這樣地模型被稱為線框模型。 線框模型的表示方

4、法V1V4V2V3V5V8V6V7e1e2e3e4e5e6e7e8e9e10e11e12XYZ頂點表棱線表線框模型Wire Frame Model ).線框模型的特點 三維物體是由它的全部頂點及邊的集合來描畫，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)生恣意視圖，視圖間能堅持正確的投影關(guān)系，這為消費工程圖帶來了方便。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)構(gòu)造簡單，節(jié)約計算機資源；學(xué)習(xí)簡單，是人工繪圖的自然延伸。.缺陷：由于所以棱線全部顯示，物體的真實感可出現(xiàn)二義解釋；短少曲線棱廓，假設(shè)要表現(xiàn)圓柱、球體等曲面比較困難；由于數(shù)據(jù)構(gòu)造中短少邊

5、與面、面與面之間的關(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(jìn)展剖切，不能進(jìn)展兩個面求交，不能自動劃分有限元網(wǎng)絡(luò)等等。目前許多CAD/CAM系統(tǒng)仍將此系統(tǒng)作為外表模型和實體模型的根底. 進(jìn)入20世紀(jì)70年代，正值飛機和汽車工業(yè)的蓬勃開展時期。此間飛機及汽車制造中出現(xiàn)了大量的自在曲面問題，當(dāng)時只能采用多截面視圖、特征緯線的方法來近似表達(dá)所要設(shè)計的曲面。由于三視圖表達(dá)的不完好性，因此很難到達(dá)設(shè)計者的要求。 此時法國人貝賽爾提出了Bezier算法，使得人們在用計算機處置曲面及曲線問題時變得可以操作。法國達(dá)索Dssault飛機制造公司開發(fā)了三維曲面外型系統(tǒng)CATIA帶來了第

6、一次CAD技術(shù)革命。 曲面外型系統(tǒng)帶來了技術(shù)革新，使汽車開發(fā)手段比舊的方式有了質(zhì)的飛躍，許多車型的開發(fā)周期由原來的6年縮短只需約三年. 第一次技術(shù)革命曲面外型系統(tǒng) . 曲面模型是在線框模型的數(shù)據(jù)構(gòu)造根底上，添加可構(gòu)成立面子的各相關(guān)數(shù)據(jù)后構(gòu)成的。曲面模型Surface Model) V1V4V2V3V5V8V6V7e1e2e3e4e5e6e7e8e9e10e11e12XYZ曲面模型的表示方法F1F2F3F4F5F6外表表.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?fù)潢P(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、外表積計算、消隱等功能，此外還

7、擅長于構(gòu)造復(fù)雜的曲面物體，如模具、汽車、飛機等外表。缺陷： 只能表示物體的外表及邊境，不能進(jìn)展剖切，不能對模型進(jìn)展質(zhì)量、質(zhì)心、慣性矩等物性計算。.常見曲面生成手段如生成平面、直紋面、柱狀面等曲面a、延伸.如生成圓柱面、球面、圓錐面、環(huán)面等回轉(zhuǎn)面b、回轉(zhuǎn) .生成自在曲面如：Bezier曲面、B樣條曲面、Coons曲面等 c、蒙皮放樣 . d、指定邊境cover . e、掃描曲面 . f、過渡 . g、等距 . 進(jìn)入20世紀(jì)80年代，CAD價錢依然令普通企業(yè)望而卻步，這使得CAD技術(shù)無法擁有更寬廣的市場。 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，

8、對CAE非常不利。基于對CAD/CAE一體化技術(shù)開展的探求，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外型技術(shù)的大型CAD/CAE軟件I-DEAS。由于實體模型能準(zhǔn)確表達(dá)零件的全部屬性，在實際上一致CAD/CAE/CAM帶來了CAD開展史上第二次技術(shù)革命。第二次技術(shù)革命實體外型系統(tǒng) . 實體模型在外表看來往往類似于經(jīng)過消除隱藏線的線框模型在線框模型或經(jīng)過消除隱藏面的曲面模型； 但實體模型上假設(shè)挖一個孔，就會自動消費一個新的外表，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：它是一個全封鎖(實體的三維形

9、體的計算機表示；具有完好性和無二義性；保證只對實踐上可實現(xiàn)的零件進(jìn)展外型；零件不會短少邊， 面，也不會有一條邊穿入零件實體，因此，能防止過失和 不可實現(xiàn)的設(shè)計。提供高級的整體外形定義方法。可以經(jīng)過布爾運算從舊模型 得到新模型 實體模型Solid Model) 實體模型和線框模型實體模型：骨骼肌肉內(nèi)臟的完好人體.實體模型表示方法 邊境表示法Boundry Representation簡稱B-Reps 建構(gòu)實體幾何法Constructive Solid Geometry簡稱CSG 實體模型的兩種表示方法.邊境表示法B-Reps 邊境表示按照體面環(huán)邊點的層次，詳細(xì)記錄了構(gòu)成形體的一切幾何元素的幾何信

