CAD三維模型的計(jì)算機(jī)生成技術(shù)及其應(yīng)用

1、文章編號(hào)：10044736（200203008904CAD三維模型的計(jì)算機(jī)生成技術(shù)及其應(yīng)用鄭芙蓉，何翔（中南民族大學(xué)電信工程學(xué)院,湖北武漢430074摘要：介紹了3D模型的種類,探討了利用AutoCAD2000建立三維計(jì)算機(jī)模型的基本方法，闡述了三維造型技術(shù)在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的重要作用及其發(fā)展趨勢(shì).關(guān)鍵詞:CAD;三維模型；CAM;RPM中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B收稿日期:20020303基金項(xiàng)目：國(guó)家民委科研基金資助項(xiàng)目（MYZ99001律.0引言隨著全球市場(chǎng)一體化的形成，制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主要矛盾.在這種情況下，自主快速產(chǎn)品開發(fā)的能力，成為制造業(yè)全

2、球競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力基礎(chǔ).CAD及其技術(shù)的集成化CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP為工程設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).采用CAD系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)象的三維計(jì)算機(jī)模型是一項(xiàng)非常重要的工作.利用所建立的三維計(jì)算機(jī)模型，可對(duì)零件進(jìn)行質(zhì)量特性分析，運(yùn)動(dòng)分析、干涉分析等處理，如果將三維計(jì)算機(jī)模型的具有真實(shí)感的圖像動(dòng)態(tài)或靜態(tài)地顯示在屏幕上,設(shè)計(jì)者就可根據(jù)客戶或設(shè)計(jì)需要進(jìn)行修改，直至滿意為止.另外，隨著現(xiàn)代集成制造技術(shù)的高速發(fā)展，智能加工的不斷提高，對(duì)于從三維實(shí)體建立起來的參數(shù)化特征模型,利用CAD系統(tǒng)中的NC模塊，可直接從產(chǎn)品的數(shù)字定義產(chǎn)生加工指令，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM集成.所以,采用CA

3、D系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)象的三維計(jì)算機(jī)模型是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)工作.1三維計(jì)算機(jī)模型的類型及造型方法1.1 三維計(jì)算機(jī)模型的類型目前CAD軟件普及面最廣的是美國(guó)Au-todesk公司推出的AutoCAD,還有不少國(guó)內(nèi)開發(fā)的CAD軟件，如開目、凱圖、高華等.利用Auto-CAD2000可以創(chuàng)建多種三維模型(3DModels,歸納起來，主要有以下三種類型1,2:(1線框模型(WireframeModels:線框模型是三維對(duì)象的輪廓描述，沒有面和體的特征，能簡(jiǎn)單表達(dá)物體，應(yīng)用較少.(2表面模型(SurfaceModels:表面模型不僅定義了三維模型的輪廓邊界，而且定義了目標(biāo)對(duì)象的表面，所以，表面模型具有面的

4、特征.但該面沒有厚度，實(shí)際上是空殼,可進(jìn)行消隱等處理.(3實(shí)體模型(SolidModels:三維實(shí)體造型從體的概念出發(fā)，以充分的幾何信息和拓?fù)湫畔⒚枋鑫矬w，不僅描述零件的輪廓和表面，而且描述實(shí)體信息，可以對(duì)他們進(jìn)行各種編輯操作，如挖孔、倒角以及布爾運(yùn)算，還可以分析實(shí)體模型的質(zhì)量特征，如體積、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，此外還能將構(gòu)成實(shí)體模型的數(shù)據(jù)生成NC代碼，產(chǎn)生加工指令.實(shí)體模型看起來與表面模型很相似，但其內(nèi)部是實(shí)體，只有它最能表達(dá)生活中的物體.1.2 三維模型造型方法利用AutoCAD構(gòu)造復(fù)雜的三維實(shí)體的方法主要有以下兩種：(1首先利用主菜單繪制”的下拉菜單實(shí)體”下的各子菜單，生成各種基本的三維實(shí)體

