四章建模技术及产品数据模型2

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模的概念念特征的定定义形状特征征的分类类特征的表表示及数数据结构构特征建模模技术的的实现和和发展4-3特特征征建模技技术4-3特征建模模特征建模模的概念念由于几何何建模无无明显的的功能、、工艺、、工程信信息含义义，使得得后续计计算机应应用系统统（CAPP、、CAM、CAE等））难以从从中提取取、识别别所需工工艺、工工程等信信息。为为此，80年代代后期出出现了特征建模模技术。4-3特征建模模特征是一种综综合概念念，它作作为“产品开发发过程中中各种信信息的载载体”，除了了包含零零件的几几何拓扑扑信息外外，还包包含了设设计、制制造等过过程所需需的一些些非几何何信息（（材料、尺尺寸、形形状公差差、热处处理、表表面粗糙糙度、刀刀具信息息等）。特征是在更高高层次上上对几何何形体上上的凹腔腔、孔、、槽等的的集成描述述。特征是从工程程对象中中高度概概括和抽抽象后得得到的具具有丰富富工程语语义的功能要素素。特征指的是反反映产品品零件特特点的、、可按一一定原则则加以分分类的产产品描述述信息。。1.特征的定定义1.特征的定义因应用的的环境不不同和支支持特征征模型的的几何与与拓扑信信息表达达的差异异，对于于特征的的理解也也不尽一一致。从设计自自动化入入手，将将特征与与产品设设计知识识表示和和功能要要求相联联，特征征定义为为:“具有一定定几何形形状的实实体，与与CIMS一个个或多个个功能相相关,可可以作为为基本单单元进行行设计和和处理”。从制造领领域入手手，将特特征与工工艺过程程设计、、NC自自动编程程、自动动检测相相连，特特征定义义为:“对应一定定基本加加工操作作的几何何形状”。4-3特特征征建模1.特征的定义根据产品品生产过过程阶段段的不同同，而将将特征区区分为设计特征征、制造造特征、、检验特特征、装装配特征征等；根据描述述信息内内容的不不同，而而将特征征区分为为形状特征征、精度度特征、、材料特特征、技技术特征征等。4-3特特征征建模1.特征的定义4-3特特征征建模1.特征的定义国内有些些院所从从20世世纪80年代末末也开始始了特征征建模技技术的研研究。有些单位位从设计计、制造造一体化化观点研研究,将将形状特特征定义义为:““具有一定定拓扑关关系的一一组几何何元素构构成的形形状实体体,它对对应零件件的一个个或多个个功能,,并能被被一定的的加工方方式所形形成”。4-3特特征征建模1.特征的定义在形状特特征研究究的基础础上,为为进一步步拓宽特特征的含含义,又又将特征征定义为为:“一组具有有确定约约束关系系的几何何实体,,它同时时包含某某种特定定的语义义信息”。将特征表表达为如如下形式式:产品特征征=形状特征征+工程语义义信息4-3特特征征建模1.特征的定义对特征共共同点：：①特征征与零件件的几何何描述相相关；②特征具有有一定的的工程意意义；③在不不同的工工程活动动中，特特征的形形式和内内涵不同同；④特征征可以识识别和转转换；⑤在各各种工程程应用中中，各自自的特征征应满足足本项应应用的全全部要求求。4-3特特征征建模1.特征的定义4-3特特征征建模1.特征的定义4-3特特征征建模4-3特征建模模特征功能特征征形状特征征加工特征征精度特征征装配特征征4-3特征建模模特征建模模通过特征征及其组组合来定定义、描描述零件件模型的的过程。。特征建模模附加了工工程信息息的实体体模型，，基于特特征的造造型把特特征作为为零件定定义的基基本单元元,将零件描描述为特特征的集集合。4-3特征建模模特征建模模4-3特征建模模特征的定定义与分分类

目前特征征定义的的基本方方法有三三种：⑴交互式特特征定义义（人工））⑵特征识别别（自动））⑶基于特征征的设计计方法（特征建建模）4-3特征建模模交互式特特征定义义(InteractiveFeatureDefinition)首先建立立产品的的几何模模型，然然后由设设计者通通过交互互方式，，以拾取取、定义义、添加加的方法法，将各各类特征征作为属属性“写写进”特特征模型型中。这种方法法比较简简单，不不需要复复杂的算算法，但但自动化化程度低低，人为为错误率率高，且几何信信息与非非几何信信息是分分离的，产品数数据不能能共享。。4-3特征建模模特征识别别(FeatureRecognition)又称比较法定定义特征征，在系统中中，建立立特征数数据库，，通过启启动专用用程序自自动地将将模型中中的几何何特征与与特征库库中的““样品””逐一进进行比较较，直到到找出相相同者，，然后提提取特征征数据，，产生特特征模型型。