CAD三维建模技术的发展

综述与专论 《机电技术》2010 年第 4 期 141 CAD 三维建模技术的发展 陈建国 1 张玲 2 (1.成都农业科技职业学院机电分院, 四川成都 611130;2.成都农业科技职业学院 电子信息分院,四川成都 611130 ) 摘 要：随着现代先进机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法的快速发展，受 CIMS 计算机集成制造系统、并行工程 (Concurrent Engineering,CE)、敏捷制造(Agile Manufacturing,AE)的影响，对 CAD 三维建模方法提出了新的要求，文章着重介绍了三 维设计的优点及其发展历程。 关键词：CAD;三维建模方法；发展趋势 中图分类号: TP319 文献标识码: A 文章编号：1672－4801(2010)04－141－05 1 CAD 技术的概念 CAD(Computer Aided Design)是利用计算机 强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程 技术人员完成工程或产品的设计和分析的一种技 术。自 1950 年诞生以来，已广泛应用于机械、电 子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等相关 领域。随着产品设计效率的飞速提高，现已将计 算 机 辅 助 制 造 技 术 (Computer Aided Manufacturing ， CAM) 和产品数据管理技术 (Product Data Management，PDM)、计算机集成制 造系统(Computer Itegrated manufacturing system， CIMS) 及 计 算 机 辅 助 测 试 (Computer Aided Testing，CAT)融于一体。 产品设计是决定产品命运的探究，也是最为 重要的环节，产品的设计工作决定了产品成本的 70%以上，采用先进制造技术的企业必然将产品 设计这个环节视作其生命线，先进设计技术必然 成为先进制造技术的核心之一。先进制造技术经 历了信息集成—过程集成—企业集成的发展历 程，现代 CAD 技术也在沿着信息集成—过程集 成—企业集成的道路发展。故而现代 CAD 技术 是指在复杂的大系统环境下,支持产品自动化设 计的设计理论和方法、设计环境、设计工具各相 关技术的总称，它们能使设计工作实现标准化、 开放化、集成化、网络化和智能化，达到提高产 品设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目 的。 2 CAD 三维建模方法的发展 自上世纪 70 年由 MIT 林肯实验室的 I.E.Sutherland 发表的人机通信的图形系统博士论 文为开始，CAD 三维建模技术至今已经历了线框 模型、表面模型、实体模型方法，以及正在发展 中的特征建模、行为建模方法。 2.1 线框模型(wire-frame model) 线框模型是指用多边形线框来描述三维形体 的轮廓得到的模型；采用数据结构：顶点表＋边 表；其优点在于简单，仅需要端点信息；缺点： 信息不完整，有二义性，不能用于 NC 加工等。 2.2 表面模型(surface model) 表面模型是指用有序连接的棱边围成的有限 区域来定义立体的表面，再由表面的集合来定义 立体所得到的三维模型。 表面造型是在线框造型的基础上发展起来的, 它的产生应归因于航空业与汽车业的迅猛发展。 由于飞机及汽车制造中遇到的大量自由曲面问题, 在当时只能用多截面视图和特征纬线的方法来表 达,在制造上依赖于用油泥模型来近似模拟曲面, 因而人们开始研究新的更先进的描述手段 —— 光滑曲面,由于表面造型比线框造型增加了有关 面边(环边)信息以及表面特征、棱边的连接方向 等内容,从而可以满足曲面求交、线面消隐、明暗 色彩图、数控加工等应用,使在 CAD 阶段建立的 模型数据在 CAM 阶段可用。表面造型在工程中 得到广泛的应用，但曲面模型只能表达形体的表 面信息,对有限元及零件的物性计算等方面无从 开展,满足不了工程优化设计的需求。 表面造型所采用的数据结构：顶点表＋边表 ＋面表；优点：信息更完整，可准确定义形体， 可用于 NC 加工等；缺点：不能描述内部及特征， 很多分析不能进行。 2.3 实体模型(solid model) 实体模型：随着技术的进步,计算机辅助工程 《机电技术》2010 年第 4 期 综述与专论 142 分析(CAE)的需求日益高涨,CAE 要求能获得形体 的完整信息,而线框和曲面模型对形体的表述都 不完整。在此背景下，实体造型技术产生在 60 年代末,商用化始于 1979 年,SDRC 推出了世界上 第一个完全基于实体造型技术的CAD/CAE/CAM 一体化的软件 I-DEAS。 实体造型技术与线框造型相比,实体造型增 加了实体存在侧的明确定义,给出了表面间的相 互关系等拓扑信息，因而能够精确表达零件的全 部属性,有助于统一 CAD、CAM、CAE 的模型表 达,在设计和加工上可以减少数据的损失,保持数 据的完整性。实体造型常用的表示形式有：构造 的实体几何(CSG)表示、边界表示(B-Rep)和扫描 表示。其中最关键的运算有形体的求交运算、集 合运算和欧拉操作。 实体模型技术的优点： (1)确定了表面的方向性； (2)可定义 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的物理性能等简单参数； (3)是几何和拓扑意义上信息最为完备的模 型； (4)一般实体模型均定义为有效的正则实体。 