三维计算机辅助设计教程1第一章 三维造型技术概述.ppt

三维计算机辅助设计,适用：机械、汽车、模具等制造、设计类专业10-11学年第一学期联系方式85438329个人邮箱：swordsman9219,绪论（三维造型技术概述）,造型设计的概念什么是设计？设计其实就是人类把自己的意识加在自然界用以创造人类文明的一种广泛的活动.什么是造型设计？所谓造型设计不是单纯的外形设计，而是更为广泛的设计与创造活动，它不仅包括形态的艺术性设计，而且包括与实现形态及实现有关功能的材料、结构、构造、工艺等方面的技术性设计。在整个设计过程中，形态、结构、材料、工艺与使用功能的统一，与人的心理、生理相协调，将始终是研究和解决的主要内容。造型设计是工程技术与美学艺术相结合的一种现代设计方法。,绪论（三维造型技术概述）,造型设计的基本要素造型，是基于功能的总体布局、结构、金属工艺等与造型设计之间创造性劳动的结合。它需要多工种、各种工艺的共同协作，通过多种造型手法，理想的表达其艺术形象，归结为一个完美的外观造型。功能、造型形象以及物质技术条件是构成造型设计的三大基本要素。其中功能是设计的目的，造型形象是功能的具体表现形式，物质技术条件是实现功能的基础。功能是指产品具有特定的用途或作用，它是根据人的需求来设计的。功能具有双重性，即物质和精神两个方面。造型形象是为了实现一定的目的所采取的结构或方式，是具备特定功能的实体形态。造型形象是为功能服务的，必须体现功能。各种材料、技术和设备是实现功能和形象的基础。,绪论（三维造型技术概述）,计算机辅助造型设计的概念和意义计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD），是由计算机来完成产品设计中的数据计算、几何分析、产品模拟、图纸绘制、编制技术文件等工作。计算机辅助三维造型设计是设计人员借助计算机辅助设计系统提供的图形终端或工作站及其软件描述所设计产品的形状、结构、大小以及模拟在光线照射下表面的色彩、明暗和纹理等，它以提高效率、增强设计的科学性与可靠性、适应信息化社会的生产方式为目的。,绪论（三维造型技术概述）,计算机辅助造型设计软件的造型过程各种不同的CAD软件各有特点，但其基本的原理大同小异。造型过程可分为两大部分：建模和渲染。CAD系统的建模：三维建模技术的发展经历了线框造型、曲面造型、实体造型和特征造型四个阶段，由于线框造型功能有限，而特征造型尚处于进一步的研究中，因此，现有的软件均采用曲面造型和实体造型这两种方式。,绪论（三维造型技术概述）,计算机辅助造型设计软件的三维造型过程CAD系统的建模线框造型（如图）线框造型是CAD技术发展过程中最早使用的三维模型，这种模型表示的是物体的棱边，由构成物体的一组顶点和边组成，其中边可以是曲线，如圆弧、二次曲线、样条曲线和曲线。线框造型功能有限，存在严重缺陷，如表示的图形不能进行无体积和特性计算、不便于消隐、不能满足表面特性的组合，缺乏边与面、面与体之间关系的信息，在对模型的分析与制造方面存在很大的局限性。,绪论（三维造型技术概述）,计算机辅助造型设计软件的三维造型过程CAD系统的建模曲面造型曲面造型又叫表面造型，它在线框模型的基础上添加了面的信息，利用曲面型，就可以对物体做剖面、消隐并获得加工所需要的表面信息等。对一些复杂的物体表面，如汽车车身和模具型体面等自由曲面，不能利用基本立体要素如棱柱、棱锥、球、一般回转体和有界平面等进行描述，必须根据自由曲线和自由曲面的理论进行计算。目前曲面多采用NURBS样条(非均匀有理B样条)曲线表达。,绪论（三维造型技术概述）,计算机辅助造型设计软件的三维造型过程CAD系统的建模实体造型（如图）实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体和环状体等多种基本形体为单位元素，经拼合或布尔运算，生成所需要的几何形体。