以上两种种方法，，都是基基于原有有的模型型，用添添加或比比较的方方法，实实现特征征的定义义和建模模。4-3特征建模模基于特征征的设计计方法(DesignbyFeatures)基于特征征的设计计方法：：是直接将将特征融融于设计计之中，，在设计计阶段调调入特征征库中的的特征,,将之作作为基本本建模单单位进行行建模。。比如，将将加工信信息附加加在尺寸寸参数中中等。这种方法法适用范范围广,易于实现现数据共共享,因此得到到广泛应应用。4-3特征建模模特征的分分类:特征的抽抽象分类类⑴管理理特征⑵技术术特征⑶材料料热处理理特征⑷精度度特征⑸形状状特征（6）装装配特征征形状特征征分类⑴主特特征（简单主主特征、、宏特征征）⑵辅特特征⑶组合合特征⑷复制制特征4-3特征建模模形状特征征的类型型形状特征征是描述述产品或或零件的的最基本本特征。。根据制造造方法不不同，可可以分为为铸、锻、、焊、机机加工、、注塑成成型等；按零件类类型不同同，可以以分为轴盘类、、板块类、箱体类类、自由由曲面类类等。按特征的的复杂程程度，可可分为简单特征征和复合合特征。简单特征征为独立的的形状结结构；复合特征征为简单特特征的组组合（周向均布布孔、同同心孔等等）。板块类零零件形状状特征分分类4-3特特征征建模4-3特征建模模形状特征征的类型型按照在设设计中的的作用，，形状特征征可以分分为基特征征、正特特征、和和负特征征、主特特征和辅辅助特征征。基特征用于表示示毛坯的的初始形形状。正特征用于对毛毛坯添加加材料的的形状，，如凸台台、板筋筋、凸垫垫等。。负特征用于对毛毛坯去除除材料的的形状，，如孔、、槽、螺螺纹、腔腔体等。。4-3特征建模模形状特征征的类型型主特征用于构造造零件的的主体形形状(如如圆柱体体、圆锥锥体等))；辅助特征征用于对主主特征的的局部修修饰(如如倒角、、键槽、、退刀槽槽、中心心孔等))。分类标准准：每一类特特征都是是零件设设计的基基本功能能单元，，同时其其加工方方法和制制造手段段基本上上一致。。形状特征征体特特征征过渡特征征分布特征征形状特征征：是指具具有一定定工程语语义的几几何形体体，包括几何何信息和和拓扑信信息。STEP标准中中的分类类：4-3特特征征建模体特征：用于构构造零件件的主体体形状的的特征。。凸台、圆圆柱体、、矩形体体等。过渡特征征：表达一一个形状状的各表表面的分分离或结结合性质质的特征征。倒角、圆圆角、键键槽、中中心孔、、退刀槽槽、螺纹纹等。分布特征征：是一组组按一定定规律在在空间的的不同位位置上复复制而成的形状状特征。。周向均布布孔、齿齿轮的轮轮廓等。。4-3特特征征建模形状特征征-STEP标准中的的分类Pro//E软件件中的形形状特征征分类：：形状特征混成特征孔特征倒角特征拉伸特征旋转特征扫描特征圆角特征抽壳特征基准工作面基准工作轴阵列特征切割特征肋特征基准点4-3特征建模模精度特征征用于描述述零件上上公称的的几何形形状允许许的变化化量。4-3特征建模模精度特征尺寸公差形位公差位置公差表面粗糙度用于描述述和零件件材料的的类型、、热处理理等特殊殊要求、、表面处处理有关关的信息息。材料特征材料型号性能热处理表面处理硬度检验方式材料特征征4-3特征建模模用于描述述零件的的性能、、功能、、技术要要求等相相关信息息。技术特征征4-3特征建模模用于描述述零件在在装配过过程中要要使用的的信息和和装配时时的技术术要求。。装配特征征：装配特征配合关系装配顺序方式装配要求用于描述述零件的的管理信信息。管理特征零件名图号批量设计者日期未注粗糙度管理特征征4-3特征建模模与生产加加工工艺艺有关的的特征。。工艺特征精度特征材料特征技术特征装配特征工艺特征征4-3特征建模模4-3特征建模模特征的表表达方式式及数据据结构集成模式分离模式几何信息非几何信息集成模式式是将特征征模型和和实体模模型集成成在同一一内部数数据结构构里。分离模式式是把特征征信息放放在附加加的外部部结构中中。现在CAD/CAM系系统大大多用集集成模式式。在特征定定义和表表示中，，有关特征体素素和面的信息都都十分重重要。特征体素素是特征造造型中进进行布尔尔运算的的单元，，特征组成成面及拓拓扑信息息是建立特特征之间间关系及及工程属属性的基基础。在特征表表示中，，应同时时表示特特征体素素和特征征面的信信息，一一般特征征的表示示包括特征体素素层、特征面关关系层及特征几何何元素定定义层。特征的表表示4-3特特征征建模特征表示示的三层层结构4-3特特征征建模特征体素素层：描述零零件的总总体特征征，包括括总体尺尺寸、基基准(坐坐标)系系统、图图号、公公差、材材料、技技术特征征、产品品名称等等一般性性产品信信息。