第1章 三维造型技术发展史ppt课件

1、 三维外型技术开展史 三维外型技术将物体的外形及属性存储在计算机内，构成三维几何模型，表达直观、充分、清楚，并广泛运用于工程设计和制造的各个领域。本课程主要培育运用Pro/Engineer软件表示和设计空间形体的才干。 三维外型技术是利用计算机系统描画物体外形的技术。如何利用一组数据表示形体，如何控制与处置这些数据，是几何外型中的关键技术。. 1.1 三维外型技术的产生及其特点 CAD技术的产生 CAD技术产生于20世纪50年代后期兴隆国家的航空和军事工业中，1989年，美国国家工程研讨院将CAD技术评为19641989十项最出色的工程技术成就之一。 CAD在早期是英文Computer Aid

2、ed Drafting的缩写，随着计算机硬、软件技术的开展，人们逐渐的认识到单纯运用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计； 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、构造分析、加工制造等，二维工程图设计只是产品设计中一个小的部分； 于是CAD的缩写词改为Computer Aided Design，CAD不再是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。CAPP.现代产品开发过程图例概念设计工程绘图构造设计详细设计构造有限元分析机械系统动态分析运动学分析、动力学分析加工仿真消费过程仿真数字化车间.现代产品开发过程图例.CAD领域的主流技术三维外型技术的研讨和开展 在CAD技术开展初期，CAD

3、仅限于计算机辅助绘图，随着三维外型技术的开展，CAD技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、曲面模型和实体外型技术。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CAD技术的开展方向。CAD技术是一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及许多学科领域，如计算机科学和工程，计算数学，计算几何、计算机图形显示、数据库技术、网络技术、仿真技术、人工智能学科和技术以及与各领域产品设计有关的专业知识等 三维外型技术是伴随CAD技术的开展而开展的！. 1.2 三维外型技术的开展史 20世纪60年代末开场研讨用线框和多边形构造三维实体，这样地模型被称为线框模型。 线框模型的表示方

4、法V1V4V2V3V5V8V6V7e1e2e3e4e5e6e7e8e9e10e11e12XYZ顶点表棱线表线框模型Wire Frame Model ).线框模型的特点 三维物体是由它的全部顶点及边的集合来描画，线框由此得名，线框模型就像人类的骨骼。优点：有了物体的三维数据，可以产生恣意视图，视图间能坚持正确的投影关系，这为消费工程图带来了方便。此外还能生成透视图和轴侧图，这在二维系统中是做不到的；构造模型的数据构造简单，节约计算机资源；学习简单，是人工绘图的自然延伸。.缺陷：由于所以棱线全部显示，物体的真实感可出现二义解释；短少曲线棱廓，假设要表现圆柱、球体等曲面比较困难；由于数据构造中短少边

5、与面、面与面之间的关系的信息，因此不能构成实体，无法识别面与体，不能区别体内与体外，不能进展剖切，不能进展两个面求交，不能自动划分有限元网络等等。目前许多CAD/CAM系统仍将此系统作为外表模型和实体模型的根底. 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在曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬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好性，因此很难到达设计者的要求。 此时法国人贝赛尔提出了Bezier算法，使得人们在用计算机处置曲面及曲线问题时变得可以操作。法国达索Dssault飞机制造公司开发了三维曲面外型系统CATIA带来了第

6、一次CAD技术革命。 曲面外型系统带来了技术革新，使汽车开发手段比旧的方式有了质的飞跃，许多车型的开发周期由原来的6年缩短只需约三年. 第一次技术革命曲面外型系统 . 曲面模型是在线框模型的数据构造根底上，添加可构成立面子的各相关数据后构成的。曲面模型Surface Model) V1V4V2V3V5V8V6V7e1e2e3e4e5e6e7e8e9e10e11e12XYZ曲面模型的表示方法F1F2F3F4F5F6外表表.曲面模型的特点 与线框模型相比，曲面模型多了一个面表，记录了边与面之间的拓扑关系。曲面模型就像贴付在骨骼上的肌肉。优点： 能实现面与面相交、着色、外表积计算、消隐等功能，此外还

7、擅长于构造复杂的曲面物体，如模具、汽车、飞机等外表。缺陷： 只能表示物体的外表及边境，不能进展剖切，不能对模型进展质量、质心、惯性矩等物性计算。.常见曲面生成手段如生成平面、直纹面、柱状面等曲面a、延伸.如生成圆柱面、球面、圆锥面、环面等回转面b、回转 .生成自在曲面如：Bezier曲面、B样条曲面、Coons曲面等 c、蒙皮放样 . d、指定边境cover . e、扫描曲面 . f、过渡 . g、等距 . 进入20世纪80年代，CAD价钱依然令普通企业望而却步，这使得CAD技术无法拥有更宽广的市场。 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，

