（机械设计及理论专业论文）cadcaid软件的应用现状及功能的比较研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 为了促进c a d c a i d ( 计算机辅助设计计算机辅助工业设计) 软件在我国的教 育与应用，本论文以目前主流的c a d c a i d 软件为研究对象，对其在工业设计产业 及相关制造业中的应用现状进行了调查，并对其功能特性进行了比较研究。 本论文主要运用了访谈调查和问卷调查这两种研究方法。研究结果显示：目前 国内在产品造型设计工作上，应用得最为广泛的3 种c a d c a i d 软件依次为p r o e 、 a l i a s 和r h i n o ；最适合应用于产品造型设计工作的c a d c a i d 软件依次为a l i a s 、 p r o ，e 和r h i n o ；影响选择造型用c a d c a i d 软件的主要因素有3 个：产业类别的 影响、使用者个人因素的影响和软件功能的影响；但是目前市场上还没有任何一套 软件能够在各个方面的功能特性上取得全面的优势，进而取代其它c a d ，c a i d 软件 在造型设计上的应用。 关键词：c a d c a i d 软件、应用现状、功能特性、比较研究 a b s t r a c t i no r d e rt op r o m o t et h ee d u c a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no fc a d c a i d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n c o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ) s o f t w a r ei no u rc o u n t r y , t h ec u r r e n t l y c o m m o n l yu s e dc a d c a i ds o f t w a r ew e r et a k e n a st h er e s e a r c ho b j e c t i ti sa i m e dt h e s e s o f t w a r ew h i c hw e r ea p p l i e dt ot h ei n d u s t r i a ld e s i g na n dt h ei n t e r r e l a t e dm a n u f a c t u r i n g t om a k ea ni n v e s t i g a t i o na n daf u n c t i o n a lc o m p a r i s o nr e s e a r c h t h i ss t u d yu s e da ni n t e r v i e wa n daq u e s t i o n n a i r es u r v e ya st h er e s e a r c hm e t h o d s t h er e s e a r c hr e s u l t sr e v e a l e dt h a tc u r r e n t l yt h em o s tc o m m o n l yu s e dc a d c a i d s o r w a r ei nt h ed o m e s t i ci n d u s t r i e so nt h ep r o d u c ts h a p ed e s i g na r ep r o e ，a l i a s ，r h i n o i nt u r n ，b u ta r ea l i a s ，p r o e ，r h i n oi nt u r nm o s tf i tf o rt h ew o r k t h e r ea r e3f a c t o r s e f f e c tt h ec h o o s e ，w h i c ha r ei n d u s t r i e s ，p e r s o n a lr e a s o na n df u n c t i o n a tt h es a m et i m e ， t h e r ei s n ta n yc a d c a i ds o f t w a r ec a l lb es u p e r i o rt oa l lo t h e r si ne v e r ya s p e c to f f u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s a n de v e nr e p l a c e sa l lo t h e ri nt h ea p p l i c a t i o no fp r o d u c ts h a p e d e s i g n m as h u a l ( m e c h a n i cd e s i g n & t h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gf