基于FreeForm的CAD模型细节添加与修改

第 5期 2 0 1 0年 5月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 93 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 5 0 0 9 3 0 3 基于 F r e e F o r m的 C A D模型细节添加与修改 木 吴艳奇 成思源 张湘伟 梁仕权 黄 曼慧 广东工业大学 机电工程学院 广州 5 1 0 0 0 6 广东商学院 广州 5 1 0 3 2 0 De t ai I a d d i n g a n d r e p a i r i n g f o r CAD mo d e l b a s e d o n f r e e f or m W U Ya n q i I CHENG S i y u a n 1 ZHANG Xi a n g we i 1 L I ANG S h i q u a n 1 HUANG Ma n h ui F a c u l t y o f E l e c t r o m e c h a n i c s E n g i n e e r i n g G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 C h i n a G u a n g D o n g B u s i n e s s C o l l e g e G u a n g z h o u 5 1 0 3 2 0 C h i n a o 0 0 0 o 摘要 分析了F r e e F o r m造型的特点及 优势 并针对F r e e F o r m在造型过程中 的细节添加与 修改 5 6功能进行了详细论述 将传统 C A D建模与触觉交互造型有机结合起来 提出了一种基于F r e e F o r m的 2 2 C A D模型细节添加与修改方法 并给出了应用实例 V 关键词 C AD造型 触觉交互 F r e e F o r m 5 5 A b s t r a c t e c h a r a c t e r is t i c s a n d p e 口 耽e o f F r e e F o r m s y s t e m a l e ana ly z e d A n d p a r t i c u l a r l y 2 t h e d e t ai l a d d i n g a n d r e p a i r i n g f u n c t i o n s o f F r e e F o r m are d i s c u s s e d Wi t h t h e i n t e g r a t i o n o f t r a d i t i o n al C AD m o d e l i n g and h a p t i c i n t e r a c t i o n m o d e l i n g U n e w m e t h o d o fd e t l a d d i n g a n d r e p ai r i n g f o r C A D m o d e l b a s e d o n Fr e e F o r m i s pr e s e n t e d A n d a c o s e s t u d y i s a l s o g i v e n Ke y wor ds CAD m o de l i ng Ha pt i c i nt e r a c t i o n Fr e e F0r m 0 中图分类号 T H3 9 1 文献标识码 A 1 引言 传统C A D造型软件大多采用参数化 基于特征的曲面和实 体造型技术 而F r e e F o r m是一种基于计算机触觉技术的三维模 型设计系统 它引入了计算机 3 D模型设计的触感 让设计者通 h来稿 日期 2 0 0 9 0 7 2 6 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 7 7 5 0 4 4 国家 自然科学基金项 目 5 0 8 0 5 0 2 5 广东省 自然科学基金项 目资助 8 1 5 1 0 0 9 0 0 1 0 0 0 0 4 0 应 对 比 曲 线 如 图 4 所 示 从 图 中 可 以 看 出 优 化 的 T s K 型 模 糊 控 5结论 