第一篇：三维人体与服装建模技术综述总结
杨孝辉-201107004240-W112
三维人体与服装建模技术综述
摘要：在参阅了大量资料与文献的基础上综述了现有的三维人体建模的一般方法并对各自的优缺点进行了分析，着重介绍了三维人体建模与服装建模，可对三维人体与服装建模技术有一定的了解。
引言：关于人体建模技术的研究始于20世纪70年代末，计算机人体建模技术发展到现在, 已经出现了大量的不同实现方法, 且随着时间的推移, 还可能不断地有一些新方法出现, 而一些老方法也可能会得到进一步完善和发展。三维人体建模是计算机人体动画、人机系统计算机仿真等系统首要解决的问题之一。三维人体建模首先要建立逼真的人体模型，同时要考虑人体模型的动态特征。本文将从各个方面介绍三维人体与服装建模得技术的各个方法，这将有助更清晰地区别和了解各种方法的特点。在服装CAD、网络虚拟试衣、三维人体动画和游戏等应用领域，都面临着如何解决真实人体与服装的三维重建问题，即人体与服装的真实感虚拟建模。在计算机图形学中，物体的造型一般分为传统几何建模和物理建模两大类。传统几何建模采用线框、表面和实体等造型技术，只描述物体的外部几何特征，适合静止刚体的造型。物理建模则是将物体的物理特征和行为特征融进传统的几何模型中，既包含了表达物体所需要的几何信息，又包含了物体材料的物理性能参数。在现实世界中，服装的运动受织物材料特性和人体运动的共同影响。人体运动所产生的肢体位移造成人体皮肤表面和服装布料之间的碰撞，力的相互作用驱动服装跟随人体运动。由于用计算机模拟人体与服装真实效果的复杂性，在三维人体与服装的造型中出现了几何建模技术、物理建模技术、结合几何与物理的混合建模技术。一、三维人体与服装的几何建模技术
1．人体
三维虚拟人体的几何建模技术主要是曲面建模，又称表面建模，这种建模方法的重点是由给出的离散数据点构成光滑过渡的曲面，使这些曲面通过或逼近这些离散点。在人体曲面建模时，主要采用基于特征的和参数化的人体曲面建模两种具体建模方法。
2.基于特征的人体曲面建模
基于特征的人体曲面建模根据人体的整体结构，将人体模型划分为若干个基
杨孝辉-201107004240-W112 本的结构特征。为进行曲面造型，针对每个结构特征可定义相应的造型特征。造型特征分为主要造型特征(即人体模型中指定的特征)和辅助造型特征(即为了精确表达人体模型的较细节几何特点所定义的造型特征)。该方法的优点在于．它使得人体模型的曲面建模更加灵活，可以针对人体模型不同部位的几何特征，选择最适合的曲面建模方法，而不必拘泥于某一种曲面表达方式。此外，还可较方便地改进人体模型建模方法。根据人体模型尺寸表，可定义一系列的特征曲线，曲线的生成通过相关特征点(根据人体物理特性定义的点)和模型样本点(根据人体模型曲面造型需要定义的点)来得到。仅靠特征曲线还不足以表达人体模型的所有几何形状，需补充定义几何造型曲线，与特征曲线共同构造出曲线网络。网络曲线多采用3次B样条曲线表达，人体曲面模型的构建则采用B样条曲面。
二、参数化的人体曲面建模
参数化的人体曲面建模采用几何约束来表达人体模型的形状特征，从而获得一簇在形状上或功能上相似的设计方案。即在建模过程中应结合人机工程学原理，利用人体各部分固有的比例关系，从人体模型的众多特殊尺寸中提取出起决定性作用的参数。一旦几何特征参数确定下来，系统将根据人机工程学原理，修改相应的主要造型特征，使其满足新的尺寸要求。同时，利用人体模型主、辅造型特征问的关联结构，修改相关的辅助造型特征，获得新的人体模型造型特征，对新的人体模型造型特征进行曲面造型，最终得到用户所需的人体模型。参数化建模是一种更为抽象化的建模方法，它以抽象的特征参数表达复杂人体的外部几何特征，依托于常规的几何建模方法，使设计人员能够在更高、更抽象的层面上进行人体设计。NM Thalmann和DThalmann最早使用多边形表面生成虚拟人MarilynMonroe，之后又提出JLD算符用于对人体表面的变形。Forsey将分层B样条技术用于三维人体建模。Douros等使用B样条曲面重构三维扫描人体模型。曲面模型的优点是速度较快，缺点是不考虑人体解剖结构，取得非常逼真的模拟效果比较困难。提高表面模型的逼真性是目前的研究热点之一。尽管曲面建模技术已经能够完整地描述人体的几何信息和拓扑关系，但所描述的主要是人体的外部几何特征，对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素缺乏描述，对于人体动态建模仍有一定的局限性。
除曲面建模方法外，还有棒状体建模和实体建模方法。棒状体建模是最早出
杨孝辉-201107004240-W112 现的虚拟人体几何建模方法，人体表示为分段和关节组成的简单连接体，使用运动学模型来实现动画模拟，实现人体的大致动作。实体模型使用简单的实体集合模拟身体的结构与形状，例如圆柱体、椭球体、球体等，然后采用隐表面的显示方法，其计算量大，且建模过程非常复杂。在三维人体模型结构中，实体模型和棍棒体模型基本上已较少使用。
三、服装的几何建模方法
服装的几何建模方法着重模拟布料的几何表象，尤其是波纹、褶皱等，不考虑服装面料的物理特性，将织物视为可变形对象，用几何方程表达并模拟虚拟现实环境中的织物动画效果。目前常用B样条曲面、Bezier曲面：INURBS曲面来进行服装曲面造型。
