計(jì)算機(jī)輔助制造

計(jì)算機(jī)輔助制造1第一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五實(shí)體造型技術(shù)特征建模裝配造型參數(shù)化與變量化技術(shù)主要內(nèi)容2第二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五實(shí)體造型技術(shù)實(shí)體造型技術(shù)的發(fā)展概況實(shí)體造型的概念是在20世紀(jì)60年代初提出的，但由于當(dāng)時(shí)理論研究和實(shí)踐都不夠成熟，實(shí)體造型技術(shù)發(fā)展緩慢。70年代初出現(xiàn)了簡(jiǎn)單的具有一定實(shí)用性的基于實(shí)體造型CAD/CAM系統(tǒng)，并且實(shí)體造型在理論研究方面也相應(yīng)取得了進(jìn)展，如1973年，英國(guó)劍橋大學(xué)的布雷德(I.C.Baird)曾提出采用六種體素作為構(gòu)造機(jī)械零件的積木塊的方法，然而實(shí)體造型只用幾何信息表示是不充分的還需要表示形體之間相互關(guān)系、拓?fù)湫畔ⅰ５?0年代后期，實(shí)體造型技術(shù)在理論、算法和應(yīng)用方面逐漸成熟。3第三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五進(jìn)入80年代后，國(guó)內(nèi)外不斷推出實(shí)用的實(shí)體造型，在實(shí)體模型CAD、實(shí)體機(jī)械零件設(shè)計(jì)、物性計(jì)算、三維形體的有限元分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、建筑物設(shè)計(jì)、空間布置、計(jì)算機(jī)輔助NC程序的生成和檢驗(yàn)、部件裝配、機(jī)器人、電影制片技術(shù)中的動(dòng)畫(huà)、電影特技鏡頭、景物模擬、醫(yī)療工程中的立體斷面檢查等方面得到廣泛的應(yīng)用。4第四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五實(shí)體造型的概念

所謂的實(shí)體造型是以立方體、圓柱體、球體、錐體、環(huán)狀體等多種基本體素為單元元素，通過(guò)集合運(yùn)算（拼合或布爾運(yùn)算），生成所需要的幾何形體。這些形體具有完整的幾何信息，是真實(shí)而唯一的三維物體。實(shí)體造型包括兩部分內(nèi)容：a、體素定義和描述b、體素之間的布爾運(yùn)算（并、交、差）實(shí)體造型方法主要有：邊界表示法構(gòu)造實(shí)體幾何法掃描法5第五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.1布爾運(yùn)算理論

布爾運(yùn)算是構(gòu)造復(fù)雜實(shí)體的有效工具。所謂的布爾運(yùn)算就是如果一個(gè)實(shí)體是由兩個(gè)或兩個(gè)以上較簡(jiǎn)單的體素（Primitive）經(jīng)過(guò)集合運(yùn)算得到的，那么這個(gè)實(shí)體的表示就是布爾模型，而這種集合運(yùn)算叫布爾運(yùn)算。

假設(shè)A、B為兩個(gè)實(shí)體，C=A<OP>B,這里<OP>代表任一正則化布爾算子，那么C就是布爾模型。A、B、C三者必須有相同的空間維數(shù)。符號(hào)<OP>代表正則算子（布爾算子），它可以是∪（并）、∩（交）和-（差）等。6第六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五正則體為了保證幾何造型的可靠性和可加工性，要求形體上任何一點(diǎn)的足夠小的領(lǐng)域在拓?fù)渖蠎?yīng)是一個(gè)等價(jià)的封閉圈，即圍繞該點(diǎn)的形體鄰域在二維空間中可構(gòu)成一個(gè)單連通域，我們把滿(mǎn)足這個(gè)定義的形體成為正則形體。7第七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

集合運(yùn)算（并、交、差）是構(gòu)造形體的基本方法，正則形體經(jīng)過(guò)集合運(yùn)算后，可能會(huì)產(chǎn)生懸邊、懸面等低于三維的形體。正則集合運(yùn)算保證集合運(yùn)算的結(jié)果仍是一個(gè)正則形體，即丟棄懸邊、懸面等。

