實(shí)體/曲面混合建模:未來三維CAD建模的主流技術(shù)

　　維數(shù)字化建模主要有兩種技術(shù):一是參數(shù)化建模,二是直接建模。但這兩種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中均存在缺陷。論文將兩種建模方法融合在一起形成混合建模技術(shù),能更好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的意圖,提高設(shè)計(jì)效率。下面就跟小編來了解一下吧!

　　實(shí)體/曲面混合建模:未來三維CAD建模的主流技術(shù)

　　1、實(shí)體建模和曲面建模介紹

　　實(shí)體建模和曲面建模是兩種不同的幾何建模方法。實(shí)體建模通過使用封閉的實(shí)體特征進(jìn)行堆疊裁減，可以得到直觀的實(shí)體模型。

　　圖 1 實(shí)體建模的方式

　　曲面建模(如圖2所示)則是通過創(chuàng)建無限小厚度的物體表面，進(jìn)行連接閉合，從而得到最終的曲面造型。

　　圖 2 曲面建模的方式

　　對(duì)于機(jī)械特征明顯的造型，實(shí)體建模通過確認(rèn)曲面邊界和拓?fù)涠ㄎ粊砻鞔_地呈現(xiàn)物體特征，建模過程更為簡(jiǎn)單快捷。但對(duì)于外觀要求高的造型，曲面建不需要任何特征信息，

　　只要定義邊界的幾何描述就能得到復(fù)雜的效果。基于這個(gè)差異點(diǎn)，要求創(chuàng)建高質(zhì)量、更復(fù)雜的曲面造型時(shí)，曲面建模卻又比實(shí)體建模更便捷、快速。

　　隨著工程師對(duì)產(chǎn)品多樣化的設(shè)計(jì)要求，期待能不再局限于實(shí)體建?；蛘咔娼?，而是能同時(shí)兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的新技術(shù)，因此混合建模技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?；旌辖；谥型?D獨(dú)有的OverdriveTM內(nèi)核，充分整合了兩種建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而讓用戶能在實(shí)體和曲面間實(shí)現(xiàn)自由交互，設(shè)計(jì)更加靈活自如。

　　對(duì)于大多數(shù)三維CAD軟件，工程師一般會(huì)利用曲面修剪形狀(見圖3) ，但有沒有可能通過實(shí)體來修剪形狀嗎?混合建模技術(shù)就能做到(如圖4所示)。

　　圖 3 一般建模只允許通過曲面來修剪形狀

　　圖 4 混合建模允許通過實(shí)體來修剪形狀

　　2、詳解混合建模技術(shù)——實(shí)體與曲面的靈活轉(zhuǎn)化

　　因?yàn)榛旌辖＜夹g(shù)可以讓大多數(shù)操作命令在實(shí)體和曲面環(huán)境中同時(shí)使用，所以用戶無需考慮操作對(duì)象是一個(gè)實(shí)體還是曲面。在過去，用戶必須接受專門的培訓(xùn)來學(xué)習(xí)如何區(qū)分實(shí)體建模命令和曲面建模命令，使得三維建模入門非常難，專業(yè)度非常高。而現(xiàn)在混合建模集成了實(shí)體和曲面建模兩種技術(shù)，極大地降低了三維建模的學(xué)習(xí)難度，更加容易上手。

　　以計(jì)算質(zhì)量為例，實(shí)體建模只能在沒有間隙的完美實(shí)體上進(jìn)行，而通過混合建模技術(shù)，不管實(shí)體有多少間隙，中望3D都可以靈活、便捷地計(jì)算出質(zhì)量。特別在導(dǎo)入不同軟件圖紙時(shí)，模型常常都是不完整的。一般情況下，工程師需要花費(fèi)大量的時(shí)間來修補(bǔ)模型，之后才能獲得相關(guān)的質(zhì)量信息。相比之下混合建模技術(shù)能夠幫助工程師節(jié)省繁瑣的修補(bǔ)環(huán)節(jié)，將精力更聚焦于創(chuàng)造性的工作上。

