第七章+三维产品建模技术.ppt

1、1,第七章 三维产品建模技术,2,学习目标 掌握几何建模的基本概念; 掌握线框建模、表面（曲面）建模、实体建模、特征建模等几种建模方法的原理、特点及其在计算机内的表示，比较不同方法的使用场合； 会使用典型商品化CAD/CAM软件中的几何建模功能。,3,本章内容,7.1 三维几何造型技术 几何造型概述形体在计算机内部的表示三维几何造型系统的三种模型 7.2 特征建模技术 特征定义与分类 特征的表达方法 基于特征的零件信息模型,4,在机电产品设计制造过程中，需要从不同的角度来描述和表达产品或零部件的有关信息。,几何信息：形状、大小、空间位置、拓扑关系等,物理信息：材质、力学特性等；,工艺信息：精度

2、要求、工艺路线、加工参数、定位关系等；,NC信息： NC代码、刀具轨迹等。,装配信息：碰撞干涉检验。,7.1 三维几何造型技术,7.1.1几何造型概述,5,6,演示,7,计算机只能进行数字信息的处理、存储和管理，在屏幕或其它输出设备上看到的二维或二维图形，只是这种数字信息的一种表现形式。,7.1 三维几何造型技术,在CAD/CAM技术中，产品或零部件的设计思想和工程信息是以具有一定结构的数字化模型方式存储在计算机内部的，并经过适当转换提供给生产过程各个环节，从而构成统一的产品数据模型。,8,7.1 三维几何造型技术,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

3、进行信息转换与处理的数据模型，包括三维形体的几何信息、拓扑信息以及其它的属性数据。,几何造型：是指一种技术，它能将物体的形状及其属性（颜色、纹理等）存储在计算机内，形成该物体的三维几何模型。,模型: 由数据、数据结构、算法三部分组成。,1、什么是几何造型,9,几何造型是 CAD技术的一项重要的内容，是 CAD技术有别于其他的计算机应用技术的重要特征。 几何造型也是计算机图形学研究的重要内容。,造型技术是CAD/CAM系统的核心技术，也是计算机辅助人进行设计、制造活动的基础。,10,线框建模 表面建模第一次技术革命 实体建模第二次技术革命 参数化建模第三次技术革命 变量化建模第四次技术革命,2、

4、三维几何造型的发展概况,11,2、三维几何造型的发展概况, 线框建模20世纪60年代出现的二、三维线框造型，是利用基本线素（直线、圆弧、点、椭圆弧及自由曲线等）来构造立体模型，描述的是产品的轮廓外形，只能表达基本的信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。,12, 20世纪70年代飞机和汽车工业蓬勃发展，制造中遇到了大量的自由曲面问题，此时法国人Beizer发明了贝塞尔算法，法国达索飞机制造公司据此开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面建模系统CATIA，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，为人类带来了第一次CAD技术革

5、命，使得汽车开发周期从6年降低到3年，现在降到了1年以内。,表面建模第一次技术革命,13,有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，SDRC公司于20世纪80年代初发布了第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性，也带来了数据计算量的极度膨胀。实体建模技术的普及及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。,实体建模第二次技术革命,14,20世纪80年代中期，CV公司内部人员提出了一种比无约

6、束造型更新颖、更好的算法参数化实体建模方法，它主要有以下特点：基于特征的设计、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。PTC公司（Parametric Technology Corp.）开发出Pro / Engineer参数化软件，它介于高端的三维系统与低端的二维绘图软件之间，体现出在通用件、零部件设计上简便易行的优势，迎合了中小企业对CAD的需求。参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。,参数化建模第三次技术革命,15,20世纪90年代，SDRC公司在1993年推出了Master Series软件，以参数化技术为蓝本比参数化技术更先进的实体造型技术变量化技术，把线框模型、表面