特征面关关系层：描述零零件各组组成面的的特征以以及组成成面之间间的形面面关联。。面类型型包含平平面、圆圆弧面、、圆锥曲曲面、自自由曲面面和复合合面。各形面之之间的关关联有：：①平面是是否为其其他面的的基准；；②平面之之间的尺尺寸公差差；③平面的的形状公公差、平平面度、、垂直度度等④平面的的位置公公差及其其基准。。4-3特特征征建模特征表示示的三层层结构特征几何何元素定定义层：是加工特特征单元元，包括括孔及孔孔系、槽槽、凸台台和连接接面等。。孔可分为为通孔、、盲孔、、台阶孔孔等，描描述的信信息有孔孔的类型型、尺寸寸、公差差和表面面粗糙度度等。4-3特特征征建模特征表示示的三层层结构4-3特征建模模特征面数数据结构构特征面的的模式定定义中，，包括特特征面的的组成、、面的邻邻接关系系、面的的作用和和属性等等。特征之间间通过面面构成空空间邻接接关系，，同时特特征面也也是加工工及检测测中刀具具和量具具的接近近表面。。如图所示示零件，由由4个形形状特征征组成（（毛坯A、、槽B、、槽C、、通孔D）。各特征之间间的关系系是通过约约束面和和基准面面建立的的。其数数据结构构为双向向链表形形式。4-3特征建模模特征联系系特征之间间通过约约束面和和基准面面指针建建立了特特征之间间的关联联：⑴继承联系系——特征征的层次次、级别别。⑵邻接联系系——相邻邻特征或或共享特特征在空空间位置之间的的相互关关系。⑶从属联系系——特征征的附属属、依赖赖关系。。⑷引用联系系——形状状特征与与其它特特征之间间的关联联引用关系系（如：材材料、精精度等））。4-3特征建模模特征建模模技术的的实现利用特征征的概念念进行设设计的方方法经历历了特征识别别及基于特征征的设计计两个阶段段。特征识别别：根据已有有几何模模型，通通过人工工交互或或自动识识别算法法进行特特征的搜搜索、匹匹配。基于特征征的设计计：基于特征征设计的的思想，，直接采采用特征征建立产产品模型型（即特特征建模模）。先先调用造造型系统统中的特特征，再再通过增增加、删删除、修修改等操操作，建建立零件件特征模模型；4-3特征建模模特征建模模技术的的实现基于特征征的设计计,从设计的的角度,它扩大了了建模体体素的集集合,给用户带带来很大大方便性性,同时也为为产品设设计实现现高效率率、标准准化、系系列化提提供了条条件。从加工角角度看,由于特征征对应着着一定的的加工方方法,所以工艺艺规程制制定也比比较容易易进行,简化了CAPP决策逻辑辑,尤其是面面向对象象技术的的应用,将特征与与加工方方法封装装实现了了程序的的结构化化、模块块化、柔柔性化。。由于设计计特征与与制造特特征的对对应关系系,在CAD设计完成成后,CAPP、CAM可直接将将特征设设计的结结果作为为输入,自动生成成工艺过过程和NC加工程序序,实现了具具有统一一数据库库、统一一界面的的集成CAD//CAPP/CAM系统。4-4集成产品品数据模模型及数数据交换换接口由于大多多数CAD/CAM系系统都是是针对不不同用户户的不同同应用任任务研制制开发的的，因而而它们的的描述方方法、定定义的信信息内容容以及采采用的数数据结构构都是各各不相同同的。CAD//CAM各模块块之间数数据资源源共享,,必须满满足两个个条件::一是要有有统一的的产品数数据模型型定义体体系二是要有有统一的的产品数数据交换换标准一.集成产品品数据模模型二.产品数据据交换标标准(一)产产品数数据交换换接口的的用途(二)初初始图图形交换换规范IGES(三)产产品数数据交换换标准STEP4-4集成产品品数据模模型及数数据交换换接口一.集成产品品数据模模型4-4集成产品品数据模模型及数数据交换换接口集成产品品模型：：与产品品有关的的所有信信息构成成的逻辑辑单元,,它不仅仅包括产产品的生命周期期内有关的的全部信息息,而且在在结构上上还能清清楚地表表达这些些信息的的关联。数据的描描述和表表达应满满足如下下几点要要求:①数据据表达完完整，无无冗余，，无二义义性;②建立立数据之之间的关关联结构构，当一一部分数数据修改改时，与与之相关关部分数数据也能能相应变变动;③数据据结构简简单，便便于查询询、修改改和扩充充。一.集成产品品数据模模型4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口基于特征征的集成成产品数据模型型层次结结构基于特征征的集成成产品数数据模型型包含四四类零件件信息::(1)零零件总总体信息息：这类类信息彼彼此之间间没有直直接联系系，主要要是文字字性描述述零件总总体特征征,如零零件名称称、零件件号、设设计者、、零件材材料、热热处理、、最大尺尺寸、重重量和生生产纲领领等。