u c h a n g a s s o c i a t ep r o f e s s o rm ib a o s h a n k e yw o r d s ：c a d c a i ds o f t w a r e ，a p p l i e ds i t u a t i o n , f u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s ， c o m p a r i s o nr e s e a r c h 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 c a d c a i d 软件的应用现状及功能的 比较研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：为1 2 主日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 我国已于2 0 0 1 年末加入w t o ，并于2 0 0 4 年进入了“w t o 后过渡期”。这标 志着国内企业真正开始面对。与狼共舞”的局面。在激烈的市场环境竞争下，势必 对产品销售引起极大的冲击。在商品市场同质化趋势愈发明显的形势下，如何创造 出能够打动消费者的产品，使其从众多商品中脱颖而出，成为了企业必须认真考虑 的问题。打动消费者使其购买产品的因素有很多，但是外观设计无疑已成为一项极 为重要的参考因素。 这就使得工业设计所扮演的角色显得非常重要，这个角色的工作就是将市场需 求转化为合适的产品造型，提高产品的附加价值以吸引消费者【。产品的外观设计 对于其在市场上所造成的影响，足以改变产品的销售状况，使得企业能够重获新生 甚至创造巅峰已经是不争的事实。如大家所熟知的s o n y 公司的w a l k m a n 、大 众公司的新甲壳虫( n e wb e e t l e s ) 、苹果公司的i m a e 与i p o d ，这些无一不是结合工 业设计进行产品外观开发的成功案例1 2 j 。 传统的产品造型设计工作，主要依赖于工业设计师个人的专业技能。从概念草 图、产品二维效果图、比例模型到全尺寸模型全部通过设计师手工完成【3 】，周期长， 效率低而怎样才能更为有效运用工业设计，缩短产品开发周期，提高产品开发效 率，使得企业对于市场需求能做出更为迅速的反应，提高企业的市场竞争力呢? 答 案是运用计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 与计算机辅助工业设计 c a i d ( c o m p u t e r a i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ) 技术。 从2 0 世纪8 0 年代开始，随着电脑软硬件技术的急速发展，电脑已经普及到社 会中的各个行业领域，并对这些行业领域产生了革命性的影响，工业设计行业也不 例外。越来越多的设计工作已逐渐由功能强大的电脑等设备以及设计软件完成，这 极大的缩短了整体设计流程的周期，并在造型设计( s h a p ed e s i g n ) 中，使得设计对 象在三维空间中影像的呈现变得非常便利。 现在，c a d c a i d 软件早已能够逼真的呈现产品的设计效果，通过运用光照模 型、纹理映射h i 等技术使得软件的模拟效果超越了设计师手绘的精细效果图。更为 重要的是其动态模拟的功能，可以在三维空间里以虚拟的几何模型( v i r t u a lm o d e l ) 呈现出以往图纸平面无法表现的角度，便于进行分析与修改的工作。透过计算机3 d 几何模型的帮助，设计师得以直接在其建构的三维空间里进行设计思考f 5 1 由计算 机产生的数据资料，通过适当的平台可以转换为通用格式，在工程制造上直接应用， 降低了设计开发的周期。 华北电力大学硕士学位论文 国内学者方兴在其著作计算机辅助工业设计 中将利用c a d c a i d 软件进行 设计的特点总结为：1 、可以科学地、艺术地表现设计的效果，使设计师、客户与 计算机能自然、轻松的沟通；2 、可以多角度、多质地、多色彩地展现不同方案， 从中得到最佳的方案。3 、设计方案能够快速的修改和更替，避免了传统技能中的 重复、低级劳动。4 、能够递增设计者的设计速度和设计能力【们。 1 9 9 8 年9 月澳大利亚工业设计顾问委员会就堪培拉大学工业设计系进行的一项 调查指出，工业设计专业毕业生应具备l o 项技能【7 1 。其中，与计算机辅助工业设计 直接相关的技能就占了3 项。这也就是说，工业设计师必须具备能够独立将产品构 想转换为3 d 立体模型的能力。由此可见c a d c a i d 技术在现代工业设计中的重要 性。 1 2 研究目的与创新点 只要我们稍加留意，就会发现现在市场上c a d c a i d 的软件种类很多，如 p r o e n g i n e e r 、a l i s a 、i - d e a s 、s o l i dw o r k s 、r i d n o 、u g 、c a t i a 等。当我们面对如 此众多的c a d c a i d 软件时，我们会问：究竟哪种软件更加适合工业设计? 