模具CAD与CAM第五章 建模技术2

5.2.3实体建模SolidModelling◆体素法生成实体下图所示是采用体素法，从定义基本体素到生成实体模型的全过程，通过定义4个基本体素，经过三次集合运算，完成三维实体的建模。5.2.3实体建模SolidModelling5.2.3实体建模SolidModelling5.2.3实体建模SolidModelling◆扫描体素法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，扫描法又分为平面轮廓扫描和整体扫描两种方法。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。扫描变换需要两个分量，一是给出一个运动形体，称为基体；另一个是指定形体运动的路径。5.2.3实体建模SolidModelling◆扫描体素法优点由于三维实体建模能唯一、准确、完整地表达物体的形状，且容易理解和实现，因而被广泛应用于设计和制造中。扫描体素法是对在某一方向具有固定剖面产品形状造型的一种实用而有效的方法，可对产品进行描述、特性分析、运动分析、干涉检验以及有限元分析、加工过程的模拟仿真等。5.2.3实体建模SolidModelling1）平面轮廓扫描法这种方法的基本设想是由任一平面轮廓在空间平移一个距离或绕一固定的轴旋转就会扫描出一个实体。5.2.3实体建模SolidModelling2）整体扫描法三维实体扫描法就是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，运动可以是沿某一方向移动，也可以是绕某一轴线转动，或绕某一点摆动，如图所示。5.2.3实体建模SolidModelling线框建模、表面建模、实体建模的比较：5.2.4特征建模FeatureModelling几何建模技术推动了CAD/CAM技术的发展，但几何模型只是物体几何数据及拓扑关系的描述，无明显的工艺信息、结构和工程含义，因而促进了特征建模技术的发展。在建模技术中，特征的概念源于对零件几何要素的归纳，以零部件的设计自动化为目的，将产品的零部件设计中常用的几何体的几何定义为特征；进一步的发展使得特征技术着眼于从制造领域着手，将特征与工艺过程设计、数控加工自动编程相结合，从而提出了面向制造的设计(DFM)概念。5.2.4特征建模FeatureModelling随着特征的概念引伸至产品设计所需要的知识、零件设计所应具有的功能、加工过程中的工艺过程等，并且在商品化的CAD/CAM软件中几乎都提供了由于产品开发者定义特征的模块，并试图以积累设计经验、自动定义零件的受力分析、物理性能验算、几何造型、工艺可行性评价、装配性分析等知识为基础的综合特征用于产品或零部件的设计。5.3实体建模中的形体表示模型及数据结构5.3.1边界表示法5.3.2构造实体几何法5.3.3三维形体的数据结构5.3实体建模中的形体表示模型及数据结构与表面建模不同，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有：边界表示法、构造实体几何法、混合表示法。5.3.1边界表示法（B-Reps）◆定义用物体的边界，如面、边、点等低层的几何元素描述物体的形状。即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。5.3.1边界表示法（B-Reps）◆数据结构边界表示法的数据结构是网状的数据结构。如右图所示的物体，将其按照实体、面、边、顶点描述，在计算机内部按网状的数据结构进行存贮。图5－9四棱锥的边界表示5.3.1边界表示法（B-Reps）◆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。◆局限性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，同时描述物体所需信息量较多，边界表达法的表达形式不唯一。5.3.2构造实体几何法（CSG）◆定义ConstructSolidGeometry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。用二叉树表示物体的构成，其中叶节点表示体素，内节点表示布尔运算符。◆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，结点为运算，最上面的结点对应着被建模的物体。如下图所示。5.3.2构造实体几何法（CSG）图5-10同一物体的第一种CSG结构5.3.2构造实体几何法（CSG）◆优点方法简洁，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。◆局限性由于信息简单，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。现在CAD系统都是用CSG/B-Reps混合起来表示的。两者表示优缺点比较见表5－1。5.3.2构造实体几何法（CSG）CSG/B-reps混合表示法（HybirdModel）◆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。◆原理以CSG法为系统外部模型，以B-Reps法为内部模型，CSG法适于做用户接口，而在计算机内部转化为B-Reps的数据模型。5.3.2构造实体几何法（CSG）◆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。图5-11混合模式结构5.3.2构造实体几何法（CSG）CSG/B-reps混合表示法（HybirdModel）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-Reps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。