現(xiàn)代CAD基礎(chǔ)與應(yīng)用第三章

1、機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)核心課程主講主講: :劉子建劉子建 教授教授汽車樓汽車樓322322，8882308088823080，助教：周晉超等助教：周晉超等綜合實(shí)驗(yàn)樓綜合實(shí)驗(yàn)樓468468，8882172688821726 精品課程網(wǎng)站：精品課程網(wǎng)站：http:/ 課程中心網(wǎng)站：課程中心網(wǎng)站：http:/ 2022-4-20本章學(xué)習(xí)要求與學(xué)習(xí)方法本章學(xué)習(xí)要求與學(xué)習(xí)方法了解了解 CADCAD特征建模技術(shù)的基本概念和方法特征建模技術(shù)的基本概念和方法。第第3 3章章 CAD特征建模技術(shù)特征建模技術(shù)了解了解 CADCAD技術(shù)的發(fā)展前沿和發(fā)展趨勢技術(shù)的發(fā)展前沿和發(fā)展趨勢。學(xué)習(xí)要點(diǎn)：學(xué)習(xí)要點(diǎn)：理解工程需求、質(zhì)疑現(xiàn)有

2、技術(shù)、思考理解工程需求、質(zhì)疑現(xiàn)有技術(shù)、思考模型作用、關(guān)注研究方法、參與思想交流。模型作用、關(guān)注研究方法、參與思想交流。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述 CADCAD實(shí)體建模技術(shù)存在的不足實(shí)體建模技術(shù)存在的不足產(chǎn)品定義不完整。產(chǎn)品定義不完整。模型僅僅定義了產(chǎn)品的三維幾何形狀和模型僅僅定義了產(chǎn)品的三維幾何形狀和拓?fù)潢P(guān)系，許多其它重要信息如精度、材料、工藝、裝配拓?fù)潢P(guān)系，許多其它重要信息如精度、材料、工藝、裝配等都不包括在模型中；等都不包括在模型中； 數(shù)據(jù)的抽象層次低。數(shù)據(jù)的抽象層次低。實(shí)體（如體素等）主要是幾何概念，實(shí)體（如體素等）主要是幾何概念，設(shè)計(jì)制

3、造中的工程語義，如鍵槽、中心孔、加強(qiáng)筋等均不設(shè)計(jì)制造中的工程語義，如鍵槽、中心孔、加強(qiáng)筋等均不能直接表達(dá)；能直接表達(dá)； 支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的程度不高。支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的程度不高。模型技術(shù)只面向設(shè)計(jì)模型技術(shù)只面向設(shè)計(jì)的最終結(jié)果，不支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的過程。的最終結(jié)果，不支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的過程。 2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述特征建模技術(shù)的基本概念特征建模技術(shù)的基本概念 特征（特征（feature）是是客觀事物特點(diǎn)的表征客觀事物特點(diǎn)的表征, ,是是 具有具有特定語義特定語義的信息單元的信息單元； 特征建模特征建模具有工程語義的具有工程語

4、義的幾何模型建造技術(shù)幾何模型建造技術(shù)； 特征模型特征模型以特征為結(jié)構(gòu)單元以特征為結(jié)構(gòu)單元定義的定義的CADCAD模型模型；特征技術(shù)特征技術(shù)支持特征模型的支持特征模型的CADCAD軟件技術(shù)軟件技術(shù)。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述特征建模技術(shù)的特點(diǎn)特征建模技術(shù)的特點(diǎn) 是一種從工程語義出發(fā)構(gòu)建產(chǎn)品三維是一種從工程語義出發(fā)構(gòu)建產(chǎn)品三維CADCAD模型的模型的方法方法，能，能更好地更好地適用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)適用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)； 以抽象層次更高的工程語義元素作為以抽象層次更高的工程語義元素作為操作對象操作對象，如中心，如中心孔、鍵槽、加強(qiáng)筋等，可以明顯孔、鍵槽、

