1.2  参数化建模思想概述

1.2.1  三维模型

    1．基本的三维模型

一般来说，基本的三维模型是具有一定长、宽（或直径、半径等）、高的三维几何体。图1-1中列举了典型的基本模型，它们是由三维空间的几个面拼成的实体模型。这些面形成的基础是线，而线构成的基础是点。要注意的是三维几何图形中的点是三维概念的点，也就是说，点需要由三维坐标系（例如笛卡尔坐标系）中的X、Y、Z三个坐标来定义。

三维坐标系其实是由3个相互垂直的平面——XY平面、YZ平面和XZ平面形成的。如图1-2所示，这3个平面的交点就是坐标原点。XY平面与YZ平面的就是Y轴所在的直线，YZ平面与XZ平面的交线就是Z轴所在的直线，XZ平面与XY平面的交线就是X轴所在的直线。这三条直线按笛卡尔右手定则加上方向，就产生了X、Y和Z轴。

图1-1  基本的三维模型

图1-2  坐标系

用CAD软件创建基本三维模型的一般过程是：

l         选取或定义一个用于定位的三维坐标系或3个垂直的空间平面；

l         选定一个面（一般称为“草绘面”），作为二维平面几何图形的绘制平面；

l         生成三维几何图形。

2．复杂的三维模型：

如图1-3所示，这是一个由基本的三维几何体构成的较复杂的三维模型。目前的CAD市场上，对于这类复杂的三维模型的创建有两法方法。

图1-3  复杂的三维模型

（1）布尔运算法

第1种方法是布尔运算，这种方法是通过对一些基本的三维模型做布尔运算（并、交、差）形成的。图1-3所示的三维模型创建过程如下：

第1步，用上一节介绍的“基本三维模型的创建方法”，创建本体1；

第2步，在本体1上加上一个基本的长方体三维模型——长方体2；

第3步，在本体1上减去一个圆柱体而形成孔3；

第4步，在本体1上减去一个截面为弧的柱体而形成圆角4。

布尔运算方法的优点是，造型能力强，无论什么样形状的实体模型，它都能创建；但这种方法的缺点也有不少：

l         用CAD软件创建的三维模型都要进行生产、加工和装配，来获得真正的实物（即产品）。所以CAD软件在创建三维模型时，从创建的原理、方法和表达方式上，应该有强烈的工程意义。但布尔运算从创建原理到表达方式上，工程意义不是很明确，因为它强调的是点、线、面、体这些没有什么工程意义的术语。

l         这种方法的图形处理计算非常复杂，需要较高配置的计算机硬件。

（2）特征添加法

第2种方法是“特征添加”的方法。这是由PTC公司较早地提出来的，并将它运用到Pro/ENGINEER软件中。下面将对“特征”及“特征添加”作详细介绍。

1.2.2  基于特征的三维模型

    1．“特征”

“特征”或“基于特征”这些术语目前在CAD领域中频频出现。在创建三维模型时，这是一种更直接，更有用的表达方式。对于“特征”的定义多种多样：

l         “特征”是表示与制造操作和加工工具相关的形状和技术属性；

l         “特征”是需要一起引用的成组几何或者拓扑实体；

l         “特征”是用于生成、分析和评估设计的单元；

一般来说，“特征”构成一个零件或者装配件的单元。虽然从几何形状上看，它包含作为一般三维模型基础的点、线、面或者实体单元，但更重要的是，它具有工程制造意义，也就是说，基于特征的三维模型具有常规几何模型所没有的附加的工程制造等信息。

2．用“特征添加”的方法创建三维模型

这也是用Pro/ENGINEER创建三维模型的基本过程。这里还是以图1-3所示的三维模型为例进行说明。用“特征添加”的方法创建三维模型的过程如图1-4所示：

图1-4  复杂三维模型的建模过程

第1步，创建基本特征——本体1；

第2步，在本体1上添加特征——长方体2；

第3步，在本体1上添加特征——孔3；

第4步，在本体1上添加特征——圆角4。

用“特征添加”的方法创建三维模型有很多好处：

l         表达更加符合工程技术人员的习惯；

l         三维模型的创建过程与其加工过程相近，可附加工程制造等信息；

l         在模型创建中，特征结合于零件模型中，并且采用了参数化方法定义特征，可以有效地实现制造过程自动化。

3．基于特征的Pro/ENGINEER三维建模

Pro/ENGINEER是基于特征的全参数化软件，其创建的三维模型是一种全参数化的三维模型。“全参数化”有三层含义，即：特征截面几何的全参数化、零件模型的全参数化、装配组件模型的全参数化。

截面的全参数化是指Pro/ENGINEER自动给每个特征的二维截面中的每个尺寸赋参数并排序，通过对参数的调整即可以改变几何的形状和大小。如图1-5所示为本体特征截面的参数情况，其中左图为尺寸的几何值大小，右图为尺寸的参数序号。每一个截面二维图都有自己独立的编号。

图1-5  本体特征的参数情况

零件的全参数化是指Pro/ENGINEER自动地给零件中特征间的相对位置尺寸、外形尺寸赋参数并排序，通过对参数的调整即可改变特征间的相对位置关系、特征的几何形状及大小。

基本特征的全参数化三维建模的优势在于，同一零件的特征，在任何一处被改动后，所有的其他地方都会随之发生相应的改变，也就是说，整个工程是完全相关的。例如，在工程图中更改尺寸后，其零件图、装配图等中的尺寸也会发生相应的改变。

1.3  问题与思考

1．请简述Pro/ENGINEER区别于其他三维设计造型软件的特点。

2．与以前的版本相比，Por/E Wildfire 3.0主要的改进在哪里？

3．当前CAD软件中使用的三维建模原理都有哪些？各有什么优、缺点？

4．Pro/ENGINEER的建模思想是什么？这种建模思想的优点是什么？

5．参数化包括哪几层意思？使用参数化的方法创建三维实体模型有什么优点？