这个问 题目前尚无标准答案，因为这需要考虑很多因素，而不同的用户优先考虑的因素又 各不相同，所以我们只能从使用者的特定需求去比较。 但是由于目前缺乏针对不同类别产业对c a d c a i d 软件需求的研究，没有明确 的规范与标准可供依据，所以工业设计产业界无从了解c a d c a i d 软件是否适合自 己，只能通过自身不断尝试，并从挫折中总结经验或通过口耳相传的方式，从中探 索最适合自身使用的c a d c a i d 软件。这些方式必然会给设计工作带来很多负面影 响：工业设计师在建模( m o d e l i n g ) 的过程中，经常受软件功能上的限制，而难以 制作出预想的产品模型。例如，在使用以实体建模( s o l i dm o d e l ) 为核心的软件时， 建构有复杂曲面的模型的难度就大于使用以曲面建模( s u r f a c em o d e l ) 为核心的软 件。此外，在文件的兼容性上，虽然大部分软件可以通过通用格式s t e p 与i g e s 进行文件的转换和编辑喁】，但是因格式转换造成的数据丢失现象却时有发生。这些 现象都极大的影响了设计工作的有效进行。因此，建立起一套针对c a d c a i d 软件 的评估规范是当前所迫切需要的。 同样，由于类似的问题，初学者在面临选择时往往也会不知所措，究竟哪些软 件比较适合自己? 其在功能上有何特色? 自己在就业前需要学习那些软件? 不同 行业的企业需要掌握哪些软件的人才? 这些问题同样也是学校在进行软件教学时 需要面对的。因此，我们更需要对这类软件进行比较评估，为初学者的选择和学校 的教学提供参考依据。 因此，本文将从使用者的角度出发，通过访谈调查与问卷调查的方法1 9 1 ，探讨 2 华北电力大学硕士学位论文 c a d c a i d 软件在造型设计上的发展与应用状况，针对c a d c a i d 软件在产品造型 设计上的功能特性建立起客观的比较评估模式，以此作产业界与教育界彼此衔接以 及设计师进行产品造型设计活动的参考依据。这也是本文的创新点之所在。 本论文的研究目的包括： 一、调查现有c a d c a i d 软件的应用状况，作为学校教学和产业界的参考。 二、了解使用者对c a d c a i d 软件的评价，以此为依据，对c a d c a i d 软件的功 能特性进行横向比较，选出适合造型工作的软件，作为学校教学和产业界的参考。 三、了解软件使用者的使用意见和建议，发现软件功能需要加强的方面，为相关软 件的开发与改进提供参考。 1 3 论文结构 论文共分为六章： 第一章绪论；介绍本篇论文的研究背景，指出c a d c a i d 技术在现代工业设 计中的重要性，并对研究目的与论文创新点、论文结构、研究程序、研究方法依次 进行了说明。 第二章c a d ，c a i d 的理论研究：回顾了c a d c a i d 技术( 计算机辅助设计与 计算机辅助工业设计) 发展变革的历史，对其各自定义与基础理论进行了说明。并 对当前工业设计产业界常用的c a d c a i d 软件进行了简要的介绍。接着对模型的建 构方式与资料处理模式、软件功能及其差异、软件的评估要素这三方面进行探讨与 分析。 第三章访谈与问卷调查状况：本章首先对访谈对象、访谈的主要内容进行了介 绍；然后对问卷调查的对象、问卷内容、问卷的发放、回收状况、受调查者所属的 产业类别及其相关背景资料进行了详细的叙述。 第四章c a d c a i d 软件的现状分析：本章依据访谈调查和问卷调查中的第二部 分的调查结果，对工业设计产业及其相关制造业中c a d c a i d 软件的应用状况、影 响使用者选用软件的因素、现阶段c a d c a i d 软件功能对设计创意工作的影响三个 方面进行了深入的分析研究。 第五章c a d c a i d 软件功能的比较研究：本章依据问卷调查中的第三部分的调 查结果，总结出软件使用者对c a d c a i d 软件的使用意见、建议和评价，对 c a d ，c 灿d 软件功能特性进行了横向的比较研究。 第六章分析与总结：本章对论文的研究成果进行了总结，并提出了后续研究的 可能方向 华北电力大学硕士学位论文 1 4 研究程序 本论文整体研究流程依次为：依据研究的目的，将与论文内容相关的文献资料 进行整理，内容包括：国内外学术论文、期刊、书籍和网络上相关的资料在此基 础上，拟定合适的研究方法与程序，并在论文进行的过程中不断予以修正接着针 对目前工业设计界在产品造型设计常用的c a d c a i d 软件，进行详细的资料整理， 拟定访谈和问卷调查的主要内容。此后选择有丰富c a d c a i d 软件使用经验的工业 设计师与结构设计师作为访谈对象，进行软件应用状况与发展趋势的调查。在对访 谈结果进行整理分析后，对初拟的问卷设计进行修改，确定问卷内容。接着选定问 卷调查对象，并发放问卷进行调查。最终将回收问卷中，受访者各自对c a d c a i d 软件的认知与评估进行系统的整理与分析，归纳出不同产业中c a d c a i d 软件在造 型设计设上的应用现状，对c a d c a i d 软件的功能特性进行横向比较，在此基础上 完成对工业设计产业界和教育界有利用价值的报告与建议。