机械CADCAM建模技术主要.ppt

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1、,CAD/CAM建模技术,CAD/CAM技术,建模技术以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义和数学描述，在计算机内部构造一个实体的模型。,建模技术是产品信息化的源头，是定义产品在计算机内部表示的数字模型、数字信息及图形信息的工具，它为产品设计分析、工程图生成、数控编程、数字化加工与装配中的碰撞干涉检查、加工仿真、生产过程管理等提供有关产品的信息描述与表达方法，是实现CAD/CAM技术的前提条件，也是实现CAD/CAM一体化的核心内容。,CAD/CAM技术,学习内容,几何建模概念 几何建模三种模式特征建模,重点：各种几何建模基本原理和特点,CAD/CAM技术,1.几何建模概述,几何建模：用

2、合适的数据结构对三维形体的几何形状及其属性进行描述，建立便于信息转换与处理的计算机内部模型的过程。建模过程如下图：描述、表达和存贮物体的模型 模型：数据、数据结构和算法的集合几何建模作用意义：是CAD/CAM核心技术，为工程分析、工艺设计、物性计算、运动仿真、数控编程等后续作业提供了方便，是实现CAD/CAM技术的集成基础。CADCAM建模技术的发展：线框建模表面建模曲面建模实体建模特征建模,几何建模过程,CAD/CAM技术,几何信息,几何信息是指物体在空间的形状、尺寸及位置的描述 几何信息包括点、线、面、体的信息,五个顶点用两种不同方式连接，表达两种不同的理解,只用几何信息表示物体并不充分，

3、常会出现物体表示的二义性,几何信息必须与拓扑信息同时给出,几何建模的基础知识,CAD/CAM技术,拓扑信息,拓扑信息反映三维形体中各几何元素的数量及其相互之间连接 关系,拓扑关系允许三维实体随意地伸张扭曲，两个形状和大小不一样的实体的拓扑关系可能是等价的,拓扑特性等价的立方体和圆柱体,拓扑信息不同，即使几何信息相同，最终构造的实体可能完全不同,多面体拓扑元素的拓扑关系描述方式（9种）,数据结构中保存的拓扑关系越多，对多面体的操作越方便，但是占用的存储空间也就越大。,左图为：顶点、棱边、表面之间的拓扑关系,CAD/CAM技术,CAD/CAM技术,顶点 边的端点，为两条或两条以上边的交点。顶点不能

4、孤立存在于实体内、实体外或面和边的内部 边 一维几何元素，形体相邻面的交界 环 有序、有向边组成的封闭边界外环的边按逆时针走向，内环的边按顺时针走向 面 二维几何元素，是形体上的一个有限、非零的单连通区域。面由一个外环和若干内环包围而成，具有方向性，一般用外法矢方向作为正方向,形体在计算机内采用六层拓扑结构进行定义:,壳 构成一个完整实体的封闭边界，是形成封闭的单一连通空间的一组面的结合。一个连通的物体有一个外壳和若干个内壳构成 体 三维几何元素，是由若干个面包围成的封闭空间。几何造型的最终结果就是各种形式的体,CAD/CAM技术,线框建模是利用顶点和边棱线的有限集合来表示和建立物体的计算机内

5、部模型。,线框建模生成的实体模型由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述产品的轮廓外形,2.线框建模,CAD/CAM技术,线框建模的数据结构,线框建模的数据结构是表结构计算机内部存贮物体的顶点和棱线信息,CAD/CAM技术,线框建模的数据结构,线框建模的数据结构是表结构计算机内部存贮物体的顶点和棱线信息,CAD/CAM技术,线框建模的特点,存在二异性，即使用一种数据表示的一种图 形，有时也可能看成另外一种图形。由于没有面的信息，不能解决两个平面的交 线问题。由于缺少面的信息，不能消除隐藏线和隐藏面 由于没有面和体的信息，不能对立体图进行着 色和特征处理，不能进行物性计算。构造的物体表面是无

6、效的，没有方向性，不能 进行数控编程。,线框建模的优点,只有离散的空间线段，处理起来比较容易，构造模型操作简便 所需信息最少，数据结构简单,硬件的要求不高 系统的使用如同人工绘图的自然延伸，对用户的使用水平要求低，用户容易掌握,线框建模的缺点,CAD/CAM技术,3.表面建模,表面建模是将物体分解成组成物体的表面、边线和顶点，用顶点、边线和表面的有限集合表示和建立物体的计算机内部模型,CAD/CAM技术,表面建模的分类,平面建模是将形体表面划分成一系列多边形网格，每一个网格构成一个小的平面，用一系列的小平面逼近形体的实际表面,表面建模分为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

