三維造型技術發(fā)展史綜述

1、三維造型技術三維建模技術是研究在計算機上機型空間形體的表示、 存貯和處 理的技術， 是利用計算機系統(tǒng)描述物體形狀的技術。 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)，是幾何造型中的關鍵技術。首先我們了解一下三維建模技術的發(fā)展史。三維建模技術的產(chǎn)生首先就是 caD術。三維建模技術是伴隨著CAD 技術的發(fā)展而發(fā)展的。CAD 在早期是英文 computer aideddrafting的縮寫，CA技術是一項綜合性的、機計算機圖形學、數(shù)據(jù) 庫、網(wǎng)絡通訊等計算機及其它領域知識于一體的高新技術， 是先進制 造技術的重要組成部分，也是提高設計水平、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、增 強行業(yè)競爭能力的一項關鍵技術。隨

2、著計算機硬、軟件技術的發(fā)展， 人們逐步的認識到單純使用計算機繪圖還不能稱之為計算機輔助技 術。真正的設計是整個產(chǎn)品的設計，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設計、 機構(gòu)分析、 加工制造等， 二維工程圖設計只是產(chǎn)品設計中的一個小的 部分。在CAD術發(fā)展初期，CAD僅限于計算機輔助繪圖，隨著三維 建模技術的發(fā)展，CA取術才從二維平面繪圖發(fā)展到三維產(chǎn)品建模， 隨之產(chǎn)生了三維線框模型、 曲面模型和實體造型技術。 而如今參數(shù)化 及變量化設計思想和特征模型則代表了當今CAD技術的發(fā)展方向。進入 20世紀 70年代，正值飛機和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展時期。 此 間飛機及汽車制造中出現(xiàn)了大量的自由曲面問題， 當時只能采用多截

3、面視圖、特征緯線的方法來近似表達所要設計的曲面。 由于三視圖表 達的不完整性， 因此很難達到設計者的要求。 此時法國人貝塞爾提出 了 Bezier 算法，使得人們在用計算機處理曲面及曲線問題時變得可 以操作。法國達索飛機制造公司開發(fā)了三維曲面造型系統(tǒng) CATIA帶來 了第一次CAC技術革命。進入20世紀80年代，CA價格依然令一般企業(yè)望而卻步，這使 得CAC技術無法擁有更廣闊的市場。由于表面模型技術只能表達形體 的表面信息，難以準確表達零件的其它特性，如質(zhì)量、重心、慣性矩 等，對CAE十分不利?；趯AD/CAEH體化技術發(fā)展的探索，SDRC 公司在美國國家航空及宇航局支持下與 1979 年

4、發(fā)布了世界上第一個 完全基于實體造型技術的大型 CAD/CA軟件一一I-DEAS。由于實體模 型能準確表達零件的全部屬性，在理論上統(tǒng)一 CAD/CAE/CA帶來 了 CAD發(fā)展史上的第二次技術革命。20 世紀 80年代中晚期，計算機技術迅猛發(fā)展，硬件成本大幅度 降低，CAD技術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)也開始有能力使用 CAD技術。1988年，參數(shù)技術公司采用 面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和全參數(shù)化造型技術開發(fā)了 Pro/E 軟件，為三 維實體造型提供了一個優(yōu)良的平臺。 參數(shù)化造型的主體思想是幾何約 束、工程方程與關系來說明產(chǎn)品模型的形狀特征， 從而達到一系列在 形狀或功

5、能上具有相似性的設計方案。 目前能處理的集合約束類型基 本上組成產(chǎn)品形體的集合實體公稱尺寸關系和尺寸間的工程關系， 因 此參數(shù)化造型技術又稱尺寸驅(qū)動幾何技術。 帶來了 CAD發(fā)展史上的第 三次技術革命。參數(shù)化技術要求全尺寸約束，即設計者在設計初期及全過程中， 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)動形狀改變，一切以尺寸(即參數(shù))為出發(fā)點，干擾 和制約著設計者的創(chuàng)造力和想象力的發(fā)揮。為此，SDRC公司的開發(fā)人員以參數(shù)化技術為藍本， 提出了一種比參數(shù)化技術更為先進的變量 化技術， 1993年推出了全新體系結(jié)果的 I-DEAS Msater Series 軟

6、件 帶來了 CAD發(fā)展史上的第四次技術革命。變量化技術將參數(shù)化技 術中所需定義的尺寸“參數(shù)”進一步區(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，變量化設計還可以將工程關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接受的某一個對象的幾何、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 嚴格的定義也被使用： 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 (a

7、ttribute )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。 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)是指那些實際 構(gòu)造出零件的特征， 而面向過程的特征并不實際參與零件幾何形狀的 構(gòu)造。造型特征進一步分為基本特征和二次特征， 基本特征是指構(gòu)成 零件主要形狀的特征， 二次特征是指用來修改基本特征的特征， 通常 分為正、負特征。面向過程的特征可細分為：精度特征、技術要求特 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 始的幾何元素作為基本元素， 通過一定的組合法則來建模， 這就是特 征造型。 特

8、征的表示和建立就成為其中的關鍵。 隨著面向?qū)ο蟮募夹g 的建立和發(fā)展， 尤其是封裝和繼承的概念， 解決了可擴充性和數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)的復雜性， 使得特征可以只包含所需的信息， 需要時可通過繼承來 添加所需信息，它對特征造型提供了強有力的支持。關于特征描述。在基于特征的造型中對于特征的描述是關鍵， 特征描述應該包含 幾何形狀的表示和相關的處理機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)則或方 法屬性定義特征特定的設計和制造特性； 關系屬性描述特征間的位置 關系。形狀特征實際上是幾何實體無任何語

