計算機輔助設(shè)計與制造課件

1、計算機輔助設(shè)計與制造北京理工大學蔡穎第1頁，共24頁。1文庫專用第5章 建模技術(shù)CAD-以計算機為輔助工具來完成產(chǎn)品設(shè)計過程中的 各項工作如何在計算機內(nèi)部描述和表示?建模技術(shù)-將現(xiàn)實世界中的物體及其屬性轉(zhuǎn)化為計算 機內(nèi)部數(shù)字化表達的原理和方法。作用產(chǎn)品信息化的源頭是實現(xiàn)CAD、CAM的前提是CAD/CAM集成的核心本章就產(chǎn)品的幾何信息的描述原理和方法進行學習和討論第2頁，共24頁。2文庫專用第5章 建模技術(shù)5.1 基本概念5.2 線框建模5.3 表面建模5.4 實體建模5.5 特征建模 掌握基本概念、建模方法的原理、特點； 學會根據(jù)物體的結(jié)構(gòu)形狀，分析建模過程； 會應用商品化CAD/CAM軟件

2、中的幾何建模功能。 內(nèi)容與任務重點第3頁，共24頁。3文庫專用5.1 基本概念 建模-從人們的想象出發(fā)， 到完成物體在計算機內(nèi)部表示的過程。 建模技術(shù)-實現(xiàn)這一過程的原理和方法。 計算機內(nèi)部表示-數(shù)字化模型數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法 幾何建模方法-線框建模表面建模實體建模第4頁，共24頁。4文庫專用5.1 基本概念 建模過程-第5頁，共24頁。5文庫專用5.1 基本概念 CAD/CAM建模的基本要求： 建模系統(tǒng)應具備信息描述的完整性產(chǎn)品自身信息表述滿足設(shè)計制造管理等各個過程信息需求 建模技術(shù)應貫穿產(chǎn)品生命周期的全過程 建模技術(shù)應為企業(yè)信息集成創(chuàng)造條件第6頁，共24頁。6文庫專用xy線框建模是CAD/CA

3、M中開發(fā)應用最早的建模方法5.2 線框建模5.2.1 建模原理 用頂點和邊棱線的有限集合來表示和建立物體的計算機內(nèi)部模型表達平面圖形二維線框模型表達立體圖形三維線框模型5.2.2 線框建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)頂點表 點號 x y z V1x1 y1 z1 V2 x2 y2 z2 V3 x3y3z3 V4 x4y4 z4線號 線上頂點號 E1 V1 V2 E2 V2 V3 E3 V3 V1 線號 線上頂點號 E4 V1 V4 E5 V2 V4 E6 V3 V4 棱線表 V2V3E3E1E2V1E6E5E4V4第7頁，共24頁。7文庫專用5.2 線框建模5.2.3 線框建模的特點 所需信息少，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，

4、所占存貯空間較小，處理時間短，操作容易。 作為基本建模工具在CAD系統(tǒng)中普遍采用 局限性：信息不完整，空間定義缺乏嚴密性，具有幾何二義性，無法進行物性計算。第8頁，共24頁。8文庫專用5.3 表面建模5.3.1 建模原理 將物體分解為組成物體的表面、邊線和頂點，用頂點、邊線和表面的有限集合來表示和建立物體的計算機內(nèi)部模型。第9頁，共24頁。9文庫專用5.3 表面建模5.3.2 表面建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 頂點表點號 x y z V1x1 y1 z1 V2 x2 y2 z2 V3 x3y3z3 V4 x4y4 z4線號 線上頂點號 E1 V1 V2 E2 V2 V3 E3 V3 V1 線號 線上頂點號

5、E4 V1 V4 E5 V2 V4 E6 V3 V4 棱線表 xyV2V3E3E1E2V1E6E5E4V4F1F2F3F4面表 面號 x y z F1E1 E2 E3 F2 E2 E5 E6F3 E1E4E5 F4 E3E4 E6組成棱線第10頁，共24頁。10文庫專用5.3.3 表面描述的方法 構(gòu)造復雜的曲面物體，可用多種不同的曲面表達方式造型。 常用的有：5.3 表面建模第11頁，共24頁。11文庫專用5.3.4 表面建模的特點 表達了零件表面和邊界定義的數(shù)據(jù)信息，有助于對零件進行渲染處理；有助于系統(tǒng)直接提取有關(guān)面的信息生成數(shù)控加工指令。 有助于對物性方面與面積有關(guān)的特征計算 有助于分割成

6、板、殼單元形式的有限元網(wǎng)格5.3 表面建模 擅長構(gòu)造復雜的曲面物體如： 模具 汽車 飛機等表面第12頁，共24頁。12文庫專用5.3.4 表面建模的特點 5.3 表面建模?！?！ 局限性： 信息仍不完整，缺乏面、體間 的拓撲關(guān)系，無法區(qū)別體內(nèi)、外面的朝向；算法還不夠完善；操作比較復雜。第13頁，共24頁。13文庫專用5.4 實體建模5.4.1 建模原理 不僅記錄構(gòu)成物體的點、線、面、體的幾何信息和拓撲信息來描述物體，而且采用有向邊描述組成表面的封閉邊線；采用法向矢量標識面的朝向，拓撲關(guān)系的描述嚴格。5.4.2 實體建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 棱線表線號 起點終點右面號E1V1 V2 F3 E2 V2 V3

