焦欢欢 姚正纲

摘 要：在20世纪90年代出现的CIMS设计思想中，三维特征建模是关键环节。在产品、技术日趋国际化的时代，产品建模逐步向国际标准STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）靠近，产品设计正向集成化、智能化和标准化发展。制造业自动化生产的新时代正在到来。本文首先分析了三维建模的基础的方式：线框建模；表面建模；实体建模，然后分析了三维建模的优点，最后分析了特征建模（FeatureModel）方式。

关键词：三维；特征；建模；机械设计；

一、三维建模的基本方式

1、线框建模（WireframeModel）它是逐线、逐点地构造出来的，一般用来代替手工绘图，可以生成任意视点或视向的透视图及轴测图，操作比较简单，只有点、线的信息，耗用系统资源小。但这种建模具有二义性。

2、表面建模（SurfaceModel）这种建模除了具有点、线信息外，还具有面的信息。可以实现消隐、着色、表面积计算、二曲面求交、数控刀具轨迹生成、有限元网格划分等，还可以构造复杂的曲面物体。但仍然缺少面、体间的拓扑关系，无法区别面的哪一侧是体内还是体外，无法进行剖切。

3、实体建模（SolidModel）具有了点、线、面、体的全部几何信息且还具有全部点、线、面、体的拓扑信息。实体建模是机械设计与制造自动化的基础。它对消隐、剖切、着色、有限元分析到NC刀具轨迹生成都能顺利地实现。是与CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）、CAM（ComputerAidedManufacuring）实现集成的关键的几何建模。

二、三维建模的优点

第一，真三维的立体场景三维立体场景，以及在三维立体场景中所能清楚地展现三维要素之间的三维空间关系（相离、相邻、组成、包含、被包含）。地质模型的三维可视化是三维地质建模软件的基本功能，但又远远不止于三维可视化，真三维的立体场景中，可以轻松地实现以前难以进行的计算与操作；第二，精准的储量计算。在真三维场景下借助三维建模工具，可以根据采样点进行广义三棱柱剖分或四面体剖分后再统计，其自动化程度高、速度快、精度高。若再配合高精度三维地震、测井等物探数据，便可以精细地表达矿藏的构造形态与品质分布。设定不同的边界品位，可以方便地计算出不同市场价格下的不同级别的矿床储量与开采回报；第三，平、剖面构造形态相容并联动修改。 二、参数化建模（ParameterModel） 参数化建模的主题思想是用几何约束、工程关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。首先建立图形与尺寸参数的约束关系，每个可变尺寸参数用待标变量表示，并赋予一个缺省值。绘图时，修改不同的尺寸参数即可得到不同规格的图样。参数化建模采用约束来定义和修改几何建模。约束包括尺寸约束、拓扑约束和工程约束，这些约束反映了设计时要考虑的因素。实现参数化的参数与约束保持一定的关系，初始设计的形体自然满足这些约束，而当输入那组参数的新值时，也将保持这些约束关系并获得一个新的几何建模。因此，设计者可以动态地、创造性地进行新产品设计，这种系统称为动态系统。参数化建模可分为尺寸驱动和变量设计。

三、特征建模（FeatureModel）

从CAD/CAM集成的角度出发，要求从整个生命周期各个阶段的不同需求来描述产品，能完整地、系统地、全面的描述产品信息，使各应用系统可直接从该零件模型中抽取所需信息，这种建模技术称为特征建模[4]。特征建模技术将特征视为基本信息单元，把产品描述成由若干具有确定的工程含义和功能属性的特征构成的信息集。 近年来，特征技术有了长足的发展。特征的面向对象组织、可视化和可操作技术研究已进入实用阶段，出现许多商品化软件，如Pro/engineer、Solidworks等参数造型软件、CATIA等表面设计软件。几何建模的不足是只存储了形体的几何形状信息，缺少产品开发在CAD/CAPP/CAM生命周期中所需的全部信息，如材料、表面粗糙度、形位公差等，特征是指在设计和制造阶段可识别的包含完整工程信息的结构单元，是一组与零件的描述相关的信息集合。特征建模有如下特点：

1、能更好地表达产品的完整技术和生产管理信息，建立产品的集成信息便于计算机理解和处理，使产品的设计和生产准备的各个环节并向展开，并采用面向对象的框架组织结构，特征间可以建立继承、邻接、从属等联系，因而可以描述复杂的零件形状信息。

2、特征建模以几何模型为基础，其几何模型数据结构主要有边界描述法（B-Rep）和单元构造法（CSG）。因而可以描述零件的精确几何（体、面）信息。

3、有助于加强产品的设计、分析、工艺准备、加工、检验各个部门间的联系，同时也便于在不同的應用领域和系统间转化。 结束语 三维特征建模拓展了设计人员的创造性，比传统的实体建模有更好的设计效果，最重要的是真正符合数据交换规范的产品建模，实现了CAD/CAPP/CAM的真正集成。将参数化建模的思想应用到特征建模中，用尺寸驱动和变量设计的方法定义特征并进行类似的操作，这样就形成了参数化特征建模。

参考文献：

[1]周国清，黄煜，岳涛，王浩宇，贺朝双，李晓柱.基于纹理数据和SCSG-BR表示的城市建筑物混合建模[J/OL].地球信息科学学报：1-9[2018-04-26].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.5809.P.20180424.1047.032.html.

[2]穆晓凯，孙清超，孙克鹏，孙伟.基于载荷作用的柔性体三维公差建模及精度影响分析[J].机械工程学报：1-10.

[3]高超，王国利，李群，吴桂凯，危双丰.基于多源数据的古塔三维精细化建模[J].工程勘察，2018，46（04）：36-40.

[4]李冬森，孙政.无人机摄影技术在矿山地质建模中的应用[J].世界有色金属，2018（02）：25+27.

[5]袁锋，韩峰，康峰.基于GIS的不良地质三维建模及线路优化设计研究[J].铁道标准设计，2018，62（04）：77-80.

[6]贾志豪，努尔麦麦提·艾尔肯.基于CityMaker和3Dmax的三维数字校园系统的设计与实现——以新疆农业大学为例[J].电子技术与软件工程，2018（06）：172-173.