Lalfeur等开始用简单的圆锥曲面代表一条裙子，并穿着在一个虚拟模特上，以人体周围生成的排斥力场来模拟碰撞检测。Hinds等将人体模型的上半躯干进行数字化图像处理以获得基础人形，提出了在人体模型上定义一系列位移曲面片的、典型的几何三维服装建模方法，用三维数字化仪取得人体模型上的三维空间点，然后用双3次B样条曲面拟合得到数字化的人体模型，服装衣片被设计成围绕人体模型的曲面，然后将之展开到二维，这些服装衣片是通过几何建模得到的。此方法计算速度较快，模拟出的服装具有其形态特点，生成的图形具有一定的织物视觉效果，但不能代表特定的服装织物，仿真效果较差。1.线框建模
线框建模是采用点、直线、圆弧、样条曲线等构造三维物体的图形表示技术，它是计算机图形学在CAD/CAM应用中最早用来表示形体模型的建模方法，并且至今仍在广泛应用。线框建模只是单纯的用点、线的信息表示一个形体，数据量少，定义过程简单，对其编辑、修改非常快，符合服装生产中人们打样的习惯。很多复杂的形体设计往往先用样条勾画出基本轮廓，然后逐步细化。人体的线框建模是将人体轮廓用线框图形和关节表示。由于包含的信息有限，因此该法存在缺陷[1]：
(1)有模糊性和歧义性，即不能够无二义性地表达三维人体；(2)无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感人体模型显示；(3)无法进行剖面操作；
杨孝辉-201107004240-W112 但线框建模方法很容易产生人体的动作，并且可作为实体建模、曲面建模的基础，因此至今仍在广泛应用。最早开发商品化人机系统仿真软件的英国诺丁汉大学SAMMIE系统生成的人体模型APPOLLO(包含17个关节点和21个节段)、Chrysler公司用Fortran开发的CYBER-MAN系统生成的人体模型以及由Pennsylvania大学计算机图形实验室用C语言开发JACK软件生成的人体模型(包含88个关节点，17个节段)采用的就是线框建模的方法。2.实体建模
实体建模[2]的概念尽管早在20 世纪60 年代就已提出, 但到20 世纪70 年代才出现简单且有一定实用意义的实体建模系统.到20 世纪70 年代后期, 实体建模技术在理论、算法、和应用方面才比较成熟.三维人体的实体建模由于增加了实心部分表达，信息更加完备，从而使得三维人体得到无二义性描述。并且实体建模方法提供了顶点、边界、表面和实体几乎所有的几何和拓扑信息，因此它可以支持对表达人体的消隐、真实感图形显示。
实体建模技术包含两部分内容，一部分是体素(长方体、球体、柱体、锥体等)定义和描述;另一部分是体素之间的集合运算(并、差、交等)。但是随着物体结构复杂性的增加,计算量会随之加大,导致计算效率差、耗时长。
采用实体建模的方法构建的系统有:波音公司开发的Boeman人体建模软件、以及后来在该系统中开发的允许用户建立任意尺寸和比例的人体几何建模程序生成的人体模型、KomyisB等在IBMRs/600CATIA系统上构造的三维人体模型等。毛恩荣等在研究用于机械系统人机界面匹配的人体模型中，采用面向对象的继承方法，将人体构造成由一系列立方体所组成的三维人体模型实际上也是实体建模方法。3.多面体建模
多面体建模[3]是从构造多面体开始，对多面体的任意一个面、棱边、顶点进行局部修改，从而构造一个与实体外形相似的多面体(即基本立体)，然后通过类似于磨光的处理，自动产生自由曲面的控制顶点，并拼接成所需的形状。它是一种根据设计者的构思来进行局部处理并生成人体模型的方法。用多面体建模可以灵活地进行人体形状设计。多面体人体建模的步骤如下：
（1）首先它将产生一个由直线和平面所组成的基本立体, 作为人体形状的原型；
杨孝辉-201107004240-W112（2）由基本立体产生曲线模型；
（3）曲面的产生： 在曲线模型的基础上, 用参数曲面进行拟合； 四、三维人体与服装的物理建模技术
传统的人体建模技术经历了从线框建模，曲面建模到实体建模的发展历程，其对人体的几何信息和拓扑信息的描述已相当完备。但它们所描述的主要是人体的外部几何特征，而对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素(如重力等)则缺乏描述。传统的人体建模方法对静止人体的建模是非常成功的，但对于人体动态建模却相当乏力。正是针对这一问题，人们尝试将人体的物理属性和人体所受的外部环境因素引入到传统的几何建模方法中，形成了全新的基于物理的建模方法[4]。
基于物理的建模方法是针对传统的人体建模技术主要描述人体的外部几何特征，而对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素(如重力等)缺乏描述的基础上发展起来的。因此它尝试将人体的物理属性和人体所受的外部环境的各个方面因素引人到传统的几何建模方法中，形成的一种全新的建模方法。由于在建模过程中引人了人体自身的物理信息和人体所处的外部环境因素，因而基于物理的建模方法能获得更加真实的建模效果。同时也由于引人了时间变量，对人体或服装进行三角、网格或粒子划分,进行能量、受力分析,能较真实地模拟柔性物体的特性，人体的动态特征将得到有效地描述。但基于物理的建模方法在人体的动态运动规律表达多是采用微分方程组数值求解方法来进行动态系统的计算，与传统的人体建模方法相比，基于物理的建模方法在计算上要复杂得多。但此法能弥补传统人体建模方法的不足，自产生以来也得到了迅速的发展。
与传统的建模方法相比，基于物理的建模方法具有以下几个特点：(1)在建模过程中引入了人体自身的物理信息和人体所处的外部环境因素，因此，基于物理的建模方法能获得更加真实的建模效果；
