三维造型技术发展史综述

1、三维造型技术三维建模技术是研究在计算机上机型空间形体的表示、 存贮和处 理的技术，是利用计算机系统描述物体形状的技术。 如何利用一组数 据表示形体，如何控制与处理这些数据，是几何造型中的关键技术。首先我们了解一下三维建模技术的开展史。三维建模技术的产生首先就是 CA豉术。三维建模技术是伴随着 CAD技术的开展而开展的。CAD在早期是英文 computer aideddrafting的缩写，CADi术是一项综合性的、机计算机图形学、数据 库、网络通讯等计算机及其它领域知识于一体的高新技术，是先进制造技术的重要组成局部，也是提高设计水平、缩短产品开发周期、增 强行业竞争能力的一项关键技术。随着计算

2、机硬、软件技术的开展， 人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助技 术。真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、 机构分析、加工制造等，二维工程图设计只是产品设计中的一个小的 局部。在CADK术开展初期，CA改限于计算机辅助绘图，随着三维 建模技术的开展，CADK术才从二维平面绘图开展到三维产品建模， 随之产生了三维线框模型、曲面模型和实体造型技术。而如今参数化 及变量化设计思想和特征模型那么代表了当今CADK术的开展方向。进入20世纪70年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃开展时期。 此 间飞机及汽车制造中出现了大量的自由曲面问题， 当时只能采用多截 面视图、特征纬

3、线的方法来近似表达所要设计的曲面。 由于三视图表达的不完整性，因此很难到达设计者的要求。此时法国人贝塞尔提出 了 Bezier算法，使得人们在用计算机处理曲面及曲线问题时变得可 以操作。法国达索飞机制造公司开发了三维曲面造型系统CATIA带来了第一次CA限术革命。进入20世纪80年代，CA格依然令一般企业望而却步，这使 得CA限术无法拥有更广阔的市场。由于外表模型技术只能表达形体 的外表信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩 等，对CAE十分不利。基于对CAD/CAJ体化技术开展的探索，SDRC 公司在美国国家航空及宇航局支持下与 1979年发布了世界上第一个 完全基于实体造型

4、技术的大型 CAD/CA件一一I-DEAS。由于实体模 型能准确表达零件的全部属性，在理论上统一 CAD/CAE/CA带来 了 CA册展史上的第二次技术革命。20世纪80年代中晚期，计算机技术迅猛开展，硬件本钱大幅度 降低，CADK术的硬件平台从二十几万美元降到只需几万美元。很多 中小企业也开场有能力使用 CADg术。1988年，参数技术公司采用 面向对象的统一数据库和全参数化造型技术开发了Pro/E软件，为三维实体造型提供了一个优良的平台。 参数化造型的主体思想是几何约 束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而到达一系列在 形状或功能上具有相似性的设计方案。目前能处理的集合约束类型根

5、 本上组成产品形体的集合实体公称尺寸关系和尺寸间的工程关系，因此参数化造型技术又称尺寸驱动几何技术。 带来了 CA册展史上的第 三次技术革命。参数化技术要求全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中,必须将形状和尺寸联合起来考虑， 并且通过尺寸约束来控制形状，通 过尺寸改变来驱动形状改变，一切以尺寸即参数为出发点，干扰 和制约着设计者的创造力和想象力的发挥。为此，SDRC司的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的变量 化技术，1993年推出了全新体系结果的I-DEAS Msater Series 软件 带来了 CADFF展史上的第四次技术革命。变量化技术将参数化技 术中所需

6、定义的尺寸“参数进一步区分为形状约束和尺寸约束， 而 不是像参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。除考虑几何约束之 外，变量化设计还可以将工程关系作为约束条件直接与几何方程联立 求解，无须另建模型处理。基于特征的参数化造型在三维造型中占有很重要的位置，所以我们介绍一下参数化造型首先特征就是任何已被承受的某一个对象的几何、功能元素和 属，通过它们我们可以很好地理解该对象的功能、行为和操作。更为 严格的定义也被使用：特征就是一个包含工程含义或意义的几何原型 外形。特征在此已不是普通的体素，而是一种封装了各种属性attribute 和功能function的功能要素。目前特征的分类还没有统一的体制。

7、一般来说，特征可分为造型 特征和面向过程的特征。造型特征又称为形状特征是指那些实际 构造出零件的特征，而面向过程的特征并不实际参与零件几何形状的 构造。造型特征进一步分为根本特征和二次特征，根本特征是指构成零件主要形状的特征，二次特征是指用来修改根本特征的特征， 通常分为正、负特征。面向过程的特征可细分为：精度特征、技术要求特 征、材料特征和装配特征。由此我们可以利用较高层次的语义丰富的特征来代替简单的原 始的几何元素作为根本元素，通过一定的组合法那么来建模，这就是 特征造型。特征的表示和建立就成为其中的关键。随着面向对象的技术的建立和开展，尤其是封装和继承的概念，解决了可扩大性和数据 构造的

8、复杂性，使得特征可以只包含所需的信息， 需要时可通过继承 来添加所需信息，它对特征造型提供了强有力的支持。关于特征描述。在基于特征的造型中对于特征的描述是关键，特征描述应该包含几何形状的表示和相关的处理机制以及特征高层语意信息的，目前主要是探讨形状特征。特征严格地说是语义特征可被视为由三类属 性描述的面向几何的物体：数据属性包含特征的静态信息；规那么或 方法属性定义特征特定的设计和制造特性；关系属性描述特征间的位置关系。形状特征实际上是几何实体无任何语义的构造化组合，形状特征与特征间是一对多的关系，这表达了特征的应用多视角性。通常, 对形状特征的描述有几种： B-REPbound repres

