計算機輔助設計與制造第三章

1、計算機輔助設計與制造機械工業(yè)出版社計算機輔助設計與制造03產(chǎn)品建模技術第3章第3章 產(chǎn)品建模技術3.1 產(chǎn)品建模方法概述3.1 產(chǎn)品建模方法概述 產(chǎn)品數(shù)字模型的基礎是其幾何模型。真實、完整地表達產(chǎn)品幾何形狀,使計算機能夠“理解”產(chǎn)品數(shù)據(jù)的含義,進而獲得一定程度的智能化分析、計算能力,是產(chǎn)品建模技術的主要研究內容。產(chǎn)品幾何模型的基本構成要素是空間的點、線、面和體。按照技術發(fā)展過程,產(chǎn)品建模方法經(jīng)歷了線框、表面、實體和特征建模等多個階段。 最早使用相互連接的線元素表示三維零件形狀,形成了最簡單的線框表示方法。線框模型能夠較好反映物體的形狀和方位,占用內存少,處理速度快。表面模型是在線框模型基礎上增

2、加了面的信息,相當于在燈籠骨架外蒙皮,可以在程序中實現(xiàn)自動消除隱藏線,生成明暗圖,計算表面積,產(chǎn)生表面數(shù)控加工走刀軌跡等。實體模型是物體完整的三維幾何模型,包含了全部幾何信息和全部點、線、面、體之間的拓撲信息,從而能夠計算物體的質量特性(如重量、慣性矩)、動態(tài)特性(如動量、動量矩)或力學特性(如應力、應變),以及進行多物體間的干涉檢查,但數(shù)據(jù)結構最復雜,處理速度慢。進入20世紀90年代以后,提出了特征造型的概念,即在已有幾何模型的基礎上增加了對產(chǎn)品結構、工藝、材料、精度、性能等特征信息的定義,使描述產(chǎn)品的信息更趨完整。下面將分別敘述這幾種產(chǎn)品建模方法。第3章 產(chǎn)品建模技術3.2 線框建模技術3

3、.2 線框建模技術 設計員在構思一個產(chǎn)品形狀時,經(jīng)常需要用線條勾畫出一個用輪廓線表示的立體圖,以幫助構思和相互討論。線框建模則是用計算機來實現(xiàn)這一構圖過程。圖3-1所示為F18戰(zhàn)斗機的線框模型。圖3-1F18戰(zhàn)斗機的線框模型3.2 線框建模技術線框模型是由有限空間點以及成對點之間相連的邊構成的立體框架模型,其中邊可以是直邊,也可以是圓弧邊、三次或者三次以上的自由曲線。線框模型的計算機表示主要包括兩類信息:一類是幾何信息,定義線框模型中空間點的坐標數(shù)據(jù)和曲邊數(shù)據(jù);一類是拓撲信息,記錄每條邊兩個端點的標號。以單位邊長的立方體為例,如圖3-2所示,其線框模型的數(shù)據(jù)結構包含頂點表和邊表。頂點表中存儲各

4、頂點的三維坐標位置,即幾何信息;邊表中存儲兩個端點的標號,即拓撲信息?？梢越⑦叺念愋捅碛脕砼袛噙吺侵边?、圓弧邊還是其他曲線邊。3.2 線框建模技術圖3-2立方體線框模型的數(shù)據(jù)結構3.2 線框建模技術 從圖3-2可以看出:對于多面體而言,由于輪廓線和棱線通常是一致的,其線框模型具有較好的視覺效果,便于識別;但對于圓柱體或球體之類的形體,如圖3-3所示,僅僅顯示棱線而無輪廓線,是不能完整表示物體外形的,通常需要添加輪廓線來表現(xiàn)圓柱體側面。圖3-3圓柱體的多種表示方法3.2 線框建模技術 早期的繪圖軟件大都采用這種線框表示方法,其優(yōu)點為:數(shù)據(jù)存儲量最少,操作簡便;所占內存小,處理速度快,對硬件要求

5、不高;特別適合于對圖形進行各種幾何變換和動態(tài)交互顯示。例如:平移某一圖形時,只需將圖形上各頂點的坐標作相應平移即可按線框結構中各頂點間原有的連接關系生成新圖形;同時,利用投影變換,從三維線框模型可方便生成各種正投影圖、軸測圖和任意觀察方向的透視投影圖。 隨著CAD技術的發(fā)展,當需要在計算機內完整地定義三維物體時,這種線框模型的局限性很快暴露出來。第一,具有多義性。由于所有棱線全部顯示,同一模型可以理解為多種實際物體。圖3-4bd中的三維物體均可以用圖3-4a中的線框模型表示。第二,無法處理曲面物體的側影輪廓線。曲面物體的側影輪廓線與視線方向有關,雖然不包含在物體的數(shù)據(jù)結構中,然而卻是構成一幅完

6、整圖形不可缺少的部分,如圖3-5中虛線所示。第三,不適于真實感顯示。由于包含的信息有限,無法實現(xiàn)圖形的自動消隱,不能著色,不能生成剖視圖、消隱圖、明暗色彩圖等。第四,不能進行兩面求交,不能生成刀具軌跡,不能自動劃分有限網(wǎng)格,不能檢查物體間碰撞、干涉等。3.2 線框建模技術圖3-4線框模型的多義性圖3-5物體的側影輪廓線3.2 線框建模技術 由于線框建模方法相對比較簡單,計算速度很快,這種方法經(jīng)常用于表示復雜三維模型的輪廓。當需要更加精細的效果時,可以在完成線框信息基礎上,增加物體表面信息,進而渲染表面紋理。三維線框模型方法允許設計人員交互設計和旋轉復雜物體。它避免了在進行真實感渲染時出現(xiàn)的較長

7、延時,顯示速度快。另外,線框模型非常適合于數(shù)控機床中的輪廓編程。但線框模型缺點是數(shù)據(jù)信息有限,在更大應用范圍內應用有其局限性,這促使了表面建模技術和實體建模技術的發(fā)展。第3章 產(chǎn)品建模技術3.3 表面建模技術3.3 表面建模技術 表面建模是用頂點、棱線和表面的有限集合來表示和構建形體計算機模型的過程。與線框模型相比,表面模型增加了面信息,并具有棱線和面的拓撲關系信息,增加的面表包含了圍成表面的相關棱線信息。此外,可以通過建立表面類型表以區(qū)分平面、自由曲面等。圖3-6所示為立方體表面模型的數(shù)據(jù)結構。表面模型中的幾何形體表面是由若干塊面片組成,這些面片可以是平面、解析曲面(如球面、柱面、錐面等)和