实体模型技术存在的不足： (1)产品定义不完整：模型仅仅能定义产品的 几何形状和拓扑关系，许多其它重要信息如公差 与精度、材料性质、工艺与装配要求等不包括在 模型中； (2)数据的抽象层次低：实体(如体素)主要是 几何概念，设计制造中的工程语义，如键槽、中 心孔、装配关系等均不能表达； (3)支持产品设计、制造的程度较差：如设计 模型修改的效率低，设计信息的跟随性差等。 2.4 特征建模技术 80 年代后期,CIMS 技术得到了长足发展,这 就要求传统的造型系统除了满足自身信息的完备 性之外,还必须为其他系统,如 CAPP、PDM、ERP、 CAM 等提供反映设计人员意图的非几何信息,如 公差、材料等。前面的三种造型方法都是从几何 的角度出发,而对于非几何信息,如尺寸、材料、公 差、工艺、成本等则没有反映,因而实体的信息是 不完整的。在这种需求的推动下,出现了特征建模 技术。 特征(feature): 客观事物特点的表征,是具有 特定语义的信息单元； 特征技术: 适合于为集成化、智能化、网络 化现代设计方法和先进制造技术提供共享信息的 模型理论和技术； 特征建模: 基于特征理论和技术的 CAD 模 型建造技术； 特征模型: 以特征为信息单元定义的 CAD 模型； 特征反映了产品零件特点的、可按一定原则 加以分类的产品描述信息，将特征引入几何造型 系统的目的是增加几何实体的工程意义，为各种 工程应用提供更丰富的信息，基于特征的造型把 特征作为零件定义的基本单元，将零件描述为特 征的集合。 特征建模的优点: (1)着重描述产品的完整信息； (2)用高层次的工程语义信息单元：如中心 孔、键槽等； (3)将产品设计意图贯彻到后续环节。 2.5 参数化技术 随着以三维 CAD 系统为基础的数字化设计 相关技术的快速发展，CAD 群组用户越来越希望 为本地或同域的终端用户提供大量的 CAD 数据 资源，也就是常说的 CAD 零部件库，它一般可以 包括常用的标准件、外购件和自制件模型。而用 户在建立这样的零部件数据库时，在数据层面大 多采用参数化建模与驱动技术来实现，这样不仅 可以提高数据的一致性和可靠性，也为模型数据 的后续管理、优化和升级提供了不小的便利。CAD 终端在使用这些数据时进行检索的数据量也大为 减少，一般只需用标准号、物料名称(描述)、类 别即可快速查询并打开相应的模型，而无须关注 产品的规格或型号，此举同时也大量缩减了模型 数据的数量(“个数”)。使用参数化建模技术建立起 的零部件数据资源库中的文件数量相比较于应用 一般建模技术，其仅在文件数量上即可缩减 90% 左右，数据库的容量亦相应下降为 30%以下，大 大节约了建库成本和空间占有量，由此带来的使 用和管理优势尚难量化统计。因而采用参数化设 计将大大降低成本,满足企业参与激烈竞争的要 求。 参数化设计的关键是几何约束关系的提取和 综述与专论 《机电技术》2010 年第 4 期 143 表达、约束求解以及参数化几何模型的构造，70 年代末及 80 年代初,英国剑桥大学的 R.CHill.yard 和美国 MIT 大学的 D.CGossard 等率先将参数化 设计用于 CAD；1988 年,美国参数技术公司(PTC) 首先推出参数化 CAD 系统 PRO/E,充分体现出其 在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的 优势。它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、 全数据相关、尺寸驱动设计修改。 2.6 行为建模技术 行为建模技术是比基于特征的参数化建模更 为先进的一种实体建模技术。它在设计产品时， 综合考虑所要求的功能行为、设计背景和几何图 形。采用知识捕捉和迭代求解的智能化方法，使 工程师可以面对不断变化的要求，追求高度创新 的、能满足行为和完善性要求的设计。该技术具 有高度集成、高度智能的特点，其强大功能主要 体现在三个方面： (1)智能模型。能捕捉设计信息和过程信息以 及定义一件产品所需要的各种工程 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 。 (2)目标驱动式设计。能优化每件产品的设 计，以满足使用自适应过程特征从智能模型中捕 捉的多个目标和需求变化，并可解决相互冲突的 目标问题。 (3)开放式可扩展环境。行为建模技术的第三 大支柱，提供了无缝工程设计功能，能保 证产品不会丢失设计意图。 行为建模技术所创建的智能化产品模型具有 关联、基于特征、参数化的特点，通用的再生机 制又使得关联性贯穿于整个设计流程。 3 三维建模技术的运用 随着三维建模理论的不断革新，国内外先后 开发出众多建模软件。本文介绍目前较为广泛采 用的部分建模软件。 3.1 国外部分软件 3.1.1 CATIA 软件 CATIA 是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写。采用变量和参数化混 合建模并以其特有的 DMU 电子样机模块功能推 动着企业竞争力和生产力的提高。是世界上一种 主流的 CAD/CAE/CAM 一体化软件。该软件是法 国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化 软件，居世界 CAD/CAE/CAM 领域的领导地位， 广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制 造、电子\电器、消费品行业，它的集成解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 覆盖所有的产品设计与制造领域。 