　　圖 5 質(zhì)量屬性計(jì)算工作比較

　　當(dāng)模型完整時(shí)(右邊)實(shí)體建模和混合建模都可以完成

　　但面對(duì)模型不完整時(shí)(左邊)，只有混合建模才能夠處理

　　事實(shí)上，混合建模技術(shù)是顛覆了你過去所學(xué)的實(shí)體建?；蚯娼５睦砟?，一旦你熟悉、并真正掌握，效率的大幅提升將超出你的意料之外。

　　3、混合建模如何加速設(shè)計(jì)到制造

　　3.1 簡(jiǎn)化模具設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

　　在這個(gè)信息爆炸的時(shí)代，電視機(jī)、手機(jī)、筆記本電腦等信息傳播載體已成為日常生活的必需品。為了大批量生產(chǎn)這些產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的模具設(shè)計(jì)是必不可少的。在設(shè)計(jì)模具過程中，型芯和型腔的分離是最有難度、最具挑戰(zhàn)的環(huán)節(jié)——除了需要熟練的操作，還要求大量的檢查和修補(bǔ)工作。當(dāng)模型有破面的情況出現(xiàn)，分模難度就更高了。對(duì)許多模具公司而言，最痛苦就是從上游收到不同軟件的圖紙來制作模具，為此模具工程師不得不夜以繼日地工作來保證導(dǎo)入的零件質(zhì)量。

　　現(xiàn)在，這些問題都可以通過混合建模技術(shù)輕松解決，因?yàn)闊o論是面對(duì)實(shí)體或者曲面，混合建模技術(shù)讓大部分的操作都能同時(shí)起作用，從而極大簡(jiǎn)化分模工作，快速實(shí)現(xiàn)分模(如圖6所示)。

　　圖 6 混合建模技術(shù)能夠保證分模效率

　　3.2 設(shè)計(jì)與CAM加工無縫對(duì)接

　　將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為真實(shí)產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是制造，其中CNC數(shù)控加工是使用最廣泛的生產(chǎn)技術(shù)。一般來講，CNC加工需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師才能完成工作，但為了讓數(shù)控編程更加簡(jiǎn)單，越來越多的功能創(chuàng)新降低了操作的難度，包括智能策略加工、自動(dòng)化生產(chǎn)等技術(shù)。但無論自動(dòng)化程度有多高，有一個(gè)環(huán)節(jié)是無法避免的，就是在選擇任何一項(xiàng)智能加工策略之前，你還是必須得先花時(shí)間處理好從外部導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件。

　　以圖8的零件加工為例。在數(shù)控加工過程中，我們希望刀軌能夠繞過間隙、槽、孔，但大多數(shù)的CAM軟件是無法識(shí)別這些幾何形狀，因此工程師需要先進(jìn)行修補(bǔ)或者創(chuàng)建一個(gè)輔助曲面來一個(gè)個(gè)封閉它們。但如果這個(gè)零件的槽，孔和間隙非常多，工程師就至少得花好幾天的時(shí)間。針對(duì)這種情況，中望3D獨(dú)有的混合建模技術(shù)則可以識(shí)別出來，無論是實(shí)體或者非實(shí)體。因此，刀具在切割零件時(shí)，就能自動(dòng)繞過孔或槽，從而大幅度節(jié)省工作時(shí)間。另外，在進(jìn)行編程和實(shí)體仿真的過程中，實(shí)體模型無論是否完整或者有間隙，刀軌檢查和刀具路徑都能照常運(yùn)作。

　　圖 7 混合建模技術(shù)能實(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)繞過間隙

　　通過混合建模技術(shù)，工程師不用先考慮需要處理的模型是不是實(shí)體?？傮w而言，它的優(yōu)勢(shì)不僅僅只是讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)更加流暢，延伸到模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造整個(gè)流程，所有工作都可以更加簡(jiǎn)單、高效。

