計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù).doc

學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù) 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 第一單元第一單元 CAD 基本理論基本理論 第一章第一章 CAD CAM 技術(shù)理論基礎(chǔ)技術(shù)理論基礎(chǔ) 第一節(jié)第一節(jié) 概述 概述 計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造的基本意思是指產(chǎn)品設(shè)計和制造技術(shù)人 員在計算機系統(tǒng)的支持下 根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計和制造流程進行設(shè)計和制造的一項技 術(shù) 也是人類智慧與系統(tǒng)中的硬件和軟件功能巧妙的結(jié)合 然而 如果用途不 同 則 CAD CAM 系統(tǒng)中的硬件和軟件的配置與組織也是不一樣的 這才能有 效地用于某類工程或產(chǎn)品的設(shè)計與制造的全過程 即包括方案設(shè)計 總體設(shè)計 與零件設(shè)計以及加工和裝配 由于 CAD CAM 技術(shù)還在不斷發(fā)展 而且 不同 領(lǐng)域?qū)?CAD CAM 技術(shù)的應用程度也有不同 所以 目前對 CAD CAM 技術(shù)的 含義的理解也略有差異 可以預料 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展 CAD CAM 技術(shù) 幫助技術(shù)人員完成查品設(shè)計和制造的范圍將不斷擴大和完善 對其含義的理解 將會逐漸接近一致 CAD CAM 技術(shù)本身是一項綜合性的 技術(shù)復雜的系統(tǒng)工程 涉及許多學 科領(lǐng)域 如計算機科學和工程 計算數(shù)學 幾何造型 計算機圖形顯示 數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫 仿真 數(shù)控 機器人和人工智能學科和技術(shù)以及與產(chǎn)品設(shè)計和 制造有關(guān)的專業(yè)知識等 CAD CAM 技術(shù)具有自己的特點和發(fā)展規(guī)律 而且 隨著電子科學技術(shù)的發(fā)展和不斷地向前發(fā)展 需要人們不斷地去探索和研究 使其更加完善 當今 CAD CAM 技術(shù)的優(yōu)點已為越來越多的人共識 1985 年 一位美國 制造業(yè)專家 W H Slatterback 曾預言 從 1985 年到 2000 年中 美國的制造 業(yè)面臨的變化將比本世紀前 75 年的變化要大得多 其根本原因是 CAD CAM 技術(shù)的應用 目前 在工業(yè)發(fā)達的國家中 不僅將 CAD CAM 技術(shù)廣泛用于宇 航 電子和機械制造等工程和產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域 而且逐漸發(fā)展到服裝 裝飾 家 具和制鞋等領(lǐng)域 另外 該技術(shù)是計算機集成化制造系統(tǒng) CIMS 的技術(shù)基 礎(chǔ)之一 所以 當今世界上許多國家與有關(guān)部門都十分重視對該技術(shù)的投資 總之 CAD CAM 技術(shù)的普及應用不僅對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造 新興產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展 勞動生產(chǎn)率的提高 材料消耗的降低 國際競爭能力的增強均有巨大的帶 頭作用 而且 CAD CAM 技術(shù)及其應用水平正成為衡量一個國家科學技術(shù)現(xiàn)代 化和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志之一 我國大力推廣 CAD CAM 技術(shù) 是科研單位提高自主研究開發(fā)能力 企業(yè) 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 提高應變能力和提高勞動生產(chǎn)率的重要條件 是促進傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)生革命性變化 的重要手段 是縮短與發(fā)達國家的差距 把國民經(jīng)濟搞上去 實現(xiàn)社會主義現(xiàn) 代化建設(shè)目標的重要措施 是一項刻不容緩的戰(zhàn)略任務(wù) 為此 進入 90 年代后 我國的科學技術(shù)和工業(yè)部門都先后指定了發(fā)展和推廣 CAD CAM 技術(shù)的計劃 并對所屬部門提出了具體要求 所以 推廣應用 CAD CAM 技術(shù)的范圍將不斷 擴大 第二節(jié)第二節(jié) CAD CAM 技術(shù)發(fā)展簡介技術(shù)發(fā)展簡介 不管是產(chǎn)品還是工程設(shè)計 最后都要生產(chǎn)符合要求的工程圖紙或數(shù)控加工 信息 而且 在設(shè)計過程中的各個階段要以圖形顯示出各階段的設(shè)計結(jié)果 所 以 計算機圖形學和圖形顯示技術(shù)是 CAD CAM 技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一 也就是 說 CAD CAM 技術(shù)的發(fā)展是與它們的發(fā)展密切相關(guān) 40 年代計算機問世 直至 50 年代中期 計算機的使用尚不普遍 而且主要 是用于科學計算 當時 盡管在計算機系統(tǒng)中已經(jīng)開始配置了圖形顯示器 但 由于計算機圖形學的理論還沒有形成 而且當時顯示器的性能較差 所以 尚 未具備人 機交互功能 如美國麻省理工學院的旋風號計算機就是這樣的系統(tǒng) 但是到了 50 年代末期 美國麻省理工學院林肯實驗室研制的空中防御系統(tǒng)就能 將雷達的信號轉(zhuǎn)換為顯示器上的圖形 操作者可以用光筆指向顯示屏幕上的目 標來拾取所需的信息 這種功能的出現(xiàn)預示著交互圖形生成技術(shù)的誕生 1963 年 美國麻省理工學院的 I E Sutherland 在他發(fā)表的博士論文中提 出了 SKETCHPAD 系統(tǒng) 在該系統(tǒng)中用的計算機是 TX2 可以用光筆在圖形顯 示器上實現(xiàn)選擇 定位等交互功能 而且 計算機可根據(jù)光筆指定的點畫出直 線 或者當光筆指定圓心或半徑后畫出圓等 