第四章建模技术及产品数据模型.ppt

4.1几何建模的基本概念4.2几何建模技术4.3特征建模技术4.4集成产品数据模型及数据交换接口,第四章CAD/CAM建模技术及产品数据模型,4-1基本概念,建模：对于现实世界中的物体。从人们的想象出发，到完成它的计算机内部表示的过程。计算机的内部表示在计算机内部采取什么样的数字化模型来描述、储存和表达现实世界中的物体。,4-1基本概念,传统的机械设计：设计师:三维模型二维图形工艺师:二维模型三维图形用工程图表达和传递设计思想与工程信息。CAD：以具有一定结构的数字化模型存储在计算机内，并经转换提供给生产过程。,产品数据模型：以数据、结构、算法三部分组成，是生产过程各个环节统一的数据模型。CAD/CAM建模：研究产品数据模型在计算机内部的建立方法、过程以及采用的数据结构和算法。,4-1基本概念,产品建模方法,4-1基本概念,几何建模特征建模全生命周期建模,4-1基本概念,几何模型：把三维实体的几何形状及其属性用合适的数据结构进行描述和存储，供计算机进行信息转换与处理的数据模型。几何建模：用计算机及其图形系统来表示和构造形体的几何形状，建立计算机内部模型的过程。,4-1基本概念,几何建模的意义为什么要有几何模型？什么是几何模型？传统的图纸能提供哪些信息？计算机图形除了能对几何信息进行传递、分析、组图外，还应附带有工程信息和加工信息。几何建模与数学建模有很大区别。,4-1基本概念,几何建模的本质：物体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息的处理基础上。几何信息：物体在欧氏空间中的形状、位置和大小。如：具有几何意义的点、线、面等，具有确定的位置和度量值（长度和面积）的几何元素构成模型的几何信息。拓扑信息：物体各分量的数目及其相互间的连接关系。如：表示点、线、面之间的连接关系、邻近关系及边界关系的拓扑元素构成几何模型的拓扑信息。几何建模的缺点：不含有功能、工艺、工程信息。,几何信息包括点、线、面、体的信息，但是只用几何信息表示物体并不充分，会出现物体表示上的二义性。如下图中以不同方式连接的五个顶点。,两种不同方式连接顶点的几何实体,4.1基本概念,对于两个形状和大小不同的实体，其几何关系不同，但拓扑关系可能会相同。如下图中的长方体和四边体。,两个拓扑等价的几何实体,对于多面体，其拓扑元素顶点、边、面的连接关系有9种，见教材P78图4-3。描述形体拓扑信息的目的在于可方便地直接对构成形体的各面、边、顶点的参数和属性进行存取和查询，便于实现以面、边、点为基础的各种几何运算和操作。,4.1基本概念,几何建模技术的基础知识：,4.1基本概念,几何建模技术的基础知识：,4.1基本概念,拓扑信息：几何元素间的连接关系。,非几何信息：零件的物理属性和工艺属性，如零件的质量、性能参数、公差、加工粗糙度、技术要求。,几何建模技术的基础知识：,4.1基本概念,形体在计算机内常采用五层拓扑结构来定义，如果包括外壳在内为六层。并规定形体及其几何元素均定义在三维欧氏空间。,4.1基本概念,1）体是由封闭表面围成的有效空间，其边界是有限个面的集合，而外壳是形体的最大边界，是实体拓扑结构中最高层。2）壳由一组连续的面包围成，实体的边界称为外壳，如果壳所保卫的空间是空集则为内壳。3）面是形体表面一部分，具有方向性，它由一个外环和若干个内环界定其有效范围。面的方向用垂直与面的法矢量表示，法矢量向外为正。4）环是有序、有向的边组成的封闭边界，环中各条边不能自交，相邻两边共享一个端点。有内外之分。5）边是形体中两个相邻面的交界，一条边只能有两个相邻的面，一条边有两个端点定界起点和终点。6）点是边的端点，不允许出现在边的内部，也不能鼓励存在于体内、外或面内。7）体素由若干个参数描述的基本形状，如方块、圆柱、球等。,4.1基本概念,几何建模技术的研究课题现实世界中物体的描述方法,如二维、三维描述及线框、表面、实体建模技术等;三维实体建模中的各种计算机内部表达模式,如边界表示法、构造立体几何法、空间单元表示法等;发展一些关键算法,如并、交、叉运算及消隐运算等;几何建模系统的某些重要应用,如工程图的生成,具有明暗度和阴影的图形及彩色图的生成,有限元网格生成，数控程序的生成和加工过程的模拟等。,特征特征指的是反映产品零件特点的、可按一定原则加以分类的产品描述信息。特征在更高层次上表达产品的功能和形状信息，具有属性，与设计制造有关，是含有工程意义、基本几何实体或信息的集合。将特征引入几何造型系统的目的是增加几何实体的工程意义,为各种工程应用提供更丰富的信息。特征主要是指形状特征，还有功能特征、加工特征、精度特征等。,4.1基本概念,特征建模特征建模附加了工程信息的实体模型，基于特征的造型把特征作为零件定义的基本单元,将零件描述为特征的集合。,4.1基本概念,基于特征的零件三维模型是由带时间戳记的特征组成。三维模型特征（时间戳记）基于特征的建模过程是仿真零件的加工过程。,特征建模主要含义：特征不是体素，是某个或某几个加工面。特征不是完整零件。