三維參數(shù)化造型及設(shè)計(jì)

1、三維參數(shù)化造型及設(shè)計(jì)第1頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日一、CAD發(fā)展歷程在CAD發(fā)展初期，其含義僅僅是圖板的替代品，即：Computer Aided Drawing(or Drafting)。而不是Computer Aided Design。CAD技術(shù)早期發(fā)展以二維繪圖為主要目標(biāo)，這一狀況一直持續(xù)到70年代初期，而此后二維繪圖作為CAD技術(shù)的一個(gè)分支而相對(duì)獨(dú)立、平穩(wěn)地發(fā)展，現(xiàn)在我們有許多工作仍然在這些二維系統(tǒng)中進(jìn)行，常見的如AutoCAD、CAXA電子圖板、開目CAD等。實(shí)際上在今天CAD用戶中，特別是入門級(jí)的CAD用戶中，二維繪圖仍然占有相當(dāng)大的比重。第2頁(yè)，共23

2、頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日1、CAD技術(shù)的第一次革命 貴族化的曲面造型系統(tǒng)60年代出現(xiàn)的三維CAD系統(tǒng)只是極為簡(jiǎn)單的線框式系統(tǒng)。這種初期的線框造型系統(tǒng)只能表達(dá)基本的幾何信息，不能有效表達(dá)幾何數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系。由于缺乏形體的表面信息，CAM及CAE均無法實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入70年代，法國(guó)達(dá)索飛機(jī)制造公司推出了三維曲面造型系統(tǒng)CATIA，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來，首次實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，同時(shí)也使得CAM技術(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。第3頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日曲面造型系統(tǒng)CATIA為人類帶來了第一次C

3、AD技術(shù)革命，改變了以往只能借助油泥模型來近似準(zhǔn)確表達(dá)曲面的落后的工作方式。此時(shí)的CAD技術(shù)價(jià)格極其昂貴，而且軟件商品化程度低，開發(fā)者本身就是CAD大用戶，彼此之間技術(shù)保密。只有少數(shù)幾家受到國(guó)家財(cái)政支持的軍火商，在70年代冷戰(zhàn)時(shí)期才有條件獨(dú)立開發(fā)或依托某廠商發(fā)展CAD技術(shù)。第4頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日曲面造型系統(tǒng)帶來的技術(shù)革新，使汽車開發(fā)手段比舊的模式有了質(zhì)的飛躍，新車型開發(fā)速度也大幅度提高，許多車型的開發(fā)周期由原來的6年縮短到只需約3年。CAD技術(shù)給使用者帶來了巨大的好處及頗豐的收益。第5頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日2、CAD技術(shù)的

4、第二次革命 生不逢時(shí)的實(shí)體造型技術(shù)有了表面模型，CAM的問題可以基本解決。但由于表面模型技術(shù)只能表達(dá)形體的表面信息，難以準(zhǔn)確表達(dá)零件的其它特性，如質(zhì)量、重心、慣性矩等，對(duì)CAE十分不利，最大的問題在于分析的前處理特別困難?；趯?duì)于CAD/CAE一體化技術(shù)發(fā)展的探索，SDRC公司于1979年發(fā)布了世界上第一個(gè)完全基于實(shí)體造型技術(shù)的大型CAD/CAE軟件IDEAS。第6頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日由于實(shí)體造型技術(shù)能夠精確表達(dá)零件的全部屬性，在理論上有助于統(tǒng)一CAD、CAE、CAM的模型表達(dá)，給設(shè)計(jì)帶來了驚人的方便性。它代表著未來CAD技術(shù)的發(fā)展方向?？梢哉f，實(shí)體造型技術(shù)