7、模型及实体模型叠加在一起的复合建模技术，其建立主模型不需要全部尺寸约束，保持了参数化技术的优点，同时又克服了它的许多不足之处，驱动了CAD发展史上的第四次技术革命。SDRC公司的I-DEAS成为美国福特汽车公司首选的CAD / CAM软件。, 变量化造型第四次技术革命,16,7.1.2 形体在计算机内部的表示,1、几何信息和拓扑信息,17,拓扑信息：指构成物体的拓扑元素(顶点、边棱线和表面)的数目及相互之间的连接关系。,拓扑信息不同，即使几何信息相同，最终构造的实体可能完全不同,几何信息：是指物体在空间的形状、尺寸及位置的描述。 几何信息包括点、线、面、体的信息,18,几何建模方法：以几何信息

8、和拓扑信息反映结构体的形状、位置、表现形式等数据。,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。,几何信息必须与拓扑信息时给出。,目的：为了保证描述物体的完整性和数学的严密性。,19, 面与面的连接关系，即面与面相邻性,多面体为例，其拓扑元素之间可以用以下9种拓扑关系表示：,面与顶点的组成关系，即面与顶点包含性,20,面与边棱线的组成关系，即面与边棱线包含性,顶点与面的隶属关系，即顶点与面相邻性,21,顶点与顶点间的连接关系，即顶点与顶点相邻性,顶点与边棱线的隶属关系，即顶点与边棱线相邻性,边棱线与面的隶属关系，即边棱线与面相邻性,22,边棱线与顶点的组成关系，即边棱线与顶点包含性

9、,边棱线与边棱线的连接关系，即边棱线与边棱线相邻性,同一个物体的几何分量之间可能存在多种拓扑关系，但有些拓扑关系实际上可能是等价的。,23,常采用链表（链接存储）的数据结构，即建立项点表、边棱线表、面表。,顶点表：记录顶点的序号及其坐标值，并在指针域存放该顶点的前一顶点的指针和后一顶点的指针； 反映了结构体的大小和空间位置。,棱线表：纪录构成棱线的顶点序号以及指向前后棱线的指针；反映了结构体的棱线与顶点之间的邻接关系。,几何信息与拓扑信息在计算机处理中的表示：,24,面表：存放定义每个面的棱线序号； 面表确定了面与定义该面的诸棱线之间的关系； 反映了结构体的面与边棱线、面与顶点之间的邻接关系。

10、,几何建模方法： 线框建模、表面建模、实体建模,几何模型只是物体几何数据及拓扑关系的描述，无明显的功能、结构和工程含义。,25,2、形体的定义,任何复杂的形体都可以分解成一些基本几何元素。几何造型就是利用几何元素通过各种变换、处理及集合运算来生成所需几何模型的过程。,形体在计算机内采用六层拓扑结构进行定义:,26,2、形体的定义,边 一维几何元素，形体相邻面的交界 。 环 有序、有向边组成的封闭边界。环不能自相交并有内外之分。 外环 确定面的最大边界的环，通常其边按逆时针方向排序； 内环 确定面中的内孔或凸台边界的环，其边通常按顺时针方向排序。 按照这种定义，在面上沿一个环前进，其左侧总是面内

11、，右侧总是面外。,顶点 边的端点，或为两条或两条以上边的交点。 顶点不能孤立存在于实体内、实体外或面和边的内部。,27,2、形体的定义,面 二维几何元素，是形体上的一个有限、非零的单连通区域。面由一个外环和若干内环包围而成，具有方向性，一般用外法矢方向作为正方向。,壳 构成一个完整实体的封闭边界，是形成封闭的单一连通空间的一组面的结合。一个连通的物体有一个外壳和若干个内壳构成 。体 三维几何元素，是由若干个面包围成的封闭空间。几何造型的最终结果就是各种形式的体,28,线框模型 表面模型 实体模型,7.1.3 三维几何系统的三种模型,29,9.1.2 三位几何系统的三种模型,1 线框模型 线框建