实体造型技术在实体模型、实体机械零件的设计、三维形体的有限元分析、运动学分析、建筑物分析、空间布置、部件装配、机器人、电影动画与特技等方面得到广泛的应用。,绪论（三维造型技术概述）,计算机辅助造型设计软件的三维造型过程CAD系统的建模特征造型特征造型是面向以继承的、向生产过程提供全面完整的产品信息的造型方法，它不仅包括产品的几何信息，更包含了产品的特征信息。所谓特征是指产品描述的信息的集合，主要包括形状特征、精度特征、技术特征和材料特征。以特征为基础的造型方法是建模方法的一个里程碑，它可以充分提供制造所需要的几何数据，从而可用于制造可行性方案的评价、功能分析、过程选择、工艺过程设计等。把设计过程和生产过程紧密结合，有良好的发展前景。,绪论（三维造型技术概述）,计算机辅助造型设计软件的三维造型过程CAD系统的渲染渲染大致可分为以下几步工作：即定义摄像机、定义灯光和定义材质和进行渲染计算。跟实际的摄像机一样，电脑模拟的摄像机的主要参数是镜头焦距的大小，改变焦距可以获得不同的视野。光影的模拟是产生场景真实感的重要手段，精心设计的灯光效果无疑会使场景更生动、更富表现力。计算机里灯光的类型一般有点光、管状光、聚光、平行光等。定义三维模型表面的材质效果可以产生逼真的质感及表面肌理图案，在材质编辑模块中，可通过改变材质的颜色、纹理、反光特性、透明特性、发光特性、反射特性等来模拟现实生活中的各种材质。,绪论（三维造型技术概述）,三维造型CAD系统的组成及功能三维造型CAD系统一般由数值计算与处理、交互绘图与图形输入输出、存储和管理设计制造信息的工程数据库三大模块组成，其主要功能包括:造型功能。强大的图形处理功能，包括绘图、编辑、图形输入输出和真实感图形渲染等。有限元分析和优化设计能力。三维运动机构的分析与仿真。提供二次开发工具，以适应不同行业、不同情况的需要。数据管理能力，以产品为中心对设计信息和与之相关的信息进行综合管理，提高设计部门总体效率。方便的数据交换功能，提供通用的文件格式转换接口，达到自动检索、快速存取、不同系统间传输与交换的目的。,绪论（三维造型技术概述）,计算机辅助造型设计的历史、现状与展望计算机辅助造型设计的历史，基本上就是计算机辅助设计的历史。计算机辅助设计是随着计算机硬件、软件技术进展而发展起来的。自从1945年第一台电子计算机问世以来，利用计算机进行工程、产品辅助设计技术的发展大致经历了如下几个阶段：20世纪40年代末至50年代末是孕育、形成阶段；50年代末至60年代中、后期是成长阶段；70年代以后进入开发应用阶段；80年代中期以后是向标准化、集成化、智能化方向的发展时期；近年来，由于个人计算机性能的迅速提高，已具有较强的图形处理能力和支持多处理机并行处理的能力。在三维造型软件的开发上，发展也相当迅速，3DSMAX、RHINO等专业的三维建模软件纷纷出台。80年代还处于理论研究的三维几何造型曲面造型己进入实际运用阶段。计算机辅助设计的未来：向网络化、协同化、集成化发展。,绪论（三维造型技术概述）,计算机辅助造型设计相关软件介绍由于计算机技术的迅速发展，针对不同的用户及不同产品的造型法则，各大公司相继推出了各种档次的计算机图形软件，如下页表所示，为设计师提供了适合自身条件的各种软件，大大提高了计算机的普及程度和计算机辅助设计的水平。,绪论（三维造型技术概述）,计算机辅助造型设计相关软件介绍,各种计算机辅助设计软件分类表,绪论（三维造型技术概述）,典型的计算机辅助造型设计软件介绍上页表中所列的中、高、低端软件，并不是严格意义上的划分，在很多设计的实际应用中，根据自身的特色，通常在计算机辅助造型设计流程中将这些软件在不同阶段混合使用。下面对目前最普及的一些计算机辅助设计软件进行介绍。