工程师的有机形状建模

当您考虑在CAD系统中难以建模的东西时，您通常不会想到常见的产品，例如珠宝、玩具、体育用品和硬件。然而，在这些产品类别中，你会发现许多包含有机(或自由形式)形状的产品，呈现出一些严重的建模挑战。

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Geomagic/Sensable Phantom Omni触觉输入设备提供力反馈输入，以允许类似粘土的表面建模。

从历史上看，CAD系统非常擅长代表几何定义明确的形状。随着时间的推移，他们甚至非常擅长处理平滑的美学表面，如汽车身体。然而，通常具有自由形状的雕刻表面或复杂的表面细节的有机形状一直很难做到。

为了理解这一挑战，我们需要深入了解CAD系统是如何表示形状的。

大多数现代CAD系统代表了使用标准数学形式的表面：NURBS（非统一Rational B样条），由Ken Versprille于1975年发明。NURBS可用于准确地代表分析表面（例如，球形，锥体，圆柱体和圆柱体）和自由形状表面，因此它们是一种很好但不完美，选择作为CAD的天然几何形状。

NURBS之所以不是一个完美的选择，最大的原因是它们只有一种形式:四边。正如您可能想象的那样，用一堆四边曲面(在本文中是补丁)构建一个CAD模型是困难的，甚至是不可能的。使它工作的技巧是添加一条修剪曲线到每个补丁，以定义它的边界，所以它可以是任何形状，它需要。

CAD曲面模型是由多个修剪过的NURBS贴片拼接在一起形成一个整体。如果补丁是在一个足够紧密的公差内缝合在一起(这取决于CAD系统)，表面被称为水密。如果表面形成了一个拓扑上封闭的体积，它就被称为固体。(在谈论NURBS曲面时，面料和缝纫的比喻意义重大。)

The process of creating and manipulating NURBS surfaces and solids is tedious, and is usually left up to the geometric modeling kernel underlying the CAD system (e.g., ACIS, Parasolid, Granite, and CGM), which support Boolean and feature operations as well as operations like filleting, blending and face editing.

多年来，基于NURBS的几何建模核心能够创造美丽（和平滑）雕塑模型 - 但它们无法处理粘土状雕刻所需的推/拉式变形，以便有机形状。1999年，Spatial Inc.增加了对ACI的多表面变形技术，允许用户塑造曲面网络，好像它们是一个。其他内核供应商纷纷纷纷遵循衣服。

许多CAD工具现在使用NURBS变形技术来实现更多有机形状建模。但经验表明，用NURBS进行有机形状建模的过程令人沮丧和困难。使NURBS非常精确的潜在数学使它们难以以自由形式的方式进行编辑。当你看到一个创造一个美丽和复杂的有机模型的人使用NURBS创造了一个美丽而复杂的有机模型时，你应该祝贺他们，因为他们工作了很长时间且难以做到这一点。

原始的徒步杆杆手柄在Modo 601中使用细分曲面快速建模。照片:Branden Coker和Paul McCrorey

将作为NURBS出口后，使用实体建模功能在SolidWorks中精制Handgrip。照片:Branden Coker和Paul McCrorey

手柄左右两侧的最终渲染是使用modo中修改的几何图形完成的(通过CAD Loader作为.x_b格式导入)。照片：Branden Coker和Paul McCrorey

制作有机形状建模的真正需要容易的是一种表面表示，与NURBS不同，没有缝合整个修剪的补丁，但相当（以继续隐喻）就像“整布”。

最简单的“全布”表面表示是一个多边形网格(或polymesh)，由简单的多边形面组成。polymesh有几种流行的文件格式，包括STL (STereoLithography，最初设计用于3D打印机)、PLY (Polygon file Format，最初设计用于3D扫描仪)和OBJ(最初由Wavefront Technologies设计，用于存储动画数据)。

虽然聚合物和特别是三角网格，但易于编辑粘土的时尚，但它们具有显着的限制：它们是面部的。如果小平面太大，则它们可见，并将减损最终模型。除此之外，很少有CAD系统支持进口和编辑各方数据。

