CADCAM建模技术

1、计算机辅助设计与制造1.概述 2.线框建模 3.表面建模 4.实体建模 5.特征建模 计算机辅助设计与制造建模的过程现实物体抽象想象模型格式化信息模型计算机内部表示建模技术的基础知识 建模建模是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切定义，赋予一定的数学描述，并以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，在计算机内部构造实体的模型计算机辅助设计与制造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集合分量和拓扑关系的检验公式：式中: F F面数 V V顶点数 E E边数 R R面中空洞数 H H体中空穴数

2、 F+V-E=2+R-2HF+V-E=2+R-2H计算机辅助设计与制造表面建模的特点三维实体信息描述较线框建模严密、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。时产生对实体二义性的理解。

3、优点：缺点：可以对实体表面进行消隐、着色显示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，进行有限元划分可以计算表面积，利用建模中的基本数据，进行有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计算机辅助设计与制造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，通过集合运算集合运算和基本变形操作变形操作建立三维立体的过程称为 实体建模是实现三维几何实体完整信息表示的理论、技术和系统的总称实体建模技术是CAD/CAM中的主流建模方法 计算机辅助设计与制造实体建模的基本原理实体建模技术实体建模技

4、术是利用实体生成方法产生实体初始模型，通过几何的逻辑运算，形成复杂实体模型的一种建模技术基本实体构造 体间逻辑运算基本实体构造基本实体构造是定义和描述基本的是定义和描述基本的实体模型，包括实体模型，包括体素法体素法和和扫描法扫描法。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表面与实体可同时生成 实体建模技术主要包括两部分：计算机辅助设计与制造体素法用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

5、素的几何参数几何参数（如长、宽、高、半径等）及体素的基准点基准点 计算机辅助设计与制造扫描法 将平面内的封闭曲线封闭曲线沿某一路径“扫描”(平移、旋转、放样等)形成实体模型 扫描法可形成较为复杂的实体模型扫描法可形成较为复杂的实体模型 1. 运动形体,称基体基体2. 形体运动的路径路径 扫描变换两个分量：计算机辅助设计与制造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

6、含从A中减去A和B 共同点后的其余点 计算机辅助设计与制造布尔运算实例 这个看似复杂的模型，实际上是一个方块与一个这个看似复杂的模型，实际上是一个方块与一个空心的球进行求交（空心的球进行求交（intersectintersect）布尔操作的结果）布尔操作的结果WZWYWX计算机辅助设计与制造实体建模方法 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 边边界表示法界表示法 结构实结构实体表示法体表示法 混合表示法混合表示法 空空间单间单元表示法元表示法 扫扫描描变换变换法法 半空半空间间法法 参数参数表示法表示法 利

7、用TIPSTIPS（Technical Information Processing System）系统，形成CAD/CAM多功能的实体造型试验系统，几何定义语句格式与APT语言很相似 零件按族分类，族类零件由几个关键参数来表示，其余形状尺寸都按一定的比例由这些参数来决定计算机辅助设计与制造边界表示法（边界表示法（Boundary RepresentationBoundary Representation） 边界表示法边界表示法简称简称 B-RepB-Rep，是通过对集合中某个面的平移和旋转以，是通过对集合中某个面的平移和旋转以及指示点、线、面相互间的连接操作来表示空间三维实体。由于是及指示点

8、、线、面相互间的连接操作来表示空间三维实体。由于是通过描述形体的边界描述形体，而形体的边界就是其内部点与外部通过描述形体的边界描述形体，而形体的边界就是其内部点与外部点的分界面，所以称为点的分界面，所以称为边界表示法边界表示法 有利于生成和绘制线框图、投影图，有利于计算几何特性 核心信息是面，对几何物体的整体描述能力相对较差计算机辅助设计与制造结构实体表示法结构实体表示法(Constructive Solid Geometry)(Constructive Solid Geometry) 简称 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 表示法只说明了形体怎样构

9、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CSG表示只是一种过程性表示，或称为非计算模型非计算模型A4.6 三维物体的并、交、差示意图图BUA BA-BA B计算机辅助设计与制造 根节点根节点 枝节点枝节点 （* *）平移平移xP3 P2 P1 （- -* *）叶节点叶节点 形体的形体的CSGCSG表示法是用表示法是用一棵有序的二叉树记录一棵有序的二叉树记录的一个实体的所有组合的一个实体的所有组合基本体素以及正则集合基本体素以及正则集合运算和几何变换的过程运算和几何变换的过程 叶节点分两种： 基本体素基本体素，如长方体、圆柱 体素作运动变换时的参数参数，如平移参数X 枝节点表

10、示某种运算： 运动运算子运动运算子，如平移、旋转 集合运算子集合运算子，经修改后适用于形状运算的正则化集合运算子正则化集合运算子 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 平移平移 差差（- -* *） Z Z X X Z Z X X 并并（* *） x x P3 P1 P2 计算机辅助设计与制造扳手的构造过程： CSGCSG 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 计算机辅助设计与制造混合表示法混合表示法 （HybirdHybird Model Model） 混合表示法混合表示法是建立B-Rep和CSG

