第1章了解三维建模.docx

1、第1章了解三维建模第1章了解三维建模人们生活在三维世界中，采用二维图纸来表达几何形体显得不够形象、逼貞三维建 模技术的发展和成熟应用改变了这种现状，使得产品设计实现了从二维到三维的飞跃，且 必将越来越多地替代二维图纸，最终成为工程领域的通用语言。因此三维建模技术也成为 工程技术人员所必须具备的基本技能之一。每本章学习目标4 了解三维建模技术的基本概貌；丄了解三维建模取代二维制图设计的必然性；丄了解三维建模技术的发展历程、价值和种类；丄了解三维建模技术及其与CAD、CAE、CAM等计算机辅助设计技术之间的关系；4-掌握三维建模的方法。1.1设计的飞跃从二维到三维目前我们能够看到的几乎所有印刷资料

2、，包括各种图书、图片、图纸，都是平而的， 是二维的。而现实世界是一个三维的世界，任何物体都具有三个维度，要完整地表述现实 世界的物体，需要用X、丫、Z三个量来度量。所以这些二维资料只能反映三维世界的部分 信息，必须通过抽象思维才能在人脑中形成三维映像。工程界也是如此。多年来，二维的工程图纸一直作为工程界的通用语言，在设计、加 工等所有相关人员之间传递产品的信息。由于单个平而图形不能完全反映产品的三维信 息，人们就约定一些制图规则，如将三维产品向不同方向投彫、剖切等，形成若由二维 视图组成的图纸，从而表达完整的产品信息，如图1-1所示。图中是用四个视图来表达产 品的。图纸上的所有视图，包括反映产

3、品三维形状的轴测图（正等轴测图、斜二测视图或者 其他视角形成的轴测图），都是以二维平面图的形式展现从某个视点、方向投影过去的物 体的情况。根据这些视图以及既左的制图规则，借助人类的抽象思维，就可以在人脑中重 构物体的三维空间几何结构。因此，不掌握工程制图规则，就无法制图、读图，也就无法 进行产品的设计、制造，从而无法与其他技术人员沟通。毋庸宜疑，二维工程图在人们进行技术交流等方而起到了重要的作用。但用二维工程 图形来表达三维世界中的物体，需要把三维物体按制图规则绘制成二维图形（即制图过 程），其他技术人员再根据这些二维图形和制图规则，借助抽象思维在人脑中重构三维模 型（即读图过程），这一过程复

4、杂且易出错。因此以二维图纸作为传递信息的媒介，实属 不得已而为之。那么，有没有办法可以直接反映人脑中的三维的、具有貞实感的物体，而不用经历三 维投影到二维、二维再抽象到三维的过程呢？答案是肯立的，这就是三维建模技术，它可 以直接建立产品的三维模型，如图1-2所示。三维建模技术直接将人脑中设计的产品通过三维模型来表现，无须借助二维图纸、制 图规范、人脑抽象就可获得产品的三维空间结构，因此直观、有效、无二义性。三维模型 还可直接用于工程分析，尽早发现设计的不合理之处，大大提高设计效率和可靠性。但是，过去由于受计算机软、硬件技术水平的限制，三维建模技术在很长一段时间内 不能实用化，人们仍不得不借助二

5、维图纸来设计制造产品。而今，微机性能大幅提高，微 机CPU的运算速度、内存和硬盘的容呈、显卡技术等硬件条件足以支撑三维建模软件的硬 件需求，而三维建模软件也日益实用化，因此三维建模技术在人类生活的务个领域开始发 挥着越来越重要的作用。正是三维建模技术的实用化，推动了 CAD、CAM、CAE （讣算机辅助设计、计算机 辅助制造、汁算机辅助工程分析技术，统称CAx技术）的蓬勃发展，使得数字化设计、分 析、虚拟制造成为现实，极大地缩短了产品设计制造周期。亳无疑问，三维建模必将取代二维图纸，成为现代产品设汁与制造的必备工具：三维 建模技术必将成为工程人员必备的基本技能，替代机械制图课程，成为髙校理工科

6、类学生 的必修课程。豳提示：由于基于二维图纸的产品设计、制造流程已沿用多年，数字化加工目前也还不能完全 取代传统的加工方式，因此，二维图纸及计算机二维绘图技术现在还不可能完全退出企业 的产品设计、制造环节。但是只要建立了产品的三维数字模型，生成产品的二维图纸是一 件非常容易的事情（参见本书UG NX制图部分的内容）。事实上，三维建模并非一个陌生的概念，接下来先让我们深入理解什么是三维建模。1.2什么是三维建模什么是三维建模呢？设想这样一个画而：父亲在炉火前拥着孩子，左一刀、右一刀地切削一块木块；在孩 子出神的眼中，木块逐渐成为一把精致的木手枪或者弹弓。木手枪或弹弓形成的过程，就 是直观的三维建