另外該系統(tǒng)對符號和圖案的存儲 采用分層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 即一幅完整的較復雜的圖形可以通過分層調(diào)用各有關(guān)子 圖來合成 盡管該系統(tǒng)還是較原始 但是這些基本理論和技術(shù)至今仍是 CAD CAM 技術(shù)的基礎(chǔ) 十分有用 所以 I E Sutherland 的 SKETCHPAD 系統(tǒng)被公認為對交互圖形生成和顯示技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 交互圖形生成技術(shù)的出現(xiàn) 促進了 CAD CAM 技術(shù)的迅速發(fā)展 60 年代中 期后 美國的一些大公司都十分重視這一技術(shù) 并投入相當資金對 CAD CAM 技術(shù)進行研究和開發(fā) 研制了一些 CAD 系統(tǒng) 如 IBM 公司的 SMS SLT MST 設(shè)計自動化系統(tǒng)和洛克希德公司研制的主要用于二維繪圖 CADAM 系統(tǒng) 美國 通用汽車公司為設(shè)計汽車車身和外形而開發(fā)的 CAD 1 系統(tǒng) 該系統(tǒng)是在大型 計算機上運行的 成為該公司設(shè)計小轎車和卡車的比不可少的工具 在此期間 美國的 CDC 公司也開發(fā)了作為商品銷售的 Digigraphic CAD 系統(tǒng) 這一時期 CAD CAM 系統(tǒng)的特點是 規(guī)模龐大 價格昂貴 所以 只有經(jīng)濟實力雄厚和 技術(shù)力量較強的大型企業(yè)和研究單位才能研究和應用 CAD CAM 技術(shù) 從 60 年代末期至 70 年代中期 CAD CAM 技術(shù)的發(fā)展較快 已有商品化 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 的硬件和軟件 由于在這一時期計算機硬件的性能價格比不斷完善 主要特點 是圖形輸入板 大容量的磁盤存儲器和廉價的存儲管顯示器等相繼出現(xiàn) 以及 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等軟件的開發(fā)等 以小型和超級小型計算機為主主機的 CAD CAM 系統(tǒng)進入市場并成為主流 接著出現(xiàn)了一批專門經(jīng)營 CAD CAM 系 統(tǒng)硬件和軟件的公司 如 Computer Vision Intergraph Calma Application 等 這些 CAD CAM 系統(tǒng)的特點是硬件和軟件配套齊全 因此人們稱它為 交鑰匙 系統(tǒng) 與大型計算機 CAD CAM 系統(tǒng)相比 其價格相對便宜 使用和維護也相 對簡單一些 這也是 CAD CAM 技術(shù)得到進一步發(fā)展和擴大應用范圍的原因 在這一時期內(nèi) CAD CAM 系統(tǒng)的應用領(lǐng)域主要集中在航空 電子和機械工業(yè) 部門 同時對三維幾何造型也開始研究 70 年代末以后 32 位工作站和微型計算機的出現(xiàn)對 CAD CAM 技術(shù)的發(fā)展 起了極大的推動作用 32 位工作站是屬單位用的計算機系統(tǒng) 具有較高的響應 速度 它特別適用于 CAD CAM 系統(tǒng) 而且 32 位工作站之間可以聯(lián)網(wǎng) 以達 到共享系統(tǒng)內(nèi)的資源和發(fā)揮各臺計算機的特點 因此 可以根據(jù)工作需要和經(jīng) 濟條件以及 CAD CAM 技術(shù)的發(fā)展等逐步投資 逐步發(fā)展和擴大 CAD CAM 系 統(tǒng)的功能和規(guī)模 80 年代中期后 這種以工作站為基礎(chǔ)的 CAD CAM 系統(tǒng)發(fā)展很快 其功能 達到甚至超過小型機 CAD CAM 系統(tǒng) 可以預見 這種系統(tǒng)將成為 CAD CAM 系統(tǒng)的主流 這種系統(tǒng)的制造廠商只提供硬件和系統(tǒng)軟件 而應用軟件則由其 它專門開發(fā)軟件的公司研制和銷售 近年來在我國市場上銷售這類產(chǎn)品的公司 有 IBM 公司 HP 公司 SUN 公司 DEC 公司 SGI 公司等 產(chǎn)品的種類很多 各有特點 由于微型計算機的性能和價格比的提高 目前以 PC386 486 為主機的 CAD CAM 系統(tǒng)不斷增加 該系統(tǒng)的特點是容量小 處理速度慢 但價格十分 便宜 應用軟件豐富 便于學習和維護 另外還可以進入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共享資源 并可以替代工作站完成一部分 CAD CAM 作業(yè) 很適合中 小型企業(yè)和剛開始 應用 CAD CAM 技術(shù)的單位 我國在 CAD CAM 技術(shù)方面的研究開始于 70 年代中期 當時主要是研究開 發(fā)二維繪圖軟件 并利用繪圖機輸出二維圖形 主要研究單位是高等學校 航 空和造船工業(yè)是應用 CAD CAM 技術(shù)較早的部門 80 年代初 有些大型企業(yè)和 設(shè)計院成套引進 CAD CAM 系統(tǒng) 主要是 Turnkey System 在此基礎(chǔ)上進行開 發(fā)和應用 取得了一定的成果 隨著改革開放和發(fā)展商品經(jīng)濟的需要 在 80 年 代中后期 我國的 CAD CAM 技術(shù)有了較大的發(fā)展 而且 CAD CAM 技術(shù)的優(yōu) 點被越來越多的人所注意 進入 90 年代后 各工業(yè)部門普遍提出了開發(fā) CAD CAM 技術(shù)的計劃 主要表現(xiàn)在以下幾個方面 部分單位已較好地應用 CAD CAM 技術(shù) 提高設(shè)計質(zhì)量 取得了經(jīng)濟效益 CAD CAM 技術(shù)的理論和 軟件開發(fā)進行了大量的研究 并取得了成果 如清華大學 浙江大學 西北工 業(yè)大學 北京航空航天大學 中科院計算所等 進入 90 年代后 國家科委 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 各工業(yè)部門都十分重視 CAD CAM 技術(shù)的發(fā)展 并有計劃 有步驟地在全國各 地 CAD CAM 培訓基地 對有關(guān)人員 CAD CAM 技術(shù)方面的培訓 以提高有關(guān) 人員 CAD CAM 素質(zhì) 與此同時 有些工業(yè)部門還對所屬單位提出應用 CAD CAM 技術(shù)的具體要求 第三節(jié)第三節(jié) CAD CAM 系統(tǒng)的組成及基本類型系統(tǒng)的組成及基本類型 一般講 一個 