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1、文章编号:10044736(2002)03008904CAD 三维模型的计算机生成技术及其应用郑芙蓉,何翔(中南民族大学电信工程学院,湖北 武汉 430074)摘要:介绍了 3D模型的种类,探讨了利用AutoCAD2000建立三维计算机模型的基本方法,阐述了三维造型技术在现代化生产中的重要作用及其发展趋势.关键词:CAD;三维模型;CAM;RPM中图分类号:T P 391文献标识码:B收稿日期:20020303基金项目:国家民委科研基金资助项目(MYZ99001)作者简介:郑芙蓉(1969),女,河南洛阳人,讲师,主要从事工程制图及计算机绘图的教学和研究.0引言随着全球市场一体化的形成,制造业
2、的竞争十分激烈,产品的开发速度日益成为市场竞争的主要矛盾.在这种情况下,自主快速产品开发的能力,成为制造业全球竞争的实力基础.CAD 及其技术 的集成 化 CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP 为工程设计奠定了坚实的基础.采用CAD 系统进行工程设计时,构造设计对象的三维计算机模型是一项非常重要的工作.利用所建立的三维计算机模型,可对零件进行质量特性分析,运动分析、干涉分析等处理,如果将三维计算机模型的具有真实感的图像动态或静态地显示在屏幕上,设计者就可根据客户或设计需要进行修改,直至满意为止.另外,随着现代集成制造技术的高速发展,智能加工的不断提高,对于从三维实体建立起来
3、的参数化特征模型,利用 CAD 系统中的 NC模块,可直接从产品的数字定义产生加工指令,实现 CAD/CAM 集成.所以,采用 CAD 系统构造设计对象的三维计算机模型是一项非常重要的基础工作.1三维计算机模型的类型及造型方法1.1三维计算机模型的类型目前 CAD 软件普及面最广的是美国 Au-todesk 公司推出的 AutoCAD,还有不少国内开发的 CAD 软件,如开目、凯图、高华等.利用 Auto-CAD2000 可以创建多种三维模型(3D Models),归纳起来,主要有以下三种类型 1,2:(1)线框模型(Wireframe Models):线框模型是三维对象的轮廓描述,没有面和体
4、的特征,能简单表达物体,应用较少.(2)表面模型(Surface Models):表面模型不仅定义了三维模型的轮廓边界,而且定义了目标对象的表面,所以,表面模型具有面的特征.但该面没有厚度,实际上是空壳,可进行消隐等处理.(3)实体模型(Solid Models):三维实体造型从体的概念出发,以充分的几何信息和拓扑信息描述物体,不仅描述零件的轮廓和表面,而且描述实体信息,可以对他们进行各种编辑操作,如挖孔、倒角以及布尔运算,还可以分析实体模型的质量特征,如体积、重心、转动惯量等,此外还能将构成实体模型的数据生成 NC 代码,产生加工指令.实体模型看起来与表面模型很相似,但其内部是实体,只有它最
5、能表达生活中的物体.1.2三维模型造型方法利用 AutoCAD 构造复杂的三维实体的方法主要有以下两种:(1)首先利用主菜单“绘制”的下拉菜单“实体”下的各子菜单,生成各种基本的三维实体,如圆柱体、球体等,再对他们进行布尔运算来构造三维实体模型.(2)先画出构造模型所需要的二维图形,再利用拉伸、旋转的方法来生成三维实体模型.对已生成的三维模型仍需进行进一步的编辑操作,才能得到复杂的所需的模型.这些编辑操作包括倒直角(Chamfer)、切开实心体(Slice)、旋转及三种布尔运算等.用 AutoCAD 完成三维造型后,表现出来的只是一些线条,缺乏真实感,可根据需要,进行渲染,给它设定材料、光源、
6、设置背景,最后着色得到真实感很强的三维模型图像.第 24 卷 第 3 期武汉化工学院学报Vol.24No.32002年 9 月 J.WuhanInst.Chem.Tech.Sep.2002?2CAD 三维模型的应用随着 CAD 技术的发展与普及,CAD 三维造型技术也得到了广泛的应用,依此技术产生的三维模型在智能化生产中起着重要的作用.2.1在计算机辅助制造(CAM)中的应用计算机辅助制造 3,4是利用 CAD、CAPP 的信息在数控加工设备上实现制造自动化.CAM的主要任务是选择加工工具、生成加工路径、配置加工驱动、仿真加工过程等,以满足小批量、高精度、短周期和加工一致性要求高的产品制造的需
7、要.现代的 CAM 技术已经成为 CAX 体系的重要组成部分,与 CAD 系统集成在一起,直接在 CAD建立起来的参数化、全相关的三维几何模型(实体+曲面)上进行加工编程,生成正确的加工轨迹.计算机图形专家孙家广教授指出:随着 CAD技术的普及及应用越来越广泛,越来越深入,CAD 技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展 5.这在很大程度上说明了当今 CAD/CAM 的发展趋势.首先,开放性是决定一个系统能否真正达到实用化并转化为现实生产力的基础,这主要体现在系统的工作平台、用户接口、应用开发环境与其它系统的信息交换等方面.所谓集成就是向企业提供一体化的解决方案.并行工程是一种集成,企业的
