计算机辅助设计与制造(第三章)

计算机辅助设计与制造（第三章）机械工程学院研究生专业课重庆大学机械工程学院郭钢教授/博导2013年10月18日目录第2章新产品开发策划与概念设计第3章三维建模与产品数字化设计（CAD）第5章计算机辅助工程（CAE）第4章逆向工程与新产品设计第6章第1章概论计算机辅助制造（CAM）第7章产品数据管理（PDM）第8章协同设计与产品生命周期管理（PLM）第3章三维建模与产品数字化设计新产品数字化设计的基本概念在概念设计结果的基础上，对组成产品的各零部件进行详细的结构、性能与公差配合设计，一般是先完善产品或大部件的装配设计，再由装配图（或三维装配模型）拆分出零件图（或三维零件模型），进行细节设计，达到最后可生产制造的工程化要求，然后输出完整的装配图、零件图、计算书、说明书、材料分类汇总清单（BOM）等可指导工艺设计和生产的技术文件。产品的详细设计过程是一个不断完善、提高的优化迭代过程，通过一系列的设计变更和协同控制，得到最后相对完善的产品及零部件材料配置清单、几何结构、性能要求、产品使用环境和条件等具体物化的东西。3.1数字样机的基本概念与发展历史3.1.1新产品设计与数字样机技术数字样机（DMU——DigitalMockup）是在三维CAD（ComputerAidedDesign）技术的基础上，溶入了设计领域知识（KBE）、性能数字仿真、三维公差设计、工业设计、人机工程和三维设计数据管理等技术的一种面向新产品自主开发的综合性设计技术。在新产品的详细设计阶段，它能帮助新产品设计人员利用数字样机设计技术，在计算机上完成新产品的工程化结构设计、工艺工装设计、数字样机的性能仿真分析、设计过程数据管理和设计文档编写等一系列设计活动。采用DMU技术，可以用数字形式代替原来的实物原型实验，创造产品的数字模型，在数字状态下进行仿真试验，然后再对原设计重新进行组合或者改进。因此，这样常常只需要制作一次最终的实物原型，并且使新产品开发一次获得成功。第3章三维建模与产品数字化设计CAD技术的基本概念、发展历史和主要功能1、CAD——计算机辅助设计：采用计算机硬软件系统进行零部件及整机的设计（可以是二维设计，也可以是三维设计），在计算机上更有效地帮助人们完成产品的几何结构、装配、公差、尺寸检查、机构分析、造型、包装等设计任务。2、CAD技术的发展历史：20世纪60年代中期——70年代中后期，CAD——计算机辅助二维绘图20世纪70年代末期——80年代中期，三维线框、曲线、曲面设计，出现参数化设计；20世纪80年代中期——90年代后期，三维实体、特征、NUBRS自由曲面、混合健模等技术日趋成熟，并大量应用于各行业的产品设计；20世纪90年代后期——现在，数字样机技术、KBE、专业模块和协同设计3、主要功能：几何建模、装配设计、绘图、公差设计、装配仿真、任意剖切、干涉检查、鈑金设计、管路设计、线束设计、工业设计、工装/模具设计、KBE工具、数据管理、权限管理、BOM接口、数据接口（DFX、IGES、STEP等）、二次开发工具等。第3章三维建模与产品数字化设计DMU技术的实现过程DMU系统的建立可以从概念上分为四个层次和六个分系统。四个层次包括：（1）执行层：提供团队设计人员产品建模、产品及零件分析、设计、评价、试制和试验工具。（2）管理层：提供项目管理人员产品流控计划、控制、评审和资源分配等开发过程运行管理。（3）决策层：提供决策层进行国家产业政策、市场需求、竞争对手分析和企业发展战略目标及企业资源等技术经济分析支持下各产品的市场目标、技术目标、质量目标和成本目标的策划与决策工具。（4）支持层：提供DMU协同设计及网络化信息系统支撑环境。六个支持分系统包括：（1）面向新产品开发的企业组织结构模型和业务运行建模分系统；（2）产品评价和决策支持分系统；（3）产品开发过程管理（包括支持多功能团队协同工作模式的人员组织管理）分系统；（4）数字化产品设计、分析及设计评估分系统；（5）产品虚拟制造和工艺仿真分系统；（6）计算机协同支撑环境分系统。