12、模的基本原理：利用顶点和边棱线的有限集合来表示和建立物体的计算机内部模型.,线框建模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。,二维线框建模,三维线框建模,线框建模,30,用三维的基本图形元素来描述和表达物体，同时仅限于点、线和曲线的组成。,造型原理：,线框模型在计算机内部的存储方式：表结构,棱线表和顶点表来表达和存储。,实际物体是棱线表和顶点表相应的三维映象，计算机可自动实现视图变换和空间尺寸协调。,三维线框模型,31,立方体的顶点表,32,用线框建立的物体模型，只有离散的空间线段，没有实在的面。,33,线框建模的优点,只有离散的空间线段，处理起来比较容

13、易，构造模型操作简便 所需信息最少，数据结构简单, 硬件的要求不高 由于有了形体的三维数据，可以方便地产生任意视图，并且视图间能保证正确的投影关系，为生成多视图的工程图带来了很大的方便；,34,线框建模的缺点,几何意义的多义性：一个线框模型可能被解释为若干个有效几何体。,35,线框建模的缺点,描述的结构体无法进行消隐、干涉检查、物性计算。由于在数据结构中缺少边与面、面与体之间相互关系的信息，即拓扑关系不完整，因此不能构成实体，无法识别面与体，更不能分辨体内与体外。,在这种造型方法中，所有表面仅用几何表示，不能用于加工与装配,36,表面造型技术可以看作是在线框模型上覆盖一层薄膜所得。 曲面模型可

14、以在线框模型上通过定义曲面来建立。 曲面造型技术可以用来对具有复杂的自由曲面和雕塑曲面的形体进行建模。,2 表面模型,37,1）表面建模的基本原理,造型原理： 表面建模是将物体分解成组成物体的表面、边线和顶点，用顶点、边线和表面的有限集合来表示和建立物体的计算机内部模型。,建模过程,链表结构，在计算机内部存贮的是物体的顶点、棱线和面表信息。,数据结构：,逻辑结构：,网状图,物理结构：,38,G,E1,E6,E5,E4,E3,E2,V4,V3,V2,V1,（x1,y1,z1）,（x3,y3,z3）,（x2,y2,z2）,（x4,y4,z4）,F1,F2,F3,F4,面表,39,表面建模方法通常用

15、于构造复杂的曲面物体，一般可以用多种不同的曲面图素造型。用于表面模型建模中的曲面图素有以下几种： 基本曲面。如圆柱面、圆锥面、球面、环面等； 规则曲面。如平面、直纹面、回转面、柱状面等； 自由曲面。常见的有Bezier曲面、B样条曲面、Coons曲面等； 派生曲面。派生曲面指利用已经存在的曲面或实体上的曲面为基础构建出曲面。,2）表面描述方法的种类,40,2）表面描述方法的种类,（1)平面 用三点定义一个平面，常用它作剖切平面。 (2)直纹面 一条母线沿着两条导线移动，所生成的曲面。 导线是两条不同的空间曲线，母线是直线，其两端点必须沿着导线移动，可表示无扭曲的曲面。 (3)回转面 先产生一平

16、面轮廓，再绕一轴线旋转而成，用于构造回转类零件等；(4)柱状面 将一平面曲线沿垂直于该平面的方向移动一段距离，所生成得曲面，该曲面具有相同的截面；,演示,41,（5） Bezier曲面,Bezier曲面由多边形面上的设计点所构成网格定义。 主要问题是局部形状控制，因为移动多边形曲面上的一点，就会影响整个所有曲面形状,法国雷诺汽车公司的工程师P.E. Bzier于1962年独创构造贝塞尔曲线曲面的方法，法国Dassault飞机公司研制的CATIA系统广泛使用,Bezier曲面由Bezier曲线构成。 Bezier曲线的形状由一多边形定义，仅有多边形第一个及最后一个顶点在该曲线上，其余的顶点则定义

