第1章了解三維建模人們生活在三維世界中，采用二維圖紙來表達幾何形體顯得不夠形象、 逼真。三維建模技術的發(fā)展和成熟應用改變了這種現(xiàn)狀，使得產(chǎn)品設計實現(xiàn)了從二維到三維的飛躍，且必將越來越多地替代二維圖紙，最終成為工程領域的通用語言。因此三維建模技術也成為工程技術人員所必須具備的基本技能之一。■本章學習目標了解三維建模技術的基本概貌；蟲了解三維建模取代二維制圖設計的必然性；尸！了解三維建模技術的發(fā)展歷程、價值和種類；X了解三維建模技術及其與CAD、CAE、CAM等計算機輔助設計技術之間的關系；掌?>■握三維建模的方法。1.1設計的飛躍一一從二維到三維目前我們能夠看到的幾乎所有印刷資料，包括各種圖書、圖片、圖紙，都是平面的，是二維的。而現(xiàn)實世界是一個三維的世界， 任何物體都具有三個維度， 要完整地表述現(xiàn)實世界的物體，需要用X、Y、Z三個量來度量。所以這些二維資料只能反映三維世界的部分信息，必須通過抽象思維才能在人腦中形成三維映像。工程界也是如此。多年來，二維的工程圖紙一直作為工程界的通用語言，在設計、 加工等所有相關人員之間傳遞產(chǎn)品的信息。 由于單個平面圖形不能完全反映產(chǎn)品的三維信息， 人們就約定一些制圖規(guī)則，如將三維產(chǎn)品向不同方向投影、 剖切等，形成若干由二維視圖組成的圖紙，從而表達完整的產(chǎn)品信息，如圖 1-1所示。圖中是用四個視圖來表達產(chǎn)品的。圖紙上的所有視圖，包括反映產(chǎn)品三維形狀的軸測圖 （正等軸測圖、斜二測視圖或者其他視角形成的軸測圖），都是以二維平面圖的形式展現(xiàn)從某個視點、方向投影過去的物體的情況。根據(jù)這些視圖以及既定的制圖規(guī)則， 借助人類的抽象思維，就可以在人腦中重構物體的三維空間幾何結構。因此，不掌握工程制圖規(guī)則，就無法制圖、讀圖，也就無法進行產(chǎn)品的設計、制造，從而無法與其他技術人員溝通。毋庸置疑，二維工程圖在人們進行技術交流等方面起到了重要的作用。但用二維工程圖形來表達三維世界中的物體，需要把三維物體按制圖規(guī)則繪制成二維圖形（即制圖過程），其他技術人員再根據(jù)這些二維圖形和制圖規(guī)則，借助抽象思維在人腦中重構三維模型（即讀圖過程），這一過程復雜且易出錯。因此以二維圖紙作為傳遞信息的媒介，實屬不得已而為之。

圖1-1那么，有沒有辦法可以直接反映人腦中的三維的、投影到二維、二維再抽象到三維的過程呢？答案是肯定的，接建立產(chǎn)品的三維模型，如圖 1-2所示。具有真實感的物體，而不用經(jīng)歷三維這就是三維建模技術，它可以直圖1-1那么，有沒有辦法可以直接反映人腦中的三維的、投影到二維、二維再抽象到三維的過程呢？答案是肯定的，接建立產(chǎn)品的三維模型，如圖 1-2所示。具有真實感的物體，而不用經(jīng)歷三維這就是三維建模技術，它可以直三維建模技術直接將人腦中設計的產(chǎn)品通過三維模型來表現(xiàn)， 無須借助二維圖紙、制圖規(guī)范、人腦抽象就可獲得產(chǎn)品的三維空間結構，因此直觀、有效、無二義性。三維模型還可直接用于工程分析，盡早發(fā)現(xiàn)設計的不合理之處，大大提高設計效率和可靠性。但是，過去由于受計算機軟、硬件技術水平的限制，三維建模技術在很長一段時間內(nèi)不能實用化，人們?nèi)圆坏貌唤柚S圖紙來設計制造產(chǎn)品。而今，微機性能大幅提高，微機CPU的運算速度、內(nèi)存和硬盤的容量、顯卡技術等硬件條件足以支撐三維建模軟件的硬件需求，而三維建模軟件也日益實用化，因此三維建模技術在人類生活的各個領域開始發(fā)揮著越來越重要的作用。