几何造型问题机械技术.doc

几何造型问题几何造型研究三维几何信息如何在计算机内表示、分析和综合几何造型是内在的理论基础和关键技术,是随着航空、汽车等现代工业发展与计算机的出现而产生与发展起来的一门学科几何造型作为信息技术的一个重要组成部分,将计算机高速、海量数据存储及处理和挖掘能力与人的综合分析及创造性思维能力结合起来,对加速产品开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。几何造型这个术语首先是在年代初期,随着计算机图形学、计算机铺助设计和制造技术的迅速发展开始使用的它是几何学与计算机的完美结合几何造型包括两个分支第一个分支研究在计算机内如何描述一张曲面,如何对它的形状进行交互式的显示与控制,即曲面造型第二个分支发展较晚,它着重研究如何在计算机内定义、示一个三维物体,即所谓实体造型曲面造型与实体造型是互相支持、互相补充的光有曲面造型,我们的目光就会停留在组成物体的一张张表面上,无法去计算和分析物体的许多整体性质,如物体的体积、表面积、重心等,也不能将这个物体作为一个整体去考察它与其它物体相互关联的性质如两个物体是否相交如不相交,它们之间的最短距离是多少反之,如果光有实体造型而无曲面造型,我们将无法准确地描述和控制物体的外部形状。在历史上,曲面造型和实体造型是互相独立、平行发展的,彼此之间几乎没有影响关于实体造型的理论的发展落后于曲线曲面,虽然近几年已经取得了很大进展并进入实际应用,但仍不及曲线曲面理论那样成熟。一、曲线曲面造型曲面造型(Surface Modeling) 是计算机辅助几何设计(Computer Aided Geometric Design,CAGD) 和计算机图形学(Computer Graphics) 的一项重要内容,主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺,由 Coons 、 Bezier 等大师于二十世纪六十年代奠定其理论基础。曲线曲面造型的核心问题是计算机表示,即要找到既适合计算机处理且有效地满足形状表示与几何设计要求,又便于形状信息传递和产品数据交换的形状描述的数学方法。早在 1963 年,美国波音飞机公司的 Ferguson 首先提出将曲线曲面表示为参数的矢函数方法,并引入参数三次曲线,并构造了由四角点的位置矢量及两个方向的切矢定义的双三次曲面片,从此曲线曲面的参数化形式成为形状数学描述的标准形式。 1964 年美国麻省理工学院的 Coons 发表一种具有一般性的曲面描述方法,称为超限插值,Coons 曲面插值给定的四条边界曲线及其跨界导矢信息四条边界曲线可以是任意类型的参数曲线,但这些称为双线性混合的曲面片一般不能实现光滑拼接,为了获得整体上一阶参数连续曲面,必须应用双三次混合的 Coons 曲面片,且满足扭矢相容性条件,Coons 方法在曲线曲面造型中具有重大影响,它在飞机外型设计中取得了很大成功,并且可作进一步推广。 1946 年Schoenberg 提出的样条函数方法,提供了解决连接问题的一种技术,用于形状描述的样条方法是它的参数形式,即参数样条曲面,它用于解决插值问题, 特别用于构造整体达到某种参数连续阶的插值曲面是很方便的,但不存在局部形状调整的自由度,并且样条曲面的形状难以预测。 1971 年法国雷诺汽车公司的 Bezier 提出一种由控制多边形设计曲线的新方法,这种方法不仅简单易用,而且漂亮地解决了整体形状控制问题,把曲线曲面的设计向前推进了一大步,为曲面造型的进一步发展奠定了坚实的基础。但 Bezier 方法仍存在连接问题和局部修改问题,而且当特征多边形边数较多时,多边形对曲线的控制减弱。到 1972 年, de-Boo r总结、给出了关于B样条的一套标准算法, 197 4年 Gordo n和 Riesenfel d 又把 B样条理论应用于形状描述,最终提出了 B样条方法。这种方法继承了 Bezier 方法的一切优点,克服了 Bezier 方法存在的缺点,较成功地解决了局部控制问题,又轻而易举地在参数连续性基础上解决了连接问题,从而使自由型曲线曲面形状的描述问题得到较好解决。,都只能给出近似表示,不能满足大多数机械产品的要求。但随着生产的发展,B样条方法显示出明显不足棗不能精确表示圆锥截线及初等解析曲面,这就造成了产品几何定义的不唯一,使曲线曲面没有统一的数学描述形式,容易造成生产管理混乱。在参数表示范围里,福利斯特首先给出了表达为有理贝齐尔形式的圆锥截线〔 For1968]. 鲍尔(Ball, 1974, 1975, 1977) 在他的 CONSURF 系统中提出的有理方法在