10、息及其相互銜接的拓?fù)潢P(guān)系。在進(jìn)展各種運算和操作中，就可以直接獲得這些信息 .邊境表示法B-Reps 在Por/E中，實體外型的制造方法有拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描，混合圖中，實體模型包含：環(huán)形掃描Circle Sweeping：在Pro/E中稱“旋轉(zhuǎn)Revolution線性掃描Linear Sweeping：在Pro/E中稱“拉伸Exrude途徑掃描Sweep：在Pro/E中稱“伸出項混合掃描Sweep Blend：混合掃描即針對可變截面剖面的掃描，是用于同一途徑，但途徑中每段截面的外形不同，或截面輪廓為漸縮或漸增的情況。.1表示形體的點、邊、面等幾何元素是顯式表示的，使得繪制Brep表示的形體的速度較

11、快，而且比較容易確定幾何元素間的銜接關(guān)系；2容易支持對物體的各種部分操作，比如進(jìn)展倒角，我們不用修正形體的整體數(shù)據(jù)構(gòu)造，而只需提取被倒角的邊和與它相鄰兩面的有關(guān)信息，然后，施加倒角運算就可以了；3便于在數(shù)據(jù)構(gòu)造上附加各種非幾何信息，如精度、外表粗糙度等。 由于Brep表示覆蓋域大，原那么上能表示一切的形體，而且易于支持形體的特征表示等，Brep表示已成為當(dāng)前CAD/CAM系統(tǒng)的主要表示方法。 B-Reps法的優(yōu)點.B-Reps法的缺陷1數(shù)據(jù)構(gòu)造復(fù)雜，需求大量的存儲空間，維護內(nèi)部數(shù)據(jù)構(gòu)造的程序比較復(fù)雜；2 B-Reps表示不一定對應(yīng)一個有效形體，通常運用歐拉操作來保證B-Reps表示形體的有效性

12、、正那么性等。.建構(gòu)實體幾何法CSG 構(gòu)造實體幾何CSG表示是經(jīng)過對體素定義運算而得到新的形體的一種表示方法，體素可以是立方體、圓柱、圓錐等，其運算為變換或正那么集合運算并、交、差。CSG表示可以看成是一棵有序的二叉樹。.建構(gòu)實體幾何法CSG 機械零件和機械產(chǎn)品的幾何外形多數(shù)是由立方體和圓柱體等簡單幾何形體組合而成的。所謂CSG法，就是將一些根本的立體組成圖形，例如，立方體、錐體、圓柱、球體等，相互重疊放置在一同；然后，剪去或擬和反復(fù)的部分即可。根本的CSG立體實體.布爾運算在利用CSG進(jìn)展組合構(gòu)成新的幾何形體時，要在這些CSG之間進(jìn)展所謂的并集Union、差集Subtract、交集Inter

13、section等幾何邏輯運算，實際上稱為“布爾運算. CSG表示的優(yōu)點1)數(shù)據(jù)構(gòu)造比較簡單，數(shù)據(jù)量比較小，內(nèi)部數(shù)據(jù)的管理比較容易；2)CSG表示可方便地轉(zhuǎn)換成邊境Brep表示；3)CSG方法表示的形體的外形，比較容易修正。. CSG表示的缺陷1)對形體的表示受體素的種類和對體素操作的種類的限制，也就是說，CSG方法表示形體的覆蓋域有較大的局限性；2)對形體的部分操作不易實現(xiàn)，例如，不能對根本體素的交線倒圓角；3)由于形體的邊境幾何元素點、邊、面是隱含地表示在CSG中，故顯示與繪制CSG表示的形體需求較長的時間。 . 20世紀(jì)80年代中晚期，計算機技術(shù)迅猛開展，硬件本錢大幅度降低，CAD技術(shù)的硬

14、件平臺本錢從二十幾萬美圓降到只需幾萬美圓。很多中小型企業(yè)也開場有才干運用CAD技術(shù)。 1988年，參數(shù)技術(shù)公司Parametric Technology Corporation，PTC)采用面向?qū)ο蟮囊恢聰?shù)據(jù)庫和全參數(shù)化外型技術(shù)開發(fā)了Pro/Engineer軟件，為三維實體外型提供了一個優(yōu)良的平臺。參數(shù)化Parametric外型的主體思想是用幾何約束、工程方程與關(guān)系來闡明產(chǎn)品模型的外形特征，從而到達(dá)設(shè)計一系列在外形或功能上具有類似性的設(shè)計方案。目前能處置的幾何約束類型根本上是組成產(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)化外型技術(shù)又稱尺寸驅(qū)動幾何技術(shù)。帶來了CAD開展史上第三

