第1章 了解三维建模

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1、第1章了解三维建模人们生活在三维世界中，采用二维图纸来表达几何形体显得不够形象、逼真。三维建模 技术的发展和成熟应用改变了这种现状，使得产品设计实现了从二维到三维的飞跃，且必将 越来越多地替代二维图纸，最终成为工程领域的通用语言。因此三维建模技术也成为工程技 术人员所必须具备的基本技能之一。本章学习X 了解三维建模技术的基本概貌；X 了解三维建模取代二维制图设计的必然性；-J- 了解三维建模技术的发展历程、价值和种类；L 了解三维建模技术及其与CAD、CAE、CAM等计算机辅助设计技术之间的关系;-J-掌握三维建模的方法。1.1设计的飞跃一从二维到三维目前我们能够看到的几乎所有印刷资料，包括各

2、种图书、图片、图纸，都是平面的，是 二维的。而现实世界是一个三维的世界，任何物体都具有三个维度，要完整地表述现实世界 的物体，需要用X、Y、Z三个量来度量。所以这些二维资料只能反映三维世界的部分信息， 必须通过抽象思维才能在人脑中形成三维映像。工程界也是如此。多年来，二维的工程图纸一直作为工程界的通用语言，在设计、加工 等所有相关人员之间传递产品的信息。由于单个平面图形不能完全反映产品的三维信息，人 们就约定一些制图规则，如将三维产品向不同方向投影、剖切等，形成若干由二维视图组成 的图纸，从而表达完整的产品信息，如图1-1所示。图中是用四个视图来表达产品的。图纸上的所有视图，包括反映产品三维形

3、状的轴测图（正等轴测图、斜二测视图或者其 他视角形成的轴测图），都是以二维平面图的形式展现从某个视点、方向投影过去的物体的 情况。根据这些视图以及既定的制图规则，借助人类的抽象思维，就可以在人脑中重构物体 的三维空间几何结构。因此，不掌握工程制图规则，就无法制图、读图，也就无法进行产品 的设计、制造，从而无法与其他技术人员沟通。毋庸置疑，二维工程图在人们进行技术交流等方面起到了重要的作用。但用二维工程 图形来表达三维世界中的物体，需要把三维物体按制图规则绘制成二维图形（即制图过 程），其他技术人员再根据这些二维图形和制图规则，借助抽象思维在人脑中重构三维模 型（即读图过程），这一过程复杂且易出

4、错。因此以二维图纸作为传递信息的媒介，实属 不得已而为之。那么，有没有办法可以直接反映人脑中的三维的、具有真实感的物体，而不用经历三维 投影到二维、二维再抽象到三维的过程呢？答案是肯定的，这就是三维建模技术，它可以直 接建立产品的三维模型，如图1-2所示。三维建模技术直接将人脑中设计的产品通过三维模型来表现，无须借助二维图纸、制图 规范、人脑抽象就可获得产品的三维空间结构，因此直观、有效、无二义性。三维模型还可 直接用于工程分析，尽早发现设计的不合理之处，大大提高设计效率和可靠性。但是，过去由于受计算机软、硬件技术水平的限制，三维建模技术在很长一段时间内不 能实用化，人们仍不得不借助二维图纸来

5、设计制造产品。而今，微机性能大幅提高，微机 CPU的运算速度、内存和硬盘的容量、显卡技术等硬件条件足以支撑三维建模软件的硬件 需求，而三维建模软件也日益实用化，因此三维建模技术在人类生活的各个领域开始发挥着 越来越重要的作用。正是三维建模技术的实用化，推动了 CAD、CAM、CAE （计算机辅助设计、计算机辅 助制造、计算机辅助工程分析技术，统称CAx技术）的蓬勃发展，使得数字化设计、分析、 虚拟制造成为现实，极大地缩短了产品设计制造周期。毫无疑问，三维建模必将取代二维图纸，成为现代产品设计与制造的必备工具；三维建 模技术必将成为工程人员必备的基本技能，替代机械制图课程，成为高校理工科类学生的