5、加強(qiáng)筋等，可以明顯提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模效率提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模效率； 與幾何造型技術(shù)相結(jié)合，將更多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖與幾何造型技術(shù)相結(jié)合，將更多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖以特征以特征作為載體作為載體，傳遞給產(chǎn)品生命周期的后續(xù)階段。，傳遞給產(chǎn)品生命周期的后續(xù)階段。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述特征的分類特征的分類 Pratt,Wilson的分類：顯式特征、隱式特征（的分類：顯式特征、隱式特征（P64） J.J.Shan分為形狀、精度、技術(shù)、材料、裝配五大特征分為形狀、精度、技術(shù)、材料、裝配五大特征 Lee等將特征分為：設(shè)計(jì)特征、制造特征等將特征分為：設(shè)計(jì)特征、制造特征 Lu

6、by等將特征分為：宏特征、微特征等將特征分為：宏特征、微特征 Hoffmann和和Joan Arinyo：基準(zhǔn)特征、生成和修改特征：基準(zhǔn)特征、生成和修改特征 Laakko和和Mantyla將特征分為：特征類、特征實(shí)例將特征分為：特征類、特征實(shí)例上述特征分類的特點(diǎn)是上述特征分類的特點(diǎn)是需求主導(dǎo)需求主導(dǎo)，各取所需各取所需。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述特征類與特征對象特征類與特征對象 借助于面向?qū)ο蠓椒ǎ瑢⑻卣飨嗷ブg的關(guān)系描述為特征類借助于面向?qū)ο蠓椒?，將特征相互之間的關(guān)系描述為特征類和特征對象之間的關(guān)系。和特征對象之間的關(guān)系。 特征類特征類：具有相

7、同屬性的特征對象的集合稱為特征類；：具有相同屬性的特征對象的集合稱為特征類； 特征對象特征對象：特征類中的一個(gè)具體的特征實(shí)例。：特征類中的一個(gè)具體的特征實(shí)例。面向?qū)ο蠹夹g(shù)面向?qū)ο蠹夹g(shù)特征技術(shù)特征技術(shù)技術(shù)技術(shù)特特 性性封裝性：對象間邊界分明，封裝性：對象間邊界分明，互互 相不可見相不可見 繼承性：子承父類繼承性：子承父類多態(tài)性：對用戶同一操作響多態(tài)性：對用戶同一操作響應(yīng)應(yīng) 不一不一 獨(dú)立性：特征之間定義明確，獨(dú)立性：特征之間定義明確，互不干涉互不干涉層次性：特征之間有明確的層層次性：特征之間有明確的層次關(guān)系次關(guān)系明確性：對操作的響應(yīng)明確明確性：對操作的響應(yīng)明確設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)過過 程程發(fā)現(xiàn)對象、發(fā)現(xiàn)對

8、象間關(guān)系、發(fā)現(xiàn)對象、發(fā)現(xiàn)對象間關(guān)系、發(fā)現(xiàn)類發(fā)現(xiàn)類定義特征、分析特征間的關(guān)系、定義特征、分析特征間的關(guān)系、建立特征庫建立特征庫單元單元之間之間聯(lián)系聯(lián)系方式方式通過消息的傳遞達(dá)到對象間通過消息的傳遞達(dá)到對象間通訊的目的，返回的是對象通訊的目的，返回的是對象的狀態(tài)和屬性。的狀態(tài)和屬性。特征間通過用戶的操作發(fā)生聯(lián)特征間通過用戶的操作發(fā)生聯(lián)系，主要的是幾何拓?fù)潢P(guān)系，系，主要的是幾何拓?fù)潢P(guān)系，返回的是特征結(jié)合在一起產(chǎn)生返回的是特征結(jié)合在一起產(chǎn)生的整體特征。的整體特征。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述特征之間的關(guān)系與特征模型特征之間的關(guān)系與特征模型零件層 零件特征

9、信息模型技術(shù)模型形狀模型管理模型材料模型精度模型特征層幾何與拓樸結(jié)構(gòu)幾何層ISTISTISTISTREFREFREFREFREF幾種主要關(guān)系：幾種主要關(guān)系： AIO(An instance of) 邏輯聯(lián)系邏輯聯(lián)系關(guān)系關(guān)系CONT(Connect to) 位置鄰接位置鄰接關(guān)系關(guān)系REF(Reference) 屬性引用屬性引用關(guān)系關(guān)系IST(Is subordinated to) 結(jié)構(gòu)從屬結(jié)構(gòu)從屬關(guān)系關(guān)系2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述特征的三種表示方法特征的三種表示方法 基于基于B-rep的表示方法的表示方法適用于適用于特征識(shí)別和修改特征識(shí)別和修改