(2)基基体信信息：基基体是造造型开始始的初始始形体，，也可以以毛坯或或半成品品，预先先定义的的参数化化实体或或者根据据现场需需要直接接由图形形支撑软软件生成成。对基基体信息息的描述述主要包包括基体体表面之之间的信信息及基基体与特特征之间间关系信信息。一.集成产品品数据模模型4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口(3)零零件特特征信息息：记录录特征的的分类号号、所属属方位面面号、控控制点坐坐标和方方向、尺尺寸、公公差、热热处理、、特征所所在面号号、定位位面及定定位尺寸寸、切入入面与切切出面、、特征组组成面、、粗糙度度、形位位公差等等。(4)零零件几几何、拓拓扑信息息：这部部分信息息可直接接由采用用的实体体建模软软件的文文件读出出（如I-DEAS的的Pearl数数据库文文件），，包括面面、环、、边、点点的数据据。一.集成产品品数据模模型4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口4-4集成产品品数据模模型及数数据交换换接口二.产品数据据交换标标准－产产品数据据交换接接的用途途实现CIM的先先决条件件是要求求在如下下几个方方面能进进行数据据交换：：①不同同设计部部门之间间；②设计计、生产产准备、、制造部部门之间间；④不同同时期的的研制产产品之间间；⑤不同同CAD/CAM系统统之间；；⑥同一一CAD/CAM系统统的不同同版本之之间。不同CAD系统统之间的的数据交交换点对点交交换这是一一对应应的交换。。对于n个个CAD系统，，每个系系统都应应有n--1个接接口处理理程序。。

星形交换换这是多对一的交换，，以交换换标准进进行数据据交换。。对于n个个CAD系统，，每个系系统只需需要两个个接口处处理程序序。4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口二.产品数据据交换标标准－产产品数据据交换接接的用途途CAD系系统模型型间数据据交换原理理每一个CAD系系统都需需要设置置一个前前置处理理器和一一个后置置处理器器。前置处理理器负责责将计算算机内部部模型（（系统A）转换换成接口口的模型型；后置处理理器负责责将交换换接口的的模型转转换成另另一系统统（系统统B）的的模型。。4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口二.产品数据据交换标标准－产产品数据据交换接接的用途途数据交换换标准为了能在在不同的的CAD/CAM系统统之间进进行数据据交换，，目前世世界上已已经研制制出多个个通用的的数据交交换接口口标准，，其中典典型的有有：1.图图形交换换标准———IGES2.产产品数据据交换标标准———STEP3.其其它转换换标准———DXF、、STEL等4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口二.产品数据据交换标标准－初初始图形形交换规规范(IGES)4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口图形交换换标准IGES的总体结结构IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）是一个初初始图形形交换标标准，于于1981年由由美国发发布。目前，几几乎所有有商业化化CAD/CAM系统统都配有有IGES接口口。在利用IGES标准进进行数据据交换时时，需要要首先产产生一个个IGES数据据文件（（中间文文件，与与被交换换的系统统无关）），该文文件规定定：1）数据进行行顺序存存储；2）每行记录录长度为为80个个字符；；3）采用ASCII标准代代码。IGES数据文文件在逻逻辑上分分为五个个区段：：起始段：：IGES文件的的说明部部分，文文件格式式和行数数不限，，第73列列字符为为“S”。全局段：：提供和整整个模型型相关的的信息（（文件名、、生成日日期、前前/后置置处理器器中描述述所需要要的信息息），第73列列字符为为“G”。元素索引引段：记录文件件中采用用的元素素目录，，每一种种元素对对应一个个索引，，每一个个索引记记录有关关元素类类型、参参数指针针、版本本、线型型、图层层、视图图等，第73列列字符为为“D”。4-4集成产品品数据模模型及数数据交换换接口二.产品数据据交换标标准－初初始图形形交换规规范(IGES)参数数据据段：记录每个个元素的的几何数数据，第73列列字符为为“P”。结束段：：表示文件件的结束束，并兼兼有记录录起始段段、全局局段、元元素索引引段、参参数数据据段段码码及总行行数的任任务，第73列列字符为为“T”。