三维建模发展史

三维建模发展史
建模技术的发展史
三维建模技术是研究在计算机上进行空间形体的表示、存贮和处理的技术。

实现这项技术的软件称为三维建模工具。

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。

三维建模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。

三维建模技术的研究和发展
在CAD技术发展初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着三维建模技术的发展，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。

三维建模技术是伴随CAD技术的发展而发展的！
三维建模技术的发展史
1 线框模型（Wire Frame Model) :20世纪60年代末开始研究用线框和多边形构造三维实体，这样地模型被称为线框模型。

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。

2曲面模型（Surface Model)
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，不能进行剖切，不能对模型进行质量、质心、惯性矩等物性计算
第二次技术革命——实体造型系统
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)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。

实体模型（Solid Model)：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：骨骼＋肌肉＋内脏的完整人体
第三次技术革命——特征参数化技术
20世纪80年代中晚期，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度降低，CAD技术的硬件平台成本从二十几万美元降到只需几万美元。

很多中小型企业也开始有能力使用CAD技术。

1988年，参数技术公司（Parametric T echnology Corporation，PTC)采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术开发了Pro/Engineer软件，为三维实体造型提供了一个优良的平台。

参数化（Parametric）造型的主体思想是用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一系列在形状或功能上具有相似性的设计方案。

目前能处理的几何约束类型基本上是组成产品形体的几何实体公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系，因此参数化造型技术又称尺寸驱动几何技术。

带来了CAD发展史上第三次技术革命。

参数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。

目前参数化技术大致可分为如下三种方法：
（1）基于几何约束的数学方法；
（2）基于几何原理的人工智能方法；
（3）基于特征模型的造型方法（特征工具库，包括标准件库均可采用该项技术）。

其中数学方法又分为初等方法（Primary Approach）和代数方法（Algebraic Approach）。

初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。

这种方法简单、易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束的场合；代数法则将几何约束转换成代数方程，形成一个非线性方程组。

该方程组求解较困难，因此实际应用受到限制；人工智能方法是利用专家系统，对图形中的几何关系和约束进行理解，运用几何原理推导出新的约束，这种方法的速度较慢，交互性不好。

参数化系统的指导思想是：你只要按照系统规定的方式去操作，系统保证你生成的设计的正确性及效率性，否则拒绝操作。

这种思路
的副作用是：1）使用者必须遵循软件内在使用机制，如决不允许欠尺寸约束、不可以逆序求解等；2）当零件截面形状比较复杂时，将所有尺寸表达出来让设计者为难；3）只有尺寸驱动这一种修改手段，那么究竟改变哪一个(或哪几个)尺寸会导致形状朝着自己满意方向改变呢？这并非容易判断；4）尺寸驱动的范围亦是有限制的。

如果给出了不合理的尺寸参数，使某特征与其它特征相干涉，则引起拓扑关系的改变。

5）从应用来说，参数化系统特别适用于那些技术已相当稳定成熟的零配件行业。

这样的行业，零件的形状改变很少，经常只需采用类比设计，即形状基本固定，只需改变一些关键尺寸就可以得到新的系列化设计结果。

第四次技术革命——变量化技术
参数化技术要求全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸改变来驱动形状改变，一切以尺寸（即参数）为出发点，干扰和制约者设计者创造力的及想象力的发挥。

一定要求全尺寸约束吗？欠约束能否将设计正确进行下去？沿着这个思路，SDRC公司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变量化技术，1993年推出全新体系结构的I-DEAS Msater Series软件——带来了CAD发展史上第四次技术革命。

变量化技术：我们在进行机械设计和工艺设计时，总是希望零部件能够让我们随心所欲地
构建，可以随意拆卸，能够让我们在平面的显示器上，构造出三维立体的设计作品，而且希望保留每一个中间结果，以备反复设计和优化设计时使用。

VGX（V ariational Geometry Extended――超变量化几何，SDRC 公司推出）实现的就是这样一种思想。

变量化系统的指导思想是：1）设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，允许采用不完全尺寸约束，只给出必要的设计条件，这种情况下仍能保证设计的正确性及效率性。

2）造型过程是一个类似工程师在脑海里思考设计方案的过程，满足设计要求的几何形状是第一位的，
尺寸细节是后来逐步完善的。

3）设计过程相对自由宽松，设计者更多去考虑设计方案，无须过多关心软件的内在机制和设计规则限制，所以变量化系统的应用领域也更广阔一些。

4）除了一般的系列化零件设计，变量化系统在做概念设计时特别得心应手，比较适用于新产品开发、老产品改形设计这类创新式设计。