CAD CAM 系統(tǒng)是由一系列必要的硬件和軟件組成的 如圖 1 所示 根據(jù)系統(tǒng)的要求 硬 軟件的配置可能有所不同 而最底的硬 軟件 配置 以滿足系統(tǒng)的基本功能為目標 系統(tǒng)軟件和硬件的組成 基本如圖 2 和 圖 3 所示 但對某一具體系統(tǒng)可能有些差異 由于使用要求不同 CAD CAM 系統(tǒng)的基本配置也有所不同 CAD CAM 系 統(tǒng)的類型可按系統(tǒng)的功能分 也可以按系統(tǒng)的硬件配置分 按系統(tǒng)的功能一般 分為通用型 CAAD CAM 系統(tǒng)和專用的 CAD CAM 系統(tǒng) 通用型 CAD CAM 系 統(tǒng)功能適用范圍很廣 其硬件和軟件配置也相對比較豐富 而專用 CAD CAM 系統(tǒng)是為了實現(xiàn)某些特殊功能的系統(tǒng) 其硬件和軟件的配置相對簡單 但要符 合特殊功能的要求 按組成 CAAD CAM 系統(tǒng)所用的計算機類型的不同 一般可以分為四類 1 大型機 CAD CAM 系統(tǒng) 該系統(tǒng)一般采用具有大容量的存儲器和極強計算功能的大型通用計算機為 主機 一臺計算機可以連接幾十至幾百個圖形終端和字符終端及其它圖形輸入 和輸出設(shè)備 主要優(yōu)點是 系統(tǒng)具有一個大型的數(shù)據(jù)庫 可以對整個系統(tǒng)的數(shù) 據(jù)實行綜合管理和維護 計算速度極快 主要缺點是 如果 CPU 失效 則整個 用戶都不能工作 由于計算機數(shù)據(jù)庫處于中央位置 計算機數(shù)據(jù)容易被破壞 終端距離不能太遠 隨著計算機的總負荷增加 系統(tǒng)的響應速度將降低 C CA AD D C CA AM M系系統(tǒng)統(tǒng) C CA AD D C CA AM M硬硬件件系系統(tǒng)統(tǒng)C CA AD D C CA AM M軟軟件件系系統(tǒng)統(tǒng) 計計算算機機外外圍圍設(shè)設(shè)備備應應用用軟軟件件支支撐撐軟軟件件系系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件 圖 1 CAD CAM 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 計計算算機機 或或工工作作站站 電電視視 攝攝像像機機 掃掃描描器器 文文字字顯顯 示示終終端端 彩彩色色圖圖形形 顯顯示示器器 打打印印機機 外外接接 磁磁帶帶機機 磁磁盤盤 繪繪圖圖機機 圖圖形形輸輸 入入設(shè)設(shè)備備 電電視視 攝攝像像機機 圖 2 CAD CAM 系統(tǒng)硬件配置 設(shè)設(shè)計計 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫 管管理理模模塊塊 初初步步設(shè)設(shè) 計計模模塊塊 設(shè)設(shè)計計仿仿 真真模模塊塊 濃濃淡淡 處處理理模模塊塊 打打印印機機 三三維維交交互互 造造型型模模塊塊 工工程程 繪繪圖圖模模塊塊 文文檔檔管管 理理模模塊塊 動動態(tài)態(tài)仿仿 真真模模塊塊 加加工工信信息息 處處理理模模塊塊 方方案案 論論證證模模塊塊 圖 3 CAD CAM 系統(tǒng)軟件配置 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 該系統(tǒng)一般都用在大型的飛機制造和船舶制造等公司 系統(tǒng)的成本很高 一般中小型企業(yè)不可能承受 有代表性的主機如 DEC 公司的 VAX8800 和 VAX9000 系列 IBM 公司 43XX 30XX 和 3090E 系列等大型機等 系統(tǒng)的應 用軟件主要有美國洛克希德公司的 CADAM 和麥道公司的 UGII 及法國索達公 司的 CATIA 等 2 小型機 CAD CAM 系統(tǒng) 生產(chǎn) 制造這類系統(tǒng)的廠商很多 如美國的 CV Intergraph Calma Application Autotrol Unigraphics 等公司 在它們中 間生產(chǎn)的產(chǎn)品大致可以分為兩種類型 CV 公司生產(chǎn)的是屬于全封閉系統(tǒng) 該 公司曾投入了大量的人力和物力進行硬件和軟件的開發(fā) CADDS 4 系統(tǒng)就是一 個典型代表 當時 這類產(chǎn)品在世界上的銷量相當大 另外一些廠商 如 Intergraph Application Unigraphics Calma 等公司 它們采用了與 CV 公司完 全不同的策略 即選擇通用的計算機 如 VAX 和 Micro VAX 等計算機作為 系統(tǒng)的硬件環(huán)境 有時它們也自己研制和生產(chǎn)一些專用的圖形處理設(shè)備和高性 能的圖形顯示器 這類系統(tǒng)的優(yōu)點是軟件的移植性較好 用戶有較大的主動權(quán) 而且軟件的研制者不必在硬件生產(chǎn)上分散精力 后來 CV 公司也逐步改變了自 己的策略 逐漸向具有兼容性的硬件環(huán)境方向發(fā)展 通過使用 人們逐漸發(fā)現(xiàn)了這類小型機系統(tǒng)有一定的局限性 如系統(tǒng)的計 算能力差 它的擴充能力也受到限制等 而且 不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)存儲格式 不相同 影響不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換 80 年代中期 由于分布式工作站的問 世和異種機之間聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展 促進了這種獨立系統(tǒng)向開放式系統(tǒng)發(fā)展 而 系統(tǒng)使用的軟件也逐步向工業(yè)標準方向靠攏 從目前來看 這種類的 CAD CAM 系統(tǒng)將越來越少 當前 在我國使用 DEC 公司生產(chǎn)的 VAX 系列計算機叫多 且國內(nèi)已能生 產(chǎn)某種 VAX 系列的兼容機 并對其操作系統(tǒng) MVS 等方面做了一些漢化工作 3 工作站組成的 CAD CAM 系統(tǒng) 80 年代初期以后 32 位的工作站問世 以工作站為基礎(chǔ)的 CAD CAM 系 統(tǒng)與分時系統(tǒng)的小型機 CAD CAM 系統(tǒng)不同 一臺工作站只能一人使用 并且 具有聯(lián)網(wǎng)功能 其處理速度很快 一般都趕上或超過了過去的小型和中型計算 機的速度 如 Sun Sparc 系列工作站的 CPU 處理速度已達到 28 5MIPS 它比 IBM 4381 和 VAX780 小型機的處理速度高幾倍到幾十倍 當前某些高檔工作站 