7、模过程。三维建模在现实中非常常见，如孩子们堆沙丘城堡、搭积木的过 程是三维建模的过程，雕刻、制作陶瓷艺术品等，也都是三维建模的过程。三维建模是如 此的形象和直观：人脑中的物体形貌在貞实空间再现出来的过程，就是三维建模的过程。广义地讲，所有产品制造的过程，无论手工制作还杲机器加工，都是将人们头脑中设 计的产品转化为真实产品的过程，都可称为产品的三维建模过程。计算机在不到100年的发展时间里，几乎彻底改变了人类的生产、生活和生存方式， 人脑里想象的物体，几乎都能够通过“电脑”来复现了。本书所说的“三维建模”，是指 在计算机上建立完整的产品三维数字几何模型的过程，与广义的三维建模概念有所不同。计算机

8、中通过三维建模建立的三维数字形体，称为三维数字模型，简称三维模型。在 三维模型的基础上，人们可以进行后续的许多工作，如CAD、CAM、CAE等。虽然三维模型显示在二维的平而显示器上，与貞实世界中可以触摸的三维物体有所不 同，但是这个模型具有完整的三维几何信息，还可以有材料、颜色、纹理等其他非几何信 息。人们可以通过旋转模型来模拟现实世界中观察物体的不同视角，通过放大/缩小模型， 来模拟现实中观察物体的距离远近，仿佛物体就位于自己眼前一样。除了不可触摸，三维 数字模型与现实世界中的物体没有什么不同，只不过它们是虚拟的物体。辔提示:计算机中的三维数字模型,对应看人脑中想象的物体,构造这样的数字模型

9、的过程， 就是计算机三维建模，简称三维建模。在计算机上利用三维造型技术建立的三维数字形 体，称为三维数字模型，简称三维模型。三维建模必须借助软件来完成，这些软件常被称为三维建模系统。三维建模系统提供 在计算机上完成三维模型的环境和工具，而三维模型是CAx系统的基础和核心，因此CAx 软件必须包含三维建模系统，三维建模系统也由此被广泛应用于几乎所有的工业设计与制 造领域。本书以世界著爼的CAx软件一一UG NX为例，介绍三维建模技术的基本原理、建模 的基本思路和方法，其他CAx软件系统虽然功能、操作方式等不完全相同，但基本原理类 似，学会使用一种建模软件后，向其他软件迁移将非常容易。三维建模系统

10、的主要功能是提供三维建模的环境和工具，帮助人们实现物体的三维数 字模型，即用计算机来表示、控制、分析和输出三维形体，实现形体表示上的几何完整 性，使所设计的对象生成貞实感图形和动态图形，并能够进行物性（面积、体积、惯性 矩、强度、刚度、振动等）计算、颜色和纹理仿貞以及切削与装配过程的模拟等。具体功 能包括：形体输入：在计算机上构造三维形体的过程。形体控制：如对形体进行平移、缩放、旋转等变换。信息查询：如查询形体的几何参数、物理参数等。形体分析：如容差分析、物质特性分析、干涉量的检测等。形体修改：对形体的局部或整体修改。显示输出：如消除形体的隐藏线、隐藏而，显示、改变形体明暗度、颜色等。数据管理

11、：三维图形数据的存储和管理。1.3三维建模CAx的基石CAx 技术包括 CAD （Computer Aided Design,讣算机辅助设计）、CAM （Computer Aided Manufacturing.计算机辅助制造）、CAPP （Computer Aided Process Planning,计算 机辅助工艺规划）、CAE （Computer Aided Engineering, i| 机辅助工程分析）等汁算机 辅助技术；其中，CAD技术是实现CAM. CAPP、CAE等技术的先决条件，而CAD技术 的核心和基础是三维建模技术。以模制产品的开发流程为例，来考察CAx技术的应用背景以

