三维造型设计方法的研究

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随着社会的进步，人们生活水平的不断提高，追求完善已成为时尚．人们对消费产品的要求已不仅仅满足于基本功能的完备，同时更注重外观的美感．家电产品在不断提高和完善其功能的同时，在外观造型上要求越来越高，多以复杂方式自由地变化的曲线曲面即所谓自由型曲线曲面组成．而这一类形状单纯用画法几何与机械制图是不能表达的．这就给家电产品的设计及制造带来了挑战．
4 A2 Z5 u1 E8 Q$ D% q计算机技术和计算机图形学的不断发展，为人们提供了强有力的工具，三维CAD/CAM/CAE集成化软件被广泛应用于制造业．然而，要快速高质量地完成一个家电产品的造型设计，必须根据家电产品的特点，总结出一套建模方法和技巧．这样才能大大缩短设计周期，提高设计效率，满足客户对产品的各种特殊需求． 1掌握三维CAD造型的原理，充分了解应用软件中的造型方法。
2 Y& `2 i: V/ D1 a! p' G4 l# X0 x1. CAD的三维模型有三种，即线框、曲面和实体。早期的CAD系统往往分别对待以上三种造型。而当前的高级三维软件，例如UGII,PRO/E,EUCLID等则是将三者有机结合起来，形成一个整体，在建立产品几何模型时兼用线、面、体三种设计手段.其所有的几何造型享有公共的数据库，造型方法间可互相替换，而不需要进行数据交换。此在进行产品造型时，必须首先充分了解应用软件中的各种造型方法，总结出造型方法的特点、相关参数及应用技巧，减少造型时的盲目性，便能快捷有效地获得满意结果。
1.1线框造型
线框造型可以生成、修改、处理二维和三维线框几何体。可以生成点、直线、圆、二次曲线、样条曲线等，又可以对这些基本线框元素进行修剪、延伸、分段、连接等处理，生成更复杂的曲线，线框造型的另一种方法是通过三维曲面的处理来进行，即利用曲面与曲面的求交，曲面的等参数线，曲面边界线，曲线在曲面上的投影，曲面在某一方向的分模线等方法来生成复杂曲线。实际上，线框功能是进一步构造曲面和实体模型的基础工具。在复杂的产品设计中，往往是先用线条勾划出基本轮廓，即所谓“控制线”，然后逐步细化，在此基础上构造出曲面和实体模型。
1.2曲面造型
曲面造型分两种方法，一是由曲线构造曲面；二是由曲面派生曲面。
（1）由曲线构造曲面
% @  @) Z" |; u* N* ?# ^9 A- |1)旋转曲面：一轮廓曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的曲面。
" d1 b6 F- }; c6 H2)线性拉伸面：一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。
3)直纹面：在两曲线间，把其参数值相同的点用直线段连接而成的曲面。
4)扫描面：截面发生曲线沿一条、二条或三条方向控制曲线运动，变化而生成的曲面。可根据各发生曲线与脊骨曲线的运动关系，把扫描面分为平行扫描曲面、法向扫描曲面和放射状扫描曲面。
" d* P$ l/ N7 ?- N. I- P5)网格曲面：由一系列曲线构成的曲面。根据构造曲面的曲线的分布规律，网格曲面可分为单方向网格曲面和双方向网格曲面。单方向网格曲面由一组平行或近似平行的曲线构成；而双方向网格曲面由一组横向曲线和另一组与之相交的纵向曲线构成。
$ p: g* ]# ~/ T& M6)拟合曲面：由一系列有序点拟合而成的曲面。
0 L% o* q$ Y4 L7)平面轮廓面：由一条封闭的平面曲线所构成的曲面。
二次曲面：椭圆面q抛物面，双曲面等。
! n" s1 b  J+ e% \* K（2）由曲面派生曲面
1)等半径倒圆曲面：一定半径的圆弧段与两原始曲面相切，并沿着它们的交线方向运动而生成的圆弧型过渡面。