的處理速度更高 它以達到甚至超過小巨機的水平 這類工作站一般都采用 RISC 技術(shù)和開放系統(tǒng)的設(shè)計原則 用 UNIX 作為它們的操作系統(tǒng) 4 PC 微機組成的 CAD CAM 系統(tǒng) 隨著微機性能的不斷提高 價格的不斷下降 以 PC 機組成的 CAD CAM 系統(tǒng)近年來不斷增多 由于 Intel 公司以 80286 80386 芯片取代了原來的芯片 后 使得微機的運行速度大大提高 而且內(nèi)存容量也不斷擴大 圖形顯示器分 辨率已達到 1024X768 彩色位數(shù)也增加 以 386 配上浮點運算器 或 486 微 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 機為基礎(chǔ) 配上相應的軟件與圖形輸入輸出設(shè)備 就可以組成一套微機 CAD CAM 系統(tǒng) 目前以 PC 微機為主處理機的 CAD CAM 系統(tǒng)除了用于進行二維繪圖以外 還能做三維幾何造型和有限元分析計算工作 目前在微機上運行的軟件主要是 Auto CAD 和 PD Personal Designer 等 但隨著微機性能的進一步提高 將來 有可能用它進行復雜的三維造型和計算 甚至可取代低檔工作站 值得一提的是 由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)在微機已能與大型機 小型機和 工作站聯(lián)網(wǎng) 成為整個網(wǎng)絡(luò)的一個結(jié)點 共享大型機和工作站等的資源 這樣 大型機系統(tǒng) 工作站系統(tǒng)和 PC 機系統(tǒng)就不再相互割裂 而成為一個有機的整 體 在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮各自的優(yōu)點 使得原來要在小型機和工作站上進行的 CAD CAM 工作可由微機來完成 第四節(jié)第四節(jié) CAD CAM 系統(tǒng)應具備的基本功能系統(tǒng)應具備的基本功能 4 1 CAD CAM 作業(yè)過程作業(yè)過程 CAD CAM 技術(shù)是計算機在工 程和產(chǎn)品設(shè)計與制造中的應用 設(shè) 計過程中的需求分析 可行性分析 方案論證 總體構(gòu)思 分析計算和 評價以及設(shè)計定型后產(chǎn)品信息傳遞 都可以由計算機來完成 在設(shè)計過 程中 利用交互設(shè)計技術(shù) 在完成 某一設(shè)計階段后 可以把中間結(jié)果 以圖形方式顯示在圖形終端的屏幕 上以供設(shè)計者直接地分析和判斷 設(shè)計者判斷后認為還需要進行某些 方面的修改 可以立即把要修改的 參數(shù)輸入計算機 計算機對這一批 新數(shù)據(jù)立即進行處理 再輸出結(jié)果 再判斷 再修改 這樣的過程可反 復多次 直至取得理想的結(jié)果為止 最后用繪圖機輸出工程圖紙或數(shù)控 加工紙帶和有關(guān)信息供制造過程應 用 整個設(shè)計與制造過程如圖 4 所 示 市市場場需需求求分分析析 確確定定產(chǎn)產(chǎn)品品性性能能 總總體體設(shè)設(shè)計計 原原型型 產(chǎn)產(chǎn)品品參參數(shù)數(shù) 結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計 評評估估決決策策 工工程程描描述述 提提供供生生產(chǎn)產(chǎn)信信息息 零零件件制制造造 質(zhì)質(zhì)量量控控制制 成成品品 資資料料和和圖圖形形庫庫 三三維維幾幾何何造造型型 有有限限元元分分析析 優(yōu)優(yōu)化化設(shè)設(shè)計計 計計算算機機繪繪圖圖 N NC C C CA AP PP P F FM MS S G GT T C CA AT T 初初步步設(shè)設(shè)計計 開開始始 否否 是是 否否 是是 原原型型修修改改 C CA AD D C CA AM M 圖 4 產(chǎn)品設(shè)計和制造過程流程圖 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 4 2 CAD CAM 系統(tǒng)應具備的基本功能系統(tǒng)應具備的基本功能 不同的 CAD CAM 系統(tǒng) 一般有各種不同的功能要求 但就通常用于機 電產(chǎn)品設(shè)計制造的 CAD CAM 系統(tǒng)講 它應具備有以下幾個方面的處理能力 1 交互圖形輸入和輸出功能 在 CAD CAM 作業(yè)過程中 一般都要用交互方法來生成和編輯圖形 為了 實現(xiàn)上述功能 系統(tǒng)必須具有合適的硬件和軟件 2 幾何造型功能 幾何造型功能是 CAD CAM 系統(tǒng)圖形處理的核心 因為 CAD CAM 作業(yè)的 后續(xù)處理否市在幾何造型的基礎(chǔ)上進行的 所以 幾何造型功能的強弱 在較 大程度上反映了 CAD CAM 系統(tǒng)的功能 通常幾何造型又分為曲線 曲面造型 與實體造型等 a 曲線和曲面造型 這里講的曲線和曲面是指這樣的曲線和曲面 即根據(jù) 一些給定的離散點和相應的要求構(gòu)造的曲線和曲面 如 Bezier 曲線曲面 B 樣 條曲線曲面等 用這些方法可以設(shè)計出非常復雜的曲線和曲面 同時 也可以 用它描述解析曲線和曲面 這些曲線曲面在航空 造船和汽車制造工業(yè)應用很 廣 在有限元網(wǎng)格劃分中也非常有用 b 實體造型 一個實體造型系統(tǒng) 必須具有基本形體的定義輸入功能 由 簡單體素經(jīng)過逐步的布爾運算生成復雜物體的功能和形體輸出功能 以及一些 局部修改操作功能 為了各種操作的需要 在一個實體造型系統(tǒng)中必須具備幾 種功能較強的表示方法 如構(gòu)造實體幾何表示法 CSG 邊界表示法 B Rep 等 并且各種表示法之間能相互進行轉(zhuǎn)換 集合運算是實體造型的核心 它的運算能力和可靠性及效率對系統(tǒng)的性能影響較大 在實體造型系統(tǒng)中必須 有一個高效 可靠的集合運算功能 另外 為實時地觀察 檢查設(shè)計對象是否 正確 并真實地表示出設(shè)計對象的形態(tài) 造型系統(tǒng)必須具有真實感顯示功能 如消除隱藏線 面 色彩明暗處理能力 還有 為了防止有關(guān)零件部件發(fā)生相 互干涉 系統(tǒng)還必須具有空間布局和干涉檢查功能 為了 CAD CAM 集成系統(tǒng) 的需要 有時還要求造型系統(tǒng)具有更強的造型功能 而且隨著集成技術(shù)的發(fā)展 造型功能將顯得更為重要 在產(chǎn)品總體和結(jié)構(gòu)設(shè)計時 為了便于觀察和修改 一般都采用三維圖形顯 示表示 而設(shè)計結(jié)束后 