CAD三維造型圖學思維模式

1、CAD 三維造型圖學思維模式一、引言由于計算機三維技術(shù)能逼真地虛擬現(xiàn)實模型，以立體的、有光的、有色的生動畫面表 達大腦內(nèi)產(chǎn)品的設計結(jié)果，較之于傳統(tǒng)的二維設計圖更符合人的思維習慣與視覺習慣，因此 三維設計方式在技術(shù)領域已引起極大的重視，取代二維設計將成為今后發(fā)展趨勢。三維造型 技術(shù)從最初的三維CADE發(fā)展到目前專用的基于特征造型的三維軟件， 常用的有 SolidWorks、 SolidEdge 、MDT、Pro/E 等。越來越多的人開始學習該類軟件，隨之也出版了大量的學習該 類軟件的書籍，但這些書普遍存在這樣的特點即對某一軟件的繁多命令的介紹，或針對某一 實例具體指出操作步驟并未解釋該操作方案產(chǎn)

2、生的由來，似乎是某個軟件的指導說明書，客 觀上起到了使初學者一開始就花費大量的時間和精力去學習和適應軟件命令這樣一種導向， 導致造型實踐往往是盲目的、經(jīng)驗化的。由于對繁多命令的記憶感到困難，在某種程度上制 約了人們引進現(xiàn)代設計方式的速度，同時這種學習方法也影響了造型技能的提高。借鑒傳統(tǒng) 制圖的學習，由于有了畫法幾何理論的指導，形成了一種方便地學習機械制圖和建筑制圖等 不同制圖的方式。因此有必要探索計算機 3D 圖的圖學理論和通用的思維模式，以應對不同軟 件的學習，達到快速入門和有效提高造型技能的目的。二、CADE 維造型的內(nèi)涵2001 年 7 月舉辦的中日圖學教育研討會指出：計算機僅僅是設計和

3、繪畫的工具，不僅要訓練實際的設計和繪圖能力，更重要的是培養(yǎng)設計感覺和空間感覺。日本ThrulHARA 教授也指出：“有個疑問，初學者一開始就運用計算機軟件創(chuàng)造，特別是在不好的技能操作下 會造成幾何感覺和空間感覺的貧乏。 這是一個必須繼續(xù)探討的焦點問題。 ”像二維繪圖那樣， 鉛筆、圓規(guī)的動作是在大腦對圖形繪制構(gòu)思成熟的情況下，按大腦發(fā)出的指令執(zhí)行的，因此 要想通過計算機軟件把大腦中產(chǎn)生的設計模型即“心理模型”轉(zhuǎn)化成計算機虛擬模型，首先 在大腦中對該心理模型要有一個心理造型過程。在大腦中運用圖學理論對心理模型的構(gòu)成及 形體的形成用幾何術(shù)語進行系統(tǒng)準確的描述，從而規(guī)劃造型即“搭積木”的順序，該過程可

4、 稱之為心理造型語言系統(tǒng)，計算機界面元素（菜單命令、圖標、光標）在大腦中留下了一個 記憶系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)是并行對應的，當大腦中的兩系統(tǒng)實現(xiàn)正確轉(zhuǎn)化才能有計算機的正確 操作。三維造型就是一個心理造型語言與計算機界面元素轉(zhuǎn)化的過程。目前的學習重視了計 算機界面元素的記憶，忽略了心理造型思維能力。實踐證明一個人的繪圖速度和正確性取決 于他在大腦中對所繪模型形狀的清晰度， 美國的有關 3D 教育研究也指出最重要的是在設想和 表達階段發(fā)生的活動。三、三維構(gòu)型圖學理論3D 軟件是基于特征的實體造型，因此與傳統(tǒng)的指導二維圖的投影理論不同，三維造 型主要采用的是構(gòu)造實體幾何（Constructive Soli