10、基于基于CSG的的表示方法表示方法適用于適用于特征建模和設(shè)計(jì)特征建模和設(shè)計(jì) 實(shí)際中常用實(shí)際中常用基于基于B-rep和和CSG的的混合表示方法混合表示方法2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述兩種主要的特征建模方法兩種主要的特征建模方法 方法一：方法一：特征識(shí)別特征識(shí)別先建立實(shí)體模型，用程序自動(dòng)識(shí)別并提取特征，先建立實(shí)體模型，用程序自動(dòng)識(shí)別并提取特征，再生成特征模型。再生成特征模型。特征的特征的不完整識(shí)別：不完整識(shí)別：凸殼算法、單元分解法、幾何凸殼算法、單元分解法、幾何 推理法等；推理法等； 特征的特征的完整識(shí)別：完整識(shí)別：將幾何模型與預(yù)先定義好的特征類將幾

11、何模型與預(yù)先定義好的特征類進(jìn)行比較，確定相匹配的實(shí)體，定義為特征模型。進(jìn)行比較，確定相匹配的實(shí)體，定義為特征模型。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述特征建模的兩種主要方法特征建模的兩種主要方法 方法二：方法二：基于特征的設(shè)計(jì)基于特征的設(shè)計(jì)直接用特征來定義零件的結(jié)構(gòu)，生成特征模型。直接用特征來定義零件的結(jié)構(gòu)，生成特征模型。參看教材參看教材P67P67包括基于包括基于特征分割特征分割的建模技術(shù)，基于的建模技術(shù)，基于特征合成特征合成的建模技術(shù)的建模技術(shù)等。等。 在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用基于特征的設(shè)計(jì)和特征識(shí)別相在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用基于特征的設(shè)計(jì)和特征識(shí)別相結(jié)合的

12、結(jié)合的綜合建模方法綜合建模方法。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述特征樹特征樹 特征樹可以反映通過基本特征構(gòu)造零件的過程特征樹可以反映通過基本特征構(gòu)造零件的過程通過特征樹，可以遞歸地將零件分解為多個(gè)基本通過特征樹，可以遞歸地將零件分解為多個(gè)基本特征，然后在設(shè)計(jì)中創(chuàng)建這些基本特征，最后按分特征，然后在設(shè)計(jì)中創(chuàng)建這些基本特征，最后按分解的路徑組合成設(shè)計(jì)的零件。解的路徑組合成設(shè)計(jì)的零件。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術(shù)技術(shù)第1節(jié) 特征技術(shù)概述特征技術(shù)的局限性特征技術(shù)的局限性 引入工程語義的目的是服務(wù)于零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，引入工程語義的目的是服

13、務(wù)于零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本質(zhì)上本質(zhì)上屬于屬于CAD幾何建模技術(shù)范疇幾何建模技術(shù)范疇； 特征是附加于幾何結(jié)構(gòu)上的一種解釋，在提高特征是附加于幾何結(jié)構(gòu)上的一種解釋，在提高結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)抽象的同時(shí)，產(chǎn)生了大量的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)抽象的同時(shí)，產(chǎn)生了大量的信息冗余信息冗余； 特征技術(shù)無法解決產(chǎn)品全設(shè)計(jì)流程的特征技術(shù)無法解決產(chǎn)品全設(shè)計(jì)流程的過程支持過程支持以及產(chǎn)品以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成、重用數(shù)據(jù)集成、重用等關(guān)鍵問題。等關(guān)鍵問題。幾何建模為中心的幾何建模為中心的CADCAD技術(shù)存在如下弊端：技術(shù)存在如下弊端： 1、用、用分散、異構(gòu)分散、異構(gòu)的模式和軟件系統(tǒng)解決的模式和軟件系統(tǒng)解決一致性一致性要求高的產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題；要求高的產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題