6、必 修课程。#提示：由于基于二维图纸的产品设计、制造流程已沿用多年，数字化加工目前也还不能完全取 代传统的加工方式，因此，二维图纸及计算机二维绘图技术现在还不可能完全退出企业的产 品设计、制造环节。但是只要建立了产品的三维数字模型，生成产品的二维图纸是一件非常 容易的事情（参见本书UG NX制图部分的内容）。事实上，三维建模并非一个陌生的概念，接下来先让我们深入理解什么是三维建模。1.2什么是三维建模什么是三维建模呢？设想这样一个画面：父亲在炉火前拥着孩子，左一刀、右一刀地切削一块木块；在孩子 出神的眼中，木块逐渐成为一把精致的木手枪或者弹弓。木手枪或弹弓形成的过程，就是直 观的三维建模过程。

7、三维建模在现实中非常常见，如孩子们堆沙丘城堡、搭积木的过程是三 维建模的过程，雕刻、制作陶瓷艺术品等，也都是三维建模的过程。三维建模是如此的形象 和直观：人脑中的物体形貌在真实空间再现出来的过程，就是三维建模的过程。广义地讲，所有产品制造的过程，无论手工制作还是机器加工，都是将人们头脑中设计 的产品转化为真实产品的过程，都可称为产品的三维建模过程。计算机在不到100年的发展时间里，几乎彻底改变了人类的生产、生活和生存方式，人 脑里想象的物体，几乎都能够通过“电脑”来复现了。本书所说的“三维建模”，是指在计 算机上建立完整的产品三维数字几何模型的过程，与广义的三维建模概念有所不同。计算机中通过三

8、维建模建立的三维数字形体，称为三维数字模型，简称三维模型。在三 维模型的基础上，人们可以进行后续的许多工作，如CAD、CAM、CAE等。虽然三维模型显示在二维的平面显示器上，与真实世界中可以触摸的三维物体有所不 同，但是这个模型具有完整的三维几何信息，还可以有材料、颜色、纹理等其他非几何信息。 人们可以通过旋转模型来模拟现实世界中观察物体的不同视角，通过放大/缩小模型，来模 拟现实中观察物体的距离远近，仿佛物体就位于自己眼前一样。除了不可触摸，三维数字模 型与现实世界中的物体没有什么不同，只不过它们是虚拟的物体。#提示：计算机中的三维数字模型，对应着人脑中想象的物体，构造这样的数字模型的过程，

9、就 是计算机三维建模，简称三维建模。在计算机上利用三维造型技术建立的三维数字形体，称 为三维数字模型，简称三维模型。三维建模必须借助软件来完成，这些软件常被称为三维建模系统。三维建模系统提供在 计算机上完成三维模型的环境和工具，而三维模型是CAx系统的基础和核心，因此CAx软 件必须包含三维建模系统，三维建模系统也由此被广泛应用于几乎所有的工业设计与制造领 域。本书以世界著名的CAx软件一一UG NX为例，介绍三维建模技术的基本原理、建模的 基本思路和方法，其他CAx软件系统虽然功能、操作方式等不完全相同，但基本原理类似， 学会使用一种建模软件后，向其他软件迁移将非常容易。三维建模系统的主要功

10、能是提供三维建模的环境和工具，帮助人们实现物体的三维数字 模型，即用计算机来表示、控制、分析和输出三维形体，实现形体表示上的几何完整性，使 所设计的对象生成真实感图形和动态图形，并能够进行物性（面积、体积、惯性矩、强度、 刚度、振动等）计算、颜色和纹理仿真以及切削与装配过程的模拟等。具体功能包括：形体输入：在计算机上构造三维形体的过程。形体控制：如对形体进行平移、缩放、旋转等变换。信息查询：如查询形体的几何参数、物理参数等。形体分析：如容差分析、物质特性分析、干涉量的检测等。形体修改：对形体的局部或整体修改。显示输出：如消除形体的隐藏线、隐藏面，显示、改变形体明暗度、颜色等。数据管理：三维图形

11、数据的存储和管理。1.3三维建模一CAx的基石CAx 技术包括 CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）、CAM（ Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）、CAPP（ Computer Aided Process Planning，计算机辅助工 艺规划）、CAE（ Computer Aided Engineering，计算机辅助工程分析）等计算机辅助技术； 其中，CAD技术是实现CAM、CAPP、CAE等技术的先决条件，而CAD技术的核心和基 础是三维建模技术。以模制产品的开发流程为例，来考察CAx技术的应用背景以及三维建模技术在