CATIA 的优点： (1)CATIA 具有在整个产品周期内的方便的 修改能力，尤其是后期修改性； (2)CATIA 所有模块具有全相关性，CATIA 的各个模块基于统一的数据平台，因此 CATIA 的 各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修 改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具 和数控加工的程序中； (3)并行工程的设计环境使得设计周期大大 缩短； (4)CATIA 覆盖了产品开发的整个过程， CATIA 将机械设计，工程分析及仿真，数控加工 和 CATweb 网络应用解决方案有机的结合在一 起，为用户提供严密的无纸工作环境。 3.1.2 SolidWorks 软件 SolidWorks 是生信国际有限公司推出的基于 Windows 的机械设计软件。SolidWorks 是参数化 特征造型软件的新秀，以 SolidWorks 为核心的各 种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程 数据管理和数控加工等，为制造企业提供了梦寐 以求的解决方案。 3.1.3 UniGraphics(UG) 软件 UG是UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。 该公司首次突破传统 CAD/CAM 模式，为用户提 供一个全面的产品建模系统。在 UG 中，优越的 参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面 功能结合在一起，这一结合被实践 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 是强有力 的，并被大多数 CAD/CAM 软件厂商所采用。 3.1.4 Pro/Engineer 软件 Pro/Engineer 系统是美国参数技术公司 (ParametricTechnologyCorporation，简称 PTC)的产 品。PTC 公司提出的单一数据库、参数化、基于 特征、全相关的概念改变了机械 CAD/CAE/CAM 的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机 械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准。利用该概念开 发出来的第三代机械 CAD/CAE/CAM 产品 Pro/Enginee软件能将设计至生产全过程集成到一 起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计 《机电技术》2010 年第 4 期 综述与专论 144 制造工作，即实现的并行工程。 Pro/Enginee 系统主要优点如下： (1)真正的全相关性，任何地方的修改都会自 动反映到所有相关地方； (2)具有真正管理并发进程、实现并行工程的 能力； (3)具有强大的装配功能，能够始终保持设计 者的设计意图； (4)容易使用，可以极大地提高设计效率。 Pro/Enginee 系统用户界面简洁，概念清晰， 符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立 在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。 Pro/Enginee 建立在工作站上，系统独立于硬件， 便于移植。 3.1.5 MDT 软件 MDT 是 Autodesk 公司在基于特征建模的基 础上开发出的又一三维机械 CAD 系统。它以三维 设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理 等多种功能为一体；为用户提供了从设计到制造 一体化的解决方案。 MDT 主要功能优点如下： (1)基于特征的参数化实体造型。用户可十分 方便地完成复杂三维实体造型，可以对模型 进行灵活地编辑和修改； (2)基于 nurbs 的曲面造型，可以构造各种各 样的复杂曲面，以满足如模具设计等方面对 复杂曲面的要求； (3)可以比较方便地完成几百甚至上千个零 件的大型装配； (4)mdt 提供相关联的绘图和草图功能，提供 完整的模型和绘图的双向联结。 该软件的推出受到广大用户的普遍欢迎。由 于该软件与 AutoCAD 同时出自 Autodesk 公司， 因此两者完全融为一体，用户可以方便地实现三 维向二维的转换。MDT 为 AutoCAD 用户向三维 升级提供了一个较好的选择。 3.1.6 Cimatron 软件 CimatronCAD/CAM 系统是以色列 Cimatron 公司 CAD/CAM/PDM 产品，该系统采用几何和特 征混和建模的方法。为用户提供了比较灵活的用 户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数 控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的 产品数据管理。 3.1.7 I-DEAS 软件 I-DEAS 是美国 SDRC 公司开发的 CAD/CAM 软件。该软件基于特征、几何造型的 建模方法，是高度集成化的 CAD/CAE/CAM 软件 系统。它帮助工程师以极高的效率，在单一数字 模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数 控加工的产品研发全过程。