2)变半径倒圆曲面：半径值按一定的规律变化的圆弧段与两原始曲面相切，并沿它们的交线方向运动而生成的圆弧型过渡面。
3)等厚度偏移曲面：与原始曲面偏移一均匀厚度值的曲面。
4)变厚度偏移曲面：在原始曲面的角点处，沿该点曲面法矢量方向偏移给定值而得到的曲面。
5)混合曲面（桥接曲面）：在两个（或多个）分离曲面的指定边界线处，生成一个以指定边界为生成曲面的边界线，与所选周围原始曲面圆滑连接的中间曲面。
6)延伸曲面：在曲面的指定边界线处，按曲面的原有趋势（或某一给定的矢量方向）进行给定条件的曲面扩展而生成的曲面。
7)修剪曲面：把原始曲面的某一部分去掉而生成的曲面。
拓扑连接曲面：把具有公共边界线的两个曲面进行拓扑相加后的曲面。
" X$ w) z* |4 m7 _. O6 c! l3 N1.3实体造型
# y1 H( n+ K: ]! ?5 Y/ W# T, v（1）基本体素
7 n4 _5 k) ?' ]$ I* }% {1)拉伸体：一条封闭的曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的实体，包括方体。
) z, ]: O. \4 W: C4 P( K2)旋转体：一条封闭曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的实体。包括圆柱体、圆锥体、球体等。
4 k) y3 s$ k& i# _5 d3)扫描体：一条或多条封闭的截面曲线沿一条轨道按一定的规律运动而生成的实体。
) p$ f  T( Q1 [! C1 J$ d+ V4)等厚体：与原始曲面偏移给定厚度值而形成的实体。
0 q- v) }% K& u6 Q5)缝合体：由一组封闭曲面缝合而成的实体。
- `  p& h; B. ?% J+ M6)倒圆体：在实体的棱线处，生成一个与该棱线处的两相邻表面相切的圆弧型过渡体。
" e; U0 \% [# z& q) Y. y& b7)倒角体：在实体的棱线处，生成一个给定角度和长度的倒角体。
. {- F( B% `9 O. y4 Z2 t) \（2）工艺特征形体
包括凸台、凹腔、孔、键槽、螺纹、筋等。
（3）拓扑操作对体素进行并、交、差布尔运算及用曲面片体修剪体素而生成新的实体。
) B7 h- H; B* \% P% n; Z6 Y2.对产品进行剖析，确定产品结构的主要特征和合理的建模顺序
有些家电产品看起来相当复杂，造型时感到无从下手，但只要能合理地对产品进行分解，确定产品结构的主要特征，分清哪些是基本特征（如配合面，保证产品外形轮廓的特征），哪些是构造特征（如面与面之间的过渡、凸台、凹腔、倒圆、倒角等）。首先从基本特征入手，保证重点，产生一合理的造型“基体”或称之为“毛坯”。在这“毛坯”上完成细节部分，如过渡面、局部凸台、凹腔、孔、筋条等。这样主次分明，先做什么，后做什么，问题就迎刃而解了。
在造型时根据产品的主要结构建立特征曲线，通过拉伸、旋转等建立一个合理的“毛坯”，再采用布尔“并、交、差”运算，在实体之间合并、挖除、相交成型，同时还可以使用面片体作为“刀具”将“毛坯”实体剪切去除，以获得实体的外观形状。这也是在家电产品造型时最常用的造型方法。其关键在于如何建立高质量的面片体“刀具”，这将在曲面造型技巧一节中提及。在这里需提出的是：用以修剪、分割实体的曲面片“刀具”各边缘都应超出“毛坯”剪切截面边缘。此时可将原片体沿切面方向延伸，延伸片与原片体缝合后形成的较大片体即可作为“刀具”也可以重新作一较大的片体“刀具”。
3曲面造型技巧
家电产品的外观形状多由自由型曲线曲面组成，其共同点是必须保证曲面光顺。曲面光顺从直观上可以理解为保证曲面光滑而且圆顺，不会引起视觉上的凸凹感，从理论上是指具有二阶几何连续，不存在奇点与多余拐点，曲率变化较小以及应变能较小等特点。要保证构造出来的曲面既光顺又能满足一定的精度要求，就必须掌握一定的曲面造型技巧。