正是三維建模技術的實用化，推動了 CAD、CAM、CAE（計算機輔助設計、計算機輔助制造、計算機輔助工程分析技術，統(tǒng)稱 CAx技術）的蓬勃發(fā)展，使得數(shù)字化設計、分析、虛擬制造成為現(xiàn)實，極大地縮短了產(chǎn)品設計制造周期。毫無疑問，三維建模必將取代二維圖紙， 成為現(xiàn)代產(chǎn)品設計與制造的必備工具； 三維建模技術必將成為工程人員必備的基本技能，替代機械制圖課程，成為高校理工科類學生的必修課程。由于基于二維圖紙的產(chǎn)品設計、制造流程已沿用多年， 數(shù)字化加工目前也還不能完全取代傳統(tǒng)的加工方式，因此，二維圖紙及計算機二維繪圖技術現(xiàn)在還不可能完全退出企業(yè)的產(chǎn)品設計、制造環(huán)節(jié)。但是只要建立了產(chǎn)品的三維數(shù)字模型， 生成產(chǎn)品的二維圖紙是一件非常容易的事情參見本書UGNX制圖部分的內(nèi)容）。事實上，三維建模并非一個陌生的概念，接下來先讓我們深入理解什么是三維建模。1.2什么是三維建模什么是三維建模呢？設想這樣一個畫面：父親在爐火前擁著孩子，左一刀、右一刀地切削一塊木塊；在孩子

出神的眼中，木塊逐漸成為一把精致的木手槍或者彈弓。 木手槍或彈弓形成的過程， 就是直觀的三維建模過程。三維建模在現(xiàn)實中非常常見， 如孩子們堆沙丘城堡、搭積木的過程是三維建模的過程，雕刻、制作陶瓷藝術品等，也都是三維建模的過程。三維建模是如此的形象和直觀：人腦中的物體形貌在真實空間再現(xiàn)出來的過程，就是三維建模的過程。廣義地講，所有產(chǎn)品制造的過程，無論手工制作還是機器加工， 都是將人們頭腦中設計的產(chǎn)品轉化為真實產(chǎn)品的過程，都可稱為產(chǎn)品的三維建模過程。計算機在不到100年的發(fā)展時間里，幾乎徹底改變了人類的生產(chǎn)、生活和生存方式，人腦里想象的物體，幾乎都能夠通過“電腦”來復現(xiàn)了。本書所說的“三維建?！?，是指在計算機上建立完整的產(chǎn)品三維數(shù)字幾何模型的過程，與廣義的三維建模概念有所不同。計算機中通過三維建模建立的三維數(shù)字形體， 稱為三維數(shù)字模型，簡稱三維模型。在三維模型的基礎上，人們可以進行后續(xù)的許多工作，如 CAD、CAM、CAE等。雖然三維模型顯示在二維的平面顯示器上，與真實世界中可以觸摸的三維物體有所不同，但是這個模型具有完整的三維幾何信息， 還可以有材料、顏色、紋理等其他非幾何信息。人們可以通過旋轉模型來模擬現(xiàn)實世界中觀察物體的不同視角，通過放大 /縮小模型，來模擬現(xiàn)實中觀察物體的距離遠近， 仿佛物體就位于自己眼前一樣。 除了不可觸摸，三維數(shù)字模型與現(xiàn)實世界中的物體沒有什么不同，只不過它們是虛擬的物體。提示:計算機中的三維數(shù)字模型， 對應著人腦中想象的物體， 構造這樣的數(shù)字模型的過程， 就提示:計算機中的三維數(shù)字模型， 對應著人腦中想象的物體， 構造這樣的數(shù)字模型的過程， 就是計算機三維建模，簡稱三維建模。在計算機上利用三維造型技術建立的三維數(shù)字形體， 稱為三維數(shù)字模型，簡稱三維模型。三維建模必須借助軟件來完成，這些軟件常被稱為三維建模系統(tǒng)。三維建模系統(tǒng)提供在計算機上完成三維模型的環(huán)境和工具，而三維模型是CAx系統(tǒng)的基礎和核心，因此CAx件必須包含三軟維建模系統(tǒng)，三維建模系統(tǒng)也由此被廣泛應用于幾乎所有的工業(yè)設計與制造領域。