软件内含诸如结构分 析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提 高产品性能的高级分析功能。 I-DEAS 在全球范围享有盛誉，国外许多著名 公司，如波音、索尼、三星、现代、福特等公司 均是 sdrc 公司的大客户和合作伙伴。 SDRC 也是全球最大的专业 CAM 软件生产 厂商。I-DEASCAMAND是CAM行业的顶级产品。 I-DEASCAMAND 可以方便地仿真刀具及机床的 运动，可以从简单的 2 轴、2.5 轴加工到以 7 轴 5 联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对 数控加工过程进行自动控制和优化。 3.2 国内部分软件 3.2.1 高华 CAD 软件 高华 CAD 是由北京高华计算机有限公司推 出的 CAD 产品。高华 CAD 系列产品包括计算机 辅助绘图支撑系统 GHDrafting、机械设计及绘图 系统 ghmds、工艺设计系统 ghcapp、三维几何造 型系统 ghgems、产品数据管理系统 ghpdms 及自 动数控编程系统 ghcam。其中 ghmds 是基于参数 化设计的 cad/cae/cam 集成系统，它具有全程导 航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设 计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图 像编辑等功能模块。ghgems5.0 曾获第二届全国自 主版权 cad 支撑软件评测第一名。 3.2.2 GS-CAD98 软件 GS-CAD98 是浙江大天电子信息工程有限 公司开发的基于特征的参数化造型系统。 GS-CAD98 是一个具有完全自主版权、基于 微机、中 Windows95/NT 平台的三维 CAD 系统。 该软件是在国家“七五”重大攻关及 863/CIMS 主 题目标产品开发成果的基础上，参照 SolidWorks 的用户界面风格及主要功能开发完成的。它实现 了三维零件设计与装配设计，工程图生成的全程 综述与专论 《机电技术》2010 年第 4 期 145 关联，在任一模块中所做的变更，在其他模块中 都能自动地做出相应变更。 3.2.3 开目 CAD 软件 开目 CAD 是华工科技开目公司开发的具有 自主版权的基于微机平台的 CAD 和图纸管理软 件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路， 操作简便，机械绘图效率比 autocad 高得多。开目 CAD 支持多种几何约束种类及多视图同时驱动， 具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约 束和欠约束的情况。开目 CAD 实现了 CAD、 CAPP、CAM 的集成，适合我国设计人员的习惯， 是全国 CAD 应用工程主推产品之一。 4 结束语 当前 CAD 技术的发展趋势是特征建模、行为 建模、信息集成。几何建模作为 CAD 系统的核心， 是影响 CAD 系统功能的重要因素。非流形几何建 模可以用统一的数据结构来表示线框、曲面、实 体模型，从而为在底层实现特征建模、变量化设 计、行为建模提供了可能，随着人们认识的不断 提高，三维建模技术将不断地在机械设计中扮演 越来越重要的角色。 参考文献： [1]杨海成,廖文和.基于知识的三维 CAD 技术及应用[M].北京:科学出版社,2005. [2]殷国富,刁燕，蔡长韬.机械 CAD/CAM 技术基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2010. [3]Fowler J E. Variant design for mechanical Artifacts. A state of the art survey[J].Engineer with computers,2005(12). [4]刘子建.机械 CAD 技术[M].北京：机械工业出版社，2006. [5]张学忱，陈锦昌.三维工程制图-产品三维建模技术与应用[M].北京：高等教育出版社,2009. [6]杜静,何玉林.机械 CAD/CAM 应用技术其础(第二版)[M].北京：机械工业出版社,2009. 作者简介：陈建国(1982 年－)，男，助讲，主要研究方向：机械 CAD 技术。 张 玲(1983 年－)，女，助讲，在读工程硕士，主要研究方向：计算机与信息科学。 (上接第 135 页) 软件的基础上进行二次开发，使其支持本土的异 型石材加工机械，并具备一定的通用性。 除了集成化的 CAD/CAM 软件的开发之外， 还要考虑如何优化石材加工工艺，建立工艺流程 更短、效率更高的异型石材加工工艺库。解决了 这一问题，实现节能减排、高效低碳、生产环保， 石材企业才能上一个新台阶。 4 结论 目前云浮的异型石材加工虽然面临较大的 困难和挑战，但也有广阔的国内国际市场前景， 有市政府打造百亿石材产业集群的政策扶持，只 要云浮石材人能够继续发扬前辈们艰苦奋斗的精 神，必定能够研制出代表国内领先水平并达到国 际先进水平的异型石材加工技术和设备，从而带 动云浮地区乃至全国的异型石材制品的跨越式发 展。 参考文献： [1]何开明,汪承林.异型石材加工工艺的分析[J].石材,1997(2)：20-23． [2]张进生.努力提高石材装备制造业的核心竞争力[J].石材,2009(9). [3]《石材》编辑部. 云浮打造百亿石材产业集群实施方案(摘要)[J].石材,2009(9). 作者简介：叶金虎(1982 年－)男，教师，硕士研究生，研究方向：数控加工技术。