第四章 CADCAM建模技术及产品数据模型

1、基本概念几何建模技术特征建模技术集成产品数据模型及数据交换接口n计算机内部表示及建模技术计算机内部表示及建模技术n建模的方法及其发展建模的方法及其发展n计算机内部表示：计算机内部表示：n决定在计算机内部采用什么样的数字化模型来描述、存储和表达现实世界中的物体。nCAD/CAM建模技术：建模技术：n研究产品数据模型在计算机内部的建立方法、过程及采用的数据结构和算法。n建模过程：想象模型、信息模型、存储模型n建模方法：建模方法：n几何建模、特征建模、全生命周期建模n产品信息数据模型：产品信息数据模型：n几何模型（二维、三维线框、曲面、实体）、特征模型、集成产品模型、智能模型及生物模型等n建模方法的

2、发展建模方法的发展n几何建模n特征建模概念的提出n几何建模方法几何建模方法n物体的描述和表达是建立在几何信息和拓朴信息处理基础上的。n几何信息几何信息n物体在欧氏空间中的形状、位置和大小；n拓朴信息拓朴信息n物体各分量的数目及其相互间的连接关系。几何信息几何信息包括、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，常会出现物体表示的二义性 欧拉检验公式欧拉检验公式 为保证几何建模过程中每一步产生的中间形体的拓扑关系都正确，即检验物体描述的合法性和一致性，欧拉提出了描述形体的几何分量和拓扑关系的检验公式：F面数 V顶

3、点数 E边数 R面中空洞数 H体中空穴数 F+V-E=2+R-2HF+V-E=2+R-2HF+V-E=2+R-2HF面数V顶点数E边数R面中的孔洞数H体中的空穴数如果在立方体上没有孔，则V=8、E=12、F=6、H=0、R=0。所以8-12+6=2+0+0。如果在立方体上有一个孔，在孔的上下边分别设有两个节点，则V=12、E=18、F=8、H=1、R=2。所以12-18+8=2+2-2X1。 欧拉检验公式是正确生成几何物体边界、表示数据结构的有效工具，也是检验物体描述正确与否的重要依据。如果在立方体上有一个孔，在孔的上下边分别设有一个节点，,则V=10、E=15、F=7、H=1、R=2。所以1

4、0-15+7=2+2-2X1。n几何建模技术主要研究课题：几何建模技术主要研究课题：n现实世界中物体的描述方法n三维实体建模中的各种计算机内部表达模式n发展一些关键算法n几何建模系统的某些重要应用n几何模型几何模型n信息无明显的功能、结构及工程含义，提取、识别工程信息困难。n特征（特征（Feature）n是一种集成对象，包含丰富的工程语义，在更高层次上表达产品的功能和形状信息。n不同的设计阶段和应用领域有不同的特征定义：n功能特征、加工特征、形状特征、精度特征n几何建模系统分类几何建模系统分类n三维几何建模技术三维几何建模技术n三维实体模型计算机内部表示法三维实体模型计算机内部表示法n二维几何

5、建模系统二维几何建模系统n三维几何建模系统三维几何建模系统n类型类型n边式：只描述轮廓边，通过不同类型轮廓边的相互顺序实现绘图目的。n面式：将封闭轮廓边包围的范围定义成平面，作为整体来处理。n适用范围：适用范围：n计算机辅助绘图、回转体零件数控编程n弱点：弱点：n零件的各个视图是相互独立产生的，无整体信息模型，当一个视图改变时，其它视图不可能自动改变。n三维建模类型：三维建模类型：n线框建模、表面建模、实体建模n线框建模线框建模n曲面建模曲面建模n实体建模实体建模n基本几何元素：基本几何元素：n点、直线、圆弧和某些二次曲线n计算机内部描述：计算机内部描述：n边表、点表1. 线框建模CAD/CA

6、M系统应用最早的三维建模方法。利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成立体框架图。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，在计算机内部是以点表、边表来描述和表达物体的。xzy132456789101112P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18Ansys等软件建模方法线框建模的优缺点线框建模的优缺点线框建模的优点 所需信息最少，数据运算简单，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1.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，由于信息表达不完整，会对物体形状的判断产生