5.4特征建模简介5.4.1特征技术5.4.2特征分类5.4.3特征建模系统及功能特点5.4特征建模简介特征建模（FeatureModeling）1.几何模型的缺陷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。缺少面向生产过程的信息特征，使信息传递、资源共享和CIMS的实现较为困难，于是特征建模技术应运而生。5.4.1特征技术◆特征定义特征是产品上经常出现的，具有一定的语义信息，能实现特定功能的一组几何实体如孔、槽、凸台、倒角等及其相关信息的集合，它能用于设计、制造、检测、分析等目的。特征是构造零件的最基本的单元要素，它既反映零件的几何信息，同时又反映零件的加工工艺特征信息。为系统的集成提供了条件。5.4.1特征技术◆特征建模定义◆特征的图例特征建模是一种建立在实体建模的基础上，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，它不仅包含与生产有关的信息，而且还能描述这些信息之间的关系。图5-13特征的图例及约束关系5.4.2特征分类由于特征反映了具体的工程语义信息，因而对于不同的产品、不同的应用（如设计、分析、加工、检测、装配等）和不同的生产工艺（如切削加工、铸造、冲压、锻造、注塑等）都会有不同的特征表现形式。因此，对它进行一定的分类是必要的。5.4.2特征分类按产品定义数据的性质可分为如下几大类：◆几何形状特征（FormFeature）◆加工特征（MachineFeature）◆有限元(分析)特征（Finite-elementFeature）◆精度特征（PrecisionFeature）◆材料特征（MaterialFeature）5.4.2特征分类◆几何形状特征（FormFeature）形状特征表示产品的几何信息、拓扑信息。形状特征通过参数描述，都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。数据结构是以实体建模中B-Reps法为基础，数据结点包括特征类型、序号、尺寸及公差等。通常它包含两个层次，一个是低层次的点、线、面、环组成的B-Reps法结构，另一个是高层次的由特征信息组成的结构。5.4.2特征分类◆加工特征（MachineFeature）又称为工艺特征或制造特征，表示工艺能力、约束与加工参数等。◆有限元(分析)特征(Finite-elementFeature)用来表示与有限元分析相关的信息，包括节点、单元和边界条件。◆精度特征（PrecisionFeature）精度特征用来表达零件的尺寸公差、形状公差、位置公差、表面粗糙度。5.4.2特征分类◆材料特征（MaterialFeature）材料特征用来表达材料的种类、性能、热处理和表面处理要求等。特征建模除了实体建模中已有的几何、拓扑信息之外，还要包含特征信息、精度信息、材料信息、技术要求和其它有关信息。除静态信息之外，还应当支持设计、制造过程中的动态信息。5.4.3特征建模系统及功能特点1．特征建模系统特征建模通常由形状特征模型、精度特征模型、材料特征模型组成，而形状特征模型是特征建模的核心和基础。特征建模系统的框架如下图5-14所示：图5-14特征建模系统的框架5.4.3特征建模系统及功能特点1．特征建模系统◆形状特征模型形状特征模型主要包括几何信息、拓扑信息。形状特征通过参数描述，都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。数据结构是以实体建模中B-Reps法为基础，数据结点包括特征类型、序号、尺寸及公差等。通常它包含两个层次，一个是低层次的点、线、面、环组成的B-Reps法结构，另一个是高层次的由特征信息组成的结构。5.4.3特征建模系统及功能特点◆精度和材料特征模型精度模型用来表达零件的精度信息，包括尺寸公差、形状公差、位置公差、表面粗糙度。材料特征包括材料的种类、性能、热处理要求等。特征建模除了实体建模中已有的几何、拓扑信息之外，还要包含特征信息、精度信息、材料信息、技术要求和其它有关信息。除静态信息之外，还应当支持设计、制造过程中的动态信息。5.4.3特征建模系统及功能特点2．特征建模功能特点◆功能1.预定义特征，建立特征库；2.特征库的智能化应用，实现基于特征的零件设计；3.为特征附加注释，并为用户例举参考特征；4.支持用户定义特征以及管理、操作特征库；5.特征消隐、移动；6.零件设计中，跟踪和提取有关几何属性。5.4.3特征建模系统及功能特点◆特点特征建模技术使产品的设计工作不停留在底层的几何信息基础上，而是依据产品的功能要素，产品设计工作在更高的层次上展开，特征的引用直接体现设计意图。特征建模技术可以建立在二维或三维平台上，同时针对某些专业应用领域的需要，建立特征库就可实现特征建模技术，快速生成需要的形体。特征建模技术有利于推动行业内的产品设计和工艺方法的标准化、系列化、规范化，使得产品在设计时就考虑加工、制造要求，有利于降低产品的成本。5.4.3特征建模系统及功能特点◆特点特征建模技术提供了基于产品、制造环境、开发者意志等诸方面的综合信息，是产品的设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门之间具有了共同语言，可更好将产品的设计意图贯彻到各后续环节，促进智能CAD系统和智能制造系统的开发，特征建模技术也是基于统一产品信息模型的CAD/CAM/CAPP集成系统的基础条件。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，着眼于建立CAD系统与CAX系统、MRP系统与ERP系统的集成化产品信息平台。5.CAD建模技术思考题：1.什么是几何建模技术？几何建模技术为什么必须同时给出几何信息和拓扑信息？2.试分析三维几何建模的类型及其应用范围。3.实体建模中是如何表示实体的？4.什么是体素？体素的交、并、差运算是何含义？5.简述边界表示法的基本原理和建模过程。6.简述CSG表示法的基本原理和建模过程。