5、，如圓柱體、球體等，再對(duì)他們進(jìn)行布爾運(yùn)算來構(gòu)造三維實(shí)體模型.(2先畫出構(gòu)造模型所需要的二維圖形，再利用拉伸、旋轉(zhuǎn)的方法來生成三維實(shí)體模型.對(duì)已生成的三維模型仍需進(jìn)行進(jìn)一步的編輯操作，才能得到復(fù)雜的所需的模型.這些編輯操作包括倒直角(Chamfer、切開實(shí)心體(Slice、旋轉(zhuǎn)及三種布爾運(yùn)算等.用AutoCAD完成三維造型后，表現(xiàn)出來的只是一些線條，缺乏真實(shí)感可根據(jù)需要，進(jìn)行渲染，給它設(shè)定材料、光源、設(shè)置背景，最后著色得到真實(shí)感很強(qiáng)的三維模型圖像.第24卷第3期武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào)Vol.24No.32002年9月J.WuhanInst.Chem.Tech.Sep.20022CAD三維模型的應(yīng)用隨著

6、CAD技術(shù)的發(fā)展與普及，CAD三維造型技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，依此技術(shù)產(chǎn)生的三維模型在智能化生產(chǎn)中起著重要的作用.2.1在計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助制造3,4是利用CAD、CAPP的信息在數(shù)控加工設(shè)備上實(shí)現(xiàn)制造自動(dòng)化.CAM的主要任務(wù)是選擇加工工具、生成加工路徑、配置加工驅(qū)動(dòng)、仿真加工過程等，以滿足小批量、高精度、短周期和加工一致性要求高的產(chǎn)品制造的需要.現(xiàn)代的CAM技術(shù)已經(jīng)成為CAX體系的重要組成部分，與CAD系統(tǒng)集成在一起，直接在CAD建立起來的參數(shù)化、全相關(guān)的三維幾何模型（實(shí)體+曲面上進(jìn)行加工編程，生成正確的加工軌跡.計(jì)算機(jī)圖形專家孫家廣教授指出：隨著CAD技術(shù)的普及及應(yīng)用

7、越來越廣泛，越來越深入，CAD技術(shù)正向著開放、集成、智能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展5.這在很大程度上說明了當(dāng)今CAD/CAM的發(fā)展趨勢(shì).首先，開放性是決定一個(gè)系統(tǒng)能否真正達(dá)到實(shí)用化并轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，這主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的工作平臺(tái)、用戶接口、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境與其它系統(tǒng)的信息交換等方面.所謂集成就是向企業(yè)提供一體化的解決方案.并行工程是一種集成，企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM也是一種集成6.通過集成能最大限度地實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息共享，建立新的企業(yè)運(yùn)行機(jī)制，提高生產(chǎn)效率.這種生產(chǎn)組織的集成化和自動(dòng)化對(duì)CAD三維造型技術(shù)提出了更高的要求，也促使了建模技術(shù)的不斷發(fā)展.2. 2在快速原型/零件制造技術(shù)（RPM中的應(yīng)用RPM

8、技術(shù)78是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的技術(shù)總稱.快速原型技術(shù)采用離散/堆積成型原理，其過程是：先由三維CAD軟件設(shè)計(jì)出所需要零件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型（亦稱電子型；然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進(jìn)行分層，使原來的三維電子模型變成二維平面信息（截面信息，即離散的過程不同地將分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼；在微機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式，有序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層,并使它們自動(dòng)粘接而成形，這就是材料堆積的過程.RPM在快速產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要迅速地將展示于計(jì)算機(jī)屏幕上的設(shè)計(jì)變?yōu)榭蛇M(jìn)一步評(píng)估的實(shí)物.根據(jù)原形，可對(duì)設(shè)計(jì)的正確性、造型合理性

9、、可裝配和干涉進(jìn)行具體的檢驗(yàn).一般來說采用RPM產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，可減少產(chǎn)品開發(fā)成本30%70%,減少開發(fā)時(shí)間50%.CAD技術(shù)是RPM技術(shù)產(chǎn)生的前提和基礎(chǔ),CAD技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展不僅為人們迅速地進(jìn)行顯示和修改設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)便易行的手段更重要的是，這種方法可以使人們得到完整的數(shù)據(jù)，便于修改和進(jìn)一步的處理.CAD是實(shí)現(xiàn)RPM的前提,在應(yīng)用上CAD建模往往是RPM推廣應(yīng)用的瓶頸.2. 3在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)包括基于圖像處理的全景攝影技術(shù)和基于3D造型技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí).其實(shí)，全景攝影并不是真正意義上的3D圖形技術(shù)，比較實(shí)用但交互性有限.虛擬現(xiàn)實(shí)911是一項(xiàng)與多媒體技術(shù)密切相關(guān)的邊緣技術(shù)，它通過綜