14、； 2、用、用功能調(diào)用功能調(diào)用的方法解決的方法解決信息集成信息集成問題，使用效率低，可信性差；問題，使用效率低，可信性差； 3、產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)、數(shù)據(jù)、過程和結(jié)果的、產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)、數(shù)據(jù)、過程和結(jié)果的重用性重用性差，難以被差，難以被繼承和管理繼承和管理。造型設(shè)計(jì)造型設(shè)計(jì)曲面模型曲面模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)碰撞安全設(shè)計(jì)碰撞安全設(shè)計(jì)力學(xué)性能設(shè)計(jì)力學(xué)性能設(shè)計(jì)ALIASUG,PRO/EUG,PRO/EADAMS,ANSYSDYNA,RADIOSS成形工藝與模具設(shè)計(jì)成形工藝與模具設(shè)計(jì)AUTOFORM,UG曲面加工設(shè)計(jì)曲面加工設(shè)計(jì)MASTERCAM,UG樣車制造樣車制造物理實(shí)驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)2022-4-20解決上述問題

15、必須回答的幾個(gè)問題：解決上述問題必須回答的幾個(gè)問題：如何認(rèn)識(shí)如何認(rèn)識(shí)CAD模型的本質(zhì)模型的本質(zhì)？制造業(yè)信息化制造業(yè)信息化需要需要什么樣的什么樣的（CAD）模型模型？如何如何驗(yàn)證和評(píng)價(jià)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)CAD模型和建模技術(shù)的優(yōu)劣？模型和建模技術(shù)的優(yōu)劣？如何理解如何理解大型應(yīng)用軟件系統(tǒng)的本質(zhì)屬性大型應(yīng)用軟件系統(tǒng)的本質(zhì)屬性？這一領(lǐng)域的研究與這一領(lǐng)域的研究與諾貝爾獲獎(jiǎng)成果諾貝爾獲獎(jiǎng)成果有關(guān)嗎？有關(guān)嗎？分析宏觀、中觀、微觀三個(gè)需求問題分析宏觀、中觀、微觀三個(gè)需求問題2022-4-20先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)對對CADCAD建模的建模的技術(shù)需求技術(shù)需求集成性：集成性：覆蓋產(chǎn)品的全生命周期覆蓋產(chǎn)品的全生命周期 產(chǎn)品

16、規(guī)劃產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)制造制造使用使用維護(hù)維護(hù)報(bào)廢報(bào)廢回收回收一致性：一致性：支持產(chǎn)品研發(fā)全過程支持產(chǎn)品研發(fā)全過程 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)-CAD，分析，分析-CAE，工藝，工藝-CAPP，虛擬樣機(jī)，虛擬樣機(jī)-VP等等 制造制造-CAM，測量，測量-CAT，質(zhì)量控制，質(zhì)量控制-CAQ，裝配，裝配-DFA等等統(tǒng)一性：統(tǒng)一性：用于企業(yè)管理用于企業(yè)管理 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM 產(chǎn)品生命周期管理產(chǎn)品生命周期管理 PLM 生產(chǎn)、物流、銷售等管理生產(chǎn)、物流、銷售等管理 企業(yè)資源計(jì)劃企業(yè)資源計(jì)劃ERP先進(jìn)制造技術(shù)中，產(chǎn)品先進(jìn)制造技術(shù)中，產(chǎn)品CADCAD模型模型既是設(shè)計(jì)、制造的對象，也是生產(chǎn)既是設(shè)計(jì)、制造的對象，也是

17、生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)來源，更是產(chǎn)品信息最過程的數(shù)據(jù)來源，更是產(chǎn)品信息最直接的載體和企業(yè)管理的依據(jù)。目直接的載體和企業(yè)管理的依據(jù)。目前的前的CADCAD技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足先進(jìn)技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足先進(jìn)制造對建模技術(shù)的全方位需求。制造對建模技術(shù)的全方位需求。2022-4-20 產(chǎn)品模型產(chǎn)品模型可視可控可視可控（幾何信息、模型的控制與表達(dá)等）；（幾何信息、模型的控制與表達(dá)等）； 產(chǎn)品的產(chǎn)品的材料性能材料性能（材料種類、比重、模量等）；（材料種類、比重、模量等）； 零件零件精度設(shè)計(jì)精度設(shè)計(jì)（尺寸公差、形位公差、粗糙度等）；（尺寸公差、形位公差、粗糙度等）； 零部件零部件功能需求功能需求（運(yùn)動(dòng)副、自由度、結(jié)合面、

