三维CAD技术的发展

CAD技术出现于50年代后期,随着在计算机屏幕上绘图变为可行而在60年**始迅速发展。当时,CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件,以图纸为媒介进行技术交流,这就是二维计算机绘图技术。60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息,不能有效表达几体数据间的拓扑关系。从70年**始,开始出现了三维CAD技术,并得到逐步发展。

1 曲面造型技术

70年代正是飞机和汽车工业的蓬勃发展时期,在飞机及汽车制造中,遇到了大量的自由曲面问题,只能通过多截面视图、特征纬线的方式来近似表达。由于三视图表达方式并不能完整地反映设计者的意图,经常出现制作的样品与设计者的设计初衷有很大差异的情况;同时,设计者也无法保证自己所设计的曲面形状能否满足要求,所以经常按比例制作油泥模型作为设计评审或方案比较的依据。这种方式使得产品的研发时间较长,新产品上市的周期缓慢。为了解决飞机和汽车制造中大量的自由曲面问题,出现了贝塞尔算法。贝塞尔算法的出现使得人们利用计算机处理曲线及曲面问题变得可行,法国的达索飞机制造公司在二维绘图系统的基础上,开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法,推出了三维曲面造型系统CATIA,实现了CAD技术的第一次创新。CATIA的出现,标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来,首次实现了借助计算机完整地描述产品零件的主要信息,是CAD技术的第一次革命。当时的CAD开发者主要是为了解决产品设计中的实际问题或者有企业的支持而发展起来的,主要包括美国通用电气(GE)公司开发的CALMA ,美国波音(Boeing)公司支持的CV,美国国家航空及宇航局(NASA)支持的I-DEAS,美国麦道(MD)公司开发的UG,法国达索(Dassault)公司开发 的CATIA等。

2 实体造型技术

70年代末到80年代初,由于计算机技术的大跨步前进,CAE、CAM技术也开始有了较大发展。SDRC公司在当时星球大战计划的背景下,由美国宇航局支持及合作,开发出了许多专用分析模块,用以降低巨大的太空实验费用,同时在CAD技术方面也进行了许多开拓。基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索,SDRC公司于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。实体造型技术能够精确表达零件的全部属性,在理论上有助于统一CAD/CAE/CAM的模型表达,给设计带来了很大的方便性,但是,实体造型技术同时也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下,实体造型的计算及显示速度很慢,并不利于实际应用;并且,以实体模型为前提的CAE本来就属于较高层次技术,普及面较窄,反映还不强烈;另外,在算法和系统效率的矛盾面前,许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力量去开发它,因此,实体造型技术在当时并没有迅速在整个行业全面推广开。但是,实体造型技术所代表的CAD技术的发展方向并没有改变,在以后的10年里,随着硬件性能的提高,实体造型技术又逐渐为众多CAD系统所采用。在这期间,CV公司最先在曲面算法上取得突破,一跃成为CAD领域的领导者。虽然推动了此次技术革命的SDRC公司由于当时硬件的限制没有实现飞跃发展,但不可否认,实体造型技术标志着CAD技术的第二次革命。

3 参数化技术

进入80年代中期,CAD技术的研究又有了重大进展。在此之前,造型技术都属于无约束的自由造型,CV公司的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颍的算法—参数化实体造型方法。它主要的特点是:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改,核心算法与以往的系统有本质差别。 由于当时的参数化技术方案还处于一种发展的初级阶段,很多技术难点有待于攻克,对于是否马上投资发展这项技术,CV公司内部展开了激烈的争论。考虑到参数化技术存在的难点及当时的市场环境等诸多因素,CV公司内部否决了参数化技术方案。策划参数化技术的这批人在新思想无法实现时,集体离开了CV公司,另成立了一个参数技术公司(Parametric Technology Corp),开始开发命名为Pro/E的参数化软件,第一次实现了尺寸驱动零件设计修改。它克服了自由建模的无约束状态,几何形状均以尺寸的形式而牢牢地控制住。如打算修改零件形状时,只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。这种通过尺寸驱动的方式对于那些习惯看图纸、以尺寸来描述零件的设计者是十分对路的,在许多通用件、零部件设计上存在简便易行的优势。随着技术的不断成熟,进入90年代,参数化技术获得了越来越广泛的应用。可以认为,参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。

4 变量化技术

参数化技术的成功应用,使得它在90年前后几乎成为CAD业界的标准,它是一种全尺寸约束的建模方式。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,通过尺寸的改变来驱动形状的改变,一切以尺寸(即所谓的“参数”)为出发点。一旦所设计的零件形状过于复杂时,面对满屏幕的尺寸,如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观;再者,如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变,失去了某些约束的几何特征也会造成系统数据混乱。面对这些问题,SDRC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实体造型技术-变量化技术,将软件全部重新改写,于1993年推出全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。变量化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点,但在约束定义方面做了根本性改变。它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,而不是象参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。即变量化技术允许欠尺寸约束的存在,这样,极大地方便了设计者在新产品开发阶段进行概念设计。除考虑几何约束(Geometry Constrain)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。综上,变量化技术既保持了参数化技术的优点,同时又克服了它的许多不足之处,它的成功应用,为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。毫无疑问,变量化技术驱动了CAD发展的第四次技术革命。

5 同步技术

传统的参数化建模按序列把规则应用于几何图形,虽然可以自动完成设计意图的变更,但却无法解决计划之外的工程变更,设计人员必须重新计算在构造历史记录模块的情况下创建一致的特征;无参数建模则以一种不受约束的方式集中处理几何图形,但由于技术的限制,往往牺牲了系统智能和设计意图,而且,即便有时可以忽略三维模型复杂的历史记录,它也并不能处理各种特征;同时,由于不同的CAD系统的建模方式不尽相同,这样就会出现不同系统之间的兼容问题。基于这个问题,Siemens PLM Software于2008年推出了同步技术的建模方式。同步技术在参数化、基于历史记录建模的基础上前进了一大步,同时与先前技术共存;它可以实时检查产品模型当前的几何条件,并且将它们与设计人员添加的参数和几何约束合并在一起,以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型,无需重复全部历史记录。同步技术是一种混合的建模和约束求解算法,结合了特征建模和直接建模二者的优势。它解决了异构CAD系统之间的模型共享问题,即设计特征和设计知识的重用问题,使得产品的设计与格式无关,与造型方法无关。同步技术的产生是交互式三维实体建模中一个成熟的、突破性的飞跃,三维CAD 设计历史中的一个重要里程碑。

三维建模技术经历了从线框建模、曲面/实体建模到参数化建模、变量技术的发展,如今更是出现了同步技术的先进建模方式,不同的建模技术也在逐步走向融合,可以说,时至今日,建模技术的发展已经非常成熟。下图为三维建模技术发展路线图。



三维建模技术发展路线图

发表于: 2013-06-21 17:33 阅读(1447) 评论(0) 收藏 好文推荐

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