面部问题的良好答案是将网状物作为脚手架使用，光滑的表面可以覆盖。由Edwin Catmull和Jim Clark发现的1978年，发现了一种称为细分（Subd）表面的数学曲面形式。但直到20年后，1998年，JOS STAM（现在是Autodesk的高级研究科学家）设计了一种用于精确评估子表面的方法。

SubD曲面最初出现在用于动画和数字内容创建的建模系统中。但由于与NURBS不兼容，它们在CAD中的普及程度有限。

2003年，Thomas Sederberg开发了一种新的表面表示，T条状，它类似于子表面，但与NURBS兼容，允许两者之间的相对容易的平移。(T-Splines are technically a generalization of NURBS, but they’re often lumped in with SubDs, because they’re, in many cases, essentially interchangeable.) More recently, Integrityware, a company run by several pioneers in NURBS development, introduced a software library that can convert directly between SubDs and NURBS.

有了在SubD和NURBS表面之间移动的好方法，SubD已经成为一种实际的工具，用于建模的有机形状是很难用NURBS建模的。

Doorknob，带有细节的细节，典型的CAD工具，使用几何/可感性的自由形式设计。照片：Baldwin硬件

有机形状建模的过程
The traditional process of 3D CAD modeling with NURBS generally falls into one of a couple of categories: Either you start with a block of material, and cut off everything that you don’t need, or you start with an empty working plane, and build up what you need. In either case, the process typically involves using 2D sketches on working planes or surfaces, and extruding, rotating, sweeping, or lofting them to create features on the model.

用子组（或T曲率）有机形状建模有点不同。它通常涉及从初始网格形状开始，在需要更多细节和改进的区域细分，然后推动或拉动其表面以使其变形为您需要的形状。它类似于雕刻粘土。通常，整个模型可以由单个子表面构成。

这两个过程在其功能中非常明确：与NURBS进行粘土建模并不容易，并且不容易进行基于精确的特征的模型。如果您正在使用有机表面特征创建可制造的产品，则您的工作流程可能包括带有NURBS模型的美学的Subd建模。

有机形状建模的工具
有相当多的工具可用，使有机形状建模的过程不仅可能，而且实际上很容易。这些工具包括CAD程序，数字内容创建工具，用于SubD/NURBS翻译的插件，以及专业的有机建模工具。选择哪种工具取决于两个主要因素:你喜欢的产品设计流程，以及你愿意花多少钱。

在CAD市场的高端是Dassault Systemes的CATIA和SIEMENS PLM NX软件。许多具有高产品和流程复杂性的公司选择这些工具作为更大PLM策略的一部分。幸运的是，NX和CATIA都有能力的本机工具进行有机形状建模。

NX Shape Studio是一种造型和工业设计包，用于概念建模。它在创建和编辑表面方面提供了巨大的灵活性，但似乎特别优化了表面质量。它是创建美学类的理想选择（如汽车体。）

Dassault Systemes提供了许多有趣的有机形状建模工具。CATIA IMAGINE＆SHAFE是一个使用虚拟粘土范例的子模型。它非常易于使用，并产生高质量的型号。CATIA自然素描是基于特征的实体建模系统中使用的典型2D草图的显着进展。它允许手绘曲线在3D空间中的任何地方勾勒出速写，包括在现有的弯曲表面上。

它可以使用它来创建3D概念草图，或创建曲面的曲线，以实现表面宽容和模型创建。Imagine＆Shape和Natial Sketch都是他们自己的主管工具，而是作为创意设计师统一工业设计工作流解决方案的较大CATIA的一部分，他们特别感兴趣。

PTC的Creo参数现在通过FreeStyle设计扩展支持SubD建模，这是包括在程序中。使用FreeStyle创建的表面可以直接用于详细的3D设计，并可以像任何其他表面一样编辑。他们完全融入了克里奥语。在这一点上，Creo参数化是唯一主流的CAD工具集成的SubD建模包括在其基础配置。

