机械CADCAM建模技术.ppt

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1、第五章第五章 机械机械CAD/CAMCAD/CAM建模技术建模技术5.1 几何建模概念几何建模概念5.2 三维几何建模技术三维几何建模技术5.3 特征建模技术特征建模技术5.4 三维造型实例三维造型实例2021/9/2315.1 几何建摸概述几几何何建建模模：用合适的数据结构对三维形体的几何形状及其属性进行描述，建立便于信息转换与处理的计算机内部模型的过程。几何建模作用意义几何建模作用意义：是CAD/CAM核心技术，为工程分析、工艺设计、物性计算、运动仿真、数控编程等后续作业提供了方便，是实现CAD/CAM技术的集成基础。CADCAM建模技术的发展：建模技术的发展：线框模型表面模型曲面模型实体

2、造型特征建模2021/9/232CAD/CAMCAD/CAM几何建模基本知识几何建模基本知识几何信息：几何信息：是指形体的形状、位置和大小的信息。是指形体的形状、位置和大小的信息。如：直线描述方程，矩形体的长宽高等。如：直线描述方程，矩形体的长宽高等。拓扑信息拓扑信息：反映形体各组成元素数量及其相互间关系。反映形体各组成元素数量及其相互间关系。如：相交、相邻、相切、垂直、平行等。如：相交、相邻、相切、垂直、平行等。注注意意：两两形形体体几几何何信信息息相相同同，若若拓拓扑扑信信息息不不同同，则则两两形形体体可可能能完全不同。完全不同。形体基本元素：形体基本元素：点、边、面点、边、面 基本元素的

3、拓扑关系：基本元素的拓扑关系：面面、面边、面点面面、面边、面点 边边、边点、边面边边、边点、边面 点点、点边、点面点点、点边、点面2021/9/233形体六层拓朴结构形体六层拓朴结构 体(Object)壳(Shell)面(Face)环(Loop)边(Edge)点(Vertex)体体 由封闭表面围成的有效空间由封闭表面围成的有效空间；壳壳 构成一个完整实体的封闭边界，是一组面的集合；构成一个完整实体的封闭边界，是一组面的集合；面面 由一个外环和若干内环界定的有界、不连通的表面；由一个外环和若干内环界定的有界、不连通的表面；环环 是面的封闭边界，由有序、有向边的集合；是面的封闭边界，由有序、有向边

4、的集合；边边 是实体两个邻面的交界；是实体两个邻面的交界；顶点顶点 为为边的端点，两条或两条以上边的交点边的端点，两条或两条以上边的交点。2021/9/234正则集与正则集合运算正则集与正则集合运算正则集：正则集：一集合S的内部闭包与原来的集合相等。S=kiS （k闭包，i内部，S集合）正则化集合算子正则化集合算子：集合运算后仍产生正则集。U*（并）、*(交)、*(差)。AB运算得到的非正则点集 闭包悬边2021/9/235欧拉公式：欧拉公式：欧拉公式用来检验形体的合法性和一致性。欧拉公式用来检验形体的合法性和一致性。正则形体欧拉公式：正则形体欧拉公式：V E+F=2 如：长方体如：长方体V=

5、8、E=12、F=6，则，则812+6=2。封闭多面体分割成封闭多面体分割成B B个独立多面体：个独立多面体：V E+F B=1 V E+F B=1 如如B=6B=6、V=9V=9、E=20E=20、F=18F=18，则，则9 20+18 6=19 20+18 6=1。有孔洞形体：有孔洞形体：G G为穿透孔数，为穿透孔数，L L为所有面上内环数为所有面上内环数 V E+F L=2 V E+F L=2（B GB G）如下图如下图c c，则：，则：16-24+11-1=2(1-0)16-24+11-1=2(1-0)2021/9/2365.2 三维几何建模技术三维几何建模技术 1 1、线框建模、线框

6、建模 2 2、表面（曲面）建模、表面（曲面）建模 3 3、实体模型、实体模型 1 1）构造体素几何表示法）构造体素几何表示法 2 2）边界表示法：）边界表示法：3 3）扫描表示法）扫描表示法 4 4）单元表示法）单元表示法 2021/9/2371、线框模型、线框模型（Wireframe Model）原理：原理：通过顶点和棱边来描述形体的几何形状通过顶点和棱边来描述形体的几何形状。数据结构：数据结构：顶点表、棱边表二表结构。顶点表、棱边表二表结构。特点：特点：数据结构简单、信息量少、占用内存空间小、操作速度快，数据结构简单、信息量少、占用内存空间小、操作速度快，可生成三视图、透视图和轴侧图。可生

7、成三视图、透视图和轴侧图。不足：不足：缺少面、体信息，易产生多义性，不能消隐、不能剖视、缺少面、体信息，易产生多义性，不能消隐、不能剖视、不能进行物性计算和求交计算等不能进行物性计算和求交计算等.线线框框建建模模的的数数据据结结构构 2021/9/2382.2.表面（曲面）建模表面（曲面）建模 原理：原理：通过对物体各个面的描述进行三维建模的方法。通过对物体各个面的描述进行三维建模的方法。数据结构：数据结构：顶点表、棱边表、面表三表结构。顶点表、棱边表、面表三表结构。特点：特点：可消隐、剖面图生成、渲染、求交、刀轨生成等作业。可消隐、剖面图生成、渲染、求交、刀轨生成等作业。不足：不足：缺少体信

