三维造型技术发展史综述

三维造型技术三维建模技术是研究在计算机上机型空间形体的表示、存贮和处理的技术，是利用计算机系统描述物体形状的技术。

如何利用一组数据表示形体，如何控制与处理这些数据，是几何造型中的关键技术。

首先我们了解一下三维建模技术的发展史。

三维建模技术的产生首先就是CAD技术。

三维建模技术是伴随着CAD技术的发展而发展的。

CAD在早期是英文computer aided drafting的缩写，CAD技术是一项综合性的、机计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其它领域知识于一体的高新技术，是先进制造技术的重要组成部分，也是提高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。

随着计算机硬、软件技术的发展，人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助技术。

真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、机构分析、加工制造等，二维工程图设计只是产品设计中的一个小的部分。

在CAD技术发展初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着三维建模技术的发展，CAD技术才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之产生了三维线框模型、曲面模型和实体造型技术。

而如今参数化及变量化设计思想和特征模型则代表了当今CAD技术的发展方向。

进入20世纪70年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。

此间飞机及汽车制造中出现了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方法来近似表达所要设计的曲面。

由于三视图表达的不完整性，因此很难达到设计者的要求。

此时法国人贝塞尔提出了Bezier算法，使得人们在用计算机处理曲面及曲线问题时变得可以操作。

法国达索飞机制造公司开发了三维曲面造型系统CATIA带来了第一次CAD技术革命。

进入20世纪80年代，CAD价格依然令一般企业望而却步，这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。

由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利。

基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC 公司在美国国家航空及宇航局支持下与1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件——I-DEAS。

由于实体模型能准确表达零件的全部属性，在理论上统一CAD/CAE/CAM——带来了CAD发展史上的第二次技术革命。

20世纪80年代中晚期，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度降低，CAD技术的硬件平台从二十几万美元降到只需几万美元。

很多中小企业也开始有能力使用CAD技术。

1988年，参数技术公司采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术开发了Pro/E软件，为三维实体造型提供了一个优良的平台。

参数化造型的主体思想是几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到一系列在形状或功能上具有相似性的设计方案。

目前能处理的集合约束类型基本上组成产品形体的集合实体公称尺寸关系和尺寸间的工程关系，因此参数化造型技术又称尺寸驱动几何技术。

带来了CAD发展史上的第三次技术革命。

参数化技术要求全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸改变来驱动形状改变，一切以尺寸（即参数）为出发点，干扰和制约着设计者的创造力和想象力的发挥。

为此，SDRC公司的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的变量化技术，1993年推出了全新体系结果的I-DEAS Msater Series软件——带来了CAD发展史上的第四次技术革命。

变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是像参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。

除考虑几何约束之外，变量化设计还可以将工程关系作为约束条件直接与几何方程联立求解，无须另建模型处理。

基于特征的参数化造型在三维造型中占有很重要的位置，所以我们介绍一下参数化造型首先特征就是任何已被接受的某一个对象的几何、功能元素和属，通过它们我们可以很好地理解该对象的功能、行为和操作。

更为严格的定义也被使用：特征就是一个包含工程含义或意义的几何原型外形。

特征在此已不是普通的体素，而是一种封装了各种属性（attribute）和功能（function）的功能要素。

目前特征的分类还没有统一的体制。

一般来说，特征可分为造型特征和面向过程的特征。

造型特征（又称为形状特征）是指那些实际构造出零件的特征，而面向过程的特征并不实际参与零件几何形状的构造。

造型特征进一步分为基本特征和二次特征，基本特征是指构成零件主要形状的特征，二次特征是指用来修改基本特征的特征，通常分为正、负特征。

面向过程的特征可细分为：精度特征、技术要求特征、材料特征和装配特征。

由此我们可以利用较高层次的语义丰富的特征来代替简单的原始的几何元素作为基本元素，通过一定的组合法则来建模，这就是特征造型。

特征的表示和建立就成为其中的关键。

随着面向对象的技术的建立和发展，尤其是封装和继承的概念，解决了可扩充性和数据结构的复杂性，使得特征可以只包含所需的信息，需要时可通过继承来添加所需信息，它对特征造型提供了强有力的支持。

关于特征描述。

在基于特征的造型中对于特征的描述是关键，特征描述应该包含几何形状的表示和相关的处理机制以及特征高层语意信息的，目前主要是探讨形状特征。

特征（严格地说是语义特征）可被视为由三类属性描述的面向几何的物体：数据属性包含特征的静态信息；规则或方法属性定义特征特定的设计和制造特性；关系属性描述特征间的位置关系。

形状特征实际上是几何实体无任何语义的结构化组合，形状特征与特征间是一对多的关系，这体现了特征的应用多视角性。

通常，对形状特征的描述有几种：B-REP（bound representation）、CSG(constructive solid geometry)、以及混合法。

