2_09-实体建模

第5章实体建模实例实体模型可以将用户的设计概念以真实的模型在计算机上呈现出来，因此更符合人们的思维方式，同时也弥补了传统的面结构、线结构的不足。

采用实体模型，可以方便地计算出产品的体积、面积、质心、质量、惯性矩等，让人们真实地了解产品。

实体模型还可用于装配间隙分析、有限元分析和运动分析等，从而让设计人员能够在设计阶段就能发现问题。

因此直接创建三维实体模型也越来越重要。

本章学习目标掌握布尔操作工具：求和、求差、求交等；掌握扫掠法构建实体工具：拉伸、回转、管道等；掌握成形特征工具：孔、凸台、垫块、键槽等；掌握特征操作工具：拔模、倒斜角、边倒圆、镜像特征、修剪体、缝合、抽壳、偏置面等；掌握特征编辑方法：编辑特征参数、移除参数、抑制特征、特征回放等；掌握同步建模相关命令：偏置区域、替换面、删除面、调整圆角大小等。

5.1实体建模概述实体建模就是利用实体模块所提供的功能，将二维轮廓图延伸成为三维的实体模型，然后在此基础上添加所需的特征，如抽壳、孔、倒圆角等。

除此之外，UG NX实体模块还提供了将自由曲面转换成实体的功能，如将一个曲面增厚成为一个实体，将若干个围成封闭空间的曲面缝合为一个实体等。

5.1.1基本术语●特征：特征是由具有一定几何、拓扑信息以及功能和工程语义信息组成的集合，是定义产品模型的基本单元，例如孔、凸台等。

特征的基本属性包括尺寸属性、精度属性、装配属性、功能属性、工艺属性、管理属性等。

使用特征建模技术提高了表达设计的层次，使实际信息可以用工程特征来定义，从而提高了建模速度。

●片体：指一个或多个没有厚度概念的面的集合。

●实体：具有三维形状和质量的，能够真实、完整和清楚地描述物体的几何模型。

在基于特征的造型系统中，实体是各类特征的集合。

●体：包括实体和片体两大类。

●面：由边缘封闭而成的区域。

面可以是实体的表面，也可以是一个壳体。

●截面线：即扫描特征截面的曲线，可以是曲线、实体边缘、草图。

●对象：包括点、曲线、实体边缘、表面、特征、曲面等。

AutoCAD实体建模的基本方法国家级中职骨干教师培训数控一班周久华模型是实际物体在计算机中的数学表示，它描述了“物体的几何信息和拓扑信息”[1]。

几何信息是指物体在欧氏几何空间中的形状、位置和大小，拓扑信息则是指物体各分量的数目及其相互间的连接关系。

计算机中常用的三维模型有线框模型、表面模型和实体模型三种。

线框模型利用顶点和棱边来描述物体，因此不能完全反映物体的信息。

表面模型是用面的集合来表示物体，但它只能够反映物体的外表面信息。

实体模型能完整的反映物体的所有形状信息，能方便的计算实体的各种物理属性，是目前运用最广泛的模型。

在计算机中构造物体模型的过程称为建模，其中，建立实体模型称为实体建模。

现在，能够实现实体建模的软件很多，但绝大部分建模软件的核心都是基于ACIS或Parasolid两种图形处理系统的。

Parasolid图形系统是一个以复杂曲面为基础的实体造型通用开发平台，一些著名的C AD软件如UG、SolidWorks等都是以它为图形核心的。

ACIS采用面向对象的数据结构和开放式体系结构，允许线框、曲面和实体的任意组合使用，功能强大，运用十分广泛，许多著名的大型软件如AutoCAD、TurboCAD等都是以它为核心的。

正因为如此，所以不同的软件的三维建模方法具有大致相同的特点，如果能够深入理解某种软件的建模方法，对于迅速掌握其他软件的建模方法来说，有很好的借鉴作用。

下面，笔者就以AutoCAD为例，谈谈实体建模的基本方法。

一、组合法与机械制图中的组合体原理一样，由基本几何体通过叠加、切割等方法形成复杂几何体的方法，称为组合法。

用组合法建模的基本步骤是：1．形体分析对实物按结构牲进行切割，分解成若干个最接近形体的基本几何本，明确各基本几何体的尺寸、方位关系，以便按基本几何体建模。

2．构造原型原型是指AutoCAD中用于构建实体模型的一些基本几何体，主要包括长方体（BOX）、圆柱体（CYLINDER）、圆锥体（CONE）、球体（SPHERE）、楔体（WEDGE）和环形体（DONUT OR TONUS）等，由这些原型的组合可以构造许多复杂的实体一。