8、參數(shù)曲面(貝塞爾曲面、B樣條曲面等)。解析曲面可以通過拉伸、回轉、掃描等方法生成,如圖3-7所示。相應的曲面生成方法可以參考CAD/CAM技術的相關內容,參數(shù)曲面的構造將在后面的小節(jié)中進行詳細介紹。另外,表面建模中還會用到一些特殊曲面,即在已有曲面或實體上生成的曲面,如圓角曲面、等距曲面、過渡曲面等。3.3.1表面建模的基本原理3.3 表面建模技術圖3-6立方體表面模型的數(shù)據(jù)結構3.3 表面建模技術圖3-7常見解析曲面的構造方法相對于線框模型,由于表面模型提供了形體表面和邊界定義的數(shù)據(jù)信息,其優(yōu)點主要體現(xiàn)在:描述了三維形體的表面形狀,消除了多義性;具有很強的曲面拼接能力,能夠構造復雜曲面;能夠

9、利用面的信息生成數(shù)控刀具軌跡;可對零件進行渲染,實現(xiàn)消隱、著色、表面積計算、表面求交、有限元網(wǎng)格劃分等;可以計算物體表面積。 表面建模也有一些缺點:操作復雜,需具備一定的曲面造型知識;缺乏面與體之間的拓撲關系,只能表示形體的表面及其邊界;不是實體模型,因此不能進行剖切,不能計算形體間的碰撞和干涉;由于缺乏面與體的關系,表面模型不能區(qū)別體內與體外,僅適用于描述形體的外殼;表面建模事實上是以蒙面的方式構造零件形體,因此容易在零件建模中漏掉某些面的處理,這就是常說的“丟面”。同時,在兩個面相交處容易出現(xiàn)缺陷,如重疊或間隙,不能保證零件的建模精度。因此,表面建模并不適用于表示產(chǎn)品的整體結構,而注重外觀

10、的表達上。它通常與實體造型結合,創(chuàng)建復雜形體。3.3 表面建模技術 表面建模技術是CAD和計算機圖形學中最活躍、最關鍵的建模技術之一,這是因為三維形體的幾何表示處處都要用到它。從飛機、汽車、船舶、葉輪的流體動力學分析,家用電器、輕工產(chǎn)品的工業(yè)造型設計,服裝、皮鞋的三維打樣和款式設計,山脈、水流、云彩的自然景物模擬,地形、地貌、礦藏等分布的地理資源描述,人體形貌和內部器官的CT掃描數(shù)據(jù)三維重構到科學計算中的應力、應變、溫度場的直觀顯示等,無不需要強有力的曲面造型工具。通過一系列的點、線、面來表示表面輪廓,設計人員創(chuàng)建各種復雜的形體,尤其是設計和制造飛機、汽車等復雜曲面的產(chǎn)品外形,采用表面建模技術

11、優(yōu)勢明顯。目前主流的CAD造型軟件均具有相應的曲面造型模塊。圖3-8所示為使用CATIA曲面造型工具準確描述了戰(zhàn)斗機和汽車車身的表面輪廓。3.3 表面建模技術圖3-8戰(zhàn)斗機、汽車車身的表面模型 對復雜產(chǎn)品表面輪廓進行數(shù)字化定義的關鍵在于曲線與曲面的表示方法。比較典型的曲線與曲面方法有貝塞爾曲線與曲面方法、B樣條曲線與曲面方法等,這些曲線與曲面表示方法都是采用分段或分片參數(shù)多項式的形式,這樣能較好適合計算機圖形顯示的特點:曲線與曲面的表示不依賴于坐標系的選取,有直觀和簡便的人機交互手段,容易離散生成以及造型靈活、易于拼接等優(yōu)點。3.3 表面建模技術3.3.2貝塞爾(Bzier)曲線與曲面貝塞爾方

12、法是構造自由曲線和曲面最重要和最基本的方法之一。由于它能滿足幾何造型對曲線和曲面的要求,因此在理論界和應用上均得到極大的重視和發(fā)展。貝塞爾方法的思想是利用多邊形的頂點來定義自由曲線,就像有些畫家在素描人像時先用折線勾畫臉部和身材的大致輪廓,再逐漸修正線條一樣。貝塞爾完全用折線精確定義了一條曲線。在空間給定n+1個點V0,V1,V2,Vn,可定義參數(shù)曲線為n次的貝塞爾曲線,即3.3 表面建模技術一般稱Bi,n(u)為伯恩斯坦基函數(shù),點列V0,V1,Vn為曲線P(u)的控制頂點,折線V0V1Vn(圖3-9)為P(u)的控制多邊形。關于貝塞爾曲線的詳細表達式推導過程以及基函數(shù)的相關性質,讀者可以參考

13、自由曲線曲面造型技術一書。人們常將貝塞爾曲線的幾何構造稱為幾何作圖法,可很方便地確定某一參數(shù)值對應的點。其原理如下:如圖3-10所示,根據(jù)給定的參數(shù)值u,在控制多邊形的每一條邊上確定某一分割點,使分割后的兩線段之比為u(1-u),由此可得分割點的點矢為圖3-9曲線及其控制多邊形3.3 表面建模技術圖3-10曲線的作圖法3.3 表面建模技術式中,上標1表示第一次分割。第一次分割后,得到n個分割點,由這些分割點組成一個新的多邊形,再對新多邊形各邊進行分割,得到n-1個分割點 形成另一個新的多邊形。按相同過程分割n-1后,剩下兩個頂點 和 。對該線段再分割一次,得到點 ,即為曲線上與參數(shù)u相對應的點

14、。3.3 表面建模技術貝塞爾曲面是貝塞爾曲線向曲面的直接拓廣。采用與貝塞爾曲線類似的形式可以得到貝塞爾曲面的一般表達式為同理,Vi,j為控制頂點。把由兩組多邊形Pi,0Pi,1Pi,m和P0,jP1,jPn,j組成的網(wǎng)(圖3-11)稱為P(u,w)的控制網(wǎng)格。3.3 表面建模技術圖3-11曲面的控制網(wǎng)格貝塞爾曲線具有很多非常簡潔的性質,貝塞爾曲面性質可以從其曲線性質中加以類推:1)貝塞爾曲線的起點和終點分別為控制多邊形的首尾頂點,且曲線在起點和終點處分別與控制多邊形的第一條邊和最后一條邊相切。2)具有凸包性。貝塞爾曲線完全被包容在由控制多邊形形成的凸包內,這樣有助于設計人員根據(jù)多邊形頂點位置事

