CAD 第4章.造型基面及應(yīng)用.ppt

1、造型基礎(chǔ)及應(yīng)用,模具CAD/CAE/CAM,本章 學(xué)習(xí)目標(biāo),掌握實(shí)體建模和特征建模的基本概念 熟悉各種建模方法的原理、特點(diǎn)及表示方法 學(xué)會(huì)根據(jù)物體的結(jié)構(gòu)形狀分析建模過(guò)程 學(xué)習(xí)使用商品化CAD軟件幾何建模功能,重點(diǎn)：各種建模方式基本原理和特點(diǎn),學(xué)習(xí)內(nèi)容,概述 線框建模 表面建模 實(shí)體建模 特征建模,學(xué)習(xí)內(nèi)容,概述 線框建模 表面建模 實(shí)體建模 特征建模,1. 概述,建模技術(shù)發(fā)展概況 建模技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí) 常用建模方法的比較與應(yīng)用,建模技術(shù)是將現(xiàn)實(shí)世界中的物體及其屬性轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)內(nèi)部可數(shù)字化表示、分析、控制和輸出的幾何形體的方法,建模技術(shù)是產(chǎn)品信息化的源頭，是定義產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示的數(shù)字模型、數(shù)字

2、信息及圖形信息的工具，它為產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析、工程圖生成、數(shù)控編程、數(shù)字化加工與裝配中的碰撞干涉檢查、加工仿真、生產(chǎn)過(guò)程管理等提供有關(guān)產(chǎn)品的信息描述與表達(dá)方法，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造的前提條件，也是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM一體化的核心內(nèi)容,1. 概述,建模技術(shù)發(fā)展概況 建模技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí) 常用建模方法的比較與應(yīng)用,建模技術(shù)發(fā)展概況,早期CAD系統(tǒng)只能處理二維信息，設(shè)計(jì)人員通過(guò)投影圖表達(dá)零件的形狀及尺寸； 建模技術(shù)發(fā)展重要事件:1973年劍橋大學(xué)I.C.Braid等建成BUILD系統(tǒng)；1972年1976年羅徹斯特大學(xué)H.B.Voelcker主持建成PADL-1系統(tǒng)；1968年1972年北海道大學(xué)沖野教授

3、等建成 TIPS-1系統(tǒng) 近年來(lái)，CAD/CAM集成化系統(tǒng)普遍采用實(shí)體模型作為產(chǎn)品造型系統(tǒng)，成為從微機(jī)到工作站上各種圖形系統(tǒng)的核心； 為滿足設(shè)計(jì)到制造各個(gè)環(huán)節(jié)的信息統(tǒng)一要求，建立統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型，推出了特征建模系統(tǒng)； 正在研究全新建模方式行為特征建模，將CAE技術(shù)與CAD建模融為一體，理性確定產(chǎn)品形狀、結(jié)構(gòu)、材料等各種細(xì)節(jié),常見幾何建模模式： 線框建模、表面建模、實(shí)體建模和特征建模,1. 概述,1. 概述,建模技術(shù)發(fā)展概況 建模技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí) 常用建模方法的比較與應(yīng)用,建模技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí),形體的表達(dá)建立在幾何信息和拓?fù)湫畔⒌奶幚砘A(chǔ)上 幾何信息一般是指形體在歐氏空間中的形狀、位置和大小 拓?fù)?/p>

4、信息表達(dá)形體各分量間的聯(lián)接關(guān)系,幾何建?；A(chǔ)知識(shí)： 幾何信息 拓?fù)湫畔?非幾何信息 形體的表示 正則集合運(yùn)算 歐拉檢驗(yàn)公式,建模是以計(jì)算機(jī)能夠理解的方式，對(duì)實(shí)體進(jìn)行確切定義，賦予一定的數(shù)學(xué)描述，并以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)所定義的幾何實(shí)體加以描述，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部構(gòu)造實(shí)體的模型,1. 概述,幾何信息,幾何信息是指物體在空間的形狀、尺寸及位置的描述 幾何信息包括點(diǎn)、線、面、體的信息,五個(gè)頂點(diǎn)用兩種不同方式連接，表達(dá)兩種不同的理解,只用幾何信息表示物體并不充分，常會(huì)出現(xiàn)物體表示的二義性,幾何信息必須與拓?fù)湫畔⑼瑫r(shí)給出,1. 概述,拓?fù)湫畔?拓?fù)湫畔⒎从橙S形體中各幾何元素的數(shù)量及其相互之間連接關(guān)系,拓?fù)潢P(guān)