　　圖 8 混合建模技術(shù)有助于減少設(shè)計(jì)到制造的對(duì)接工作

　　3.3 滿足3D打印前端設(shè)計(jì)需求

　　經(jīng)過十幾年的研究和發(fā)展， 3D打印技術(shù)日漸成熟，它可以激發(fā)人們創(chuàng)造出更獨(dú)特和有意義的產(chǎn)品。與專業(yè)的制造領(lǐng)域不同，3D打印未來的發(fā)展趨勢(shì)就是更加“親民”——沒有專業(yè)CAD / CAM軟件知識(shí)背景的用戶，也會(huì)通過3D設(shè)計(jì)和3D打印來完成生活用品。目前微軟已在Windows 8.1中開發(fā)了一款基礎(chǔ)的三維打印應(yīng)用，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如果沒有專業(yè)背景的用戶想輕松設(shè)計(jì)出三維模型，就必須要求軟件易學(xué)易用且功能指引非常清晰，還必須兼容Windows 8系統(tǒng)和采用Ribbon界面來適應(yīng)操作習(xí)慣。上述所說的要求，中望3D靈活的混合建模技術(shù)都已經(jīng)滿足，不需要像實(shí)體建?；蛘咔娼Ｄ菢颖仨毾日莆諒?fù)雜的理論概念。例如你通過導(dǎo)角命令可以在實(shí)體或者曲面上快速增加一個(gè)圓角，或者把實(shí)體模型的面去掉輕松轉(zhuǎn)化為一個(gè)曲面，所有的操作都非常人性化。

　　圖 9 最流行的Ribbon交互界面

　　3.4 輕松完成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　通過混合建模，實(shí)體和曲面都可以進(jìn)行布爾運(yùn)算，讓你有更多的時(shí)間用于尋找創(chuàng)意和靈感。如圖10所示的復(fù)雜設(shè)計(jì)，單憑曲面建模需要更多的步驟來創(chuàng)建細(xì)節(jié)結(jié)果，但是混合建模允許你在創(chuàng)建主體曲面的同時(shí)，通過使用實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算就可以完成所需的效果。

　　圖 10 通過布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)實(shí)體轉(zhuǎn)化為曲面

　　基于中望3D的OverdriveTM內(nèi)核，混合建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)能夠延伸到其他功能，讓設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單操作。例如，更強(qiáng)大的變形功能，無論是實(shí)體或曲面都可以附著到模型上，從而能夠隨意改變形狀和進(jìn)行纏繞，快速創(chuàng)建出不同特征的零件?；旌辖碛凶寣?shí)體和曲面自由交互的優(yōu)勢(shì)，給工程師提供無以比擬的專業(yè)設(shè)計(jì)工具。

　　圖 11 變形纏繞功能讓讓設(shè)計(jì)化繁為簡(jiǎn)

　　4、未來三維建模技術(shù)的發(fā)展

　　跟實(shí)體建模和曲面建模相比，混合建模同樣可以完成相同的效果，還能做到前兩者做不到的事情，因此擁有更多潛力和可能性待挖掘。今時(shí)今日，人們?cè)絹碓角嗖A于更具創(chuàng)意、美感的外觀設(shè)計(jì)，混合建模技術(shù)消除了軟件操作的繁瑣，留給你更多創(chuàng)想的時(shí)間。

　　未來，將會(huì)涌現(xiàn)更多新技術(shù)幫助工程師或者設(shè)計(jì)師有更多余力專注于創(chuàng)意本身，更從容地應(yīng)對(duì)市場(chǎng)挑戰(zhàn)。但總而言之，三維建模技術(shù)是基礎(chǔ)，而其中混合建模則是集實(shí)體建模和曲面建模兩家之長(zhǎng)，相信未來將成為工業(yè)設(shè)計(jì)的主流三維建模技術(shù)，持續(xù)引領(lǐng)三維設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展趨勢(shì)。