特征的分类与该表面的加工工艺规程密切相关。描述特征的信息应包括几何及约束、材料、加工、精度等信息。简单特征可以组合成复杂特征。,4.1基本概念,商业化的特征造型系统大多数是建立在参数建模的基础上,4.2.1几何建模系统分类4.2.2三维几何建模技术4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,4.2几何建模技术,4-2几何建模技术,几何建模系统分类,二维几何建模系统特点：简单实用，但由于各视图及剖面图在计算机内部互相独立产生，缺乏联系。不能将描述同一个零件的不同信息构成一个整体模型。三维几何建模系统特点：物体的描述更加真实、完整、清楚。,4-2几何建模技术,根据描述几何形体方法即存储的几何信息、拓扑信息的不同，三维几何建模系统可以分为三种不同层次的建模类型，即线框建模、表面建模（曲面建模）、实体建模。,三维几何建模技术,线框建模是最早的三维建模方法，是二维图形的延伸。它用顶点和棱边表示形体。定义利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架图。生成的实体模型是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述的是产品的轮廓外形。在计算机内部生成三维映像，还可实现视图变换及空间尺寸的协调。数据结构线框建模的数据结构是表结构，在计算机内部存贮的是物体的顶点和棱线信息。,一、线框建模(60年代),4.2.2三维几何建模技术,下图为一立方体的线框模型。表分别为立方体的顶点表和边表，构成该物体的线框模型的全部信息。,4.2.2三维几何建模技术,4.2.2三维几何建模技术,线框模型的数据结构,K体,边,点,（x1，y1，z1）,（x12，y12，z12）,实体（12点、18边）,线框模型数据结构,线框建模所构造的实体模型，只有离散的边，而没有边与边的关系，既没有构成面的信息。由于信息表达不完整，会对物体形状的判断产生多义性。,4.2.2三维几何建模技术,线框建模的多义性：,线框建模的优点：所需信息最少，数据结构简单，所占存贮空间较小，硬件的要求不高，容易掌握，处理时间短。线框建模的局限性：几何意义的二义性：一个线框模型可能被解释为若干个有效几何体。1.结构体的空间定义缺乏严密性,信息不完整。2.拓扑关系缺乏有效性3.描述的结构体无法进行消隐、干涉检查、物性计算,4.2.2三维几何建模技术,4.2.2三维几何建模技术,线框模型向曲面和实体模型的转换方法：,自底向上重构法基本模型引导的重构法自顶向下的重构法,4.2.2三维几何建模技术,表面建模（曲面建模）(70年代)这种建模方法是通过对物体各种表面进行描述的一种三维建模方法，在线框建模的基础上增加了面的有关信息和连接面表结构。该建模方法主要用于各类复杂物体型面，尤其是描述不能用简单数学模型描述的任意曲面。,c,M,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。包括顶点表、棱边表、面表结构（棱边顺序、面方程系数、表面是否可见）,4.2.2三维几何建模技术,4.2.2三维几何建模技术,下图为一立方体表面模型，在计算机内部除提供了顶点表和边表之外，还提供了面表。,表面建模的功能,4.2.2三维几何建模技术,4.2.2三维几何建模技术,表面建模优点：,表面建模比线框建模增加了有关面边(环边)信息及表面特征、棱边的连接方向等内容,从而可以满足：曲面求交、线面消隐、渲染、明暗色彩图、数控加工等应用,使在CAD阶段建立的模型数据在CAM阶段可用。表面建模在工程中得到广泛的应用。,4.2.2三维几何建模技术,表面建模缺点：,由于表面模型只能表达形体的表面信息,而不存在各个表面间的相互关系信息，没有体的信息。因此：表面模型无法准确描述零件的立体属性，难以保证被描述实体的拓扑一致性，不能完整描述产品的几何特性和物理特征。对有限元及零件的物性计算等方面无从开展,满足不了工程优化设计的需求。,4.2.2三维几何建模技术,任意曲面建模原理曲面建模是由给出的离散点数据构成光滑过渡曲面的一种方法，所构成曲面通过或逼近给出的离散点。目前应用最多的是双参数曲面，它是由参数曲线r=r(u)沿另一参数曲线r=r(v)运动而生成。常用参数曲线和参数曲面贝塞尔(Bezier)曲线/曲面B样条(B-Spline)曲面孔斯曲线/曲面非均匀有理B样条(NURBS)曲线/曲面,4.2.2三维几何建模技术,贝塞尔(Bezier)曲线/曲面贝塞尔n次曲线由n+1个位置矢量定义。由n+1个位置矢量（Q0、Q1、Q2、Qn+1）组成的多边形称为贝塞尔控制多边形。其中，Q0Q1、Qn-1Qn分别为该曲线起点和终点的切线。贝塞尔n次曲线方程表示为：,其中Bi,n为Bernstein基函数，最常用的是贝塞尔三次曲线。,4.2.2三维几何建模技术,贝塞尔三次曲线（应用最广）Q0Q1Q2Q3组成顶点（矢量），表达式为,或（矩阵形式）,4.2.2三维几何建模技术,贝塞尔曲线的特点：贝塞尔曲线比较直观、使用方便、便于交互设计。