第3章三维建模与产品数字化设计产品策划和决策系统并行协同支撑环境系统数字化产品设计及设计评价系统产品数字化主模型DFXCAD/CAE样机试制和试验系统快速原型制造系统样机制造执行层产品开发管理系统项目组织模型产品协同设计过程模型过程控制和评价模型产品目标模型企业组织模型企业资源模型新产品策划和决策过程模型竞争对手分析模型和数据库产品市场需求模型和数据库管理层中心数据库/企业WEB/门户网站企业级PLM/ERP/CRM/SCM企业DMU实施建模系统产品工艺和制造模型概念和结构设计模型产品装配结构模型样机实验快速模具制造系统计算机硬件/OS（UNIX/NT）部门级PDM/Project部门级PDM/Project产品设计实例管理系统产品设计通用知识库管理系统供应链技术管理系统图3.3DMU实施框架模型决策层支撑层KBE国外数字样车开发技术在产品生命周期中的应用以计算机技术，模拟整个产品周期，从初步设计到运作中维护阶段的全过程“Simulate,withtheComputer,theWholeProductLifeCycle,fromPreliminaryDesigntoMaintenanceinOperationDMU技术中的三维几何表达线框模型（WireframeModel）线框造型是CAD和DMU技术发展过程中最早应用的三维模型，这种模型表示的是物体的棱边。线框模型由物体上的点、直线和曲线组成。这种模型的开发始于60年代初期，当时主要是为了自动化设计绘图，初期的线框模型仅仅是二维的，用户需要逐点、逐线地构造模型，目的是用计算机进行产品的零部件设计。由于图形几何理论的发展，后来在二维线框模型的基础上发展了三维线框模型，构造三维模型的第一步是引入三维结构，但仍限于与二维同样的点、直线和曲线，但模型有了深度，可以做三维的平移、旋转、且能产生出立体感。线框模型在计算机内部是以边表和点表来表达和存贮的，实际物体是边表和点表相应的三维映象。第3章三维建模与产品数字化设计三维线框模型的几何表示e10V2V6e12e11e9e7e5e1V1V4V3V5V7V8e2e3e4e6e8顶点坐标值XYZ001101111011000100110010V1V2V3V4V5V6V7V8ZXY图3.5线框模型的顶点、棱边表示和数据结构几种曲面建模方法P11P12P14P15P12P22P23P24P25图3.9直纹曲面发生线导线图3.10平行扫描的曲面造型生成曲线扫描面旋转曲线图3.11旋转扫描的曲面造型SECTIONS（截面线）SpineCurve（脊线）图3.12蒙皮面的生成几种曲面建模方法基曲面过渡曲面圆弧过渡拼接切线图3.13定半径过渡曲面L2L1L3L4图3.14边界曲面数字样机的三维曲面几何建模（A级曲面）某微车整车三维数字样车几何模型某轿车前门总成的数字样车几何模型车身外覆盖件改型开发设计的A级曲面表达某新车型前围的A级曲面设计前围A级曲面二阶连续的斑马条纹检测A级曲面的曲率检测A级曲面产品的主模型设计效果应用虚拟数字样车技术进行的某车型前围改型A级曲面设计车身内覆盖件三维设计的B级曲面表达前壁板主模型的三维线框复杂过渡曲面的多边倒角前壁板B级曲面的数字化主模型某新车型前壁板B级曲面的三维设计结果数字化主模型建模中的汽车内覆盖件主模型设计结果等距曲面零件的三维设计实例图3.17通过等距面方法而在曲面模型上加厚成实体的摩托车座垫衬板和后挡泥板第3章三维建模与产品数字化设计常用三维曲面建模软件的特点1、CATIA——自由曲面建模功能很强，主要应用于航空航天、汽车、摩托车、船舶工业等行业；2、UG/NX——自由曲面建模功能较强，主要应用于航空航天、汽车、摩托车、船舶工业、通用机械等行业；3、PRO/E——自由曲面建模功能稍弱，主要应用于汽车发动机、摩托车、船舶工业、家电、通用机械等行业；4、Solidedge、Solidwoks、Inventer、CAXA三维电子图板等中端CAD软件的自由曲面设计功能较弱，规则曲面设计功能与高端CAD软件相同。