CAD第4章.造型基面及應(yīng)用.ppt

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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(mǎn)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(jiàn)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)湫畔⒈磉_(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⒎菐缀涡畔⑿误w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)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?，即使幾何信息相同，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ⅲ慵奈锢韺傩院凸に噷傩缘?，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(mǎn)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(lèi)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(chēng)為正則形體。正則形體沒(méi)有懸邊、懸面或一條邊有兩個(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,,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(méi)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(hù)的使用水平要求低，用戶(hù)容易掌握,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(lèi)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(lèi),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)渚匦蔚倪吔缇W(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(jiàn)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)于參數(shù)的整數(shù)值Coons曲面的特點(diǎn)是插值，即通過(guò)滿(mǎn)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(chē)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(chēng)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-UniformRationalB-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：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,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,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(chē)車(chē)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)澐挚梢岳帽砻嬖煨蜕傻膶?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)體建模基本原理實(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(chēng)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(chēng),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(chēng)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,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(jiàn)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,4.實(shí)體建模,,邊界表示法（BoundaryRepresentation）,邊界表示法簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)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(ConstructiveSolidGeometry),結(jié)構(gòu)實(shí)體表示法簡(jiǎn)稱(chēng)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(shù)記錄CSG表示法只說(shuō)明了形體怎樣構(gòu)造，沒(méi)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(chēng)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(shù)形式表示的CSG法,形體的CSG表示法是用一棵有序的二叉樹(shù)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…體素作運(yùn)動(dòng)變換時(shí)的參數(shù)，如平移參數(shù)ΔX…,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(shù)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（HybirdModel）,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(shù)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(hù)窗口，便于用戶(hù)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(hù)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,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(méi)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)結(jié)構(gòu)通常用:四叉樹(shù)和八叉樹(shù),四叉樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(jiàn)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（TechnicalInformationProcessingSystem）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(lèi)，族類(lèi)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,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(hù)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(lèi)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(kāi),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、工藝準(zhǔn)備、加工、檢驗(yàn)各部門(mén)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(zhuān)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(hù)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貜募庸そ嵌瓤?