15、先估計相應曲線的存在范圍。3)具有幾何不變性。由給定控制頂點確定的貝塞爾曲線的形狀和位置與坐標系的選擇無關。3.3 表面建模技術4)具有唯一性。分別從控制多邊形的首尾點出發(fā)構造的曲線形狀完全相同,說明由同一控制多邊形定義的貝塞爾曲線是唯一的。5)具有很好的交互性。由于僅與控制點的位置有關,把控制多邊形作為曲線輸入和人機交互的手段,既直觀又方便。6)造型靈活,方便對曲線進行修改和拼接。但貝塞爾表示方法也有其缺點。不具備局部性,即控制多邊形(網(wǎng)格)的每個頂點對曲線、曲面的形狀都作貢獻,修改任一頂點都會影響整條曲線或者整張曲面的形狀;當曲線、曲面的形狀復雜時,需增加頂點數(shù),導致曲線、曲面的冪次也隨之

16、升高,從而增加了計算量;當曲線冪次較高時,貝塞爾曲線、曲面的形狀與其定義的控制多邊形或者控制網(wǎng)格有較大的差異,不夠直觀。3.3 表面建模技術3.3.3B樣條曲線與曲面20世紀60年代末到70年代初,在貝塞爾方法的基礎上,人們開始注意B樣條理論在自由曲線與曲面造型中的應用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,B樣條理論逐漸成熟并得到更多應用。當前CAD/CAM系統(tǒng)中,B樣條曲線與曲面已成為幾何造型的核心部分。B樣條曲線與曲面造型方法的理論基礎是B樣條,通?？煞譃榫鶆蚺c非均勻以及有理B樣條方法等。設V0,V1,Vn(nk-1)為給定空間的n+1個點,稱下列參數(shù)曲線為k階(或k-1次)的B樣條曲線,折線V0V1Vn為

17、控制多邊形(圖3-12)。Ni,k(u)為k次B樣條基函數(shù),由遞推關系定義如下3.3 表面建模技術其中ui稱為節(jié)點值,決定了基函數(shù)的特點。B樣條曲線由一個控制多邊形定義,而一張B樣條曲面則需由一組控制多邊形網(wǎng)格定義,后者又稱為多邊形網(wǎng)格或控制網(wǎng)格(圖3-13)。由B樣條曲線的定義擴展得到B樣條曲面的表達式為圖3-12B樣條曲線及其控制多邊形圖3-13B樣條曲面及其控制網(wǎng)格3.3 表面建模技術式中Vi,j(i=0,1,n;j=0,1,m)為控制網(wǎng)格頂點;u、w為參數(shù);Ni,k(u)、Nj,l(w)分別為u向和w向節(jié)點矢量定義的k階和l階B樣條基函數(shù)。與貝塞爾方法比較,B樣條方法構造的曲線與曲面在

18、繼承了凸包性、幾何不變性等優(yōu)良屬性的同時,又克服了其不足之處。它與控制多邊形(或控制網(wǎng)格)相當接近,便于局部修改。B樣條方法具有局部性的關鍵就在于基函數(shù)的局部性質。我們知道,控制點對曲線與曲面的作用是通過基函數(shù)來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)局部性,局部段的曲線與曲面應盡量由局部點控制,這就要求非相關基函數(shù)為0,即Ni,k(u)圖3-14用三次B樣條曲線畫的動物圖案3.3 表面建模技術僅在某段范圍內有值,從而避免“牽一發(fā)而動全身”的不利狀況。一般而言,使用控制(多邊形)網(wǎng)格大致勾畫B樣條曲線或曲面的形狀,再通過局部修改使曲線或曲面滿足設計要求。B樣條方法的這種特點使得設計者能很方便地生成和調整曲線的形狀,因

19、此B樣條曲線是很適合人機圖形交互的一種曲線。圖3-14所示為用3次B樣條曲線構造的動物圖案。從圖3-14中可以看到,B樣條曲線離控制多邊形很近,這種逼近比貝塞爾曲線好。通常所說的B樣條方法是一種均勻B樣條方法,在大部分情況下能夠獲得滿意的結果,且計算效率高,但該方法仍存在不足之處:不能貼切地反映控制頂點的分布特點;當型值點分布不均時,難以獲得理想的插值曲線。對于這兩種情況,可借助于非均勻B樣條方法以取得良好的效果。在自由曲線設計中,經(jīng)常會遇到傳統(tǒng)的圓錐曲線,無論均勻還是非均勻的B樣條都不能對其作精確表示。在此情況下需應用NURBS曲線與曲面表示方法。3.3 表面建模技術3.3.4非均勻有理B樣

20、條(NURBS)曲線與曲面NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines的簡稱,NURBS曲線與曲面表示方法是B樣條方法的一種,即非均勻有理B樣條方法。用分段的矢量有理多項式函數(shù)表示的NURBS曲線為式中,Vi(i=0,1,n)為控制頂點;Ni,k(u)為k階B樣條基函數(shù),定義與前面相同;Wi(i=0,1,n)為權因子,其作用是調節(jié)曲線形狀和控制頂點之間的位置關系,正權因子將曲線引向頂點,負權因子對曲線起排斥作用,不同權因子的組合對曲線參數(shù)化的影響也不相同。NURBS曲面的表達式為3.3 表面建模技術NURBS曲線與曲面表示方法具備B樣條方法所具有的一切特性。NURB

21、S方法的最大優(yōu)勢是可以用統(tǒng)一且精確的數(shù)學形式來表示一條由直線、圓弧曲線和自由曲線構造的復合曲線。如圖3-15所示,當曲線中同時存在這三種線素時,可以統(tǒng)一將其表示為三次NURBS曲線。圖3-15復雜曲線的NURBS表示與均勻B樣條方法相比,NURBS曲線與曲面表示方法的優(yōu)點還體現(xiàn)在:3.3 表面建模技術1)可用一個統(tǒng)一的表達式同時精確表示標準的解析形體(如圓錐曲線、旋轉面等)和自由曲線與曲面。2)修改曲線與曲面的形狀時,既可借助于調整控制頂點,又可利用權因子,因而具有較大靈活性。3)NURBS曲線與曲面的線性變換(包括縮小、旋轉、平移等)具有幾何不變性。4)具有功能完善的幾何計算工具,其中包括節(jié)

22、點插入與刪除、節(jié)點加密、升階、分割等的算法與程序。這些工具可用于整個設計、分析、加工與查詢過程中。NURBS方法的引入大大增強了CAD/CAM系統(tǒng)的曲面造型功能,因而得到了廣泛的應用,產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換的國際標準STEP已選用NURBS作為幾何描述的主要方法。但在某些情況下,應用NURBS方法仍存在一定困難。首先,當應用NURBS定義解析曲線與曲面時,需要額外的存儲空間;其次,權因子的應用雖為設計工作提供了靈活性,但從另一方面考慮,也對設計人員和用戶提出了更高的要求;另外,在NURBS曲面的求交計算方面尚有很多障礙,某些基本算法可能導致數(shù)值計算的不穩(wěn)定性。如今,對NURBS的理論研究和應用研究仍