本書以世界著名的CAx軟件——UGNX為例，介紹三維建模技術的基本原理、建模的基本思路和方法，其他CAx軟件系統(tǒng)雖然功能、操作方式等不完全相同， 但基本原理類似，學會使用一種建模軟件后，向其他軟件遷移將非常容易。三維建模系統(tǒng)的主要功能是提供三維建模的環(huán)境和工具， 幫助人們實現(xiàn)物體的三維數(shù)字模型，即用計算機來表示、控制、分析和輸出三維形體，實現(xiàn)形體表示上的幾何完整性，使所設計的對象生成真實感圖形和動態(tài)圖形，并能夠進行物性（面積、體積、慣性矩、強度、剛度、振動等）計算、顏色和紋理仿真以及切削與裝配過程的模擬等。具體功能包括：?形體輸入：在計算機上構造三維形體的過程。?形體控制：如對形體進行平移、縮放、旋轉等變換。?信息查詢：如查詢形體的幾何參數(shù)、物理參數(shù)等。?形體分析：如容差分析、物質(zhì)特性分析、干涉量的檢測等。?形體修改：對形體的局部或整體修改。?顯示輸出：如消除形體的隱藏線、隱藏面，顯示、改變形體明暗度、顏色等。?數(shù)據(jù)管理：三維圖形數(shù)據(jù)的存儲和管理。1.3三維建?！狢Ax的基石CAx技術包括CAD（ComputerAidedDesign，計算機輔助設計）、CAM（ComputerAidedManufacturing，計算機輔助制造）、CAPP（ComputerAidedProcessPlanning，計算機輔助工藝規(guī)劃）、CAE（ComputerAidedEngineering，計算機輔助工程分析）等計算機輔助技術；其中，CAD技術是實現(xiàn) CAM、CAPP、CAE等技術的先決條件，而 CAD技術的核心和基礎是三維建模技術。以模制產(chǎn)品的開發(fā)流程為例，來考察 CAx技術的應用背景以及三維建模技術在其中的地位。通常，模制產(chǎn)品的開發(fā)分為四個階段，如圖 1-3所示。.產(chǎn)品設計階段CAD首先建立產(chǎn)品的三維模型。建模的過程實際就是產(chǎn)品設計的過程，這個過程屬于

CAD領域。設計與分析是一個交互過程，設計好的產(chǎn)品需要進行工程分析（CAE），如強度分析、剛度分析、機構運動分析、熱力學分析等，分析結果再反饋到設計階段（ CAD），根據(jù)需要修改結構，修改后繼續(xù)進行分析，直到滿足設計要求為止。產(chǎn)品設計模具設計模具制造模具制造產(chǎn)品制造產(chǎn)品制造CADCAEI產(chǎn)品設計模具設計模具制造模具制造產(chǎn)品制造產(chǎn)品制造CADCAEICADCAECAM/CAPPCAM/CAPP圖1-3.模具設計階段根據(jù)產(chǎn)品模型，設計相應的模具，如凸模、凹模以及其他附屬結構，建立模具的三維模型。這個過程也屬于CAD領域。設計完成的模具，同樣需要經(jīng)過CAE分析，分析結果用于檢驗、指導和修正設計階段的工作。例如對于塑料制品，注射成型分析可預測產(chǎn)品成型的各種缺陷（如熔接痕、縮痕、變形等），從而優(yōu)化產(chǎn)品設計和模具設計，避免因設計問題造成的模具返修甚至報廢。模具的設計分析過程類似于產(chǎn)品的設計分析過程， 直到滿足模具設計要求后，才能最后確定模具的三維模型。.模具制造階段由于模具是用來制造產(chǎn)品的模版，其質(zhì)量直接決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量，所以通常采用數(shù)控加工方式，這個過程屬于CAM領域。制造過程不可避免地與工藝有關，需要借助 CAPP領域的技術。.產(chǎn)品制造階段此階段根據(jù)設計好的模具批量生產(chǎn)產(chǎn)品，可能會用到 CAM/CAPP 領域的技術。