布爾模型的一個(gè)重要特點(diǎn)是：布爾模型是一個(gè)過(guò)程模型（ProceduralModel）

例如：假定從A、B、C三個(gè)實(shí)體的頂點(diǎn)坐標(biāo)得知它們的大小、位置和方位，D的布爾模型是D=（A∪B）-C。該模型沒(méi)有沒(méi)有定量地說(shuō)明新產(chǎn)生的實(shí)體，（新體素的頂點(diǎn)坐標(biāo)，或有關(guān)新棱邊和面的任何信息）而是僅僅規(guī)定體素的結(jié)合方式，即關(guān)于A、B、C三個(gè)體素的幾何和拓?fù)湫畔?，以及新?shí)體D的構(gòu)造方法，因此，布爾模型是過(guò)程模型，也可稱(chēng)作非求值模型。

8第八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五新實(shí)體的信息，是通過(guò)對(duì)布爾模型進(jìn)行求值計(jì)算得到的。例如，計(jì)算交線(xiàn)和交點(diǎn)、拓?fù)潢P(guān)系分類(lèi)、分析運(yùn)算得到的新元素的連通性，以確定該模型的拓?fù)涮攸c(diǎn)，從而決定新的棱邊和新的頂點(diǎn)。這一過(guò)程中，體素的結(jié)構(gòu)表示就是將布爾算子直接變換成二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)表示，在模型的二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)中，葉結(jié)點(diǎn)上是體素，每個(gè)內(nèi)部結(jié)點(diǎn)及根結(jié)點(diǎn)上是布爾算子。

體素的構(gòu)造在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，體素是作為圖模型存儲(chǔ)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式為二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)。這些體素模型的二叉樹(shù)上的葉結(jié)點(diǎn)是可以縮放和定位的單元形體和參數(shù)化形體。

另外，體素也可以是有向曲面或半空間的布爾組合。有向曲面就是由其面上任何一點(diǎn)的法向決定體素內(nèi)部和外部的曲面。一個(gè)無(wú)界面將笛卡爾空間劃分為兩個(gè)無(wú)界區(qū)，每個(gè)無(wú)界區(qū)被稱(chēng)作半空間。一組特定的半空間通過(guò)布爾交可以形成一個(gè)三維實(shí)體。9第九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五布爾運(yùn)算的具體實(shí)現(xiàn)設(shè)A和B是兩個(gè)分別用B-rep（邊界表示法）法描述的多面體，布爾運(yùn)算C=A<OP>B的運(yùn)算過(guò)程一般由下面幾個(gè)步驟逐漸完成。（1）確定布爾運(yùn)算兩物體之間的關(guān)系物體的B-rep結(jié)構(gòu)表示中，面、邊、點(diǎn)之間的基本分類(lèi)關(guān)系分別是“點(diǎn)在面上”、“點(diǎn)在邊上”、“兩點(diǎn)重合”、“邊在面上”、“兩邊共線(xiàn)”、“兩個(gè)多邊形共面”等六種關(guān)系。(2)進(jìn)行邊、體分類(lèi)對(duì)A物體上的每一條邊，確定對(duì)B物體的分類(lèi)關(guān)系（A在B物體內(nèi)、外、上面、相交等）；同樣對(duì)B物體上的每一條邊，確定對(duì)A物體的分類(lèi)關(guān)系。（3）計(jì)算多邊形的交線(xiàn)計(jì)算A物體上的多邊形PA和B物體上的多邊形PB的交線(xiàn)。在布爾模型的邊界求值計(jì)算方面，求交計(jì)算是關(guān)鍵一環(huán)。10第十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（4）構(gòu)造新物體C表面上的邊對(duì)于物體A和物體B上的每一個(gè)多邊形PA、PB，根據(jù)布爾運(yùn)算算子收集多邊形PA與多邊形PB的交線(xiàn)以生成新物體C表面的邊，如果多邊形PA上有邊被收集到新物體C的表面，則PA所在的平面就成為新物體C表面上的一個(gè)平面，多邊形PA的一部分或全部則成為新物體C的一個(gè)或多個(gè)多邊形。如果定義了兩個(gè)物體A和B的完整邊界，那么物體C的完整邊界就是A和B邊界各部分的總和。（5）構(gòu)造多邊形的面對(duì)新物體C上的每一個(gè)面，將其邊排序構(gòu)成多邊形面環(huán)。（6）合法性檢查檢查體C的B-rep表示的合法性。11第十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五實(shí)體造型－邊界表示法邊界表示法B-rep(Boundaryrepresenta－tions)是以物體邊界為基礎(chǔ)，定義和描述幾何形體的方法。具體來(lái)說(shuō)就是，每個(gè)物體都由有限個(gè)面構(gòu)成，每個(gè)面（平面或曲面）由有限條邊圍成的有限個(gè)封閉域定義。或者說(shuō)，物體的邊界是有限個(gè)單元面的并集，而每一個(gè)單元面也必須是有界的，用邊界法描述實(shí)體，必須滿(mǎn)足一定條件。一個(gè)理想、有效表面的條件是：封閉、有向、不自交、有限和相連接，并能區(qū)分實(shí)體邊界內(nèi)、邊界外和邊界上的點(diǎn)。這種方法能給出物體完整、顯式的邊界描述。12第十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五邊界法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)邊界表示法強(qiáng)調(diào)物體的外表細(xì)節(jié)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是把面、頂點(diǎn)的信息分層記錄，并建立層與層之間的關(guān)系，如下圖所示。

