由于計(jì)算機(jī)三維技術(shù)能逼真地虛擬現(xiàn)實(shí)模型,以立體的、有光的、有色的生動(dòng)畫(huà)面表達(dá)大腦內(nèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果,較之于傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)圖更符合人的思維習(xí)慣與視覺(jué)習(xí)慣,因此三維設(shè)計(jì)方式在技術(shù)領(lǐng)域已引起極大的重視,取代二維設(shè)計(jì)將成為今后發(fā)展趨勢(shì)。（上海模具設(shè)計(jì)培訓(xùn)）三維造型技術(shù)從最初的三維CAD已發(fā)展到目前專(zhuān)用的基于特征造型的三維軟件,常用的有SolidWorks、SolidEdge、MDT、Pro/E等。越來(lái)越多的人開(kāi)始學(xué)習(xí)該類(lèi)軟件,隨之也出版了大量的學(xué)習(xí)該類(lèi)軟件的書(shū)籍,但這些書(shū)普遍存在這樣的特點(diǎn)即對(duì)某一軟件的繁多命令的介紹,或針對(duì)某一實(shí)例具體指出操作步驟并未解釋該操作方案產(chǎn)生的由來(lái),似乎是某個(gè)軟件的指導(dǎo)說(shuō)明書(shū),客觀上起到了使初學(xué)者一開(kāi)始就花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)和適應(yīng)軟件命令這樣一種導(dǎo)向,導(dǎo)致造型實(shí)踐往往是盲目的、經(jīng)驗(yàn)化的。由于對(duì)繁多命令的記憶感到困難,在某種程度上制約了人們引進(jìn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方式的速度,同時(shí)這種學(xué)習(xí)方法也影響了造型技能的提高。借鑒傳統(tǒng)制圖的學(xué)習(xí),由于有了畫(huà)法幾何理論的指導(dǎo), 形成了一種方便地學(xué)習(xí)機(jī)械制圖和建筑制圖等不同制圖的方式。因此有必要探索計(jì)算機(jī)3D圖的圖學(xué)理論和通用的思維模式,以應(yīng)對(duì)不同軟件的學(xué)習(xí),達(dá)到快速入門(mén)和有效提高造型技能的目的。
CAD三維造型的內(nèi)涵
2001年7月舉辦的中日?qǐng)D學(xué)教育研討會(huì)指出:計(jì)算機(jī)僅僅是設(shè)計(jì)和繪畫(huà)的工具,不僅要訓(xùn)練實(shí)際的設(shè)計(jì)和繪圖能力,更重要的是培養(yǎng)設(shè)計(jì)感覺(jué)和空間感覺(jué)。日本 ThruIHARA教授也指出:“有個(gè)疑問(wèn),初學(xué)者一開(kāi)始就運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件創(chuàng)造,特別是在不好的技能操作下會(huì)造成幾何感覺(jué)和空間感覺(jué)的貧乏。（上海模具設(shè)計(jì)培訓(xùn)）這是一個(gè)必須繼續(xù)探討的焦點(diǎn)問(wèn)題。”像二維繪圖那樣,鉛筆、圓規(guī)的動(dòng)作是在大腦對(duì)圖形繪制構(gòu)思成熟的情況下,按大腦發(fā)出的指令執(zhí)行的,因此要想通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件把大腦中產(chǎn)生的設(shè)計(jì)模型即“心理模型”轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)虛擬模型,首先在大腦中對(duì)該心理模型要有一個(gè)心理造型過(guò)程。在大腦中運(yùn)用圖學(xué)理論對(duì)心理模型的構(gòu)成及形體的形成用幾何術(shù)語(yǔ)進(jìn)行系統(tǒng)準(zhǔn)確的描述,從而規(guī)劃造型即“搭積木”的順序,該過(guò)程可稱(chēng)之為心理造型語(yǔ)言系統(tǒng),計(jì)算機(jī)界面元素(菜單命令、圖標(biāo)、光標(biāo))在大腦中留下了一個(gè)記憶系統(tǒng),這兩個(gè)系統(tǒng)是并行對(duì)應(yīng)的,當(dāng)大腦中的兩系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正確轉(zhuǎn)化才能有計(jì)算機(jī)的正確操作。三維造型就是一個(gè)心理造型語(yǔ)言與計(jì)算機(jī)界面元素轉(zhuǎn)化的過(guò)程。目前的學(xué)習(xí)重視了計(jì)算機(jī)界面元素的記憶,忽略了心理造型思維能力。實(shí)踐證明一個(gè)人的繪圖速度和正確性取決于他在大腦中對(duì)所繪模型形狀的清晰度,美國(guó)的有關(guān)3D教育研究也指出最重要的是在設(shè)想和表達(dá)階段發(fā)生的活動(dòng)。
三維構(gòu)型圖學(xué)理論（CAD培訓(xùn)）
3D軟件是基于特征的實(shí)體造型,因此與傳統(tǒng)的指導(dǎo)二維圖的投影理論不同,三維造型主要采用的是構(gòu)造實(shí)體幾何 (ConstructiveSolidGeometry-CSG)及形體幾何特征形成分析等圖學(xué)理論。CSG是對(duì)實(shí)體的整體形成的分析,任何復(fù)雜實(shí)體都可看成是簡(jiǎn)單單元體的組合,單元體稱(chēng)為體素,一般用布爾運(yùn)算(并集、差集、交集)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種組合,形成分析是對(duì)每個(gè)體素幾何形成的具體分析,因此該思維模式是全三維的并且是在大腦中立體地模擬客觀世界中對(duì)實(shí)體加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)的心理活動(dòng)。