5、系允許三維實(shí)體隨意地伸張扭曲，兩個(gè)形狀和大小不一樣的實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系可能是等價(jià)的,拓?fù)涮匦缘葍r(jià)的立方體和圓柱體,拓?fù)湫畔⒉煌词箮缀涡畔⑾嗤?，最終構(gòu)造的實(shí)體可能完全不同,1. 概述,非幾何信息,非幾何信息指產(chǎn)品除描述實(shí)體幾何、拓?fù)湫畔⒁酝獾男畔?，包括零件的物理屬性和工藝屬性等，如零件的質(zhì)量、性能參數(shù)、公差、加工粗糙度和技術(shù)要求,為滿足CAD/CAPP/CAM集成的要求，非幾何信息的描述和表示越來(lái)越重要，是目前特征建模中特征分類的基礎(chǔ),1. 概述,形體的表示,頂點(diǎn) 邊的端點(diǎn)，為兩條或兩條以上邊的交點(diǎn)。頂點(diǎn)不能孤立存在于實(shí)體內(nèi)、實(shí)體外或面和邊的內(nèi)部 邊 一維幾何元素，形體相鄰面的交界 環(huán) 有序、有

6、向邊組成的封閉邊界外環(huán)的邊按逆時(shí)針走向，內(nèi)環(huán)的邊按順時(shí)針走向 面 二維幾何元素，是形體上的一個(gè)有限、非零的單連通區(qū)域。面由一個(gè)外環(huán)和若干內(nèi)環(huán)包圍而成，具有方向性，一般用外法矢方向作為正方向,形體在計(jì)算機(jī)內(nèi)采用六層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行定義:,殼 構(gòu)成一個(gè)完整實(shí)體的封閉邊界，是形成封閉的單一連通空間的一組面的結(jié)合。一個(gè)連通的物體有一個(gè)外殼和若干個(gè)內(nèi)殼構(gòu)成 體 三維幾何元素，是由若干個(gè)面包圍成的封閉空間。幾何造型的最終結(jié)果就是各種形式的體,1. 概述,正則形體 非正則形體,正則集合運(yùn)算,通過(guò)形體布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單形體組合形成新的復(fù)雜形體是常用方法,具有良好邊界的形體定義稱為正則形體。正則形體沒有懸邊、懸面或一

7、條邊有兩個(gè)以上的鄰面,兩個(gè)實(shí)體進(jìn)行普通布爾運(yùn)算產(chǎn)生的結(jié)果并不一定是實(shí)體,1. 概述,正則集合運(yùn)算,正則集合運(yùn)算與普通集合運(yùn)算關(guān)系：,式中 、 、 分別為正則交、正則并和正則差 K是封閉的意思，i是內(nèi)部的意思,1. 概述,歐拉檢驗(yàn)公式,為保證幾何建模過(guò)程中每一步產(chǎn)生的中間形體的拓?fù)潢P(guān)系都正確，即檢驗(yàn)物體描述的合法性和一致性，歐拉提出了描述形體的集合分量和拓?fù)潢P(guān)系的檢驗(yàn)公式：,式中: F面數(shù) V頂點(diǎn)數(shù) E邊數(shù) R面中空洞數(shù) H體中空穴數(shù),F+V-E=2+R-2H,歐拉檢驗(yàn)公式是正確生成幾何物體邊界、表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的有效工具，也是檢驗(yàn)物體描述正確與否的重要依據(jù)。但只是必要條件，非充分條件,1. 概述,

8、1. 概述,建模技術(shù)發(fā)展概況 建模技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí) 常用建模方法的比較與應(yīng)用,常用建模方法的比較與應(yīng)用,幾何建模中表示物體形態(tài)常用方法：,建模技術(shù)在CAD中應(yīng)用于設(shè)計(jì)、生成圖形、生產(chǎn)制造與裝配,1. 概述,學(xué)習(xí)內(nèi)容,概述 線框建模 表面建模 實(shí)體建模 特征建模,2. 線框建模,線框建模的概念 線框建模的特點(diǎn),線框建模是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和CAD領(lǐng)域中最早用來(lái)表示形體的建模方法。雖存在著很多不足而且有逐步被表面模型和實(shí)體模型取代的趨勢(shì)，但它是表面模型和實(shí)體模型的基礎(chǔ)，并具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，故仍有應(yīng)用意義,線框建模的概念,線框建模是利用基本線素來(lái)定義設(shè)計(jì)目標(biāo)的棱線部分而構(gòu)成的立體框架圖,線框建模生成的

9、實(shí)體模型由一系列的直線、圓弧、點(diǎn)及自由曲線組成，描述產(chǎn)品的輪廓外形,2. 線框建模,線框建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),立方體的邊表,立方體的頂點(diǎn)表,線框建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是表結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)內(nèi)部存貯物體的頂點(diǎn)和棱線信息,2. 線框建模,線框建模的特點(diǎn),線框建模構(gòu)造的實(shí)體模型只有離散的邊，沒有邊與邊的關(guān)系。信息表達(dá)不完整，會(huì)使物體形狀的判斷產(chǎn)生多義性 復(fù)雜物體的線框模型生成需要輸入大量初始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和有效性難以保證，加重輸入負(fù)擔(dān),線框建模的優(yōu)點(diǎn),只有離散的空間線段，處理起來(lái)比較容易，構(gòu)造模型操作簡(jiǎn)便 所需信息最少，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 硬件的要求不高 系統(tǒng)的使用如同人工繪圖的自然延伸，對(duì)用戶的使用水平要求低，用戶容易