但是，该曲线和定义它的多边形相差较远，修改或增加顶点时整条曲线形状都会发生变化，局部修改性能差。,4.2.2三维几何建模技术,贝塞尔曲面一个参数可以确定一条Bezeir曲线，用两个参数描述的向量就可以确定一个曲面。方程可表示为,4.2.2三维几何建模技术,B样条曲线/曲面B样条（B-Spline）曲线/曲面是Bezeir曲线/曲面的发展和改进。组成方式与Bezeir曲线、曲面相同，唯一区别是基函数不同。因此，它仍具有Bezeir曲线、曲面的优点；而它与控制多边形更接近，局部修改性能好于Bezeir曲线/曲面。,4.2.2三维几何建模技术,B样条曲线基函数(三次),或,一旦给出四个点矢量，当t从01变化时，将得到与此四点逼近，但不通过这四个点的曲线。,Q3,4.2.2三维几何建模技术,B样条曲线与Bezeir曲线的比较在Bezeir曲线中，当t=0或1时，曲线的形状仅与Q0或Q3有关。在B样条曲线中，不管t=0或1，曲线形状要受到Q0、Q1、Q2，或Q1、Q2、Q3的影响。当某一顶点变化时，Bezeir曲线整条线变化，而B样条曲线仅受到相邻点的约束。,4.2.2三维几何建模技术,B样条曲面按照Bezeir曲面的生成方法，将B样条曲线推广到B样条曲面。如给出16个顶点Pi,j(i,j=0,1,2,3)，就可以唯一确定一个双三次B样条曲面片。方程为,4.2.2三维几何建模技术,非均匀有理B样条曲线/曲面非均匀有理B样条（NURBS）与B样条的主要区别是可以对标准解析几何曲线、曲面以及自由曲线、曲面进行描述。所谓非均匀，是指在方程中，各顶点加入了不同的权值，通过调整顶点和权值，可方便的改变曲面形状。NURBSNon-UniformRationalB-Spline,4.2.2三维几何建模技术,NURBS曲线方程(k阶、k-1次曲线方程),其中：Pi为控制顶点；Wi为第i个顶点的加权值；Ni,k为非均匀有理B样条基函数。,NURBS曲线和曲面提供了对标准解析几何(如圆锥曲线、旋转面等)和自由曲线、曲面的统一数学描述方法;它可通过调整控制顶点和权因子,方便、灵活地改变曲面形状,同时也可方便地转换成对应的Bezier曲面;具有对缩小、旋转、平移与透视投影等线性变换的几何不变性。STEP产品数据交换标准也将NURBS作为曲面几何的描述的唯一方法,4.2.2三维几何建模技术,非均匀有理B样条曲线/曲面,4.2.2三维几何建模技术,NURBS曲面方程该曲面是由(m+1)(n+1)个控制顶点Pi,j(i=0,1,n;j=0,1,m)和各控制顶点的权值Wi,j构成，方程为,4.2.2三维几何建模技术,简化曲面生成方法：1.三点面：三点定义一个平面2.拉伸面：一平面曲线沿一方向移动3.直纹面：直线两端点在两曲线上移动4.回转面：平面曲线绕某一轴旋转5.扫描面：剖面线沿基准线移动6.圆角面：过渡圆角7.等距面：曲面沿法线移动固定距离,4.2.2三维几何建模技术,实体建模（70年代末）在表面建模中，虽然各曲面模型方法都可提供一些必要数据，但由于曲面模型内不存在各表面间的相互关系信息，对形体的表述不完整，因此，在后续处理中，只能针对一个表面，若考虑多个表面的加工、分析、干涉检验等，则必须采用三维实体建模技术。,4.2.2三维几何建模技术,相比表面模型，实体模型提供了面和体之间的拓扑关系，给出了表面间的相互关系等拓扑信息，由表面围成的区域内部为物体的空间区域，增加了实体存在侧的明确定义。因而能够精确表达零件的全部属性，有助于统一CAD、CAM、CAE的模型表达,在设计和加工上可以减少数据的损失,保持数据的完整性。实体建模目前成为CAD/CAM技术发展的主流。,实体建模（70年代末）,4.2.2三维几何建模技术,实体建模的特点(1)提供信息完整，不仅描述了实体的全部几何信息，而且定义了所有点、线、面、体的拓扑信息。(2)能方便地确定三维空间中的体与面的关系。(3)可实现对不可见边的判断，实现消隐。(4)对各种后续处理都能提供数据支持（着色、光照、纹理、外形计算以及消隐、剖切、有限元分析、多轴数控加工等）。,4.2.2三维几何建模技术,实体建模的原理以实体方式在计算机内部描述物体，叫做实体建模。计算机是通过定义基本体素，并利用体素的集合运算（布尔运算）或基本变形操作来实现对物体的实体描述通过简单体素的集合生成复杂的形体。,4.2.2三维几何建模技术,实体的生成方法体素法与扫描法体素法是通过对基本体素的描述和对基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。扫描法利用基本体素的变形操作实现实体建模。这种构造实体的方法称为扫描法。体素的定义体素是真实的三维实体。基本体素：可通过少量参数进行描述（如：长方体通过长、宽、高以及基准点来定义）。长方体、圆球、圆柱、圆锥、棱柱、棱锥圆台等。,4.2.2三维几何建模技术,常用基本体素,4.2.2三维几何建模技术,扫描体的定义平面轮廓扫描体：由一个二维轮廓(封闭)在空间平移或旋转而得。