7、建模的曲面划分为一系列曲面片，用连接条件拼接来生成整个曲面,表面建模a)平面:三个点定义；b)线性拉伸面:一条平面曲线沿直线方向移动扫成；c)直纹面 一直线两端点在两曲线对应等参数点上移动形成；d)回转面 平面线框图绕某一轴线旋转产生；e)扫成面 一剖面线沿一条导线移动构成；一剖面线沿导线光滑过渡到另一剖面线；一剖面线沿两条给定等参数边界移动形成。f)圆角面 圆角过渡面；g)等距面 沿原始曲面法线方向移动一个固定的距离。,CAD/CAM技术,表面建模的数据结构,表面建模的数据结构是表结构，除给出边线及顶点的信息之外，还提供了构成三维立体各组成面素的信息,四面体逻辑结构图,四面体的表面模型,CA

8、D/CAM技术,表面建模的数据结构,表面建模的数据结构是表结构，除给出边线及顶点的信息之外，还提供了构成三维立体各组成面素的信息,四面体面表,CAD/CAM技术,表面建模的特点,三维实体信息描述较线框建模严密、完整，能够构造出复杂的曲面，如汽车车身、飞机表面、模具外型,曲面建模理论严谨复杂，所以建模系统使用较复杂，并需一定的曲面建模的数学理论及应用方面的知识。此种建模虽然有了面的信息，但缺乏实体内部信息，所以有时产生对实体二义性的理解。如一个圆柱曲面，就无法区别它是一个实体轴的面或是一个空心孔的面。,优点：,缺点：,可以对实体表面进行消隐、着色显示 可以计算表面积，利用建模中的基本数据，进行有

9、限元划分 可以利用表面造型生成的实体数据产生数控加工刀具轨迹,CAD/CAM技术,4.实体建模,实体建模基本原理 实体建模方法,采用基本体素组合，通过集合运算和基本变形操作建立三维立体的过程称为实体建模,实体建模能够定义三维物体的内部结构形状，完整地描述物体的所有几何信息和拓扑信息，包括物体的体、面、边和顶点的信息,实体建模技术是CAD/CAM中的主流建模方法,表面F,123456,棱线号,2 3 4-5-6-7-8-1-10-5-92 11 6 103 12 7 11-4-9-8-12,CAD/CAM技术,实体建模的基本原理,线框建模和表面建模在完整、准确地表达实体形状方面各有其局限性，要想

10、唯一地构造实体的模型，还需采用实体建模的方法。,实体建模在表面建模的基础上，规定了表面完整的拓扑关系。实体建模是在计算机内部以实体描述客观事物，利用这样的系统，提供了实体完整的信息。为便于比较，我们仍以四面体为例。,四面体的展开图及其有向边的定义,四面体的表面模型,CAD/CAM技术,实体建模的基本原理,CAD/CAM技术,实体建模的基本原理,基本实体构造,体间逻辑运算,基本实体构造是定义和描述基本的实体模型，包括体素法和扫描法。,实体模型特点：由具有一定拓扑关系的形体表面定义形体，表面之间通过环、边、点建立联系，表面的方向由围绕表面的环的绕向决定，表面法向矢量指向形体之外；覆盖一个三维立体的

11、表面与实体可同时生成,实体建模技术主要包括两部分：,CAD/CAM技术,体素法,用CAD系统内部构造的基本体素的实体信息（如长方体、球、圆柱、圆环）直接产生相应实体模型的方法,基本体素的实体信息包括基本体素的几何参数（如长、宽、高、半径等）及体素的基准点,CAD/CAM技术,基本体间逻辑运算布尔运算,几何建模的集合运算理论依据集合论中的交(Intersection)、并(Union)、差(Difference)等运算，是把简单形体（体素）组合成复杂形体的工具,交集：形体C包含所有A、B共同的点,并集：形体C包含A与B的所有点,差集：形体C包含从A中减去A和B 共同点后的其余点,基本思想:“运动