10、掌握,線框建模的缺點(diǎn),2. 線框建模,學(xué)習(xí)內(nèi)容,概述 線框建模 表面建模 實(shí)體建模 特征建模,3. 表面建模,表面建模的分類 表面建模的特點(diǎn),表面建模是將物體分解成組成物體的表面、邊線和頂點(diǎn)，用頂點(diǎn)、邊線和表面的有限集合表示和建立物體的計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型,表面建模的分類,平面建模是將形體表面劃分成一系列多邊形網(wǎng)格，每一個(gè)網(wǎng)格構(gòu)成一個(gè)小的平面，用一系列的小平面逼近形體的實(shí)際表面,表面建模分為平面建模和曲面建模,平面建模,曲面建模,曲面建模是把需要建模的曲面劃分為一系列曲面片，用連接條件拼接來(lái)生成整個(gè)曲面 CAD領(lǐng)域最活躍、應(yīng)用最廣泛的幾何建模技術(shù)之一,3. 表面建模,參數(shù)曲面,參數(shù)曲面建模在拓?fù)渚匦?/p>

11、的邊界網(wǎng)格上利用混合函數(shù)在縱向和橫向兩對(duì)邊界曲線間構(gòu)造光滑過(guò)渡的曲線構(gòu)造曲面。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中應(yīng)用最多,曲面建模中常見參數(shù)曲面： 孔斯（Coons）曲面 Bezier曲面 B樣條（B-spline）曲面 非均勻有理B樣條（ NURBS ）曲面 ,3. 表面建模,孔斯（Coons）曲面,1964年，美國(guó)MIT的 S.A.Coons 提出利用一組有四條邊界的曲面片表示曲面的方法，形成Coons曲面法 Coons曲面先進(jìn)實(shí)用，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),Coons曲面是通過(guò)一組具有四條邊界的曲面片來(lái)表示曲面，這些曲面片的邊界曲線由u或v 分段參數(shù)方程表示，邊界曲線段的端點(diǎn)就是曲面片的角點(diǎn)，對(duì)應(yīng)

12、于參數(shù)的整數(shù)值 Coons曲面的特點(diǎn)是插值，即通過(guò)滿足給定邊界條件的方法構(gòu)造曲面,3. 表面建模,Bezier曲面,Bezier曲面由多邊形面上的設(shè)計(jì)點(diǎn)所構(gòu)成網(wǎng)格定義。 主要問(wèn)題是局部形狀控制，因?yàn)橐苿?dòng)多邊形曲面上的一點(diǎn)，就會(huì)影響整個(gè)所有曲面形狀,法國(guó)雷諾汽車公司的工程師P.E. Bzier于1962年獨(dú)創(chuàng)構(gòu)造貝塞爾曲線曲面的方法，法國(guó)Dassault飛機(jī)公司研制的CATIA系統(tǒng)廣泛使用,Bezier曲線的形狀由一多邊形定義，僅有多邊形第一個(gè)及最后一個(gè)頂點(diǎn)在該曲線上，其余的頂點(diǎn)則定義曲線的導(dǎo)數(shù)、階數(shù)及形狀 曲線的形狀大致上是按照多邊的形狀而變化，改變多邊形頂點(diǎn)位置就可以讓使用者直觀地交互式控制

13、任意復(fù)雜空間曲線生成 Bezier曲面由Bezier曲線構(gòu)成,3. 表面建模,B樣條（B-spline）曲面,在任意截面上選擇多個(gè)點(diǎn)為特征頂點(diǎn)，用最小二乘積逼近方法生成一條曲線，即B樣條曲線。 在曲面 V方向的不同截面上可生成一組(N+1)條 B樣條曲線，同樣在曲面 U方向的不同截面也生成一組(M+1)條B樣條曲線。兩組B樣條曲線的直積可構(gòu)成B樣條曲面。,其中，Pi(i=0,1,.,n)是控制多邊形的頂點(diǎn)，Ni,k(t)(i=0,1,.,n)稱為k階(k-1次)B樣條基函數(shù),20世紀(jì)七十年代初，Gordon等人在貝塞爾方法基礎(chǔ)上引入了B樣條方法，克服了貝塞爾方法整體表示的局限，具有局部性質(zhì),B

14、樣條方法仍采用控制頂點(diǎn)定義曲線曲面，但改用特殊基函數(shù)：,3. 表面建模,非均勻有理B樣條(Non-Uniform Rational B-spline，NURBS)曲面,B樣條曲線(曲面)只能近似表示除拋物面以外的二次曲線曲面(如：圓弧、橢圓弧、雙曲線等) ，使簡(jiǎn)單問(wèn)題復(fù)雜化，帶來(lái)設(shè)計(jì)誤差 非均勻有理B樣條技術(shù)對(duì) B樣條方法進(jìn)行改造，擴(kuò)充了統(tǒng)一表示二次曲線與曲面的能力,NURBS被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義為工業(yè)產(chǎn)品形狀表示的標(biāo)準(zhǔn)方法,3. 表面建模,曲面建模時(shí)經(jīng)常要處理的問(wèn)題,曲面光順,曲面求交,曲面裁剪,一個(gè)實(shí)體可以用不同的曲面造型方法來(lái)構(gòu)成相同的曲面 哪一種方法產(chǎn)生的模型更好，一般用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量