但在CAD应用中，参数化设计应用越来越广，因此就出现了将参数化设计应用到特征设计中去，使得特征具有可调整性，主要是针对特征的几何和拓扑信息。

我们可以利用混合法来建立特征模型，并将参数化法引入到特征造型中去，使形状特征可以根据需求调整变化，这就是基于特征参数化设计。

对于特征的描述可以利用面向对象的语言来描述，利用封装来包含特征所需的信息，使用成员变量来表示特征的静态属性以及与其他特征的关系属性，用成员函数来描述特征特定的设计、制造和行为规则方法，并且由可以通过继承来产生新的特征，发展已有的特征，来满足造型时的需要。

在建立特征类的关键是形状特征的描述方法。

建立形状特征的过程可视为约束满足的过程，设计本质上是通过提取特征有效的约束来建立其约束模型并进行约束求解（这也可称为变量化设计）。

那么在类内，可以将形状特征分解成为多个成员变量，通过使用成员函数（进行约束求解）来连接这些变量，然后通过图形显示的成员函数来使特征的外形可视。

这些约束一般根据不同的产品的功能、产品结构强度刚度和制造过程的不同来转化的，并将这些限制综合成设计目标，然后将它们映射成为特定的几何和拓扑结构，从而转化为约束。

通常在国外将约束分为基约束、尺寸约束、几何约束和拓扑约束。

拓扑约束用来约束零部件的结构，几何约束用来约束各几何元素的固定联系，尺寸约束用来约束各几何元素的大小尺寸，基约束为描述一个实体相对于其他实体的位置。

在国内很多文章将这些约束统称为几何约束，分类为尺寸约束和拓扑约束，拓扑约束包含了本文中的几何约束和拓扑约束）将基约束、尺寸约束、几何约束和拓扑约束作为构成几何或拓扑结构的几何要素和表面轮廓要素，可以导出各形状结构的位置和形状参数，从而形成参数化的产品几何模型。

构成使用混合法表示出特征的几何体素构成，可采用一个双向链表来表示，是多个实体结构，实体结构（一个structure表示）是由B-REP表示的线、面等元素的综合。

目前最好是使用数据库来存储读取基准，以及测量实体（包括点、线、面，对于今后造型时特征的位置很重要，并且是形状特征产生时的基础是正特征还是负特征,材料信息，公差信息，制造信息，功能信息等约束（是用来具体定各几何体素的尺寸，关系，位置结构，是一些成员函数，其中构造函数用来初始化特征，给出各默认参数，其他一些函数用来计算约束求解，赋值给各体素，定位定型各体素，实现特征调整后的各体素的联动和配合，完成显示特征）行为（用来描述特征在今后造型中的利用用布尔运算进行特征造型，定位特征）特征可以被视为一个小型的包含多种信息的基本的几何模型。

鉴于此，我们可以根据以上所述来建立特征描述模型。

关键是形状特征的描述，形状特征应包含它的构成（组成它的几何体素），以及几何体素之间的关系。

形状特征的构成可以用CSG法、B-REP法和混合法来表示，一般采用混合法较好，消除了B-REP 法的不唯一性，又避免了CSG法的抽象性，它整体是采用CSG法，在其中应用B-REP的表示法，结合了二者的优点。

利用B-REP法来表示最基本的实体（也可以算是最基本的没有语义信息的特征），并且需要在其中加上参数变量以描述尺寸及关系，使得参数变量化设计可以进行。

上述用CSG法进行构造特征模型（即复合特征），在应用中的特征造型上就可利用实体进行布尔运算来进行建模。

对几何体素的关系就需要利用约束，进行变量化设计，定义尺寸大小，相对的几何关系（相切、平行、垂直等）以及拓扑结构。

新的特征可以由旧的特征继承得来，并加入所需的新的信息，一般是对形状特征的扩充。

对特征构成的描述也较为重要，实体的表示就是其中的关键，实体表示为一structure结构，该结构中还需要一structure结构来描述B-REP模型，一般用链表，在其中要包含所需的线、框和面的参数变量。

按照目前的趋势，可引入数据库接口，使它的数据成员能由数据库来进行存取。

然后有关于产品描述。

产品描述为形状特征的集合；形状特征有其对应的结构与关系固定的几何体素，产品的几何模型实质上是由许多几何体素构成的；几何体素可以是实体、曲面和线框模型。

这些体素通过约束来连接。

特征的构成表示的实体通过拓扑运算来构造所需产品，特征的成员变量中的基准用来定位，根据是正还是负特征来决定在原基础上增加还是去掉该特征。

任何一个产品都可以用一个包含特征链表、参数变量和约束的结构来表示，特征链表用来描述产品的组成元素，参数变量用来表示尺寸、几何和结构，当进行参数化调整时的产品的参数变量也变化，约束用来协调特征关系以及产品的尺寸结构。

基于特征的参数化设计将基于特征的设计与参数化设计有机的结合起来，使用较完整的带有语义的特征描述方式，并使特征本身就包含参数化变动所需的成员变量和成员函数，将面向对象的技术应用于特征的描述，在造型中也使用参数化，随时可调整产品结构、尺寸，并因此带动特征自身的变动，实现产品的基于特征的参数化设计。