整体扫描体：一个刚体在空间运动生成一个新的物体形状。,4.2.2三维几何建模技术,布尔模型两个或两个以上体素经过布尔运算得到实体的表示称为BooleanModel。布尔运算：用来把简单形体（体素）组合成复杂形体的工具。布尔模型是个过程模型，可以直接以二叉树结构表示。,几何建模中的集合运算理论依据的是集合论中的交、并、差等运算，是用来把简单形体（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。,4.2.2三维几何建模技术,4.2.2三维几何建模技术,布尔运算,-,=,差,=,并,U,U,=,4.2.2三维几何建模技术,-,=,=,U,4.2.2三维几何建模技术,三种三维建模方法比较,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,与表面建模不同，三维实体建模在计算机内部存贮的信息不是简单的边线或顶点的信息，而是准确、完整、统一地记录了生成物体的各个方面的数据。常见的实体建模表示方法：,边界表示法构造立体几何法混合表示法（边界与构造立体几何的混合模式）空间单元表示法,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,边界表示法：（B-Rep法）,1.定义：基本思想是一个实体可以通过它的面的集合来表示，而每一个面又可以用边来描述，边通过点，点通过三个坐标值来定义。强调实体外表的细节，详细记录了构成物体的所有几何信息和拓扑信息，将面、边、顶点的信息分层记录，建立层与层之间的联系。,2.数据结构网状的数据结构。将形体按照实体、面、边、顶点描述，在计算机内部按网状的数据结构进行存贮。,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,边界表示法,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,边界表示的数据结构,边界表示法：（B-Rep法）边界表示法在计算机内的存储结构用体表、面表、环表、边表、顶点表5个层次的表来描述。体表描述的是几何体包含的基本体素名称以及它们之间的相互位置和拼合关系。面表描述的是几何体包含的各个面及面的数学方程。每个面部有且只有一个外环，如果面内有孔，则还有内环。,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,边界表示法：（B-Rep法）环表描述的是环由哪些边组成。边表中有直边、二次曲线边、三次样条曲线边以及各种面相贯后产生的高次曲线边。顶点表描述的是边的端点或曲线型值点，点不允许孤立地存在于几何的内部或外部，只能存在于几何体的边界上。,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,零件不同生成描述方法,模型中的数据结构和关系与采用的物体生成扫描方法无关。,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,边界表示法：（B-Rep法）边界表示法的核心信息是平面,边构成了平面之间的关联。边在计算机内部都是两次存储,一次是涉及平面n,另一次是涉及平面m。通过边的指向可标识平面的法线方向,因此某一平面是内面还是外面很容易判断。,面边的两次存储,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,含有较多的关于面、边、点及其相互关系信息，有利于生成和绘制线框图、投影图，有利于计算几何特性；易于同二维绘图软件衔接和同曲面建模软件相关联；便于人机交互方式实现物体模型的局部修改。,边界表示法的优点：,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,描述物体所需信息量较大，并有信息冗余。,边界表示法的缺点：,由于它的核心信息是面，因而对几何物体的整体描述能力相对较差，无法提供关于实体生成过程的信息，也无法记录组成几何体的基本体素的元素的原始数据，（由哪些基本体素构成、怎样合并而成）。,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,1.定义构造立体几何法简称CSG法，是一种通过布尔运算将简单的基本体素拼合成复杂实体的描述方法。用一颗有序的二叉树记录一个实体的所有体素、运算和几何变换过程。2.数据结构数据结构为树状结构。树叶为基本体素或变换矩阵，结点为布尔运算，最上面的结点对应着被建模的物体。,构造立体几何法(CSG),4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,构造实体几何法,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,CSG法无二义性，但对于同一实体，其二叉树可以不同。CSG的数据结构可以方便地转换成其他的数据，但其他数据转换成CSG数据却很困难。