(2)在建模过程中引入了时间变量，因此，基于物理的建模方法能对人体的动态过程进行有效地描述；
(3)人体的动态运动规律多采用微分方程组的形式表达，在基于物理的建模过程中，通常采用微分方程组的数值求解方法来进行动态系统的计算，因此，与传统的建模方法相比, 基于物理的建模方法在计算上要复杂得多,由于基于物理
杨孝辉-201107004240-W112 的建模方法弥补了传统的几何建模方法的不足, 自产生以来便得到了迅速的发展。物理建模方法虽然仿真效果更接近真实状态，但因模型中包含的有效织物力学结构参数很难确定，加之运算时间太长，应用受到了限制。
五、离散模型的建立
织物是由大量纤维、纱线形成的复杂结构体，是非连续的，宜使用离散的方法建立模型。1994年Breen等提出采用相互联系的粒子系统模型模拟织物的悬垂特性，1996年Eberhardt等发展了Breen的粒子模型，体现了织物的滞后效应，增加了风动、身动等外力对服装面料的影响。在粒子系统的基础上，由Provot和Howlett先后提出的质点一弹簧模型结构简单，容易实现，计算效率较高，取得了较好的应用效果。该模型将服装裁片离散表达为规则网格的质点～弹簧系统。每一个质点与周围相连的若干个质点由弹簧相连，整个质点一弹簧系是一个规则的三角形网格系统。Desbrun等对质点～弹簧模型加以延伸、扩展和改进，综合显式、隐式积分，提出一种实时积分算法，可实现碰撞和风吹等检测和反应。刘卉等也用改进的质点一弹簧模型完成了模拟服装的尝试。
人体多层次模型是最接近人体解剖结构的模型，通常使用骨架支撑中间层和皮肤层，中间层包含骨骼、肌肉、脂肪组织等，因此人体从内到外分成骨架、骨头、肌肉、脂肪和皮肤等几个层次，可分别采用不同的建模技术。骨头层可看成刚性物体，采用几何模型。皮肤层属于最外层，需要较多的真实性，可采用基于物理的模型，指定皮肤层每个顶点的质量、弹性、阻尼等物理参数，计算每个点的运动特性，实现皮肤的变形。皮肤需要匹配到骨架上，其动态挤压和拉伸效果由底层骨架运动及肌肉体膨胀、脂肪组织的运动获得，附着于骨头上的肌肉和脂肪也得适当地采用物理建模方式形成。
Chadwick等提出了“人体分层表示法”的概念。在此基础上，Thalmann等提出一种更加高效的、基于解剖学的分层建模算法来实现人体的建模与仿真。通过这种方法建立的人体模型从生理学和物理学角度都能实现更加逼真的效果，但模型复杂度高，人体变形时计算量大。
几何建模能赋予服装更灵活的形状，可以方便地修改服装的长短胖瘦、结构线等外观形状，模型简单，执行速度快，但不能通过参数控制服装的悬垂及质感。物理建模允许通过选择参数值较为直观地控制服装的悬垂及质感，如增加质量参
杨孝辉-201107004240-W112 数值将得到厚重织物，但模型复杂，计算费时。服装的混合建模技术吸取了几何和物理的优点。通常在图形生成或模拟过程中，先用几何方法获得大致轮廓，再用物理约束和参数条件进行局部结构细化，从而获得逼真、快速的模拟图形。
Kunii和Godota使用混合模型实现了对服装皱褶的模拟。Rudomin在进行模拟时先使用几何逼近的方法，在人体的外围生成„个3DJ]~装凸包，给出了悬垂织物的大致形状，后利用Terzopoulos的弹性形变模型对织物的形态进行细化处理。在实际应用中，混合建模技术更适合于织物和服装变形形态的模拟，既能满足对服装三维效果的仿真，且能在一定程度上实现三维交互设计，计算时间也将显著缩短，可以满足实时的要求，是目前较好的选择。在三维人体建模上，对静止人体的实现主要采用面建模技术，重点描述人体的外表面，即皮肤的外形。为了实现人体的动态仿真，需要考虑人体本身的物理特征(如质量、密度、材料属性等)和行为特征，使得计算机模拟的人体活动符合真人的运动效果，采用了物理建模技术，但由于人对人体解剖结构、自身组织及器官的物理特性、人体运动及动力学行为等研究和了解得并不充分，很难建立起完整的三维人体物理模型。
在三维服装模拟上，需要设置面料的质地、图案、色彩、尺寸及环境的灯光、重力、风源、风速、风向等，以及人体与服装的动力学约束，才能完成服装动态特性的运动模拟和仿真。服装的几何建模能方便模拟面料的几何表象，但也只能实现服装的外观形状。物理建模技术大多用于对单个织物的动态模拟，对整个由衣片缝合而成的、具有一定款式和饰物的服装造型则过于复杂。
要实现虚拟试衣、虚拟时装表演、服装的网上展示和虚拟购物等的虚拟环境，不仅需要建立人体和服装的模型，而且还要考虑人体、服装间、人体与服装间的碰撞，因此统一人体和服装的造型是必需的。结合几何建模和物理建模的各自优点，接近人体解剖结构，把最外层设置为服饰层的人体多层次模型将是今后重点研究的方向。
六、结束语
一种三维人体建模方法能否在具体人体模型实现中发挥作用，主要由建模方法本身性能和实现方法(如计算机程序)的质量两方面共同决定。实现方法的好坏很大程度上依赖于建模方法的原理，因此对人体建模方法本身进行理论上的分析研究，寻求一种好的建模方法是非常重要的。并且随着人体建模方法研究的深人，杨孝辉-201107004240-W112 还可能会有一些新的建模方法出现，原有的方法也可能会得到进一步完善和发展。
参考文献：
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A Model-Based Approach for Estimating Human 3D Poses in Static Images