為了加工制造和圖紙管理 往往要求輸出二維工程圖 紙 這就要求系統(tǒng)具有從三維圖形轉(zhuǎn)變?yōu)槎S圖紙的功能 另外 當事先已有 二維圖形時 要求通過二維圖形生成三維圖形的功能 還有 在設(shè)計過程中 往往要反復進行修改 為了保持修改的統(tǒng)一性 避免發(fā)生混亂 當對三維圖形 進行修改時 要求系統(tǒng)能自動修改二維圖形對應部分 相反 當修改了二維圖 形后 系統(tǒng)能自動修改三維圖形的對應部分 這就是所謂的二 三維聯(lián)動 二 三維聯(lián)動和轉(zhuǎn)換在產(chǎn)品設(shè)計過程中是十分有用的 所以 一個好的幾何造型系 統(tǒng)應具備這方面的功能 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 過去 曲線曲面造型和實體造型是分開進行研究和設(shè)計的 現(xiàn)在可用非均 勻有理 B 樣條統(tǒng)一表示曲面和平面組成的實體 如果具有這種功能 系統(tǒng)的造 型能力將會更強 使用也更方便 c 物體幾何特性計算功能 在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中 材料供應部門為了 能及時準備各種材料 要求設(shè)計者提供產(chǎn)品所需材料的數(shù)據(jù) 在分析計算時 往往需要知道物體的體積質(zhì)量 重心以及對某軸的轉(zhuǎn)動慣量等數(shù)據(jù) 所以 CAD CAM 系統(tǒng)應具有提供這些數(shù)據(jù)的功能 3 有限元分析功能 在產(chǎn)品和工程設(shè)計過程中對整個產(chǎn)品 工程 及其中重要受力零部件必須 進行靜 動力 應力 應變和系統(tǒng)固有頻率 的分析計算 對高溫下工作的產(chǎn) 品除了進行上述分析計算外 還要進行熱變形 熱應力 應變 分析計算 在 電子工程設(shè)計中 有時還要進行電磁場的分析計算 在飛行器和水利工程設(shè)計 中 還要對流場及其流動特性進行分析計算 現(xiàn)在一般都采用有限元法對上述 的各種要求進行分析計算 特別是對一些復雜構(gòu)件用此方法分析計算不僅簡單 而且精度較高 一個較好的完善的有限元分析系統(tǒng)應包括前處理 分析計算和 后處理三個部分 前處理 就是對被分析的對象進行有限元網(wǎng)格自動劃分 分 析計算就是計算應力 應變 固有頻率等數(shù)值 后處理就是對計算的結(jié)果用圖 形 等應力線 等溫度線 或用深淺不同的顏色來表示應力 應變 溫 度值等 這些功能在設(shè)計過程中是十分重要的 4 優(yōu)化設(shè)計功能 優(yōu)化設(shè)計是現(xiàn)代設(shè)計方法學的一個組成部分 一個產(chǎn)品或工程的設(shè)計實際 上就是尋優(yōu)的過程 就是在某些條件的限制下使產(chǎn)品和工程的設(shè)計指標達到最 佳 在 CAD CAM 系統(tǒng)中應具有優(yōu)化求解功能 5 處理數(shù)控加工信息功能 系統(tǒng)應具有處理二至五坐標數(shù)控機床加工零件的處理能力 其中包括自動 編程和動態(tài)模擬加工過程的功能 6 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理功能 一個 CAD CAM 系統(tǒng)在設(shè)計過程中要處理的數(shù)據(jù)不僅數(shù)量大 而且類型也 較多 其中包括數(shù)值型和非數(shù)值型數(shù)據(jù) 有些數(shù)據(jù)還是動態(tài)的 即隨著設(shè)計過 程不斷變化 為了統(tǒng)一管理這批數(shù)據(jù) 在 CAD CAM 系統(tǒng)中必須具有一個工程 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) EDBMS 以及在它管理之下的工程數(shù)據(jù)庫 否則 如果用數(shù) 據(jù)文件來存儲 就可能產(chǎn)生一些不必要的麻煩 7 二維繪圖功能 當前 在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中 二維工程圖紙還是傳遞產(chǎn)品信息的一種方式 因此 一個 CAD CAM 系統(tǒng)應具有適合我國工程圖紙繪制要求的二維繪圖能力 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 第五節(jié)第五節(jié) 當前 當前 CAD CAM 系統(tǒng)常用軟件系統(tǒng)常用軟件 5 1 在微機上運行的 在微機上運行的 CAD CAM 軟件軟件 1 PD Personal Designer 軟件 它是美國 CV 公司推出的 CADDS 軟件的微機版本 該軟件包括幾何造型 和圖形處理 輔助機械工程設(shè)計和曲面設(shè)計等模塊 2 Micro CADAM 軟件 CADAM 是由美國洛克希德飛機公司開發(fā)的 CAD CAM 軟件包 它是 CADAM 在微機上運行的版本 所以 一般又稱之為小 CADAM 該軟件的功 能較強 使用方便 交互設(shè)計是它的主要模塊 提供二維設(shè)計 繪圖和標注尺 寸等功能 3 Micro Station 軟件 該軟件是目前微機 CAD 中功能較強的軟件之一 具有以下特點 系統(tǒng)命 令類型多 圖形繪制 編輯和圖形顯示等主要操作命令的屏幕響應速度很快 能支持雙屏幕工作 用功能鍵進行屏幕切換 每個屏幕可以同時打開 1 4 個視 圖 具有較強的三維功能 可以透視 消隱 設(shè)置光源 光色效應好 提供與 DBASEIII 和 PLUS 數(shù)據(jù)庫的接口 對數(shù)據(jù)處理較方便 4 3D Product 軟件 具有較強的三維幾何造型功能 其特點是能進行參數(shù)化設(shè)計 屬于最新推 出的微機 CAD 應用軟件 5 CADKEY 軟件 能進行二維圖形設(shè)計和繪圖 并具有三維線框圖形設(shè)計功能 6 Auto CAD 軟件 Auto CAD 是用于二維圖形設(shè)計和繪圖的軟件 但 10 0 版本加強了三維 功能 能為用戶提供良好的二次開發(fā)環(huán)境 它是國內(nèi)應用較廣的微機 CAD 軟 件 5 2 工作站和中小型機上運行的 工作站和中小型機上運行的 CAD CAM 軟件軟件 1 I DEAS 軟件 I DEAS 是美國 SDRC 公司開發(fā)的 1991 年推出 6 0 版本 是當前計算 機輔助機電產(chǎn)品設(shè)計制造軟件中功能較強的軟件之一 在 6 0 版本之中增加二 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 和三維聯(lián)動和變量設(shè)計等功能 主要功能和特點 a 