,CSG法相对于B-Rep法的主要特点,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,CSG法对物体模型的描述与该物体的生成顺序密切相关，即存贮的主要是物体的生成过程。CSG结构生成的数据模型比较简单，每个基本体素无需再分解，而是将体素直接存贮在数据结构中。采用CSG法可以方便地实现对实体的局部修改。如在物体上倒角、倒圆等。,CSG法的优点,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,方法简洁，生成速度快，处理方便，无冗余信息，而且能够详细地记录构成实体的原始特征参数，甚至在必要时可修改体素参数或附加体素进行重新拼合。,CSG法的缺点,由于信息简单，这种数据结构无法存贮物体最终的详细信息，例如边界、顶点的信息等。,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,1.定义混合模式是建立在边界表示法与构造立体几何法的基础上，在同一系统中，将两者结合起来，共同表示实体的方法。2.原理以CSG法为系统外部模型作为用户的输入接口，而在计算机内部转化为B-Rep的数据模型记录形体的完整几何信息与拓扑信息。,混合模式（HybirdModel）,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,3.数据结构相当于在CSG树结构的结点上扩充边界法的数据结构，如图所示。,混合模式（HybirdModel）,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,混合模式是在CSG基础上的逻辑扩展，起主导作用的是CSG结构，B-Rep的存在，减少了中间环节中的数学计算量，可以完整的表达物体的几何、拓扑信息，便于构造产品模型。,混合模式（HybirdModel）,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,混合模式,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,空间单元表示法也叫分割法，其基本思想是通过一系列规则的空间单元（Cell）构成的图形来表示物体的一种方法。这些单元是具有一定大小的平面或立方体，在计算机内部主要通过定义各单元的位置是否被实体占有来表达物体的。它是一种近似的数字化表示法，单元的大小直接关系到模型的分辨率。,空间单元表示法,1.定义,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,2.数据结构采用四叉树用于二维物体描述，它的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”来描述不同形状的物体。八叉树用于三维物体描述。它设想将空间通过三坐标平面XY、YZ、ZX划分为八个子空间。八叉树中的每一个结点对应着每一个子空间。,空间单元表示法,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,空间单元表示法,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,空间单元表示法,4.2.3三维实体模型的计算机内部表示,空间单元表示法要求有大量的存储空间，同时它的算法比较简单，可作为物理特性计算和有限元网格划分的基础。空间单元表示法的最大优点是便于做出局部修改及进行几何运算，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。空间单元表示法不能表达一个物体两部分之间的关系，也没有关于点、线、面的概念。,空间单元表示法,3.特点,4.1几何建模的基本概念4.2几何建模技术4.3特征建模技术4.4集成产品数据模型及数据交换接口,第四章CAD/CAM建模技术及产品数据模型,特征建模的概念特征的定义形状特征的分类特征的表示及数据结构特征建模技术的实现和发展,4-3特征建模技术,4-3特征建模,特征建模的概念由于几何建模无明显的功能、工艺、工程信息含义，使得后续计算机应用系统（CAPP、CAM、CAE等）难以从中提取、识别所需工艺、工程等信息。为此，80年代后期出现了特征建模技术。,4-3特征建模,特征是一种综合概念，它作为“产品开发过程中各种信息的载体”，除了包含零件的几何拓扑信息外，还包含了设计、制造等过程所需的一些非几何信息（材料、尺寸、形状公差、热处理、表面粗糙度、刀具信息等）。特征是在更高层次上对几何形体上的凹腔、孔、槽等的集成描述。,特征是从工程对象中高度概括和抽象后得到的具有丰富工程语义的功能要素。,特征指的是反映产品零件特点的、可按一定原则加以分类的产品描述信息。,1.特征的定义,1.特征的定义因应用的环境不同和支持特征模型的几何与拓扑信息表达的差异，对于特征的理解也不尽一致。