18、運(yùn)動(dòng)軌跡、（運(yùn)動(dòng)副、自由度、結(jié)合面、運(yùn)動(dòng)軌跡、動(dòng)力學(xué)性能、誤差控制與補(bǔ)償、可靠性等）；動(dòng)力學(xué)性能、誤差控制與補(bǔ)償、可靠性等）； 零部件零部件工況定義工況定義（載荷、沖擊、各種相互作用等）；（載荷、沖擊、各種相互作用等）； 零部件零部件工藝規(guī)劃工藝規(guī)劃（加工方法、工序、切削用量等）；（加工方法、工序、切削用量等）； 產(chǎn)品產(chǎn)品管理需求管理需求（BOM表、庫存、運(yùn)輸、銷售、維護(hù)等）表、庫存、運(yùn)輸、銷售、維護(hù)等） 目前的目前的CADCAD模型只能提供幾何拓?fù)涞臄?shù)據(jù)和控制功能，模型只能提供幾何拓?fù)涞臄?shù)據(jù)和控制功能， 不能滿足不能滿足數(shù)據(jù)完備性數(shù)據(jù)完備性的需求。的需求。機(jī)械機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)產(chǎn)品研發(fā)對對CADC

19、AD模型的模型的數(shù)據(jù)需求數(shù)據(jù)需求2022-4-20人的創(chuàng)造性人的創(chuàng)造性對對CADCAD建模技術(shù)的建模技術(shù)的操作需求操作需求模型可感知性：模型可感知性：可視、可觸、可聽、可聞可視、可觸、可聽、可聞模型可控制性：模型可控制性：可操作、可變換、可復(fù)制、可保存可操作、可變換、可復(fù)制、可保存模型信息跟隨性：模型信息跟隨性：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與可感知模型融為一體，是信設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與可感知模型融為一體，是信息動(dòng)態(tài)完備的統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型息動(dòng)態(tài)完備的統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型模型信息配送性：模型信息配送性：為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供引導(dǎo)、配送信息、處理為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供引導(dǎo)、配送信息、處理操作、驅(qū)動(dòng)流程操作、驅(qū)動(dòng)流程模型可迭代性：模型可迭代性：產(chǎn)品模

20、型是數(shù)據(jù)完備可以迭代求精的單元，產(chǎn)品模型是數(shù)據(jù)完備可以迭代求精的單元，支持新型的面向模型（支持新型的面向模型（O-M，Oriented Model）的優(yōu)化設(shè)）的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)計(jì)技術(shù)模型智能性：模型智能性：模型在產(chǎn)品研發(fā)流程中可以自我生長與進(jìn)化模型在產(chǎn)品研發(fā)流程中可以自我生長與進(jìn)化 研究前沿：產(chǎn)品信息模型和全設(shè)計(jì)流程一致性研究研究前沿：產(chǎn)品信息模型和全設(shè)計(jì)流程一致性研究 攻克新型攻克新型CAD建模理論和技術(shù)的難題刻不容緩！建模理論和技術(shù)的難題刻不容緩！ 新型建模理論和技術(shù)是新型建模理論和技術(shù)是流程一致性研究的基礎(chǔ)流程一致性研究的基礎(chǔ) 符合信息一致性原理的新型產(chǎn)品建模理論和技術(shù)，是全設(shè)計(jì)流程一符合信息一致性原理的新型產(chǎn)品建模理論和技術(shù)，是全設(shè)計(jì)流程一致性研究的基礎(chǔ)。全設(shè)計(jì)流程一致性是大型設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)可信性的致性研究的基礎(chǔ)。全設(shè)計(jì)流程一致性是大型設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)可信性的重要組成部分。建立全設(shè)計(jì)流