13第十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五分層記錄的信息包括相互獨(dú)立雙相互聯(lián)系的兩部分：一組是幾何信息，一組為拓?fù)湫畔?。幾何信息是指歐氏空間中的位置和大小，包括點(diǎn)的坐標(biāo)，曲線(xiàn)和曲面的數(shù)學(xué)方程等；拓?fù)湫畔⑹侵笌缀误w頂點(diǎn)、邊、面的數(shù)目、類(lèi)型以及相互間的連通關(guān)系。根據(jù)這些明確的記錄信息，可以知道幾何體表面的范圍及其鄰接情況。14第十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五邊界表示法通過(guò)五層或六層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)描述三維形體，并存儲(chǔ)形體的幾何信息，如右圖所示，因此該方法對(duì)形體的信息描述最完整。15第十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五在邊界表示的建模系統(tǒng)中通常采用翼邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由斯坦福大學(xué)鮑姆加特（B.G.Baumgart）于70年代創(chuàng)造性地提出的，旨在為了有效地表示幾何體的拓?fù)潢P(guān)系邊結(jié)構(gòu)。運(yùn)用翼邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)檢索到某條邊后就可方便地檢索到該條邊的右鄰面和左鄰面、該條邊的兩端點(diǎn)和上下左右的四條鄰邊。由此，通過(guò)邊可方便地查找出各種元素的連接關(guān)系。邊界表示法存儲(chǔ)信息完整，信息量大，相應(yīng)存儲(chǔ)容量也大。16第十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五邊界表示法在絕大多數(shù)情況下，允許直接用面、邊、點(diǎn)定義的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)有關(guān)幾何體結(jié)構(gòu)的運(yùn)算。這有利于生成和繪制線(xiàn)框圖、投影圖、有限元網(wǎng)格的劃分和幾何特性計(jì)算，容易與二維繪圖軟件銜接生成工程圖。此外，邊界表示法還能夠構(gòu)造用CSG法的體素?zé)o法拼合實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形體，如飛機(jī)、汽車(chē)等，因此，實(shí)體的邊界表達(dá)模型在實(shí)際工程有著廣泛的應(yīng)用。

邊界表示法的缺點(diǎn)：1、存儲(chǔ)量大;2、必須提供一個(gè)方便的用戶(hù)界面才能使信息量如此大的系統(tǒng)建立起它的邊界信息。17第十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

邊界表示B-rep法中的表面合法性問(wèn)題采用邊界表示B-rep法時(shí)，存在表面合法性問(wèn)題。主要包括：一、幾何數(shù)據(jù)方面，二、拓?fù)浞矫?。如何檢查和保證合法性幾何數(shù)據(jù)的合法性一般由模型的設(shè)計(jì)者通過(guò)監(jiān)視等手段來(lái)保證，而拓?fù)浞矫娴暮戏ㄐ詣t由歐拉公式及歐拉算子來(lái)檢查保證。歐拉公式為V-E+F=2(s-h)+r其中V：頂點(diǎn)數(shù)E：邊數(shù)F：面數(shù)；s：相當(dāng)于獨(dú)立的、不相連續(xù)的多面體數(shù)h：是貫穿多面體的孔的個(gè)數(shù)；r：則為所有面上未連通的內(nèi)環(huán)數(shù)需要說(shuō)明的是歐拉公式是檢查實(shí)體有效性的必要條件，而不是充分條件。18第十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五如下圖5-4所示的三個(gè)物體，(1)中的圓柱孔可看作是一個(gè)近似的四棱柱，用歐拉公式檢查全部合格，均為合法形體。結(jié)果如下：