10、合應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理、模擬與仿真、顯示系統(tǒng)等技術(shù)和設(shè)備，以模擬仿真的方式，給用戶提供一個(gè)真實(shí)反映操作對(duì)象變化與相互作用的三維圖像環(huán)境.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于CAD,使CAD技術(shù)主要在兩個(gè)方面得到提高：一是更逼真地看到正在設(shè)計(jì)的產(chǎn)品及其開發(fā)過程，以便從多方面觀察和評(píng)審所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品；另一方面是提高交互能力，使用不同的虛擬工具來扭曲、擠壓和拉伸物體，虛擬地切削或擠壓材料，使設(shè)計(jì)人員可直接在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品，而無(wú)需耗費(fèi)材料或占用寶貴的加工設(shè)備.目前，整個(gè)世界的制造業(yè)生產(chǎn)能力過剩，對(duì)那些迅速發(fā)展的企業(yè)，更多的是考慮通過專業(yè)化的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)世界級(jí)的制造和供應(yīng)網(wǎng)絡(luò).因此，在充分利用信息技術(shù)的前提下，虛擬工廠的實(shí)

11、現(xiàn)成為可能.例如，在美國(guó)通用汽車公司的生產(chǎn)過程中，大量的零部件生產(chǎn)、裝配都通過虛擬工廠“、動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟”的方式完成，本企業(yè)只負(fù)責(zé)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)和生產(chǎn)少數(shù)零部件，并最終完成產(chǎn)品的裝配.CAD三維模型設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、三維動(dòng)畫、3dWeb等領(lǐng)域，發(fā)展前景非常廣闊產(chǎn)生的社會(huì)效益非常巨大.例如，12波音757、767的設(shè)計(jì)制造周期在過去為910年，但波音公司通過使用CAX技術(shù)和PDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)二維工程圖到CAD/CAM產(chǎn)品三維建模質(zhì)的飛躍,完全實(shí)現(xiàn)無(wú)圖紙的設(shè)計(jì)和全數(shù)字化制造,使波音777在4.5年的周期內(nèi)完成了設(shè)計(jì)制造,而每架波音777要價(jià)達(dá)1.4億美元,企業(yè)因而獲得巨90武漢化工學(xué)院學(xué)

12、報(bào)第24卷3三維造型技術(shù)的發(fā)展建模技術(shù)是CAD的核心技術(shù)，建模技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用，就代表了CAD技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用.隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD技術(shù)從二維平面繪圖發(fā)展到三維產(chǎn)品建模，隨之也就產(chǎn)生了三維線框造型、曲面造型以及實(shí)體造型技術(shù).而如今參數(shù)化、變量化設(shè)計(jì)思想和特征造型以及產(chǎn)品集成建模則代表了當(dāng)今CAD技術(shù)的發(fā)展方向.3. 1參數(shù)化設(shè)計(jì)、變量化設(shè)計(jì)隨著幾何建模技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的要求，到80年代后期又出現(xiàn)了參數(shù)化和變量化的建模技術(shù).參數(shù)化建模技術(shù)13一般是指設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來約定尺寸關(guān)系，參數(shù)的求解較簡(jiǎn)單，參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸有顯式對(duì)應(yīng)關(guān)

13、系，設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動(dòng).生產(chǎn)中最常用的系列化標(biāo)準(zhǔn)件就是屬于這一類型，這種CAD系統(tǒng)最早推出的是PTC公司的Pro/Engineer.變量化設(shè)計(jì)14,15是指設(shè)計(jì)對(duì)象的修改需要更大的自由度，通過求解一組約束方程來確定產(chǎn)品的尺寸和形狀.約束方程可以是幾何關(guān)系，也可以是工程計(jì)算條件，設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受約束方程的驅(qū)動(dòng).變量化設(shè)計(jì)可以用于公差分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、初步方案設(shè)計(jì)選型等，在做概念設(shè)計(jì)時(shí)，尤其顯示出它的優(yōu)越性.變量化建模的代表是SDRC公司的VGX.VGX為CAD軟件帶來了空前的易用性使設(shè)計(jì)人員可以非常直觀地、實(shí)時(shí)地進(jìn)行產(chǎn)品三維幾何模型的操作和修改.3. 2特征造型技術(shù)特征造型16