可能是有机形状建模的最受欢迎的工具组合是麦克金尔犀牛，带有T样瓦塞。（Autodesk最近收购了T-Spline Inc的技术，所以它现在称为“Rhino的Autodesk T-Spline插件”。）该组合为有机形状提供了完整的建模环境，集成了T样曲线和NURB。

另一种流行的工具组合是SolidWorks，具有SolidWorks的Autodesk Tselements插件。The plugin doesn’t provide a full T-Spline modeling environment: It’s intended, rather, as a tool to import and manipulate T-Spline models created in Rhino (or SubD models created in other systems.) It allows those imported surfaces to be integrated into the feature tree, and treated like any other surfaces in SolidWorks.

有相当多的动画和数字内容创建工具，能够创建子模型。值得注意的是ZBRUSH，泥浆，筒仓，六角形和搅拌机。用于Rhino和焊接的T-SPLINES插件允许任何这些程序用于上前概念建模。Autodesk Maya本地支持Subd和NURBS曲面。Autodesk 3ds Max，当与NPower软件的电源NURBS和Power Subd-Nurbs插件一起使用时，可以在Subds和Nurbs之间进行有机形状建模和精确的CAD样式建模 - 转移数据。

这种家具使用T样曲面在犀牛中建模。使用NURBS表面几乎不可能模拟。照片：Peter Donders

在市场上的许多基于Subd的动画和数字内容创建工具中，Luxology Modo 601可能是具有有机表面的制造产品的最受欢迎。合理的价格点和艺术家友好的工作流的结合使其成为一个强大的遵循。通过T-SPLINE插件，可以看到与犀牛或SolidWork一起使用的Modo非常常见。最近，Modo已经开始将Subd发货到NuRBS翻译（由NPower Software的母公司，IntegrityWare开发），这让Modo函数作为几乎任何3D CAD系统的有效概念建模前端。

一个尚未用于有机形状设计的工具，但很快就会开始，是Autodesk Inventor Fusion，通过Autodesk Labs提供。发明人融合是一种直接建模CAD程序。3月，Autodesk在英格兰D3D直播会议上预览了Inventor Fusion中的T-Spline的实施。虽然公司没有关于其可用性的公告，但它值得关注。整合固体，NURBS表面和T条状表面的直接建模的CAD程序可能非常有趣。

硬件有所作为
从事有机形状建模的人可能会想要一台Wacom Intuos平板电脑，或者Cintique钢笔显示器。用笔做雕塑造型要比用鼠标简单得多。并不是要贬低其他厂商，但Wacom已经在手写输入设备领域占据了佼佼者的地位。

然而，还有一种比笔更好的输入设备:触觉设备。

用于做有机形状建模的最佳触觉装置是来自感性的幻影系列，现在是几何的一部分。他们有两个模型，在规格中变化，但同样的工作：他们就像一支在你工作时提供力量反馈。

使用普通的鼠标或笔设备，您可以指向您的模型。通过触觉设备，你可以“虚拟地”触摸模型。差别是巨大的。这就像绘画和雕刻的区别。

虽然合理的触觉设备最初是在专业应用中流行的，但随着手术模拟，随着时间的推移，它们已经被主流，现在通常用于各种各样的制造工作流程，包括CAD和扫描数据。

可感知的自由形式建模软件专门设计用于进行将制造的产品的有机造型。该软件支持模型Voxel，网格和NURB（具有Freeform Plus）数据。它包括雕刻的工具，并将详细的纹理添加到模型和准备模型以获得可制造性。它具有一组模具设计工具，允许分析草稿，插入件和分区线的创建 - 适用于CAD和扫描模型。

FreeForm Plus非常受欢迎，他们需要准备要送到模具设计的海外供应商的模型。它可以防止由模具设计师引起的昂贵的惊喜，他们对如何修复草稿和分区问题的“创造性”决定。

当与它们的自由形式和自由形式加上建模软件结合使用时，可感知的幻影触觉设备可以说是有机形状建模的金标准。

在工程交流中讨论这一点：