15、： 1. 更能準(zhǔn)確體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)原則； 2. 產(chǎn)生的模型能夠準(zhǔn)確、快速、方便地產(chǎn)生數(shù)控刀具軌跡，更好地為CAM、CAE服務(wù),表面建模方法通常用于構(gòu)造復(fù)雜的曲面物體 曲面建模過(guò)程經(jīng)常會(huì)遇到以下問(wèn)題：,3. 表面建模,曲面光順,曲面光順字面理解指曲面光滑、順眼，在數(shù)學(xué)意義上則要求曲線和曲面具有二階連續(xù)性、無(wú)多余拐點(diǎn)和曲率變化均勻,整體光順每次調(diào)整所有的型值點(diǎn) 局部光順每次只調(diào)整個(gè)別點(diǎn),曲面光順后,曲面光順前,用數(shù)學(xué)的方法對(duì)曲面光順進(jìn)行處理，通常用最小二乘法、能量法、回彈法、基樣條法、磨光法,3. 表面建模,各種光順?lè)椒ǖ闹饕獏^(qū)別在于使用不同的目標(biāo)函數(shù)以及每次調(diào)整型值點(diǎn)的數(shù)量。,曲面求交

16、,曲面求交是曲面操作中最基本的一種算法，要求準(zhǔn)確、可靠、迅速，并保留兩張相交曲面的已知拓?fù)潢P(guān)系，以便實(shí)現(xiàn)幾何建模的布爾運(yùn)算和數(shù)控加工的自動(dòng)編程 常用的求交算法有解析法、分割法、跟蹤法、隱函數(shù)法,3. 表面建模,曲面裁剪,兩曲面相貫后，交線通常構(gòu)成原有曲面的新邊界，怎樣合理表示經(jīng)過(guò)裁剪的曲面？ 曲面求交方法實(shí)際上是求出交線上的一系列離散點(diǎn)，在裁剪曲面的邊界線表示中可將這些離散點(diǎn)連成折線，也可以擬合成樣條曲線。對(duì)于參數(shù)曲面，一般以參數(shù)平面上的交線表示為主,3. 表面建模,表面建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),表面建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是表結(jié)構(gòu)，除給出邊線及頂點(diǎn)的信息之外，還提供了構(gòu)成三維立體各組成面素的信息,立方體的面表,

17、3. 表面建模,表面建模的特點(diǎn),三維實(shí)體信息描述較線框建模嚴(yán)密、完整，能夠構(gòu)造出復(fù)雜的曲面，如汽車車身、飛機(jī)表面、模具外型,曲面建模理論嚴(yán)謹(jǐn)復(fù)雜，所以建模系統(tǒng)使用較復(fù)雜，并需一定的曲面建模的數(shù)學(xué)理論及應(yīng)用方面的知識(shí) 此種建模雖然有了面的信息，但缺乏實(shí)體內(nèi)部信息，所以有時(shí)產(chǎn)生對(duì)實(shí)體二義性的理解。如一個(gè)圓柱曲面，就無(wú)法區(qū)別它是一個(gè)實(shí)體軸的面或是一個(gè)空心孔的面,優(yōu)點(diǎn)：,缺點(diǎn)：,可以對(duì)實(shí)體表面進(jìn)行消隱、著色顯示 可以計(jì)算表面積，利用建模中的基本數(shù)據(jù)，進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?可以利用表面造型生成的實(shí)體數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)控加工刀具軌跡,3. 表面建模,學(xué)習(xí)內(nèi)容,概述 線框建模 表面建模 實(shí)體建模 特征建模,實(shí)體建?；驹?/p>

18、理 實(shí)體建模方法,采用基本體素組合，通過(guò)集合運(yùn)算和基本變形操作建立三維立體的過(guò)程稱為實(shí)體建模 實(shí)體建模是實(shí)現(xiàn)三維幾何實(shí)體完整信息表示的理論、技術(shù)和系統(tǒng)的總稱,實(shí)體建模能夠定義三維物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀，完整地描述物體的所有幾何信息和拓?fù)湫畔?，包括物體的體、面、邊和頂點(diǎn)的信息,實(shí)體建模技術(shù)是CAD/CAM中的主流建模方法,4. 實(shí)體建模,實(shí)體建模的基本原理,實(shí)體建模技術(shù)是利用實(shí)體生成方法產(chǎn)生實(shí)體初始模型，通過(guò)幾何的邏輯運(yùn)算，形成復(fù)雜實(shí)體模型的一種建模技術(shù),基本實(shí)體構(gòu)造,體間邏輯運(yùn)算,基本實(shí)體構(gòu)造是定義和描述基本的實(shí)體模型，包括體素法和掃描法。,實(shí)體模型特點(diǎn)： 由具有一定拓?fù)潢P(guān)系的形體表面定義形體，表