4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口二.产品数据据交换标标准－初初始图形形交换规规范(IGES)IGES元素在IGES文件中最最基本的的信息单单位是元元素（Entity），这些些元素分分为三类类：1）为描述产产品形状状所需的的几何元素素（点、线、、面）；2）为描述尺尺寸标注注及工艺艺信息所所需的标注图形形元素；3）为描述逻逻辑关系系所需的的属性和结结构元素素。4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口二.产品数据据交换标标准－初初始图形形交换规规范(IGES)IGES的应用成功应用用的典型型方面不同CAD系统统之间工工程图样样信息的的交换（（最多）；通过传递递的几何何数据实实现运动动模拟和和动态试试验；CAD与与NC系系统之间间的联接接；CAD与与FEM系统的的联接。。4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口二.产品数据据交换标标准－初初始图形形交换规规范(IGES)应用中存存在的问问题元素范围围有限。。IGES定义的的主要是是几何方方面的信信息，因因而无法法保证一一个CAD/CAM系系统的所所有数据据与另一一个系统统进行交交换，有有时会发发生数据据丢失现现象；占用的存存储空间间较大。。由于选择择了固定定的数据据格式和和存储长长度，IGES的数据据文件是是稀疏的的；时常发生生传递错错误。主要是由由于语法法上的二二义性造造成解释释上的错错误。4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口二.产品数据据交换标标准－初初始图形形交换规规范(IGES)美国IGES委委员会从从1984年开开始新的的产品数数据交换换规范PDES（ProductDataExchangeSpecification）接口的的研究，，后来国国际标准准化委员员会在此此基础上上确定了了STEP（StandardforExchangeofProductModelData）的的名称。。STEP为CAD/CAM系统统提供了了一种中中性机制制，它规规定了产产品设计计、制造造以至于于产品全全生命周周期内所所需的有有关产品品形状、、解析模模型、材材料、装装配顺序序、检验验测试等等方面信信息的定定义和数数据交换换的外部部描述。。4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口二.产品数据据交换标标准－STEPSTEP的组成①描述述方法((descriptionmethods),,Part11-19;②通用用集成资资源(integratedresources),,Part41-49;③应用用集成资资源(integratedresources),,Part101-199;;④应用用协议((applicationprotocols),Part201-1199;;⑤实现现方法((implementationmethods),,Part21-29;⑥一致致性测试试(conformancetesting)),Part31-39;⑦抽象象测试集集(abstracttestsuites)),Part1201-2199。。4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口二.产品数据据交换标标准－STEPSTEP的组成七个系列列文件：0、10、20、30、40、100、200系列，每每个系列列完成不不同的内内容。集成资源源是用通用形式式化语言言EXPRESS描述的集集成产品品模型，，它分为为通用资源源和应用资源源。4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换接接口二.产品数据据交换标标准－STEPSTEP体系结构构STEP采用全新新的设计计思想，，将七个个系列文文件构成成三个层次次结构：应用层：：包括应用协议议及对象抽象象测试集集，是面向具具体应用用的层次次，是用用专门术术语描述述的某种种应用信信息模型型；逻辑层：：包括通用资源源和应用资源源以及由这这些资源源组成的的产品模模型（由EXPRESS语言描述述）；物理层：：包括具体体的数据交换换实现方方法，通过一一定规则则，将EXPRESS语言描述述的产品品模型转转变成易易懂的正正文编码码形式。4-4集集成成产品数数据模型型及数据据交换