计算机三维建模技术及其应用计算机三维建模技术及其应用1、建模技术的发展早期的CAD系统只能处理二维信息，设计人员通过这种系统来设计绘制零件的投影图，以表达一个零件的形状及尺寸。为了能让计算机内部处理三维实体，就需要解决几何造型技术问题。1973年英国剑桥大学I.C.Braid等建成了BUILD系统；1972—1976年美国罗彻斯特大学在H.B.Voelcker的主持下建成了PADL-1系统；1968—1972年日本北海道大学的冲野教授等建成了TIPS—1系统。这三个系统对后来建模技术的发展都有重大的影响。一个机械产品，从设计到定型，不可避免地要反复多次修改，进行零件形状和尺寸的综合协调、优化。这都需要产品的设计图形可以随着某些结构尺寸的修改而自动生成。在该背景下，参数化建模技术和变量化建模技术应运而生。随着CAD/CAE/CAM一体化技术的发展，人们正在研究一种全新的建模方式——行为特征建模，它将CAE技术与CAD建模融为一体理性地确定产品形状、结构、材料等各种细节。2、三维建模的含义从广义的讲，是指将人们头脑中设计的产品转化为真实产品的过程。随着计算机技术的发展，是指根据用户需要，在计算机上建立完整的产品三维数字几何模型的过程。3、建模技术的基础知识几何建模的基础知识主要包括几何信息、拓扑信息、非几何信息、形体的表示、正则几何集合运算、欧拉检验公式等内容。1）几何信息：包括点、边、环、面、体及体素等。2）拓扑信息：它反映的是三维形体中各几何元素的数量及其相互之间的连接关系。3）非几何信息：是指产品除实体几何信息、拓扑信息意外信息，如物理信息（质量、材质、力学特性）、功能信息、工艺信息（工艺路线、加工参数、定位关系、精度要求、表面粗糙度和技术要求等）和运动学信息等。4）形体的表示，形体在计算机内通常用体、壳、面、环、边以及顶点六层拓扑结构进行定义。5）正则集合运算，在CAD/CAM系统中，人们希望能通过使用一些简单形体经过某种组合形成新的复杂形体。这可以通过形体的布尔集合运算，即并、交、差运算来实现。6)欧拉检验公式，为了在几何建模中保证建模过程的每一步所产生中间形体的拓扑关系都正确，即检验物体描述的合法性和唯一性，欧拉提出了描述形体的集合分量和拓扑关系的检验公式：F+V+E=2+R-2H式中：F为面数，V为点数，E为边数，R为面中的空洞数，H为体中的空穴数。4、CAD/CAM建模的基本要求1）建模系统应具备信息描述的完整性，2）建模技术应贯穿产品生命周期的整个过程，3）建模技术应为企业信息集成创造条件。5、建模技术的应用1）设计2）生成图形3）生产制造4）装配6、三维建模系统的主要功能形体输入：在计算机上构造三维形体的过程。形体控制：如对形体进行平移、缩放、旋转等变换。信息查询：如查询形体的几何参数、物理参数等。形体分析：如误差分析、物质特性分析、干涉量的检测等。形体修改：对形体的局部或整体修改。显示输出：如消除形体的隐藏线、隐藏面，显示、改变形体明暗度、颜色等。数据管理：三维图形数据的存储和管理。7、三维几何建模类型1）线框建模：即用零件的边框来表示零件的三维结构线框模型在计算机内部是以边、点来描述和表达物体的。是CAD/CAM系统发展中应用最早的三维建模方法，线框模型是二维图的直接延伸，，即把原来的平面直线、圆弧扩展到空间，使其产生立体感。所以点、直线、圆弧和某些二次曲线是线框模型的基本几何元素。2）曲面建模：即用零件的表面来表示零件的三维结构3）实体建模：即全面记录零件的边框、表面以及由面所组成的体的信息，并记录材料属性以及去加工属性。二、三维曲面建模2、曲面的分类1）基本曲面：是一种不需要事先构造曲面框架，而是通过制定数值的方式直接生成曲面的方法。如：球面、锥面、圆柱面等。2）运动曲面：是一种利用线条在空间移动来生成曲面的方法，在生成这些曲面之前需要构造曲面框架。如：拉伸曲面、旋转曲面、扫掠曲面、管道曲面等。3)表层曲面：是一种典型的通过“封装”一个曲面框架而形成曲面的方法。如：直纹曲面、平整曲面、U蒙面、UV蒙面等。4）导出曲面：是根据已经存在的曲面而生成新的曲面的方法。如：过渡曲面、等距曲面、倒边曲面，倒角曲面等。3、曲面的设计方法一个曲面设计往往是由许多张曲面拼合而成，而每张曲面可以采用不同的造型方法去设计。设计曲面的基本过程如下：1）分析曲面模型，划分出不同的曲面块2）分析曲面，寻找每个曲面块的设计方法3）选择比较造型方法，分析基面造型数据4）分析曲面之间的剪裁关系，分析辅助剪裁线的数据5）分析造型的先后顺序，安排出主要的曲面和优先的曲面6）曲面造型、编辑修改7）校验，主要是分析曲面的造型精度和曲面的光顺性