V－E＋F=2(s－h(huán))＋r(a)14－21＋10=2×1－2×0＋1(b)16－24＋11=2×1－2×0＋1(c)24－36＋15=2×1-2×1＋319第十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五在保證歐拉不變性定理的條件下，對(duì)實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的V、E、F、B、G、L等進(jìn)行的實(shí)或虛的數(shù)據(jù)項(xiàng)的增、刪、改的操作稱(chēng)為歐拉操作?，F(xiàn)在已有一套歐拉算子供用戶(hù)使用，保證在每一步歐拉操作后正在構(gòu)造中的物體符合歐拉公式。邊界表示法的特點(diǎn)Brep表示的優(yōu)點(diǎn)：（1）表示形體的點(diǎn)、邊、面等幾何元素是顯式表示的，使得繪制Brep表示的形體的速度較快，而且比較容易確定幾何元素間的連接關(guān)系；20第二十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）容易支持對(duì)物體的各種局部操作，比如進(jìn)行倒角，我們不必修改形體的整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而只需提取被倒角的邊和與它相鄰兩面的有關(guān)信息，然后，施加倒角運(yùn)算就可以了；

（3）便于在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上附加各種非幾何信息，如精度、表面粗糙度等。Brep表示的缺點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量的存儲(chǔ)空間，維護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的程序比較復(fù)雜；

（2）Brep表示不一定對(duì)應(yīng)一個(gè)有效形體。

21第二十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五構(gòu)造實(shí)體幾何法構(gòu)造實(shí)體幾何法CSG(ConstructiveSolidGeometry)是一種通過(guò)描述基本體素和集合運(yùn)算（布爾）（并、交、差等）來(lái)構(gòu)造實(shí)體，即用基本體素拼合成復(fù)雜實(shí)體的建模方法。CSG可看成物體的單元分解的結(jié)果。在模型被分解為單元以后，通過(guò)拼合運(yùn)算（并集）能使其結(jié)合為一體。CSG可以使用所有正則布爾運(yùn)算：并集，交集、差集，從而既可以增加體素，又可以移去體素。以?xún)蓚€(gè)三維體素為例，運(yùn)算結(jié)果如圖所示。

體素拼合的集合運(yùn)算22第二十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五CSG表示法與機(jī)械裝配的方式極其類(lèi)似。從定義體素到拼合實(shí)體的過(guò)程，如同先設(shè)計(jì)制造零部件，然后將零部件裝配成產(chǎn)品的過(guò)程。因此用該方法來(lái)描述復(fù)雜實(shí)體是十分簡(jiǎn)潔的，而且生成速度很快，從實(shí)體表示法到邊界表示法的轉(zhuǎn)換則需要進(jìn)行大量計(jì)算（包括整體性計(jì)算、圖形顯示模型計(jì)算和其他應(yīng)用內(nèi)容）。用CSG表示構(gòu)造幾何形體時(shí)，通常是先定義體素，然后通過(guò)布爾運(yùn)算將體素拼合成所需要的幾何體。其特點(diǎn)是信息簡(jiǎn)單，處理方便，無(wú)冗余的幾何信息，并詳細(xì)記錄了構(gòu)成幾何體的原始特征和全部定義參數(shù)，必要時(shí)還可以修改原體素參數(shù)或附加體素進(jìn)行重新拼合。CSG表示的幾何體具有唯一性和明確性，但一個(gè)幾何體CSG表示和描述方式卻不是唯一的，即可以用幾種不同CSG樹(shù)表示。CSG表示法對(duì)于自動(dòng)加工生產(chǎn)有著潛在的意義。23第二十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五構(gòu)造實(shí)體幾何法的特點(diǎn)：CSG表示的優(yōu)點(diǎn)：

1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量比較小，內(nèi)部數(shù)據(jù)的管理比較容易；2)CSG表示可方便地轉(zhuǎn)換成邊界（Brep）表示；3)CSG方法表示的形體的形狀，比較容易修改。CSG表示的缺點(diǎn)：

1)對(duì)形體的表示受體素的種類(lèi)和對(duì)體素操作的種類(lèi)的限制，也就是說(shuō)，

CSG方法表示形體的覆蓋域有較大的局限性；2)對(duì)形體的局部操作不易實(shí)現(xiàn)，例如，不能對(duì)基本體素的交線(xiàn)倒圓角；3)由于形體的邊界幾何元素（點(diǎn)、邊、面）是隱含地表示在CSG中，故顯示與繪制CSG表示的形體需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