17、曲线的导数、阶数及形状。,42,(6)B样条曲面,在任意截面上选择多个点为特征顶点，用最小二乘积逼近方法生成一条曲线，即B样条曲线。,在曲面 V方向的不同截面上可生成一组(N+1)条 B样条曲线，同样在曲面 U方向的不同截面也生成一组(M+1)条B样条曲线。两组B样条曲线的直积可构成B样条曲面。,43,孔斯（Coons）曲面,1964年，美国MIT的 S.A.Coons 提出利用一组有四条边界的曲面片表示曲面的方法，形成Coons曲面法 Coons曲面先进实用，广泛应用于飞机制造计算机辅助设计,Coons曲面是通过一组具有四条边界的曲面片来表示曲面，这些曲面片的边界曲线由u或v 分段参数方程表

18、示，边界曲线段的端点就是曲面片的角点，对应于参数的整数值 Coons曲面的特点是插值，即通过满足给定边界条件的方法构造曲面,演示,44,3） 表面建模的特点及用途,增加了有关面的信息，提高三维实体信息的完整性、严密性方法；,能够比较完整地定义三维立体的表面 ，特别是一些复杂自由曲面。,45,特点及用途：,表达了零件表面和边界定义的数据信息，有助于对零件进行渲染、消隐等处理、碰撞干涉检验，因此，大多数CAD/CAM系统中都具备曲面建模的功能。,具有完整的零件表面和边界定义，有助于系统直接提取有关面的信息生成数控加工指令。非常适合于自动生成数控加工指令。,46,表面建模方式生成的零部件及产品可分割

19、成板、壳单元形式的有限元网格，有助于进行有限元分析。,表面建模中面信息的存在有助于对物性方面与面积有关的特征计算，同时对于封闭的零件来说，采用扫描等方法也可实现对零件进行与体积等物理性能有关的特征计算。,47,由于所描述的仅是实体的外表面，并没切开物体而展示其内部结构无法表示零件的内部几何体属性。,表面模型局限性：,无法定义曲面的厚度，很难确定一个表面模型生成的三维物体是一个实心的物体，还是一个具有一定壁厚的壳，这种不确定性同样会给物体的质量特性分析带来问题；,48,存在着不能有效处理的不规则区域曲面（相贯线）。,曲面模型不宜用作表示机械零件的一般方法。,无法区别面的哪一侧是体内、哪一侧是体外

20、，依然不是实体模型。,49,无法区别面的哪一侧是体内、哪一侧是体外。,识别面的哪一侧是实体，哪一侧时空的。,3 实体模型,表面建模的缺点：,实体建模要解决的问题：,实体建模采用面的法向矢量方向进行面的约定：面的法向矢量方向指向物体之外,50,实体建模的基本原理,采用面的法向矢量确定实体的内外侧。将组成表面的封闭边线定义为有向边 每条边的方向由顶点编号的大小确定，即由编号小的顶点(边的起点)指向编号大的顶点(边的终点)为正；-确定每条边的方向,举例说明：,确定组成棱线的左表面和右表面得到边棱线表;,边棱线表,线框,52,确定各表面的法向矢量（外法线方向） 利用右手法则确定表面的外法线方向；,53

21、,确定组成面的边线及其“正、负”得到面表根据外法线方向用右手法则判定构成该表面的边的“正负”，若定义的边的方向符合右手法则，则这条边对于该面为“正”，否则为“负”，得到面表。,面表,54,数据结构：,顶点表：,纪录几何信息；,棱线表和面表：,纪录拓扑信息；,棱线表和面表必须严格标明边的方向及其与相邻面的关系。,逻辑结构：,网状图,物理结构：,55,7.1.4 实体模型的表示方法,三维实体表示法是要研究计算机如何表达以及何构造一个实体模型。,常见的实体模型表示方法：,边界表示法,构造立体几何表示法,混合表示法,空间单元表示法,56,边界表示法（Boundary Representation）,造