9、entation 、 CSG(constructive solid geometry) > 以及混合法。但在 CAEZ用中， 参数化设计应用越来越广，因此就出现了将参数化设计应用到特征设 计中去，使得特征具有可调整性，主要是针对特征的几何和拓扑信息。 我们可以利用混合法来建立特征模型，并将参数化法引入到特征造型中去，使形状特征可以根据需求调整变化，这就是基于特征参数化设 计。对于特征的描述可以利用面向对象的语言来描述， 利用封装来包 含特征所需的信息，使用成员变量来表示特征的静态属性以及与其他 特征的关系属性，用成员函数来描述特征特定的设计、 制造和行为规 那么方法，并且由可以通过继承来

10、产生新的特征，开展已有的特征， 来满足造型时的需要。在建立特征类的关键是形状特征的描述方法。 建立形状特征的过 程可视为约束满足的过程，设计本质上是通过提取特征有效的约束来 建立其约束模型并进展约束求解这也可称为变量化设计。那么在 类内，可以将形状特征分解成为多个成员变量，通过使用成员函数进 展约束求解来连接这些变量，然后通过图形显示的成员函数来使特 征的外形可视。这些约束一般根据不同的产品的功能、 产品构造强度 刚度和制造过程的不同来转化的， 并将这些限制综合成设计目标，然 后将它们映射成为特定的几何和拓扑构造，从而转化为约束。通常在国外将约束分为基约束、尺寸约束、几何约束和拓扑约束。 拓扑

11、约束用来约束零部件的构造，几何约束用来约束各几何元素的固 定联系，尺寸约束用来约束各几何元素的大小尺寸， 基约束为描述一 个实体相对于其他实体的位置。在国内很多文章将这些约束统称为几 何约束，分类为尺寸约束和拓扑约束，拓扑约束包含了本文中的几何 约束和拓扑约束将基约束、尺寸约束、几何约束和拓扑约束作为构成几何或拓扑构造的几何要素和外表轮廓要素， 可以导出各形状构造 的位置和形状参数，从而形成参数化的产品几何模型。构成使用混合法表示出特征的几何体素构成， 可采用一个双向链 表来表示，是多个实体构造，实体构造一个 structure 表示是由 B-RERg示的线、面等元素的综合。目前最好是使用数据

12、库来存储读 取基准，以及测量实体包括点、线、面，对于今后造型时特征的位 置很重要，并且是形状特征产生时的根底是正特征还是负特征，材料 信息，公差信息，制造信息，功能信息等约束是用来具体定各几何 体素的尺寸，关系，位置构造，是一些成员函数，其中构造函数用来 初始化特征，给出各默认参数，其他一些函数用来计算约束求解，赋 值给各体素，定位定型各体素，实现特征调整后的各体素的联动和配 合，完成显示特征行为用来描述特征在今后造型中的利用用布尔 运算进展特征造型，定位特征特征可以被视为一个小型的包含多种 信息的根本的几何模型。鉴于此，我们可以根据以上所述来建立特征 描述模型。关键是形状特征的描述，形状特征

13、应包含它的构成组成 它的几何体素，以及几何体素之间的关系。形状特征的构成可以用 CSC&、B-RE喈和混合法来表示，一般采用混合法较好，消除了 B-REP 法的不唯一性，又防止了 CSM的抽象性，它整体是采用 cscfe,在 其中应用B-REP的表示法，结合了二者的优点。利用B-REP法来表示 最根本的实体也可以算是最根本的没有语义信息的特征，并且需 要在其中加上参数变量以描述尺寸及关系， 使得参数变量化设计可以 进展。上述用CSM进展构造特征模型即复合特征，在应用中的特征造型上就可利用实体进展布尔运算来进展建模。对几何体素的关系就需要利用约束，进展变量化设计，定义尺寸大小，相对的几何

14、关 系相切、平行、垂直等以及拓扑构造。新的特征可以由旧的特征继承得来， 并参加所需的新的信息，一 般是对形状特征的扩大。对特征构成的描述也较为重要，实体的表示 就是其中的关键，实体表示为一 structure 构造，该构造中还需要一 structure 构造来描述B-REP更型，一般用链表，在其中要包含所需 的线、框和面的参数变量。按照目前的趋势，可引入数据库接口，使 它的数据成员能由数据库来进展存取。然后有关于产品描述。产品描述为形状特征的集合；形状特征有其对应的构造与关系固 定的几何体素，产品的几何模型实质上是由许多几何体素构成的；几何体素可以是实体、曲面和线框模型。这些体素通过约束来连接。特 征的构成表示的实体通过拓扑运算来构造所需产品，特征的成员变量中的基准用来定位，根据是正还是负特征来决定在原根底上增加还是 去掉该特征。任何一个产品都可以用一个包含特征链表、 参数变量和 约束的构造来表示，特征链表用来描述产品的组成元素， 参数变量用 来表示尺寸、几何和构造，当进展参数化调整时的产品的参数变量也 变化，约束用来协调特征关系以及产品的尺寸构造。基于特征的参数化设计将基于特征的设计与参数化设计有机的 结合起来，使用较完整的带有语义的特征描述方式， 并使特征本身就 包含参数