24第二十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五CSG與B-rep混合造型方法從CAD/CAPP/CAM的集成和發(fā)展角度來(lái)看，單純的幾何模型已不能滿(mǎn)足要求，而需要將幾何模型發(fā)展成為產(chǎn)品模型，即將設(shè)計(jì)制造信息加到幾何模型上?；贑SG和B-rep表示法的各自特點(diǎn)，所以有人便提出了在原來(lái)CSG樹(shù)的結(jié)點(diǎn)上再擴(kuò)充一級(jí)邊界數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)想，以便達(dá)到實(shí)現(xiàn)快速顯示圖形的目的。目前，許多CAD/CAM系統(tǒng)就是采用兩者綜合的混合實(shí)體造型技術(shù)。即采用CSG模型系統(tǒng)為外部模型，而用B-rep模型作為系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

25第二十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

掃描表示法掃描表示法(SweepRepresentation)是建立在沿某一軌跡移動(dòng)一個(gè)點(diǎn)、一條曲線(xiàn)或一個(gè)曲面的想法之上的由這個(gè)過(guò)程所產(chǎn)生的那些點(diǎn)的軌跡定義一維、二維或三維的形體。用掃描法構(gòu)造實(shí)體易于理解、易于執(zhí)行，同時(shí)也為開(kāi)發(fā)新方法提供了一個(gè)富于創(chuàng)造性的領(lǐng)域。掃描法實(shí)體造型需要的兩個(gè)要素：1、被移動(dòng)的形體（掃描截面）2、移動(dòng)該形體的軌跡（掃描路徑）形體可能是一條曲線(xiàn)，或是一個(gè)曲面，還可能是一個(gè)實(shí)體。而軌跡是可解析定義的路徑。最常用的掃描方法26第二十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五(1)平移掃描法它是一種沿空間某一軌跡移動(dòng)某物體從而定義新物體的方法。（2）旋轉(zhuǎn)掃描法把一個(gè)二維圖形繞某一軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)來(lái)定義新物體，一般稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)體。(1)平移掃描法（2）旋轉(zhuǎn)掃描法如果在掃描過(guò)程中，允許掃描體的截面隨著掃描過(guò)程變化，那我們就可以得到不等截面的平移掃描體和非對(duì)稱(chēng)的旋轉(zhuǎn)掃描體，這種方法法我們統(tǒng)稱(chēng)為廣義掃描法，如圖所示。27第二十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五掃描表示法可使三維空間的實(shí)體和曲面由二維平面及曲線(xiàn)通過(guò)平移掃描和旋轉(zhuǎn)掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)。這對(duì)于許多領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)都是很方便。例如，建筑設(shè)計(jì)師們就是先設(shè)計(jì)建筑的平面圖，然后通過(guò)平移掃描來(lái)構(gòu)造建筑物的模型的。因此，在三維物體的表示中，掃描表示法常常是必不可少的輸入手段，應(yīng)用頗為廣泛。總結(jié)：從以上介紹的各種實(shí)體造型方法可以看出：邊界表示法以邊界為基礎(chǔ)，構(gòu)造實(shí)體幾何法以體素為基礎(chǔ)，掃描法以面為基礎(chǔ)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，很難用一種方法代替。因此，許多系統(tǒng)都具有多種造型方法的功能，一般情況下，可通過(guò)相互之間的轉(zhuǎn)換來(lái)發(fā)揮各種造型方法的長(zhǎng)處。28第二十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.2特征建模上世紀(jì)80年代以來(lái)，為了滿(mǎn)足CIMS技術(shù)發(fā)展的需要，人們一直在研究更完整描述幾何體的實(shí)體造型技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)CAD/CAM技術(shù)的集成化，滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)要求的實(shí)體造型技術(shù)必須考慮諸如倒角、圓弧、圓角、孔，以及加工用到各種過(guò)渡面形狀信息和工程信息，特征造型正是為滿(mǎn)足這一要求而被提出來(lái)的。特征的定義特征是指產(chǎn)品描述的信息的集合，并可按一定的規(guī)則分類(lèi)。幾何造型系統(tǒng)中引入“特征”概念的目的：是為了增加實(shí)體幾何的工程意義。常用特征信息包括：

