（机械设计及理论专业论文）cad三维技术与形态构成方法研究.pdf

舞篓 摘要 三维c a d 技术是近年来c a d 发展最快的方向之一，它对设计的辅助作用越越 了蔽往覆翔诗算襁糖劲绘鬻嚣迅速扩大鹫浚诗黪全过程。逶痤c a d 技术发震戆 要求，利用三维c a d 培养学生三维思考的能力和表达头脑中的立体构思的能力 是窝校工稷割强致萃戆一个方自。 本课题作为我校教学改革项目的一部分，针对c a d 三维技术和形态构成方 法遴萼亍了磺突。在分辑、疆宠了掰收集到豹国内熟有关凌料窝学习露用三维c a d 软件的基础上，提取了c a d 建模造型部分的精华，从解决有一定研究基础的问 题鑫发，按照逐步深入，缀事灏滋戆原剩，对三维c a d 的建模造型体系进行趣拜 究，从理论和应用的角度对c a d 建模技术和建横方法分别做出了深入、全面、 系绞戆分撅翔阐述。 本文研究了c a d 三雅对象的模型构成；将现有的建模技术抽象、归纳、系 统化；探讨了把形态构成理论与c a d 三维应用穗结合，利用三维c a d 系统培养 学生形象思维、抽象思维和创新思维的教学模式。 此外，论文述创新性的提出将设计理念引入制图教学。在对学生进行三维c a d 训练的间时，通过提供结合实际的练习来直观的模瓠设计过耩，使学生学到正 确的设计方法和获得初步的设计经验，超到基础训练和专业设计之间的过渡作用。 在完成论文的过程中，进行了如下主要工僚： l 、分析c a d 三维对蒙的模溅构成，包括构思模型、信息模型和计算机内模 型，重点研究对象的信怠模壅构成； 2 、选择r h i n o 、3 d sm a x 、p r o e 、c a x a 等三维c a d 软件，结合计算机图 形学、计算死筲等知识，锌对它们豹建模功链避行分辑帮系统靛逮较魏羲秀究； 3 、归纳现有的c a d 建模方法，并将它抽象为易于理解的两大类；基本建模 和笺杂建模。 4 、研究形态构成的邂论和实例，创新性的提出将设计的概念与c a d 三维建 模的方法缭台运震子教学。 5 、开发配套的学习训练课件。 本课憨研究戒莱黥够对学生避嚣三缝c a d 建模豹训练，露辩凌设计豹摄念 引入了制图教学，对推动工程制圈教学改革有潞积极的意义。 关键词：三维c a d ，模型构成，建模技术，形态构成，课件 a bs t r a c t 3 dc a d t e c h n i q u e i st h ef a s t e s td i r e c t i o nd e v e l o p i n gi nc a d i nr e c e n ty e a r s i t s a i dt od e s i g ne x c e e d p r e v i o u sj u s tu s i n gc a d t oh e l pd r a w i n ga n de x p e n d s r a p i d l yt o t h ew h o l e p r o c e s so fd e s i g n a d a p t i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ed e v e l o p m e n to fc a d t e c h n o l o g y ，a n du s i n g3 dc a d t ot r a i nt h es t u d e n t st h ea b i l i t yt ot h i n ki n3 da n dt h e a b i l i t yt oe x p r e s st h ec o n c e i v i n gs o l i di n t h em i n di sad i r e c t i o ni nt h er e f o r mo f e n g i n e e r i n gg r a p h i c si nt h ec o l l e g e a so n eo ft h et e a c h i n gr e f o r mp r o j e c t si ns o u t hc h i n a u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ( s c u t ) ，t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e sa i m i n g a tt h e3 dc a d t e c h n i q u ea n dt h es h a p e c o n s t i t u t i n gm e t h o d sw e r ec o m p l e t e di nt h i sp r o j e c t r e s e a r c h e dt h ec o n s t i t u t i n go f t h em o d e lo fc a d3 do b j e c t s ；a b s t r a c t e di n d u c e da n ds y s t e m a t i z e dt h ee x i s t i n g m o d e lc o n s t i t u t i n g t e c h n i q