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三维参数化造型及设计第二讲三维造型基础及SolidWorks概貌一、CAD发展历程在CAD发展初期，其含义仅仅是图板的替代品，即：ComputerAidedDrawing(orDrafting)。而不是ComputerAidedDesign。CAD技术早期发展以二维绘图为主要目标，这一状况一直持续到70年代初期，而此后二维绘图作为CAD技术的一个分支而相对独立、平稳地发展，现在我们有许多工作仍然在这些二维系统中进行，常见的如AutoCAD、CAXA电子图板、开目CAD等。实际上在今天CAD用户中，特别是入门级的CAD用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。1、CAD技术的第一次革命──贵族化的曲面造型系统60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。进入70年代，法国达索飞机制造公司推出了三维曲面造型系统CATIA，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。此时的CAD技术价格极其昂贵，而且软件商品化程度低，开发者本身就是CAD大用户，彼此之间技术保密。只有少数几家受到国家财政支持的军火商，在70年代冷战时期才有条件独立开发或依托某厂商发展CAD技术。例如：CADAM由美国洛克希德(Lochheed)公司支持；CALMA由美国通用电气(GE)公司开发；CV由美国波音(Boeing)公司支持；IDEAS由美国国家航空及宇航局(NASA)支持；UG由美国麦道(MD)公司开发；CATIA由法国达索(Dassault)公司开发。曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新车型开发速度也大幅度提高，许多车型的开发周期由原来的6年缩短到只需约3年。CAD技术给使用者带来了巨大的好处及颇丰的收益。2、CAD技术的第二次革命──生不逢时的实体造型技术有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但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，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于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──IDEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来CAD技术的发展方向。可以说，实体造型技术的普及应用标志CAD发展史上的第二次技术革命。实体造型技术虽然带来了算法的改进和未来发展的希望，但也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强。实体造型技术也就此没能迅速在整个行业全面推广开。3、第三次CAD技术革命——一鸣惊人的参数化技术如果说在此之前的造型技术属于无约束自由造型的话，进入80年代中期，出现了比无约束自由造型更好的算法──参数化实体造型方法。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数技术公司(ParametricTechnologyCorp.)，研制了命名为Pro/E的参数化软件。由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后将给设计者带来的方便性。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。4、第四次CAD技术革命——更上层楼的变量化技术SDRC的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。首先，全尺寸约束这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。全尺寸约束：即设计者在设计初期及全过程中，必须通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变。当零件形状过于复杂时，改变尺寸达到所需要的形状很不直观；再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束的几何特征也会造成系统数据混乱。SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术──变量化技术。SDRC于1993年推出全新体系结构的IDEASMasterSeries软件。众所周知，已知全参数的方程组去顺序求解比较容易。但在欠约束的情况下，其方程联立求解的数学处理和在软件实现上的难度是可想而知的。SDRC攻克了这些难题，并就此形成了一整套独特的变量化造型理论及软件开发方法。变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。无疑，变量化技术驱动了CAD发展的第四次技术革命。CAD技术基础理论的每次重大进展，无一不带动了CAD/CAM/CAE整体技术的提高以及制造手段的更新。实际上，“参数化/变量化设计”并不是CAD软件带给我们的新设计模式，仅仅是对传统设计过程的提炼和抽象，为的是能够将我们的设计过程在计算机软件中处理。二、三维造型基础技术1、三维建模如下图所示，CAD系统包含有三层：数据结构、模型算法、应用算法。应用算法模型算法数据结构数据和程序调用数据数据模型其中数据结构是三维造型的最基础的部分，现在一般定义一个形体使用如右图所示的拓扑（topology）结构。顶点（Vertex）边（Edge）闭合环（Loop）面（Face）壳（Shell）体（Object）模型（Model）点（Point）曲线（Curve）表面（Surface）根据模型的数据结构所包含的拓扑元素的不同，可以将三维模型分为线框模型、表面模型和实体模型。（1）线框模型线框模型中一个物体的描述是通过顶点和与之相连的边来产生的。