3DSMAX3DSSTUDIOMAX(3DSMAX)是在PC机上最流行的三维建模及动画制作软件，它集实体造型、着色渲染、动画制作于一体，强调空间感和视觉效果，不注重精确性。广泛应用于建筑和室内装饰设计、产品外观设计、广告设计、影视特技制作、三维游戏开发等领域。但是作为计算机辅助造型设计方面的应用，主要是取其三维立体建模、场景灯光、材质编辑和渲染等功能，并以其方便的操作和出色的效果，深受广大设计师的喜爱。3DSMAX制作流程包括建模、材质贴图、动画设计、场景渲染、后期处理等几个环节。其中后期处理工作效果调整、拼装组合和打印输出通常借助于二维图像处理软件Photoshop完成。另外，存为3ds，dxf和dwg格式的AutoCAD图形可在3DSMAX中导入。,绪论（三维造型技术概述）,典型的计算机辅助造型设计软件介绍2.MAYAMAYA集成了Alias/Wavefront最先进的动画及数字效果技术。不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术结合。可在Windows等操作系统上运行。在目前市场上用来进行数字和三维制作的工具中，MAYA是首选解决方案。MAYA已在全世界广泛应用于影视、视频、游戏、商业产品、宽带、本地化娱乐、高端广播、多种图形运用、模拟仿真等领域，其杰出性能都巧妙的集成在一个整体的工作环境中，给用户以最优化的产品性能。,绪论（三维造型技术概述）,典型的计算机辅助造型设计软件介绍3.AutoCADAutoCAD是Autodesk公司开发的，用途最为广泛的计算机辅助设计软件。AutoCAD的功能非常健全，使用容易，用户一旦学会了程序命令和菜单结构，就很快的完成了手工所不能完成或是干起来非常琐碎的工作。另外，AutoCAD的性能由庞大的第三方的工作而得到进一步增强。AutoCAD自身只提供了一些程序，使特殊的用户能对基本的AutoCAD进行改造工作。目前，国内的许多机械设计、建筑设计的中文版专业软件的内核都是AutoCAD。AutoCAD最大的优势是绘制工程制图。除此而外，AutoCAD三维建模的能力也相当强，除了双曲面、倒角难做外，构建任何形体都很方便。AutoCAD还有一个特点就是具有广泛的兼容性，其文件格式除本身的外，格式几乎是所有软件都能接受的通用格式，为设计师在混合使用软件时，提供了广泛的交流性。,绪论（三维造型技术概述）,典型的计算机辅助造型设计软件介绍4.Rhino(犀牛)Rhino是全世界第一套将曲面引进操作系统的计算机辅助造型设计软件。由于价格低廉、系统要求不高、建模能力强、易于操作等优异性，让全世界的使用者有很大的震撼。Rhino是以NURBS为主要构架的三维模型软件，因此在曲面造型特别是自由双曲面造型上有异常强大的功能，几乎能做出我们在造型设计中所碰到的任何曲面。Rhino在渲染方面的功能不够理想，但其较强的兼容性，可将模型输出到其它的软件中去完成。所以设计师在使用时，在渲染上一般和3DSMAX等软件配合使用。,绪论（三维造型技术概述）,典型的计算机辅助造型设计软件介绍5.Alias（中文意思：别名、化名）AliasDesignStudio(Alias)是一套十分专业的工业设计与模拟动画的软件，由加拿大Alias-Wavefront公司开发。Alias在工业设计、动画、雕塑、室内设计、建筑设计等领域，居于主导地位已经十余年了，在此期间，Alias经过许多大的变革，例如线性变革，由B-Spline到当前的NURBS的改变，从文字界面到图表界面。在工程设计上，它擅长表达概念阶段的造型设计，让设计者能够快速的将构想的草图，以逼真的三维模型呈现在眼前。另外，Alias是一套以曲面模型(SurfaceModel)为基础的软件，用户在设计过程中，不必局限于传统的实体模型在参考面的设置。用户的创意造型随着意念走，轻松的利用计算机建立的三维模型发挥出个人创意。