22、型原理 :,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。,边界表示法强调实体外表的细节，详细记录了构成物体的全部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。,-简称B-Rep法。,57,58,数据结构 ：网状 将物体按照实体、面、边、顶点描述，在计算机内部按网状的数据结构进行存贮。,59,常用几何元素的数学表示,60,边界表示法,优点 有较多的关于面、边、点及其相互关系的信息。 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。,61,局限性,对几何物体的整体描

23、述能力相对较差；,无法提供关于实体生成过程的信息；,无法记录组成几何体的基本体素的原始数据；,描述物体所需信息量较多，边界表达法的表达形式不唯一。,由于边界表示法的核心信息是面,62,7.1.4 三维实体表示方法,1） 造型原理,CSG法将任何几何形体都看作是由简单的“体素”(如长方体、圆柱体、球体、圆锥体、环状体等)组成的，通过体素的各种有序的布尔运算(并、差、交)来构筑复杂的几何体。,2、构造实体几何法(Constructive Solid Geometry),63,64,体素的布尔运算,实体建模中的集合运算理论依据： 集合论中的交（Intersection）、并（Union）、差（Dif

24、ference）等运算，把简单体素组合成复杂形体的工具。,以两个三维体素A和B为例，其集合运算定义如下：,交集：,形体C包含所有A、B共同的点。,j,65,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。,D:本科生CAD-CAMtsph_j.swf,66,67,68,构造实体几何表示模型对于复杂的形体都可以通过正则集合运算或几何变换操作用简单形体（体素）组合来表示。,69,体素法生成实体实例 ：,从定义基本体素到生成实体模型的全过程,通过定义基本体素，经过集合运算，完成三维实体的建模。,70,flash,71,布尔运算实例,这个看似复杂的模型，实际上

25、是一个方块与一个空心的球进行求交（intersect）布尔操作的结果,72,由于体素表示的有效性决定了构造实体几何表示的有效性，所以在几何造型中必须细致定义各种体素。 在几何造型系统中的每个体素都用简单参数变量表示，这里的参数包含体素的大小、形状、位置和方向。 体素的构造： 参数定义的简单形体，如球体，柱体，立方体等； 扫描变换生成的形体； 体素的表示也可以用曲面或平面半空间的正交运算来表示。,73,二叉树形式表示的CSG法,CSG表示法是用有序的二叉树记录的一个实体的所有组合基本体素以及正则集合运算和几何变换的过程,2） CSG法的数据结构,74,根节点表示树中相应基本体素经几何变换和正则集

26、合运算后得到的实体,2）、CSG法的数据结构,75,二叉树形式表示的CSG法,枝节点表示某种运算： 运动运算子，如平移、旋转 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,2）、CSG法的数据结构,76,叶节点分两种： 基本体素，如长方体、圆柱 体素作运动变换时的参数，如平移参数X,2）、CSG法的数据结构,77,2）、CSG法的数据结构,逻辑结构为有序的二叉树,树叶(叶结点) 为基本体素或变换矩阵;,结点为布尔运算关系; 空心圆中注明布尔运算符号(交、并、差),结点的子树表示由其隶属的结点组合和变换操作所得的子实体;,根对应着被建模的物体。,78,N=（B+C）-A,M=（B-C）-

27、A,N=（B-A）+C,M=（B-A）-C,79,80,3）扫描变换生成体素法,定义 ：利用基体的变形操作实现表面形状较为复杂的物体的建模方法称为扫描法。,基本原理 ：用曲线、曲面或形体沿某一路径运动后生成2D或3D的物体。,扫描法又分为平面轮廓扫描和整体扫描两种方法。,1. 运动形体,称基体 2. 形体运动的路径,扫描变换两个分量：,81,（1）平面轮廓扫描,任意平面轮廓在空间平移一个距离、绕一固定的轴旋转或沿与轮廓平面相垂直的一条曲线运动扫描生成一个实体。,用途：常用生成棱柱体或回转体。,定义：,82,（2）整体扫描法,首先定义一个三维实体作为扫描基体，让此基体在空间运动，运动可以是沿某一