三维实体建模三维实体建模的方法主要有以下几种方式如：三维线架建模、叠加法建模、混合建模法等。

在三维实体建模中，具体运用何种建模法，应根据模型的具体情况而定。

●三维线架法建模：三维线架建模法是指在空间各坐标平面内绘制相应的平面图，由这些平面图图形搭建起空间的三维线架图。

然后，用生成三维实体的命令，创建三维实体模型。

●叠加建模法：叠加法建模是指在创建的基本实体的基础上，通过加、减实体进行实体模型的创建。

●混合法建模：混合法是综合以上的建模方法。

【实训任务1】运用“线架结构建模法”绘制如图1所示的支架三维实体模型。

图1 支架三维实体模型●应用线架结构建模方法创建三维模型的操作步骤：在前视平面上绘制草图（1）在前视平面中绘制平面图形。

单击【视图】工具栏上的【前视】工具按钮，将【前视平面】设置为当前的绘图面。

绘制如图1-1所示的图形，并将图形2、5生成【面域】。

在前视平面上，绘制6个独立的图形，其中：二个同心圆（3、4）：其中心高度为50，圆直径大小分别为“70”和“38”（将生成圆筒造型）；二个矩形（1、5）：下面的矩形其大小为：70 ×5（该矩形将生成支架底坐标底部的通槽）。

上面的矩形大小为：图1-2 在前视平面绘制平面图8 × 48（该矩形将生成上面的“开口通槽”）。

草图（2）：用于创建圆筒两端的支撑。

长度为70，高度为35，垂直高度为50，其圆弧半径比R35略小一点。

直线（6）：该直线用于定位直径分别为26和16的圆。

直线的长度为85，垂直高度为90。

在左视平面上绘制草图（2）在左视平面上绘制草图。

单击【视图】工具栏上的【左视】工具按钮，将【左视平面】设置为当前的绘图面。

绘制如图1-3所示的图形，并将各图其生成【面域】。

在左视平面上绘制4个独立的图形。

其中：底座草图（7）：如图中“红色”图形所示。

坚固座草图（8）：宽度为40，顶端圆弧半径为R20，圆弧中心高度为90。

两个同心圆（9、10）：用于创建紧固座图1-3 在左视平面上绘制草图两端的沉孔造型。

第二章实体建模OpenGL基本库提供了大量绘制各种类型图元的方法，辅助库也提供了不少描述复杂三维图形的函数。

本章主要介绍基本图元，如点、线、多边形，有了这些图元，再去构造更为复杂的模型，接着简单介绍辅助库中的建模函数，最后给出一些建模编程的实例。

2. 1 有关缓冲区清除的函数包括指定缓冲区清除值的函数和实际执行缓冲区清除的函数。

2.1.1 指定颜色缓冲区的清除值OpenGL提供两种颜色模式：RGB(RGBA)模式和颜色索引模式。

在RGBA模式下所有颜色的定义用RGB三个值来表示，有时也加上Alpha值(表示透明度)。

RGB三个分量值的范围都在0和1之间。

颜色索引模式下（一般不用）每个像素的颜色是用颜色索引表中的某个颜色索引值表示。

三维图形处理中要求阴影、光照、雾化、融合等效果，RGBA 的效果比颜色索引模式好。

用于指定颜色缓冲区的清除值的函数是：void glClearColor (GLclampf red , GLclampf green , GLclampf blue , GLclampf alpha )，其中red、green、blue和alpha分别表示颜色的红色分量、绿色分量、蓝色分量和透明度，取值范围在0~1之间。

若给定的值大于1，则会被截断在0~1之间。

若red、green、blue和alpha取值分别为0.1、0.4、0.5、1.0，则调用的代码为：glClearColor (0.1,.04.05.1.0);注：指定清除深度缓冲区、索引值缓冲区、模板缓冲区和累积缓冲区的值的函数分别为glClearDepth()，glClearIndex()，glClearStencil()和glClearAcc()，可参阅相应的文档了解深入的内容。