7、 F2 E3 V1V3F1 E4 V1V4 F4左面號 線型顏色 F1/ / F1 / / F4 /F3/E5 V2V4 F3F2/E6 V3V4 F4F3/面號 x y z F1+E1 +E2 -E3 F2 -E2 +E5 -E6F3 -E1+E4-E5 F4 +E3+E6 -E4組成棱線面表V4V4V3V4V1F3F1F4F2E3E1E2E5E6E6E5E4E4V2第14頁，共24頁。14文庫專用5.4 實體建模5.4.3 實體建模主要方法 體素集合運算生成復雜形體。（1）體素的定義及描述類型基本體素掃描體素平面輪廓掃描三維實體掃描（2）體素之間的集合運算布爾模型布爾運算交并差第15頁，共

8、24頁。15文庫專用5.4 實體建模5.4.4 實體模型的計算機內(nèi)部表示方法（1）邊界表示法（B-Rep法） 實體由面的集合表示；面由邊的集合描述；邊由點的集合描述；點由三個坐標值定義。 強調(diào)實體外表的細節(jié)，詳細記錄了構(gòu)成物體的所有幾何信息和拓撲信息，將面、邊、頂點的信息分層記錄，建立層與層之間的聯(lián)系。 第16頁，共24頁。16文庫專用5.4 實體建模5.4.4 實體模型的計算機內(nèi)部表示方法（1）邊界表示法（B-Rep法）優(yōu)點： 面、邊、點及其相互關(guān)系的信息比較全，圖形顯示、輸出時不需要復雜的運算，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(guān)

9、聯(lián)。局限性： 對幾何物體的整體描述能力相對較差，無法提供關(guān)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元素的原始數(shù)據(jù)。第17頁，共24頁。17文庫專用U5.4 實體建模5.4.4 實體模型的計算機內(nèi)部表示方法（2）構(gòu)造立體幾何法（CSG法）通過布爾運算將簡單的基本體素拼合成復雜實體 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為有序的二叉樹。葉結(jié)點為基本體素或變換矩陣；分枝結(jié)點為運算符號；子樹為建模過程中的子實體；該二叉樹對應著被建模的物體。例1ABDBDAUCCABDC例2第18頁，共24頁。18文庫專用5.4 實體建模5.4.4 實體模型的計算機內(nèi)部表示方法（2）構(gòu)造立體幾何法（CSG法）優(yōu)點： 方法簡潔，處理方便

10、，無冗余信息； 詳細記錄構(gòu)成實體的原始特征參數(shù)以及構(gòu)造過程。局限性： 信息簡單，無法存貯物體最終的詳細信息，例如邊界、頂點的信息等； 實體操作需要大量的數(shù)學運算。 可方便地修改體素參數(shù)或附加體素進行重新拼合。是實體建模系統(tǒng)中最常用的方法。第19頁，共24頁。19文庫專用5.4 實體建模5.4.4 實體模型的計算機內(nèi)部表示方法（3）混合表示法 建立在邊界表示法與構(gòu)造立體幾何法的基礎(chǔ)上，在同一系統(tǒng)中，兩者結(jié)合，共同表示實體。在原有CSG樹的結(jié)點上擴充一級B-Rep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主導減少了中間計算量第20頁，共24頁。20文庫專用5.4 實體建模5.4.4 實體模型的計算機內(nèi)部表示方法（4）空間單元表示法

11、 通過一系列空間單元構(gòu)成的圖形來表示物體的一種方法。這些單元是具有一定大小的平面或立方體； 在計算機內(nèi)部通過定義各單元的位置是否被實體占有來表達物體。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)四叉樹-二維物體八叉樹-三維物體將平面劃分為四個子平面，這些子平面仍可以繼續(xù)劃分，通過定義這些子平面的“有圖形”和“無圖形”來描述不同形狀的物體將空間通過三坐標平面XY、YZ、ZX劃分為八個子空間。 八叉樹中的每一個結(jié)點對應著每一個子空間。第21頁，共24頁。21文庫專用5.4 實體建模5.4.4 實體模型的計算機內(nèi)部表示方法（4）空間單元表示法特點： 數(shù)字化的空間近似表示法，單元的大小直接影響模型的分辨率，需要大量存儲空間； 不能表達物體任意兩部分之間的關(guān)系，也沒有點、線、面的概念。優(yōu)點： 算法簡單，便于局部修改及集合運算。缺點： 占用空間大。便于物性計算、有限元網(wǎng)格劃分第22頁，共24頁。22文庫專用5.4 實體建模5.4.5 實體建模的特點 克服了線框建模以及曲面建模存在的二義性等缺陷，可以自動進行真實感圖像的生成和物體間的干涉檢查。廣泛應用運動學分析有限元分析機器人編程數(shù)控仿真空間技術(shù)實現(xiàn)工程設(shè)計和制造集成