7、多义性。2. 描述的结构体无法进行消隐、干涉检查、物性计算 n从平面投影的三视图自动构成三维实体从平面投影的三视图自动构成三维实体n自底向上重构法 n基本模型引导的重构算法n自顶向下的重构法n在三维线框上通过蒙皮构成实体在三维线框上通过蒙皮构成实体n原理：同三维视图重构法，但它关心的是如何将点和边构成环。n几何法、拓扑法n定义：定义：n是通过对物体的各种表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。n适用：适用：n表面不能用简单的数学模型进行描述的复杂物体型面。n方法：方法：n由给出的离散点数据构成光滑过渡的曲面，使曲面通过或逼近离散点。2. 表面建模(Surface Modelling)xzy132

8、456789101112P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18IIIIIIIVVVIVIIVIII表面建模的类型?怎样形成直纹面? 在我们工程中应用的拟合曲线，一般地说可以分为两种类型：一种是最终生成的曲线通过所有的给定型值点，比如抛物样条曲线和三次参数样条曲线等，这样的曲线适用于插值放样；另一种曲线是，它的最终结果并不一定通过给定的型值点，而只是比较好地接近这些点，这类曲线（或曲面）比较适合于外形设计。 因为在外形设计中(比如汽车、船舶)，初始给出的数据点往往并不精确；并且有的地方在外观上考虑是主要的，因为不是功能的要求，所以为了美观而宁可

9、放弃个别数据点。因此不须最终生成的曲线都通过这些数据点。另一方面，考虑到在进行外形设计时应易于实时局部修改，反映直观，以便于设计者交互操作。第一类曲线在这方面就不能适应。 法国的 Bezier 为此提出了一种新的参数曲线表示方法，因此称为Bezier曲线。后来又经过 Gordon、Forrest和 Riesenfeld等人的拓广、发展，提出了样条曲线。这两种曲线都因能较好地适用于外形设计的特殊要求而获得了广泛的应用。P0P0P2P1P1P2P3P3P1P0P3P2(1) Bezier (1) Bezier 曲线在应用中的不足：曲线在应用中的不足：控制性差:当顶点数较多时，曲线的阶次将较高，此时

10、，特征多边形对曲线形状的控制将明显减弱；不易修改:任何一点均要受到全部顶点的影响，这使得对曲线进行局部修改成为不可能。（而在外形设计中，局部修改是随时要进行的）希望新的曲线要求：l易于进行局部修改；l更逼近特征多边形；l是低阶次曲线。B0P(0)P(1)MB2P(1/2)B1P(1/2)曲面建模具有以下优点：(1)在描述三维实体信息方面比线框建模严密、完整，能够构造出复杂的曲面，如汽车车身、飞机表面、模具外型等：(2)可以对实体表面进行消隐、着色显示，能够计算表面积(3)可以利用建模中的基本数据进行有限元划分，以便进行有限元分析或利用有限元网格划分的数据进行表面造型；(4)可以利用表面造型生成

11、的实体数据产生数控加工刀具轨迹。 但曲面建模也存在许多缺点，主要表现在：(1)曲面建模理论严谨复杂，所以建模系统的使用较复杂，并需一定的曲面建模的数学理论及应用方面的知识。(2)这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。例如，对一个圆柱曲面就无法区别它是实体轴的面还是空心孔的面。n定义：定义：n实体建模是利用基本体素，如长方体、圆柱体等通过集合运算生成复杂形体的建模技术。n体素的定义及描述体素的定义及描述n基本体素及空间位置及方向n平面轮廓扫描体 平扫体、旋转体n整体扫描n布尔运算布尔运算n布尔运算：并、交、差n过程模型，可以二叉树结构表示3. 实体建模(S