2.1.2 实际执行颜色缓冲区的清除清除颜色缓冲区的函数为：void glClear (GLbitfield mask )。

当传入参数为GL_COLOR_BUFFER_BIT时，清除的是颜色缓冲区。

第一章高级实体建模1.1 特征的复杂操作Modeling，系统将自动打开UG实体建模的主界面，如图1-1所示。

高级实体建模中特征的复杂操作主要包括特征缝合、修补形体、简化形体、几何包覆、偏移表面和比例缩放等功能。

在实现这些功能之前必需打开UG实体建模的主界面，在UG的主界面中选择命令Application图1-1 UG实体建模的主界面下面对实体建模中特征复杂操作的各个功能进行具体的介绍。

1.1.1 特征缝合特征缝合主要是实现两个片体之间或者是两个实体之间的连接，如图1-2所示。

图1-2 特征缝合Feature 选择下拉菜单Insert Sew或选择图标 Sew，将会弹出一个缝合对话框。

在该对话框中，其上部图标是缝合片体或实体时的选择步骤和缝合类型选项，下部图标是缝合的相关参数选项，如图1-3所示。

Operation图1-3 缝合对话框该对话框中的各个选项说明如下：1．Sew Input Type该选项用于选择缝合对象的类型。

包含Sheet与Solid两个选项。

1）Sheet：该选项用于缝合选择的片体。

2）Solid：该选项用于缝合选择的实体。

此时，要缝合的实体必须具有形状相同、面积相近的表面。

该选项适用于无法用Unite进行求并运算的实体。

2．Output Multiple Sheets该选项用于创建多个缝合的片体，只有在Sew Input type单选框中选择Sheet选项时才激活。

如果打开该选项，则选择目标面与工具面后，并单击OK或Apply，会弹出一个警告信息框。

若在该信息提示框中单击Continue，则完成片体间的缝合；若单击Cancel，则取消片体间的缝合操作。

3．Sew All Instances该选项用于缝合阵列特征中的所有成员。

打开该选项，如果选择阵列中某个成员进行缝合，则阵列中所有成员都被缝合。

该选项只有在Sew Input Type单选框中选择Solid选项时才被激活。

4．Sew Tolerance该选项用于控制被缝合片体或实体边缘间的最大距离。

实体建模的表示与实现1 实体建模表示方法常用的实体造型表示方法有扫描法、边界表示法、构造立体几何法、混合表示法等。

无论那种方法，都要考虑下述的两个问题：①表示方法蕴涵信息的完整性，即它是否唯一地描述了现实生活中的三维物体；②表示方法能表达形体的覆盖率，即定义形体范围的大小。

1.1 扫描法将二维的封闭截面沿给定的轨迹平移或绕给定的轴线旋转而成的。

图1-1 扫描成型的实体1.2 边界表示法通过描述形体的边界来表示一个形体。

由于形体的边界是形体与周围环境的分界面，完整地定义了形体边界，也就唯一地定义了形体本身的。

图1-2 边界表示法的原理1.3 构造立体几何法实体几何构造法（CSG：constructive solid geometry）CSG法是一种用体素拼合构成物体的方法。

它是目前最常见、最重要的方法之一。

用CSG法表示一个物体可用二叉树的形式加以表达，如图1-3所示。

图1-4中CSG 树的树叶分为两种，一种是基本体素，如长方体、圆柱等；另一种是体素作运动变换时的参数，如平移参数ΔX 等。

图中结点表示某种运算。

有两类运算子，一类是运动运算子，如平移、旋转等；另一类是集合运算子，指并、交及差，分别用记号∪*、∩*、-*表示。

图1-3 同一形体的不同CSG 结构差平移π2体素=π图1-4定义形体的CSG 树CSG 树中的每个子树都代表部分体素的组合，树根代表最终拼合成的物体。

CSG 树可能是一颗不完全的二叉树，这取决于用户拼合物体时所设计的步骤。

CSG 树代表了CSG 方法的数据结构，可以采用遍历算法进行拼合运算。

CSG 树无二义性，但并不唯一，它的定义域取决于所用体素以及所允许的几何变换和正则集合运算算子。

若体素是正则集，只要体素叶子是合法的，正则集的性质就保证了任何CSG 树都是合法的正则集。

CSG 表示的优点有：1) 数据结构比较简单，数据量比较小，内部数据的管理比较容易。

2) CSG表示可方便地转换成边界（Brep）表示。