機(jī)械CAD／CAM技術(shù)課件第5章

1、第五章 機(jī)械CAD/CAM建模技術(shù)5.1 幾何建模概念5.2 三維幾何建模技術(shù)5.3 特征建模技術(shù)5.4 三維造型實(shí)例5.1 幾何建摸概述幾何建模：用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)三維形體的幾何形狀及其屬性進(jìn)行描述，建立便于信息轉(zhuǎn)換與處理的計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型的過(guò)程。幾何建模作用意義：是CAD/CAM核心技術(shù)，為工程分析、工藝設(shè)計(jì)、物性計(jì)算、運(yùn)動(dòng)仿真、數(shù)控編程等后續(xù)作業(yè)提供了方便，是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM技術(shù)的集成基礎(chǔ)。 CADCAM建模技術(shù)的發(fā)展：線(xiàn)框模型表面模型曲面模型實(shí)體造型特征建模CAD/CAM幾何建?；局R(shí)幾何信息：是指形體的形狀、位置和大小的信息。 如：直線(xiàn)描述方程，矩形體的長(zhǎng)寬高等。拓?fù)湫畔ⅲ悍从承误w

2、各組成元素?cái)?shù)量及其相互間關(guān)系。 如：相交、相鄰、相切、垂直、平行等。 注意：兩形體幾何信息相同，若拓?fù)湫畔⒉煌?，則兩形體可能完全不同。 形體基本元素：點(diǎn)、邊、面 基本元素的拓?fù)潢P(guān)系： 面面、面邊、面點(diǎn) 邊邊、邊點(diǎn)、邊面 點(diǎn)點(diǎn)、點(diǎn)邊、點(diǎn)面形體六層拓樸結(jié)構(gòu) 體(Object)殼(Shell)面(Face)環(huán)(Loop)邊(Edge)點(diǎn)(Vertex)體 由封閉表面圍成的有效空間 ；殼 構(gòu)成一個(gè)完整實(shí)體的封閉邊界，是一組面的集合；面 由一個(gè)外環(huán)和若干內(nèi)環(huán)界定的有界、不連通的表面； 環(huán) 是面的封閉邊界，由有序、有向邊的集合； 邊 是實(shí)體兩個(gè)鄰面的交界；頂點(diǎn) 為邊的端點(diǎn)，兩條或兩條以上邊的交點(diǎn)。正則集與

3、正則集合運(yùn)算正則集：一集合S的內(nèi)部閉包與原來(lái)的集合相等。 S=kiS （k閉包，i內(nèi)部，S集合）正則化集合算子：集合運(yùn)算后仍產(chǎn)生正則集。 U*（并）、*(交)、*(差)。AB運(yùn)算得到的非正則點(diǎn)集 閉包懸邊歐拉公式：歐拉公式用來(lái)檢驗(yàn)形體的合法性和一致性。正則形體歐拉公式： V E + F = 2 如：長(zhǎng)方體V=8、E=12、F=6，則812+6=2。封閉多面體分割成B個(gè)獨(dú)立多面體： V E + F B= 1 如B=6、V=9、E=20、F=18，則9 20 + 18 6=1。 有孔洞形體： G為穿透孔數(shù)，L為所有面上內(nèi)環(huán)數(shù) V E + F L=2（B G） 如下圖c ，則：16-24+11-1=

4、2 (1-0) 5.2 三維幾何建模技術(shù) 1、線(xiàn)框建模 2、表面（曲面）建模 3、實(shí)體模型 1）構(gòu)造體素幾何表示法 2）邊界表示法： 3）掃描表示法 4）單元表示法 1、線(xiàn)框模型（Wireframe Model）原理：通過(guò)頂點(diǎn)和棱邊來(lái)描述形體的幾何形狀。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點(diǎn)表、棱邊表二表結(jié)構(gòu)。 特點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信息量少、占用內(nèi)存空間小、操作速度快， 可生成三視圖、透視圖和軸側(cè)圖。 不足：缺少面、體信息，易產(chǎn)生多義性，不能消隱、不能剖視、 不能進(jìn)行物性計(jì)算和求交計(jì)算等線(xiàn)框建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.表面（曲面）建模 原理：通過(guò)對(duì)物體各個(gè)面的描述進(jìn)行三維建模的方法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點(diǎn)表、棱邊表、面表三表結(jié)構(gòu)。特