三維幾何造型程序是三維 交互實體造型的工具 其中包括三維造型 零部件裝配和機構(gòu)設(shè)計分析三個模 塊 并可以進行空間干涉檢查和機械特性分析 b 二維圖形設(shè)計和繪圖模塊 在三維造型符合要求后 利用此模塊可以生成二維零部件圖形 輸出二維工程 圖紙 c 有限元分析模塊 其中包括有限元的前處理模塊 有限元分析計算模 塊 以及有限元后處理模塊 可以進行靜 動力學 電磁場和溫度場的分析計 算 d 優(yōu)化分析設(shè)計模塊 在進行零件設(shè)計時 可以使應力 位移和重量等參 數(shù)在滿足一定約束條件下達到最佳結(jié)果 實現(xiàn)零件最優(yōu)化設(shè)計 e 系統(tǒng)動力仿 真模塊 可以對復雜系統(tǒng)進行動力特性模擬 并以圖形的形式顯示出分析結(jié)果 評價設(shè)計結(jié)果的正確程度 f 桁架結(jié)構(gòu)分析模塊 主要用于桁架的靜 動力學 分析計算 g 數(shù)據(jù)處理模塊 是用于實驗室試驗數(shù)據(jù)采集分析與顯示的功能模 塊 h 塑料模具設(shè)計流動分析模塊 i 數(shù)控加工模塊 該軟件可以在多種計 算機或工作站上運行 2 CATIA 軟件 CATIA 是法國達索公司研究開發(fā)的三維幾何造型功能較強的交互式的 CAD CAM 軟件 曲面造型功能更為突出 該軟件由四個基本模塊組成 a 三 維線框幾何造型模塊 這是 CATIA 軟件的基礎(chǔ)模塊 是其它功能模塊的基礎(chǔ) 包括三維交互線框幾何建模 數(shù)據(jù)庫管理和繪圖機輸出等功能 b 曲面設(shè)計和 數(shù)控加工模塊 該模塊包括三維復雜曲面設(shè)計和輸出數(shù)控加工信息 c 實體幾 何造型模塊 生成圖形速度極快 d 運動學模擬模塊等 該軟件的特點是 a CATIA 軟件與 CADAM 軟件可以方便地聯(lián)合使用 數(shù)據(jù)交換很方便 b 三 維曲面造型功能極強 c 能進行二維和三維圖形的轉(zhuǎn)換 d 能輸出二維工程 圖紙和數(shù)控加工信息 e 能進行機構(gòu)的動態(tài)模擬等 該軟件過去主要在中型機 如 IBM4300 系列 上運行 近年推出可在工作站上運行的 CATIA 軟件 3 CADAM 軟件 CADAM 是美國洛克希德飛機制造公司研制開發(fā)的大型 CAD CAM 軟件 在中型和工作站上運行的 CADAM 稱之為大 CADAM 以便與 Micro CADAM 區(qū)別 CADAM 是一個兼有設(shè)計與繪圖的軟件 具有三維線框幾何造 型功能 是當前使用最廣的機械 CAD CAM 軟件之一 主要功能為 a 交互 設(shè)計控制模塊 用菜單提示與用戶進行對話 實現(xiàn)交互設(shè)計 b 三維幾何造型 模塊 可與有限元分析模塊連接在一起 c 三維管路設(shè)計模塊 用于設(shè)計 修 改一個三維管道路徑和布置 設(shè)計 交互功能很強 d 有限元前處理模塊 在 三維幾何造型的基礎(chǔ)上 應用此模塊可以生成三維有限元網(wǎng)格 e 數(shù)控加工模 塊 在三維幾何造型的基礎(chǔ)上 使用此模塊可以自動生成 NC 加工 APT 源程序 并可在屏幕上模擬刀具運動軌跡 檢查程序的正確性 該軟件的特點是功能齊 全 使用方便 響應速度快 能與 CATIA 軟件聯(lián)合使用 信息傳遞十分方便 4 EUCLID 軟件 該軟件是法國 Matra Datavision 公司研究開發(fā)的 適用于機械設(shè)計和制造 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 主要功能模塊有 a 幾何造型模塊 能生成三維線框 表面和實體幾何模型及 二維幾何圖形 b 實時顯示 任何模型可以有正投影和透視投影顯示及實時的 自動消除隱線 c 自動繪圖模塊 根據(jù)標準能生成有尺寸標注和文字說明的工 程圖紙 d 分析計算模塊 能分析計算幾何模型的重量 體積和干涉檢查及應 力分析計算 e 系統(tǒng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 該軟件的特點 a 在三維 幾何造型中同時使用 CSG 和 B Rep 兩種表示方法 b 用戶可以自己編寫 FORTRAN 程序與它連接 c 數(shù)控加工的功能較強 具有 2 5 3 和 5 軸加工 能力 d 可與其它 CAD CAM 軟件連接 系統(tǒng)具有圖形數(shù)據(jù)交換標準 IGES 接 口 運行環(huán)境為 IBM4300 系列的中型機 DEC 的 VAX 系列小型機 5 PRIME MEDUSA 軟件 MEDUSA 是一個較好的 CAD CAM 軟件 具有二維 三維設(shè)計繪圖功能 有以下主要模塊組成 a 二維設(shè)計繪圖模塊 系統(tǒng)提供多種的二維繪圖功能 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)十分靈活 b 三維幾何造型模塊 使用該模塊可以建立產(chǎn)品的三維幾 何模型 并能實時地在屏幕上顯示 與二維設(shè)計繪圖模塊結(jié)合 能方便地由三 維產(chǎn)品幾何圖形生成二維機械工程圖紙 c 參數(shù)幾何造型模塊 可用于產(chǎn)品零 件的參數(shù)化設(shè)計與機構(gòu)運動模擬分析 參數(shù)化設(shè)計是使用一組尺寸參數(shù)自動調(diào) 整被設(shè)計對象的尺寸和結(jié)構(gòu) 在設(shè)計機構(gòu)時 可用該模塊對機構(gòu)的運動進行模 擬 以提高機構(gòu)的精度 d 分析與接口模塊 主要包括繪圖分析與接口和幾何 造型分析與接口等模塊 繪圖分析與接口模塊包括數(shù)據(jù)存取子程序 用來與外 部用戶應用程序交換數(shù)據(jù) 并可通過 IGES 圖形數(shù)據(jù)交換標準將不同的 CAD CAM 系統(tǒng)與 MEDUSA 系統(tǒng)連接 幾何造型分析與接口模塊用來計算機 械零件的幾何性質(zhì) 如質(zhì)心位置 體積 重量和慣性距等 e 真實感圖形生成 模塊 可以生成具有陰影和彩色的真實圖形 f 鈑金設(shè)計模塊 主要用于鈑金 成形設(shè)計 g 圖形數(shù)據(jù)管理模塊 主要用于二維繪圖數(shù)據(jù)管理 6 ICEM 軟件 ICEM 是美國 CDC 公司研究開發(fā)的 主要用于 Cyber901 工作站上 該系 統(tǒng)具有一個功能強的工程數(shù)據(jù)庫 統(tǒng)一管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 整個系統(tǒng)以工程數(shù)據(jù) 庫為核心 包括 a 幾何造型模塊 b 二維設(shè)計繪圖模塊 c 有限元建模與 分析模塊 d 機構(gòu)運動學模塊 