14、,17是CAD建模方法的一個(gè)新發(fā)展,它是在CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用達(dá)到一定的水平,要求進(jìn)一步提高生產(chǎn)組織的集成化和自動(dòng)化程度的歷史進(jìn)程中孕育發(fā)展起來的.特征建模不僅僅描述產(chǎn)品的幾何信息，而是著眼于更好地表達(dá)產(chǎn)品完整的功能和生產(chǎn)管理信息，為建立產(chǎn)品的集成信息模型服務(wù).特征包含了產(chǎn)品的特定幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系、典型功能、繪圖表示方法、制造技術(shù)和公差要求等.特征的引用直接體現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，使得建立的產(chǎn)品模型更容易為人理解和組織生產(chǎn),為開發(fā)新一代的基于統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)創(chuàng)造了前提條件.3 3產(chǎn)品集成建模CAD/CAM領(lǐng)域,成為產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù).從而提出了面向產(chǎn)

15、品生命周期的關(guān)系型產(chǎn)品模型的概念18,19.由此，才能較好地解決信息在設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)及裝配等環(huán)節(jié)的共享問題，完整地描述產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)裝配設(shè)計(jì)零件設(shè)計(jì)全過程中的各種屬性和相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中的內(nèi)部描述信息（如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、計(jì)劃、加工和檢驗(yàn)等方面和外部過程信息（如內(nèi)部描述信息所依賴的環(huán)境、知識(shí)和規(guī)劃等的集成.這種產(chǎn)品集成建模技術(shù)仍在研究中21世紀(jì)是網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的CAD系統(tǒng)（NAD的開發(fā)和應(yīng)用必將成為網(wǎng)絡(luò)時(shí)代一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì).它對(duì)三維造型技術(shù)提出了更高的要求：產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型要面向產(chǎn)品的全生命周期，設(shè)計(jì)過程要支持并行工程20,要支持動(dòng)態(tài)建模，支持面向產(chǎn)品過程及性能設(shè)計(jì)的建模.4結(jié)語(yǔ)通過對(duì)

16、三維模型計(jì)算機(jī)生成技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)的分析可知，隨著現(xiàn)代集成制造（CIM、信息集成、并行工程、虛擬制造和敏捷制造技術(shù)的飛速發(fā)展，三維造型技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用，它是真正解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化的重要基礎(chǔ).三維造型技術(shù)的研究和軟件開發(fā)，對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代集成制造技術(shù)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響.參考文獻(xiàn)1美RalphGrabowski著.AutoCAD2000使用指南M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.2顏國(guó)忠，韋文斌.圖形圖象動(dòng)畫專家AutoCAD三維設(shè)計(jì)與實(shí)例M.北京：電子工業(yè)出版社，2000.3戴同.CIMS系列培訓(xùn)教材CAD/CAPP/CAM基本教程M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.4

17、李健.迎接制造業(yè)信息化的春天J.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2002,(5:89.5孫家廣.CAD賦予論新”新概念N.計(jì)算機(jī)世界報(bào).2001719.6吳海曙，劉曉平.PDM系統(tǒng)在制造業(yè)中的應(yīng)用分析J.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2002,(5:1517.口揚(yáng)繼全，侯麗雅.快速成型技術(shù)在集成制造及微機(jī)械制造中的應(yīng)用J.機(jī)械制造，2002,(1:7.108顏永年.快速成型技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)J.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造,2002,(3:59.9 ValerieD.DistributedvitualrealityJ.IEE.Com-puterGraphicsandApplication,1997,1317.10梁艷霞，

18、聶如春.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)J.機(jī)械工程師,2002,(4:810.的J91第3期鄭芙蓉等:CAD三維模型的計(jì)算機(jī)生成技術(shù)及其應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2001,(11:911.12PTC公司信息化論談.信息化帶動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)CPC創(chuàng)造價(jià)值與商機(jī)J.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造2002,(5:1517.13張峰,李兆前,黃傳真.參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)J.機(jī)械工程師,2002,(1:1315.14劉文僉ij.產(chǎn)品自頂向下設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向J.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS,2002,(1:17.15胡愛武，傅志紅.產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)概念及其發(fā)展J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2002,(3:79.16Bidarrab,BronsvoortW.SemanticfeaturemodelingJ.ComputerAidedDesign,2000,32(14:201225.17陳英英，肖志華，陳敏.21世紀(jì)初期機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)J.機(jī)械制造，2002,(4:202