12、的物体”加上“轨迹”常用的扫描方式：平移式、旋转式和广义式。平移扫描法：沿垂直于二维集合进行扫描；旋转扫描法：绕某一轴线旋转某一角度；广义扫描法：二维几何集合沿一条空间曲线的集合扫描；,平移扫描法,旋转扫描法,广义扫描法,扫描法,CAD/CAM技术,实体建模方法,与表面建模不同，计算机内部存贮的三维实体建模信息不是简单的边线或顶点的信息，而是准确、完整、统一地记录生成物体各个方面的数据,常见的实体建模表示方法 边界表示法 构造立体几何表示法 混合表示法 空间单元表示法,CAD/CAM技术,边界表示法（Boundary Representation）,边界表示法简称 B-Rep，是通过对集合中某

13、个面的平移和旋转以及点、线、面相互间的连接操作来表示空间三维实体。其核心信息是面，形体的边界就是其内部点与外部点的分界面。这种描述方法是通过形体的边界描述形体，所以称为边界表示法,记录实体、面、边、顶点等几何信息和连接关系，计算机内部按网状的数据结构进行存贮,CAD/CAM技术,有较多的关于面、边、点及其相互关系，有利于生成和绘制工程图、投影图，图形的显示、输出，无需复杂的布尔运算易于同二维绘图软件和曲面建模软件相关联。核心信息是面，对几何物体的整体描述能力相对较差有关物性的生成的原始信息，在此方法中无法提供，描述物体所需信息较多，有冗余信息。它没有记录实体是由哪些基本体素构成的，无法记录基本

14、体素,通过描述三维物体的边界来表示的方法。边界为内部点与外部点的分界面,与表面模型的区别 边界表示法的表面必须封闭、有向，各张表面间有严格的拓扑关系，形成一个整体；而表面模型的面可以不封闭，面的上下表面都可以有效，不能判定面的哪一侧是体内与体外；此外，表面模型没有提供各张表面之间相互连接的信息。,CAD/CAM技术,构造立体几何表示法(Constructive Solid Geometry),构造立体几何表示法简称 CSG 法，用布尔运算将简单的基本体素拼合成复杂实体的描述方法，通过有序的二叉树记录 CSG 表示法只说明了形体怎样构造，没有指出新实体的顶点坐标、边、面的任何具体信息，故形体的C

15、SG表示只是一种过程性表示，或称为非计算模型,CSG 法简洁，生成速度快，处理方便，无冗余信息。信息简单，数据结构无法存贮物体最终详细信息，如边界、顶点的信息,CSG树,CAD/CAM技术,二叉树形式表示的CSG法,形体的CSG表示法是用一棵有序的二叉树记录的一个实体的所有组合基本体素以及正则集合运算和几何变换的过程,根节点表示树中相应基本体素经几何变换和正则集合运算后得到的实体,CAD/CAM技术,二叉树形式表示的CSG法,形体的CSG表示法是用一棵有序的二叉树记录的一个实体的所有组合基本体素以及正则集合运算和几何变换的过程,枝节点表示某种运算：运动运算子，如平移、旋转 集合运算子，经修改后

16、适用于形状运算的正则化集合运算子,CAD/CAM技术,二叉树形式表示的CSG法,形体的CSG表示法是用一棵有序的二叉树记录的一个实体的所有组合基本体素以及正则集合运算和几何变换的过程,叶节点分两种：基本体素，如长方体、圆柱 体素作运动变换时的参数，如平移参数X,CAD/CAM技术,混合表示法（Hybird Model）,混合表示法是建立B-Rep和CSG法基础上，在同一CAD系统中将两者结合起来形成的实体定义描述法,即在CSG二叉树的基础上，在每个节点上加入边界法的数据结构,CSG 法为系统外部模型，做用户窗口，便于用户输入数据、定义实体体素 B-Rep 法为内部模型，将用户输入的模型数据转化

17、为 B-Rep的数据模型，以便在计算机内部存储实体模型更为详细信息,混合模式是CSG基础上的逻辑扩展，起主导作用的是CSG结构，B-Rep可减少中间环节的数学计算量，以完整的表达物体的几何、拓扑信息，便于构造产品模型,CAD/CAM技术,空间单元表示法,基本思想：通过一系列空间单元构成的图形表示物体 单元为具有一定大小的平面或立方体，计算机内部通过定义各单元的位置是否被实体占有来表达物体,算法比较简单，便于进行几何运算及做出局部修改，常用来描述比较复杂，尤其是内部有孔，或具有凸凹等不规则表面的实体 要求有大量的存储空间，没有关于点、线、面的概念，不能表达一个物体两部分之间的关系,空间单元表示法