19、面之間通過(guò)環(huán)、邊、點(diǎn)建立聯(lián)系，表面的方向由圍繞表面的環(huán)的繞向決定，表面法向矢量指向形體之外； 覆蓋一個(gè)三維立體的表面與實(shí)體可同時(shí)生成,實(shí)體建模技術(shù)主要包括兩部分：,4. 實(shí)體建模,體素法,用CAD系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造的基本體素的實(shí)體信息（如長(zhǎng)方體、球、圓柱、圓環(huán)）直接產(chǎn)生相應(yīng)實(shí)體模型的方法,基本體素的實(shí)體信息包括基本體素的幾何參數(shù)（如長(zhǎng)、寬、高、半徑等）及體素的基準(zhǔn)點(diǎn),4. 實(shí)體建模,掃描法,將平面內(nèi)的封閉曲線沿某一路徑“掃描”(平移、旋轉(zhuǎn)、放樣等)形成實(shí)體模型 掃描法可形成較為復(fù)雜的實(shí)體模型,1. 運(yùn)動(dòng)形體,稱基體 2. 形體運(yùn)動(dòng)的路徑,掃描變換兩個(gè)分量：,4. 實(shí)體建模,基本體間邏輯運(yùn)算布爾運(yùn)算,

20、幾何建模的集合運(yùn)算理論依據(jù)集合論中的交(Intersection)、并(Union)、差(Difference)等運(yùn)算，是把簡(jiǎn)單形體（體素）組合成復(fù)雜形體的工具,交集： 形體C包含所有A、B共同的點(diǎn),并集： 形體C包含A與B的所有點(diǎn),差集： 形體C包含從A中減去A和B 共同點(diǎn)后的其余點(diǎn),4. 實(shí)體建模,布爾運(yùn)算實(shí)例,這個(gè)看似復(fù)雜的模型，實(shí)際上是一個(gè)立方體與一個(gè)空心球體進(jìn)行求交（intersect）布爾操作的結(jié)果,4. 實(shí)體建模,實(shí)體建模方法,與表面建模不同，計(jì)算機(jī)內(nèi)部存貯的三維實(shí)體建模信息不是簡(jiǎn)單的邊線或頂點(diǎn)的信息，而是準(zhǔn)確、完整、統(tǒng)一地記錄生成物體各個(gè)方面的數(shù)據(jù),常見的實(shí)體建模表示方法 邊界

21、表示法 結(jié)構(gòu)實(shí)體表示法 混合表示法 空間單元表示法 掃描變換法 半空間法 參數(shù)表示法,4. 實(shí)體建模,邊界表示法（Boundary Representation）,邊界表示法簡(jiǎn)稱 B-Rep，是通過(guò)對(duì)集合中某個(gè)面的平移和旋轉(zhuǎn)以及指示點(diǎn)、線、面相互間的連接操作來(lái)表示空間三維實(shí)體。由于是通過(guò)描述形體的邊界描述形體，而形體的邊界就是其內(nèi)部點(diǎn)與外部點(diǎn)的分界面，所以稱為邊界表示法,記錄實(shí)體、面、邊、頂點(diǎn)等幾何信息和連接關(guān)系，計(jì)算機(jī)內(nèi)部按網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存貯,有利于生成和繪制線框圖、投影圖，有利于計(jì)算幾何特性 核心信息是面，對(duì)幾何物體的整體描述能力相對(duì)較差,4. 實(shí)體建模,結(jié)構(gòu)實(shí)體表示法(Constru

22、ctive Solid Geometry),結(jié)構(gòu)實(shí)體表示法簡(jiǎn)稱 CSG 法，用布爾運(yùn)算將簡(jiǎn)單的基本體素拼合成復(fù)雜實(shí)體的描述方法，通過(guò)有序的二叉樹記錄 CSG 表示法只說(shuō)明了形體怎樣構(gòu)造，沒有指出新實(shí)體的頂點(diǎn)坐標(biāo)、邊、面的任何具體信息，故形體的CSG表示只是一種過(guò)程性表示，或稱為非計(jì)算模型,CSG 法簡(jiǎn)潔，生成速度快，處理方便，無(wú)冗余信息。 信息簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無(wú)法存貯物體最終詳細(xì)信息，如邊界、頂點(diǎn)的信息,4. 實(shí)體建模,二叉樹形式表示的CSG法,形體的CSG表示法是用一棵有序的二叉樹記錄的一個(gè)實(shí)體的所有組合基本體素以及正則集合運(yùn)算和幾何變換的過(guò)程,葉節(jié)點(diǎn)分兩種： 基本體素，如長(zhǎng)方體、圓柱 體素作