3.1化整为零，各个击破
用一张曲面去描述一个复杂的家电产品外形是不切实际和不可行的，这样构造的曲面往往会不光顺，产生大的变形q这时可根据应用软件曲面造型方法，结合产品的外形情况，将其划分为多个区域来构造几张曲面，然后将其缝合，或用过渡面与其连结。
4 E2 R! B$ a( ^" \" M2 ^$ Z当今的三维CAD系统中的曲面几乎都是定义在四边形域上。因此，在划分区域时，应尽量将各个子域定义在四边形域内，即每个子面片都具有四条边。而在某一边退化为点时构成三角形域，这样构造的曲面也不会在该点处产生大的变形。
3.2建立光顺的曲面片控制线
曲面的品质与生成它的曲线即控制线有密切关系。因此，要保证光顺的曲面，必须有光顺的控制线。曲线的品质主要考虑以下几点：①满足精度要求；②曲率主方向尽可能一致；③曲线曲率要大于将做圆角过渡的半径值。在建立曲线时，利用投影、插补、光顺等手段生成样条曲线，然后通过其“曲率梳”的显示来调整曲线段函数次数、迭代次数、曲线段数量、起点及终点结束条件、样条刚度参数值等来交互式地实现曲线的修改达到其光滑的效果。有时通过线束或其它方式生成的曲面发生较大的波动，往往是因为构造样条曲线的U、V参数分布不均或段数参差不齐引起的。这时可通过将这些空间曲线进行参数一致性调整，或生成足够（视形状与精度而定）数目的曲线上的点，再通过这些点重新拟合曲线。
, _) i+ w5 |: I8 U在曲面片之间实现光滑连接时，首先要保证各连接面片间具有公共边，更重要一点是要保证各曲面片的控制线连接要光顺，这是保证面片连接光顺的必要条件。此时，可通过修改控制线的起点、终点约束条件，使其曲率或切矢在接点保证一致。
: r' f% S3 W" Q7 [$ }3.3将轮廓线删繁就简再构造曲面
我们看到的曲面轮廓往往是已经修剪过的，如果直接利用这些轮廓线来构造曲面，常常难以保证曲面的光顺性，所以造型时在满足零件的几何特点前提下，可利用延伸、投影等方法将3D轮廓线还原为2D轮廓线，并去掉细节部分，然后构造出“原始”曲面，再利用面的修剪方法获得曲面外轮廓。
3.4从模具的角度考虑
$ b1 X% A7 ]' L! X; B产品三维造型的最终目的是制造。家电产品零件大都由模具生产出来。因此，在三维造型时，要从模具的角度去考虑，在确定产品出模方向后，应检查曲面能否出模，是否有倒扣现象（即拨模角为负角），如发现有倒扣现象，应对曲面的控制线进行修改，重构曲面。这一点往往被忽略，却是非常重要的。
' Z3 Z& O5 @$ Y# k: t+ S$ c3.5曲面光顺评估
6 y& K0 S# n% l8 ]; V' w在构造曲面时，要随时检查所建曲面的状况，注意检查曲面是否光顺，是否扭曲，曲率变化情况等，以便及时修改。检查曲面光顺的方法可利用对构成的曲面进行渲染处理，即通过透视、透明度和多重光源等处理手段产生高清晰度的逼真性和观察性良好的彩色图像，再根据处理后的图像光亮度的分布规律来判断出曲面的光顺度。图像明暗度变化比较均匀，则曲面光顺性好，如果图像在某区域的明暗度与其它区域相比变化较大，则曲面光顺性差。另外，可显示曲面上的等高斯曲率线，进而显示高斯曲率的彩色光栅图像，从等高斯曲率线的形状与分布、彩色光栅图像的明暗区域及变化，直观地了解曲面的光顺性情况。
4.结束语
4 `3 |0 g8 k; x( G: L3 L& m2 l家电产品的CAD三维造型是整个产品设计过程中的重要环节。充分利用现代先进的CAD技术，不但可以辅助设计者完成其设计构思，减轻劳动强度，提高效率和精度，改善视觉效果，而且为后续的分析、模具设计、NC加工等奠定了基础。要高质量地完成家电产品的造型，通常是经过数次的反复，综合利用各方面的知识和经验，并掌握一定的造型方法和技巧。在实际操作中，不断发现问题，总结经验，在实践中提高。
; Z$ |3 B% V* g9 z" a文章关键词： 三维造型 设计方法