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1、1.课题概述1.1CAD三维建模技术的发展随着现代先进机械设计方法的快速发展，受CIMS计算机集成制造系统、并行工程(ConcurrentEngineering,CE)、敏捷制造(AgileManufacturing,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。1.1.1CAD技术的概念CAD(ComputerAidedDesign)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、
2、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(ComputerAidedManufacturing，CAM)和产品数据管理技术(ProductDataManagement，PDM)、计算机集成制造系统(ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS)及计算机辅测试(ComputerAidedTesting，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
3、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。1.1.2CAD三维建模方法的发展自上世纪70年由MIT林肯实验室的E.Sutherland发表的人机通信的图形系
4、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。1.线框模型(wire-framemodel)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6性，不能用于NC加工等。2.表面模型(surfacemodel)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
5、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
6、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。3.实体模型(solidmodel)实体模型：随着技术的进步,计算机辅助工程分析(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
7、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：6(1)产品定义不完整：模型仅仅能定
8、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
