[农业]pro第1章 三维造型技术发展史.ppt
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1、,三维造型技术发展史,三维造型技术将物体的形状及属性存储在计算机内,形成三维几何模型,表达直观、充分、清楚,并广泛应用于工程设计和制造的各个领域。本课程主要培养运用Pro/Engineer软件表示和设计空间形体的能力。,三维造型技术是利用计算机系统描述物体形状的技术。如何利用一组数据表示形体,如何控制与处理这些数据,是几何造型中的关键技术。, 1.1 三维造型技术的产生及其特点,CAD技术的产生,CAD技术产生于20世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中,1989年,美国国家工程研究院将CAD技术评为19641989十项最杰出的工程技术成就之一。,CAD在早期是英文Computer Aid
2、ed Drafting的缩写,随着计算机硬、软件技术的发展,人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计; 真正的设计是整个产品的设计,它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等,二维工程图设计只是产品设计中一个小的部分; 于是CAD的缩写词改为Computer Aided Design,CAD不再是辅助绘图,而是整个产品的辅助设计。,CAPP,现代产品开发过程图例,概念设计,工程绘图,结构设计 详细设计,结构有限元分析,机械系统动态分析(运动学分析、动力学分析),加工仿真,生产过程仿真(数字化车间),现代产品开发过程图例,CAD领域的主流技术,三维造型技术的研究和发展
3、在CAD技术发展初期,CAD仅限于计算机辅助绘图,随 着三维造型技术的发展,CAD技术才从二维平面绘图发展到 三维产品建模,随之产生了三维线框模型、曲面模型和实体 造型技术。而如今参数化及变量化设计思想和特征模型 则代 表了当今CAD技术的发展方向。,CAD技术是一项综合性的、技术复杂的系统工程,涉及许多学科领域,如计算机科学和工程,计算数学,计算几何、计算机图形显示、数据库技术、网络技术、仿真技术、人工智能学科和技术以及与各领域产品设计有关的专业知识等,三维造型技术是伴随CAD技术的发展而发展的!, 1.2 三维造型技术的发展史,20世纪60年代末开始研究用线框和多边形构造三维实体,这样地模
4、型被称为线框模型。,线框模型的表示方法,顶点表,棱线表,线框模型(Wire Frame Model ),线框模型的特点,三维物体是由它的全部顶点及边的集合来描述, 线框由此得名,线框模型就像人类的骨骼。,优点: 有了物体的三维数据,可以产生任意视图,视图间能保持正确的投影关系,这为生产工程图带来了方便。此外还能生成透视图和轴侧图,这在二维系统中是做不到的; 构造模型的数据结构简单,节约计算机资源; 学习简单,是人工绘图的自然延伸。,缺点: 因为所以棱线全部显示,物体的真实感可出现二义解释; 缺少曲线棱廓,若要表现圆柱、球体等曲面比较困难; 由于数据结构中缺少边与面、面与面之间的关系的信息,因此
5、不能构成实体,无法识别面与体,不能区别体内与体外,不能进行剖切,不能进行两个面求交,不能自动划分有限元网络等等。,目前许多CAD/CAM系统仍将此系统作为表面模型和实体模型的基础,进入20世纪70年代,正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造中出现了大量的自由曲面问题,当时只能采用多截面视图、特征纬线的方法来近似表达所要设计的曲面。由于三视图表达的不完整性,因此很难达到设计者的要求。 此时法国人贝赛尔提出了Bezier算法,使得人们在用计算机处理曲面及曲线问题时变得可以操作。法国达索(Dssault)飞机制造公司开发了三维曲面造型系统CATIA带来了第一次CAD技术革命。 曲面造型