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Medical Imaging: Registration of 3D Objects and Surfaces
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Erick Mendez , Gerhard Schall , Sven Havemann , Sebastian Junghanns , Dieter Fellner , Dieter Schmalstieg IEEE Computer Graphics and Applications
卷次: 28 刊期: 3，May 2008
第二篇：三维建模技术
计算机三维建模及其应用 作者：刘胜平指导老师：
南昌航空大学航空制造工程学院
摘要：为了更好的应用计算机三维建模技术，本文讲述了计算机三维建模的含义，描述了三维建模的发展历史，说明了三维曲面建模和三维实体建模的主要方法与应用、数据交换接口、三维建模技术的发展趋势。关键字：三维建模技术 1 引言
为了能够在计算机环境下更逼真地模拟现实世界的人和物及其运动形态, 必须在三维空间系统中利用已有的三维建模技术 ,精确地描绘这些事物以实现三维物体的真实再现 ,进而为用户创造一个身临其境、形象逼真的环境。对现实世界的事物进行建模和模拟,就是根据研究的目标和重点, 在三维空间中对其形状、色彩、材质、光照、运动等属性进行研究 ,以达到 3D 再现的过程。因而, 对三维实体的图形图像处理及其模型建模研究显得尤为必要。2三维建模技术的定义、发展历史
三维建模技术是研究在计算机上进行空间形体的表达、存储和处理的技术，在CAD技术发展初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着三维建模技术的发展，CAD技术 才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之产生了三维线框模型、曲面模型和实体造型技术等。线框模型：20世纪60年代末开始研究线框和多边形构造三维实体，这样的模型被人称为线框模型。三维物体是由他的全部顶点以及边的集合来描述。曲面模型：曲面模型是在线框模型的数据结构基础上，增加可形成立体面的各相关数据后构成的。
实体造型技术：实体模型在表面看来往往类似于经过消除隐藏线的线框模型在线框模型或经过消除隐藏面的曲面模型；但实体模型上如果挖一个孔，就会自动生产一个新的表面，同时自动识别内部和外部；实体模型可以使物体的实体特性在计算机中得到定义。
特征参数化技术：参数化造型的主体思想是用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一系列在形状或功能上具有相似性的设计方案。
变量化技术：我们在进行机械设计和工艺设计时，总是希望零部件能够让我们随心所欲地构建，可以随意拆卸，能够让我们在平面的显示器上，构造出三维立体的设计作品，而且希望保留每一个中间结果，以备反复设计和优化设计时使用。三维曲面建模和三维实体建模的主要方法与应用
第三篇：三维建模设计报告总结
三维建模设计报告总结
三维造型技术在机械制造业中的广泛应用，给机械制图课程的改革提出了新的要求，以下是小编整理的三维建模设计报告总结范文。
三维建模设计报告总结篇一：
1、论文题目：要求准确、简练、醒目、新颖。
2、目录：目录是论文中主要段落的简表。(短篇论文不必列目录)
3、提要：是文章主要内容的摘录，要求短、精、完整。字数少可几十字，多不超过三百字为宜。
4、关键词或主题词：关键词是从论文的题名、提要和正文中选取出来的，是对表述论文的中心内容有实质意义的词汇。关键词是用作机系统标引论文内容特征的词语，便于信息系统汇集，以供读者检索。每篇论文一般选取3-8个词汇作为关键词，另起一行，排在“提要”的左下方。
主题词是经过规范化的词，在确定主题词时，要对论文进行主题，依照标引和组配规则转换成主题词表中的规范词语。
5、论文正文：
(1)引言：引言又称前言、序言和导言，用在论文的开头。引言一般要概括地写出作者意图，说明选题的目的和意义, 并指出论文写作的范围。引言要短小精悍、紧扣主题。
〈2)论文正文：正文是论文的主体，正文应包括论点、论据、论证过程和结论。主体部分包括以下内容：
a.提出-论点;
b.分析问题-论据和论证;
c.解决问题-论证与步骤;
d.结论。
6、一篇论文的参考文献是将论文在和写作中可参考或引证的主要文献资料，列于论文的末尾。参考文献应另起一页，标注方式按《GB7714-87文后参考文献著录规则》进行三维设计开题报告三维设计开题报告。
中文：标题--作者--出版物信息(版地、版者、版期)：作者--标题--出版物信息
所列参考文献的要求是：
(1)所列参考文献应是正式出版物，以便读者考证。
(2)所列举的参考文献要标明序号、著作或文章的标题、作者、出版物信息。
三维建模设计报告总结篇二：
钳工用电动台虎钳，是现在市场所少有的。
一、根据现在生产技术越来越高，生产精度越高，同时也是生产越来越精巧，夹紧力也要求越来越准确，不能过大过小。但传统的台虎钳所产生的夹紧力是根据师傅的经理来保证的，因此极有可能会产生以上的不足而使废品率提高，根据生产的需要，特此设计一套适合加工的钳工用电动台虎钳。