从设计自动化入手，将特征与产品设计知识表示和功能要求相联，特征定义为:“具有一定几何形状的实体，与CIMS一个或多个功能相关,可以作为基本单元进行设计和处理”。从制造领域入手，将特征与工艺过程设计、NC自动编程、自动检测相连，特征定义为:“对应一定基本加工操作的几何形状”。,4-3特征建模,1.特征的定义根据产品生产过程阶段的不同，而将特征区分为设计特征、制造特征、检验特征、装配特征等；根据描述信息内容的不同，而将特征区分为形状特征、精度特征、材料特征、技术特征等。,4-3特征建模,1.特征的定义,4-3特征建模,1.特征的定义国内有些院所从20世纪8O年代末也开始了特征建模技术的研究。有些单位从设计、制造一体化观点研究,将形状特征定义为:“具有一定拓扑关系的一组几何元素构成的形状实体,它对应零件的一个或多个功能,并能被一定的加工方式所形成”。,4-3特征建模,1.特征的定义在形状特征研究的基础上,为进一步拓宽特征的含义,又将特征定义为:“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”。将特征表达为如下形式:产品特征=形状特征+工程语义信息,4-3特征建模,1.特征的定义对特征共同点：特征与零件的几何描述相关；特征具有一定的工程意义；在不同的工程活动中，特征的形式和内涵不同；特征可以识别和转换；在各种工程应用中，各自的特征应满足本项应用的全部要求。,4-3特征建模,1.特征的定义,4-3特征建模,1.特征的定义,4-3特征建模,4-3特征建模,特征,功能特征,形状特征,加工特征,精度特征,装配特征,4-3特征建模,特征建模,通过特征及其组合来定义、描述零件模型的过程。,特征建模附加了工程信息的实体模型，基于特征的造型把特征作为零件定义的基本单元,将零件描述为特征的集合。,4-3特征建模,特征建模,4-3特征建模,特征的定义与分类目前特征定义的基本方法有三种：交互式特征定义（人工）特征识别（自动）基于特征的设计方法（特征建模）,4-3特征建模,交互式特征定义(InteractiveFeatureDefinition)首先建立产品的几何模型，然后由设计者通过交互方式，以拾取、定义、添加的方法，将各类特征作为属性“写进”特征模型中。这种方法比较简单，不需要复杂的算法，但自动化程度低，人为错误率高，且几何信息与非几何信息是分离的，产品数据不能共享。,4-3特征建模,特征识别(FeatureRecognition)又称比较法定义特征，在系统中，建立特征数据库，通过启动专用程序自动地将模型中的几何特征与特征库中的“样品”逐一进行比较，直到找出相同者，然后提取特征数据，产生特征模型。,以上两种方法，都是基于原有的模型，用添加或比较的方法，实现特征的定义和建模。,4-3特征建模,基于特征的设计方法(DesignbyFeatures)基于特征的设计方法：是直接将特征融于设计之中，在设计阶段调入特征库中的特征,将之作为基本建模单位进行建模。比如，将加工信息附加在尺寸参数中等。,这种方法适用范围广,易于实现数据共享,因此得到广泛应用。,4-3特征建模,特征的分类:,特征的抽象分类管理特征技术特征材料热处理特征精度特征形状特征（6）装配特征,形状特征分类主特征（简单主特征、宏特征）辅特征组合特征复制特征,4-3特征建模,形状特征的类型形状特征是描述产品或零件的最基本特征。根据制造方法不同，可以分为铸、锻、焊、机加工、注塑成型等；按零件类型不同，可以分为轴盘类、板块类、箱体类、自由曲面类等。按特征的复杂程度，可分为简单特征和复合特征。简单特征为独立的形状结构；复合特征为简单特征的组合（周向均布孔、同心孔等）。,板块类零件形状特征分类,4-3特征建模,4-3特征建模,形状特征的类型按照在设计中的作用，形状特征可以分为基特征、正特征、和负特征、主特征和辅助特征。基特征用于表示毛坯的初始形状。正特征用于对毛坯添加材料的形状，如凸台、板筋、凸垫等。负特征用于对毛坯去除材料的形状，如孔、槽、螺纹、腔体等。,4-3特征建模,形状特征的类型主特征用于构造零件的主体形状(如圆柱体、圆锥体等)；辅助特征用于对主特征的局部修饰(如倒角、键槽、退刀槽、中心孔等)。,分类标准：每一类特征都是零件设计的基本功能单元，同时其加工方法和制造手段基本上一致。,形状特征,体特征,过渡特征,分布特征,形状特征：是指具有一定工程语义的几何形体，包括几何信息和拓扑信息。,STEP标准中的分类：,4-3特征建模,体特征：用于构造零件的主体形状的特征。凸台、圆柱体、矩形体等。,过渡特征：表达一个形状的各表面的分离或结合性质的特征。倒角、圆角、键槽、中心孔、退刀槽、螺纹等。,分布特征：是一组按一定规律在空间的不同位置上复制而成的形状特征。周向均布孔、齿轮的轮廓等。,4-3特征建模,形状特征-STEP标准中的分类,Pro/E软件中的形状特征分类：,4-3特征建模,精度特征,用于描述零件上公称的几何形状允许的变化量。,4-3特征建模,用于描述和零件材料的类型、热处理等特殊要求、表面处理有关的信息。