8、产品数据管理(PDM)也是一种集成 6.通过集成能最大限度地实现企业信息共享,建立新的企业运行机制,提高生产效率.这种生产组织的集成化和自动化对 CAD 三维造型技术提出了更高的要求,也促使了建模技术的不断发展.2.2在快速原型/零件制造技术(RPM)中的应用RPM 技术 78是由 CAD 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称.快速原型技术采用离散/堆积成型原理,其过程是:先由三维 CAD 软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型(亦称电子型);然后根据工艺要求,将其按一定厚度进行分层,使原来的三维电子模型变成二维平面信息(截面信息),即离散的过程不同地将分层后的数据进行
9、一定的处理,加入加工参数,产生数控代码;在微机控制下,数控系统以平面加工方式,有序地连续加工出每个薄层,并使它们自动粘接而成形,这就是材料堆积的过程.RPM 在快速产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的,它不受复杂形状的任何限制,可迅速地将展示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物.根据原形,可对设计的正确性、造型合理性、可装配和干涉进行具体的检验.一般来说采用 RPM 产品开发技术,可减少产品开发成本 30%70%,减少开发时间 50%.CAD 技术是RPM 技术产生的前提和基础,CAD 技术的产生和发展不仅为人们迅速地进行显示和修改设计提供了简便易行的手段,更重要的是,这种方法可以使
10、人们得到完整的数据,便于修改和进一步的处理.CAD 是实现 RPM 的前提,在应用上 CAD 建模往往是RPM 推广应用的瓶颈.2.3在虚拟现实(VR)中的应用虚拟现实包括基于图像处理的全景摄影技术和基于 3D 造型技术的虚拟现实.其实,全景摄影并不是真正意义上的 3D 图形技术,比较实用但交互性有限.虚拟现实 911是一项与多媒体技术密切相关的边缘技术,它通过综合应用计算机图像处理、模拟与仿真、显示系统等技术和设备,以模拟仿真的方式,给用户提供一个真实反映操作对象变化与相互作用的三维图像环境.虚拟现实技术用于 CAD,使 CAD 技术主要在两个方面得到提高:一是更逼真地看到正在设计的产品及其
11、开发过程,以便从多方面观察和评审所设计的产品;另一方面是提高交互能力,使用不同的虚拟工具来扭曲、挤压和拉伸物体,虚拟地切削或挤压材料,使设计人员可直接在虚拟世界中创造新产品,而无需耗费材料或占用宝贵的加工设备.目前,整个世界的制造业生产能力过剩,对那些迅速发展的企业,更多的是考虑通过专业化的协作,实现世界级的制造和供应网络.因此,在充分利用信息技术的前提下,虚拟工厂的实现成为可能.例如,在美国通用汽车公司的生产过程中,大量的零部件生产、装配都通过“虚拟工厂”、“动态企业联盟”的方式完成,本企业只负责产品总体设计和生产少数零部件,并最终完成产品的装配.CAD 三维模型设计广泛应用于机械、建筑、三
12、维动画、3dWeb 等领域,发展前景非常广阔,产生的社会效益非常巨大.例如,12波音 757、767的设计制造周期在过去为 910 年,但波音公司通过使用 CAX 技术和 PDM 技术,实现了从传统二维工程图到 CAD/CAM 产品三维建模质的飞跃,完全实现无图纸的设计和全数字化制造,使波音 777 在 4.5 年的周期内完成了设计制造,而每架波音 777 要价达 1.4 亿美元,企业因而获得巨大利润.90武汉化工学院学报第 24 卷3三维造型技术的发展建模技术是 CAD 的核心技术,建模技术的研究、发展和应用,就代表了 CAD 技术的研究、发展和应用.随着计算机软、硬件技术的飞速发展,CAD
13、 技术从二维平面绘图发展到三维产品建模,随之也就产生了三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术.而如今参数化、变量化设计思想和特征造型以及产品集成建模则代表了当今 CAD技术的发展方向.3.1参数化设计、变量化设计随着几何建模技术的发展和实际应用的要求,到 80 年代后期又出现了参数化和变量化的建模技术.参数化建模技术 13一般是指设计对象的结构形状比较定型,可以用一组参数来约定尺寸关系,参数的求解较简单,参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系,设计结果的修改受尺寸驱动.生产中最常用的系列化标准件就是属于这一类型,这种 CAD 系统最早推出的是 PTC 公司的Pro/Engineer.变量化设计