二、传统的台虎钳工作效率比较低，传统台虎钳是螺纹传动，无法实现快速夹紧与松开，使得生产效率比较低。现有的电动台虎钳基本上用在车床上，能实现快速夹紧与松开，但是要配有一个机动的动力源，如果用在钳工上就成本太高，所以不适用。新设计的钳工用电动台虎钳，不但可以实现快速夹紧与松开的同时，电动系统的动力源为手动，这样相对于机床用的台虎钳来说成本比较低，只比传统台虎钳的成本高不了多少。钳工用电动台虎钳有以上优点，新的台虎钳的问世是迟早的问题，是必然的趋势。
目前，国内有不少科研单位已经或正在进行利用Pro/ENGINEER进行二次开发的CAD系统研究工作，不过对于这些系统，在机械方面的设计比较多，合肥工业大学进行了开发Pro/ENGINEER用户化菜单的技术和实践方面的研究，即研究如何在Pro/ENGINEER中加入用户自定义的菜单;合肥经济技术学院提出了通过Pro/ENGINEER二次开发来利用工程数据库进行特征造型的方法;南京航空航天大学的陈辰等参与开发的是一个较为完整的轴类零件设计(三维模型)、零件出图、零件加工(加工刀轨代码生成)系统，让一些通用设计的过程实现自动处理，以减轻设计人员的工作量;北方交通大学机械与电子工程学院进行的是基于Pro/ENGINEER的内燃机车三维标准件库的建立方面的研究，该系统采用Pro/ENGINEER为平台，利用其强大的参数化造型技术和二次开发模块Pro/TOOLKIT，建立内燃机车三维标准件库，以适应机车新产品的设计与开发，提高Pro/ENGINEER系统的实用程度;清华大学精仪系CIMS中心则提出基于Pro/ENGINEER系统开发面向并行工程的CAD系统三维设计开题报告文章三维设计开题报告
在国外，新加坡国立大学的Wynne Hsu等人，以Pro/E软件为平台，通过C语言编程开发出一种将装配设计分析与产品的概念设计相结合的系统。系统通过五大模块:设计特征库、分析模块、交互模块、搜索模块和装配模块，实现了产品的自动装配。国外由于研究开发三维设计软件的时间较长，而且早己应用于相关行业，故在其应用领域里的自主开发技术已经十分成熟和完善。
(1)对虎钳进行测量，并通过三维绘图软件Pro/E重构其模型。
(2)对产品测绘后，根据各个尺寸，通过Pro/E重构出产品台虎钳的三维模型。
用ProE做出虎钳的零件图的三维建模，并进行虚拟装配、干涉检测及系统优化等。
利用 Pro/E软件的参数化功能或指令编程技术，建立本单位常用的标准零件库，减少重复建模时间，提高设计效率。
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成大先。机械设计手册。化学工业出版社，XX：P79-102，XX：
曹玉平，阎祥安。电动传动与控制。天津大学出版社，XX：P45-68
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北京：机械工业出版社，XX：P11-21
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Pro/ENGINEER Wildfire 中文版典型实例。人民邮电出版社P367--423
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第四篇：注塑机三维建模毕业设计
注射模具工作过程中的动画模拟
第1章 绪论
1.1注塑成型模具概述
注塑用模具简称注塑模，主要用于热塑性制品的成型，但近年来也越来越多地用于热固性塑料的成型。注塑成型在塑料制品成型中占有很大比重，世界塑料成型模具产量中约半数以上为注塑模具。
注塑模主
图1-1 化妆瓶盖用模具 要由成型零部件和浇注系统组成，使来自注塑机的熔融物料成型为适应于各种用途的制品。注塑过程中，塑料先加在注塑机的加热料桶内，塑料受热熔融后，在注塑机的螺杆或活塞推动下，经喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，塑料在模具的型腔内固化成型，这就是注塑成型的简单过程。
1.2注塑成型模具的分类及其典型结构
1.2.1注塑成型模具的分类
生产中使用的注塑模具种类繁多，可从不同的角度分类。本论文要模拟模具的工作和装配过程，要对各类不同的模具结构进行精密的三维建模，因此本文按照模具的结构不同来对其进行分类：单分型面注塑模具，双分型面注塑模具，带活动镶件的注塑模具，横向分型抽芯的注塑模具，自动卸螺注塑模具，多层注塑模具，无流道注塑模具等。下文将主要针对单分型面，双分型面，斜导柱抽芯注塑模具以及目前应用广泛的潜伏浇口的注塑模具进行模拟。
1.2.2注塑成型模具的典型结构
注塑模具的结构是由塑件结构合注塑机的形式决定的。凡是注塑模具均可
注射模具工作过程中的动画模拟
1.4课题的研究内容
a 用3ds max制作各种塑料模具零件，包括动定模板，凸模，凹模，导柱，导套，复位杆，推杆以及连接螺钉的建模；
b 把零件装配成成型系统，浇注系统，脱模系统，抽芯系统，再将各系统装配成整套模具，并附有相关图片和文字说明；
c 模拟上述各类模具的工作过程及其装配过程。
注射模具工作过程中的动画模拟
者丰富的创造欲望，这一特点正满足了本设计中图片细致的后期处理要求。
2.3会声会影的选用
会声会影是一套影片剪辑软件，具有其它视频工具无法替代的视频文件编辑功能，能独立编辑影片的视频，背景音乐和旁白解说音轨。本论文正是利用这些特有功能对3ds max渲染出的无声视频文件加上标题，转场效果并且配上背景音乐，使动画更加生动丰满，有声有色。
注射模具工作过程中的动画模拟