,材料特征,4-3特征建模,用于描述零件的性能、功能、技术要求等相关信息。,技术特征,4-3特征建模,用于描述零件在装配过程中要使用的信息和装配时的技术要求。,装配特征：,用于描述零件的管理信息。,管理特征,4-3特征建模,与生产加工工艺有关的特征。,工艺特征,4-3特征建模,4-3特征建模,特征的表达方式及数据结构,集成模式是将特征模型和实体模型集成在同一内部数据结构里。分离模式是把特征信息放在附加的外部结构中。现在CAD/CAM系统大多用集成模式。,在特征定义和表示中，有关特征体素和面的信息都十分重要。特征体素是特征造型中进行布尔运算的单元，特征组成面及拓扑信息是建立特征之间关系及工程属性的基础。在特征表示中，应同时表示特征体素和特征面的信息，一般特征的表示包括特征体素层、特征面关系层及特征几何元素定义层。,特征的表示,4-3特征建模,特征表示的三层结构,4-3特征建模,特征体素层：描述零件的总体特征，包括总体尺寸、基准(坐标)系统、图号、公差、材料、技术特征、产品名称等一般性产品信息。特征面关系层：描述零件各组成面的特征以及组成面之间的形面关联。面类型包含平面、圆弧面、圆锥曲面、自由曲面和复合面。,各形面之间的关联有：平面是否为其他面的基准；平面之间的尺寸公差；平面的形状公差、平面度、垂直度等平面的位置公差及其基准。,4-3特征建模,特征表示的三层结构,特征几何元素定义层：是加工特征单元，包括孔及孔系、槽、凸台和连接面等。孔可分为通孔、盲孔、台阶孔等，描述的信息有孔的类型、尺寸、公差和表面祖糙度等。,4-3特征建模,特征表示的三层结构,4-3特征建模,特征面数据结构特征面的模式定义中，包括特征面的组成、面的邻接关系、面的作用和属性等。特征之间通过面构成空间邻接关系，同时特征面也是加工及检测中刀具和量具的接近表面。如图所示零件，由4个形状特征组成（毛坯A、槽B、槽C、通孔D）。各特征之间的关系是通过约束面和基准面建立的。其数据结构为双向链表形式。,4-3特征建模,特征联系特征之间通过约束面和基准面指针建立了特征之间的关联：继承联系特征的层次、级别。邻接联系相邻特征或共享特征在空间位置之间的相互关系。从属联系特征的附属、依赖关系。引用联系形状特征与其它特征之间的关联引用关系（如：材料、精度等）。,4-3特征建模,特征建模技术的实现利用特征的概念进行设计的方法经历了特征识别及基于特征的设计两个阶段。特征识别：根据已有几何模型，通过人工交互或自动识别算法进行特征的搜索、匹配。基于特征的设计：基于特征设计的思想，直接采用特征建立产品模型（即特征建模）。先调用造型系统中的特征，再通过增加、删除、修改等操作，建立零件特征模型；,4-3特征建模,特征建模技术的实现,基于特征的设计,从设计的角度,它扩大了建模体素的集合,给用户带来很大方便性,同时也为产品设计实现高效率、标准化、系列化提供了条件。从加工角度看,由于特征对应着一定的加工方法,所以工艺规程制定也比较容易进行,简化了CAPP决策逻辑,尤其是面向对象技术的应用,将特征与加工方法封装实现了程序的结构化、模块化、柔性化。由于设计特征与制造特征的对应关系,在CAD设计完成后,CAPP、CAM可直接将特征设计的结果作为输入,自动生成工艺过程和NC加工程序,实现了具有统一数据库、统一界面的集成CAD/CAPP/CAM系统。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,由于大多数CAD/CAM系统都是针对不同用户的不同应用任务研制开发的，因而它们的描述方法、定义的信息内容以及采用的数据结构都是各不相同的。CAD/CAM各模块之间数据资源共享,必须满足两个条件:一是要有统一的产品数据模型定义体系二是要有统一的产品数据交换标准,一.集成产品数据模型二.产品数据交换标准(一)产品数据交换接口的用途(二)初始图形交换规范IGES(三)产品数据交换标准STEP,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,一.集成产品数据模型,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,集成产品模型：与产品有关的所有信息构成的逻辑单元,它不仅包括产品的生命周期内有关的全部信息,而且在结构上还能清楚地表达这些信息的关联。,数据的描述和表达应满足如下几点要求:数据表达完整，无冗余，无二义性;建立数据之间的关联结构，当一部分数据修改时，与之相关部分数据也能相应变动;数据结构简单，便于查询、修改和扩充。,一.集成产品数据模型,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,基于特征的集成产品数据模型层次结构,基于特征的集成产品数据模型包含四类零件信息:(1)零件总体信息：这类信息彼此之间没有直接联系，主要是文字性描述零件总体特征,如零件名称、零件号、设计者、零件材料、热处理、最大尺寸、重量和生产纲领等。(2)基体信息：基体是造型开始的初始形体，也可以毛坯或半成品，预先定义的参数化实体或者根据现场需要直接由图形支撑软件生成。