u e ；d i s c u s s e d t h e t e a c h i n g m o d e lo fc o m b i n i n gs h a p e c o n s t i t u t i n gt h e o r ya n dt h ea p p l i c a t i o no fc a d i n3 d ，a n du s i n g3 dc a d s y s t e mt o t r a i nt h es t u d e n t st h e a b i l i t y o fv i s u a l t h i n k i n g ，a b s t r a c tt h i n k i n g a n dc r e a t i v e t h i n k i n g f u r t h e rm o r e ，t oi n t r o d u c et h en o t i o no fd e s i g ni n t ot h eg r a p h i c st e a c h i n gh a s b e e nc r e a t i v e l y b r o u g h tf o r w a r di n t h i st h e s i s i tl e t st h es t u d e n t st o v i s u a l l ya n d d i r e c t l ys i m u l a t et h ed e s i g np r o c e s st h r o u g ht h ep r a c t i c e l i n k e d e x e r c i s e sp r o v i d e d w h i l eb e i n gt r a i n e di n3 dc a d ，m a k e st h es t u d e n t sa c q u i r et h e c o r r e c t d e s i g n m e t h o d sa n do b t a i ne l e m e n t a r yd e s i g ne x p e r i e n c e s ，t a k e st h ee f f e c to ft r a n s i t i o n b e t w e e nb a s i ct r a i n i n ga n dp r o f e s s i o n a ld e s i g n d u r i n gt h ep r o c e s so fc o m p l e t i n gt h e t h e s i s ，t h ef o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e nm a i n l yd o n e ： a n a l y z i n gt h em o d e lc o n s t i t u t i n g o fc a d3 do b j e c t s ，i n c l u d i n gt h ec o n c e p t i v em o d e l ，i n f o r m a t i o nm o d e la n dc o m p u t e ri n n e rm o d e l ，a n dr e s e a r c h i n g w i t h e m p h a s e so n t h ec o n s t i t u t i n go ft h ei n f o r m a t i o nm o d e lo ft h eo b j e c t s c h o o s i n gt h e 3 dc a ds o f t w a r es u c ha sr h i n o 、3 d sm a x 、p r o e 、c a x a a n ds o o n ，c o m b i n i n gt h ek n o w l e d g eo fc o m p u t e rg r a p h i c s a n dc a l c u l a t i o ng e o m e t r y ，a i m i n g a tt h e i rm o d e l i n gf u n c t i o nt od ot h ea n a l y s e s a n dt h ec o m p a r a t i r er e s e a r c ho ft h es y s t e m c o n c l u d i n gt h ee x i s t i n g c a dm o d e l i n gm e t h o d s ，a n da b s t r a c t i n g t h e mi n t o t w oe a s yt ou n d e r s t a n db l o c k s ：s i m p l em o d e l i n g a n dc o m p l e x ( s u r f a c e ) m o d e l i n g i i r e s e a r c h i n gt h et h e o r y a n de x a m p l e so fs h a p ec o