8、对CAE非常不利。基于对CAD/CAE一体化技术开展的探求，SDRC公司在美国国家航空及宇航局(NASA)支持下于1979年发布了世界上第一个完全基于实体外型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS。由于实体模型能准确表达零件的全部属性，在实际上一致CAD/CAE/CAM带来了CAD开展史上第二次技术革命。第二次技术革命实体外型系统 . 实体模型在外表看来往往类似于经过消除隐藏线的线框模型在线框模型或经过消除隐藏面的曲面模型； 但实体模型上假设挖一个孔，就会自动消费一个新的外表，同时自动识别内部和外部； 实体模型可以使物体的实体特性在计算机中得到定义。它有如下特性：它是一个全封锁(实体的三维形

9、体的计算机表示；具有完好性和无二义性；保证只对实践上可实现的零件进展外型；零件不会短少边， 面，也不会有一条边穿入零件实体，因此，能防止过失和 不可实现的设计。提供高级的整体外形定义方法。可以经过布尔运算从旧模型 得到新模型 实体模型Solid Model) 实体模型和线框模型实体模型：骨骼肌肉内脏的完好人体.实体模型表示方法 边境表示法Boundry Representation简称B-Reps 建构实体几何法Constructive Solid Geometry简称CSG 实体模型的两种表示方法.边境表示法B-Reps 边境表示按照体面环边点的层次，详细记录了构成形体的一切几何元素的几何信

10、息及其相互衔接的拓扑关系。在进展各种运算和操作中，就可以直接获得这些信息 .边境表示法B-Reps 在Por/E中，实体外型的制造方法有拉伸、旋转、扫描，混合图中，实体模型包含：环形扫描Circle Sweeping：在Pro/E中称“旋转Revolution线性扫描Linear Sweeping：在Pro/E中称“拉伸Exrude途径扫描Sweep：在Pro/E中称“伸出项混合扫描Sweep Blend：混合扫描即针对可变截面剖面的扫描，是用于同一途径，但途径中每段截面的外形不同，或截面轮廓为渐缩或渐增的情况。.1表示形体的点、边、面等几何元素是显式表示的，使得绘制Brep表示的形体的速度较

11、快，而且比较容易确定几何元素间的衔接关系；2容易支持对物体的各种部分操作，比如进展倒角，我们不用修正形体的整体数据构造，而只需提取被倒角的边和与它相邻两面的有关信息，然后，施加倒角运算就可以了；3便于在数据构造上附加各种非几何信息，如精度、外表粗糙度等。 由于Brep表示覆盖域大，原那么上能表示一切的形体，而且易于支持形体的特征表示等，Brep表示已成为当前CAD/CAM系统的主要表示方法。 B-Reps法的优点.B-Reps法的缺陷1数据构造复杂，需求大量的存储空间，维护内部数据构造的程序比较复杂；2 B-Reps表示不一定对应一个有效形体，通常运用欧拉操作来保证B-Reps表示形体的有效性

12、、正那么性等。.建构实体几何法CSG 构造实体几何CSG表示是经过对体素定义运算而得到新的形体的一种表示方法，体素可以是立方体、圆柱、圆锥等，其运算为变换或正那么集合运算并、交、差。CSG表示可以看成是一棵有序的二叉树。.建构实体几何法CSG 机械零件和机械产品的几何外形多数是由立方体和圆柱体等简单几何形体组合而成的。所谓CSG法，就是将一些根本的立体组成图形，例如，立方体、锥体、圆柱、球体等，相互重叠放置在一同；然后，剪去或拟和反复的部分即可。根本的CSG立体实体.布尔运算在利用CSG进展组合构成新的几何形体时，要在这些CSG之间进展所谓的并集Union、差集Subtract、交集Inter

13、section等几何逻辑运算，实际上称为“布尔运算. CSG表示的优点1)数据构造比较简单，数据量比较小，内部数据的管理比较容易；2)CSG表示可方便地转换成边境Brep表示；3)CSG方法表示的形体的外形，比较容易修正。. CSG表示的缺陷1)对形体的表示受体素的种类和对体素操作的种类的限制，也就是说，CSG方法表示形体的覆盖域有较大的局限性；2)对形体的部分操作不易实现，例如，不能对根本体素的交线倒圆角；3)由于形体的边境几何元素点、边、面是隐含地表示在CSG中，故显示与绘制CSG表示的形体需求较长的时间。 . 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，CAD技术的硬