23、在深入進行,并不斷取得新的成果。第3章 產(chǎn)品建模技術3.4 實體建模技術3.4 實體建模技術在基于草圖繪制的計算機輔助設計系統(tǒng)中,線框模型是核心。線框模型通常并不提供零件的完整描述,零件的完整描述需要建立在實體模型基礎上。實體模型是描述幾何形體的最高層次模型,可以對實體對象提供完整、準確的描述。機械零件、模具都是完整的三維實體,都有完全封閉的表面。這些表面明確區(qū)分出物體的包容空間。實體模型與表面模型的區(qū)別在于:前者的表面必須封閉、有向,各表面間有嚴格的拓撲關系,形成一個整體;而表面模型的面可以不封閉,面的上下表面都可以有效。實體模型所包含的信息更完整,建立實體模型的難度也更大。實體建模是定義一

24、些基本體素,通過基本體素的集合運算或變形操作生成復雜形體的一種建模技術,其特點在于三維立體的表面與其實體同時生成。由于實體建模能夠定義三維物體的內部結構形狀,因此實體建模能完整地描述物體的所有幾何信息和拓撲信息,包括物體的體、面、邊和頂點的信息。3.4.1實體建模的基本原理3.4 實體建模技術實體模型的數(shù)據(jù)表示方法記錄了全部幾何信息和全部點、棱線、面、體之間的拓撲信息,特別是確定了哪一側存在實體的問題。用有向棱線邊的右手法則確定所在面外法線的方向,規(guī)定正向指向體外。如圖3-16所示,邊長為1的正方體,其實體模型信息見右側列表。在表面模型數(shù)據(jù)結構的基礎上,將立方體表面表示為帶有符號的棱線,就可形

25、成實體。圖3-16立方體實體模型的數(shù)據(jù)結構3.4 實體建模技術3.4.2實體建模方法實體建模技術可以對實體對象提供完整、準確的描述。在計算機集成制造的環(huán)境下,需要將產(chǎn)品的有關設計、制造、管理信息盡量完整地包含在產(chǎn)品數(shù)字化定義中,以便提高生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)的自動化和智能化處理水平?；趯嶓w模型的操作,如平移、旋轉、縮放、著色、消隱、剖切、組合等,都是建立在實體模型數(shù)據(jù)的分析和運算的基礎之上的。使用實體模型,可以將實體模型數(shù)據(jù)作為分析程序的輸入數(shù)據(jù),分析后的輸出可以在實體模型上用不同的顏色來表示(有限元網(wǎng)格劃分);還可以實現(xiàn)加工和裝配工藝過程的自動設計,數(shù)控加工刀具軌跡的生成和校驗,加工過程的動態(tài)

26、仿真、空間布置和運動機構的干涉檢查等。此外,實體模型不僅描述了尺寸和形狀信息,還能計算出對象的慣性特性,并能夠顯示零件截面以說明工程分析需要的內部細節(jié)。實體建模要求對幾何體進行一些處理以獲得所需要的形狀。有若干種用于構造和編輯實體對象的技術。這些技術方法中有些正在逐步完善,而有些則已經(jīng)發(fā)展得比較成熟。較為成熟的建模技術包括體素及布爾運算、掃描法、自動創(chuàng)建圓角與倒角等。3.4 實體建模技術(1)體素及布爾運算體素建模技術主要包括兩部分,即體素的定義及描述和體素的運算(并、交、差)。體素是現(xiàn)實生活中真實的三維實體。體素建模法是基于一系列具有簡單的幾何規(guī)則的基本體素的表示方法。這些基本體素是計算機易

27、于表示的常見幾何體,如長方體、球、圓柱、圓錐、圓環(huán)等。體素運算的基本原理是任何復雜零件可以通過一系列基本體素在合適的位置的各種布爾操作來實現(xiàn)完成。這些布爾操作來源于數(shù)學模型中的集合運算。在計算機內部規(guī)定了一套布爾運算規(guī)則,如并、交、差等。通過建立的規(guī)則,建模過程中避免了不真實的實體和不能生成的實體等不現(xiàn)實的情況出現(xiàn)(如懸掛面和懸掛邊等)。圖3-17所示為這三種布爾操作,并對兩個不同的對象進行了操作示例。圖3-17三種布爾操作及示例3.4 實體建模技術由體素形成實體的一般過程非常簡單,建模思想也易于理解。通常采用分析法,將復雜實體通過布爾逆運算分拆為若干個獨立的基本體素,通過計算機定義自動建立基

28、本體素,然后對基本體素按照布爾運算順序進行位置定義和布爾操作定義,最終獲得的復雜實體模型。對于有零件加工成形經(jīng)驗的人來說,布爾差操作和毛坯去除材料形成實體的過程類似,但更易于實現(xiàn);而并操作則和焊接、鉚接等過程類似。圖3-18所示為在計算機中使用基本體素建立實體模型的一般過程示例。利用體素建模簡單易用,但也具有一定局限性,很多具有特殊表面的實體無法用體素的布爾運算精確表示出來,比如帶有特殊曲面的實體等。圖3-18使用基本體素建立實體模型的一般過程示例3.4 實體建模技術(2)掃描法具有一定規(guī)律截面的實體可以通過定義截面輪廓和截面軌跡線,將截面輪廓按照一定規(guī)律沿軌跡線連續(xù)運動來實現(xiàn)。這種生成實體的

29、方法稱為掃描法。規(guī)律截面一般可分為恒定截面形式和變截面形式兩種。連續(xù)運動也有多種形式,如恒垂直于軌跡線運動,以一定角速度旋轉運動等。掃描法的基本原理是:用曲線、曲面或形體沿某一路徑運動后生成二維或三維的物體。掃描變換需要兩個分量:一是給出一個運動形體,稱為基體;另一個是指定形體運動的軌跡。基體可以是曲線、面或者實體對象,但軌跡只能是曲線。根據(jù)基體是二維還是三維形體,掃描法可以分為平面輪廓掃描和三維實體掃描兩種。掃描運動通常有平移、旋轉、擺動和復合運動等。圖3-19所示為恒定截面或實體沿恒定軌跡的掃描形式生成的實體模型。3.4 實體建模技術掃描法是對在某一方向具有規(guī)律截面產(chǎn)品形狀造型的一種實用而