28、方向移动，也可以是绕某一轴线转动，或绕某一点摆动，生成实体,用途：,在数控加工中，用于生成刀具轨迹、加工过程的模拟仿真；,检验运动部件在空间运动时是否发生碰撞干涉。,演示,83,CSG法相对于B-Rep法的主要特点 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。 同一个物体完全可以通过定义不同的基本体素，经过不同的集合运算加以构造。,csg1,csg2,84, 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。例如在物体上倒角、倒圆等。,csg2,85, CSG表示法最终在

29、计算机中存储的是组成实体的体素坐标变换矩阵及其体素之间的布尔运算关系等信息，而没有存储最终实体的更详细的信息。,86, 在必要时可修改体素参数或附加体素进行重新拼合。,CSG法的优点：, 方法简洁，生成速度快，处理方便，无冗余信息;, 能够详细地记录构成实体的原始特征参数;,CSG法的缺点：,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。,87,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,相当于在CSG树结构的结点上扩充边界法的数据结构。,数据结构:,以CSG法为系统外部模型，以B-Rep法为内部模型，CSG法适于做用

30、户接口，而在计算机内部转化为B-Rep的数据模型。,原理:,3 混合模式（Hybird Model）,88,89,混合模式（Hybird Model）,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。,90,4 空间单元表示法,空间单元表示法也叫分割法。 基本思想：是通过一系列空间单元构成的图形来表示物体的一种方法。 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。 如下图所示。,91,92,空间单元表示法特点,空间单元表示法要

31、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。,93,空间单元表示法的数据结构,数据结构通常是四叉树和八叉树。 四叉树：用于二维物体描述。 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。,94,空间单元表示法数据结构,八叉树：用于三维物体描述。 基本思想：将空间通过三坐标

32、平面XOY、YOZ、ZOX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。八叉树的最大优点: 是便于作出局部修改 及进行集合运算。,95,实体建模的特点,实体建模系统通过对结构体的几何和拓扑信息的表达、克服了线框建模与曲面建模的缺陷，所以在设计与制造中广为应用。,进行真实图像的生成，实现对结构体进行渲染；,对零部件进行干涉检查的能力强；,可以实施零部件的装配,特点：,可以进行结构体物性计算；,96,可以在任意单元模型上生成有限元网格模型；,运动学分析； 干涉检验； 有限元分析； 数控机床和机器人编程； 二五坐标NC加工过程模拟、仿真；,可以进行25轴的数控加工编程；,用途：,97

33、,线框建模、表面建模、实体建模的比较,98,思考题,实体建模中是如何表示实体的？ 什么是体素？体素的交、并、差运算是何含义？ 简述边界表示法（B-Rep）的基本原理和建模过程。 简述构造几何法（CSG）的基本原理和建模过程。,99,三维数字化产品建模,工程设计的重要环节 早期以几何建模为主 完整产品信息模型 产品整个生命周期中各个过程所需要的信息，如设计过程、工艺规划、加工过程等 产品数据的集合各类数据的表达方式以及相互间的关系 产品信息模型包括 零件模型底层的几何拓扑信息 产品的加工和非加工特征信息,100,几何造型系统产品信息模型不足,产品数据不完备 只涉及产品的几何形状数据 而反映设计意

34、图和工艺要求的信息没有表达 如公差、粗糙度、材料、热处理等 难以满足产品数据交换和信息集成的需要 数据的抽象层次低 只用低层次的几何、拓扑信息来表达零件信息 不能提供高层次的概念实体 不利于工程设计的数据表达,101,9.2基于特征的零件信息建模技术,采用具有工程意义的特征作为基本构造单元 使整个信息模型具有丰富的语义 并提供高层次的产品信息, 完整、全面地描述产品信息模型 是现代CAD系统普遍采用的技术 特征建模既继承了几何建模的优点 又弥补了其存在的种种缺陷,102,特征建模与几何建模,相互联系 几何建模提供了面向几何的产品信息的表现形式 特征建模提供了连接工程知识和几何信息的工具 特征向