在线框模型中，没有面和体的概念，无法区别物体的内部和外部，断面不可能被表示，更无法采用连接许多简单的几何对象的方式来构造复杂的零件。由于缺乏表面信息，消隐工作不能够自动进行，而必须采用费时费力的交互方式来完成。由于描述棱边的信息量较少，因此难以保证几何物体的描述没有错误。在商业化CAD系统中实际上已不再采用线框建模。然而作为一种表示形式，线框模型常常被用作为表面模型和实体模型的基础。（2）表面模型（曲面模型）表面模型是用有向棱边围成的部分来定义形体的表面，表面可以是平面、解析曲面或参数曲面。表面模型在线框模型的基础上增加了环边信息、表面特征等。对表面模型，由于面与面之间没有必然的关系，形体在面的哪一侧无法给出明确的定义，所描述的仅是形体的外表面，并没切开物体而展示其内部结构，因此也就无法表示零件的立体属性，也无法指出所描述的物体是实心还是空心。因而在物性计算、有限元分析等应用中表面模型仍缺乏表示上的完整性。（3）实体模型实体模型在数据结构中增加了体的概念，与其计算机内部描述（数据结构）相对应，可分成边界表示法（B-Rep）和构造实体几何法（CSG）。实体模型可以在计算机内部对几何物体进行唯一的、无冲突的和完整的描述。实体模型可以通过接口为其他应用提供关于物体完整的计算机内部描述，因此计算机辅助设计过程可以完全自动化。从数据的通用性来看，通过程序应用，整个产品生产过程都可以得到辅助。实体建模的主要目标在于为生产过程提供数据库。这个数据库不仅存储几何信息，而且还以集成的产品模型的形式存储开发过程中所有收集到的信息，并且提供给尽可能大的应用范围和后续过程使用。其中绘制图纸就是一个后续应用，它占了设计时间的很大一部分。不同的视图可以直接用现存的实体模型来产生，截面生成和消隐之类的处理可以半自动地进行。实体模型的特点是设计者可以采用许多不同的生成技术，以计算机内部的数据结构为条件，在较高的几何层面上进行工作。如面向表面的建模技术和面向实体的建模技术。与其他模型相比，实体CAD系统为交互生成几何模型提供了多种多样的输入方法，这些方法的应用在很大程度上取决于应用界面的质量。常见的有面向基本体素的体素法，面向表面建模的扫描法。（a）体素法•实体模型通过连接基本体素来构造，实体必须有目的地分解成系统已经提供的基本元素或者由系统本身生成的基本体素。•每个实体系统都拥有一定数量的、预先定义好的简单几何体素，这些简单的几何体素可以用较少的参数来表述，并且由系统根据这样的描述自动生成。•不同系统中生成实体模型的方式也多种多样，复杂的构件通过连接相应的具有大小和定位的基本体素来生成。•连接操作有：加（并）；减（差）；相交（交）；补充造型（补）。它们被称为布尔操作或者集合运算。•利用布尔操作生成实体模型时，在空间中确定两个实体对象（交会或分割）。在调用了相应的连接功能之后，系统自动执行生成新的几何体的实体模型。•在进行布尔操作时，操作数的顺序十分重要。•布尔操作用相对较少的输入命令完成复杂模型的定义，而在用传统的方法花费很大或者根本不可能实现的情况下，使用布尔操作就有很大优点。•布尔操作的缺点就是要求使用者有相当高的抽象能力。（b）扫描法（Sweeping）•原理是：生成一个2D轮廓，再沿某一导向曲线进行三维扩展，形成3D实体。2D轮廓是用二维CAD系统所提供的功能产生的，并被作为扫描操作的基础。•通过某一平面绕一预先定义好的轴旋转而形成一个新的物体的方法称为旋转扫描法。旋转扫描法中轴不允许分割平面域轮廓线。•具有许多自由曲面的实体模型可以通过面向表面的建模技术来实现，2、参数化造型技术与变量化造型技术目前最新的，也是流行的实体模型生成技术主要是以Pro/E为代表的参数化造型理论和以SDRC/IDEAS为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造型技术。只有这两种理论是在近十年产生并且赢得了广泛的认同的。在这两种理论之前的，基本上属于无约束自由造型技术。（a）参数化（Parametric）造型技术的主要特点参数化造型是由编程者预先设置一些几何图形约束，然后供设计者在造型时使用。与一个几何相关联的所有尺寸参数可以用来产生其它几何。其主要技术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。基于特征：将某些具有代表性的几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造；全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点（全约束），不能漏注尺寸(欠约束)，不能多注尺寸(过约束)；尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变；全数据相关：尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。采用这种技术的理由在于：彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而牢牢地控制住。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能。尺寸驱动在道理上容易理解，尤其对于那些习惯看图纸、以尺寸来描述零件的设计者是十分对路的。工程关系（EngineeringRelationship）如：重量、载荷、力、可靠性等关键设计参数，在参数化系统中不能作为约束条件直接与几何方程建立联系，它需要另外的处理手段。（b）变量化（Variational）造型技术的主要特点变量化技术是在参数化的基础上又做了进一步改进后提出的设计思想。变量化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但在约束定义方面做了根本性改变。变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是象参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。采用这种技术的理由在于：在新产品开发的概念设计阶段，设计者首先考虑的是设计思想及概念，并将其体现于某些几何形状之中。这些几何形状的准确尺寸和各形状之间的严格的尺寸定位