详细的整体研究流程图 见图1 1 。 4 华北电力大学硕士学位论文 图i - 1 研究流程图 正 华北电力大学硕士学位论文 第二章c a d c a i d 的理论研究 2 1c a d 与c a i d 的简介 本节将介绍计算机辅助设计( c a d ) 与计算机辅助工业设计( c a i d ) 的定义， 回顾其发展变革的历史，对其各的基础理论进行说明。并针对当前工业设计产业界 常用的c a d c a i d 软件的种类特性，进行简单的说明与比较，以此作为下文评估的 参考依据 2 1 1c a d 的定义与发展历史 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是一种用计算机硬软件系统辅助人们对产品或 工程进行设计的方法与技术，包括：设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动， 它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合应用的新技术 t o 】。 c a d 技术的核心和基础是计算机图形处理技术。因此，c a d 技术的发展与计 算机图形学的发展密切相关，并伴随计算机及其外围设备的发展而发展。2 0 世纪 5 0 年代，第一台图形显示器由美国麻省理工学院( m i t ) 发明，但因其只能进行显 示输出，故称之为“被动式”图形处理。随后，m i t 林肯实验室又开发出具有指挥 和控制功能的c r t 显示器，使用者可以用光笔进行简单的图形交互操作，这预示着 交互式计算机图形处理技术的诞生和c a d 技术雏形的出现。 从2 0 世纪6 0 年代开始，美国的一些大公司和实验室开展了计算机图形学的大 规模研究，c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 这个术语也被人提出。在这个时期，开 始出现具有实用功能的c a d 系统，如：美国通用汽车公司用于汽车车身设计的 d a c 1 系统、洛克希德飞机制造公司集设计、分析、制造于一体的c a d a m 系统、 贝尔电话公司用于印刷电路设计的g r a p h i c 1 系统等。由于当时计算机软硬件设 备的巨大和昂贵，无法大面积的推广，故c a d 技术的应用仅限于高科技产业、实 验室与军事工业上。 由于这个时期c a d 软件的发展受软硬件技术的限制，处理和运算的功能较为简 单，大多是采用线框建模( w i r e f r a m em o d e l ) 技术来进行产品设计的工作采用这 种技术的软件，仅能表现出设计对象大致的几何造型，对于外观或结构复杂的模型 就无法胜任。这种模型仅是有限空间里点与线的组合，若无法给予足够的定义，就 无法对对象特点做出明确的定义，在造型上也会产生不确定性，这就给设计制造工 作带来很大的困难。 2 0 世纪7 0 年代，工业技术急速发展，尤其是交通方面的产业。对速度的追求 与流体力学的关注，使得人们对于外观曲面呈流线形的产品的需求大幅增加。此时 6 华北电力大学硕士学位论文 计算机辅助设计逐渐被大众所认知，但这个时期的硬件设备与软件技术尚未达到一 定的规模，c a d 软件仍旧以线框建模为主。但法国人贝塞尔( b e z i e r ) 提出一种以 其命名的算法，使得计算机在运算曲线及曲面造型上更为光滑，带动了曲面建模 ( s u r f a c em o d e l ) 技术的发展，也影响了计算机辅助制造在处理对象表面加工方面 的技术，使产品制造能够与设计理念更为精密准确的契合 8 0 年代是c a d 技术的快速发展期，得到广泛应用的a u t o c a d 就是于1 9 8 2 年 由美国的a u t o d e s k 公司所研发。此时2 d 与3 d 软件竞相发展，对象建模的模式也 由曲面建模( s u r f a c e m o d e l ) 转变为实体建模( s o l i d m o d e l ) ，这种技术将基本几何 造型的元素预先建置于软件内，配合布尔运算来建构出完整的产品形态，被称为 c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ( 简称c s g ) 构造实体几何这种技术有效的缩短了建 构模型的时间，简化了程序，并且加入了动态尺寸标示模式使得产品造型的修改更 为方便。同时也解决了以往无法计算产品的质量、重心、惯性矩等问题，减少了设 计与实际工作上所发生的冲突。然而这种实体建模技术也存在着一些缺点，就是设 计师在建模时，必须有着清晰的设计概念并能够赋予计算机明确的尺寸数据，如果 产品设计需要改变，就必须按步骤重新建构所需外形，也就是说这种方式在模型修 改方面受到了较大的限制。 到了8 0 年代中期，一群致力于改善现有c a d 技术的人创立了p a r a m e t r i c t e c h n o l o g yc o r p f f t c ) 参数科技公司。他们研究开发出运用可以输入参数的方式 对模型进行尺寸修改的软件，即现在大家所熟悉的参数化设计，其代表软件为p r o ，e 。 