5、的普及應(yīng)用標(biāo)志CAD發(fā)展史上的第二次技術(shù)革命。實(shí)體造型技術(shù)雖然帶來了算法的改進(jìn)和未來發(fā)展的希望，但也帶來了數(shù)據(jù)計(jì)算量的極度膨脹。在當(dāng)時(shí)的硬件條件下，實(shí)體造型的計(jì)算及顯示速度很慢，在實(shí)際應(yīng)用中做設(shè)計(jì)顯得比較勉強(qiáng)。實(shí)體造型技術(shù)也就此沒能迅速在整個(gè)行業(yè)全面推廣開。第7頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日3、第三次CAD技術(shù)革命 一鳴驚人的參數(shù)化技術(shù)如果說在此之前的造型技術(shù)屬于無約束自由造型的話，進(jìn)入80年代中期，出現(xiàn)了比無約束自由造型更好的算法參數(shù)化實(shí)體造型方法。它主要的特點(diǎn)是：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改。參數(shù)技術(shù)公司(Parametric Technol

6、ogy Corp.)，研制了命名為Pro/E的參數(shù)化軟件。由于第一次實(shí)現(xiàn)了尺寸驅(qū)動(dòng)零件設(shè)計(jì)修改，使人們看到了它今后將給設(shè)計(jì)者帶來的方便性?？梢哉J(rèn)為，參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用主導(dǎo)了CAD發(fā)展史上的第三次技術(shù)革命。第8頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日4、第四次CAD技術(shù)革命 更上層樓的變量化技術(shù)SDRC的開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)了參數(shù)化技術(shù)尚有許多不足之處。首先，全尺寸約束這一硬性規(guī)定就干擾和制約著設(shè)計(jì)者創(chuàng)造力及想象力的發(fā)揮。全尺寸約束：即設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)初期及全過程中，必須通過尺寸約束來控制形狀，通過尺寸的改變來驅(qū)動(dòng)形狀的改變。當(dāng)零件形狀過于復(fù)雜時(shí)，改變尺寸達(dá)到所需要的形狀很不直觀；再者，如在設(shè)

7、計(jì)中關(guān)鍵形體的拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生改變，失去了某些約束的幾何特征也會(huì)造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)混亂。第9頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日SDRC的開發(fā)人員以參數(shù)化技術(shù)為藍(lán)本，提出了一種比參數(shù)化技術(shù)更為先進(jìn)的實(shí)體造型技術(shù)變量化技術(shù)。SDRC于1993年推出全新體系結(jié)構(gòu)的IDEAS Master Series軟件。眾所周知，已知全參數(shù)的方程組去順序求解比較容易。但在欠約束的情況下，其方程聯(lián)立求解的數(shù)學(xué)處理和在軟件實(shí)現(xiàn)上的難度是可想而知的。SDRC攻克了這些難題，并就此形成了一整套獨(dú)特的變量化造型理論及軟件開發(fā)方法。第10頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日變量化技術(shù)既保持了參

8、數(shù)化技術(shù)的原有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了它的許多不利之處。它的成功應(yīng)用，為CAD技術(shù)的發(fā)展提供了更大的空間和機(jī)遇。無疑，變量化技術(shù)驅(qū)動(dòng)了CAD發(fā)展的第四次技術(shù)革命。CAD技術(shù)基礎(chǔ)理論的每次重大進(jìn)展，無一不帶動(dòng)了CAD/CAM/CAE整體技術(shù)的提高以及制造手段的更新。實(shí)際上，“參數(shù)化/變量化設(shè)計(jì)”并不是CAD軟件帶給我們的新設(shè)計(jì)模式，僅僅是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的提煉和抽象，為的是能夠?qū)⑽覀兊脑O(shè)計(jì)過程在計(jì)算機(jī)軟件中處理。第11頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日二、三維造型基礎(chǔ)技術(shù)1、三維建模如下圖所示，CAD系統(tǒng)包含有三層：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、模型算法、應(yīng)用算法。應(yīng)用算法模型算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和程序