5、點(diǎn)：可消隱、剖面圖生成、渲染、求交、刀軌生成等作業(yè)。不足：缺少體信息，不便進(jìn)行物性計(jì)算和分析。表面模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 曲面建模a)平面: 三個(gè)點(diǎn)定義；b)線(xiàn)性拉伸面: 一條平面曲線(xiàn)沿直線(xiàn)方向移動(dòng)掃成；c)直紋面 一直線(xiàn)兩端點(diǎn)在兩曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)等參數(shù)點(diǎn)上移動(dòng)形成；d)回轉(zhuǎn)面 平面線(xiàn)框圖繞某一軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；e)掃成面 一剖面線(xiàn)沿一條導(dǎo)線(xiàn)移動(dòng)構(gòu)成； 一剖面線(xiàn)沿導(dǎo)線(xiàn)光滑過(guò)渡到另一剖面線(xiàn)； 一剖面線(xiàn)沿兩條給定等參數(shù)邊界移動(dòng)形成。f)圓角面 圓角過(guò)渡面；g)等距面 沿原始曲面法線(xiàn)方向移動(dòng)一個(gè)固定的距離。3.實(shí)體建模實(shí)體建模概念：描述了實(shí)體全部幾何信息，且定義了實(shí)體所有點(diǎn)、線(xiàn)、面、體拓?fù)湫畔ⅰＬ攸c(diǎn)：實(shí)現(xiàn)消隱、剖切、有

6、限元分析、數(shù)控加工，物性計(jì)算等操作。 實(shí)體模型表示方法：構(gòu)造體素幾何表示法（CSG，Constructive Solid Geometry） 掃描表示法（Sweeping Representation） 邊界表示法（B-Rep，Boundary Representation） 單元表示法 1、構(gòu)造體素幾何表示法（CSG） 通過(guò)基本體素交、并、差正則集合運(yùn)算構(gòu)造各種復(fù)雜實(shí)體。 基本體素： 矩形塊、圓柱、圓錐、球、鍥、環(huán)等。 實(shí)體CSG表示的二叉樹(shù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)，記錄了實(shí)體所有基本體素的組成、正則集合運(yùn)算和相關(guān)的幾何變換。 特點(diǎn)：無(wú)二義性，最終實(shí)體與基本體素先后拼合順序無(wú)關(guān)，造型簡(jiǎn)單，

7、易于實(shí)現(xiàn)，可方便轉(zhuǎn)換成其它表示方法。 缺點(diǎn)：沒(méi)有詳細(xì)幾何信息，必須轉(zhuǎn)化為其它形式才能對(duì)點(diǎn)、邊、面等信息進(jìn)行查詢(xún)和編輯。2、邊界表示法（B-rep）通過(guò)面、環(huán)、邊、頂點(diǎn)的幾何和拓?fù)?參數(shù)來(lái)表示實(shí)體。矩形體B-Rep表示法 B-rep翼邊存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是以邊為中心的翼邊結(jié)構(gòu)，通過(guò)任意一條邊，可以 遍歷整個(gè)實(shí)體所有幾何元素。優(yōu)點(diǎn)：記錄有實(shí)體所有幾何信息和拓?fù)湫畔?。不足：缺乏?shí)體生成過(guò)程信息，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，難以直接構(gòu)造。3、掃描表示法 (Sweeping) 形體沿某一方向平移或繞某軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)體定義的方法 平面輪廓掃描法構(gòu)造實(shí)體 復(fù)雜實(shí)體掃描構(gòu)造 掃描構(gòu)造實(shí)例 B-rep轉(zhuǎn)換SweepingCS

8、GB-rep、CSG、Sweeping 三種表示方法的應(yīng)用： CSG、Sweeping常用于輸入； B-rep 常作為三維實(shí)體計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息的描述；三者之間關(guān)系如下： 4、單元表示法：用一系列空間單元來(lái)表示實(shí)體的一種方法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單，易于集合運(yùn)算和干涉檢查，便于消隱和顯示。缺陷：?jiǎn)卧笮Q定分解精度，需要大量存儲(chǔ)空間，不能表達(dá)實(shí)體各元素間拓?fù)潢P(guān)系，沒(méi)有點(diǎn)、邊、面等形體單元的概念。三維實(shí)體單元表示的八叉樹(shù)結(jié)構(gòu) 5.3 特征建模技術(shù) 特征建模的概念 實(shí)體模型不足：僅含實(shí)體幾何信息，缺少功能、工藝、管理等信息。 特征：從工程對(duì)象概括和抽象出來(lái)的具有工程語(yǔ)義的功能要素。 特征