15、次技術(shù)革命。第三次技術(shù)革命特征參數(shù)化技術(shù) . 參數(shù)化設(shè)計是CAD技術(shù)在實踐運用中提出的課題，它不僅可使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(xué)方法；2基于幾何原理的人工智能方法；3基于特征模型的外型方法特征工具庫，包括規(guī)范件庫均可采用該項技術(shù)。其中數(shù)學(xué)方法又分為初等方法Primary Approach和代數(shù)方法Algebraic Approach。 初等方法利用預(yù)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)，但僅適用于只需程度和垂直方向約束的場所；代數(shù)法那么將幾何約束轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程，構(gòu)成一個非線性方程組。該方

16、程組求解較困難，因此實踐運用遭到限制；人工智能方法是利用專家系統(tǒng)，對圖形中的幾何關(guān)系和約束進(jìn)展了解，運用幾何原理推導(dǎo)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)的指點思想是：他只需按照系統(tǒng)規(guī)定的方式去操作，系統(tǒng)保證他生成的設(shè)計的正確性及效率性，否那么回絕操作。這種思緒的副作用是：1運用者必需遵照軟件內(nèi)在運用機制，如決不允許欠尺寸約束、不可以逆序求解等；2當(dāng)零件截面外形比較復(fù)雜時，將一切尺寸表達(dá)出來讓設(shè)計者為難；3只需尺寸驅(qū)動這一種修正手段，那么終究改動哪一個(或哪幾個)尺寸會導(dǎo)致外形朝著本人稱心方向改動呢？這并非容易判別；4尺寸驅(qū)動的范圍亦是有限制的。假設(shè)給出了不合理的尺寸參數(shù)，使

17、某特征與其它特征相關(guān)涉，那么引起拓?fù)潢P(guān)系的改動。5從運用來說，參數(shù)化系統(tǒng)特別適用于那些技術(shù)已相當(dāng)穩(wěn)定成熟的零配件行業(yè)。這樣的行業(yè)，零件的外形改動很少，經(jīng)常只需采用類比設(shè)計，即外形根本固定，只需改動一些關(guān)鍵尺寸就可以得到新的系列化設(shè)計結(jié)果。.特征特征(Feature)一詞的出現(xiàn)，最早是在1978年MIT的Gossard D.C.所指點的Soltes J.W的學(xué)士論文“A Feature-Based Representation of Parts for CAD中。 特征的認(rèn)識不同，至今尚無一致的特征定義，Shah指出一個特征所至少需求滿足以下幾個條件中的一個：零件的物理組成部分；可以映射到某一個

18、詳細(xì)的外形；有工程意義；有可以預(yù)知的屬性。 .特征定義通用定義：特征就是任何已被接受的某一個對象的幾何、功能元素和屬性，經(jīng)過它們我們可以很好地了解該對象的功能、行為和操作。更為嚴(yán)厲的定義也被運用：特征就是一個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的對象。在CAD系統(tǒng)引入“特征后，可以起到以下三方面的作用：表示設(shè)計意圖；簡化傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)中繁瑣的外型過程；從高層次上對詳細(xì)的幾何元素如點、線、面進(jìn)展封裝。 特征的作用.特征的分類從產(chǎn)品整個生命周期來看，可分為：設(shè)計特征、分析特征、加工特征、公差及檢測特征、裝配特征等

19、；(STEP產(chǎn)品模型)從產(chǎn)品功能上，可分為：外形特征、精度特征、技術(shù)特征、資料特征、裝配特征；從復(fù)雜程序上講，可分為：根本特征、組合特征、復(fù)合特征。特征分類.基于特征的零件信息模型 .零件外形特征的分類 .零件實體特征外型流程 .拉伸特征掃描特征.旋轉(zhuǎn)特征和抽殼特征放樣特征.圓角特征鏡像特征和陣列特征.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，必需將外形和尺寸結(jié)合起來思索，并且經(jīng)過尺寸約束來控制外形，經(jīng)過尺寸改動來驅(qū)動外形改動，一切以尺寸即參數(shù)為出發(fā)點，干擾和制約者設(shè)計者發(fā)明力的及想象力的發(fā)揚。 一定要求全尺寸約束嗎？欠約束能否將設(shè)計正確進(jìn)展下去？沿著這

20、個思緒，SDRC公司的開發(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年推出全新體系構(gòu)造的I-DEAS Msater Series軟件帶來了CAD開展史上第四次技術(shù)革命。.全尺寸約束 . 我們在進(jìn)展機械設(shè)計和工藝設(shè)計時，總是希望零部件可以讓我們隨心所欲地構(gòu)建，可以隨意裝配，可以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，而且希望保管每一個中間結(jié)果，以備反復(fù)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計時運用。 VGXVariational Geometry Extended超變量化幾何，SDRC公司推出實現(xiàn)的就是這樣一種思想。變量化技術(shù). 變量化技術(shù)將參數(shù)化技術(shù)中所需定義的尺寸“參數(shù)進(jìn)一步區(qū)分為外形約束和尺寸約束，而不是象參數(shù)化技術(shù)那樣只用尺寸來約束全部幾