9、義的結(jié)構(gòu)化組合， 形狀特 征與特征間是一對多的關系，這體現(xiàn)了特征的應用多視角性。通常， 對形狀特征的描述有幾種： B-REP( bound representation )、 CSG(constructive solid geometry)、以及混合法。但在 CAD應用中， 參數(shù)化設計應用越來越廣， 因此就出現(xiàn)了將參數(shù)化設計應用到特征設 計中去，使得特征具有可調(diào)整性， 主要是針對特征的幾何和拓撲信息。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 計。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

10、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 特征的關系屬性，用成員函數(shù)來描述特征特定的設計、 制造和行為規(guī) 則方法，并且由可以通過繼承來產(chǎn)生新的特征，發(fā)展已有的特征，來 滿足造型時的需要。在建立特征類的關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，設計本質(zhì)上是通過提取特征有效的約束來 建立其約束模型并進行約束求解（這也可稱為變量化設計）。那么在 類內(nèi)，可以將形狀特征分解成為多個成員變量，通過使用成員函數(shù)（進 行約束求解）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)品結(jié)構(gòu)強度 剛度和制造過程的不同來轉(zhuǎn)

11、化的， 并將這些限制綜合成設計目標，然 后將它們映射成為特定的幾何和拓撲結(jié)構(gòu)，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、幾何約束和拓撲約束。 拓撲約束用來約束零部件的結(jié)構(gòu)，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 個實體相對于其他實體的位置。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撲約束，拓撲約束包含了本文中的幾何 約束和拓撲約束）將基約束、尺寸約束、幾何約束和拓撲約束作為構(gòu) 成幾何或拓撲結(jié)構(gòu)的幾何要素和表面輪廓要素， 可以導出各形狀結(jié)構(gòu) 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

12、征的幾何體素構(gòu)成， 可采用一個雙向鏈 表來表示，是多個實體結(jié)構(gòu)，實體結(jié)構(gòu)（一個 structure 表示）是由 B-REP表示的線、面等元素的綜合。目前最好是使用數(shù)據(jù)庫來存儲讀 取基準，以及測量實體（包括點、線、面，對于今后造型時特征的位 置很重要，并且是形狀特征產(chǎn)生時的基礎是正特征還是負特征 , 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，關系，位置結(jié)構(gòu)，是一些成員函數(shù)，其中構(gòu)造函數(shù)用來 初始化特征，給出各默認參數(shù)，其他一些函數(shù)用來計算約束求解，賦 值給各體素， 定位定型各體素， 實現(xiàn)特征調(diào)整后的各體素的聯(lián)動和配 合，完成顯示特征）行為（用來描述特征在今后

13、造型中的利用用布爾 運算進行特征造型， 定位特征）特征可以被視為一個小型的包含多種 信息的基本的幾何模型。 鑒于此，我們可以根據(jù)以上所述來建立特征 描述模型。關鍵是形狀特征的描述，形狀特征應包含它的構(gòu)成（組成 它的幾何體素）， 以及幾何體素之間的關系。形狀特征的構(gòu)成可以用 CSG法B-REP法和混合法來表示，一般采用混合法較好，消除了 B-REP 法的不唯一性，又避免了 CSGi的抽象性，它整體是采用 CSG，在 其中應用B-REP的表示法，結(jié)合了二者的優(yōu)點。利用B-REP法來表示 最基本的實體（也可以算是最基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系， 使得參數(shù)變

14、量化設計可以 進行。上述用CSGi進行構(gòu)造特征模型（即復合特征），在應用中的特征造型上就可利用實體進行布爾運算來進行建模。 對幾何體素的關 系就需要利用約束，進行變量化設計，定義尺寸大小，相對的幾何關 系（相切、平行、垂直等）以及拓撲結(jié)構(gòu)。新的特征可以由舊的特征繼承得來， 并加入所需的新的信息， 一 般是對形狀特征的擴充。 對特征構(gòu)成的描述也較為重要， 實體的表示 就是其中的關鍵， 實體表示為一 structure 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中還需要一 structure 結(jié)構(gòu)來描述B-REP模型，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)

15、據(jù)庫來進行存取。然后有關于產(chǎn)品描述。產(chǎn)品描述為形狀特征的集合； 形狀特征有其對應的結(jié)構(gòu)與關系固 定的幾何體素， 產(chǎn)品的幾何模型實質(zhì)上是由許多幾何體素構(gòu)成的； 幾 何體素可以是實體、曲面和線框模型。這些體素通過約束來連接。特 征的構(gòu)成表示的實體通過拓撲運算來構(gòu)造所需產(chǎn)品， 特征的成員變量 中的基準用來定位， 根據(jù)是正還是負特征來決定在原基礎上增加還是 去掉該特征。 任何一個產(chǎn)品都可以用一個包含特征鏈表、 參數(shù)變量和 約束的結(jié)構(gòu)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、 幾何和結(jié)構(gòu)， 當進行參數(shù)化調(diào)整時的產(chǎn)品的參數(shù)變量也 變化，約束用來協(xié)調(diào)特征關系以及產(chǎn)品的尺寸結(jié)構(gòu)。基于特征的參數(shù)化設計將基于特征的設計與參數(shù)化設計有機的 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