制器的鲁棒性较 P I D控制器强 电流波动小 因此助力电动机产 生的助力力矩波动也小 那么驾驶员的手感就好 助力电动机 的 参考输入电流为额定电流 1 0 0 A 空载时 P I D控制和遗传算法优 化的T S K型模糊控制的阶跃响应对比曲线 如图 5 所示 从图中 1 2 0 I o 0 8 0 S 6 0 嚣4 0 20 0 2 0 4 图4空载电流阶跃响应曲线 图5额定电流阶跃跃响应曲线 1 对典型T S K型模糊控制器进行结构分析 用遗传算法对 T S K型模糊控制器进行了优化 通过对模糊控制器的优化 能够 比较精确 快速地确定模糊控制器的参数 2 遗传算法优化的 T S K型模糊控制器能准确快速跟踪参 考输入 并具有强的鲁棒性 汽车E P S系统的助力电动机与常规 的伺服电动机的工作环境不同 系统非线性 环境多变 干扰多 因此遗传算法优化的T S K型模糊控制器非常适合于 E P S系统助 力 电动机电流环的跟踪控制 参考文献 1 王望予 汽车设计 第3 版 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 1 2 林逸 施国标 汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势 J 公路交通科 技 2 0 0 1 1 8 3 7 9 8 3 3 李辉 韩红 韩崇昭等 基于遗传算法的模糊控制逻辑控制器优化没汁 J 西安交通大学学报 2 0 0 2 3 6 4 3 8 5 3 8 9 4 李宁 张乃尧 靳开岩 输 隶属 函数不均匀分布时典型模糊控制器的结构 分析1 J 清华大学学报 2 0 0 0 4 0 1 1 2 0 1 2 3 5 Hs u a n Mi n g Fe n g C h i n g Ch a n g W o n g A s e l f l e a rni n g g e n e t i c f u z z y c o n t r o l s y s t e md e s i g n J I E E E 2 0 0 2 1 3 1 0 1 3 1 5 6 晋兵营 客车循环球式电动助力转向系统控制策略研究 D 北京 北京理 工大学出版社 2 0 0 8 7 A t h a y e A E d w a r d s D Ma n o r a m j a n V S e t a 1 O n d e s i g n i n g a f u z z y e o n t r o l s y s t e m u s i n g a o p t i m i z a t i o n a h o r i t h m l J j F u z z y S e t s a n d S y s t e m s 1 9 9 3 5 6 1 3 2 3 9 8 胡炜 沈理 遗传 尤 化 尉空 制 器 J 计算机科学 1 9 9 7 2 4 1 6 1 0 1 5 吴艳奇等 基于F r e e F o r m的C A D模型细节添加与修改 第 5 期 过 触摸 来操作数字虚拟的实体 F r e e F o r m与传统C A D软件结 合造型 能互相取长补短 C A D模型可导人 F r e e F o r m进行修补 添加等操作 进一步完善在传统 C A D软件中难于完成的结构 通 过对触觉造型设计 技术 的介 绍 提 出了一种基 于触觉 交互 与 C A D软件结合的造型方法 用给出了应用实例 2基于力反馈技术的 F r e e F o r m造型 2 1 F r e e F o r m 系统构成简介 F r e e F o r m是世界第一套能够让设计者在电脑上利用触觉就 能完成 3 D模型设计与建构的计算机辅助设计系统 如阁 1 所 示 其特有的基于力反馈的3 DT o u c h技术由3 个元素组成 硬件 接口 P HA N T O M 系统软件 G H O S T 和数字粘i c l a v l l a F r e e F o r m造型系统流程图 b F r e e F o r m系统设备 图 1 F r e e F o n n系统 2 1 1 PHANTOM P H A N T O M 是一个硬件接 口 它是一个简单 的手臂式操作 杆 利用这个操作杆 使用者可以对屏幕上的数字粘土进行各项 操作 2 1 2系统软件 GH 0 G H O S T 一个软件系统 它可以通过计算来处理由简单到 高阶的触觉运算 再由 P