29第二十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五形狀特征：與描述零件幾何形狀、尺寸相關(guān)的信息集合，包括功能形狀、加工工藝形狀、裝配輔助形狀等。精度特征：在設(shè)計(jì)和加工中使用的形位公差、尺寸公差、表面粗糙度等信息集合。材料特征：與零件材料和熱處理相關(guān)的信息集合，比如材料性能、熱處理方式、硬度等值。管理特征：與零件管理有關(guān)的信息集合，包括標(biāo)題信息，零件材料，表面粗糙度等信息。裝配特征：與零件裝配相關(guān)的信息集合，如零件的裝配關(guān)系、配合關(guān)系、功能關(guān)系統(tǒng)。分析特征：有關(guān)工程分析方面的特征，如有限元分析中的梁特征、板特征等。特征表示及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征表示主要包括：①表示幾何形狀的信息②表示屬性的信息30第三十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五根據(jù)幾何形狀的信息和屬性在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的關(guān)系，又可分為集成表達(dá)和分離表達(dá)兩種特征表達(dá)方式。

集成表達(dá)是將屬性信息與幾何形狀信息集成地表達(dá)在同一內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，而分離表達(dá)則是將屬性信息表達(dá)在與幾何形狀信息集分離的外部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。集成表達(dá)方式可以有效地避免出現(xiàn)分離模式中內(nèi)部實(shí)體模型數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)不一致和數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象，可以方便地對(duì)多種抽象層次的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，從而滿(mǎn)足了不同應(yīng)用的需求。然而，對(duì)集成表達(dá)模式而言，由于現(xiàn)有的實(shí)體模型不能很好滿(mǎn)足特征模型的需求，需要從頭和實(shí)施全新的基于特征的表達(dá)方案，工作量太大。因此，不少系統(tǒng)依然采用了分離表達(dá)模式。

幾何形狀信息的表達(dá)，分隱式和顯式兩種。前者是對(duì)特征生成過(guò)程的描述；而后者則是確定幾何信息與拓?fù)湫畔⒌拿枋觥?1第三十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五如圖所示，用圓柱面、兩底面和兩條邊界來(lái)描述的圓柱即為顯示表達(dá)；而用中心線(xiàn)、長(zhǎng)度和圓柱直徑來(lái)描述即為隱式表達(dá)。

幾何形狀信息常采用顯示方式表達(dá)，以面為基礎(chǔ)，通過(guò)關(guān)系表格記錄幾何要素的面、環(huán)、點(diǎn)等信息，為設(shè)計(jì)中幾何數(shù)據(jù)的直接提取提供方便。而非幾何信息多采用隱式表達(dá)。特征造型的特點(diǎn)32第三十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五與傳統(tǒng)的幾何造型方法相比，特征造型具有如下特點(diǎn)：（1）特征造型著眼于更好地表達(dá)產(chǎn)品的完整的技術(shù)和生產(chǎn)管理信息，為建立產(chǎn)品的集成信息服務(wù)。它的目的是用計(jì)算機(jī)可以理解和處理的統(tǒng)一的產(chǎn)品模型替代傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和施工成套圖紙以及技術(shù)文檔，使得一個(gè)工程項(xiàng)目或機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)準(zhǔn)備的各個(gè)環(huán)節(jié)可以并行展開(kāi)。（2）它使產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作在更高層次上進(jìn)行，設(shè)計(jì)人員的操作對(duì)象不再是原始的線(xiàn)條和體素，而是產(chǎn)品的功能要素，像螺紋孔、定位孔、鍵槽等。特征的引用體現(xiàn)了設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的圖樣容易修改。設(shè)計(jì)人員可以將更多的精力用在創(chuàng)造性構(gòu)思上。（3）它有助于加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、工藝準(zhǔn)備、加工、檢驗(yàn)各個(gè)部門(mén)間的聯(lián)系，更好地將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖貫徹到各個(gè)后續(xù)環(huán)節(jié)并且及時(shí)得到后者的意見(jiàn)反饋，為開(kāi)發(fā)新一代基于統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型CAD/CAM/CAE/CAPP集成系統(tǒng)創(chuàng)造良好的前提。33第三十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五特征模型與實(shí)體模型的不同，主要表現(xiàn)在內(nèi)部數(shù)據(jù)表示上。通過(guò)定義特征，可以避免計(jì)算機(jī)內(nèi)部實(shí)體模型數(shù)據(jù)與外部特征數(shù)據(jù)的不一致性和冗余，可以方便地對(duì)特征進(jìn)行編輯操作，使用戶(hù)的界面更加友好。以特征為基礎(chǔ)的造型方法是CAD建模方法的一個(gè)新的里程碑，它可以充分提供制造所需的幾何數(shù)據(jù)，從而可用于制造可行性方案的評(píng)價(jià)、功能分析、過(guò)程選擇、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)等，把設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程緊密結(jié)合，有良好的發(fā)展前景。34第三十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.3裝配造型

