第1章几何造型方法介绍和分类ppt课件.ppt
Computer Aided Design,第一篇CAD技术,第1章 几何造型方法介绍和分类,1.1 几何造型方法,1.3 典型的几何造型系统,1.2 实体模型的表示,1.4 产品的数据交换标准,第一代：手工绘制工程图第二代：二维计算机绘图第三代：三维线架系统第四代：曲面造型第五代：实体造型,1.1 几何造型方法,1.1 几何造型方法,几何造型技术的发展,几何造型技术,几何构形数字化描述,1.1 几何造型方法,线框造型,曲面造型,实体造型,1.1 几何造型方法,优点：模型的数据结构简单，数据存储量小；缺点：不能自动消隐，几何描述能力差；不能进行诸如体积、面积、重量、惯性矩等几何特性的计算。,一、线框造型,物体的骨架,1.1 几何造型方法,二、曲面造型,物体的皮肤,Bzier方法 B样条方法 非均匀有理B样条（NURBS）,1.1 几何造型方法,1.1 几何造型方法,飞机气道模型三角网络上的复合Bzier曲面,1.1 几何造型方法,基于四边形的C-C细分曲面,三、实体造型,1.1 几何造型方法,“有血有肉”的物体模型,1.2 实体模型的表示,1.2 实体模型的表示,实体造型,体素的定义和描述,体素之间的拼合,体素构造法,边界表示法,1.体素构造法,体素构造法也称构造实体几何法或CSG树(constructive solid geometry)，即用二叉树的形式记录零件的所有组成体素进入拼合运算的过程。,1.2 实体模型的表示,二维实体的交、并、差拼合运算,1.2 实体模型的表示,1.2 实体模型的表示,1.2 实体模型的表示,1.2 实体模型的表示,将物体表示成一棵二叉树，称为CSG树。叶 节 点-基本体素，如立方体、圆柱体、圆环、锥体、球体等中间节点-并、交、差正则集合运算,1.2 实体模型的表示,1.2 实体模型的表示,几何定义语句：PART=I+II-III-IV,体素构造法表示复杂形体非常简洁，其理论基础可以归纳为：,1、体素的拼合是一个集合运算过程。2、参与运算的体素必须是正则集。,封闭,1.2 实体模型的表示,正则集,1.2 实体模型的表示,正则形体与非正则形体：面是形体表面的一部分，不允许存在悬面；不允许存在悬边；边只有两个邻面；点至少和三个面(或三条边)邻接，不允许存在孤立点。,1.2 实体模型的表示,3、几何运算的基础是对参与运算的元素进行分类,1.2 实体模型的表示,4、体素分类是求两组元素的组合,1.2 实体模型的表示,表1.2 对于拼合体 的分类,1.2 实体模型的表示,5、当集合运算的结果有二义性时，利用邻域进行测试,1.2 实体模型的表示,6、对CSG表示采用分治（Divide-and-Conquer）算法,所谓分治，就是对于实际中遇到的问题，倘若它比较复杂，不能直接求解，就将这个问题分割成若干小问题分别求解；然后再将求得的小问题的解合成整个问题的解。,1.2 实体模型的表示,递归模式,Procedure ClassLine3D(L,S)if S is a primitive Then ClassLine3DwrtPrim(L,S)else CombineLine3D(ClassLine3D(L,Left_S),ClassLine3D(L,Right_S),Op_S),1.2 实体模型的表示,Boundary Representation，也称BR表示或BRep表示最成熟、无二义性物体的边界与物体一一对应实体的边界是表面的并集表面的边界是边的并集,1.2 实体模型的表示,2、边界表示法,几何信息,欧式空间中的位置和大小,拓扑信息,顶点、边、面的数目、类型以及连通关系,1.2 实体模型的表示,1.2 实体模型的表示ACIS,ACIS数据结构表示的四面体模型,1.2 实体模型的表示ACIS,边界表示拓扑图,BG Baumgart提出的翼边结构用来清楚说明多面体模型的面、边、顶点之间的拓扑关系。,1.2 实体模型的表示,体素构造模型,外部模型,边界表示模型,内部模型,1.2 实体模型的表示,3.混合表示,1.3 典型的几何造型系统,1、国外CAD软件,Pro/E（Pro/Engineer）,I-DEAS,UG（Unigraphics）,1.3 典型的几何造型系统,2、国内CAD/CAM软件,CAXA电子图板与制造工程师,开目CAD,1.3 典型的几何造型系统,1.4 产品数据交换标准,常用的面向产品数据模型及其文件格式的标准有DXF、IGES和STEP。,1.4 产品数据交换标准,1、DXF,DXF文件的总体结构由7个段和文件结尾组成，按顺序分别是：标题段、类段、表段、块段、实体段、对象段、预览段、文件结尾。