35、下细分需要几何建模提供产品的几何形状信息 向上则反映工程语义的高层次信息 基于特征造型的产品设计方法是随着 CAD/CAM一体化要求而产生的，是建立在实体造型方法基础之上，更适合于计算机集成制造系统的产品设计方法,103,特征建模的信息模型,着重表达产品的完整技术和生产管理信息 不单纯注重产品几何描述问题 保留各功能形素的原始定义和相互依赖关系 避免设计和制造信息不连贯 特征造型用统一产品模型替代传统设计中的成套图纸和技术文档，使产品设计和生产准备各环节得以并行展开,104,特征建模的形体要求,基准特征 基准点、中心线、局部坐标系 配合面、支撑面、定位面和基准面等 引入非流形和非规则集合 扩展

36、欧拉操作范围,105,特征建模的操作对象,操作对象是产品的功能形素 如螺纹孔、定位孔、键槽和凸台等 不再是实体造型采用的原始的线条和体素 需要采用局部操作和尺寸驱动技术 使用新的数据结构和新的特征组合算法,106,特征建模与设计意图,特征的引用直接体现了设计意图 产品模型易于理解 节省产品设计时间 推动产品设计与工艺设计规范化 加强了产品设计与后续部门如分析、工艺准备、加工、检验各部门的联系及时进行反馈,107,特征的定义,Feature Factura “making，formation” 描述产品信息的集合 不同行业、不同条件下定义差别很大 不断发展的一个概念 特征是有一定拓扑关系的一组实

37、体体素构成的特定型体，它还包括附加在型体之上的工程信息，对应于零件上的一个或多个功能，能够被固定的方法加工成型,108,特征的定义,Shah et al., 1988 A Features represents the engineering meaning or significance of the geometry of a part or assembly. 特点 physical constituent of a part. mappable to a generic shape. has engineering significance. has predictable prope

38、rties.,109,特征的分类,形状特征Form Feature 装配特征Assembly Feature 精度特征Precision Feature 材料特征Material Feature 分析特征Analysis Feature 补充特征Additional Feature,110,形状特征Form Feature,描述某一个具有一定工程意义的几何形状信息 其他非几何信息的载体 非几何信息作为属性或约束附加状于形状特征 主特征 构造零件的主要形状结构 辅特征 对主特征的局部进行修饰 正特征、负特征、修饰特征,111,装配特征Assembly Feature,用于表达零件的装配关系以及装

39、配过程中所需的信息 模型替代、包封、边界盒 装配过程中生成的形状特征：如配钻等 与形状特征合称为造型特征 实际构造产品外型的特征,112,面向过程的特征,精度特征 用于描述几何形状和尺寸的许可变动量或误差 尺寸公差、形状公差、表面粗糙度等 材料特征 描述材料的类型与性能以及材料处理等信息 机械物理化学等特性及热处理方式与条件等,113,面向过程的特征,分析特征、技术特征 用于表达零件在性能分析时所使用的信息 有限元网格划分 补充特征、管理特征 表达与以上无关的一些产品信息 描述零件设计的编码等管理信息,114,形状特征几何形状,通道 凹陷 凸起,过渡 面域 变形,115,形状特征几何形状,通道