可以看出，模制品設計制造過程中，貫穿了CAD、可以看出，模制品設計制造過程中，貫穿了CAD、CAMCAE、CAPP等CAx技術;而這些技術都必須以三維建模為基礎。例如要設計生產(chǎn)如圖1-4和圖1-5所示的產(chǎn)品，必須首先建立其三維模型。沒有三維建模技術的支持，CAD技術無從談起。圖1-4 圖1-4 圖1-5產(chǎn)品和模具的CAE，不論分析前的模型網(wǎng)格劃分，還是分析后的結果顯示，也都必須借助三維建模技術才能完成，如圖 1-6和圖1-7所示。圖1-6 圖1-6 圖1-7對于CAM，同樣需要在模具三維模型的基礎上，進行數(shù)控(NumericalControlNC)編程與仿真加工。圖1-8顯示了模具加工的數(shù)控刀路，即加工模具時，刀具所走的路線。刀具按照這樣的路線進行加工，去除材料余量，加工結果就是模具。圖 1-9顯示了模具的加工刀軌和加工仿真的情況?？梢钥闯?，CAM同樣以三維模型為基礎， 沒有三維建模技術，虛擬制造和加工是不可想象的。圖1-8 圖1-9上述模制產(chǎn)品的設計制造過程充分表明技術的核心和基礎，沒有三維建模技術，圖1-8 圖1-9上述模制產(chǎn)品的設計制造過程充分表明技術的核心和基礎，沒有三維建模技術，事實上，不僅模制產(chǎn)品，其他產(chǎn)品的產(chǎn)品的零部件結構設計，到產(chǎn)品的外觀、CAD、CAE、CAM等CAx三維建模技術是CAx技術將無從談起。CAD、CAM、CAE也都離不開三維建模技術：從人體美學設計；從正向設計制造到逆向工程、 快速原型，都離不開三維建模，如圖 1-10所示。逆向工程（RE） 快速原型（RP）圖1-101.4無處不在的三維建模目前，三維建模技術已廣泛應用于人類生活的各個領域，從工業(yè)產(chǎn)品（飛機、機械、電子、汽車、模具、儀表、輕工）的零件造型、裝配造型和焊接設計、模具設計、電極設計、鈑金設計等，到日常生活用品、服裝、珠寶、鞋業(yè)、玩具、塑料制品、醫(yī)療設施、銘牌、包裝、藝術品雕刻、考古等。三維建模還廣泛用于電影制作、 三維動畫、廣告、各種模擬器及景物的實時漫游、娛樂游戲等領域。電影特技制作、布景制作等利用 CAD技術，已有二十余年的歷史，如《星球大戰(zhàn)》、《侏羅紀公園》、《指環(huán)王》、《變形金剛》等科幻片，這是因為三維電腦動畫可以營造出編劇人員想象出的各種特技， 設計出人工不可能做到的布景， 為觀眾營造一種新奇、古怪和難以想象的環(huán)境。電影《阿凡達》中用大量三維動畫模擬了潘多拉星球上的奇異美景，讓人仿佛身臨其境。這些技術不僅節(jié)省大量的人力、物力，降低了拍攝成本，人仿佛身臨其境。這些技術不僅節(jié)省大量的人力、物力，降低了拍攝成本，而且還為現(xiàn)代科技研制新產(chǎn)品提供了思路；007系列電影中出現(xiàn)的間諜與反間諜虛擬設施，啟發(fā)了新的影像監(jiān)視產(chǎn)品的開發(fā)，促進了該領域的工業(yè)進展。1.5三維建模的歷史、現(xiàn)狀和未來長久以來，工程設計與加工都基于二維工程圖紙。 計算機三維建模技術成熟， 相關建模軟件實用化后，這種局面被徹底改變了。1.5.1三維建模技術的發(fā)展史在CAD技術發(fā)展初期，幾何建模的目的僅限于計算機輔助繪圖。