9、建模：通過(guò)特征及其集合來(lái)定義、描述零件模型的過(guò)程。 特征建模對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象具有更高的定義層次，易于理解和使用，能為設(shè)計(jì)和制造過(guò)程各環(huán)節(jié)提供充分的工程和工藝信息。 特征建模是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM集成化和智能化的關(guān)鍵技術(shù)。特征的分類(lèi)1）形狀特征 具有一定工程語(yǔ)義的幾何形體。STEP標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)： 體特征：構(gòu)造主體形狀的特征，如凸臺(tái)、孔、圓柱體、矩形體等； 過(guò)渡特征：如倒角、圓角、鍵槽、中心孔、退刀槽、螺紋等； 分布特征：如圓周均布孔、齒輪的齒形輪廓等。凹陷：與已存在的形狀特征一端相交的被減體；凸起：與已存在的形狀特征一端相交的附加體。從形狀角度分：通道：與已存在的形狀特征兩端相交的被減體； 2）精度特征 包

10、括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。3）材料特征 如材料型號(hào)、性能、硬度、表面處理、檢驗(yàn)方式等。4）技術(shù)特征 描述零件的有關(guān)性能和技術(shù)要求；5）裝配特征 描述裝配過(guò)程中配合關(guān)系、裝配順序、裝配方法等。6）管理特征 描述管理信息，如零件名、批量、設(shè)計(jì)者、日期等。形狀特征間的關(guān)系 相鄰關(guān)系 特征在空間位置相互間的關(guān)系； 從屬關(guān)系 主/輔特征間主從關(guān)系，如附著于回轉(zhuǎn)體軸段 主特征的鍵槽、退刀槽、倒角等。 分布關(guān)系 某特征在空間位置上按某種形式排列。常見(jiàn)的特征建模方式1）特征識(shí)別 在已有幾何模型基礎(chǔ)上，按照給定的模板進(jìn)行匹配， 識(shí)別出相應(yīng)的形狀特征。2）基于特征的設(shè)計(jì) 借助于特征造型系統(tǒng)來(lái)建立產(chǎn)品特征

11、模型。3）特征映射 特征具有多視域性，視域不同造型特征也可能不同。 如下圖：從力學(xué)考慮可認(rèn)為是筋，從機(jī)械加工考慮則認(rèn)為是槽， 因而須將設(shè)計(jì)特征映射為后續(xù)所需要特征。特征的多視域性a)力學(xué)角度 b)機(jī)械加工角度5.4 幾何造型應(yīng)用實(shí)例AutoCAD幾何造型實(shí)例 AutoCAD系統(tǒng)的造型功能包括實(shí)體造型、曲面造型以及實(shí)體的編輯修改功能。 實(shí)體造型輸入主要采用構(gòu)造體素幾何（CSG）和掃描（Sweeping）兩種方式，通過(guò)基本體素集合運(yùn)算生成各種新的實(shí)體。 實(shí)體的存儲(chǔ)采用CSG二叉樹(shù)和B-rep兩種模式，即將用戶(hù)的輸入用CSG樹(shù)加以記錄，然后再轉(zhuǎn)換為B-rep表示。AutoCAD掃描造型功能實(shí)體的拉伸掃描實(shí)體的旋轉(zhuǎn)掃描體素的拼合a)并運(yùn)算 b)差運(yùn)算 c)交運(yùn)算軸承端蓋造型實(shí)例旋轉(zhuǎn)掃描生成的實(shí)體通過(guò)差運(yùn)算形成均布孔通過(guò)差運(yùn)算形成端面槽Solidworks幾何造型實(shí)例Solidworks包括CAD模塊、CAM加工模塊以及Design work分析模塊等。該系統(tǒng)智能化程度高，參數(shù)化功能強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，是最容易學(xué)習(xí)三維CAD系統(tǒng)之一。下面以零件“蓋”介紹建模過(guò)程