n s t i t u t i n g ，c r e a t i v e l yc o m b i n n i n gt h ed e s i g nc o n c e p tw i t h c a d3 dm o d e l i n gm e t h o d si n t ot h e t e a c h i n g d e v e l o p i n gc o r r e s p o n d i n gl e a r n i n g a n dp r a c t i c ec o u r s e w a r e t h er e s e a r c hr e s u l to ft h i sp r o j e c tc a ni n t r o d u c et h ec o n c e p to fd e s i g ni n t ot h e c o u r s eo f g r a p h i c st e a c h i n gw h i l et r a i n i n gt h es t u d e n t st oc o n s t i t u t et h em o d e lu s i n g 3 dc a d ，a n di th a sa c t i v es i g n i f i c a n c ef o rp r o m o t i n gt h er e f o r mo fe n g i n e e r i n g g r a p h i c st e a c h i n g k e y w o r d s ：3 dc a d ，m o d e lc o n s t i t u t i n g ，m o d e l i n g t e c h n i q u e ，s h a p e c o n s t i t u t i n g ，c o u r s e w a r e 1 1 i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的论文怒本人在导师的指导下独立进行研 究所取褥的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究徽出霪要贡献酶令人禳集镩，均毫在文中班明确方式标甥。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 a 作者签名：周曼ivl 卜日期：2 0 0 3 年4 月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文佟者完全了解学校骞关绦蜜、搜耀学缀论文憨翘定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阕和稽阕。本久授权华南瑗工大学冒戬将本学位论文酶 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年鳃密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口$ ( 请在以上相威方框内打“4 ”) 乍者签名：周曼翻乏臼期：2 0 0 3 年4 月2 0 网 导师签名：邓学刁文。日期： 2 。3 年4 月2 。日 一 篁= 至篁丝 第一章绪论 1 1 课题的背景 1 1 1 c a d 技术的发展及对工程制图的影响 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 指以计算机作为主要技术 手段运用各种数字信息与图形信息进行产品设计和制造，是随着计算机软硬件技 术和计算机图形技术的发展而迅速成长起来的一门综合性计算机应用系统技术， 也是目前计算机图形学应用最广泛、最活跃的领域。 进入2 0 世纪9 0 年代之后，由于制造业的发展，设计的手段和方法有了很大 的变化，原来在传统工作站上运行的c a d 软件在微型计算机上也可以很好地运 行，甚至，一些p c 机上运行的软件也提供了强大的功能。在机械制造、建筑工 程、工业设计等领域，c a d 的应用由基本普及向深度和广度渗透，引起了巨大的 变革。 三维c a d 技术是近年来c a d 发展最快的一个方向，在现有的软件支持下， 生成的三维模型能表达出设计构思的全部几何参数，对设计的辅助作用迅速扩大 到设计的全过程。采用直接以三维概念开始设计，整个设计过程可以完全在三维 模型上讨论，c a d 不再只是代替手工绘图，而是进入有效的全面辅助设计阶段， 它包括从接受产品的功能定义开始到完成产品的材料信息、结构形状和技术要求， 并最终以图形信息的形式表达出来的全过程。 三维c a d 还能很好的与c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助 制造) 、c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ，计算机辅助工程分析) 、p d m ( p r o d u c t d a t em a n a g e m e n t 。产品数据管理) 相结合，有利于生产和管理。 在我国，近期内实现波音7 7 7 那样的全数字化设计还不可行，但是在实施从 三维概念开始的、基于微机的c a d 是条件具备的，这样做能够明显提高设计的 质量，进一步提高设计的速度和推进设计创新。 