30、有效的方法。掃描法簡單、直觀,適合作為圖形輸入手段。只需定義出掃描變換所需要的兩個分量:基體和軌跡,即可通過不同的掃描運動生成所需的三維實體。掃描法可以用來生成一些體素掃描,并能很方便地建立出各種復雜和簡單的實體模型,如各類旋轉體、螺旋體、拉伸體、混合截面體等。圖3-18使用基本體素建立實體模型的一般過程示例3.4 實體建模技術掃描法也存在一些缺點,比如:用掃描變換產(chǎn)生的形體可能出現(xiàn)維數(shù)不一致的問題;不能直接獲取形體的邊界信息;表示形體的覆蓋域非常有限;作幾何變換困難等。(3)自動創(chuàng)建圓角與倒角實體的邊通常帶有不同程度的圓角與倒角。在采用邊界表示的實體模型中,頂點處的三個面的圖3-20創(chuàng)建圓角

31、直線邊緣很容易創(chuàng)建圓角。創(chuàng)建圓角只需指定圓角的邊界和圓角半徑。系統(tǒng)能夠創(chuàng)建有四條邊的圓柱面,然后可以自動修改所有相鄰的面與邊,如圖3-20所示。也可采用類似的功能進行倒角。倒角比圓角更為簡單,因為在倒角時只需創(chuàng)建平面。在采用體素表示的系統(tǒng)中,倒角以及圓角通常通過布爾操作來完成。有時需要創(chuàng)建特殊的體素來完成此操作。比如在創(chuàng)建變半徑倒圓角的過程中,不可能通過簡單的布爾操作來完成,而需要構造變半徑的特殊體素來實現(xiàn)。3.4 實體建模技術3.4.3實體模型表示方法在計算機中完整定義出實體模型的核心問題在于如何用計算機數(shù)據(jù)來表示三維的物體。經(jīng)過二十多年的研究和發(fā)展,形成了幾種不同的實體模型表示方法,包括邊

32、界表示法、構造實體幾何法、混合表示法。(1)邊界表示法邊界表示法(Boundary Representation)簡稱B-Rep法。它的基本思想是一個實體可以通過它的面的集合來表示,而每一個面又可以用若干條邊首尾連接來描述,邊又可以用各個頂點通過適當?shù)倪B接來描述,頂點通過空間幾何三維坐標值來定義,最終存儲于計算機內的為一系列頂點值信息和連接規(guī)則信息。邊界表示法在計算機中的表示既然是基于點信息的集合,那么該方法必然注重實體外表面的點、線、面的細節(jié)。所以在計算機的模型數(shù)據(jù)內詳細記錄了構成實體的所有幾何信息和拓撲信息,并將面、邊、頂點的信息分層記錄,建立層與層之間的聯(lián)系。圖3-21所示為使用邊界表示

33、法描述四棱錐體的層次結構。3.4 實體建模技術邊界表示法的優(yōu)點為:1) 有較多的關于面、邊、點及其相互關系的信息。從邊界表示法的構造實體原理可知,計算機的實體模型數(shù)據(jù)中儲存著大量的點、線、面信息,而要使得計算機中的實體模型能與外界如設計者、其他實體模型、其他數(shù)據(jù)格式等交互,這些點、線、面的信息是必不可少的,所以邊界表示法中較多的面、邊、點信息是其一大優(yōu)點。2) 有利于生成和繪制線框圖、投影圖,有利于計算幾何特性,易于同二維繪圖軟件銜接和同曲面建模軟件相關聯(lián)。線框圖、投影圖和二維圖的主要構成為點和邊,而邊界表示法儲存信息最多的恰好是點、線、面的信息,這就為線框圖、投影圖和二維圖的形成提供了直接的

34、數(shù)據(jù)信息,而不需要進行數(shù)據(jù)的轉換或再識別過程。圖3-21使用邊界表示法描述四棱錐體的層次結構3.4 實體建模技術但邊界法也具有一定的局限性:由于它的核心信息是面,因而對幾何物體的整體描述能力相對較差,無法提供關于實體生成過程的信息,也無法記錄組成幾何體的基本體素的原始數(shù)據(jù),同時描述物體所需的信息量太大,且表達形式不唯一。(2)構造實體幾何法實體模型的構造常常采用在計算機內存儲的一些基本體素(如長方體、圓柱體、球體、錐體、圓環(huán)體以及掃描體等),通過前面提到的布爾運算生成復雜形體,這種構造形體的方法叫做構造實體幾何法(Construction Solid Geometry,CSG法)。在構造實體幾

35、何法中,計算機內部存儲著大量基本體素,這些體素的特點就是其計算機描述方式簡單,如長方體、圓錐體、圓柱體、球體等。通過一系列基本體素按照要求的布爾運算順序逐漸建立出最終實體模型。該建立過程可形象地用一樹形方式表示,其中樹的頂點即為最終實體模型,而自下而上的樹干為實體模型的演變過程,樹干對應的樹枝為一系列基本體素,樹干和樹枝的節(jié)點為實體模型和基本體素的布爾操作,通過自下而上的一系列基本體素所參與的布爾操作形成樹頂?shù)淖罱K模型,如圖3-22所示。3.4 實體建模技術CSG法在大多數(shù)實體造型系統(tǒng)中通常作為用戶輸入手段,其相對于B-Rep法的主要特點包括:1) CSG法對實體模型的描述與該實體的生成順序密

36、切相關,即存儲的主要是實體的生成過程(由圖3-22所示的實體模型建立過程即可知)。同一個實體完全可以通過定義不同的基本體素經(jīng)過不同的布爾運算加以構造。2)能夠詳細地記錄構成實體的原始特征參數(shù),甚至在必要時可修改體素參數(shù)或附加體素進行重新拼合,方便修改。圖3-22構造實體幾何法的樹狀結構表示3.4 實體建模技術3) CSG結構生成的數(shù)據(jù)模型比較簡單,每個基本體素無需再分解,而是將基本體素直接存儲在計算機模型數(shù)據(jù)中,因而使得模型文件中的數(shù)據(jù)更為緊湊,從而提升了計算機對實體模型的數(shù)據(jù)存儲性能。4)采用CSG法可以方便地實現(xiàn)對實體的局部修改,例如在物體上倒角、倒圓等。然而,作為一種實體表示方法,使用C

37、SG法在顯示和繪制時需進行轉換,并且對形體的表示受體素的種類和對體素操作種類的限制,也就是說,CSG方法表示形體的覆蓋域有較大的局限性。另外,CSG樹只定義了物體的構成體素及構造方式,沒有反映物體的面、邊、頂點等有關信息,因此這種數(shù)據(jù)結構稱為“不可計算的”。所以在使用CSG表示模型的系統(tǒng)中需要結合其他表示模型或算法來解決有關問題。(3)混合表示法混合表示法是建立在邊界表示法與構造實體幾何法基礎之上,考慮了各自的優(yōu)缺點,在同一系統(tǒng)中將兩者結合起來,共同表示實體?；旌媳硎痉ǖ幕驹硎?從對CSG法和B-Rep法的介紹可知,CSG主要特點在于實體建模過程的方便快捷,而B-Rep法則以實體儲存的數(shù)據(jù)