，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(lèi)型、序號(hào)、尺寸及公差…兩個(gè)層次：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(lèi),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(lèi),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(lèi),5.特征建模,,如盤(pán)類(lèi)零件、輪類(lèi)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(lèi),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(lèi),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(lèi)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(lèi)型E-枚舉數(shù)據(jù)類(lèi)型I-整型數(shù)據(jù)類(lèi)型R-實(shí)型數(shù)據(jù)類(lèi)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(lèi)型I-整型數(shù)據(jù)類(lèi)型R-實(shí)型數(shù)據(jù)類(lèi)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(chēng)、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(lèi)型E-枚舉數(shù)據(jù)類(lèi)型I-整型數(shù)據(jù)類(lèi)型R-實(shí)型數(shù)據(jù)類(lèi)型*Pt-指針,5.特征建模,,管理特征模型,S-字符數(shù)據(jù)類(lèi)型E-枚舉數(shù)據(jù)類(lèi)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(lèi)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(méi)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?；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,,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(lèi)特征，位于層次下級(jí)的叫亞類(lèi)特征亞類(lèi)特征可繼承超類(lèi)特征的屬性和方法，這種繼承關(guān)系稱(chēng)AKO（A-Kind-of）關(guān)系，如特征與形狀特征之間的關(guān)系。特征類(lèi)與特征實(shí)例之間關(guān)系稱(chēng)為INS（Instance）關(guān)系，如某一具體的圓柱體是圓柱體特征類(lèi)的一個(gè)實(shí)例，它們之間反映了INS關(guān)系,特征間的關(guān)系,特征類(lèi)是關(guān)于特征類(lèi)型的描述，是具有相同信息性質(zhì)或?qū)傩缘奶卣鞲爬ㄌ卣鲗?shí)例是對(duì)特征屬性賦值后的一個(gè)特定特征，是特征類(lèi)的一個(gè)成員,特征類(lèi)之間、特征實(shí)例之間、特征類(lèi)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(lèi)之間、特征實(shí)例之間、特征類(lèi)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(lèi)是關(guān)于特征類(lèi)型的描述，是具有相同信息性質(zhì)或?qū)傩缘奶卣鞲爬ㄌ卣鲗?shí)例是對(duì)特征屬性賦值后的一個(gè)特定特征，是特征類(lèi)的一個(gè)成員,IST（Is-Subordinate-To）表示形狀特征之間的依從或附屬關(guān)系。從屬的形狀特征依賴(lài)于被從屬的形狀特征而存在，如倒角附屬于圓柱體,特征間的關(guān)系,特征類(lèi)之間、特征實(shí)例之間、特征類(lèi)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(lèi)是關(guān)于特征類(lèi)型的描述，是具有相同信息性質(zhì)或?qū)傩缘奶卣鞲爬ㄌ卣鲗?shí)例是對(duì)特征屬性賦值后的一個(gè)特定特征，是特征類(lèi)的一個(gè)成員,REF（Reference）描述形狀特征之間作為關(guān)聯(lián)屬性而相互引用的聯(lián)系。引用聯(lián)系主要存在于形狀特征對(duì)精度特征、材料特征的引用,特征間的關(guān)系,特征類(lèi)之間、特征實(shí)例之間、特征類(lèi)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(lèi)是關(guān)于特征類(lèi)型的描述，是具有相同信息性質(zhì)或?qū)傩缘奶卣鞲爬ㄌ卣鲗?shí)例是對(duì)特征屬性賦值后的一個(gè)特定特征，是特征類(lèi)的一個(gè)成員,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,,特征的表達(dá)方法,特征主要表達(dá)兩方面的內(nèi)容：一是表達(dá)幾何形狀的信息二是表達(dá)屬性（非幾何信息）,幾何形狀信息表達(dá)方法：隱式表達(dá)和顯式表達(dá)例如一個(gè)圓柱體，顯式表達(dá)將含有圓柱面、兩個(gè)底面及邊界細(xì)節(jié)；隱式表達(dá)用圓柱的中心線、圓柱的高度和直徑描述,5.特征建模,,隱式表達(dá)是特征生成過(guò)程的描述。,特征的表達(dá)方法,隱式表達(dá)特點(diǎn)：用少量的信息定義幾何形狀，簡(jiǎn)單明了，并可為后續(xù)應(yīng)用（如CAPP等系統(tǒng)）提供豐富的信息；便于將基于特征的產(chǎn)品模型與實(shí)體模型集成；能夠自動(dòng)地表達(dá)在顯式表達(dá)中不便或不能表達(dá)的信息，能為后續(xù)應(yīng)用（如NC仿真與檢驗(yàn)等）提供準(zhǔn)確的低級(jí)信息；能表達(dá)幾何形狀復(fù)雜（如自由曲面）而又不便顯式表達(dá)的幾何形狀與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。,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,,特征庫(kù)的建立,建立特征模型，進(jìn)行基于特征的設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)及工序圖繪制，必須有特征庫(kù)的支持,1）包含足夠的形狀特征，以適應(yīng)眾多的零件2）包含完備的產(chǎn)品信息，既有幾何和拓?fù)湫畔?，又具有各?lèi)的特征信息，還包含零件的總體信息3）特征庫(kù)的組織方式便于操作和管理，方便用戶(hù)對(duì)特征庫(kù)中的特征進(jìn)行修改、增加和刪除…,特征庫(kù)的組織方式：,1）圖譜方式：畫(huà)出各類(lèi)特征圖，附以特征屬性，并建成表格形式2）EXPRESS語(yǔ)言：對(duì)特征進(jìn)行描述，建成特征概念庫(kù),特征庫(kù)的基本功能：,5.特征建模,,本章結(jié)束,