11、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 法为内部模型内部模型，将用户输入的模型数据转化为 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计算机辅助设计与制造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空间单元表示法空间单元表示法也叫计算机辅助设计与制造空间单元表示法数据结构空间单元表示法

12、数据结构 空间单元表示法数据结构通常空间单元表示法数据结构通常用用:四叉树和和八叉树 用于用于二维物体二维物体描述描述 用于用于三维物体三维物体描述描述 八叉树最大优点是便于作出局八叉树最大优点是便于作出局部修改及进行集合运算部修改及进行集合运算 计算机辅助设计与制造空间单元表示法空间单元表示法 算法比较简单，便于进行几何算法比较简单，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，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，没有要求有大量的存储空间，没有关于点、线、面的概念，不能表

13、关于点、线、面的概念，不能表达一个物体两部分之间的关系达一个物体两部分之间的关系计算机辅助设计与制造扫描变换法扫描变换法 扫描变换以沿着某种轨迹移 动点、曲线或曲面的概念为基础，它要求定义移 动的形体和轨迹 形体可以是曲线、曲面或实体形体可以是曲线、曲面或实体 轨迹应是可分析、可定义的轨迹应是可分析、可定义的 在扫描表示中，只要二维集合无二义性，实体就不会有二义性 链接链接计算机辅助设计与制造几何建模技术比较线框线框曲面曲面实体实体数据结构点和边点边面、参数方程点边面体工程图较好局限较好剖面图不可能有交线可行消隐不可能有限制可行真实感图形不可能可行可行物性计算有限制有限制可行干涉检查不行局限可

14、行有限元人机交互壳单元实体单元计算机要求低一般高内存1410NC数控2轴半25轴25轴计算机辅助设计与制造5. 特征建模 特征建模概述 特征建模原理 特征间的关系 特征的表达方法 特征库建立 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 计算机辅助设计与制造特征建模概述 特征建模技术发展很快，ISO颁布的 PDES/STEPPDES/STEP 标准已将部分特征信息（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：交互式特征定义交互式特征定义特征自动识别特征自动识别基于特征设计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

15、，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 计算机辅助设计与制造u 特征引用直接体现设计意图，产品设计工作在更高的层次上特征引用直接体现设计意图，产品设计工作在更高的层次上展开展开u 各部门之间具有了共同语言，产品的设计意图贯彻到各环节各部门之间具有了共同语言，产品的设计意图贯彻到各环节u 针对专业应用领域

16、的需要建立特征库，快速生成需要的形体针对专业应用领域的需要建立特征库，快速生成需要的形体u 特征建模技术着眼于更好、更完整地表达产品全生命周期的特征建模技术着眼于更好、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技术和生产组织、计划管理等多阶段的信息 预定义特征，并建立特征库，实现基于特征的零件设计；预定义特征，并建立特征库，实现基于特征的零件设计； 支持用户自定义特征，完成特征库的管理操作；支持用户自定义特征，完成特征库的管理操作； 对已有的特征可进行删除和移动操作；对已有的特征可进行删除和移动操作； 零件设计中能提取和跟踪有关几何属性。零件设计中能提取和跟踪有关几何属

17、性。计算机辅助设计与制造特征建模原理特征反映设计者和制造者的意图：从设计角度看，特征分为设计特征、分析特征、管理特征从造型角度看，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素从加工角度看，特征被定义为与加工、操作和工具有关的零部件形式及技术特征特征的定义特征建模系统构成体系IST 零件零件形状特征模型形状特征模型几何几何/ /拓扑拓扑材料特征模型材料特征模型精度特征模型精度特征模型管理特征模型管理特征模型技术特征模型技术特征模型IST IST IST IST IST IST-从属关系 几何层特征层 REF REF REF-引用关系 REF 零件层 零件信息模型计算机辅助设计与制造形状特征模型形状特征

18、模型形状特征是描述零件或产品的最主要的特征，主要包括几何信形状特征是描述零件或产品的最主要的特征，主要包括几何信息、拓扑信息息、拓扑信息圆孔锥孔平键槽弧形槽T形槽挡圈槽简单主特征宏特征简单辅特征复制特征组合特征圆柱体圆锥体长方体轮毂轮幅盘孔螺纹槽花键周向均布孔阵列孔轮缘同轴孔中心孔圆柱齿轮轮缘V 带轮轮缘零件形状特征的分类 计算机辅助设计与制造形状特征模型的数据结构形状特征模型的数据结构 特特 征征 类类 名名特特 征征 标标 识识几何属性和精度属性材材料料热热处处理理属属性性关关系系属属性性几几何何要要素素定定位位坐坐标标定形尺寸及公差定形尺寸及公差 定位尺寸及公差定位尺寸及公差形形状状公公