9、調(diào)用數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)模型第12頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日其中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維造型的最基礎(chǔ)的部分，現(xiàn)在一般定義一個(gè)形體使用如右圖所示的拓?fù)洌╰opology）結(jié)構(gòu)。頂點(diǎn)（Vertex）邊（Edge）閉合環(huán)（Loop）面（ Face ）殼（Shell）體（Object）模型（Model）點(diǎn)（Point）曲線（Curve）表面（Surface）第13頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日根據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所包含的拓?fù)湓氐牟煌?，可以將三維模型分為線框模型、表面模型和實(shí)體模型。（1）線框模型線框模型中一個(gè)物體的描述是通過頂點(diǎn)和與之相連的邊來產(chǎn)生的。在線框模型中，沒

10、有面和體的概念，無法區(qū)別物體的內(nèi)部和外部，斷面不可能被表示，更無法采用連接許多簡(jiǎn)單的幾何對(duì)象的方式來構(gòu)造復(fù)雜的零件。第14頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日（2）表面模型（曲面模型）表面模型是用有向棱邊圍成的部分來定義形體的表面，表面可以是平面、解析曲面或參數(shù)曲面。表面模型在線框模型的基礎(chǔ)上增加了環(huán)邊信息、表面特征等。對(duì)表面模型，由于面與面之間沒有必然的關(guān)系，形體在面的哪一側(cè)無法給出明確的定義，所描述的僅是形體的外表面，并沒切開物體而展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此也就無法表示零件的立體屬性，也無法指出所描述的物體是實(shí)心還是空心。因而在物性計(jì)算、有限元分析等應(yīng)用中表面模型仍缺乏表示上

11、的完整性。第15頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日（3）實(shí)體模型實(shí)體模型在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中增加了體的概念，與其計(jì)算機(jī)內(nèi)部描述（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）相對(duì)應(yīng)，可分成邊界表示法（B-Rep）和構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG）。實(shí)體模型可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)部對(duì)幾何物體進(jìn)行唯一的、無沖突的和完整的描述。實(shí)體模型可以通過接口為其他應(yīng)用提供關(guān)于物體完整的計(jì)算機(jī)內(nèi)部描述，因此計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程可以完全自動(dòng)化。從數(shù)據(jù)的通用性來看，通過程序應(yīng)用，整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程都可以得到輔助。第16頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日實(shí)體模型的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)者可以采用許多不同的生成技術(shù)，以計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為條件，在較

12、高的幾何層面上進(jìn)行工作。如面向表面的建模技術(shù)和面向?qū)嶓w的建模技術(shù)。與其他模型相比，實(shí)體CAD系統(tǒng)為交互生成幾何模型提供了多種多樣的輸入方法，這些方法的應(yīng)用在很大程度上取決于應(yīng)用界面的質(zhì)量。第17頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日三、 閥門零件的3D參數(shù)化建模 三維參數(shù)化設(shè)計(jì)是指首先構(gòu)造三維空間模型，然后由三維模型投影或剖切生成二維平面上的三維圖或剖面圖。三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是可很好地保持各個(gè)方向視圖的一致性，對(duì)零件的二維視圖安排也較靈活(因?yàn)榭蓮母鱾€(gè)角度，各個(gè)位置進(jìn)行剖切)。該類型的難點(diǎn)在于如何構(gòu)造三維空間模型，在目前常用的線框、表面和實(shí)體三種造型方法中，首推實(shí)體造型

13、的優(yōu)勢(shì)最大。零件參數(shù)化特征建模 參數(shù)化設(shè)計(jì)中，一個(gè)零件應(yīng)該確定哪些參數(shù)，是由設(shè)計(jì)要求、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等因素綜合決定的，因不同零件而異。工程設(shè)計(jì)中很多零件是標(biāo)準(zhǔn)件，這些零件在設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到，但并不需要用戶自行設(shè)計(jì)，對(duì)于這些標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都有嚴(yán)格的規(guī)定。所以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件而言，參數(shù)的確定與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)保持一致即可。第18頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日參數(shù)賦值和尺寸關(guān)系 參數(shù)賦值中分為定量賦值與變量賦值，定量賦值是將固定的數(shù)值作為尺寸的驅(qū)動(dòng)值，變量賦值是由各相關(guān)尺寸的換算關(guān)系來賦值，是以有限個(gè)固定數(shù)值為基礎(chǔ)，只要其中的任意數(shù)值發(fā)生變化，則驅(qū)動(dòng)被賦值參數(shù)也隨之發(fā)生變化。 為了減少賦值