38、信息的優(yōu)勢為主要特點。基于以上兩方法的特點,混合法以CSG法為系統(tǒng)外部形體模型,而以B-Rep法為內部數(shù)據(jù)模型。CSG法適用于做用戶接口,而在計算機內部轉化為B-Rep的數(shù)據(jù)模型。3.4 實體建模技術由上述混合表示法的原理可知,在計算機內部存儲的實體數(shù)據(jù)為面、線、點信息、而模型的建立過程并不通過點生線、線生面、面封閉生成實體的方式實現(xiàn),而是通過一系列基本體素的布爾運算順序生成。所以混合表示法要求在CSG法建立模型過程中產(chǎn)生面、線、點的信息以進行數(shù)據(jù)存儲,而面、線、點的信息是在CSG方法的布爾運算過程中產(chǎn)生的。如果將CSG法建模形象地表示成樹狀形式,那么B-Rep法的數(shù)據(jù)則相當于在CSG樹的主干

39、和旁枝的節(jié)點處生長出來的“B-Rep形式數(shù)據(jù)信息葉子”,由此可知該建模方式起主導作用的是代表樹主干的CSG結構,而B-Rep結構僅僅用來描述這棵樹?；旌媳硎痉ňC合了CSG法和B-Rep法的優(yōu)點,用CSG作“外殼”,而用“B-Rep”作內核,兼具有CSG法在模型表達上的方便性和B-Rep法在模型描述上的全面有效性。而混合表示法的缺點在于存儲在計算機內部的模型數(shù)據(jù)變得冗余與復雜。該方法存儲的數(shù)據(jù)不僅要有樹狀的拓撲信息,還要有各種基本體素的信息和體素之間的各種布爾運算信息,而體素本來就已經(jīng)附帶有了相關的點、線、面等拓撲信息,因而該方法造成了計算機內部數(shù)據(jù)管理上的難度。第3章 產(chǎn)品建模技術3.5特征建

40、模技術3.5特征建模技術3.5.1特征建模的概念特征(Feature)是客觀事物特點的象征或標志。特征是一種綜合概念,作為“產(chǎn)品開發(fā)過程中各種信息的載體”,除了包含零件的幾何拓撲信息外,還包含了設計、制造等過程中所需要的一些非幾何信息。特征建模是一種建立在實體建模基礎上,利用特征的概念面向整個產(chǎn)品設計和生產(chǎn)制造過程進行設計的建模方法。它不僅包含與生產(chǎn)有關的信息,而且還能描述這些信息之間的關系。特征建模是CAD建模方法的一個里程碑。它是在技術的發(fā)展和應用達到一定水平,產(chǎn)品的設計、制造、管理過程的集成化和自動化要求不斷提高的歷史進程中逐漸發(fā)展完善起來的。特征概念包含豐富的工程語義,所以利用特征概念

41、進行設計是實現(xiàn)設計與制造集成的一種有效的方法。利用特征概念進行設計的方法經(jīng)歷了特征識別及基于特征設計兩個階段。特征識別是首先進行幾何設計,然后在建立的幾何模型上,通過人工交互或自動識別算法進行特征的搜索、匹配。為此提出了基于特征設計的思想,直接采用特征建立產(chǎn)品模型,而不是事后再識別,即特征建模。3.5特征建模技術3.5.2特征的分類圖3-23按幾何構型的形狀特征分類3.5特征建模技術特征可以分為基本特征和組合特征、主要特征和輔助特征(或稱附加特征)等。從零件的設計、工藝要求方面來看,也可以分為材料及其熱處理特征、幾何形狀特征、加工特征、裝配特征、生產(chǎn)管理特征等。形狀特征模型是特征建模的核心和基

42、礎。目前主要按幾何形狀進行分類,又包括:按幾何構型的形狀特征分類,如圖3-23所示;按主-輔形狀特征分類,如圖3-24所示。圖3-24按主-輔形狀特征分類3.5特征建模技術3.5.3基于特征的產(chǎn)品信息模型一個完整的產(chǎn)品模型不僅是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的集合,還應反映出各類數(shù)據(jù)的表達方式以及相互間的關系。如圖3-25所示,產(chǎn)品信息模型中包括基本信息和特征信息。在特征信息中,形狀信息模型分為顯式描述和隱式描述,前者即為特征形狀參數(shù),后者為形狀特征(點、線、面)的幾何和拓撲數(shù)據(jù)結構。圖3-25基于特征的產(chǎn)品信息模型3.5特征建模技術3.5.4特征建模技術的作用特征造型著眼于更好地表達產(chǎn)品完整的技術和生產(chǎn)管理信息,

43、為建立產(chǎn)品的集成信息模型服務。它的目的是用計算機可以理解和處理的統(tǒng)一產(chǎn)品模型,替代傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計和施工成套圖樣以及技術文檔,使得一個工程項目或機電產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)準備各環(huán)節(jié)可以并行展開,信息流暢通。它使產(chǎn)品設計工作在更高的層次上進行。設計人員的操作對象不再是原始的線條和體素,而是產(chǎn)品的功能要素,如螺紋孔、定位孔、鍵槽等。特征的引用直接體現(xiàn)設計意圖,使得建立的產(chǎn)品模型容易為別人理解和組織生產(chǎn),設計的圖樣更容易修改。 設計人員可以將更多的精力用在創(chuàng)造性構思上。它有助于加強產(chǎn)品設計、分析、工藝準備、加工、檢驗各部門間的聯(lián)系,更好地將產(chǎn)品的設計意圖貫徹到各個后續(xù)環(huán)節(jié)并且及時得到后者的意見反饋,為開發(fā)新

44、一代的基于統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)打下基礎。它有助于推動行業(yè)內的產(chǎn)品設計和工藝方法的規(guī)范化、標準化和系列化,使得產(chǎn)品設計中及早考慮制造要求,保證產(chǎn)品結構有更好的工藝性。它將推動各行業(yè)實踐經(jīng)驗的歸納總結,從中提煉更多規(guī)律性知識,以豐富各領域專家的規(guī)則庫和知識庫,促進智能CAD系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)的逐步實現(xiàn)。第3章 產(chǎn)品建模技術3.6產(chǎn)品制造信息的表示3.6產(chǎn)品制造信息的表示產(chǎn)品制造信息(Product Manufacture Information,PMI)包括產(chǎn)品的精度信息、技術要求、注釋等。精度信息主要包括尺寸公差信息、幾何公差信息和表面粗糙度信息等,具體內容如圖3-