12、olid Modelling)实用：生产过程的模拟及干涉检验，特别是NC加工中刀具轨迹生成和检验方面2、布尔运算两个或两个以上的体素经过集合运算得到实体的表示布尔模型（Boolean Model)布尔运算实例布尔运算实例 这个看似复杂的模型，实际上是一这个看似复杂的模型，实际上是一个立方体与一个空心球体进行求交（个立方体与一个空心球体进行求交（intersect）布尔操作的结果）布尔操作的结果 WZWYWXn运动学分析运动学分析n干涉检验干涉检验n机器人编程机器人编程n五坐标五坐标NC铣削过程模拟铣削过程模拟n空间技术空间技术n边界表示法（边界表示法（BRep）n构造立体几何法构造立体几何法n

13、混合模型混合模型n空间单元表示法空间单元表示法边界表示法（边界表示法（BRep）n把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间，形体可通过边界来表示，面通过边、边通过点、点通过三个坐标值来定义。n强调形体外表细节，记录了所有几何、拓扑信息。n核心信息为平面形体表面表面表面边边边边顶点顶点x,y,zn边界表示法的优点在于含有较多的关于边界表示法的优点在于含有较多的关于面、边、点面、边、点 及其相互关系的信息，可及其相互关系的信息，可通过人机交互对物体模型进行局部修改通过人机交互对物体模型进行局部修改n有关物体生成原始信息，基本体定义，有关物体生成原始信息，基本体定义，如何拼合等无法提取如何拼合等无法

14、提取n描述所需信息量较大，信息冗余。描述所需信息量较大，信息冗余。-U构造立体几何法（构造立体几何法（GSG） 通过基本体素及它们的集合运算(交，并，差)进行表示的。-n存储基本体素变换矩阵，存储基本体素变换矩阵，CSG法数据法数据量只有量只有BRep法的法的1/10n描述复杂物体有一定局限性描述复杂物体有一定局限性n隐式模型，不存储物体的详细几何信息隐式模型，不存储物体的详细几何信息n可实现整体修改，而局部修改难可实现整体修改，而局部修改难n基本思想基本思想n在一个系统中采用不同形式的表示方法，常见的CSG法和Brep混合，在原来CSG的结点上扩充一级边界数据结构。n特点特点n(1) 可实现

15、快速图形显示n(2) 由于起主导作用的是CSG结构，局部修改等仍不可实现。混合模式混合模式n基本思想基本思想n通过一系列空间单元构成图形来表示物体，单元Cell都是具有一定大小的立方体。是一种数字化的近似表示法。n特点：特点：n(1) 要求大量存储空间n(2) 没有点线面的概念，不能表达物体任意两部分之间的关系。只是空间近似。n(3)算法简单，是物性计算和有限元划分的基础。空间单元表示法空间单元表示法 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，算法比较简

16、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念，不能表达一个物体两部分之间的关系空间单元表示法空间单元表示法n四叉树（二维），八叉树（三维）四叉树（二维），八叉树（三维）n数学意义：数学意义：n一个平面半空间可通过一个无限平面和法向向量来定义。n特点特点n可实现局部修改n容易引进自由曲面n使CSG数据结构在形式上向着面模式过渡。半空间法（以半空间法（以

17、CSG为基础）为基础）n(1) 采用混合模式采用混合模式n(2) 以精确表示形式存储曲面实体模型以精确表示形式存储曲面实体模型n(3) 引入参量化、变量化建模方法，便于引入参量化、变量化建模方法，便于设计修改设计修改n(4) 采用特征建模技术，实现系统集成。采用特征建模技术，实现系统集成。n特征建模的概念特征建模的概念n特征的表示及数据结构特征的表示及数据结构n特征建模技术的实现和发展特征建模技术的实现和发展n1 特征的定义特征的定义n2形状特征的分类形状特征的分类n特征：特征：n产品开发过程中各种信息的载体，包含零件的几何拓朴信息，设计制造等过程所需要的非几何信息，如材料信息、尺寸、形状公差