19、差差位位置置公公差差表表面面粗粗糙糙度度S SI I* *PtPtR R* *PtPt* *PtPt* *PtPt* *PtPt* *PtPt* *PtPtE E基准- 字符数据类型- 枚举数据类型- 整型数据类型- 实型数据类型指针几何要素几何要素几何要素类型几何要素类型几何要素标识几何要素标识所属形状特征标识所属形状特征标识E EI II I 关系属性指形状特征之间的联系，如形状特征与精度特征、材料热处理特征之间相互引用联系 形状特征通过参数描述，在产品中实现各自的功能，并对应各自形状特征通过参数描述，在产品中实现各自的功能，并对应各自的加工方法、加工设备和刀具、量具、辅具的加工方法、加工

20、设备和刀具、量具、辅具计算机辅助设计与制造精度特征模型精度特征模型表达零件的精度信息，包括尺寸公差、形位公差、表面粗糙度表达零件的精度信息，包括尺寸公差、形位公差、表面粗糙度 形状公差的数据结构 特征标识特征标识形状公差名形状公差名公差值公差值公差等级公差等级实体状态实体状态被测几何要素被测几何要素表面粗糙度的数据结构 材料获取方式材料获取方式评定参数名评定参数名评定参数值评定参数值被测几何要素被测几何要素几何要素几何要素几何要素几何要素- 枚举数据类型- 整型数据类型- 实型数据类型指针计算机辅助设计与制造材料特征模型包括材料信息和热处理信息材料特征模型包括材料信息和热处理信息 热处理信息包

21、括热处理方式、硬度单位和硬度值的上、下限 材料信息包括材料名称、牌号、和力学性能参数材料名材料名力学性能参数力学性能参数性能上限值性能上限值性能下限值性能下限值热处理方式热处理方式热处理工艺名热处理工艺名硬度单位硬度单位最高硬度值最高硬度值最低硬度值最低硬度值被测几何要素被测几何要素热处理特征模型的数据结构 材料特征模型的数据结构 - 字符数据类型- 枚举数据类型- 整型数据类型- 实型数据类型指针计算机辅助设计与制造管理特征模型管理特征模型零件类型零件名图号GT码件数材料名设计者设计日期其它- 字符数据类型- 枚举数据类型 管理特征主要是描述零件的总体信息和标题栏信息，如零件管理特征主要是描

22、述零件的总体信息和标题栏信息，如零件名、零件类型、名、零件类型、GTGT码、零件的轮廓尺寸码、零件的轮廓尺寸( (最大直径、最大长度最大直径、最大长度) )、质量、件数、材料名、设计者、设计日期质量、件数、材料名、设计者、设计日期 管理特征模型的数据结构计算机辅助设计与制造技术特征模型技术特征模型 技术特征模型的信息包括零件的技术要求和特性表技术特征模型的信息包括零件的技术要求和特性表 这些信息没有固定的格式和内容，很难用统一的模型来描述这些信息没有固定的格式和内容，很难用统一的模型来描述 描述零部件有关装配的信息，如零件的配合关系、装配关系描述零部件有关装配的信息，如零件的配合关系、装配关系

23、 装配特征模型装配特征模型计算机辅助设计与制造 继承关系构成特征之间层次联系，位于层次上级的叫超类特征超类特征，位于层次下级的叫亚类特征亚类特征 亚类特征可继承超类特征的属性和方法，这种继承关系称AKOAKO（A-Kind-of）关系。 特征类与特征实例之间关系称为INSINS（Instance）关系。 特征间的关系 特征类特征类是关于特征类型的描述，是具有相同信息性质或属性的特征概括 特征实例特征实例是对特征属性赋值后的一个特定特征，是特征类的一个成员特征类之间、特征实例之间、特征类与特征实例之间关系：继承关系 邻接关系 从属关系 引用关系 计算机辅助设计与制造 CONTCONT（Conne

24、ct-To）反映形状特征之间的相互位置关系。 构成邻接联系的形状特征之间状态可共享，特征间的关系 特征类特征类是关于特征类型的描述，是具有相同信息性质或属性的特征概括 特征实例特征实例是对特征属性赋值后的一个特定特征，是特征类的一个成员特征类之间、特征实例之间、特征类与特征实例之间关系：继承关系 邻接关系 从属关系 引用关系 计算机辅助设计与制造 ISTIST（Is-Subordinate-To）表示形状特征之间的依从或附属关系。 从属的形状特征依赖于被从属的形状特征而存在特征间的关系 特征类特征类是关于特征类型的描述，是具有相同信息性质或属性的特征概括 特征实例特征实例是对特征属性赋值后的一

25、个特定特征，是特征类的一个成员特征类之间、特征实例之间、特征类与特征实例之间关系：继承关系 邻接关系 从属关系 引用关系 计算机辅助设计与制造 REFREF（Reference）描述形状特征之间作为关联属性而相互引用的联系。 特征间的关系 特征类特征类是关于特征类型的描述，是具有相同信息性质或属性的特征概括 特征实例特征实例是对特征属性赋值后的一个特定特征，是特征类的一个成员特征类之间、特征实例之间、特征类与特征实例之间关系：继承关系 邻接关系 从属关系 引用关系 计算机辅助设计与制造特征的表达方法特征主要表达两方面的内容：一是表达几何形状几何形状的信息 二是表达属性属性几何形状信息表达方法：隐式表达隐式表达和