e 數(shù)控加工等五大模塊 7 UGII 軟件 該軟件由美國麥道航空公司研究開發(fā) 于 80 年代中推出的商品化軟件 UGII 的主要功能是 a 實體和曲面造型及繪圖 b 機構(gòu)設(shè)計 c 零件設(shè)計 及裝配 d 注塑模具設(shè)計中的流場分析 e 有限元分析的前處理和后處理 f 三至五軸數(shù)控加工的刀具軌跡計算和干涉檢查 g 具有較好的二次開發(fā)環(huán) 境和數(shù)據(jù)交換功能 8 GEMS 軟件 該軟件是清華大學研究開發(fā)的 主要模塊包括 a 三維形體的定義輸入模 塊 b 三維形體集合運算模塊 c 變換輸出等 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 由上可知 不同的軟件各具特色 如 I DEAS 軟件的有限元分析功能比較 強 而 CATIA 軟件的雕塑曲面功能則較強 這可能是各軟件在開發(fā)是都具有某 種針對性 另外 為了提高軟件的功能 軟件開發(fā)公司經(jīng)常修改或增加新功能 不斷更換版本 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 第二章第二章 實體造型 實體造型 幾何造型是通過對點 線 面 體等幾何元素 經(jīng)過平移 旋轉(zhuǎn) 變比等 幾何變換和并 交 差等集合運算 產(chǎn)生實際的或想象的物體模型 第一節(jié)第一節(jié) 形體在計算機內(nèi)的表示 形體在計算機內(nèi)的表示 如何用計算機內(nèi)的一維存儲空間來存放由 0 維 1 維 2 維 3 維等幾何元 素的集合所定義的形體 是幾何造型中最基本的問題 1 1 表示形體的坐標系表示形體的坐標系 幾何元素的定義和圖形的輸入輸出都是在一定的坐標系下進行的 對于不 同類型的形體 圖形和圖紙 在其不同階段需要采用不同的坐標系 以提高圖 形處理的效率和便于用戶理解 常用的坐標系可以分為如下五種 1 用戶坐標系 WC World Coordinate System 一般與用戶定義形體和圖素的坐標系一致 用于定義用戶整圖或最高圖形 結(jié)構(gòu) 各種子圖 圖組 圖素經(jīng)調(diào)用后都放在用戶坐標系中的適當位置 用戶坐標系包括如下五種 a 直角坐標系 這是繪制工程圖中最常用最基本的坐標系 也稱為笛卡兒坐標系 直角坐 標系分為左手和右手坐標系兩種 空間任一點 P 的位置可表示成矢量 OP xi yj zk i j k 是相互垂直的單位矢量 又稱之為基底 在直角坐標 系中的任何矢量都可以用 i j k 的線性組合表示 b 仿射坐標系 若把直角坐標系中的 i j k 放寬成三個不共面的 即線性無關(guān) 矢量 則空間任一位置矢量也可以用的線性組合表示 即 OP a b c 則 O 構(gòu)成了仿射坐標系 其基底不要求是相互垂直的 單位矢量 從而擴展了形體的表示域 c 圓柱坐標系 對回轉(zhuǎn)體常用圓柱坐標系來表示和計算 若 N 為直角坐標系中的一點 P 在 XOY 平面上的垂足 它在 XOY 平面上的極坐標為 則稱 z 為點 P 的圓柱坐標 O z 為圓柱坐標系 d 球坐標系 若 N 為直角坐標系中的一點在 XOY 平面上的垂足 OP 與 Z 軸的夾角為 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 ON 與 X 軸的夾角為 令 OP r 則 為點在球坐標系中的坐標 其中 r 為球 半徑 為天頂角 為方位角 并約定 e 極坐標系 極坐標與圓柱坐標類似 2 造型坐標系 MC Modeling Coordinate System 它是右手三維直角坐標系 用來定義基本形體或圖素 對于定義的每一個 形體和圖素都有各自的坐標原點和長度單位 這樣可以方便形體和圖素的定義 這里定義的形體和圖素經(jīng)過調(diào)用可放在用戶坐標系中的指定位置 因此 造型 坐標系由可以看作是局部坐標系 而用戶坐標系可看作是整體坐標系 全局坐 標系 3 觀察坐標系 VC Viewing Coordinate System 它是左手三維直角坐標系 可以在用戶坐標系的任何位置 任何方向定義 它主要有兩個用途 一是用于定義指定裁剪空間 確定形體的哪一部分要顯示 輸出 二是通過定義觀察平面 把三維形體的用戶坐標變換成規(guī)格化的設(shè)備坐 標 觀察平面是在觀察坐標系中定義的 通常其法向量與 Z 軸重合 和 O 間的 距離為 V 用戶在此平面上定義觀察窗口 4 規(guī)格化的設(shè)備坐標系 NDC Normalized Device Coordinate System NDC 也是左手三維直角坐標系 用來定義視圖區(qū) 應用程序可以指定它的 取值范圍 但約定的取值范圍是 0 0 0 到 1 1 1 用戶圖形數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn) 換成 NDC 值 從而可以提高應用程序的可移植性 5 設(shè)備坐標系 DC Device Coordinate System 為了便于輸出真實圖形 目前 DC 也采用左手三維直角坐標系 用來在圖 形設(shè)備上指定窗口和視圖區(qū) DC 通常也是定義象素或位圖的坐標系 上述介紹的坐標系均為三維坐標系 但工程圖紙大多數(shù)為二維圖紙 更簡 潔的辦法是使 Z 坐標值取零 有些 CAD 系統(tǒng)要求用戶定義一個工作平面 用 戶在此平面上作圖 在三維直角坐標系中 XOY 平面也可看作是最基本工作平 面 任何不在 XOY 平面上的工作平面均可通過幾何變換把它變成 XOY 平面 再通過相應的逆變換把 XOY 平面的圖形變到任意的工作平面上 三種坐標系 WC NDC 和 DC 之間的轉(zhuǎn)換如圖 1 1 所示 O O Y Y X X W WC C O O X X N ND DC C Y Y 1 1 O O Y Y X X D DC C O O Y Y X X D DC C O O Y Y X X D DC C 圖 1 1 WC NDC 和 DC 之間的轉(zhuǎn)換 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 1 2 幾何元素的定義幾何元素的定義 1 點 它是 0 維幾何元素 分端點 交點 切點和孤立點等 但在形體定義中一 般不允許存在孤立點 在自由曲線和曲面的描述中常用三種類型的點 a 控制 點 用來確定曲線和曲面的位置與形狀 而相應曲線和曲面不一定通過的點 b 型值點 用來確定曲線和曲面的位置與形狀 而相應的曲線和曲面一定經(jīng)過 的點 c 插值點 為提高曲線和曲面的輸出精度 在型值點之間插入的一系列 點 點是幾何造型中最基本的元素 自由曲線 曲面或其他形體均可用有序的 點集表示 用計算機存儲 管理 輸出形體的實質(zhì)就是對點集及其連接關(guān)系的 處理 2 邊 邊是 1 維幾何元素 是兩個相鄰 