三維造型思維框架
根據(jù)三維構(gòu)型圖學(xué)理論,在未使用計(jì)算機(jī)前應(yīng)具有心理造型的一個(gè)思維框架。
體素分解
傳統(tǒng)的手工二維圖或二維CAD圖是用各種線條繪制,無(wú)論怎樣圖形總能繪出,因此該順序的重要性顯得不太突出。而計(jì)算機(jī)實(shí)體造型是幾何特征的集合,其造型的先后順序尤為重要,類(lèi)似于模擬客觀世界中對(duì)零件的加工順序,若安排不當(dāng)零件就無(wú)法生成,或生成過(guò)程太復(fù)雜。（模具設(shè)計(jì)師培訓(xùn)）反之生成零件既簡(jiǎn)單又方便。為此可以按模塊化的方式來(lái)處理,對(duì)造型體進(jìn)行體素分解。分解原則為從反映形體主要特征的明顯程度和占總體積的大小及其主要功能等方面進(jìn)行劃分,一般可分為基本特征體素系列、輔助特征體素系列、附加特征體素系列,然后在每個(gè)系列內(nèi)再進(jìn)行細(xì)分。其分解步驟如下:
1劃分基本特征體素系列。
該部分體素的局部組合體現(xiàn)了實(shí)體的主要形體特征和主要功能并且所占體積比例相對(duì)較大。在該系列內(nèi)再根據(jù)主次進(jìn)一步劃分出若干單一的體素。劃分出來(lái)的最主要的*個(gè)體素應(yīng)為構(gòu)形的基礎(chǔ)特征體素,即生成其它體素的基準(zhǔn)體。
2劃分輔助特征體素系列。
該部分體素是加在基本特征體素上,在功能上不起主要作用,例如肋板、凸臺(tái)等結(jié)構(gòu)。在該系列內(nèi)再劃分出單獨(dú)的體素。3附加特征體素系列。該類(lèi)體素具有不能獨(dú)立存在、必須附加于上述二種體素系列之內(nèi)的特征,如孔、空腔、槽等。屬于挖切即差集。（上海模具設(shè)計(jì)培訓(xùn)）而上述系列均為體素的疊加即并集。圖1為齒輪減速箱體的體素分解圖。依照這種有序的體素分解逐步在大腦內(nèi)建立起了形象的“搭積木”的順序。因此該思考過(guò)程是規(guī)劃零件幾何特征創(chuàng)建順序的依據(jù)。即在基本特征體素系列內(nèi)確定出基礎(chǔ)特征體素,然后在此基礎(chǔ)上通過(guò)布爾運(yùn)算的并集先依次構(gòu)建基本特征體素系列內(nèi)的其它體素,再構(gòu)建輔助特征體素系列內(nèi)的各體素,然后通過(guò)差集運(yùn)算在以上構(gòu)建的基礎(chǔ)上依此減去附加特征體素系列內(nèi)的各體素。
體素幾何特征形成分析
體素的創(chuàng)建是造型重要的—步,只要體素特征創(chuàng)建成功,按上述順序搭建即可完成造型。點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是線,線的運(yùn)動(dòng)軌跡是面,而面的運(yùn)動(dòng)軌跡是體。根據(jù)這一幾何描述可以把大多數(shù)體素看成是某一幾何形狀的初始面沿一定的軌跡線運(yùn)動(dòng)而形成的掃描體。（模具設(shè)計(jì)師培訓(xùn)）如常見(jiàn)的長(zhǎng)方體和圓柱體可看成是長(zhǎng)方形和圓沿直線運(yùn)動(dòng)而形成,但大多數(shù)軌跡線是復(fù)雜的,由圖簡(jiǎn)單體的形成示出了掃描的概念,它的形成分為初始面的形成、掃描軌跡的形成及掃描方向的確定。
經(jīng)過(guò)上述的3個(gè)過(guò)程才能全面準(zhǔn)確地描述一個(gè)體素的幾何特征的形成。分解出來(lái)的每個(gè)單獨(dú)的體素繪制可視為一個(gè)局部特征的創(chuàng)建過(guò)程,上述詳細(xì)思考的步驟為該局部的繪圖順序的規(guī)劃提供了依據(jù)。
體素的空間定位分析
要?jiǎng)?chuàng)建零件特征還需要分析構(gòu)成零件的各單元體的相互位置,即體素的空間定位。（CAD培訓(xùn)）由于創(chuàng)建每一個(gè)體素特征都是以前一個(gè)體素的某個(gè)面為基準(zhǔn)面創(chuàng)建的,因此確定構(gòu)建該體素的基準(zhǔn)面位置所在及繪制該體素“草繪截面”的起點(diǎn)相當(dāng)于構(gòu)成基準(zhǔn)面的幾何元素的幾何定位。該思考過(guò)程為3D造型中準(zhǔn)確定出創(chuàng)建每一個(gè)體素幾何特征的起點(diǎn)提供了操作順序規(guī)劃的依據(jù)。
結(jié)束語(yǔ)（上海模具設(shè)計(jì)培訓(xùn)）
目前常用的一些專(zhuān)用3D造型軟件,盡管它們的界面元素在形式安排、操作方法及某些功能上不同,但是在總的實(shí)現(xiàn)造型的設(shè)計(jì)思路上是基本相同的,是遵循了人對(duì)幾何形體特征的認(rèn)識(shí)規(guī)律的。因此需要探討3D造型的思維模式,加強(qiáng)該方面的系統(tǒng)訓(xùn)練,才能從容應(yīng)對(duì)不同軟件的學(xué)習(xí),并且在正確的思維規(guī)律的指導(dǎo)下更有效地記憶軟件命令,達(dá)到快速入門(mén)和有效提高造型技能的目的。
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