5、d Geometry-CSG 及形體幾何特征形成分 析等圖學理論。CSG 是對實體的整體形成的分析，任何復雜實體都可看成是簡單單元體的組 合，單元體稱為體素，一般用布爾運算（并集、差集、交集）來實現(xiàn)這種組合，形成分析是 對每個體素幾何形成的具體分析，因此該思維模式是全三維的并且是在大腦中立體地模擬客 觀世界中對實體加工過程的動態(tài)的心理活動。四、三維造型思維框架根據(jù)三維構(gòu)型圖學理論，在未使用計算機前應具有心理造型的一個思維框架五、體素分解傳統(tǒng)的手工二維圖或二維 CADS是用各種線條繪制，無論怎樣圖形總能繪出，因此該 順序的重要性顯得不太突出。而計算機實體造型是幾何特征的集合，其造型的先后順序尤為

6、 重要，類似于模擬客觀世界中對零件的加工順序，若安排不當零件就無法生成，或生成過程 太復雜。反之生成零件既簡單又方便。為此可以按模塊化的方式來處理，對造型體進行體素 分解。分解原則為從反映形體主要特征的明顯程度和占總體積的大小及其主要功能等方面進 行劃分，一般可分為基本特征體素系列、輔助特征體素系列、附加特征體素系列，然后在每 個系列內(nèi)再進行細分。其分解步驟如下：（一）劃分基本特征體素系列該部分體素的局部組合體現(xiàn)了實體的主要形體特征和主要功能并且所占體積比例相 對較大。在該系列內(nèi)再根據(jù)主次進一步劃分出若干單一的體素。劃分出來的最主要的第一個 體素應為構(gòu)形的基礎特征體素，即生成其它體素的基準體。

7、（二）劃分輔助特征體素系列該部分體素是加在基本特征體素上，在功能上不起主要作用，例如肋板、凸臺等結(jié)構(gòu)。 在該系列內(nèi)再劃分出單獨的體素。3 附加特征體素系列。該類體素具有不能獨立存在、必須 附加于上述二種體素系列之內(nèi)的特征，如孔、空腔、槽等。屬于挖切即差集。而上述系列均 為體素的疊加即并集。圖 1 為齒輪減速箱體的體素分解圖。依照這種有序的體素分解逐步在 大腦內(nèi)建立起了形象的“搭積木”的順序。因此該思考過程是規(guī)劃零件幾何特征創(chuàng)建順序的 依據(jù)。即在基本特征體素系列內(nèi)確定出基礎特征體素，然后在此基礎上通過布爾運算的并集 先依次構(gòu)建基本特征體素系列內(nèi)的其它體素，再構(gòu)建輔助特征體素系列內(nèi)的各體素，然后通

8、 過差集運算在以上構(gòu)建的基礎上依此減去附加特征體素系列內(nèi)的各體素。圖 1 齒輪減速箱體體素分解圖（三）體素幾何特征形成分析體素的創(chuàng)建是造型重要的一步，只要體素特征創(chuàng)建成功，按上述順序搭建即可完成造型。點的運動軌跡是線，線的運動軌跡是面，而面的運動軌跡是體。根據(jù)這一幾何描述可以把大多數(shù)體素看成是某一幾何形狀的初始面沿一定的軌跡線運動而形成的掃描體。如常見的 長方體和圓柱體可看成是長方形和圓沿直線運動而形成，但大多數(shù)軌跡線是復雜的，由圖2簡單體的形成示出了掃描的概念， 它的形成分為初始面的形成、 掃描軌跡的形成及掃描方向 的確定。圖 2 形體的掃描形成示意圖經(jīng)過上述的 3 個過程才能全面準確地描述一個體素的幾何特征的形成。分解出來的每個單獨的體素繪制可視為一個局部特征的創(chuàng)建過程，上述詳細思考的步驟為該局部的繪圖順 序的規(guī)劃提供了依據(jù)。（四）體素的空間定位分析要創(chuàng)建零件特征還需要分析構(gòu)成零件的各單元體的相互位置，即體素的空間定位。由于創(chuàng)建每一個體素特征都是以前一個體素的某個面為基準面創(chuàng)建的，因此確定構(gòu)建該體素的 基準面位置所在及繪制該體素“草繪截面”的起點相當于構(gòu)成基準面的幾何元素的幾何定位。 該思考過程為 3D 造型中準確定出創(chuàng)建每一個體素幾何特征的起點提供了操作順序規(guī)劃的依 據(jù)。六、結(jié)束語目前常用的一些專用 3D 造型軟件，盡管它們的界面元素在形式安排、操作方法及