实体造型

**實體造型**（英語：Solid modelling）是用於數學和電腦建模的三維實體上的一組連貫原則，它和幾何模型以及電腦圖形的差別主要在於它對物理尺度保真度的強調。幾何模型和實體模型一同構成電腦輔助設計的根基，一般可以協助物理實體的創造、交換、視覺化、製作動畫、檢查和註解。

實體造型的主要應用領域是電腦輔助設計、工程分析、電腦圖學、動畫、快速原型（rapid prototyping）、醫療測試和科學研究的視覺化（visualization）。

## 基本概念

* **掃掠 (Sweeping)**
  * 把一個元素沿著一條路徑 "掃出" 的一個立體特徵叫做面特徵。這些體積要麼加到物體上 ("拉伸 (extrusion)") 要麼切除材料 ("切割路徑 (cutter path)").
  * 也叫做 ' 基於草圖的造型 (sketcher based modelling)'.
  * 和各種製造技術類似，例如擠壓 (extrusion), 銑 (milling), 車削 (lathe) 等等。
* **邊界表示 (Boundary representation)**
  * 一個立體可以用其邊界表面表達，然後填充成為實體.
  * 也成為 ' 曲面造型 surfacing'。
  * 和各種製造技術類似；射出成型 (Injection moulding)、鑄造 (casting)、鍛造 (forging)、熱塑加工 (thermoforming) 等等。

 

* **參數化體素 (也稱基元) 實例化 Parameterized primitive instancing.**
  * 從一個參數化的**體素**庫中挑出並指定參數得到一個物體
  * 例如，螺栓在庫中有一個模型，通過修改它的參數集合這個模型可以用於所有螺栓的尺寸

 

* **空間占領 (Spatial occupancy, 或空間列舉)**
  * 整個空間子分成規則**塊 (cell，或細胞，胞腔)**，物體通過指定它占據了那些塊來表示。
  * 這樣表示的物體可用於有限差分析
  * 這通常是在模型完成之後作的，作為分析軟體的預處理的一部分。
* **分解 Decomposition**
  * 和 "空間占據" 類似，但是塊可以不規則，也不用 "預編織".
  * 這樣表示的模型可以用於有限元分析
  * 這通常是在模型完成之後作的，作為分析軟體的預處理的一部分。
* **構造實體幾何 (Constructive solid geometry).**
  * 用象並，差，交這樣的布林操作把簡單的物體組合起來，通常有樹形的等級結構 (組合體可以再組合)。
* **基於特徵的造型 (Feature based modelling)**
  * 物體和操作的複雜組合可以作為一個單元一起修改和複製
  * 操作的順序儲存在一個樹狀結構 (boolean tree or feature tree) 中，參數的改變可以在樹中傳播 (propagate)。
* **參數化造型 (Parameteric modelling)**
  * 特徵的屬性被參數化，並給予標籤 (變數名) 而不僅是固定的數字尺寸，整個模型的參數間的關係也記錄下來，使得參數值的改變變得更簡單。
  * 幾乎總是和特徵聯合使用，稱為基於特徵的參數化造型系統。

## 實體造型 CAD

因為 PC 的高速發展和有競爭力的軟體價格，實體造型系統在過去十年中成了工程專業的常識課。它們是機器設計者的重要工具。

實體造型軟體為機器設計和分析創造了一個虛擬實境。和操作者的介面得到了高度最佳化，包括可編的宏命令，鍵盤快速鍵和動態模型操作。動態轉動模型，即時三維明暗圖的功能得到了強調，以幫助設計者維持思考中的三維影像。

設計者通常可以在其他人也在同時工作的時候對模型進行處理。例如，幾個人同時設計一台有很多零件的機器。新零件建立後加入到裝配模型。每個設計者都可以處理裝配模型，並一邊工作和加工他們自己的零件。整個設計的演變對所有參與者都是可見的。

一個實體模型通常由一組特徵組成，一個一個加上去，直到模型完成。工程實體模型通常主要由基於草圖的特徵組成；二維草圖沿著路徑掃掠形成三維特徵。這些可以是切割，也可以是拉伸等等。

另一類建模技術是 ' 曲面造型 '。其中，先定義曲面，然後裁剪，合併，最後填充成為實體。曲面通常由空間中的資料曲線和很多不同的複雜指令定義。曲面造型更困難，但是對於注模之類的製造技術應用起來更好。注模零件的實體模型通常既有曲面造型也有基於草圖的特徵。