在用計(jì)算機(jī)完成零件造型后，根據(jù)設(shè)計(jì)意圖將不同零件組裝配合在一起，形成與實(shí)際產(chǎn)品相一致的裝配體結(jié)構(gòu)以供設(shè)計(jì)者分析評(píng)估，我們稱(chēng)此種技術(shù)為裝配造型技術(shù)。裝配模型的表示通常，一個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品可分解成多個(gè)部件，每個(gè)部件又可以根據(jù)復(fù)雜程序的不同繼續(xù)劃分為下一級(jí)的子部件，如此類(lèi)推，直至零件。這就是對(duì)產(chǎn)品的一種層次描述，采用這種描述可以為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和裝配帶來(lái)很大的方便。同樣地，產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)裝配模型也可以表示成這種層次關(guān)系，如圖所示。35第三十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五裝配結(jié)構(gòu)部件組成裝配的基本單元叫部件。一個(gè)部件可以是一個(gè)零件或一個(gè)子裝配體，也可以是一個(gè)空部件。一個(gè)裝配是由一系列部件按照一定的約束關(guān)系組合在一起的。部件既可以在當(dāng)前的裝配文件中創(chuàng)建，也可以在外部裝配模型文件中建立，然后引用到當(dāng)前文件中來(lái)。

36第三十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五根部件根部件是裝配模型的最頂層結(jié)構(gòu)，也是裝配模型的圖形文件名。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)新模型文件時(shí)，根部件就自動(dòng)產(chǎn)生，此后引入該圖形文件的任何零件都會(huì)跟在該根部件之后。注意，根部件不是一個(gè)具體零部件，而是一個(gè)裝配體的總稱(chēng)?；考考高M(jìn)入裝配中的第一個(gè)部件?；考荒鼙粍h除或禁止，不能被陣列，也不能改變成附加部件。它是裝配模型的最上層部件?；考谘b配模型中的自由度為零，無(wú)須施加任何裝配約束。子裝配體當(dāng)某一裝配體是另一裝配體的零部件時(shí)，則稱(chēng)之為子裝配體。子裝配體常用于更高一層的裝配造型中作為一部件被裝配。子裝配體可以多層嵌套，以反映設(shè)計(jì)的層次關(guān)系。37第三十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五爆炸圖為了清楚地表達(dá)一個(gè)裝配，可以將部件沿其裝配的路線(xiàn)拉開(kāi)，形成所謂的爆炸圖。爆炸圖比較直觀。常用于產(chǎn)品的說(shuō)明插圖以方便用戶(hù)的組裝與維修。真空泵裝配體及其爆炸圖裝配樹(shù)所有的部件添加在基部件上面，形成一個(gè)樹(shù)狀的結(jié)構(gòu)叫做裝配樹(shù)。整個(gè)裝配建模的過(guò)程可以看成是這棵裝配樹(shù)的生長(zhǎng)過(guò)程。在一棵裝配樹(shù)中記錄的是零部件之間的全部結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及零部件之間的裝配約束關(guān)系。用戶(hù)可以從裝配樹(shù)中選取裝配部件，或者改變裝配部件之間的關(guān)系。38第三十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五39第三十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五40第四十頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五裝配約束技術(shù)裝配約束技術(shù)是指在裝配造型中，通過(guò)在零部件之間施加配合約束以對(duì)零件部件的自由度進(jìn)行限制的一種技術(shù)。①零部件自由度分析自由度描述了零部件運(yùn)動(dòng)的靈活性，自由度越大則零部件運(yùn)動(dòng)越靈活。三維空間中一個(gè)自由零件的自由度是6個(gè)；當(dāng)某零部件的自由度為0時(shí)，則稱(chēng)為完全定位。②裝配約束分析裝配造型的過(guò)程可視為對(duì)零部件的自由度進(jìn)行限制的過(guò)程。其主要方式是對(duì)兩個(gè)或多個(gè)零部件施加各種配合約束，從而確定它們之間的幾何關(guān)系。