对基体信息的描述主要包括基体表面之间的信息及基体与特征之间关系信息。,一.集成产品数据模型,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,(3)零件特征信息：记录特征的分类号、所属方位面号、控制点坐标和方向、尺寸、公差、热处理、特征所在面号、定位面及定位尺寸、切入面与切出面、特征组成面、粗糙度、形位公差等。(4)零件几何、拓扑信息：这部分信息可直接由采用的实体建模软件的文件读出（如I-DEAS的Pearl数据库文件），包括面、环、边、点的数据。,一.集成产品数据模型,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准产品数据交换接的用途,实现CIM的先决条件是要求在如下几个方面能进行数据交换：不同设计部门之间；设计、生产准备、制造部门之间；不同时期的研制产品之间；不同CAD/CAM系统之间；同一CAD/CAM系统的不同版本之间。,不同CAD系统之间的数据交换点对点交换这是一一对应的交换。对于n个CAD系统，每个系统都应有n-1个接口处理程序。星形交换这是多对一的交换，以交换标准进行数据交换。对于n个CAD系统，每个系统只需要两个接口处理程序。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准产品数据交换接的用途,CAD系统模型间数据交换原理每一个CAD系统都需要设置一个前置处理器和一个后置处理器。前置处理器负责将计算机内部模型（系统A）转换成接口的模型；后置处理器负责将交换接口的模型转换成另一系统（系统B）的模型。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准产品数据交换接的用途,数据交换标准为了能在不同的CAD/CAM系统之间进行数据交换，目前世界上已经研制出多个通用的数据交换接口标准，其中典型的有：1.图形交换标准IGES2.产品数据交换标准STEP3.其它转换标准DXF、STEL等,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),4-4集成产品数据模型及数据交换接口,图形交换标准IGES的总体结构IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）是一个初始图形交换标准，于1981年由美国发布。目前，几乎所有商业化CAD/CAM系统都配有IGES接口。在利用IGES标准进行数据交换时，需要首先产生一个IGES数据文件（中间文件，与被交换的系统无关），该文件规定：1）数据进行顺序存储；2）每行记录长度为80个字符；3）采用ASCII标准代码。,IGES数据文件在逻辑上分为五个区段：起始段：IGES文件的说明部分，文件格式和行数不限，第73列字符为“S”。全局段：提供和整个模型相关的信息（文件名、生成日期、前/后置处理器中描述所需要的信息），第73列字符为“G”。元素索引段：记录文件中采用的元素目录，每一种元素对应一个索引，每一个索引记录有关元素类型、参数指针、版本、线型、图层、视图等，第73列字符为“D”。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),参数数据段：记录每个元素的几何数据，第73列字符为“P”。结束段：表示文件的结束，并兼有记录起始段、全局段、元素索引段、参数数据段段码及总行数的任务，第73列字符为“T”。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),IGES元素在IGES文件中最基本的信息单位是元素（Entity），这些元素分为三类：1）为描述产品形状所需的几何元素（点、线、面）；2）为描述尺寸标注及工艺信息所需的标注图形元素；3）为描述逻辑关系所需的属性和结构元素。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),IGES的应用成功应用的典型方面不同CAD系统之间工程图样信息的交换（最多）；通过传递的几何数据实现运动模拟和动态试验；CAD与NC系统之间的联接；CAD与FEM系统的联接。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),应用中存在的问题元素范围有限。IGES定义的主要是几何方面的信息，因而无法保证一个CAD/CAM系统的所有数据与另一个系统进行交换，有时会发生数据丢失现象；占用的存储空间较大。由于选择了固定的数据格式和存储长度，IGES的数据文件是稀疏的；时常发生传递错误。主要是由于语法上的二义性造成解释上的错误。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),美国IGES委员会从1984年开始新的产品数据交换规范PDES（ProductDataExcha