在c a d 软件方面，除了我们熟悉的以二维为主具备简单三维功能的a u t o c a d 软件以外，m d t 、p r o e 、u g 、s o l i dw o r k s 、c a x a 、r h i n o 、3 d sm a x 等一批 国际上应用广泛的三维c a d 软件也已经在我国不少行业投入使用，三维造型技 术淡化二维图形已经兴起，并将成为今后主要的设计手段，三维造型技术成为工 程技术人员必须掌握的技术之。 技术的发展对c a d 的要求，是高校制图教学改革的推动力之一。c a d 三维 造型技术的设计理念的兴起，对传统的图形学应用模式带来了强烈的冲击。过去， ；一 兰童堡三奎兰三兰堡圭兰堡丝圣 轴侧图、透视图等三维图形一般是作为工程应用的辅助图样，而今天的三维图形 却是贯穿于整个设计以及制造过程中，甚至在一些应用中无图纸生产已经成为事 实，这一全三维模式的产生，对工程制图教育带来新的挑战，也是制图教学工作 者面临的新课题。 1 1 2 课题的选题 本课题源于我校工程制图改革的立项研究项目一一“应用c a d 技术进行创 新思维培养”，主要侧重于“c a d 三维技术与形态构成方法”方面的研究。 工程制图虽然是工科学生的一门技术基础课，同时也应有素质教育的义务， 肩负着培养学生的空间思考能力、图形表达能力、创新思维能力的重任。目前， 制图教育的改革提出要培养学生三维构形的能力和表达立体构思的能力；要在教 学中引入构形设计、创意设计；要使学生具有一定的制图标准知识和专业生产知 识。 我校在工程制图课程的改革中，已经开展了c a d 的教育与研究，采用了以 计算机绘图为主线与传统制图相结合的教学模式【6 l ，取得了较好的成效。但目前 更多的是局限在适应c a d 软件的操作以及针对作业的要求以c a d 软件来实现计 算机的二维、三维绘图。 本课题将设计的概念引入制图教学，对学生进行三维c a d 的训练，在推动 我校的工程制图教学改革的开展上有着积极的意义。 1 1 3 国内外的研究现状 目前国内外从事将c a d 三维技术的理论应用于教学方面的研究很少。多数 都仅仅针对单一软件进行讲解分析，或是针对单个软件使用开展培训教学。由于 没有深入的从建模原理和设计学的方面进行研究，取得的效果是短期的，学习者 学会的是各种命令和操作步骤而不是自己思考的方法，不能从根本上带来大的提 高，更不用说质的飞跃。将形态构成的理论引入教学，被作为一种概念提出来， 但目前还没有形成这方面的具体教学方法体系，教学资料相当缺乏。 鉴于这样一种现状，本课题的开展主要是从事基础性的工作，包括以下两个 方面：一方面进行理论的系统化，另一方面针对利用三维c a d 软件进行创新思 维培养进行探索，并研制相应的学习辅助课件。为制图教学的改革作一些实际的 尝试性工作。 2 第一章绪论 1 2 课题的意义 从发展的趋势来看，引入三维造型软件为平台来讲授c a d 己成为必然，但 是三维系统要求一种本质上新的思维方式和工作方法，涉及到一些以前并不具备 的知识，如：与自由表面设计有关的三维点序、样条等。通过研究，可以选择性 的提出对哪些知识点进行讲解。 鉴于三维c a d 与二维c a d 有很大的区别，从工程制图的教学内容和教学方法 上要进行改进，将三维造型的思想方法结合形态构成的知识介绍给学生。有利于 学生在头脑中搭建空间框架，树立三维理念，促进空间思维和创新思维的发展。 通过提供与应用实际密切相关的练习，将设计的理念引入制图课程的学习， 提供直观的模拟过程。能使学习者获得正确的设计方法和初步的设计经验，能够 起到基础训练和专业设计之间的过渡作用。 1 3 课题研究内容和目标 本课题目标是将现有的建模技术抽象、归纳并系统化；把形态构成理论与c a d 三维应用相结合，提出了利用三维c a d 系统培养学生形象思维、抽象思维和 创新思维的教学模式，并开发配套训练课件。 针对以上目标，根据调研情况和目前研究现状的分析，论文的主要工作内容 如下： l 、分析c a d 三维对象的模型构成，包括构思模型、信息模型和计算机内模 型，重点研究对象的信息模型构成。这对于理解三维c a d 的软件如何实现建模 功能是很基本而重要的： 2 、选择r h i n o 、3 d sm a x 、p r o e 、c a x a 等c a d 软件，结合计算机图形学、 计算几何的知识，针对它们的建模功能进行分析和系统的比较性研究； 3 、归纳现有的c a d 建模方法，并将它抽象为易于理解的两大类：简单建模 和复杂( 面) 建模。 4 、研究形态构成的理论和实例，创新性的将设计的概念与c a d 三维建模的 方法结合运用于教学。 5 、开发配套的学习训练课件。 本文第二章课题的总体方案，第三章c a d 三维对象构成，第四章c a d 建模 技术，第五章c a d 建模方法，第六章形态设计与c a d 三维建模，第七章三维建 模实习课件的研制。 ；。；丝皇矍三查兰三兰堡圭兰堡丝圣 2 1 方案的提出 第二章课题的总体方案 课题提出的教学总体实施方案示意图如图2 - - l 所示，课题的具体工作内容是 在此基础上提出的。 