三維造型設計方法的研究

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三維造型設計方法的研究簡介
隨著社會的進步,人們生活水平的不斷提高,追求完善已成為時尚.人們對消費產品的要求已不僅僅滿足於基本功能的完備,同時更注重外觀的美感.家電產品在不斷提高和完善其功能的同時,在外觀造型上要求越……
三維造型設計方法的研究正文

隨著社會的進步,人們生活水平的不斷提高,追求完善已成為時尚.人們對消費產品的要求已不僅僅滿足於基本功能的完備,同時更注重外觀的美感.家電產品在不斷提高和完善其功能的同時,在外觀造型上要求越來越高,多以複雜方式自由地變化的曲線曲面即所謂自由型曲線曲面組成.而這一類形狀單純用畫法幾何與機械製圖是不能表達的.這就給家電產品的設計及製造帶來了挑戰.
計算機技術和計算機圖形學的不斷發展,為人們提供了強有力的工具,三維CAD/CAM/CAE集成化軟體被廣泛應用於製造業.然而,要快速高質量地完成一個家電產品的造型設計,必須根據家電產品的特點,總結出一套建模方法和技巧.這樣才能大大縮短設計周期,提高設計效率,滿足客戶對產品的各種特殊需求. 1掌握三維CAD造型的原理,充分了解應用軟體中的造型方法CAD的三維模型有三種,即線框、曲面和實體。早期的CAD系統往往分別對待以上三種造型。而當前的高級三維軟體,例如UGII,PRO/E,EUCLID等則是將三者有機結合起來,形成一個整體,在建立產品幾何模型時兼用線、面、體三種設計手段。其所有的幾何造型享有公共的資料庫,造型方法間可互相替換,而不需要進行數據交換。此在進行產品造型時,必須首先充分了解應用軟體中的各種造型方法,總結出造型方法的特點、相關參數及應用技巧,減少造型時的盲目性,便能快捷有效地獲得滿意結果。
1.1線框造型
線框造型可以生成、修改、處理二維和三維線框幾何體。可以生成點、直線、圓、二次曲線、樣條曲線等,又可以對這些基本線框元素進行修剪、延伸、分段、連接等處理,生成更複雜的曲線,線框造型的另一種方法是通過三維曲面的處理來進行,即利用曲面與曲面的求交,曲面的等參數線,曲面邊界線,曲線在曲面上的投影,曲面在某一方向的分模線等方法來生成複雜曲線。實際上,線框功能是進一步構造麯面和實體模型的基礎工具。在複雜的產品設計中,往往是先用線條勾劃出基本輪廓,即所謂“控制線”,然後逐步細化,在此基礎上構造出曲面和實體模型。
1.2曲面造型
曲面造型分兩種方法,一是由曲線構造麯面;二是由曲面派生曲面。
(1)由曲線構造麯面
1)旋轉曲面:一輪廓曲線繞某一軸線旋轉某一角度而生成的曲面。
2)線性拉伸面:一曲線沿某一矢量方向拉伸一段距離而得到的曲面。
3)直紋面:在兩曲線間,把其參數值相同的點用直線段連接而成的曲面。
4)掃描面:截面發生曲線沿一條、二條或三條方向控制曲線運動,變化而生成的曲面。可根據各發生曲線與脊骨曲線的運動關係,把掃描面分為平行掃描曲面、法向掃描曲面和放射狀掃描曲面。
5)網格曲面:由一系列曲線構成的曲面。根據構造麯面的曲線的分佈規律,網格曲面可分為單方向網格曲面和雙方向網格曲面。單方向網格曲面由一組平行或近似平行的曲線構成;而雙方向網格曲面由一組橫向曲線和另一組與之相交的縱向曲線構成。
6)擬合曲面:由一系列有序點擬合而成的曲面。
7)平面輪廓面:由一條封閉的平面曲線所構成的曲面。
二次曲面:橢圓面q拋物面,雙曲面等。
(2)由曲面派生曲面
1)等半徑倒圓曲面:一定半徑的圓弧段與兩原始曲面相切,並沿著它們的交線方向運動而生成的圓弧型過渡面。
2)變半徑倒圓曲面:半徑值按一定的規律變化的圓弧段與兩原始曲面相切,並沿它們的交線方向運動而生成的圓弧型過渡面。
3)等厚度偏移曲面:與原始曲面偏移一均勻厚度值的曲面。
4)變厚度偏移曲面:在原始曲面的角點處,沿該點曲面法矢量方向偏移給定值而得到的曲面。
5)混合曲面(橋接曲面):在兩個(或多個)分離曲面的指定邊界線處,生成一個以指定邊界為生成曲面的邊界線,與所選周圍原始曲面圓滑連接的中間曲面。
6)延伸曲面:在曲面的指定邊界線處,