模架。适用于立式或卧式注射机上。用于直浇道，采用斜导柱侧面抽芯、单型腔成型，其分型面可在合模面上，也可设置斜滑块垂直分型的注射模。
3.2典型注塑模具的特征
在本设计工作开展之初，为了更加准确的表达清楚模具的内部结构，本组成员到模具车间进行了现场调查，通过工人师傅的讲解和部分照片资料的收集，笔者对本课题涉及的模具有了更加深刻的认识。此外，在设计中期，我们还到外校模具实验室参观了注塑模具木结构模型，并进行了现场拆装实验，为设计提供了丰富的实践素材。现介绍本文将涉及的几种典型模具的具体特征。
3.2.1单分型面注塑模具
顾名思义，在动模与定模之间只有一个分型面的注塑模叫单分型面注塑模，有些资料也将其称为两板式注塑模或标准模。具体特点是主流道开设在定模板一侧，分流道和测浇口设置在分型面上，开模后，塑件连同浇口，流料凝料一起滞留在动模一侧。动模中的顶出脱模机构在注塑机的顶杆驱动下，从动模上把塑件和凝料一齐顶出。图3-2所示是一种单分型面的注塑模具。
图3-2单分型面注塑模具
3.2.2双分型面注塑模具
除了动模和定模之间的一个分型面之外，还设有另外一个具有辅助功能的分型面的注塑模叫做双分型面注塑模具，又称作三板式注塑模。与单分型面注
注射模具工作过程中的动画模拟
此种类型的单独给出介绍。
潜伏式浇口的断面形状和尺寸类似点浇口，它除了具备点浇口的特点外，其进料部分一般选在制件侧面或背面较隐蔽处，不至于影响制件的外观，同时可以采用较简单的两板式模具浇口进浇点潜入分型面的下方沿斜向进入型腔，在动模和定模分型或者推出时流道凝料和制件被自动切断，故分型或推出的时候必须有较强的外力驱动，对于强韧的塑料，潜伏式浇口是不适用的。图3-5所示为潜伏式浇口示意图。
图3-5 潜伏式浇口
3.3三维模具模型的建立
本文要实现三维动画的效果，首先要对各部分模具零件进行三维建模。对于此部分工作，本课题采用3ds max 5.0应用软件。首先对各类模具的单个零件进行建模，最后装配在一起成为完整的一套模具。下面对上述四种典型模具的建模过程进行详细阐述。
3.3.1单分型面模具建模
在这部分的模型建立中，笔者的主要工作有标准模架的模型建立，包括动模底板，支架，动模垫板，动模板，定模板，定模底板，推板以及推杆固定板等板类零件的建模；凸模和凹模的建模；杆类零件模型的建立，包括复位杆，注射模具工作过程中的动画模拟
柱体，最后将复位杆复制三份，推杆复制七份，调整好各自的相对位置。由于这部分采用的是Z字头拉料杆，因此对拉料杆的末端还要进行处理。利用自由
图3-10 导柱和导套
图3-11 杆类零件
图3-12推板导柱及导套 曲线工具创建Z字形二维形状，然后用extrude拉伸命令将其拉伸至一定厚度，最后用拉料杆减去这部分形状即可得到Z字头拉料杆。杆类零件的全部效果图如图3-11所示。
为了推板能在固定的轨道上运动，这里还要建立推板的导柱及其导套的模型，其建立过程和复位杆以及拉料杆的大同小异，同样是建立首先利用圆柱体命令建立两个圆柱体，然后调节其形体参数和相对位置，最后用“布尔和”将它们合并成一个实体。其效果图为图3-12所示。
最后进行各部分连接螺钉的三维建模。在这套模具中，有连接动模底板，支架，动模垫板和动模板的螺钉，有连接推板和推杆固定板的螺钉以及连接定模板和定模底板的螺钉。首先用createextended primiti vesgengon命令创建正六边形棱柱，在用
布尔和运算将它与另一倒角圆柱体合并，然
图3-13螺钉建模 后建立一个弹簧模型，调整其显示参数，使其成为螺纹的形状，最后也将它合并至刚才制作好的复合几何体中，其效果图为图3-13。利用复制命令将其复制到其他位置，并调整好各自的长度，螺钉的模型建立即完成。
由于各杆类零件和螺钉都是装配在模架之中，所以最后还必须在模架中制作与各零件相配合的孔，这项工作可以利用布尔差
运算实现。
此外，再用圆柱体命令建立浇口套和定图3-14 单分型面注塑模具模型
1注射模具工作过程中的动画模拟
用createextended primitivesoiltank命令创建油桶几何体，调节其参数使它的形状和大小复合斜导柱的特征，再创建两个圆柱体，将两个几何体应用布尔和运算合并，效果如图3-17所示。
图3-17斜导柱示意图
图3-18 组合滑块示意图
3注射模具工作过程中的动画模拟
第4章 三维动画的制作
动画是由一系列静止图像构成的，这些静止图像按一定顺序显示在用户的眼前，每个静止图像称为动画的一帧。动画非常适合表现模具的工作过程和装配过程，看过动画之后能十分清楚地了解模具结构。
3ds max5.0拥有强大的动画制作及渲染功能，利用其自带的动画编辑和渲染器能轻松实现三维动画的制作。如图4-1为该软件的动画轨迹视图。
图4-1 3ds max5.0动画轨迹视图
4.1单分型面模具工作过程动画的制作
动画的制作过程也都是大同小异，在此以单分型面的工作过程动画为例来说明动画的制作过程。（1）分析动画过程
该部分动画可以分为5个过程。第一，注塑机开始工作，往模具型腔中注入塑料熔料；第二，注塑过程完毕，动模部分和定模部分开始分开，同时将制件和流道凝料一起和定模脱离一定距离（开模行程）；第三，推板在注塑机的驱动下推动塑料制件离开凸模；第四，脱模过程完成，动模和推板部分一起向定模方向运动，直到复位杆接触到定模板；第五，合模过程结束，并且推板的复位完成，准备开始下一周期的工作。（2）设置关键帧
根据上述分析结果，可以在动画中设置关键帧：第0帧，即为各部分零件的初始阶段，动模和定模闭合；此后每隔20帧设置一个关键帧。第20帧，开模，此时塑料制件仍然在凸模上；第40帧，推出制件和凝料；第60帧，合模；