正則形體 或多個鄰面 非正則形體 的交界 直線邊由其端點 起點和終點 定界 曲線邊由一系列型值點或控制 點表示 也可以用顯式 隱式方程表示 3 面 面是二維幾何元素 是形體上一個有限 非零的區(qū)域 由一個外環(huán)和若干 個內(nèi)環(huán)界定其范圍 一個面可以無內(nèi)環(huán) 但是必須有一個且只有一個外環(huán) 面 有方向性 一般用其外法矢方向作為該面的正向 在幾何造型中常分平面 二 次曲面 雙三次參數(shù)曲面等形式 4 環(huán) 環(huán)是有序 有向邊 直線段或曲線段 組成的面的封閉邊界 環(huán)中的邊不 能相交 相鄰兩邊共享一個端點 環(huán)有內(nèi)外之分 確定面的最大外邊界的環(huán)稱 為外環(huán) 通常其邊按逆時針方向排序 確定面中的內(nèi)孔或凸臺邊界的環(huán)稱為內(nèi) 環(huán) 其邊相映外環(huán)排序方向相反 通常按順時針方向排序 基于這種定義 在 面上沿一個環(huán)前進 其左側(cè)總是面內(nèi) 右側(cè)總是面外 5 體 體是三維幾何元素 由封閉表面圍成的空間 也是歐氏空間中非空 有界 的封閉子集 其邊界是有限面的 并集 為了保證幾何造型的可靠 性和可加工性 要求形體上任意 一點的鄰域在拓撲上應是一個等 價的封閉圓 即圍繞該點的形體 鄰域在二維空間可以構(gòu)成一個單 連通域 滿足這個定義的形體稱 為正則形體 如圖 1 2 所示的幾 個例子均不滿足上述要求 稱這 懸懸面面懸懸邊邊 一一條條邊邊有有三三個個以以上上的的鄰鄰面面點點V V的的小小鄰鄰域域不不是是單單連連通通域域 圖 1 2 非正則形體的例子 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 類形體為非正則形體 非正則形體的造型技術(shù)將線框 表面和實體模型統(tǒng)一起 來 可以存取維數(shù)不一致的幾何元素 并可對維數(shù)不一致的幾何元素進行求交 分類 從而擴大了幾何造型的形體覆蓋域 基于點 邊 面幾何元素的正則形 體和非正則形體的區(qū)別如下表所示 幾何元素正則形體非正則形體 面 是形體表面的一部 分 可以是形體表面的一部分 也可以是形體 內(nèi)的一部分 也可以與形體相分離 邊只有兩個鄰面可以有多個鄰面 一個鄰面或沒有鄰面 體 至少和三個面 或 三條邊 鄰接 可以與多個面 或邊 鄰接 也可以是聚 集體 聚集面 聚集邊或孤立點 6 體素 體素是可以用有限個尺寸參數(shù)定位和定形的體 常有三種定義方式 a 從 實際形體中選擇出來 可用一些確定的尺寸參數(shù)控制其最終位置和形狀的一組 單元實體 如長方體 圓柱體 圓錐體 圓環(huán)體 球體等 b 由參數(shù)定義的一條 或一組 截面輪 廓線沿一條 或一組 空間參數(shù)曲線作掃描運動 而產(chǎn)生的形體 c 用代數(shù)半空間定義的形體 半 空間定義法只適用于正則形體 從上述定義可以看出 幾何元素間有兩種重 要信息 其一是幾何信息 用以表示幾何元素性 質(zhì)和度量關(guān)系 如位置 大小 方向等 其二是 拓撲信息 用以表示幾何元素之間的連接關(guān)系 形體要由幾何信息和拓撲信息定義 7 定義形體的層次結(jié)構(gòu) 形體在計算機中用上述幾何元 素按六個層次表示 如圖 1 3 a 所示 如圖 1 3 b 所示 長方體中打了 一個洞 由點 V1V2V3V7V8V5V1定 義了該形體的外殼 點 V5V6V7V8V5 定義了該形體的上頂面 同時該點 列也定義了此面的外環(huán) 此面上的 點 V13V14V15V16V13定義了內(nèi)環(huán) V5V6是該面外環(huán)上的一條邊 該邊 有 V5 V6兩個端點 也是該形體的 兩個頂點 定義形體的面既可以是 形形體體 O Ob bj je ec ct t 外外殼殼 S Sh he el ll l 面面 F Fa ac ce e 環(huán)環(huán) L Lo oo op p 邊邊 E Ed dg ge e 點點 V Ve er rt te ex x 圖 1 3 a 1 V 14 V 11 V 15 V 16 V 13 V 12 V 10 V 9 V 4 V 6 V 7 V 8 V 5 V 3 V 2 V 1 e 8 e 7 e 6 e 5 e 12 e 11 e 10 e 9 e 4 e 3 e 2 e 1 F 6 F 3 F 4 F 2 F 5 F 圖 1 3 b 有孔的長方體 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 點邊表 邊點 E1V1 V2 E2V2 V3 E12V5 V8 面邊表 面號邊號 F1E1 E2 E3 E4 F2E1 E6 E9 E5 F6E9 E10 E11 E12 平面 也可以是曲面 邊既可以是直線 也可以是曲線段 1 3 表示形體的線框 表面 實體模型表示形體的線框 表面 實體模型 形體在計算機中常用線框 表面 和實體三種表示模型 1 線框模型 線框模型是在計算機圖形學和 CAD CAM 領(lǐng)域中最早用來表示形體的模型 并且至今仍在廣泛應用 其特點是結(jié)構(gòu)簡單 易于理解 又是表面和實體模型 的基礎(chǔ) 線框模型是用頂點和鄰邊來表示形體 對于多面體而言 用線框模型 是很自然的 因圖形顯示的內(nèi)容主要是棱邊 但是對于非平面體 如圓柱體 球體等 用線框模型存在一定的問題 其一是曲面的輪廓線將隨著視線方向的 變化而改變 其二是線框模型給出的不是連續(xù)的幾何信息 不能明確地定義給 定點與形體之間的關(guān)系 點在形體內(nèi)部 外部或表面上 因此不能用線框模型 處理計算機圖形學 CAD CAM 中的多數(shù)問題 如剖切圖 消隱圖 明暗色彩圖 物性分析 干涉檢測 加工處理等 2 表面模型 表面 surface 模型是用有向棱邊圍成的部分來定義形體表面 由面的集 合來定義形體 表面模型是在線框模型的基礎(chǔ)上 增加有關(guān)面邊 環(huán)邊 信息 以及表面特征 棱邊的連接方向等內(nèi)容 從而可以滿足面面示交 線 面消隱 明暗色彩圖 數(shù)控加工等應用問題的需要 但在此模型中 形體究竟存在于表 面的哪一側(cè) 沒有給出明確的定義 因而在物性計算 有限元分析等應用中 表面模型在形體的表示上仍然缺乏完 整性 3 實體模型 實體 solid 模型主要是明確定 義了表面的哪一側(cè)存在實體 在表面 模型的基礎(chǔ)上可用三種方法來定義 圖 1 4 a 在定義表面的同時 給出 實體存在側(cè)的一點 P 圖 1 4 b 直 接用表面的外法矢來指明實體存在的 P P 圖 1 4 實體表示模型 學習資料收集于網(wǎng)絡(luò) 僅供參考 學習資料 一側(cè) 圖 1 4 c 用有向棱邊隱含地表示表面的外法矢方向 通常在定義表面 時 有向棱邊按右手法則取向 沿著閉合的棱邊所得