图2 一l 课题的总体方案 f i g 2 一ls c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ft h ec o u r s e w a r e 该方案涉及的基础知识包括两项主要内容：形态构成和建模方法。其中形态 构成的知识体系已经较为完善，而建模方法的知识体系还需要整理和系统化。论 文第三、四、五章是基于r h i n o 、3 d sm a x 等三维c a d 应用软件对c a d 三维对 象构成、c a d 建模技术和c a d 建模方法进行研究，其目的是为了实施“对其中 一个实例进行分析”和“进行练习”；第六章介绍形态设计及要素，是为了进行“形 态要素分析”并结合c a d 三维建模方法对实例进行分析。第七章通过三维建模 实习课件的研制，将本文的研究成果以多媒体的教学课件的形式体现出来。 课题的总体方案是在进行了教学目标分析、教学内容整合和教学方式设计的 基础上得出的。图2 - 1 中，a 、b 、c 指教师收集并提供的现有设计产品实物或实 物照片，可以选择其中的一个作为首次学习的对象。首先要对它进行形态要素的 分析，并在遵从功能、构造等形态设计基本要素的前提上进行建模分析。在此基 础上既可以运用建模的各种方法反复进行建模的练习，也可以重新整合设计的基 本要素进行设计。这是个循环的过程，学生在学习过程中要不断地解决设计问 题，总结和比较建模方法的不同和优劣。经过多次这样的训练，学生最终能提高 4 ；。； 丝三兰矍璧塑量竺童童 建模水平，培养形象思维、抽象思维和创新思维能力，并获得设计的初步经验， 能够按照自己的思维对产品初步设计d 并完成建模。在这里，c a d 建模方法的 学习和综合运用是本课题强调的方面。 2 1 1 教学目标分析 本课题的目标是将现有的建模技术抽象、归纳并系统化：把形态构成理论与 c a d 三维应用相结合，突出三维c a d 系统的优势，培养学生形象思维、抽象思 维和创新思维。 按照美国著名教育心理学家布鲁姆( b s b l o o m ) 的教育目标分类理论，教育目 标应当包括三个领域的内容，即：认知能力领域、动作技能领域和情感领域。其 中认知能力的目标按智力活动的复杂程度又可划分为六个等级【l0 】： 识记记忆或重复以前呈现过的信息的能力，即知识保持能力； 理解用自己的语言来解释说明所获得的信息的能力； 应用将知识( 概念原理或定律) 应用于新情况的能力，即知识迁移能力； 分析将复杂的知识分解为若干个彼此相关的组成部分的能力； 综合将有关的知识元素综合起来形成新知识块或新模式的能力； 评价根据已有知识或给定的标准对事物做出评价和鉴定的能力。 以这个“教育目标分类”理论看，传统的工程制图比较重视识记、理解、应 用。而工程制图教学改革的目标着重于加强分析、综合和评价方面能力的培养， 为此本课题提供一套有效的训练模式和有代表性的实例和练习，再充分用三维c a d 系统能够进行真实的造型设计的特点来实施。 2 1 2 教学内容设计 教学的内容主要包括c a d 三维建模的方法、形态设计基本理论部分和设计实 例为主的实践部分。教学过程中将通过结合实例的训练过程去传递设计的基本方 法和概念。如图2 2 所示： 图2 2 教学内容 f i g 2 2t h ec o n t e n to f t h e c o u r s e 5 华南理工大学工学硕士学位论文 因为，作为此次课件课程编制内容的“c a d 建模方法”并无现成教材，所以， “c a d 建模技术”和“c a d 建模方法”章节框架的构建、内容的选择、填补、准 确性和组织也是本次论文的重要工作之一。论文在对常用的三维c a d 软件研究 后将各种建模方法进行系统化，以便学习者能够通过学习触类旁通，得到更大的自 由度，可以站在一个比以前更高的平台上学习和运用三维c a d 软件作为的建模 和培养创新思维的工具。 本文选取了r h i n o 、3 d sm a x 、p r o e 、c a x a 等c a d 软件的几何建模和技术 建模部分作为研究对象，从c a d 三维对象构成出发，循序渐进的对三维c a d 的 建模造型体系进行深入的研究，从理论和应用的角度对c a d 建模技术和建模方 法分别做出了深入、全面、系统的分析，最终提出把三维c a d 建模的方法归为 两大类一一基本建模和复杂( 面) 建模。 基本建模方法是建模软件中最基本和常用的方法，包括：基本体建模，扩展 体建模，布尔运算建模，旋转、拉伸建模、放样建模，运用以上方法可以得到绝 大多数的常用模型。基本建模方法的分类如图2 3 所示，将在论文第五章详细讲 解。 图2 3 基本建模方法 f i g 2 - - 3t h ew a yo fb a s i c a l l yc r e a t i n gm o d e l 复杂建模是创建复杂的造型，特别是一些不规则造型的方法。三维c a d 软 件中主要是运用面建模的方法来实现。复杂建模方法包括：曲线的生成、曲线的 编辑、曲面的生成及曲面的编辑几大部分，每个部分又有若干具体的操作，复杂 建模方法的分类如图2 - 4 所示，将在论文第五章详细讲解。 = ；= ；。；。；一。