这时计算机在软硬件技术上也日渐成熟，这种以实体造型技术加上可设定参数的改 良软件迅速的席卷了c a d 软件市场，并广泛应用于运动学分析、物理特性计算、 装配干涉检验、有限元分析等方面【l 。 第五次的变革则是由复合式建模与变量式建模的发展带来的。复合式建模从名 称上即可得知是种集合了线框建模、曲面建模与实体建模技术为一体的技术，软件 以模块化的方式将其建模功能融入软件设计中，并采用部分参数化的设计。但部份 以参数控制的建模方式，仍旧存在缺点。因为将模型的尺寸定义放宽，也常导致在 文档格式转换时数据资料的流失而变量式设计则是以参数式建模为基础发展出的 新技术，这种技术完全摆脱了以尺寸作为定义的模式，给设计者提供了更多灵活的 可弹性修改的空间，这种技术也被称为v g x ( v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ) ，即超 变量化几何。较著名的软件如u g 、c a t i a 、i - d e a s 与s o l i dw o r k s 皆采用这类 技术。 第六代c a d 技术被称为行为建模( b e h a v i o r a lm o d e l ) ，这也是新一代p t c 的 p r o e n g i n e e r 的核心。这种建模技术的强大功能体现在三个方面：智能模型、目标 驱动的设计能力和开放的可扩展的开发环境。行为建模包括构造设计、灵敏度分析、 7 华北电力大学硕士学位论文 可行性分析、多目标设计和用户自定义特征等内容。借助行为建模器( b e h a v i o r a l m o d e l e r ) ，设计师可以迅速地抓住设计理念，定义好设计参数，规划出最好的解决 方案，然后由计算机在短时间内计算出最佳解，不必浪费大量的时间在重复的操作 和计算分析上。可以说，行为建模技术将成为三维设计的最好助手【l 矾。 总结上述c a d 软件技术的发展历程，共可分为六个阶段。如图2 1 所示，可清 楚地了解其发展演变的过程。 图2 - ic a d 软件建模技术的发展演变过程 2 1 2c a i d 的定义与发展历史 c a i d ( c o m p e e r a i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ) 是一项应时代发展的需求而产生的技 术，即在计算机及其相应的计算机辅助工业设计系统的支持下，进行工业设计领域 的各类创造性活动它是以计算机技术为支柱的信息时代环境下的产物【l3 1 。然而与 c a d 的发展相比，c a i d 的发展则只是近十几年才开始的。其名称最早于1 9 8 9 年 在 i n n o v a t i o n 杂志中以季刊主体的形式被提出，并在工业设计界产生了强烈的反 响，受到了设计师的普遍欢迎，也造成了其在此领域的蓬勃发展。在早期的计算机 辅助工业设计中，不论是2 d 或是3 d 的软件都可被定义为c a i d 。但随着软硬件技 术的快速发展，单纯以平面2 d 辅助工业设计的软件系统就逐渐地被排除在c a i d 范畴之外了。 运用c a m 软件，可以增强产品造型的3 d 表现效果，并节省大量的时间，使 得工业设计师能够有更大的空间去发挥其在造型设计上的创意【h 】。还能通过通用的 文件格式，使工业设计师能够与负责其他工序的设计师进行良好的交流与沟通。也 使得设计师与客户间能够提前对产品设计进行沟通，评估生产的可能性，减少了产 品开发中不必要的失误i l ”。 由于c a i d 软件是针对工业设计的需求而研发的，因此除了在产品模型的表现 8 华北电力大学硕士学位论文 方面比c a d 软件优秀外，在操作程序上也比较能够符合多数工业设计师的思维模 式比如加拿大a l i a s w a v e f r o n t 公司出品的a l i a s 以及r h i n o 、f o r mz 等软件，它 们所具备的材质贴图、光影表现以及背景环境等渲染功能，都使得产品的造型设计 能够得到更加生动和充分的表现。 2 1 3 相关软件概况 现有的c a d c a i d 软件的种类繁多，行业中常用的c a d c 灿d 软件在操作方式 及建模方式上都不尽相同。主要采用参数式、变量式实体建模技术的软件有p r o e 、 s o l i dw o r k s 、i - d e a s ；以n u r b s 曲面为主要建模方式的软件则有a l i a s 、r h i n o ； 使用复合式建模技术的u g 、c a t l a 。下文将针对目前常用的几种c a d c a i d 软件 各自的功能和限制进行简单的介绍。 2 1 3 1c a d 软件 ( 1 ) i - d e a s i - d e a s 是美国e d s 公司的子公司s d r c ( s t r u c t u r a ld y n a m i c sr e s e a r c h c o r p o r a t i o n ) 公司所开发的新一代c a d 软件，在模型的建构方式上以参数式实体建 模技术为基础，对约束上的限制进行了改良，将尺寸及形状分为两种设定参数项来 考虑，并允许在设定参数条件时赋予不完全的尺寸这是采用了变量式实体建模技 术，让操作者在使用方面更加符合产品在实际制造中的工序。