40、 与已存在形状特征在两端处的被减体 凹陷 与已存在形状特征交与一端的被减体 凸起 与已存在形状特征交与一端的被加体,116,形状特征几何形状,过渡 相交部分的平滑过渡区域 面域 定义已存在形状面上的二维要素 变形 折弯等变形操作,117,特征表示,显示与隐式 总体表示形式 特征标识 特征名 位置与方向 几何要素 轮廓线 主参数,118,特征形成规则,形状特征 局部生成特征 全局定位特征,119,局部生成特征,抽象的特征隐式表示方法 规定了某一特征的具体生成方法 包括 拉伸规则 过渡规则 形变规则 组合规则 复合规则,120,局部生成特征,拉伸规则 特征的局部形状通过空间一轮廓线沿空间一曲线扫描

41、而成 分为线性拉伸、环形拉伸、广义拉伸与形变因子拉伸 过渡规则 为了实现两个面的光滑连接形成的形状 包括面过渡、边过渡、顶点过渡 光滑过渡、平面过渡,121,局部生成特征,形变规则 反映形体局部形变而形成的特有局部形状 弯曲、扭曲 组合规则 同一特征按一定组合关系多处出现在原有形体的表面 线性组合、阵列组合、环形组合 复合规则 不同特征按一定复合关系组成高层复杂形状,122,全局规则,用于确定特征的局部形状在整个形体中的相对位置 组合通过局部规则生成的孤立局部形状 过渡规则与形变规则 通过需要过渡的体素以及发生形变的区域来定位 拉伸规则,123,全局规则拉伸规则定位,拉伸体正负规则 特征生成后

42、新形体相对于原形体体积是否增加和减少 边界融合规则 拉伸体端面与原形体的融合条件 自由融合：拉伸结束后简单粘合 合并融合：继续作形体延伸,124,全局规则拉伸规则定位,拉伸终止 规定拉伸终止条件 内定终止规则 由用户规定拉伸度量，如孔的长度 外定终止规则 通过规定于原形体有关的条件来确定拉伸的终止条件,128,(Shah & Mntyl, 1995) 1. Geometry from Features (GfF) e.g., for Part Design 2. Features from Geometry (FfG) e.g., for Manufacturing Planning,Two

43、Ways of Using Features,129,使用特征的两种途径,Shah & Mntyl, 1995 Geometry from Features (GfF) e.g., for Part Design Features from Geometry (FfG) e.g., for Manufacturing Planning,130,使用特征的两种途径,131,特征互作用问题,132,特征互作用问题,133,特征识别,134,典型系统Pro/E,特征树 所有零件（part）都是特征的集合 记录组成零件的所有特征的类型及其相互关系 基特征（Base） 最早建立的特征，其余均为子特征 可

44、以是主特征和基准特征 区分主、辅特征以及基特征与子特征,135,典型系统Pro/E,136,典型系统Pro/E,基本关系 邻接关系 依附于共同的父特征 父子关系 存在依附关系 删除父特征同时删除子特征,137,典型系统Pro/E,基准特征，虚体特征 Datum 几何特性分类 虚平面 虚轴线 虚点 虚线 坐标系,138,扫描特征,原理：点动成线、线动成面、面动成体 所有系统中主要的造型方法之一 直线扫描：extrude 回转扫描：revolve 路径扫描：sweep 混合扫描：blend 薄壁扫描：thin：壁厚参数 安装复杂程度，尽可能使用简单的扫描方式,139,辅特征,槽：slot 切削：cut 孔：hole 轴：Shaft 倒角:Chamfer,倒圆角:Round 颈:Neck 法兰:Flange 筋：Ribs,顶点表（几何信息）,棱线表（拓扑信息）,G,E1,E6,E5,E4,E3,E2,V4,V3,V2,V1,（x1,y1）,(x3,y3）,（x2,y2）,V5,（x4,y4）,(x5,y5）,逻辑结构,图形,子图3,子图2,子图1,子图4,矩形,三角形,矩形的顶点表,矩形的棱线表,逻辑结构,142,三角形的顶点表,三角形的棱线表,143,144,扫描法生成体素,直线扫描,回转扫描,沿曲线扫描,二维轮廓,145,返回,