篁三茎翼矍竺望竺奎童 截面 图形 放样 成面 复杂面建模方法 点矗翥鬈鐾生 _ 一曲面的生成 _ 一曲面的编辑 成和编辑广1 蹦皿削王厩f 叫 回皿阴骊辑 基本 线形 的绘 制 样条 曲线 的生 成和 编辑 鬻旧f 墩 沿 条路 径放 样成 面 沿两 条路 径放 样成 面 图2 4 复杂面建模方法 f i g 2 4t h ew a yo fc r e a t i n gm o d e 、b ys u r f a c e 教学实例的挑选也是一个需要反复考虑的问题，由于本教学改革将首先在工 业设计专业进行试点，教学实例是以与工业产品居多，重要的是能够利于这些较 为典型的实例讲解各种建模方法。对c a d 三维建模的方法的介绍适用于不同专 业的学生，只是对不同专业的学生应有更适合的例子，以利于实现基础训练和专 业设计之间的过渡。 2 1 3 教学方式的提出 本课题采用实例教学式一一基于问题的教学方式。 这种教学方式要求建立在真实事件或真实问题的基础上。学习者要想完成对 知识所反映事物的性质、规律以及该事物与其它事物之间联系的深刻理解，最好 的办法是让学习者到现实世界的真实环境中去感受、去体验( 即通过获取直接经验) 来学习。 通常有这样几个步骤： 丁式线面补方取成 格生面网线成 线轴转面曲绕旋成 伸线面 拉曲成 闭线面 封曲成 、或条线面1 一四曲成 孤姻触面 华蠢疆工大学工学硕士学靛论文 1 剁设情境。使学习能奁和现实。 毒况基本一致竣相类似的情境中发生； 2 确定问题。在上述情境下，选择出与当前学习主题密切相关的真实性事件 或闯题作为学习的中心内容，让学生丽临个需要立即去群决的现实问题。 3 自主学习不是由教师直接告诉学生应当如何去解决面临的问题，而楚由教 师向学生提供鳃决该问题的有关线索。例如：需要搜集哪类资料、从何处获取 有关豹信息资料以及糯实中专家解决类似简麓的探索过程等。特剐注意发展学生 的自主学习能力。 图2 - 5 实例教学的方法 f i g 2 - - 5t h ew a yo ft e a c h i n gb yi n s t a n c e 本课题所设计的教学框架，第一步就是先创设真实环境，如绘学生提供实物 稻大登豹褒鸯设诗产燕豹整片资瓣 第二步，要求攀生逶_ j 霪鼹察，列弱形态稳成 和三维建模的知识进行分析，写出基本的要求和实施的主强步骤；然后进入第三 拿步骤鑫学生鑫主学露教瑟掇供的资誊毒售惠娃及瑰场指导；最矮以学生瓣这一兵 体实例的学习评价为撼础再推广至其他同类的设计窳例，如图2 - 5 所示。 逡墨是一个疆黪缝复的浚诗谢练避程，通过这撰斡双察、思考、学习、分辑 归纳、综合、评价。可以将三维c a d 技术和形态构成方法很好的结合，在教授 三缝c a d 建模方法戆同时垮浚计的理念弓l 入制图课程的学习，提供直溉的模拟 过程。能使学生获得雁确的设计方法和初步的设计经验。 2 2 课题的工律步骤 攒潋土辩教学要求戆努橱，论文疆警戮下熬工俸步骧： 1 、c a d 三维对象的模烈构成研究。这对于理解三维c a d 的软件如何实现建 模珐筑建缀豢本纛蘩要豹； 2 、选择r h i n o 、3 d sm a x 、p r o e 、c a x a 等c a d 软件建模功能进行分析和 系统黪篦较渡溪究 g 第二肇谍嚣鹣总蒋方案 3 、归纳现有的c a d 建模方法； 4 、研究形态构成的理论和实例。将设计的概念与c a d 三维建模的方法缩台 运用予教学。 5 、开发配套的体现上述教学思想的学习训练课件。 2 3 课题的吴体工作 本文磅究了国蠹终有关资辩秘学习豢煺三缀c a d 较终，对三维c a d 的建模 造型体系进行研究，从理论和应用的角度对c a d 建模技术和建模方法分别做出 了深入、全嚣、系绞豹分援窝滔遴；本文将形态枣句戒的避论与三维c a d 建模结 合越来，制作了( ( c a d 建模方法学习与宓践的课件，体现了将设计思维引入教 学的擒想。本文豹王终漉獠图如下： 蚕2 - 6 本文工佟滚骥麴 f i g , 2 - 6t h e s t r u c t u r eo ft h ew o r ks y s t e ms k e t c hm a p 9 华南理工大学工学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章在送行了教学鏊标分拆、教学内容整合粒教学方式设诗豹基吾鑫上提密了 课题的总体方案，制定了具体的工作步骤和工作内容，是后续各章的前提和基础。 第三章c a d 三维对象构成 3 1 模型构成 第三章c a d 三维对象构成 设计的真实对象是在设计过程中逐步建立起来的，当我们利用三维c a d 系 统进行设计时，要经过由已有的真实技术对象( 实物) 一一构思模型一一信息模 型( 体、面、线、点构成的信息单元) 一一计算机内模型( 数据库系统) 一一输 出设计结果( 资料和图纸) 等几个步骤，这是一个建模工作的全过程。设计工作 循序渐进的各个思维阶段，与各阶段的模型紧密相关，针对不同的模型构成进行 分析，对于理解三维c a d 的软件如何实现建模功能是基本而重要的。 图3 一l 设计各个阶段的模型 f i g 3 - t h ed i f f e r e n ts t a g em o d eo fd e s i g n 由图3 1 我们可以知道，设计者思考的模型和最终由c a d 系统完成的模型 是不一样的，特别是构思模型，它是一个与设计者的知识体系密切相关，随设计 的展开不断修改变化的。