14、件平台本钱从二十几万美圆降到只需几万美圆。很多中小型企业也开场有才干运用CAD技术。 1988年，参数技术公司Parametric Technology Corporation，PTC)采用面向对象的一致数据库和全参数化外型技术开发了Pro/Engineer软件，为三维实体外型提供了一个优良的平台。参数化Parametric外型的主体思想是用几何约束、工程方程与关系来阐明产品模型的外形特征，从而到达设计一系列在外形或功能上具有类似性的设计方案。目前能处置的几何约束类型根本上是组成产品形体的几何实体公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系，因此参数化外型技术又称尺寸驱动几何技术。带来了CAD开展史上第三

15、次技术革命。第三次技术革命特征参数化技术 . 参数化设计是CAD技术在实践运用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前参数化技术大致可分为如下三种方法：1基于几何约束的数学方法；2基于几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库，包括规范件库均可采用该项技术。其中数学方法又分为初等方法Primary Approach和代数方法Algebraic Approach。 初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。这种方法简单、易于实现，但仅适用于只需程度和垂直方向约束的场所；代数法那么将几何约束转换成代数方程，构成一个非线性方程组。该方

16、程组求解较困难，因此实践运用遭到限制；人工智能方法是利用专家系统，对图形中的几何关系和约束进展了解，运用几何原理推导出新的约束，这种方法的速度较慢，交互性不好。.参数化系统的指点思想是：他只需按照系统规定的方式去操作，系统保证他生成的设计的正确性及效率性，否那么回绝操作。这种思绪的副作用是：1运用者必需遵照软件内在运用机制，如决不允许欠尺寸约束、不可以逆序求解等；2当零件截面外形比较复杂时，将一切尺寸表达出来让设计者为难；3只需尺寸驱动这一种修正手段，那么终究改动哪一个(或哪几个)尺寸会导致外形朝着本人称心方向改动呢？这并非容易判别；4尺寸驱动的范围亦是有限制的。假设给出了不合理的尺寸参数，使

17、某特征与其它特征相关涉，那么引起拓扑关系的改动。5从运用来说，参数化系统特别适用于那些技术已相当稳定成熟的零配件行业。这样的行业，零件的外形改动很少，经常只需采用类比设计，即外形根本固定，只需改动一些关键尺寸就可以得到新的系列化设计结果。.特征特征(Feature)一词的出现，最早是在1978年MIT的Gossard D.C.所指点的Soltes J.W的学士论文“A Feature-Based Representation of Parts for CAD中。 特征的认识不同，至今尚无一致的特征定义，Shah指出一个特征所至少需求满足以下几个条件中的一个：零件的物理组成部分；可以映射到某一个

18、详细的外形；有工程意义；有可以预知的属性。 .特征定义通用定义：特征就是任何已被接受的某一个对象的几何、功能元素和属性，经过它们我们可以很好地了解该对象的功能、行为和操作。更为严厉的定义也被运用：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的对象。在CAD系统引入“特征后，可以起到以下三方面的作用：表示设计意图；简化传统CAD系统中繁琐的外型过程；从高层次上对详细的几何元素如点、线、面进展封装。 特征的作用.特征的分类从产品整个生命周期来看，可分为：设计特征、分析特征、加工特征、公差及检测特征、装配特征等

19、；(STEP产品模型)从产品功能上，可分为：外形特征、精度特征、技术特征、资料特征、装配特征；从复杂程序上讲，可分为：根本特征、组合特征、复合特征。特征分类.基于特征的零件信息模型 .零件外形特征的分类 .零件实体特征外型流程 .拉伸特征扫描特征.旋转特征和抽壳特征放样特征.圆角特征镜像特征和阵列特征.第四次技术革命变量化技术 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，必需将外形和尺寸结合起来思索，并且经过尺寸约束来控制外形，经过尺寸改动来驱动外形改动，一切以尺寸即参数为出发点，干扰和制约者设计者发明力的及想象力的发扬。 一定要求全尺寸约束吗？欠约束能否将设计正确进展下去？沿着这

20、个思绪，SDRC公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年推出全新体系构造的I-DEAS Msater Series软件带来了CAD开展史上第四次技术革命。.全尺寸约束 . 我们在进展机械设计和工艺设计时，总是希望零部件可以让我们随心所欲地构建，可以随意装配，可以让我们在平面的显示器上，构造出三维立体的设计作品，而且希望保管每一个中间结果，以备反复设计和优化设计时运用。 VGXVariational Geometry Extended超变量化几何，SDRC公司推出实现的就是这样一种思想。变量化技术. 变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数进一步区分为外形约束和尺寸约束，而不是象参数化技术那样只用尺寸来约束全部几