H AN T O M 硬件接口输出力量 让操作 者真实地感受到力的反馈 2 1 3 数 字粘 土 C l a y 数字粘土 C l a y 是 F r e e F o r m系统处理的对象 当我们运用 F r e e For m造型的时候 设计者雕刻 添加 变形屏幕上的数字粘 土 就像现实中操作一块粘土一样 F r e e F o r m应用软件将操作者 所用的力道 移动位置 硬件输出的力量等结合在一起 其结果反 映为屏幕上数字粘土的变化 2 2 传统 C A D软件与 F r e e F o r m优势分析 虚拟产品开发系统的组成主要包括以下几个部分 C A D C A M 有 限元分析 装配检验 仿真测试 快速成 型和产品数据 管 理等 C A D模块主要利用建模 智能生成和专家系统等交互方 式 因为只包含视觉或者听觉形式 因此在建模过程中缺少没计 师对模型的触感 而 F r e e F o r m具有独有的力反馈技术与虚拟触 觉技术 填补了 3 D造型软件的空白12 l 传统 C A D软件优势在于装配功能强大 实体和草绘功能也 较为完善 由于其普遍的应用 传统 C A D软件的造型功能也在不 断提高 但在曲面功能方面仍然存在不足 尤其是对于外形多变 且不规则的曲面 而且很多 3 D造型软件操作复杂不容易掌握 更无法让设计者在数位媒体中与其设计进行触觉的接触 F r e e F o r m系统把数位工具所独具的弹性带到实体模型上 让设计者感受到产品的真实存在 其强大的造型功能和力反馈技 术特点 能让操作者随意没计出自己创新的作品 F r e e F o r m简单 易学 兼容性强 兼容 s t l s t e p i g e s b m p J p g和 a i 等多种数据 格式 设计者可以直接在导人 的草图 2 D 3 D图或是扫描完成 的 点 云上进行 没计 F r e e F o r m系统也 可以利用包含的表面工具创 建并输出I G E S表面 其输出的S T L文件可以直接输入快速成型 机中进行加工 得到产品原型 3 F r e e F o r m系统的细节添加与修改 F r e e F o r m最突出的表现就是其具有特殊的形状修改方法以 及细节添加功能 对于 F r e e F o r m中的粘土对象 系统提供了多种 工具供设计者使用 对模型进行修改 女 f l公仔的眼睛 眉毛 鞋子 造型上的花纹 商标铭牌等 在 F r e e F o r m中都有合理的工具快速 完成各种细节特征 随着 F r e e F o r m Mo d e l i n g S y s t e m的推出 这些 过去主要以于上为主的产业 也开始导入 丁数字化的 C A D流程 由于细节设讣的多样性 使基十传统 C A D设计过程具有一 定难度 F r e e F o r m造型软件具有 寓的细节设计功能 常用的工 具主要有 构造粘 t工具 C o n s t r u c t C l a y T o o l s 雕刻粘 土工具 S c u l p t C l a y T o o l s 粘土细节造型工具 D e t a i l C l a y T o o l s 变形粘 土工具 D e f o rm C l a y T o o l s 等 3 1 构造粘土 构造粘 七工具 町在 F r e e F o r m造型巾快速生成各种形状 的粘 土 如图 2 所示 增加粘土 A d d C l a y 是 F r e e F o ml 造型软件中常 用 的典型丁具 使用 A d d C l a y 造型可以设计新增粘土的外形 如 球形 柱形或锥彤等 如其他 3 D造型软件一样 F r e e F o r m也能完 成常 见的拉伸成型 Wi r e C u t C l a y 旋转成型 S p i n a S h a p e 和扫 略成型 L o ft a S h a p e 等 但 F r e e F o n n也提供了更多工具以实现 特殊的外形 如 T o o t h p a s t e 工具的造型过程就像挤牙膏一样 按 照设计者的意图移动手中的操作杆塑造外形 可实现不规则外形 的造型如蚂蚁的触须等 一 图 2卡 句 造粘土 具 图 3雕刻粘土工具 3 2雕 刻粘土 F r e e F o 富有创新性的特点主要体现在雕刻粘土工具上 S c u l p t C l a y 好比一个完整的雕刻工具箱 提供了多种功能用来实 现粘十外形的雕刻 如罔 3 所示 