隨著計算機軟、硬件技術的飛速發(fā)展，CAD技術也從二維平面繪圖向三維產(chǎn)品建模發(fā)展，由此推動了三維建模技術的發(fā)展，產(chǎn)生了三維線框建模、曲面建模以及實體建模等三維幾何建模技術，以及在實體建?；A上發(fā)展起來的特征建模、參數(shù)化建模技術。圖1-11顯示了產(chǎn)品三維建模技術的發(fā)展歷程。曲面建模和實體建模的出現(xiàn)，使得描述單一零件的基本信息有了基礎，基于統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)字化模型，可進行分析和數(shù)控加工，從而實現(xiàn)了CAD/CAM集成。技術水平特征建?；旌辖?shù)化建模體素建模曲面建模90年代線框建模70年代技術水平特征建?；旌辖?shù)化建模體素建模曲面建模90年代線框建模70年代80年代圖1-11目前，CAx軟件系統(tǒng)大多支持曲面建模、實體建模、參數(shù)化建模、混合建模等建模技術。這些軟件經(jīng)過四十年的發(fā)展、融合和消亡，形成了三大高端主流系統(tǒng)， 即法國達索公司的CATIA、德國SIEMENS公司的Unigraphics（簡稱UGNX）和美國PTC公司的Pro/Engineer（簡稱Pro/E。1.5.2三維建模系統(tǒng)的未來三維建模是現(xiàn)代設計的主要技術工具，必將取代工程制圖成為工程業(yè)界的“世界語”。如前所述，三維建模比二維圖紙更加方便、直觀，包含的信息更加完整、豐富，能輕松勝任許多二維圖紙不能完成的工作，對于提升產(chǎn)品的創(chuàng)新、開發(fā)能力非常重要。三維建模系統(tǒng)的主要發(fā)展方向如下：?標準化：主要體現(xiàn)在不同軟件系統(tǒng)間的接口和數(shù)據(jù)格式標準化，以及行業(yè)標準零件數(shù)據(jù)庫、非標準零件數(shù)據(jù)庫和模具參數(shù)數(shù)據(jù)庫等方面。?集成化：產(chǎn)品各種信息（如材質(zhì)等）與三維建模系統(tǒng)的集成。?智能化：三維建模更人性化、智能化，如建模過程中的導航、推斷、容錯能力等。?網(wǎng)絡化：包括硬件與軟件的網(wǎng)絡集成實現(xiàn)，各種通信協(xié)議及制造自動化協(xié)議，信息通信接口，系統(tǒng)操作控制策略等，是實現(xiàn)各種制造系統(tǒng)自動化的基礎。目前許多大的CAD/CAM 軟件已具備基于Intern實現(xiàn)跨國界協(xié)同設計的能力。?專業(yè)化：從通用設計平臺向專業(yè)設計轉化，結合行業(yè)經(jīng)驗，實現(xiàn)知識融接。?真實感：在外觀形狀上更趨真實化，外觀感受、物理特性上更加真實。不論從技術發(fā)展方向還是政策導向上看，三維建模都將在現(xiàn)代設計制造業(yè)中占據(jù)舉足輕重的地位，成為設計人員必備的技能之一。1.6如何學好三維建模技術學好三維建模技術，首先要掌握三維建模的基礎知識、基本原理、建模思路與基本技巧，其次要學會熟練使用至少一個三維建模軟件， 包括各種建模功能的使用原理、 應用方法和操作方法?；A知識、基本原理與建模思路是三維建模技術學習的重點，它是評價一個 CAD工程師三維建模水平的主要依據(jù)。目前常用 CAD軟件的基本功能大同小異，因此對于一般產(chǎn)品的三維建模，只要掌握了正確的建模方法、思路和技巧，采用何種 CAD軟件并不重要。掌握了三維建模的基本原理與正確思路，就如同學會了捕魚的方法， 學會了“漁”而不僅僅是得到一條“魚”。在學習三維建模軟件時， 也應避免只重視學習功能及操作