18、信息、表面粗糙度信息和刀具信息等。n特征表达如下：特征表达如下：n产品特征 形状特征工程语义信息n语义信息：n静态信息: 描述特征形状、位置属性数据；n规则和方法: 确定特征功能和行为；n特征关系: 描述特征间相互约束关系n特征分类标准：特征分类标准：n每一类特征都是零件设计的基本功能单元，同时其方法和制造手段基本上一致。n形状特征分类；形状特征分类；n制造方法：铸、锻、焊、机加工等特征n零件类型：轴盘类、板块类、箱体类等特征n设计过程：基特征、正特征和负特征、主特征和辅助特征n复杂程度：简单特征、复合特征n特征需表示的信息：特征需表示的信息：n特征体素: 特征造型中进行布尔运算的单元，n特征

19、面及拓朴信息: 建立特征之间关系及工程属性的基础。n结构：结构：n特征体素层: 特征体素的定义与几何建模中的CSG中的实体单元对应。n特征面关系层: 特征面的组成、面的邻接关系以及面的作用和属性等n特征几何元素定义层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n特征识别特征识别n首先进行几何设计，然后在建立的几何模型上，通过人工交互或自动识别算法进行特征的搜索、匹配。n特点：特征信息的提取和识别困难，仅适于简单加工特征识别，且形状特征之间的关系无法表达。n基于特征设计基于特征

20、设计/特征建模特征建模n直接采用特征建立产品模型，而不是事后再识别。n建立在三维实体建模系统的基础上，增加特征的描述信息，建立特征库，并将几何信息与非几何信息描述在一个统一的模型中，设计时将特征库中预定义的特征实例化。n从设计角度从设计角度n扩大了建模体素的集合，方便设计，为设计高效率、标准化、系列化提供条件；n从加工角度从加工角度 n特征对应着一定的加工方法，简化CAPP决策逻辑，同时可将加工方法与特征封装实现了程序的结构化、模块化、柔性化。CAD/CAM资源共享需资源共享需：n统一的产品数据模型定义体系n统一的产品数据交换标准n集成产品数据模型集成产品数据模型n产品数据交换接品的标准产品数

21、据交换接品的标准n定义：定义：n与产品有关的所有信息构成逻辑单元，包括产品的生命周期内有关的全部信息，且在结构上能清楚表达信息的关联。n包含内容：包含内容：n面向产品生产过程的集成产品数据模型结构，由很多局部模型组成的关联模型。可以满足各生产环节对信息的不同需求。n数据表达完整，无冗余和二义性数据表达完整，无冗余和二义性n建立数据之间的关联结构当一部分数据建立数据之间的关联结构当一部分数据修改时，与之相关部分数据可相应变动修改时，与之相关部分数据可相应变动n数据结构简单，便于查询、修改和扩充。数据结构简单，便于查询、修改和扩充。n特点：特点：n容易表达、处理，能够反映设计师意图及描述信息完备n

22、可为设计、分析、加工各环节所自动理解的全局性模型n可与参数化设计、尺寸驱动等设计思想结合，为设计者提供全新的设计环境。n包含的零件信息包含的零件信息n零件总体信息n基体信息n零件特征信息n零件几何、拓朴信息n产品数据交换接口的用途产品数据交换接口的用途n初始图形交换规范初始图形交换规范IGESn产品数据交换标准产品数据交换标准STEPn数据交换数据交换n不同设计部门之间n设计、生产准备、制造部门之间n不同合作企业之间n不同时期的研制产品之间n不同CAD/CAM系统之间n同一CAD/CAM系统的不同版本之间n数据交换接口的联接形式数据交换接口的联接形式n在专用数据交换接口基础上的点对点联接n系统无关的通用数据交换接口的基础上实现星形联接。n（1）IGES数据文件的总体结构数据文件的总体结构nIGES数据文件n数据进行顺序存储n每行记录长度为80个字符n采用ASCII标准代码n分为五个区段：n起始段(S)、全局段(G)、元素索引段(D)、参数数据段(P)、结束段(T)n（2）IGES元素元素n描述产品形状的几何元素n描述尺寸标注及工艺信息的标注图形元素n描述逻辑关系的属性和结构元素n（3）IGES在应用中的问题和发展在应用中的问题和发展n成功：n不同CAD系统之间工程图样信息的交换n通过传递的几何数据