CAD的演变发展与核心建模技术

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CAD的演变发展与核心建模技术
作者：王　刚 来源：武汉大学　光电工程学院 管理员：Anode  
加入时间：2003年4月14日 浏览次数：47
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??摘　要:工业发展需求的不同决定了不同的核心建模技术,本文针对不同时代流行的几种ＣＡＤ软件,分别介绍了其所依赖的核心建模技术.
??关键词:ＣＡＤ;几何模型;演变发展中
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??　　计算机辅助设计(ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ,以下简称ＣＡＤ)技术产生于本世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中,作为先进制造技术的重要组成部分,它是计算机技术在工程设计、机械制造等领域中最有影响的一项高新应用技术.1989年美国国家工程科学院将ＣＡＤ ＣＡＭ技术评为当代(1964-1989)十项最杰出的工程技术成就之一.ＣＡＤ系统的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生深刻的变化,产生了巨大的社会经济效益.本文以ＣＡＤ所基于的核心建模技术的发展为主线,介绍了ＣＡＤ的发展历程.
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??1　线框几何模型(ＷｉｒｅｆｒａｍｅＭｏｄｅｌ)
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?? 线框结构的几何模型是在ＣＡＤ刚刚起步时(50年代末-60年代)常用的几何模型,它以线段、圆、弧及一些简单的曲线为描述对象,利用产品形体的棱边和顶点来表示产品的几何形状.在这个时期,ＣＡＤ技术的出发点是用三视图来表达零件,以工程图纸为介质来进行技术交流,这就是典型的二维计算机绘图技术.而对二维软件而言,线框模型的实现手段较为简单,便于处理,具有图形显示速度快、容易修改等优点,因而得到了大量的应用.然而由于线框模型的固有缺陷,它只能表达简单的几何信息,不能有效地表达几何数据间的拓扑关系,对于同一时期兴起的数控加工技术不能提供形体的表面信息,ＣＡＭ无法实现.这一时期流行的软件有ＡＰＰＬＩＣＯＮ、ＣＡＤＡＭ、ＤＲＡＷＢＡＳＥ等,均基于线框造型.
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??2　表面几何模型(ＳｕｒｆａｃｅＭｏｄｅｌ)
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??表面造型是在线框造型的基础上发展起来的,它用有向棱边围成的部分来描述形体表面,用形体表面的集合来定义形体.表面造型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视模拟曲面,因而人们开始研究新的更先进的描述手段---光滑曲面,对此贡献最大的是法国的贝塞尔(Ｂｅｚｉｅｒ),他于1971年发明了一种用控制多边形定义曲线和曲面的方法;80年代后期皮格尔(Ｐｉｅｇｌ)和蒂勒(Ｔｉｌｌｅｒ)提出非均匀有理Ｂ样条(ＮＵＲＢＳ)方法,并成为当前自由曲线和曲面描述的最广为流行的技术.用ＮＵＲＢＳ可统一表示初等解析曲线和曲面以及有理与非有理Ｂｅｚｉｅｒ、非有理Ｂ样条曲线和曲面.
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?? 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.但由于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.
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?? 这一阶段的软件与军工业联系紧密,是冷战催生了ＣＡＤ的发展,现介绍如下:
??ＣＡＴＩＡ---由法国达索(Ｄａｓｓａｕｌｔ)飞机制造公司开发后并入ＩＢＭ.
??ＣＡＤＡＭ---美国洛克希德(Ｌｏｃｈｈｅｅｄ)公司开发.
??ＣＶ---Ｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎ(简称ＣＶ)公司,美国波音(Ｂｏｅｉｎｇ)公司支持.
??Ｉ-ＤＥＡＳ---ＳＤＲＣ公司,美国国家航空及宇航局(ＮＡＳＡ)支持.
??ＵＧ---美国麦道(ＭＤ)公司开发.
??ＥＵＣＬＩＤ---法国ＭＡＴＲＡ公司信息部开发,为英法联合的协和式客机服务.
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??3　实体造型(ＳｏｌｉｄＭｏｄｅｌ)技术
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??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,在此背景下提出了实体造型技术.相比线框造型,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.
?? 实体造型技术起源于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.在实体造型技术上最成功的当属ＣＶ公司.
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??4　特征造型技术(ＦｅａｔｕｒｅＭｏｄｅｌ)
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?? 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,出现了特征造型技术.
?? 特征指的是反映产品零件特点的、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.
?? 目前市面上流行的三维ＣＡＤ软件都是基于特征造型的.
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??5　参数化技术(ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)