18、也叫分割法,CAD/CAM技术,空间单元表示法数据结构,空间单元表示法数据结构通常用:四叉树和八叉树,四叉树用于二维物体描述，基本思想是将平面划分为四个子平面（这些子平面仍可以继续划分），通过定义这些子平面的“有图形”和“无图形”来描述不同形状物体,八叉树用于三维物体描述，设空间通过三坐标平面 XOY、YOZ、ZOX划分为八个子空间。八叉树中的每一个节点对应描述每一个子空间。八叉树最大优点是便于作出局部修改及进行集合运算,CAD/CAM技术,CAD/CAM技术,5.特征建模,特征建模是建立在实体建模基础上，利用特征的概念面向整个产品设计和生产制造过程进行设计的建模方法 不仅包含与生产有关的非几

19、何信息，而且描述这些信息之间关系,实体模型不足：仅含实体几何信息，缺少功能、工艺、管理等信息。,特征的含义：a.特征不是体素，是某个或某几个加工表面；b.特征不是完整的零件；c.特征的分类与该表面的加工工艺规程密切 相关；d.特征信息包括几何信息及约束信息外，还需包括材料、精度等制 造信息；e.通过定义简单的特征可以生成组合特征。,一组具有确定约束关系的几何实体，它同时包含某种特定的语义信息，即：产品特征=形状特征+工程语义信息,CAD/CAM技术,特征定义：对应一定基本加工操作的几何形状。特征 建模基于实体建模几何信息上附加制造信息。,特征分类（1）特征分类 a.按制造方法分类：铸、锻、焊、

20、机加工和注塑成型 等特征；b.按零件类型不同，可分为轴盘类、板块类、箱体类 自由曲面类等特征。特征分类的优点 a.便于进行计算及辅助工艺规程的设计及组织生产；b.系统内部信息共享，实现CAD/CAPP/CAM的集成，且支持并行工程；c.有利于产品设计、制造方法的标准化、系列化、规 范化，保证产品有较好的工艺性，可制造性，利于 降低产品的成本。,CAD/CAM技术,每一类特征是进行零件设计时的功能单元，同时在制 造过程中，其加工方法和手段都基本上一致。,CAD/CAM技术,板块类零件的基本特征,CAD/CAM技术,板块类零件的基本特征,回转体零件的基本特征,CAD/CAM技术,非回转体加工特征,

21、CAD/CAM技术,特征建模的作用与特点：便于进行计算及辅助工艺规程的设计及组织生产；系统内部信息共享，实现CAD/CAPP/CAM的集成，且支持并行工程；有利于产品设计、制造方法的标准化、系列化、规范化，保证产品有较 好的工艺性，可制造性，利于降低产品的成本；提供了基于产品、制造环境、开发者意志等诸方面的综合信息；更好、更完整地表达产品全生命周期的技术和生产组织、计划管理等多阶段的信息，建立CAD系统与CAX系统、MRP系统与 ERP系统的集成化产品信息平台。,CAD/CAM技术,CAD/CAM技术,特征建模方法,特征建模技术发展很快，ISO颁布的 PDES/STEP 标准已将部分特征信息（

22、形状特征、公差特征）引入产品信息模型,特征建模方法大致分为：交互式特征定义 特征自动识别 基于特征设计,利用现有的实体建模系统建立产品的几何模型，由用户进入特征定义系统，通过图形交互拾取，在已有实体模型上定义特征几何所需要的几何要素，并将特征参数或精度、技术要求、材料热处理等信息，作为属性添加到特征模型中,将设计的实体几何模型与系统内部预先定义特征库中的特征进行自动比较，确定特征的具体类型及其它信息，形成实体的特征建模,利用系统内已预定义的特征库对产品进行特征造型或特征建模,（1）形状特征模型 主要包括几何信息、拓扑信息。数据结构是以B-Rep法为基础。,（2）精度和材料特征模型 a.精度模型：精度信息，包括尺寸公差、形状公 差、位置公差、表面粗糙度。b.材料特征：材料的种类、性能、热处理要求等。,特征建模的表示及其数据结构,CAD/CAM技术,特征的表示与数据结构,CAD/CAM技术,CAD/CAM技术,采用轴类零件特征设计的示例,1：带空刀米制外螺纹2：光滑圆柱3：矩形空刀槽4：光滑圆柱4-1：轴上键槽5：光滑圆柱6：光滑圆柱7：矩形空刀槽8：光滑圆柱9：B型中心孔,零件=32+10+12+10+51+10+10+12+10+2B,