设计的各个阶段用到了不同的模型方式，它们有着各自 的体系。 3 1 1 构思模型 在设计过程中，设计者会形成某些臆想的概念，并尝试从许多原则的方法中 l l 兰室些三奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 寻找解决问题的观点逐步地使之变成具体结构。当设计者臆想上的概念进入到熟 悉的结构和抽象的关系之中，这种抽象的关系就能以构想到的作用线、面和体为 基础，这个臆想的概念就被看作为一个由设计者开发的未来真实对象的构思模型。 在设计进程中构思模型最终以可见和可识别的形式给出，以便设计者可以自 己加以修改和补充，并使他人能了解自己的设计意图。利用三维c a d 软件构思 模型可以进一步开发成为空间实体模型或描绘成图标形式的面模型。 3 1 2 信息模型 在利用三维c a d 系统的过程中，为了清楚地描述，设计者必须将自己的臆 想有目的地向形状信息单元( 体、面、线和点) 转化。设计者可以通过空间即三 维形式( 3 d ) ，或用平面二维形式( 2 d ) 来形成其构思模型。最后还可以把构思 模型的视图通过赋予具体的材料变成实体。 c a d 软件系统用不同大小和类型的体或物体形成了臆想对象模型，通过相应 的轮廓来识别出物体周边和角以及产生的可见边、对象的尺寸、位置、形状。通 过模型的实际剖面可看清内部结构。 由于存在这对应不同信息单元的各种不同信息。现有的c a d 系统通过选择 不同的信息单元能够完成对象从简单二维图形到三维实体的描述，从而构成各种 不同的模型。设计者最终可采用哪些使用的可能性，这取决于所选取地信息单元 和其中的联系方式。信息模型是由不同的信息单元构成的，理清它们之间的关系 对利用c a d 系统来进行三维建模式非常必要的，同时信息模型的结构( 信息单 元及其相互关系) 必须是计算机可接受的，以便构造计算机内部模型。本文将从 对象的信息模型入手，逐步分析c a d 建模技术和具体建模操作方法。 3 1 3 计算机内模型 一个c a d 系统的计算机内模型( c o m p u t e ri n t e r n a lm o d e l ) 是将信息模型传 递给计算机可接受的且同时转换成二进制代码的一种标准结构形式( 可描述的元 素及其它相互关系) 。以此可实现中央处理机的数据处理和资料存储。也就是将信 息模型的信息单元以数学形式加以定义：确定其相互关系；同时转化为二进制代 码形式；以信息块清楚地显示。 为了构成各自的目标模型出现了向资料形式的转换，其中包括以数据结构之 间的相互关系和一些应用算法的转换。 c a d 的应用软件中为了开发了许多信息模型，这些信息模型是建立在选择了 相应信息单元的基础上进行的，且它们在设计中对应用性能起着重要作用。例如 一个形体的三维描述由计算机确定以后，设计者就可以观察形体的任意表面，甚 1 2 第三枣c a d 三缍对象橡琏 至蕊擒造簌戆影毅。 因为不存在某普通的方法能够描述矮有番萃中不同特征的物体，所以必须涉 及淄澎对象在计冀辍内豹多种表示方法。 3 。2 对象的信息模型 在现有的_ - - 维c a d 攥作系统中，技术设计人员常常只在一个层面上工作， 著慧只是注塞绘塞麓二壤整挺，嚣运霜正投影至不弱视图窝截露土，这鼹最计畿 在传统的绘图上工作是一样的。 蠢三壤c a d 搡 萋技术要求设谤太受在三缎空润肉设诗，著潮对颞及掰有黝兰 维嫩标( 般是正等侧、斜等侧溅其它平行投影来显示三维空间) 。在三维c a d 系统中竣讲一卷靠个模型工俸，它不是令现实存在豹勰蒋，褥仅是在诗算机幽 部存在的模型。不同的生成技术而存在嘏多处理方法，这些处理方法按不同的聋 豹趣竣壅婚，一般独立予诗莫捉内部兹模型。 对象的信息模型有以下几种： 1 2 d - 模型 2 d 一模攫采用的是二罐坐标如( x ，y ) ，戆由两个数来描述。所有信惠甚至是空 闻对象豹饿息都必须转换刘一个蠛多个鼹示平慰上。同时所建立的模越要能描绘 出一个可黻绘甫酌平面圈，并且蕊绘箭的每个图形都要裙互独立。基于这种模壅 静c a d 系统是不能把一个垂直投影所在的显示平面之间存在的关系辩现出来的， 更不用说去摇述设诗者丧篾察绘强时与褥愿土静联系了+ 最理想酶情况莛通避瓣 加算法来搦示某种关系。 2 d 一穰塑一簸逶淹予疆示鹃器释霞形之蠢( 撬遥、涮蘑) 燕秃联系麓、备蠡 生成的，照示的备种图形之间和任一种图形显示的内部自洽性不是自动生成的， 它瓣完整烽不受系统静强糕程控翩。露姥，瑷= 维模型俸兔强影系统瓣c a d 系 统舆有常规工作中所熟知的优点萃日缺点。它被广泛地采用在二雉c a d 系统中， 在e 矗d 中占有重簧经受。 2 2 5 d 一模型 运秘搂墨靛蒜懿仍熬楚二缳警莲。在二缝平溪主热鬻在2 d 揍垂上撵，售 用点和线可生成个面( f ) ，这个面附加一个向量转换可定义体，t 为平移向置； r 为旋转巍量；笑舞浍孰逑戆自鏊。 v = f x t v = f r v = f k 鼙；2 5 d 模登露捶述空麓对象， 平移模型 旋转模型 轨迹模型 它稳健表性结秘只存在予一个平露中，虽第 ；。；一。，； 丝童矍三盔耋三耋竺圭兰堡丝兰 三维仅是简单的平移或旋转延伸或沿着一个导线轨迹的移动就可以了。其空间延 伸仅在计算机内部由一个值就可确定。2 5 d 模型可应用于旋转件和型材构件。