睢刻T具 C a r v e T o o l s 可选用 不同的雌刻 对粘上进行雕刻 当雕刻刀接触粘土时 粘土反馈 的阻力可感受到粘 十的真实存在 S mu d g e T o o l 工具用于压缩变 形粘土 A t t r a c t F o o l 可通过有吸引力的球形雕刻刀 在粘土上吸 m凸起 的外形 由于 F r e e F o r m造型不是参数化设计 此在造型 过程 w I 以使用 S mo o t h 工具对模型进行平滑处理达到外形的美 NO 5 Ma v 2 0 1 0 机 械 设 计 与 制 造 9 5 观和连接的自然 平滑工具有线平滑和面平滑 分别针对模型的 转角部位和主体面部分 3 3粘土细节造型 在产品的造型过程中 尤其对于玩具 鞋业和汽车内部设计 等 各种细节特征在传统 C A D建模技术下不容易实现 F r e e F o n n 创新性的粘土细节造型工具 弥补了上述的不足 如图4所示 凹 槽 G r o o v e 工具可通过粘土上画的 3 D曲线生成凹槽或隆起 变 半径倒角 V a r i a b l e R o u n d E d g e 工具可实现半径变化的倒角 D e t a i l C I a v中 还有四种浮雕 E m b o s s X 具 分别为曲线轮廓生 成浮雕 E m b o s s w i t h C u r v e 区域浮雕 E m b o s s A r e a 贴材质浮 雕 E m b o s s w i t h Wr a p p e d I ma g e 和图片映射浮雕 E mb o s s h n a g e 当产品的表面要设计出凹凸的花纹图案或贴材质时 合理 选用浮雕工具可实现不I 形式的浮雕造型 3 4变形粘土 F r e e F o r m变形粘土主要利用拖拉工具和变形工具实现粘土 的外形变化 如图 5 所示 拖拉 T u g 3 具利用雕刻球的球心拖出 或推入粘土 T u g A r e a 则是利用在粘土上画出的轮廓线 以限制 对粘土进行拖拉的区域 变形工具 S h a p e 利用对粘土上的轮廓线 和控制点的操纵 实现模型的多样化变形 而D e f o r m工具通过一 个盒状的控制网格包围粘土模型 利用对网格控制点的操纵实现 模型的整体变形 一 图 4粘土细节造型工具 图 5变形粘土工具 4 传统 C A D与 F r e e F o r m结合的造型 P r o E C A T I A等基于特征的参数化造型软件以用户熟悉的 特征作为产品几何模型的构造要素 这些特征是一些普通的机械 对象 传统 C A D造型过程为 三维概念设计一c A D制图一三维 实体一加工制造 有些复杂或无规则的细节特征 可在传统 C A D 软件中完成基本模型之后 用 F r e e F o r m继续完成后续造型 下面 以普通汽车座椅为例说明基于C A D模型的F r e e F o r m细节修改 与添加功能 4 1平滑 雕刻 座椅基本结构在 P r o E中已经完成 如图 6 a 所示 导入 F r e e F o r m中 虽然锐边也可在 P r o E中进行倒角 但是由于锐边 存在不平滑过渡 在 F r e e F o rm 中用 s m o o t h平滑处理更方便 选 择平滑 s m o o t h 工具 在屏幕上出现一个红色的球体 用该球体 选择模型 被选中的模型会根据整体的需要 自动进行平滑处理 接着月 j 操作杆对模型进行雕刻 挖出座垫与靠背之间的弯角 在 变形粘土的过程中 不需要考虑左右对称的问题 将一侧造型完 成之后用 m i lT o r 工具实现模型左右的对称 通过上述操作完成的 模型 如图 6 b 所示 4 2座椅结构的分块和修改 下面将座椅分离为底座 靠背和靠头垫 首先在座椅一个面 上用 s k e t c h工具画出用来分割粘土的外形轮廓线 用 s e l e c t m o v e c a l y 工具设置好参数 进行粘土分割 分离后的粘土不再属于同 一 个块 如果要对哪一个块进行操作 需先选中要操作的粘土 对底座和靠背的两侧隆起造型 用曲线 c u r v e 工具将要隆 起的部分画上封闭的曲线 然后利用 t u g a r e a工具 拉伸出椅背 两侧和靠头垫部位隆起的效果 座椅的结构分块和造型 如图6 e 所示 a p r o E基本造型 b 光顺和雕刻造型 c 分块和修改造型 图6座椅分块与修改造型 4 3座椅的细节添加 靠头垫的隆起部分造