23、運(yùn)動(dòng)變換時(shí)的參數(shù)，如平移參數(shù)X,枝節(jié)點(diǎn)表示某種運(yùn)算： 運(yùn)動(dòng)運(yùn)算子，如平移、旋轉(zhuǎn) 集合運(yùn)算子，經(jīng)修改后適用于形狀運(yùn)算的正則化集合運(yùn)算子,根節(jié)點(diǎn)表示樹中相應(yīng)基本體素經(jīng)幾何變換和正則集合運(yùn)算后得到的實(shí)體,4. 實(shí)體建模,混合表示法 （Hybird Model）,混合表示法是建立B-Rep和CSG法基礎(chǔ)上，在同一CAD系統(tǒng)中將兩者結(jié)合起來(lái)形成的實(shí)體定義描述法,即在CSG二叉樹的基礎(chǔ)上，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上加入邊界法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),CSG 法為系統(tǒng)外部模型，做用戶窗口，便于用戶輸入數(shù)據(jù)、定義實(shí)體體素 B-Rep 法為內(nèi)部模型，將用戶輸入的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 B-Rep的數(shù)據(jù)模型，以便在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)實(shí)體模型更為詳細(xì)信息

24、,混合模式是CSG基礎(chǔ)上的邏輯擴(kuò)展，起主導(dǎo)作用的是CSG結(jié)構(gòu)，B-Rep可減少中間環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)計(jì)算量，以完整的表達(dá)物體的幾何、拓?fù)湫畔?，便于?gòu)造產(chǎn)品模型,4. 實(shí)體建模,空間單元表示法,基本思想：通過(guò)一系列空間單元構(gòu)成的圖形表示物體 單元為具有一定大小的平面或立方體，計(jì)算機(jī)內(nèi)部通過(guò)定義各單元的位置是否被實(shí)體占有來(lái)表達(dá)物體,算法比較簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行幾何運(yùn)算及做出局部修改，常用來(lái)描述比較復(fù)雜，尤其是內(nèi)部有孔，或具有凸凹等不規(guī)則表面的實(shí)體 要求有大量的存儲(chǔ)空間，沒有關(guān)于點(diǎn)、線、面的概念，不能表達(dá)一個(gè)物體兩部分之間的關(guān)系,空間單元表示法也叫分割法,4. 實(shí)體建模,空間單元表示法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),空間單元表示法數(shù)據(jù)

25、結(jié)構(gòu)通常用:四叉樹和八叉樹,四叉樹用于二維物體描述，基本思想是將平面劃分為四個(gè)子平面（這些子平面仍可以繼續(xù)劃分），通過(guò)定義這些子平面的“有圖形”和“無(wú)圖形”來(lái)描述不同形狀物體,八叉樹用于三維物體描述，設(shè)空間通過(guò)三坐標(biāo)平面 XOY、YOZ、ZOX劃分為八個(gè)子空間。八叉樹中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)描述每一個(gè)子空間。 八叉樹最大優(yōu)點(diǎn)是便于作出局部修改及進(jìn)行集合運(yùn)算,4. 實(shí)體建模,掃描變換法,掃描變換以沿著某種軌跡移動(dòng)點(diǎn)、曲線或曲面的概念為基礎(chǔ)，它要求定義移動(dòng)的形體和軌跡 形體可以是曲線、曲面或?qū)嶓w 軌跡應(yīng)是可分析、可定義的,在掃描表示中，只要二維集合無(wú)二義性，實(shí)體就不會(huì)有二義性,4. 實(shí)體建模,實(shí)體建模方

26、法,與表面建模不同，計(jì)算機(jī)內(nèi)部存貯的三維實(shí)體建模信息不是簡(jiǎn)單的邊線或頂點(diǎn)的信息，而是準(zhǔn)確、完整、統(tǒng)一地記錄生成物體各個(gè)方面的數(shù)據(jù),常見的實(shí)體建模表示方法 邊界表示法 結(jié)構(gòu)實(shí)體表示法 混合表示法 空間單元表示法 掃描變換法 半空間法 參數(shù)表示法,利用TIPS（Technical Information Processing System）系統(tǒng)，形成CAD/CAM多功能的實(shí)體造型試驗(yàn)系統(tǒng)，幾何定義語(yǔ)句格式與APT語(yǔ)言很相似,零件按族分類，族類零件由幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來(lái)表示，其余形狀尺寸都按一定的比例由這些參數(shù)來(lái)決定,4. 實(shí)體建模,學(xué)習(xí)內(nèi)容,概述 線框建模 表面建模 實(shí)體建模 特征建模,5. 特征建模,

27、特征建模概述 特征建模原理 特征間的關(guān)系 特征的表達(dá)方法 特征庫(kù)建立,特征建模是建立在實(shí)體建?；A(chǔ)上，利用特征的概念面向整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的建模方法 不僅包含與生產(chǎn)有關(guān)的非幾何信息，而且描述這些信息之間關(guān)系,5. 特征建模,特征建模概述 特征建模原理 特征間的關(guān)系 特征的表達(dá)方法 特征庫(kù)建立,特征建模是建立在實(shí)體建?；A(chǔ)上，利用特征的概念面向整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的建模方法 不僅包含與生產(chǎn)有關(guān)的非幾何信息，而且描述這些信息之間關(guān)系,特征建模概述,特征建模技術(shù)發(fā)展很快，ISO頒布的 PDES/STEP 標(biāo)準(zhǔn)已將部分特征信息（形狀特征、公差特征）引入產(chǎn)品信息模型,特征建