12、其中的 地位。通常，模制产品的开发分为四个阶段，如图1-3所示。1. 产品设计阶段首先建立产品的三维模型。建模的过程实际就是产品设计的过程，这个过程属于CAD领域。设计与分析是一个交互过程，设计好的产品需要进行工程分析（CAE）,如强度分析、 刚度分析、机构运动分析、热力学分析等，分析结果再反馈到设计阶段（CAD），根据需要 修改结构，修改后继续进行分析，直到满足设计要求为止。产品设计模具设计模具制造产品制造图1-3CADCAECADCAECAM/CAPPCAM/CAPP2. 模具设计阶段根据产品模型，设计相应的模具，如凸模、凹模以及其他附属结构，建立模具的三维模 型。这个过程也属于CAD领域

13、。设计完成的模具，同样需要经过CAE分析，分析结果用 于检验、指导和修正设计阶段的工作。例如对于塑料制品，注射成型分析可预测产品成型的 各种缺陷（如熔接痕、缩痕、变形等），从而优化产品设计和模具设计，避免因设计问题造 成的模具返修甚至报废。模具的设计分析过程类似于产品的设计分析过程，直到满足模具设 计要求后，才能最后确定模具的三维模型。3. 模具制造阶段由于模具是用来制造产品的模版，其质量直接决定了最终产品的质量，所以通常采用数 控加工方式，这个过程属于CAM领域。制造过程不可避免地与工艺有关，需要借助CAPP 领域的技术。4. 产品制造阶段此阶段根据设计好的模具批量生产产品，可能会用到CAM

14、/CAPP领域的技术。可以看出，模制品设计制造过程中，贯穿了 CAD、CAM、CAE、CAPP等CAx技术； 而这些技术都必须以三维建模为基础。例如要设计生产如图1-4和图1-5所示的产品，必须首先建立其三维模型。没有三维 建模技术的支持，CAD技术无从谈起。图1-4图1-5产品和模具的CAE，不论分析前的模型网格划分，还是分析后的结果显示，也都必须 借助三维建模技术才能完成，如图1-6和图1-7所示。图1-6图1-7对于CAM，同样需要在模具三维模型的基础上，进行数控(Numerical Control， NC) 编程与仿真加工。图1-8显示了模具加工的数控刀路，即加工模具时，刀具所走的路线

15、。 刀具按照这样的路线进行加工，去除材料余量，加工结果就是模具。图1-9显示了模具的 加工刀轨和加工仿真的情况。可以看出，CAM同样以三维模型为基础，没有三维建模技术， 虚拟制造和加工是不可想象的。图1-8图1-9上述模制产品的设计制造过程充分表明，三维建模技术是CAD、CAE、CAM等CAx 技术的核心和基础，没有三维建模技术，CAx技术将无从谈起。事实上，不仅模制产品，其他产品的CAD、CAM、CAE也都离不开三维建模技术：从 产品的零部件结构设计，到产品的外观、人体美学设计；从正向设计制造到逆向工程、快速 原型，都离不开三维建模，如图1-10所示。产品外观造型设计工程分析逆向工程（RE）

16、快速原型（RP）图 1-101.4无处不在的三维建模目前，三维建模技术已广泛应用于人类生活的各个领域，从工业产品（飞机、机械、电 子、汽车、模具、仪表、轻工）的零件造型、装配造型和焊接设计、模具设计、电极设计、 钣金设计等，到日常生活用品、服装、珠宝、鞋业、玩具、塑料制品、医疗设施、铭牌、包 装、艺术品雕刻、考古等。三维建模还广泛用于电影制作、三维动画、广告、各种模拟器及景物的实时漫游、娱乐 游戏等领域。电影特技制作、布景制作等利用CAD技术，已有二十余年的历史，如星球 大战、侏罗纪公园、指环王、变形金刚等科幻片，这是因为三维电脑动画可以营造 出编剧人员想象出的各种特技，设计出人工不可能做到的