 

按曲面的原有趨勢(或某一給定的矢量方向)進行給定條件的曲面擴展而生成的曲面。
7)修剪曲面:把原始曲面的某一部分去掉而生成的曲面。
拓撲連接曲面:把具有公共邊界線的兩個曲面進行拓撲相加后的曲面。
1.3實體造型
(1)基本體素
1)拉伸體:一條封閉的曲線沿某一矢量方向拉伸一段距離而得到的實體,包括方體。
2)旋轉體:一條封閉曲線繞某一軸線旋轉某一角度而生成的實體。包括圓柱體、圓錐體、球體等。
3)掃描體:一條或多條封閉的截面曲線沿一條軌道按一定的規律運動而生成的實體。
4)等厚體:與原始曲面偏移給定厚度值而形成的實體。
5)縫合體:由一組封閉曲面縫合而成的實體。
6)倒圓體:在實體的稜線處,生成一個與該稜線處的兩相鄰表面相切的圓弧型過渡體。
7)倒角體:在實體的稜線處,生成一個給定角度和長度的倒角體。
(2)工藝特徵形體
包括凸台、凹腔、孔、鍵槽、螺紋、筋等。
(3)拓撲操作對體素進行並、交、差布爾運算及用曲面片體修剪體素而生成新的實體。

2對產品進行剖析,確定產品結構的主要特徵和合理的建模順序

有些家電產品看起來相當複雜,造型時感到無從下手,但只要能合理地對產品進行分解,確定產品結構的主要特徵,分清哪些是基本特徵(如配合面,保證產品外形輪廓的特徵),哪些是構造特徵(如面與面之間的過渡、凸台、凹腔、倒圓、倒角等)。首先從基本特徵入手,保證重點,產生一合理的造型“基體”或稱之為“毛坯”。在這“毛坯”上完成細節部分,如過渡面、局部凸台、凹腔、孔、筋條等。這樣主次分明,先做什麼,后做什麼,問題就迎刃而解了。
在造型時根據產品的主要結構建立特徵曲線,通過拉伸、旋轉等建立一個合理的“毛坯”,再採用布爾“並、交、差”運算,在實體之間合併、挖除、相交成型,同時還可以使用面片體作為“刀具”將“毛坯”實體剪切去除,以獲得實體的外觀形狀。這也是在家電產品造型時最常用的造型方法。其關鍵在於如何建立高質量的面片體“刀具”,這將在曲面造型技巧一節中提及。在這裡需提出的是:用以修剪、分割實體的曲面片“刀具”各邊緣都應超出“毛坯”剪切截面邊緣。此時可將原片體沿切面方向延伸,延伸片與原片體縫合后形成的較大片體即可作為“刀具”也可以重新作一較大的片體“刀具”。