14、參數(shù)的數(shù)量，充分使用約束條件是一個(gè)非常有效的方法，而且使用約束條件可以保證被約束圖元的穩(wěn)定性，使其在參數(shù)驅(qū)動(dòng)時(shí)，在受約束的范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生畸變。第19頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日閥門裝配體參數(shù)化設(shè)計(jì) 基于約束的裝配模型描述 對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型進(jìn)行參數(shù)化建模，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)特征分析、空間約束、成型順序的合理性。參數(shù)化的裝配造型根據(jù)實(shí)際的裝配過程建立不同部件之間的相對(duì)位置。一般通過裝配約束、裝配尺寸和裝配關(guān)系式三種手段將部件組織到裝配中。 在實(shí)際建模過程中，自底向上和自頂向下的裝配方法往往混合使用。對(duì)于任何一個(gè)裝配體，無論其組成多么復(fù)雜，有一個(gè)規(guī)律總是存在的，即其中任何一個(gè)零

15、件在裝配體中的定位總要通過與它發(fā)生直接裝配關(guān)系的零件來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)這一規(guī)律，只要在裝配體中定義一個(gè)核心基準(zhǔn)零件，即可以通過各零件間的具體裝配關(guān)系，建立起有層次的各零件間的聯(lián)系，從而使各零件在裝配體中的定位信息不再是孤立的描述。對(duì)于裝配核心基準(zhǔn)零件，可以參考實(shí)際裝配過程順序加以確定，或者根據(jù)各零件在裝配體(部件)中功能來實(shí)現(xiàn)。第20頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日閥門裝配體參數(shù)的聯(lián)動(dòng)和主次參數(shù)聯(lián)動(dòng) 所謂參數(shù)聯(lián)動(dòng)，是對(duì)部件中與裝配有關(guān)的零件參數(shù)的要求，即在部件參數(shù)化設(shè)計(jì)中，對(duì)于有相互裝配關(guān)系的零件參數(shù)，要求其變化應(yīng)該相互關(guān)聯(lián)，當(dāng)相互配合的參數(shù)中任一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，能引起其它

16、的參數(shù)自動(dòng)發(fā)生相應(yīng)變化，以滿足裝配關(guān)系。主次參數(shù) 關(guān)鍵參數(shù)和次要參數(shù)的關(guān)系，是決定次要參數(shù)取值的直接因素。通常這種關(guān)系來自于以下幾方面：(l)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；(2)企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；(3)設(shè)計(jì)中分析和計(jì)算的結(jié)果。通用CAD軟件一般都提供建立關(guān)系的功能，可以利用該功能按上述準(zhǔn)則建立關(guān)鍵參數(shù)和次要參數(shù)之間的關(guān)系，有些關(guān)系無法用簡(jiǎn)單的代數(shù)式表示，只能在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)。 第21頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)22分，星期日裝配參數(shù)關(guān)系 對(duì)裝配尺寸進(jìn)行參數(shù)化時(shí)，應(yīng)盡量使用其它零件的幾何尺寸換算得出，這樣可以減少參數(shù)賦值的數(shù)量。其關(guān)系可由下式得出：Mn為零件n在模型主坐標(biāo)下的參數(shù)值； Nn為零件n在其裝配坐標(biāo)上的絕對(duì)參數(shù)；n為零件n的結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)于模型主坐標(biāo)的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換因子，每一個(gè)在空間組裝的