5注射模具工作过程中的动画模拟
使侧型芯滑块侧向运动完成侧抽芯动作，接着是推杆运动推出制件，最后合模并准备下一周期的注塑工作。
潜伏式浇口所用的是两板结构，其关键帧的设置和单分型面注塑模具十分相似，在此不作重复论述。
4.3装配过程动画的制作
在装配过程动画中，笔者将零件的运动轨迹设置为水平运动，并使各零件依次从屏幕两边“飞”入画面，以实现装配过程的模拟。由于零件数量较多，其关键帧的数量比起模具的工作过程动画来说更多，因此所需的动画时间也较长。具体的设置过程为依次把各零件拖入画面，然后点击关键帧设置按钮，最后选择合适的视频输出尺寸，渲染输出。
4.4静态图片的渲染出图
图4-3 渲染动画对话框
为了更清楚的反映模具结构，在配合三维动画的前提下，在此还渲染出更为清楚的静态图片，以弥补三维动画中未曾表达清楚的细节部分零部件。
首先将要显示出图的零件选中，单击右键选择“隐藏未选中零件”，然后放大视图，将零件显示在视图的显眼位置，最后架设好“灯光”和“摄像机”系统，调出渲染动画对话框。此处与渲染动画所不同的地方在于，在选择文件格式时，如果要渲染动画文件则选择“avi”格式，如果是图片，则选择“jpeg”格式，并勾选上渲染“single”，即指渲染单帧。
同样，此时的图片仍然比较粗糙，没有层次感，必须对其进行专门的后期处理才能达到更好的效果。
7注射模具工作过程中的动画模拟
以“单分型面注塑模具的工作动画”为例。播放初稿时，整个动画只有5秒钟，时间过短，整个模具的工作过程难以看清，而且视频开头缺乏标题和标题动画。
在“会声会影9”中打开这段影片剪辑，首先为动画加入标题。单击素材库右边的下三角按钮，在弹出的菜单中选择“视频”命令，在素材库中出现所有可用的视频素材，在此选择一个flash片段作为开头动画，持续时间为3秒钟左右，将其拉入时间轴中即完成标题动画的添加。然后单击“标题”命令，切换到标题面板，在整个项目的开始位置输入“单分型面注塑模具的工作动画”，并将其移动至预览屏幕中央，在窗口中播放影片就能看到标题动画持续大概3秒钟后转入模具动画的播放。
此后可以用调节影片播放时间的方法来调节其播放速度。单击选项面板中的“回放速度”按钮，打开回放速度对话框（图5-3）。移动调节按钮至满意为止。
图5-3 回放速度调节对话框
添加背景音乐的方法和添加标题动画差不多，这里可以在声音素材库中找到一段风格适宜的音乐，直接将其拖入背景音乐轨中，调节播放时间，并加入“淡入淡出”的效果，使文件的播放不至于太突然。
重新预览动画，就可以收到声色俱佳的视频文件效果。
9注射模具工作过程中的动画模拟
结束语
本文主要介绍了单分型面，双分型面，斜导柱抽芯和潜伏式浇口注塑模具的工作和装配过程的动画模拟。文中重点论述了模具的建模过程，动画的制作过程，并且还对图片和动画素材进行了后期处理，使其更容易被受用者接受。但是不足在未能对所有典型注塑模具的结构进行模拟，在已完成的工作中也存在许多缺陷，和预期的目标仍然存在一定的差距。
文章还附带对3ds max，Photoshop和会声会影等软件的应用进行了简单的比较，提到了它们各自的特点以及选用理由。
由于时间仓促以及相关知识和经验的缺乏，本文难免存在许多错误，恳请各位读者提出批评和指正。
1注射模具工作过程中的动画模拟
参考文献
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第五篇：三维建模思路教学浅析
AutoCAD（中级）培训中三维建模思路教学浅析
谢珍真
内容摘要：复杂的形体大多都是由简单的基本形体进行布尔运算或面截切得到的。在教学中从简单零件的画法开始，就注重引导学生进行形体分析，养成良好的建模思维习惯，同时，让学生理解UCS变换的目的是至关重要的一步。重视建模思路的分析引导，让学生自主探求模型的构建方法，使不同层次的学生得到不同程度的发展。
关键词：三维建模思路，形体分析，UCS变换
AutoCAD是目前应用最广的计算机辅助设计（CAD）通用软件，从AutoCAD2000以后，其三维建模与功能随着软件版本的不断升级而日显强大。AutoCAD（中级）培训其主要任务是完成三维建模的学习。这个过程既是AutoCAD 三维建模技能的教学过程，更是为学生构建三维设计理念，拓展三维设计视野，为今后触类旁通地学习其他更专业的3D参数化设计软件做铺垫的过程，因此在教学中不仅要重视通过建模实例熟悉命令，更应注重通过三维建模思路的分析，让学习者能举一反三，熟悉三维建模的思维过程，达到真正理解与掌握三维建模过程的目的。本文拟通过多年的AutoCAD实践对三维建模思路的教学加以总结分析。
一、形体分析是三维建模的思维基础
正如我们在《工程制图》教学中，形体分析法是读懂图纸的基本分析方法一样，在3D设计中，无论是象AutoCAD这种基于二维发展起来的三维设计模块，还是参数化3D 设计软件：如3dmax、Pro/E、ug，其建模的基本思路都是首先对模型进行形体分析，因为复杂的形体大多都是由简单的基本形体进行布尔运算或面截切得到的。在教学中从简单零件的画法开始，就注重引导学生进行形体分析，养成良好的建模思维习惯，只有这样才能使学生真正掌握三维建模的技能。