45、26所示。圖3-26精度信息3.6產(chǎn)品制造信息的表示PMI軟件解決方案促進了一個全面的三維注釋環(huán)境,PMI軟件也在逐漸地完善起來。在PMI軟件中,我們能夠捕捉一個部件的制造要求,并在這些要求與三維模型之間建立直接關聯(lián)關系,把這些信息傳遞到下游制造應用程序。PMI軟件使我們不用將三維模型轉變?yōu)楣こ虉D樣,就能直觀地在三維模型中查閱產(chǎn)品的加工信息,如尺寸、表面粗糙度、幾何公差等,如圖3-27所示,這種建模環(huán)境,減少了設計、評審和信息交流過程中對二維圖樣的需求,并可以提供給許多下游領域使用,可以確保產(chǎn)品設計、制造過程中的信息暢通,極大地縮短了交付時間,進而大大提高了生產(chǎn)力,確保了三維信息的準確同步,而

46、且無需對多個文件進行維護更新。圖3-27三維制造信息3.6產(chǎn)品制造信息的表示另外,PMI能夠包含幾何公差、焊縫符號、文本和尺寸,以及產(chǎn)品定義和過程注釋。PMI 能夠以信息在二維圖樣上存在的同樣方式存在于三維模型之中在產(chǎn)品設計中用帶箭頭的指引線把數(shù)據(jù)連接到特定的零件中。因此,PMI 為熟悉二維系統(tǒng)的用戶提供了一個直觀環(huán)境。PMI建立之后,產(chǎn)品信息可在整個產(chǎn)品生命周期中反復使用從工程繪圖到驗證分析,從可視化工具(可視化工具促進了協(xié)同和標記)到制造和質量規(guī)劃過程。第3章 產(chǎn)品建模技術3.7產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準3.7產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準CAD/CAM技術的應用已經(jīng)從產(chǎn)品設計和加工的局部環(huán)節(jié)擴展到整個企

47、業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營活動,形成了計算機集成制造系統(tǒng),簡稱CIMS。在這個規(guī)模巨大的系統(tǒng)工程中必然要使用多種多樣的計算機軟件,不妨泛稱為CAX系統(tǒng)。各種CAX系統(tǒng)間必須相互交換產(chǎn)品信息,世界各國紛紛制定標準。這方面影響最大的是美國的初始圖形交換規(guī)范(Initial Graphics Exchange Specification,IGES)。IGES是被定義基于CAD/CAM系統(tǒng)的不同計算機系統(tǒng)之間的通用ANSI信息交換標準。它是1979根據(jù)美國空軍ICAM計劃的要求由美國國家標準局NBS組織波音公司、通用公司等共同協(xié)商制定的。幾乎所有國際上知名的CAD系統(tǒng)都配置了IGES接口。另外一種交互格式為產(chǎn)品模

48、型數(shù)據(jù)交換標準(Standard for the Exchange of Product Model Data,STEP)。它是研究完整的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的交換技術,最終實現(xiàn)在產(chǎn)品生命周期內對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行完整一致的描述與交換,以便無需人工解釋就能使各系統(tǒng)直接共享這些信息。STEP規(guī)定了與IGES類似的中性文件形式,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。STEP作為一個國際標準受到了全世界的高度重視。本節(jié)將在介紹IGES標準的基礎上,對STEP進行深入的介紹。3.7產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準3.7.1初始化圖形交換規(guī)范IGESIGES是被定義基于CAD/CAM系統(tǒng)(計算機輔助設計&計算機輔助制造系統(tǒng))的不同計算機系統(tǒng)之間的通

49、用ANSI信息交換標準。用戶使用了IGES格式特性后,可以讀取從不同平臺來的NURBS數(shù)據(jù),例如Maya、Pro/ENGINEER、SOFTIMAGE和CATIA等軟件。IGES模型是用于描述產(chǎn)品所有幾何實體信息的集合。它通過實體對產(chǎn)品的形狀、尺寸以及產(chǎn)品的特性信息進行描述。實體是IGES的基本信息單位。它可以是幾何元素,也可能是實體的集合。實體可分為幾何實體和非幾何實體。在IGES標準中,每個實體都被賦予一個特定實體類型號。某些實體類型還包括一個作為屬性的格式號。格式號用來進一步說明該實體類型內的實體。幾何實體是定義與物體形狀有關的信息,包括點、線、面、體以及實體集合的關系。非幾何實體提供了

50、將有關實體組合成平面視圖的手段,并用尺寸標注和注釋來豐富完善平面視圖模型。但是由于IGES標準僅僅是一個對所交換的幾何圖形及相應尺寸的中性文件說明,沒有描述產(chǎn)品信息模型中的復雜信息,因而不能滿足機械CAD/CAM信息集成的需要。此外,IGES本身也不夠完善,如數(shù)據(jù)格式過于復雜,可讀性差,標準定義不夠嚴密等,因而會造成數(shù)據(jù)交換的不穩(wěn)定。3.7產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準3.7.2產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準STEPSTEP標準是國際標準化組織制定的描述整個產(chǎn)品生命周期內產(chǎn)品信息的標準,同時也是一個正在完善中的“產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型交換標準”。它提供了一種不依賴具體系統(tǒng)的中性機制,旨在實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交換和共享。這種描述的

51、性質使得它不僅適合于交換文件,也適合于作為執(zhí)行和分享產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫與存檔的基礎。發(fā)達國家已經(jīng)把STEP標準推向了工業(yè)領域。它的應用顯著降低了產(chǎn)品生命周期內的信息交換的成本,提高了產(chǎn)品研發(fā)效率,成為制造業(yè)進行國際合作、參與國際競爭的重要基礎標準。STEP標準主要包含三個層級結構,即應用層、邏輯層和物理層。在應用層,采用形式定義語言描述了各應用領域的需求模型。邏輯層對應用層的需求模型進行分析,形成統(tǒng)一的集成產(chǎn)品信息模型,然后再通過EXPRESS語言描述,與物理層聯(lián)系。在物理層,產(chǎn)品信息模型被轉換成計算機可以實現(xiàn)的形式,比如交換文件、數(shù)據(jù)庫等。STEP標準中所有內容可以分為七類,這七種類型及其相應的組成