3曲面造型技巧

家電產品的外觀形狀多由自由型曲線曲面組成,其共同點是必須保證曲面光順。曲面光順從直觀上可以理解為保證曲面光滑而且圓順,不會引起視覺上的凸凹感,從理論上是指具有二階幾何連續,不存在奇點與多餘拐點,曲率變化較小以及應變能較小等特點。要保證構造出來的曲面既光順又能滿足一定的精度要求,就必須掌握一定的曲面造型技巧。
3.1化整為零,各個擊破
用一張曲面去描述一個複雜的家電產品外形是不切實際和不可行的,這樣構造的曲面往往會不光順,產生大的變形q這時可根據應用軟體曲面造型方法,結合產品的外形情況,將其劃分為多個區域來構造幾張曲面,然後將其縫合,或用過渡面與其連結。
當今的三維CAD系統中的曲面幾乎都是定義在四邊形域上。因此,在劃分區域時,應盡量將各個子域定義在四邊形域內,即每個子面片都具有四條邊。而在某一邊退化為點時構成三角形域,這樣構造的曲面也不會在該點處產生大的變形。
3.2建立光順的曲面片控制線
曲面的品質與生成它的曲線即控制線有密切關係。因此,要保證光順的曲面,必須有光順的控制線。曲線的品質主要考慮以下幾點:①滿足精度要求;②曲率主方向儘可能一致;③曲線曲率要大於將做圓角過渡的半徑值。在建立曲線時,利用投影、插補、

 

光順等手段生成樣條曲線,然後通過其“曲率梳”的顯示來調整曲線段函數次數、迭代次數、曲線段數量、起點及終點結束條件、樣條剛度參數值等來互動式地實現曲線的修改達到其光滑的效果。有時通過線束或其它方式生成的曲面發生較大的波動,往往是因為構造樣條曲線的U、V參數分佈不均或段數參差不齊引起的。這時可通過將這些空間曲線進行參數一致性調整,或生成足夠(視形狀與精度而定)數目的曲線上的點,再通過這些點重新擬合曲線。
在曲面片之間實現光滑連接時,首先要保證各連接面片間具有公共邊,更重要一點是要保證各曲面片的控制線連接要光順,這是保證面片連接光順的必要條件。此時,可通過修改控制線的起點、終點約束條件,使其曲率或切矢在接點保證一致。
3.3將輪廓線刪繁就簡再構造麯面
我們看到的曲面輪廓往往是已經修剪過的,如果直接利用這些輪廓線來構造麯面,常常難以保證曲面的光順性,所以造型時在滿足零件的幾何特點前提下,可利用延伸、投影等方法將3D輪廓線還原為2D輪廓線,並去掉細節部分,然後構造出“原始”曲面,再利用面的修剪方法獲得曲面外輪廓。
3.4從模具的角度考慮
產品三維造型的最終目的是製造。家電產品零件大都由模具生產出來。因此,在三維造型時,要從模具的角度去考慮,在確定產品出模方向後,應檢查曲面能否出模,是否有倒扣現象(即撥模角為負角),如發現有倒扣現象,應對曲面的控制線進行修改,重構曲面。這一點往往被忽略,卻是非常重要的。
3.5曲面光順評估
在構造麯面時,要隨時檢查所建曲面的狀況,注意檢查曲面是否光順,是否扭曲,曲率變化情況等,以便及時修改。檢查曲面光順的方法可利用對構成的曲面進行渲染處理,即通過透視、透明度和多重光源等處理手段產生高清晰度的逼真性和觀察性良好的彩色圖像,再根據處理后的圖像光亮度的分佈規律來判斷出曲面的光順度。圖像明暗度變化比較均勻,則曲面光順性好,如果圖像在某區域的明暗度與其它區域相比變化較大,則曲面光順性差。另外,可顯示曲面上的等高斯曲率線,進而顯示高斯曲率的彩色光柵圖像,從等高斯曲率線的形狀與分佈、彩色光柵圖像的明暗區域及變化,直觀地了解曲面的光順性情況。

4結束語

家電產品的CAD三維造型是整個產品設計過程中的重要環節。充分利用現代先進的CAD技術,不但可以輔助設計者完成其設計構思,減輕勞動強度,提高效率和精度,改善視覺效果,而且為後續

 

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