12、及三维建模技术在其中的 地位。通常，模制产品的开发分为四个阶段，如图13所示。1.产品设计阶段首先建立产品的三维模型。建模的过程实际就是产品设计的过程，这个过程属于CAD 领域。设计与分析是一个交互过程，设计好的产品需要进行工程分析（CAE）,如强度分 析、刚度分析、机构运动分析、热力学分析等，分析结果再反馈到设计阶段（CAD），根 据需要修改结构，修改后继续进行分析，直到满足设计要求为止。I ICAECAM/CAPPCAM/CAPP图1-32.模具设计阶段根据产品模型，设讣相应的模具，如凸模、凹模以及其他附属结构，建立模具的三维 模型。这个过程也属于CAD领域。设计完成的模具，同样需要经过C

13、AE分析，分析结果 用于检验、指导和修正设计阶段的工作。例如对于塑料制品，注射成型分析可预测产品成 型的各种缺陷（如熔接痕、缩痕、变形等），从而优化产品设计和模具设汁，避免因设计 问题造成的模具返修甚至报废。模具的设计分析过程类似于产品的设汁分析过程，直到满 足模具设计要求后，才能最后确定模具的三维模型。3.横具制造阶段由于模具是用来制造产品的模版，苴质量直接决定了最终产品的质呈:，所以通常采用 数控加工方式，这个过程属于CAM领域。制造过程不可避免地与工艺有关，需要借助 CAPP领域的技术。4.产品制造阶段此阶段根据设计好的模具批量生产产品，可能会用到CAM/CAPP领域的技术。可以看出，模

14、制品设计制造过程中，贯穿了 CAD、CAM、CAE、CAPP等CAx技 术；而这些技术都必须以三维建模为基础。例如要设计生产如图1-4和图1-5所示的产品，必须首先建立其三维模型。没有三产品和模具的CAE,不论分析前的模型网格划分，还是分析后的结果显示，也都必须对于CAM,同样需要在模具三维模型的基础上，进行数控(Numerical Control, NC) 编程与仿真加工。图1-8显示了模具加工的数控刀路，即加工模具时，刀具所走的路线。 刀具按照这样的路线进行加工，去除材料余量，加工结果就是模具。图1-9显示了模具的 加工刀轨和加工仿真的情况。可以看岀，CAM同样以三维模型为基础，没有三维建

15、模技 术，虚拟制造和加工是不可想象的。上述模制产品的设讣制造过程充分表明，三维建模技术是CAD、CAE、CAM等CAx 技术的核心和基础，没有三维建模技术，CAx技术将无从谈起。事实上，不仅模制产品其他产品的CAD、CAM、CAE也都离不开三维建模技术： 从产品的零部件结构设计，到产品的外观、人体美学设计；从正向设计制造到逆向工程、 快速原型，都离不开三维建模，如图1T0所示。图 1-101.4无处不在的三维建模目前，三维建模技术已广泛应用于人类生活的各个领域，从工业产品(飞机、机械、 电子、汽车、模具、仪表、轻工)的零件造型、装配造型和焊接设计、模具设计、电极设 计、飯金设计等，到日常生活用

16、品、服装、珠宝、鞋业、玩具、塑料制品、医疗设施、铭 牌、包装、艺术品雕刻、考古等。三维建模还广泛用于电影制作、三维动画、广告、各种模拟器及景物的实时漫游、娱 乐游戏等领域。电影特技制作、布景制作等利用CAD技术，已有二十余年的历史，如 星球大战、侏罗纪公园、指环王、变形金刚等科幻片，这是因为三维电 脑动画可以营造出编剧人员想象岀的齐种特技，设计出人工不可能做到的布景，为观众营 适一种新奇、古怪和难以想象的环境。电影阿凡达中用大屋三维动画模拟了潘多拉星 球上的奇异美景，让人仿佛身临其境。这些技术不仅肖省大量的人力、物力，降低了拍摄 成本，而且还为现代科技研制新产品提供了思路：007系列电影中出现

17、的间谍与反间谍虚 拟设施，启发了新的影像监视产品的开发，促进了该领域的工业进展。1-5三维建模的历史、现状和未来长久以来，工程设计与加工都基于二维工程图纸。计算机三维建模技术成熟，相关建 模软件实用化后，这种局而被彻底改变了1-5-1三维建模技术的发展史在CAD技术发展初期，几何建模的目的仅限于计算机辅助绘图。随着计算机软、硬 件技术的飞速发展，CAD技术也从二维平而绘图向三维产品建模发展，由此推动了三维建 模技术的发展，产生了三维线框建模、曲面建模以及实体建模等三维几何建模技术，以及 在实体建模基础上发展起来的特征建模、参数化建模技术。图1T1显示了产品三维建模技术的发展历程。曲而建模和实体