裝配造型中常見(jiàn)的幾種配合約束類(lèi)型41第四十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五貼合約束、對(duì)齊約束、平行約束、垂直約束、相切約束、距離約束、同軸心約束、角度約束裝配造型方法及步驟造型裝配主要以下兩種方法：1、自下而上的設(shè)計(jì)方法自下而上設(shè)計(jì)是由最底層的零件開(kāi)始裝配，然后逐級(jí)逐層向上進(jìn)行裝配的一種方法。該方法比較傳統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是零部件是獨(dú)立設(shè)計(jì)，因此與自上向下設(shè)計(jì)法相比，它們的相互關(guān)系及重建行為更為簡(jiǎn)單。2、自上而下的設(shè)計(jì)方法自上而下設(shè)計(jì)則是指由產(chǎn)品裝配開(kāi)始，然后逐級(jí)逐層向下進(jìn)行設(shè)計(jì)的裝配造型方法。與自下而上的方法相比，它的優(yōu)點(diǎn)：可以首先申明各個(gè)子裝配的空間位置和體積，設(shè)定全局性的關(guān)鍵參數(shù)，為裝配中的子裝配和零件所用，從而建立起它們之間的關(guān)聯(lián)特性，發(fā)揮參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，使得各裝配部件之間的關(guān)系更加密切。42第四十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1）自下而上裝配造型的基本步驟①零件設(shè)計(jì)逐一構(gòu)造裝配體中的所有零件的特征模型。②裝配規(guī)劃對(duì)產(chǎn)品裝配進(jìn)行規(guī)劃。應(yīng)注意的問(wèn)題:對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品，應(yīng)采用部件劃分多層次的裝配方案，進(jìn)行裝配數(shù)據(jù)的組織和實(shí)施裝配。特別是對(duì)于一些通用零件，應(yīng)作成獨(dú)立的子裝配文件在裝配時(shí)進(jìn)行引用。考慮產(chǎn)品的裝配順序，確定零部件的引入順序及其配合約束方法。③裝配操作在述準(zhǔn)備工作基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)提供的裝配命令，逐一把零部件裝配成裝配模型。④裝配管理和修改可隨時(shí)對(duì)裝配體及其零部件構(gòu)成進(jìn)行管理和進(jìn)行各項(xiàng)修改操作。⑤裝配分析在完成了裝配模型后，應(yīng)進(jìn)行裝配干涉狀態(tài)分析、零部件物理特性分析等，若發(fā)現(xiàn)干涉碰撞現(xiàn)象，物理特性不符合要求，需對(duì)裝配模型進(jìn)行修改。⑥其他圖形表示如需要可生成爆炸圖、工程圖等。43第四十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2）自上而下裝配造型的基本步驟①明確設(shè)計(jì)要求和任務(wù)確定諸如產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目的、意圖、產(chǎn)品功能要求、設(shè)計(jì)任務(wù)等方面的內(nèi)容。②裝配規(guī)劃這是該造型中的關(guān)鍵步驟。這一步首先設(shè)計(jì)裝配樹(shù)的結(jié)構(gòu)，要把裝配的各個(gè)子裝配或部件勾畫(huà)出來(lái)，至少包括子裝配或部件的名稱(chēng)，形成裝配樹(shù)。(a)劃分裝配體的層次結(jié)構(gòu)，并為每一個(gè)子裝配或部件命名。(b)全局參數(shù)化方案設(shè)計(jì)。由于這種設(shè)計(jì)方法更加注重零部件之間的關(guān)聯(lián)性，設(shè)計(jì)中修改將更加頻繁，因此，應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)靈活的、易于修改的全局參數(shù)化方案。(c)規(guī)劃零部件間的裝配約束方法。事先要規(guī)劃好零部件間的裝配約束方法，可以采用逐步深入的規(guī)劃。

③設(shè)計(jì)骨架模型骨架模型是裝配造型中的核心內(nèi)容，它包含了整個(gè)裝配的重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。這些參數(shù)可以被各個(gè)部件引用，以便將設(shè)計(jì)意圖融入到整個(gè)裝配中。

44第四十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五④部件設(shè)計(jì)及裝配采取由粗到精的策略，先設(shè)計(jì)粗略的幾何模型，在此基礎(chǔ)上再按照裝配規(guī)劃，對(duì)初始輪廓模型加上正確的裝配約束；采用相同方法對(duì)部