28、模方法大致分為： 交互式特征定義 特征自動(dòng)識(shí)別 基于特征設(shè)計(jì),利用現(xiàn)有的實(shí)體建模系統(tǒng)建立產(chǎn)品的幾何模型，由用戶進(jìn)入特征定義系統(tǒng)，通過(guò)圖形交互拾取，在已有實(shí)體模型上定義特征幾何所需要的幾何要素，并將特征參數(shù)或精度、技術(shù)要求、材料熱處理等信息，作為屬性添加到特征模型中,將設(shè)計(jì)的實(shí)體幾何模型與系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)先定義特征庫(kù)中的特征進(jìn)行自動(dòng)比較，確定特征的具體類型及其它信息，形成實(shí)體的特征建模,利用系統(tǒng)內(nèi)已預(yù)定義的特征庫(kù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行特征造型或特征建模,5. 特征建模,特征建模的特點(diǎn),特征引用直接體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作在更高的層次上展開,使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮加工、制造要求，有利于降低產(chǎn)品的成本 產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析

29、、工藝準(zhǔn)備、加工、檢驗(yàn)各部門之間具有了共同語(yǔ)言，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖貫徹到各環(huán)節(jié) 針對(duì)專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的需要建立特征庫(kù)，快速生成需要的形體 特征建模技術(shù)著眼于更好、更完整地表達(dá)產(chǎn)品全生命周期的技術(shù)和生產(chǎn)組織、計(jì)劃管理等多階段的信息，著眼于建立CAD系統(tǒng)與CAX系統(tǒng)、MRP系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)的集成化產(chǎn)品信息平臺(tái),特征建模的功能,預(yù)定義特征，并建立特征庫(kù)，實(shí)現(xiàn)基于特征的零件設(shè)計(jì)； 支持用戶自定義特征，完成特征庫(kù)的管理操作； 對(duì)已有的特征可進(jìn)行刪除和移動(dòng)操作； 零件設(shè)計(jì)中能提取和跟蹤有關(guān)幾何屬性。,5. 特征建模,5. 特征建模,特征建模概述 特征建模原理 特征間的關(guān)系 特征的表達(dá)方法 特征庫(kù)建立,特征建模是建

30、立在實(shí)體建?；A(chǔ)上，利用特征的概念面向整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的建模方法 不僅包含與生產(chǎn)有關(guān)的非幾何信息，而且描述這些信息之間關(guān)系,特征建模原理,特征反映設(shè)計(jì)者和制造者的意圖： 從設(shè)計(jì)角度看，特征分為設(shè)計(jì)特征、分析特征、管理特征 從造型角度看，特征是一組具有特定關(guān)系的幾何或拓?fù)湓?從加工角度看，特征被定義為與加工、操作和工具有關(guān)的零部件形式及技術(shù)特征,特征的定義,特征建模系統(tǒng)構(gòu)成體系,零件信息模型,5. 特征建模,形狀特征模型,形狀特征是描述零件或產(chǎn)品的最主要的特征，主要包括幾何信息、拓?fù)湫畔?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以實(shí)體建模中 B-Rep法為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)包括特征類型、序號(hào)、尺寸及公差 兩個(gè)層

31、次： 點(diǎn)、線、面、環(huán)組成B-Rep法的低層次結(jié)構(gòu) 特征信息組成高層次結(jié)構(gòu),零件形狀特征的分類,5. 特征建模,形狀特征模型,形狀特征是描述零件或產(chǎn)品的最主要的特征，主要包括幾何信息、拓?fù)湫畔?主特征用來(lái)構(gòu)造零件的基本幾何形體 根據(jù)特征形狀復(fù)雜程度分為簡(jiǎn)單主特征和宏特征,零件形狀特征的分類,5. 特征建模,形狀特征模型,形狀特征是描述零件或產(chǎn)品的最主要的特征，主要包括幾何信息、拓?fù)湫畔?零件形狀特征的分類,5. 特征建模,如盤類零件、輪類零件的輪幅和輪轂等，基本上都是由宏特征及附加在其上的輔助特征（如孔、槽等）由一個(gè)宏特征構(gòu)成。宏特征的定義可以簡(jiǎn)化建模過(guò)程，避免各個(gè)表面特征的分別描述，并且能反映