18、建模的岀现，使得描 述单一零件的基本信息有了基础，基于统一的产品数字化模型，可进行分析和数控加工， 从而实现了 CAD/CAM集成。图 1-11目前，CAx软件系统大多支持曲而建模、实体建模、参数化建模、混合建模等建模技 术。这些软件经过四十年的发展、融合和消亡，形成了三大高端主流系统，即法国达索公 司的CATIA、徳国SIEMENS公司的Unigraphics （简称UG NX）和美国PTC公司的 Pro/Engineer （简称 Pro/E）。1.5.2三维建模系统的未来三维建模是现代设讣的主要技术工具，必将取代工程制图成为工程业界的“世界 语”。如前所述，三维建模比二维图纸更加方便、直观

19、，包含的信息更加完整、丰富，能 轻松胜任许多二维图纸不能完成的工作，对于提升产品的创新、开发能力非常重要。三维建模系统的主要发展方向如下：标准化：主要体现在不同软件系统间的接口和数据格式标准化，以及行业标准零件 数据库、非标准零件数据库和模具参数数据库等方面。集成化：产品各种信息（如材质等）与三维建模系统的集成。智能化：三维建模更人性化、智能化，如建模过程中的导航、推断、容错能力等。网络化：包括硬件与软件的网络集成实现，各种通信协议及制造自动化协议，信息 通信接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。目前许多大 的CAD/CAM软件已具备基于Internet实现跨国界协同设汁的

20、能力。专业化：从通用设计平台向专业设计转化，结合行业经验，实现知识融接。真实感：在外观形状上更趋真实化，外观感受、物理特性上更加真实。不论从技术发展方向还是政策导向上看，三维建模都将在现代设计制造业中占据举足 轻重的地位，成为设il人员必备的技能之一。1.6如何学好三维建模技术学好三维建模技术，首先要掌握三维建模的基础知识、基本原理、建模思路与基本技 巧，其次要学会熟练使用至少一个三维建模软件，包括各种建模功能的使用原理、应用方 法和操作方法。基础知识、基本原理与建模思路是三维建模技术学习的重点，它是评价一个CAD工 程师三维建模水平的主要依据。目前常用CAD软件的基本功能大同小异，因此对于一

21、般 产品的三维建模，只要掌握了正确的建模方法、思路和技巧，采用何种CAD软件并不重 要。掌握了三维建模的基本原理与正确思路，就如同学会了捕鱼的方法，学会了 “渔”而 不仅仅是得到一条“鱼”。在学习三维建模软件时，也应避免只重视学习功能及操作方法的倾向，而应着重理解 软件功能的整体组成结构、功能原理和应用背景，纲举而目张，这样才能真正掌握并灵活 使用软件的各种功能。同英他知识和技能的学习一样，掌握正确的学习方法对提高三维建模技术的学习效率 和质量有十分重要的作用。那么，什么学习方法是正确的呢？下而给出几点建议：1.集中精力打歼灭战在较短的时间内集中完成一个学习目标，并及时加以应用，避免马拉松式的

22、学习。2.正确把握学习畫点包括两方面含义：一是将基本原理、思路和应用技巧作为学习的重点；二是在学习软 件建模功能时也应注重原理。对于一个高水平的CAD工程师而言，产品的建模过程实际 上首先要在头脑中完成，其后的工作只是借助某种CAD软件将这一过程表现出来。3.有选择地学习CAD软件功能相当丰富，学习时切忌而而俱到，应首先学习最基本、最常用的建模功 能，尽快达到初步应用水平，然后再通过实践及后续的学习加以提高。4.对软件建模功能进行合理的分类这样不仅可提髙记忆效率，而且有助于从整体上把握软件功能的应用。5.培养规范的操作习惯从一开始就注重培养规范的操作习惯，在操作学习中始终使用效率最高的操作方式。 同时，应培养严谨、细致的工作作风，这一点往往比单纯学习技术更为重要。6.过程记录将平时所遇到的问题、失误和学习要点记录下来，这种积累的过程就是水平不断提高 的过程。最后，学习三维建模技术和学习其他技术一样，要做到“在战略上藐视敌人，在战术 上重视敌人”，既要对完成学习目标树立坚泄的信心，又要脚踏实地地对待每一个学习环 节。1.7思考与练习1.什么是三维建模技术？2.在现代工程技术中，为什么说三维建模技术是工程技术人员所必须具备的技能?3.三维建模技术与CAD、CAM、CAE等计算机辅助技术之间是什么关系？4.如何学好三维建模技术？