52、分別為描述方法、通用集成資源、應用集成資源、應用協(xié)議、實現(xiàn)方法、一致性測試和抽象測試集。STEP標準的應用領域很廣,可應用于機械、電子、航空航天、汽車、船舶等多個工程領域。STEP標準在機械CAD/CAM集成環(huán)境中的應用,如圖3-28所示。應用場合可分為兩大類:產(chǎn)品開發(fā)部門,具體應用包括設計部門內群體的合作、產(chǎn)品全生命周期設計、集成化產(chǎn)品的開發(fā)、分布及并行作業(yè)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)的長期存檔;計算機輔助應用系統(tǒng)供應商,具體應用包括接口的標準化和產(chǎn)品概念模型的標準化。在信息集成的研究中,AP203和AP224是兩個應用較為廣泛的S3.7產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準TEP標準協(xié)議,分別用于描述零件的幾何拓撲與面向工藝

53、的設計信息。AP203中僅描述了幾何拓撲信息,而缺乏支持工藝過程設計的工程信息,因此往往需要與AP224共同使用來實現(xiàn)信息集成。隨著工業(yè)自動化和計算機技術的不斷發(fā)展,工業(yè)界迫切需要綜合性強、可靠性高的信息交換機制來實現(xiàn)計算機輔助工程系統(tǒng)之間的有效集成。STEP標準既是一種產(chǎn)品信息建模技術,又是一種基于面向對象思想方法的軟件實施技術。它支持產(chǎn)品從設計到分析、制造、質量控制、測試、生產(chǎn)、使用、維護到廢棄整個生命周期的信息交換與信息共享,其目的在于提供一種獨立于任何具體系統(tǒng)而又能完整描述產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的表示機制和實施的方法與技術。圖3-28STEP標準在機械CAD/CAM集成環(huán)境中的應用3.7產(chǎn)品模型

54、數(shù)據(jù)交換標準3.7.3產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準存在的不足建立統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準是實現(xiàn)CAD/CAM集成的必要條件。復雜機械產(chǎn)品的生產(chǎn)需要不同企業(yè)、部門的分工協(xié)作完成。由于產(chǎn)品信息是在不同的地點、不同的計算機和不同的CAD/CAM系統(tǒng)中產(chǎn)生的,因此會造成同一產(chǎn)品的信息表達差異?，F(xiàn)在產(chǎn)品信息在各系統(tǒng)之間的集成主要采用標準格式交換法,如IGES標準、PDDI標準、PDES標準和STEP標準等。但是在朝著集成化目標發(fā)展的過程中,尤其是在解決面向CAD/CAE/CAPP/CAM、CIM、CE等的集成(信息交換、語義集成、功能集成)方面,遇到了很大的困難。1)以IGES為代表的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準,盡管在支持幾何

55、數(shù)據(jù)的交換方面已達到實用程度,但它只支持物理層上的數(shù)據(jù)交換,難以滿足信息集成的需要。3.7產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準2)發(fā)展中的STEP盡管克服了IGES的不足,從理論上解決了同時支持物理層和邏輯層的數(shù)據(jù)交換,即實現(xiàn)信息交換的方法,但由于其剛剛起步,在其資源的定義、程序實現(xiàn)、面向具體應用領域的參照模型的建立、特征造型的實施以及對象庫的管理和使用等許多方面還遠沒有達到實用程度。3)難以進行產(chǎn)品信息的統(tǒng)一管理、同步性維護、冗余控制和全局優(yōu)化創(chuàng)成。4)依靠數(shù)據(jù)交換難以實現(xiàn)建立在滿足下游開發(fā)活動約束及特定外部過程約束的智能決策支持機制。盡管許多著名的計算機軟、硬件產(chǎn)品廠商都聲稱在產(chǎn)品中支持IGES、STEP

56、等產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準,但結果并非如此。世界上各種CAD/CAM集成軟件(如CATIA、Pro/Engineer、UGII及I-DEAS等),都只是某些方面具有特長,故大型企業(yè)往往同時使用幾種CAD/CAM軟件系統(tǒng)才能滿足自己的需要,結果導致軟件之間進行數(shù)據(jù)交換時丟失信息。我們在為上海大眾進行某項目的CAD軟件選型時證明了這一點。因此,一般大型企業(yè)都選擇一種CAD/CAM軟件作為主流軟件,再加上其他軟件作為補充,從而盡量減少不同軟件間的數(shù)據(jù)交換。產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準的最終完善還需相當一段時間。第3章 產(chǎn)品建模技術3.8產(chǎn)品建模技術與工程應用3.8產(chǎn)品建模技術與工程應用3.8.1繪制工程圖樣工程圖樣的繪

57、制主要利用了二維建模技術,是計算機輔助設計的重要內容。復雜的工程圖樣是由基本的幾何元素組成的,這些元素包括點、直線、圓弧、非圓曲線以及各種文字標記、符號等。它們可以用不同的方法顯示在屏幕上或由繪圖機繪制出來。這些顯示和繪制圖形的方法都通過圖形軟件包或各種繪圖系統(tǒng)來實現(xiàn),我們稱此為構圖。從模型建立的方式來分析,二維建模方法主要有交互法和自動生成法。交互法的工作方式是通過由微機和圖形輸入輸出設備(如鼠標,鍵盤和繪圖儀等)組成的人機交互式繪圖軟件系統(tǒng),采用點取屏幕上的菜單來生成圖形,如AutoCAD繪圖軟件等?？梢钥闯?交互法所需的工作量較大。另外一種方法是自動生成法。自動生成法又包括編程法和三維實

58、體投影剖切法。1)編程法。編程法是通過編制程序來繪制二維圖形。程序一經(jīng)確定,所繪圖形也就隨之確定?？沙膳L制圖形,要修改圖形必須修改程序,因此是一種程序控制的自動繪圖方式。2)三維實體投影剖切法。目前許多商用計算機輔助設計系統(tǒng)提供了三維造型功能,因此可根據(jù)三維幾何實體模型通過投影和剖切功能自動生成二維工程圖樣。三維實體造型是當前產(chǎn)品建模的研究方向,其具有很強的立體感和實體表現(xiàn)能力,沒有二義性。三維實體圖和二維平面圖本身就具有密切聯(lián)系和約束關系,從而可以通過投影和剖切方法從三維實體圖得到所要求的二維外形圖和剖視圖,非常方便、快捷和準確?，F(xiàn)在許多三維CAD軟件都已具有這種功能,如CATIA、SolidWorks、UG、ProE等三維計算機輔助設計系統(tǒng)。3.8產(chǎn)品建模技術與工程應用3.8.2零件的三維建模在常用的三維CAD軟件中,零件的三維模型通常是由平面圖形通過特定的規(guī)則變化形成的,是一種基于特征的建模。圖3-29所示的拉伸體和旋轉體均是由平面圖形生成的。這種用于定義三維模型截面的平面圖形稱為草圖。草圖被視為一種基本特征,稱為“草圖特征”。圖3-29由