,绪论（三维造型技术概述）,典型的计算机辅助造型设计软件介绍PhotoshopPhotoshop是专业图像处理软件，通过三维设计软件的场景渲染输出后，对细节补充或是色彩调整等工作，基本上可在该软件中完成。,绪论（三维造型技术概述）,典型的计算机辅助造型设计软件介绍CATIACATIA是达索系统公司的旗舰产品,它由达索系统公司负责开发,并由IBM公司负责销售。CATIA产品线覆盖机械设计、外观设计、美观设计、家用产品设计、仪器与系统工程、数控加工、分析及仿真。目前,CATIA已经成为CAD/CAM领域最好的系统软件,其强大的设计功能和丰富的加工功能为波音、空中客车公司等大客户的新产品开发提供了强有力的保证。目前,CATIA是国际高端CAD软件的领头羊,在航空及造船工业具有垄断地位,并占据汽车工业相当大的份额。,绪论（三维造型技术概述）,典型的计算机辅助造型设计软件介绍8.Pro-E(Pro-EngineerWildfire)Wildfire(野火版)是PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司的数字化设计与制造软件,它包含设计分析、模具、加工及管道设计等块。Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体建模系统,工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型,如腔、壳、倒角及圆角,用户可以随意勾画草图,轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。Pro-Engineer的这种基于特征的参数化设计方法后来被中端CAD产品,如SolidWorks,SolidEdge,Inventor所广泛采用。,绪论（三维造型技术概述）,典型的计算机辅助造型设计软件介绍9.SolidWorks美国SolidWorks公司成立于1993年,1997年6月被达索系统公司高价收购,交易额3.1亿美元。SolidWorks现已成为国际上中端微机三维CAD产品的领头羊。Solidworks主要有以下几个特点：Solidworks有丰富的零件实体建模功能；Solidworks可以很方便地生成装配体，提供基于装配关系和运动特征的装配设计功能，支持多重的子装配；Solidworks里的PhotoWorks提供了制作高质量图像的渲染工具，能使零件或装配体的显现近乎照片。,绪论（三维造型技术概述）,20世纪40年代末至50年代末：孕育、形成阶段1959年12月在MIT召开的一次计划会议上，明确提出了CAD的概念，对以后CAD的发展起了很大的作用。这一阶段主要特点是提出CAD设想，为CAD研制试验提供了硬、软件的准备工作。,绪论（三维造型技术概述）,50年代末至60年代中、后期：成长阶段在20世纪60年代初发生了两件对CAD发展有影响的重大事件：第一件是美国MIT林肯实验室的博士研究生I.E.Sutherland发表的博士论文“Sketchpad”一人机交互的图形系统”，它首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储的数据结构等新思想，从而为CAD的应用打下了理论基础。第二件是1964年美国通用汽车公司(GM)和IBM公司成功开发了用于汽车前窗玻璃线性设计的CAD-I系统，这是CAD最早用于具体对象的系统。由于两件事情的发生，使得讲求实效的工程界对CAD的发展前景充满了信心。此后CAD在世界范围内得到迅速而全面的发展。,绪论（三维造型技术概述）,70年代：开发应用阶段在此阶段CAD技术开始实用化，从二维的电路设计到三维的飞机、造船、汽车等设计，出现了很多开发CAD系统的软件公司。一些大公司开始在CAD技术应用中取得效益；这个年代末，CA