第3章三维建模与产品数字化设计DMU中的实体建模技术1）边界表示法美国Spatial公司的三维实体造型平台ACIS，被许多CAD软件公司与研究机构购买，作为自己CAD系统的核心。其造型方法即为典型的边界表示法，其拓扑结构见图3.18。由于其结构中加了子壳与共边，因而可表示非流行的拓扑结构。以共边为例，其各元素间联系如下：共边用来存放一条边与相邻边以及环的关系，在正常的实体中一条边严格为两个邻面所共有，这时共边成对出现，各与一个面环相关联。一个环的所有共边都用环形双向链连接，一个指针指向前趋边，另一个指针指向后继边。每条边的一对共边之间用伴生（partner）指针相连。但是也允许变通情况出现。例如当环封闭时，共边的前后指针双向链表同样不封闭。当壳不封闭时，自由边界上的边只有一条共边，相应的伴生指针为零。当壳为非流行时，一条边有两个以上邻面，每个面各有一条共边，所有这些共边用环表连接。对于线框模型，体由一条或多条不连通的线形成有向或无向图。每条线是一串边链。这时每条边只有一条共边，同一顶点上的共边连成环表，环表中的前后指针按顶点是共边的首点还是末点来区分。边界表示法允许线、面、体并存于一个物体模型之中，面、环、边可以不封闭或无界，同时允许加入零件属性等等，为灵活、通用的产品建模提供了强有力的工具（如图3.19所示）。第3章三维建模与产品数字化设计实体建模的CSG表示法CSG法也译为构造实体几何法，是用二叉树的形式记录一个零件的所有组成体素进入拼合运算的过程，可以简称为体素拼合树。CSG法强调的是记录各个体素在进入拼合时的原始状态，每个体素都有特定的定位参数和尺寸参数。CSG树只定义它所表示物体的构造方式，既不反映物体的面、边、顶点等有关边界信息，也不显式说明三维点集与所表示的物体在E空间的一一对应关系。因此这种表示又被称为物体的隐式模型或过程模型（如图3.20所示）。第3章三维建模与产品数字化设计B-rep和CSG表示的实例U__图3.19实体的B-rep边界表示法图3.20实体的CSG表示法第3章三维建模与产品数字化设计数字样机设计中的实体建模技术与应用曲轴与天然气压缩机机体设计实体建模由柱、锥、球、台、环等基本体素，通过并、交、叉等布尔运算而得到所需的零件实体模型第3章三维建模与产品数字化设计特征建模的表示方法(1)基于B-rep的方法:在B-rep方法中,特征被定义为一个零件的相互联系面的集合(面集)。这些特征也被称为“面特征”。B-rep模型是基于图的,所有的几何/拓扑信息显式地表达在面、边、顶点图中,因此,B-rep模型常被称为赋值的模型。B-rep表示特征的方法受到许多研究者的喜欢,这是因为可以得到充足的信息以及它是基于图的表示方法(许多特征识别系统是基于图表示的)。B-rep模型可以与属性值(如,表面粗糙度,材料等)、尺寸和公差联系在一起,B-rep方法的缺点是它与特征体素和体积特征没有直接的联系,特征操作(如,删除特征)难于进行。(2)基于CSG的方法:基于CSG的特征表达方法将特征定义为体积元素,体积元素通过布尔操作构造零件。使用CSG表示方法简捷、有效、易于编辑和操作体素,并提供CSG和特征体素之间有意义的联系,而且二叉树可用于特征模型的构造。对于特征提取,CSG模型的主要问题是其表示的不唯一性,以及缺少对低层构形元素的显式表达。然而,给CSG模型赋值,推导出其相应的边界表示,就可以克服这些问题。(3)基于混合CSG/B-rep的方法:由于CSG和B-rep表示方法都各有优缺点,因此,汲取二者优点的混合表示方法便产生了。混合CSG/B-rep方法是设计系统中表示特征的较好方法,这是因为它同时兼有CSG模型及B-rep模型的优点:CSG模型易于对高层元素操作,B-rep模型易于与低层元素(点、线、面)附加尺寸、公差和其他属性。第3章三维建模与产品数字化设计基于特征的设计方法在基于特