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?? 统计表明,在新产品的研制过程中,约70%～80%的成本耗费于设计阶段.从人工智能学的角度看,设计问题是约束满足问题(ＣｏｎｓｔｒａｉｎｔＳａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎＰｒｏｂｌｅｍ,ＣＳＰ),即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述,求得设计对象的细节.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中;1988年,美国参数技术公司(ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ简称ＰＴＣ)首先推出参数化ＣＡＤ系统Ｐｒｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ,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.约束(Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ)指利用一些法则或限制条件来规定构成实体的元素之间的关系,约束的种类可分为三种:数值约束、几何约束、代数约束;全数据相关,指整个系统建立在统一的数据库上,具有完整而统一的模型,能将整个设计至生产过程集成在一起;尺寸驱动指参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系,设计结果的修改受尺寸驱动.
?? 参数化技术的出现,是ＣＡＤ发展的一个巨大进步.凭借参数化技术,ＰＴＣ在ＣＡＤ市场份额排名已名列前茅.可以说参数化技术成为ＣＡＤ业界的标准,其它代表软件有
??ＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ---生信国际有限公司(ＳｍａｒｔＳｏｌｕｔｉｏｎｓＩＮＣ),基于Ｐａｒａｓｏｌｉｄ内核;
??ＳＯＬＩＤＥＤＧＥ---ＵｎｉｇｒａｐｈｉｃｓＳｏｌｕｔｉｏｎｓ公司,基于Ｐａｒａｓｏｌｉｄ内核;
??ＭＤＴ---Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司,基于ＡＣＩＳ内核.
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?? 迫于市场的压力,过去的一些老牌软件厂商纷纷采用参数化技术.但由于它们在原来的非参数化模型的基础上已开发集成了许多其它应用软件,如ＣＡＭ、ＰＩＰＩＮＧ和ＣＡＥ等,在ＣＡＤ方面也做了许多应用模块开发,不可能重新开发一套完全参数化的造型系统.因此他们采用参数化系统基本上是在原有模型基础上进行局部、小块的修补,即所谓“混合建模”系统.代表性的软件有ＣＶ、ＣＡＴＩＡ、ＵＧＩＩ、ＥＵＣＬＩＤ等.
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??6　变量化技术(ＶａｒｉａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)
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?? 参数化技术的系统更适合于设计过程比较明确的工作,它有两个明显不足:首先,基于全尺寸约束的参数式设计对设计者的创造力和想象力有着极大的限制;其次,在设计中,某些关键的拓扑关系一旦改变,则系统有可能因为失去某些约束特征而导致数据混乱.
?? 针对参数化系统的局限,出现了变量化系统.它允许尺寸欠约束的存在,设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式,将满足设计要求的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节,设计过程相对宽松.变量化设计可以用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等,尤其在做概念设计时更显得得心应手.变量化技术既保持了参数化技术的原有优点,同时又克服了它的一些不足之处,为ＣＡＤ技术的发展提供了更大的空间.
?? 1993年,美国ＳＤＲＣ公司推出了全新体系结构的Ｉ-ＤＥＡＳＭａｓｔｅｒＳｅｒｉｅｓ软件,提出了ＶＧＸ技术.ＶＧＸ是变量化几何(ＶａｒｉａｔｉｏｎＧｅｏｍｅｔｒｙＥｘ ｔｅｎｄｅｄ)缩写,它开创了变量化技术发展的新时代.ＶＧＸ技术为ＣＡＤ软件带来了空前的易用性,设计人员可以非常直观地、实时地进行产品三维几何模型的操作和修改,而且只需在一个主模型中,就可以动态地捕捉设计、分析和制造的意图并一气呵成地进行操作.ＶＧＸ技术极大地改进了交互操作的直观性及可靠性,从而使ＣＡＤ软件更加易于使用,富有效率.
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??7　结束语
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?? 综观ＣＡＤ技术的发展历程,我们可以看出,居于ＣＡＤ技术理论核心的建模技术的每一次重大进展,都会带来ＣＡＤ技术的重大进步,但无论是线框几何模型,还是曲面模型或者实体造型,针对不同的具体应用对象都有其独特的优势,没有一种技术会长盛不衰,无所不能.随着互连网的普及,各种ＣＡＤ软件相继融入了Ｗｅｂ技术,基于Ｂ Ｓ(Ｂｒｏｗｓｅｒ Ｓｅｒｖｅｒ)技术的ＣＡＤ软件大行其道,在网络环境下支持协同设计、异地设计和信息共享,集成化(Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ)、智能化(Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ)、协同化(Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ)成为ＣＡＤ技术新的发展特点.
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??参考文献:略

作者：王　刚 来源：武汉大学　光电工程学院 管理员：Anode  顶部

mingo

很好

mingo

谢谢