6、系统带来了技术革新,使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃,许多车型的开发周期由原来的6年缩短只需约三年.,第一次技术革命曲面造型系统,曲面模型是在线框模型的数据结构基础上,增加可形成 立体面的各相关数据后构成的。,曲面模型(Surface Model),曲面模型的表示方法,F1,F2,F3,F4,F5,F6,表面表,曲面模型的特点,与线框模型相比,曲面模型多了一个面表,记录了边与面之间的拓扑关系。曲面模型就像贴付在骨骼上的肌肉。,优点: 能实现面与面相交、着色、表面积计算、 消隐等功能,此外还擅长于构造复杂的曲面 物体,如模具、汽车、飞机等表面。 缺点: 只能表示物体的表面及边界,不能进行剖
7、切,不能对模型进行质量、质心、惯性矩等物性计算。,常见曲面生成手段,如生成平面、直纹面、柱状面等曲面,a、延伸,如生成圆柱面、球面、圆锥面、环面等回转面,b、回转,生成自由曲面如:Bezier曲面、B样条曲面、Coons曲面等,c、蒙皮(放样),d、指定边界(cover),e、扫描曲面,f、过渡,g、等距,进入20世纪80年代,CAD价格依然令一般企业望而却步,这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。 由于表面模型技术只能表达形体的表面信息,难以准确表达零件的其它特性,如质量、重心、惯性矩等,对CAE十分不利。基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索,SDRC公司在美国国家航空及宇航局(NASA
8、)支持下于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS。由于实体模型能精确表达零件的全部属性,在理论上统一CAD/CAE/CAM带来了CAD发展史上第二次技术革命。,第二次技术革命实体造型系统,实体模型在表面看来往往类似于经过消除隐藏线的线框模型在线框模型或经过消除隐藏面的曲面模型; 但实体模型上如果挖一个孔,就会自动生产一个新的表面,同时自动识别内部和外部; 实体模型可以使物体的实体特性在计算机中得到定义。它有如下特性: 它是一个全封闭(实体)的三维形体的计算机表示; 具有完整性和无二义性; 保证只对实际上可实现的零件进行造型;零件不会缺少边, 面,也
9、不会有一条边穿入零件实体,因此,能避免差错和 不可实现的设计。 提供高级的整体外形定义方法。可以通过布尔运算从旧模型 得到新模型,实体模型(Solid Model),实体模型和线框模型,实体模型:骨骼肌肉内脏的完整人体,实体模型表示方法,边界表示法(Boundry Representation)简称B-Reps,建构实体几何法(Constructive Solid Geometry)简称CSG,实体模型的两种表示方法,边界表示法(B-Reps),边界表示按照体面环边点的层次,详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息及其相互连接的拓扑关系。在进行各种运算和操作中,就可以直接取得这些信息,边界表
10、示法(B-Reps),在Por/E中,实体造型的制作方法有拉伸、旋转、扫描,混合,图中,实体模型包含: 环形扫描(Circle Sweeping):在Pro/E中称“旋转”(Revolution) 线性扫描(Linear Sweeping):在Pro/E中称“拉伸”(Exrude) 路径扫描(Sweep):在Pro/E中称“伸出项” 混合扫描(Sweep Blend):混合扫描即针对可变截面(剖面)的扫描,是用于同一路径,但路径中每段截面的形状不同,或截面轮廓为渐缩或渐增的状况。,(1)表示形体的点、边、面等几何元素是显式表示的,使得绘制Brep表示的形体的速度较快,而且比较容易确定几何元素间
11、的连接关系; (2)容易支持对物体的各种局部操作,比如进行倒角,我们不必修改形体的整体数据结构,而只需提取被倒角的边和与它相邻两面的有关信息,然后,施加倒角运算就可以了; (3)便于在数据结构上附加各种非几何信息,如精度、表面粗糙度等。 由于Brep表示覆盖域大,原则上能表示所有的形体,而且易于支持形体的特征表示等,Brep表示已成为当前CAD/CAM系统的主要表示方法。,B-Reps法的优点,B-Reps法的缺点,(1)数据结构复杂,需要大量的存储空间,维护内部数据结构的程序比较复杂; (2) B-Reps表示不一定对应一个有效形体,通常运用欧拉操作来保证B-Reps表示形体的有效性、正则性
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