这样大幅提高了建模 时的直观性，有效减少了设计与制造中存在的衔接配合上的问题【1 6 1 。 ( 2 ) p r o e n g i n e e r p r o e 是由参数科技公司p t c ( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c r o p ) 所开发的电脑辅助 设计软件，是第一种以参数设定的方式，来控制实体模型在尺寸方面修改的软件1 1 7 l 。 其最大的特点是采用单一数据库设计，并且采用了全关联( f u l la s s o c i a t i v e l y ) 技术。 由于p r o e 所有的模型互相连接，因此设计者在任何时候所做的修改，都会调整到 整个设计中，自动更新零件、组件、工程图等所有相关的文件，保证了资料的正确， 避免反复修改浪费时间这种功能正符合现代产业中所谓的同步设计( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ) 观念【1 。l 。但是，由于p r o ，e 采用的参数式实体建模的方式在处理较为 复杂的产品曲面造型上的能力较差，所以通常需要安装专门的外挂插件 ( 3 ) c a t i a c a t i a 是法国达索飞机公司工程部的产品，是在c a d a m 系统( 原由美国洛克 希德公司开发，后并入美国i b m 公司) 的基础上扩充开发的。c a t i a 采用了复合 式建模技术，即将实体与曲面以不同的模块同时置于软件中，使其同时具备了实体 建模与全面建模的优点。它包含了几十种独立计价的模块，用户可根据需要任意组 9 华北电力大学硕士学位论文 合，包括：基础模块、接口模块、交互式图形界面模块、三维设计模块、电路设计 模块等【l 们。c a t i a 对于航空与汽车工程的发展有着深远的影响，在分析与环境模拟 的功能上表现尤为出色，但是其渲染的功能相对其它软件则显得比较薄弱 ( 4 ) s o l i d w o r k s 该软件是由成立于1 9 9 3 年的s o l i d w o r k s 公司所研发。该公司原属美国，之后 被法国达索飞机公司于1 9 9 7 年并购。这种软件采用了全参数化特征式实体建模技 术，由零件设计、零件装配和工程图绘制三个基本模块组成，在操作上通过自带的 特征形体和零件资料库，配合布尔运算，能够迅速的组合出设计者要求的形体，并 可以通过修改资料库的设定来实现双向的资料更新 2 0 1 。s o l i dw o r k s 以其优秀的技术 和较好的性价比赢得了设计师和工程师的喜爱。 ( 5 ) u g ( e d su n i 毋- a p h i c s ) u g 是u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的拳头产品，最早应用于美国麦道飞机公司， 又来又被美国通用汽车公司选中作为全公司的c a d c a m c i m 主导系统。u g 在其 复合式建模模块中提供了f r e e f o r mm o d e l i n g 的功能，因此同时具备了实体建模与曲 面建模的能力与特征。实际上u g 系统是将曲面视为厚度为零的实体模型，所以利 用u g 所建构的曲面，也可以同实体模型一样用来做统计分析与加工制造【2 1 1 。u g 在制造业，特别是汽车制造业中得到了广泛的应用。 2 1 3 2c a i d 软件 目前被公认为是专门的c a i d 的软件不多，下文将对两种最具代表性的软件进 行简单的介绍。 ( 1 ) r h i n o r h i n o 是美国r o b e r t m c n e e l & a s s o c i a t e s 软件公司所开发的产品，主要采用了 i l b s ( 曲线曲面的非均匀有理b 样条) 自由曲面的建模技术和特征实体建模的操 作模式 2 2 1 。在r h i n o 的官方网站中提到：“r h i n o 的实体可以爆炸为自由曲面，经过 编辑后再结合为实体。可以利用相交曲面为边界来构建实体模型，并且具有剪切任 意曲线、曲面和实体之组合物体的超强能力田】。”其次，r h i n o 保留了使用者在构建 模型的过程中的完整历史纪录，使得软件具有不限次数的“撤销”( u n d o ) 与“重 复”( r e d o ) 的功能，让使用者对模型的修改变得极为便利。目前r h i n o 已经更新到 了4 0 版本，在r h i n o3 d 版与r h i n o2 0 版中被视为鸡肋的渲染功能，也随着一批 优秀的渲染插件的引入而得到了极大的改善。这里面有其白行开发火烈鸟 ( f l a m i n g o ) ，也有著名的巴西( b r a z i l ) 和v r a y 渲染器。这使得r h i n o 不仅可以 逼真的表现模型的材质与纹理、通过光线追踪( r a yt r a c e ) 精确的表现模型的光影 效果，还能通过全局光( g l o b a li l l u m i n a t i o n ) 模拟出物体与环境中其他物体真实的 1 0 华北电力大学硕士学位论文 反射与折射的效果，进而得到更加完善的效果此外该软件对于软硬件设备( 如内 存容量) 的要求是目前众多c a d c a i d 软件中最低的。 ( 2 ) a l i a s a l i a s 是由加拿大的a l i a s w a v e f r o n t 公司所开发，是一套完全以n u r b s 自由曲 面模型为核心的软件，也是一套功能最齐备堪称最为标准的c a i d 软件1 2 1 主要应 用在动画设计及产品造型上，其渲染功能十分强大。早期受软硬件技术的限制，只 能在s i l i c o ng r a p h i c si n c ( s 0 1 ) 的工作站等级的电脑上配合u n i x 操作系统使用。随 着软硬件技术的日趋成熟，当版本更新到d e s i g ns t u d i o8 5 版时，已经可以在个人 电脑上使用，并且与w i n d o w s 操作系统兼容，这极大的方便了普通使用者。此外， 其独特的草图绘制功能，通过电子绘图板与压力感应笔，可以模拟设计师在真实图 纸上的创意发想工作，使得计算机辅助设计的工作更加简单化和人性化使用者在 实际操作时，不会受到参考面数据设定( d a t u md e f i n i t i o n ) 和约束条件( c o n s t r a i n t ) 的影响瞄l 。这使得设计的直观性大幅提高，直接提高了设计师的工作效率 2 2c a d c a i d 软件的结构特征 本节将对模型的建构方式与资料处理模式、软件功能及其差异这两方面进行探 讨与分析，以达到了解现有c a d c a i d 软件的运作模式。 2 2 1c a d c a i d 软件模型建构方式与资料处理模式 现有的c a d ，c a i d 软件的主要建模方式基本可以分为三种，在上一节中已进行 了初步的介绍，包括了曲面建模( s u r f a c em o d e l ) 、实体建模( s o l i dm o d e l ) 以及由 实体建模技术结合基础特征( f e a t u r e b a s e d ) 与约束( c o n s t r a i n t ) 的概念技术衍生 出的参数式( p a r a m e t r i c ) 与能部分约束的变量式( v a r i a t i o n a l ) 建模技术在此 统称为特征式实体建模( f e a t u r e b a s e ds o l i dm o d e l ) 。 其中，曲面建模由于n u r b s 曲面技术的发展，使得产品模型的曲面能够更加 的平滑流畅，达到了实体建模技术无法做到的品质要求，尤其是在建构不规则自由 曲面的模型上的优势更是明显。随着新技术的不断发展，c a d c a i d 软件在产品建 模、模型修改、操作方式等方面都不断得到改进，变得越来越高效和人性化。 但是随着产品造型的多样性和复杂度不断增加，c a d c a i d 软件只采用单一的 建模方式已经不再符合实际设计人员的需求。因此开始有部分c a d c a i d 软件开始 采用复合实体建模的技术，并逐步加入了变量式建模技术的概念，让工业设计师的 创意能够得到更加自由的发挥，创造出更加理想完美的产品造型。下文将分别对各 种建模方式进行说明。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 1 曲面建模( s u r f a c em o d e l ) 早期，在曲线的绘制上，常采用的方式有：c u b i cs p l i n e 、b e z i e rs p l i n e 。但是 c u b i cs p l i n e 是以多重线段来逼近曲线，其曲线必须通过所有的控制点。因此必须改 变曲线的端点或其切线法向量，才能改变曲线的形状。而b e z i e rs p l i n e 则是采用控 制多边形( c o n t r o lp o l y g o n ) 的方式来控制曲线【2 们但是利用这种方式绘制的线段 缺乏局部控制的功能，只要改变多边形上任意一个控制点，都会对整个曲线的曲率 造成影响，因此比较难绘制出理想的曲线。随着理论技术的不断发展，现在绘制曲 线、曲面的方式多采用b s p l i n e 和n u r b s 技术。其原理是建立数学方程组求解， 因此产生的曲线与前两种方式产生的曲线不同，这种技术在保持曲线曲面原有品质 方面具有优势，在模型的表现上也较为逼真。 n u r b s 自由曲面是n o n - u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e 的缩写，n u r b s 自由曲面 的概念必须先从曲线谈起，曲线可以分为两种，一种是通过所有指定点的e d i tp o i n t 曲线；另一种则是c v 曲线( c o n t r o lv e r t e x ) c v 曲线只通过头尾两个端点，曲线 的形状是通过电脑对使用者在每一个控制点所设定的权重( w e i g h t ) 大小进行计算， 得到一条与各控制点距离的平方差值最小的平滑曲线【2 6 1 。然后通过使用软件构建曲 面的功能，如：拉伸、路径扫描、边界线定义等，在3 d 空间中形成设计者需要的 曲面。由此可知，n u r b s 自由曲面的优点是能很自由的定义不规则的曲面，能很 精确的描绘出大部分的几何形体，能构建出于有高阶连续性的曲线与曲面。 