14、 14,15是指设计对象的修改需要更大的自由度,通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状.约束方程可以是几何关系,也可以是工程计算条件,设计结果的修改受约束方程的驱动.变量化设计可以用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等,在做概念设计时,尤其显示出它的优越性.变量化建模的代表是 SDRC 公司的 VGX.VGX 为 CAD软件带来了空前的易用性,使设计人员可以非常直观地、实时地进行产品三维几何模型的操作和修改.3.2特征造型技术特征造型 16,17是 CAD 建模方法的一个新发展,它是在 CAD/CAM 技术的发展和应用达到一定的水平,要求进一步提高生产组织的集成化和自动化
15、程度的历史进程中孕育发展起来的.特征建模不仅仅描述产品的几何信息,而是着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息,为建立产品的集成信息模型服务.特征包含了产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求等.特征的引用直接体现了设计意图,使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产,为开发新一代的基于统一产品信息模型的 CAD/CAPP/CAM 集成系统创造了前提条件.3.3产品集成建模随着制造技术的发展,产品模型已突破了CAD/CAM 领域,成为产品生产过程中的关键技术.从而提出了面向产品生命周期的关系型产品模型的概念 18,19.由此,才能较好地解决信息在设计、制造和
16、检验及装配等环节的共享问题,完整地描述产品在概念设计 装配设计 零件设计全过程中的各种属性和相互关系,实现产品生命周期中的内部描述信息(如产品设计、计划、加工和检验等方面)和外部过程信息(如内部描述信息所依赖的环境、知识和规划等)的集成.这种产品集成建模技术仍在研究中.21 世纪是网络的时代,网络环境下的 CAD系统(NAD)的开发和应用必将成为网络时代一个新的发展趋势.它对三维造型技术提出了更高的要求:产品设计模型要面向产品的全生命周期,设计过程要支持并行工程 20,要支持动态建模,支持面向产品过程及性能设计的建模.4结语通过对三维模型计算机生成技术的应用及其发展趋势的分析可知,随着现代集成
17、制造(CIM)、信息集成、并行工程、虚拟制造和敏捷制造技术的飞速发展,三维造型技术发挥着越来越重要的作用,它是真正解决产品设计问题,实现企业信息化的重要基础.三维造型技术的研究和软件开发,对促进现代集成制造技术的发展有着深远的影响.参考文献:1 美Ralph Grabowski 著.AutoCAD2000 使用指南M.北京:机械工业出版社,2000.2 颜国忠,韦文斌.图形图象动画专家AutoCAD三维设计与实例M.北京:电子工业出版社,2000.3 戴同.CIMS 系列培训教材 CAD/CAPP/CAM 基本教程M.北京:机械工业出版社,1997.4 李健.迎接制造业信息化的春天 J.计算机
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19、基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计J.机械工程师,2002,(4):810.11 何建军.试论基于虚拟现实技术的CAD系统J.91第 3 期郑芙蓉等:CAD三维模型的计算机生成技术及其应用计算机辅助设计与制造,2001,(11):911.12 PT C 公司信息化论谈.信息化带动传统制造业CPC 创造价值与商机 J.计算机辅助设计与制造2002,(5):1517.13 张峰,李兆前,黄传真.参数化设计的研究现状与发展趋势J.机械工程师,2002,(1):1315.14 刘文剑.产品自顶向下设计的研究现状及发展方向 J.计算机集成制造系统CIMS,2002,(1):17.15 胡爱武,傅志红.
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21、nt.Jour.Adv.Tech-nol.,1999,(15):332337.20 李建.实施制造业信息化工程 提升我国制造业的竞争力 J.机械设计与制造工程,2002,(2):12.3D computer model in CAD and its applicationZHENG Furong,HE Xiang(College of Electronic Information Engineering,Southcontral University for Nationalities,Wuhan 430073,China)Abstract:A kind of 3D models are introduced,a method of using for AutoCAD2000 to establish 3D com-puter model are discussed.Meanwhile,the important effect and develop tendency of 3D modelling technol-ogy in modern production is elaborated.Key words:CAD;3D;models;CAM;RPM本文编辑:陈小平92武汉化工学院学报第 24 卷