三维建模时的形体分析（本文主要讨论实体造型），主要从以下几方面进行考虑：1）是否为3d工具条中已有基本体（长方体、圆柱体、球体、圆锥体、楔体、圆环体, AutoCAD2007又新增了螺旋体、棱锥体等）的布尔运算（并、差、交集），2）是否为二维几何面拉伸、旋转、放样（2007新增）后与基本体的布尔运算3）是否为基本体的面截切。一些形体，尽管看起来复杂，但基本形体的判断与分解并不困难，这是由于组合形体主要是布尔并、差运算，运算后基本形体的特征仍然明显。例如（图1）所示泵体，建模时可将其分解为图2所示的二维几何面拉伸体与圆柱体的布尔并、差运算,复杂的形体也就变得简单了。而有些形体，看似简单，但初学者却感觉无从下手，例图3，六角螺母的倒角，不少初学者常常在倒角与倒圆命令上兜圈子，而其形体的形成应是六棱柱与圆锥的布尔交运算所得，采用布尔交运算后的得到的形体，其基本形体的特征已不明显，往往不易判断，因此，在形体分析时，应熟悉布尔交运算结果的特点：两形体的共有部分。形体分析的目的是在弄清形体结构的基础上，确定建模方法。一个形体，其构建的方法往往并不是唯一的，因此，在教学中，通过形
图3 体分析启发学生探讨建模方法，并对各种方法加以分析比较，选择最简方法，可以使学生在学习中不拘于教材或老师的建模步骤而独立完成三维建模，真正掌握三维造型的技能，达到授之以渔的目的。
二、UCS变换是三维建模的关键
形体分析为三维建模奠定了建模方法的思维基础，但能不能完成建模，关键还在于对UCS的理解与灵活运用。
UCS为user coordinate system的缩写，即用户坐标系。在AutoCAD中有两个坐标系，一是WCS（世界坐标系），另一个就是UCS。在二维绘图中，我们采用的是WCS，其原点位置和坐标轴的方向是固定不变的。而UCS是一个原点位置和坐标轴方向可根据用户需要变换的坐标系。由于是在2D平面绘制3D图形，因此，所有的3D软件都要解决同一问题，即2D绘图平面的变换，只是各自的术语不一样而已，如：pro/E将二维绘图平面称为草绘平面，masterCAM中将其称为构图面，Solidworks将其称为基准面。AutoCAD中没有明确给出二维绘图面的名称，而是用可变换的UCS确定二维绘图面XY平面，理解了这一点，UCS变换也就容易掌握了，同时对于其他3D软件的入门也起到触类旁通的作用。
初学者对UCS变换目的不理解，在建模时最感困难的就是UCS 的应用。因此，在教学中，让学生理解UCS变换的目的是至关重要的一步。UCS变换的一个重要目的，就是建立新的XY平面，由于许多2D绘图及编辑命令（如PLINE、ARC、CIRCLE、ELLIPSE）只能在xy平面内绘制，而三维实体命令（圆柱、圆锥、长方体、楔体及拉伸、旋转、扫描，放样）都是基于2D图形形成的，因此在三维建模时必须通过UCS变换将XY平面建立在所需的空间任意平面内，使各个方向基本形体得以完成。如图4示的机件，是由1、2、3块板组合而成，而创建1、2、3板的2D几何平面图形只能在xy平面内绘制，通过UCS的变换，就可以使 xy平面位于图示所需的三种位置，达到构建各个方位基本形体的目的。
（图4）
明白了UCS变换的目的，再让学生来理解和应用UCS变换的各个命令就容易的多了。UCS变换命令的灵活应用则在于让学生熟悉UCS工具条中各命令的特点，为了让学生能熟练掌握各命令，可以根据各UCS变换命令特点分类介绍：
1）绕坐标轴旋转（），其特点是原点不变，只改变坐标轴的方向，例图5，1 绘水平方向圆柱 绕Y轴旋转90°（图5）
绕X轴旋转45°绘斜圆柱
配合原点平移命令，可以将XY平面变换到任何位置与角度。2）原点、坐标轴方向变换（），这三个命令原点都可改变。为原点平移，理解与应用不会有困难，灵活应用可以在确定基本形体位置时简化坐标输入。图6示确定键槽位置时，UCS变换后，轴向坐标（X）输入1.5 即可。
为定原点及Z轴正向，为三点定新XY平面，应用的前提是已知Z方向
或已知平面的三点，这两个命令应用得当，可以使UCS变换快捷简单。(图7)
3)变换到指定平面（）），这三个命令的特点是 指定某面（对象、实体表面、视图）为新的XY平面。对于 指定对象确定新的坐标系，学生一般感觉较困难，但在实际 中应用并不多，因此可以简略介绍即可。(图8)
指定实体平面
（图8）
图7 Z轴正向
教学中注意给出UCS 变换的典型实例，注意分解难点。如（图8）的建模，形体分析简单，但须经多次UCS变换才能完成。（图9）
（图9）
无论是已有模型的绘制，还是三维创意的表达，形体分析是三维建模思维的基础，只有清楚了各部分的基本形体，才能确定建模的方式。而UCS变换则是解决各基本形体在各个不同空间方位的绘制。三维模型的构建，重要的是建模思路的构建。在教学中，宜采用引导——探究教学方法，探究学习理论认为，传统的理科学教学热衷于灌输和记取结论性知识，不利于学生思维能力的发展，而该理论强调学生自主地通过探究过程式学生的思维得到开发并获取知识。教学中不是照本宣科地讲授命令或绘图步骤，而是重视建模思路的分析引导，让学生自主探求模型的构建方法。采用引导-探究式教学可以让学生成为学习的主体，从而使不同层次的学生得到不同程度的发展。参考文献
李启炎 计算机绘图（中级）上海 同济大学出版社 2002年1月 夏毓灼 机械制图与计算机绘图 北京 机械工业出版社 2002年9月 夏毓灼 机械制图与计算机绘图习题集 北京 机械工业出版社 2002年9月 戴向国 Pro/ENGINEER 2000i入门与提高 北京 人民邮电出版社 2001年7月 刘敬发 教学创新探索与实践 哈尔滨 黑龙江教育出版社 2001年8月
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