另一個曲面造型很有優勢的例子是車身面板。如果兩塊面板有不同的曲率半徑，並融合在一起，保持切向連續性 (意思是融合的表面方向不會突然改變只會光滑的改變) 是不夠的。在兩塊區域之間必須有連續的曲率變化率，否則他們的反射看起來會斷開。

工程圖紙是通過索引實體模型半自動的建立的。

這些軟體套件的學習曲線很陡，但是能夠掌握這些軟體的熟練機械設計者會有很高的效率。

實體造型軟體 (至少) 必須做到以下這些:

* 對實體零件建模
* 對零件的裝配建模
* 維護零件和裝配件的庫
* 計算零件和裝配件的品質屬性
* 反映建造零件所需的 ' 材料表'
* 從實體模型建立工程圖紙
* 通過明暗圖，轉動，隱藏線消除等技術幫助更好的顯示模型

多數現代的軟體套件還包括附加的功能:

* 雙向參數關聯 (任何特徵的改變會反映在所有和該特徵有關的資訊中：圖紙，品質屬性，裝配，等等，反過來也是一樣)
* 裝配件的運動，碰撞，和間隙檢測。
* 專門的附加模組 (有限元分析，鈑金，曲面造型，管 / 纜布線，電子部件封裝...)
* 控制文件和改版級別的管理
* 模型中包含可程式化代碼以控制和關聯模型的相關屬性
* 數控工具機的自動編程
* 真實感繪製
* 和其他軟體套件交換資料用的引入 / 匯出程式
* 可程式化的設計學習和最佳化
* 自動殼特徵建立
* 自動軸特徵建立
* 進階的視覺分析程式，用於軸，曲率，曲率連續性...

## 參數化實體造型 parametric solid modelling

三維 CAD 的一場革命始於 1989 年，當時第一個參數化造型系統 T-FLEX 在 PC 上發布了。Pro/ENGINEER 也於同年發行。現在大部分實體造型系統都是參數化的。

參數化造型用參數來定義模型 (例如尺寸)。參數可以以後修改，模型會更新以反映所作的改動。

例子：一個軸通過拉伸一個圓 100mm 產生。一個轂裝配在其尾端。後來，軸改成 200mm 長 (點擊軸，選擇長度尺寸，改為 200mm)。當模型更新的時候軸變成 200mm 長，轂會重新定位到它所裝配到的那個尾端，工程圖紙和品質屬性會自動反映所有的變化。

參數的例子有：用於建立模型特徵的尺寸，材料密度，描述掃掠特徵的公式，引入的資料 (例如，描述參照曲面的資料)。

參數化造型和明顯也很直觀。但是 CAD 的頭三十年卻不是這樣的。修改就意味著重化，或者在舊模型的上面增加新的切割或伸展。工程圖紙上的尺寸不是根據模型_顯示_, 而是直接_造_出來的。

參數化造型功能強大，但是模型建造過程需要相當的技巧。為一個注模零件製作的複雜模型可能包含上千個特徵，修改早先建立的特徵可能導致後續特徵建立失敗。有技巧的建立的參數化模型更易於維護和修改。

參數化模型易於資料重用。譬如一整族的帶頭螺釘可以從一個模型得到。

電腦產生的人物的動畫是參數化造型的一個例子。恰恰・賓克斯 (Jar Jar Binks，星戰人物) 用一組定位關鍵肢體位置的參數描述。模型從這些位置開始建造。對每一影格進行參數修改和模型重建就得到了動畫。

## 醫用實體造型

現代電腦斷層攝影 (俗稱 CT) 和核磁共振掃描器可以為體內特徵構造實體模型

醫學實體造型的用途:

* 視覺化
* 特殊組織的視覺化 (譬如血管和腫瘤)
* 為快速原型提供實體模型資料 (例如，用以輔助外科醫生準備困難的手術).
* 把醫學實體模型和電腦輔助設計實體模型結合起來 (例如，用於設計髖關節替代部件)

## 另見

* 電腦圖學
* 計算幾何
* 歐拉邊界表示
* 線框模型
* 工程圖紙
* 草圖
* Alibre
* AutoCAD
* BRL-CAD
* CATIA
* Creo Parametric
* I-DEAS
* Inventor
* Solid3000
* Solid Edge
* SolidWorks

## 參考資料

## 外部連結

### 商業實體造型系統

* Alibre（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* AutoCAD
* Inventor
* Euclid-IS
* Pro/ENGINEER（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Catia
* Unigraphics（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Solid Edge（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Solid Works（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* ParaLogix（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Tekla Structures（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* SMLib（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* KeyCreator
* OpenCascade（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Spatial's (SAT format)（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* IronCAD（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

### 免費實體造型系統

* BRL-CAD（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）