在构建n i m b s 自由曲面时，常用的方式有以下几种： ( 1 ) 断面拉伸( t a b u l a t e dc y l i n d e r ) 其原理是将单一b s p l i n e 曲线向着其所在平面的法向方向作拉伸，是最容易构 建曲面的方式之一，大多应用在构建规则薄板件的时候【”l 。 ( 2 ) 旋转扫描( s u r f a c eo f r e v o l v e ) 这种方式制作的曲面称之为旋转曲面，是二次曲面的一种。其原理是将一条边 界曲线以一条设定的中心轴作旋转，即可产生对称的形体。 ( 3 ) 边界线定义( p l a n es u r f a c e ) 是一种最简单的曲面构建方式，使用者只需要在三维坐标系中输入四个端点的 坐标值，电脑即可依据端点所形成的两条曲线的u 、v 方向制成曲面，也可称为双 线性曲面( b i l i n e a rs u r f a c e ) 1 2 7 1 ( 4 ) b 样条曲面( b s p l i n es u r f a c e ) b 样条曲面时b 样条曲线( b s p l i n ec u r v e ) 的延伸，由两个参数( u ，v ) 所 构成，具备b 样条曲线的特性，可对所构建的曲面作局部的修改，是n u r b s 曲面 华北电力大学硕士学位论文 的特例，也就是当控制点的权重等于1 0 时，就称作b 样条曲面。其在曲面的边界 也是由b 样条曲线所构成，特点是除了四个端点的控制点外，其余控制点都不在曲 面上| 2 s l 。 2 2 1 2 实体建模( s o l i dm o d e l ) 简单来说实体建模时预先将造型中常用的几何元素，放置于软件程序中，使用 者通过输入指令将其放置于3 d 空间中，并以布尔运算的方式来对这些几何造型进 行编辑修改 2 9 】。但是这种方式对于造型设计而言却存在着较大的弊端：在设计开发 的前期阶段，工业设计师的工作偏重于感性，目的是使产品在外观、比例与美感上 达到预期要求，无法确定精确尺寸。但是由于为构建实体模型必须赋予明确的参数， 且一旦确定就无法修改，这就对工业设计师的工作极为不便。现在，产品的生命周 期越来越短，为了配合市场的雪要，产品必须适时地在造型上加以改进。如果已经 构建好的产品模型不能进行局部的修改，那么就需要从头开始重新建模，这就将白 白耗费大量宝贵的时间。 实体建模在对数据资料进行处理方面，主要采用了两种数学运算方法，即：边 界条件设定( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 与实体几何结构( c o n s t r u c t i v es o l i d g e o m e t r y ) ，简称为b r e p 和c s g 3 0 】。下面将对其原理进行简要的说明。 ( 1 ) 边界条件设定( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 这种建构模型的数学运算方法，最初是由英国剑桥大学所提出的。这种建模方 式以薄壳表面来建构实体模型，与曲面建模的不同在于，这些构成实体的面彼此之 间有着关联性，包含着模型的数据资料，如：方向、顺序、连结方式等，而不像采 用曲面建模技术产生的面是相互独立的。 ( 2 ) 实体几何结构( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 这种建构模型的数学运算方法是由日本学者提出的，其基本概念就如同堆积木 一样，可以运用布尔运算( b o o l e a no p e r a t i o n ) 进行交集、合集与差集的运算，对 软件中自带的基本几何元素进行编辑，塑造出预想中的产品外观。但是对于造型复 杂的产品模型，经过数次的布尔运算，已经基本无法恢复到运算前的状态。所以采 用这种建模方式的模型，其修改的难度是很大的，要求使用者必须经过良好的培训 和拥有清晰的思路。 2 2 1 3 特征式实体建模( f e a t u r e - b a s e ds o l i dm o d e l ) 为了克服上述实体建模技术的缺点，特征式实体建模技术以实体建模技术为基 础，加入了基础特征和约束概念，有效的改善了编辑修改困难的缺点，使得这种建 模方式被许多c a d 软件所采用。从功能定义角度可以将这种技术分为参数式与变 量式两种，下面将对这两种技术进行说明与比较。 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 参数式实体建模( p a r a m e t r i cs o l i dm o d e l ) 参数化就是将模型的尺寸用对应的关系式表示，即通过参数的设定来控制模型 的几何形状及尺寸【3 i l 。这种方式将设计需求、设计原则、设计方法和设计结果用灵 活可变的参数来表示，以便其在人机互动的过程中根据实际的情况，随时加以修改， 大幅增加了设计上的灵活度与工作效率。 虽然参数式实体建模技术有效的改进了实体模型技术的不足，但是在建模上依 然有部分的限制：建模时必须赋予明确的定义，这就需要使用者输入完整的尺寸数 据作为建模的标准，也就是所谓的全数据尺寸约束。这往往对工业