漫谈CAD/CAM的几何模型

 

     CAD/CAM领域随着全球工业的发展也逐渐走向成熟,CAD/CAM所基于的几何模型也不断推陈出新,从最早的线框几何模型,发展到曲面几何模型,又到了现在的实体几何模型,下面简要说说一下CAD/CAM的几何模型系统。

  1、 线框几何模型(Wireframe Mode)

  线框结构的几何模型是在CAD刚刚起步时惯用的几何模型,因为对线框结构的几何模型研究比较多,所以它也是一种比较广泛被采用的模型,现在很多2维方面的软件都是基于这种几何模型。这种模型描述手段是以线段、圆、弧和一些简单的曲线为描述对象,通常人们也把线段、圆、弧和一些曲线称为图形元素。因此对软件来说,特别是2维软件,其实现手段比较简单。随着设计手段的提高,在线框模型中引进了图元的概念,图元是由线段、圆、弧、文字和一些曲线等图形元素和属性元素组成的一个整体。也有一些软件甚至根据人们的习惯,加入了辅助线、辅助圆、切圆等功能(如DRAWBASE),更加方便和接近了使用人员。但线框结构的几何模型在3维方面的进一步处理上有很多麻烦和困难,如消隐、着色、特征处理等。所以新的模型必需诞生,这就是曲面几何模型。

  2、 曲面几何模型结构(Surface Mode)

  曲面几何模型结构的产生,更多的影响应该归功于航空和汽车制造业的需求,因为再用线段、圆弧等这样简单的图形元素来描绘飞机、汽车的外形已经很不现实,必须用更先进的描述手段──光滑的曲面来描绘。
  这就要求人们首先必须去研究曲线,于是HERMIT CUBIC SPLINES、BEZIER CURVES、B-SPLINE CURVER、NON-UNIFORM RATIONAL B-SPLINE等曲线就产生了,这些曲线都是通过一个基底函数来合成的,所以能随意构成任何造型的曲线,也能描述圆弧、椭圆、抛物线这样我们熟悉的曲线。现在发展的比较优秀的曲线应该为NON-UNIFORM RATIONAL B-SPLINE 曲线,这种曲线专家们也简称为NURBS曲线。
  在NURBS曲线的基础上可以建立NURBS曲面,现在很多曲面几何模型的基石是NURBS曲面,如SurfCAM、ALIAS STUDIO等。曲面几何模型主要应用在航空、船舶和汽车制造业领域或对模型的外形要求比较高级的软件中,且曲面几何模型在3维消隐、着色等技术中比线框结构的模型处理的方便和容易。但曲面几何模型也有一些缺点,就是在有限元分析、物性计算等方面很难施展。

    3、 实体几何模型结构(Solid Mode)

  实体几何模型理论的发展可以追溯到1970年,当时是利用CSG(CONSTRUCTIVE SOLID GEOMETRY)方法,将所建立的实体先大致描绘出来,然后再将这个实体转换为以B-REP(BOUNDARY北REPRESENTATION)方法将建立的造型表示出来。CSG建模方法其实是将最基本的实体(立方体、圆柱体、圆锥体等)进行布尔运算,这就需要事先按一定的顺序建立好大小、位置合适的基本实体,并且不能改变。谁也不能保证设计结果不被修改,所以CSG方法不能被设计人员接受。
  随着实体模型领域一些新概念的提出,比如特征的概念、约束的概念,实体几何模型的设计方法也完全征服了设计人员。

  4.参数式(PARAMETRIC)系统与变数式(VARIATIONAL)系统

  自从线框几何模型、曲面几何模型、实体模型技术中引进了约束的概念后,有人就把CAD/CAM领域的一些软件分为两类:参数式系统与变数式系统。
  参数式设计是指系统透过尺寸驱动的方式,以独立的几何约束条件和简单的等式,寻找特定解答的方式.而变数式设计是根据图形学原理和数值方法, 通过强大的计算功能,将几何中的约束条件和工程条件联系起来,通过解联立方程组,需求最终解答的方式. 参数式和变数式系统他们各有优缺点,关键是将这两种方式用在恰当的位置,或者相互来弥补对方的不足。关键是看用户更侧重于哪一点。但一般来讲,参数式系统计算速度比较快,时间短,要求的硬件比较低一些;而变数式系统因为要解一些联立方程组,所以计算的时间比较长一些,速度比较慢,为了弥补速度就要求硬件条件比较高一些。
  目前,CAD/CAM领域的产品风起云涌、各有千秋,无论这种CAD/CAM产品是参数式系统,还是变数式系统,也无论是线框结构几何模型、或者曲面几何模型、或者实体几何模型,都有其自己的特点和优势,关键是您现在或以后的需要是什么,按需索求,找到自己的位置,才能发挥软件的优势,解决自己的问题,单独考虑任何一种情况,哪怕是最流行的实体几何模型,如果不是对症下药也可能会很另您失望。


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