32、出零件的整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)功能和制造工藝。,宏特征，指具有相對(duì)固定的結(jié)構(gòu)形狀和加工方法的形狀特征，其幾何形狀比較復(fù)雜，而又不便于進(jìn)一步細(xì)分為其它形狀特征的組合。,形狀特征模型,形狀特征是描述零件或產(chǎn)品的最主要的特征，主要包括幾何信息、拓?fù)湫畔?零件形狀特征的分類,5. 特征建模,依附于主特征上的幾何形狀特征 主特征的局部修飾，反映零件幾何形狀的細(xì)微結(jié)構(gòu),形狀特征模型,形狀特征是描述零件或產(chǎn)品的最主要的特征，主要包括幾何信息、拓?fù)湫畔?零件形狀特征的分類,5. 特征建模,組合特征由簡(jiǎn)單輔特征組合而成 復(fù)制特征由同類型輔特征按一定規(guī)律在空間不同位置上復(fù)制而成,形狀特征模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),S- 字符數(shù)據(jù)類型

33、 E- 枚舉數(shù)據(jù)類型 I- 整型數(shù)據(jù)類型 R- 實(shí)型數(shù)據(jù)類型 *Pt-指針,關(guān)系屬性指形狀特征之間的聯(lián)系，如形狀特征與精度特征、材料熱處理特征之間相互引用聯(lián)系,形狀特征通過(guò)參數(shù)描述，在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)各自的功能，并對(duì)應(yīng)各自的加工方法、加工設(shè)備和刀具、量具、輔具,5. 特征建模,精度特征模型,表達(dá)零件的精度信息，包括尺寸公差、形位公差、表面粗糙度,形狀公差的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),表面粗糙度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),E- 枚舉數(shù)據(jù)類型 I- 整型數(shù)據(jù)類型 R- 實(shí)型數(shù)據(jù)類型 *Pt-指針,5. 特征建模,材料特征模型,材料特征模型包括材料信息和熱處理信息 熱處理信息包括熱處理方式、硬度單位和硬度值的上、下限 材料信息包括材料名稱

34、、牌號(hào)、和力學(xué)性能參數(shù),熱處理特征模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),材料特征模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),S- 字符數(shù)據(jù)類型 E- 枚舉數(shù)據(jù)類型 I- 整型數(shù)據(jù)類型 R- 實(shí)型數(shù)據(jù)類型 *Pt-指針,5. 特征建模,管理特征模型,S- 字符數(shù)據(jù)類型 E- 枚舉數(shù)據(jù)類型,管理特征主要是描述零件的總體信息和標(biāo)題欄信息，如零件名、零件類型、GT碼、零件的輪廓尺寸(最大直徑、最大長(zhǎng)度)、質(zhì)量、件數(shù)、材料名、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)日期,管理特征模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),5. 特征建模,技術(shù)特征模型,技術(shù)特征模型的信息包括零件的技術(shù)要求和特性表 這些信息沒有固定的格式和內(nèi)容，很難用統(tǒng)一的模型來(lái)描述,描述零部件有關(guān)裝配的信息，如零件的配合關(guān)系、裝配關(guān)系,裝配

35、特征模型,5. 特征建模,5. 特征建模,特征建模概述 特征建模原理 特征間的關(guān)系 特征的表達(dá)方法 特征庫(kù)建立,特征建模是建立在實(shí)體建模基礎(chǔ)上，利用特征的概念面向整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的建模方法 不僅包含與生產(chǎn)有關(guān)的非幾何信息，而且描述這些信息之間關(guān)系,繼承關(guān)系構(gòu)成特征之間層次聯(lián)系，位于層次上級(jí)的叫超類特征，位于層次下級(jí)的叫亞類特征 亞類特征可繼承超類特征的屬性和方法，這種繼承關(guān)系稱AKO（A-Kind-of）關(guān)系，如特征與形狀特征之間的關(guān)系。 特征類與特征實(shí)例之間關(guān)系稱為INS（Instance）關(guān)系，如某一具體的圓柱體是圓柱體特征類的一個(gè)實(shí)例，它們之間反映了INS關(guān)系,特征間的

36、關(guān)系,特征類是關(guān)于特征類型的描述，是具有相同信息性質(zhì)或?qū)傩缘奶卣鞲爬?特征實(shí)例是對(duì)特征屬性賦值后的一個(gè)特定特征，是特征類的一個(gè)成員,特征類之間、特征實(shí)例之間、特征類與特征實(shí)例之間關(guān)系：,繼承關(guān)系,鄰接關(guān)系,從屬關(guān)系,引用關(guān)系,5. 特征建模,CONT（Connect-To）反映形狀特征之間的相互位置關(guān)系。 構(gòu)成鄰接聯(lián)系的形狀特征之間狀態(tài)可共享，如一根階梯軸，每相鄰兩個(gè)軸段之間的關(guān)系就是鄰接關(guān)系，其中每個(gè)鄰接面的狀態(tài)可共享,特征間的關(guān)系,特征類之間、特征實(shí)例之間、特征類與特征實(shí)例之間關(guān)系：,繼承關(guān)系,鄰接關(guān)系,從屬關(guān)系,引用關(guān)系,5. 特征建模,特征類是關(guān)于特征類型的描述，是具有相同信息性質(zhì)或?qū)傩缘奶卣鞲爬?特征實(shí)例是對(duì)特征屬性賦值后的一個(gè)特定特征