DXF文件的最小组成单元是组（Group），一个DXF文件由若干组构成，每个组在文件中占两行，第一行称为组码（Group code），第二行称为组值（Group value）。组码说明了组值的数据类型，组值是数据的具体值，这两行组合起来才是一个完整的数据。外部应用程序通过组码得到组值的数据类型，从而可以方便地读取组值。,1.4 产品数据交换标准,2、IGES,基本图形交换规范（Initial Graphics Exchange Specification，IGES）1980年由美国国家标准局主持开发，1982年成为ANSI标准。IGES虽然不是ISO标准，且在1992年以后其版本不再发展，但作为事实上的工业标准，现有大多数CAD商用软件仍支持IGES图形文件格式。利用IGES文件，用户可以从中提取所需数据进行用户应用程序的开发。,1.4 产品数据交换标准,IGES的文件格式分为ASCII格式与二进制格式。,固定行长的格式中，每行为80个字符，由若干行组成一个文件。文件分成五段到六段，即开始段，全局参数段，目录段，参数数据段、结束段。,1.4 产品数据交换标准,标志段：标志段可选，对于固定行长的ASCII文件可省。第一行的第73列如是B，则是二进制文件，如是C，则是压缩的ASCII文件。开始段：开始段提供人们阅读文件的序言。行数不限，但至少应占一行，每行的第73列有字母S。第74至80列为序号。全局参数段：全局参数段所有记录的第73列均有字母G。7480列为序号。本段含前置处理与后置处理的有关信息。例如参数分界符，记录分界符，发送系统标识符，文件名，前置处理文本，各种数据的表示方式，接受系统标识符等等以及作者、机构、版本等。,1.4 产品数据交换标准,目录段：目录段为文件提供一个索引。每行的第73列为字母D，第74至80列为序号。文件的每个实体都在目录中占有一个条目。条目占两行。每89个字符组成一个域，共20个域。参考数数据段：参考数数据段列出实体的参数数据。每行的第73列有字母P。数据按自由格式排列，每行止于第64列。65列为空白。66列至72列有关于本实体在条目目录段中的第一行的序号，第74至80列仍为本段落持序号。结束段：结束段标志文件的结束。它占一行，第73列为T。该行分为10个域。每域的首字符为段的代码，其后为本段的最末一行序号。1，2，3，4域为S，G，D，P。59域保留，第10域为结束段。结束段域中填T0000001。结束段所在行必须是文件的最后一行。,1.4 产品数据交换标准,IGES是一种中性文件，其作用是在不同的CAD/CAM系统之间交换数据。将某种CAD系统的输出转换成IGES文件时需用前置处理程序处理；将IGES文件传送至另一种CAD系统也需要经后置程序处理。,1.4 产品数据交换标准,不同系统间通过IGES交换数据,1.4 产品数据交换标准,尽管IGES在工业界得到了广泛和成功的应用，但它在实践中存在着比较严重的问题，即不同系统之间采用IGES文件进行数据交换时图形发生失真现象。,首先，IGES中定义的实体主要是几何图形方面的信息，而不是产品定义的全面信息。,其次，IGES的另一个缺点是数据传输不可靠，一些语法结构有二义性，这可能导致数据交换的失败。,此外，IGES文件所占的存储空间太大，虽然后来提出了压缩的ASCII码格式，但多数IGES处理器都不支持。,1.4 产品数据交换标准,产品模型数据转换标准（Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP），于1988年公布为ISO标准。,STEP标准是一个关于产品信息表达与交换的国际标准，它提供了一种不依赖于具体软硬件系统的中性机制，目的是要建立一个包括产品整个生命周期的、完整的、语义一致的产品数据模型，从而满足产品生命周期内各个阶段对产品信息的不同需求，并保证对产品信息理解的一致性。,2、STEP,1.4 产品数据交换标准,STEP标准包括以下5方面的内容：标准的描述方法、资源模型的定义、应用协议、实现形式以及一致性测试。,1.4 产品数据交换标准,STEP标准是一种思想、一门技术和一种方法学，它对产品信息建模、信息集成与交换带来了深远的影响。STEP标准满足了产品开发部门在实施协同设计、并行设计、虚拟产品集成开发等环境下的需求，其建立了统一的产品信息模型并进行数据交换，提供了一种数据共享的机制。STEP标准也为CAX和DBMS应用系统的开发，提供了接口标准化和概念模型标准化的支持。,1.4 产品数据交换标准,The End,