但 它在计算中心机内部无法进行物体( 实物) 的描述，也不存在这样一种所谓的实 体，第三维的面不能与其它物体相接，不可能控制( 修改) 辅助的、封闭的面， 不能对“实体”进行切割和相交。实际上2 5 d 模型仅用于较简单的形体。当设 计过程中常常要求改变构件相互关系和辅助面时，它就无法解决。这里的空间延 伸只是在构思中的描述，对结构设计是无用的。 3 3 d 一模型 3 d 一模型显然包括了所有三维如( x ，y ，z ) 。并且定义空间一个点必须要求三 个数。因此从系统方面要强制使用三维信息来产生完整的描述。这一必然的完整 性对设计过程产生了如下重要特点：显示的物体基本上完整地进行了描述；设计 的几何图形可以模型化，即可以补充和修改；对实体及其有关的重量、质量、惯 性矩等量可以进行说明；可较早地识别一些不变的前期信息( 如宏观结构或粗略 尺寸) ：利用计算机内部模型可显示所有的图、视图和剖面，显示时不仅可以垂直 投影的方式而且也可以自动形式生成任意的透视图( 如等轴的、四方的、中心投 影等) ； 3 d 一模型的各种图形显示之间存在着严格的关系。 3 3 3 d 模型的不同形式 3 d 模型又分为线模型、面模型和体模型三种形式，在3 d 一模型内部必须把三 种形式模型区别开来。 早期的c a d 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ug ，p r o e 。e u c l i d 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，而不需要进行资料交换。 3 3 1 线模型 线模型，也称线框模型( w i r ef r a m em o d e l ) ，它只使用显示相邻的点和线作 为信息单元，内部结构简单，可减少响应时间，但需要少量内存空间。线模型不 能复制可见边，如：表面线等。实际线框模型中还没有面或实体，且无法确定哪 里是实的，哪里不是。所有这些必须由观察者自行考虑。线模型仅仅描述基于边 定义的外形图，因此在线模型中会产生多义性，这就要求对此作更详细的解释a 从设计的角度看，线模型不适合于需要完接描述对象构型的场合。尽管如此， 许多情况下，以线模型来详细判断外形、状态、位置和空间协调性也是完全足够 1 4 ；。；。；。 篁三耋! ：垒呈三丝塑叁丝缝 的。由于线模型对于宓时模拟和中间结果快速响应特别有利，因此高级信息模型 ( 面模型和体模型) 常常只以线模型作为结粱描述。 和2 d 模毅襁眈，3 d 线模型对线框结构做了避步的改进，箕三维模型的基 础是多边形，丽不是线段、圆、弧这样零碎的图索。但线枢结构的几何模型在三 维方面的进一步处理上有很多麻烦和困难，如消隐、着色、特征簸理等。 早期的计算机图形生成技术中，三维形体大多是用线椴模型来表示的。线框 造型可以生成、修改、处理二维和三维线框几何俸。可以生成点、直线、函、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 等处毽，生藏更复杂的馥线，线框遮墅的舅一种方法是遥避三维霭蠡面豹熊理来避 行，即利用曲面与曲丽的求交，曲面的等参数线，曲面边界线，曲线在曲面上的 投影，蘧面袭菜方商约分模线等方法来玺残复杂魏线。 实际上，线框功能也是避一步构造曲面和实体模型的蒸础工嶷。在复杂的产 品设计中，往往建竞瘸线条勾翔密纂本轮簿，帮繇清“控铡线”，然螽逐步缨纯， 在此纂础上构造出曲顽和实体模型。 3 3 2 面模型 糯模型( s u r f a c ei ns p a c e ) 可以接述为向空阐延伸的蕊。这覆还没裔实体豹 定义。也就是说，不能确定是否是寅的。这种模型q 常适用于空间有直的或弯曲 表面辩的播述，翔箍述汽车率身表瑟、飞掇豹褫冀躐撬俸簿。痊这静三缭瑟模墅 得出的信息往往是进一步设计的重骚基础。 磷究毯模鳌首究要磅究虢线，慕串篷播h e r m i tc u b i cs p l i n e s 、b e z i e rc u r v e 、 b - s p l i n ec u r v e 、n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e 等曲线，这些曲线都是通过一个 基赢黼数采含成懿，所虢黪涎意籀簸饪露造型豹戆线，也魏攒述溷程、橼圆、懿 物线这样我们熟悉的曲线。 硗在发袋戆魄较饶秀翡溜线兔n o n u n i f o r mr a t i o n a lb - s p l i n e 簦线，楚称菇 n u r b s 曲线，即非均匀有璇b 样祭曲线。 n u r b s 魏线翡建立必矮存是够夔控裁点，遂鬻n u r b s 曲线静除数越裹，要 求的控制点就越多，当然n u r b s 的阶数魑根据系统精度的要求来决定的，相应 豹n u r b s 静泠数越褰c a d c a m 系统豹王傣量墩靛越大。 在n u r b s 曲线的基础上可以建立n u r b s 曲面，现谯很多曲面几何模型的 墓葛楚n u r b s 基瑟，倒热农r h i n o 、a l i a s 等三维软佟中鼹使用的隧诼。蓝藤 几何模型主臻应用在航空、船舶和汽车制造业领域或对模型的外形要求比较高级 豹软 孛孛，宅在三终瀵爨、蓥色等技术中跑线挺续橡模型处理要方便和餐