8、息，不便进行物性计算和分析。缺少体信息，不便进行物性计算和分析。表表面面模模型型的的数数据据结结构构 2021/9/239曲面建模曲面建模a)平面平面:三个点定义；三个点定义；b)线线性性拉拉伸伸面面:一一条条平平面面曲曲线线沿沿直线方向移动扫成；直线方向移动扫成；c)直直纹纹面面 一一直直线线两两端端点点在在两两曲曲线线对应等参数点上移动形成；对应等参数点上移动形成；d)回回转转面面 平平面面线线框框图图绕绕某某一一轴轴线旋转产生；线旋转产生；e)扫扫成成面面 一一剖剖面面线线沿沿一一条条导导线线移移动动构构成成；一一剖剖面面线线沿沿导导线线光光滑滑过过渡渡到到另另一一剖剖面面线线；一一剖剖

9、面面线线沿沿两两条条给给定定等等参参数数边边界界移移动动形成。形成。f)圆角面圆角面 圆角过渡面；圆角过渡面；g)等等距距面面 沿沿原原始始曲曲面面法法线线方方向向移移动一个固定的距离。动一个固定的距离。2021/9/23103.实体建模实体建模实实体体建建模模概概念念：描描述述了了实实体体全全部部几几何何信信息息，且且定定义义了了实实体所有点、线、面、体拓扑信息。体所有点、线、面、体拓扑信息。特特点点：实实现现消消隐隐、剖剖切切、有有限限元元分分析析、数数控控加加工工，物物性性计算等操作。计算等操作。实体模型表示方法：实体模型表示方法：构构造造体体素素几几何何表表示示法法（CSGCSG，Co

10、nstructive Constructive Solid Solid GeometryGeometry）扫描表示法扫描表示法（Sweeping RepresentationSweeping Representation）边界表示法（边界表示法（B-RepB-Rep，Boundary RepresentationBoundary Representation）单元表示法单元表示法2021/9/2311 1、构造体素几何表示法（构造体素几何表示法（CSG）通过基本体素交、并、差正则集合运算构造各种复杂实体。基本体素：基本体素：矩形块、圆柱、圆锥、球、锲、环等。2021/9/2312实体实体CSG

11、表示表示的二的二叉树叉树结构结构 数据结构：数据结构：二叉树结构，记录了实体所有基本体素的组成、正则集二叉树结构，记录了实体所有基本体素的组成、正则集合运算和相关的几何变换。合运算和相关的几何变换。特点：特点：无二义性，最终实体与基本体素先后拼合顺序无关，造型简无二义性，最终实体与基本体素先后拼合顺序无关，造型简单，易于实现，可方便转换成其它表示方法。单，易于实现，可方便转换成其它表示方法。缺点：缺点：没有详细几何信息，必须转化为其它形式才能对点、边、面没有详细几何信息，必须转化为其它形式才能对点、边、面等信息进行查询和编辑。等信息进行查询和编辑。2021/9/23132、边界表示法（、边界表

12、示法（B-rep）通过面、环、边、顶点的几何和拓扑 参数来表示实体。矩形体矩形体B-Rep表示法表示法 2021/9/2314B-rep翼边存储结构翼边存储结构数据结构：数据结构：是以边为中心的翼边结构，是以边为中心的翼边结构，通过任意一条边，可以通过任意一条边，可以 遍历整个实体所有几何元素。遍历整个实体所有几何元素。优点：优点：记录有实体所有几何信息和拓扑信息。记录有实体所有几何信息和拓扑信息。不足：不足：缺乏实体生成过程信息，数据存储量大，难以直接构造。缺乏实体生成过程信息，数据存储量大，难以直接构造。2021/9/23153、扫描表示法、扫描表示法(Sweeping)形体沿某一方向平移

13、或绕某轴线旋转进行实体定义的方法 平面轮廓扫描法构造实体平面轮廓扫描法构造实体 复杂实体扫描构造复杂实体扫描构造 扫描构造实例扫描构造实例 2021/9/2316B-rep转换SweepingCSGB-rep、CSG、Sweeping 三种表示方法的应用三种表示方法的应用：CSG、Sweeping常用于输入；B-rep 常作为三维实体计算机内部信息的描述；三者之间关系如下：2021/9/23174、单元表示法、单元表示法：用一系列空间单元来表示实体的一种方法。用一系列空间单元来表示实体的一种方法。数据结构：数据结构：八叉树结构。八叉树结构。特点：特点：算法简单，易于集合运算和干涉检查，便于消隐

14、和显示。算法简单，易于集合运算和干涉检查，便于消隐和显示。缺缺陷陷：单单元元大大小小决决定定分分解解精精度度，需需要要大大量量存存储储空空间间，不不能能表表达达实实体体各各元素间拓扑关系，没有点、边、面等形体单元的概念元素间拓扑关系，没有点、边、面等形体单元的概念。三维实体单元表示的八叉树结构 2021/9/23185.3 5.3 特征建模技术特征建模技术 特征建模的概念特征建模的概念 实体模型不足实体模型不足：仅含实体几何信息，缺少功能、工艺、管理等信息仅含实体几何信息，缺少功能、工艺、管理等信息。特征：特征：从工程对象概括和抽象出来的具有从工程对象概括和抽象出来的具有工程语义的功能要素工程

15、语义的功能要素。特征建模：特征建模：通过特征及其集合来定义、描述零件模型的过程。通过特征及其集合来定义、描述零件模型的过程。特特征征建建模模对对设设计计对对象象具具有有更更高高的的定定义义层层次次，易易于于理理解解和和使使用用，能能为为设设计和制造过程各环节提供充分的工程和工艺信息。计和制造过程各环节提供充分的工程和工艺信息。特征建模是实现特征建模是实现CAD/CAM集成化和智能化的关键技术。集成化和智能化的关键技术。2021/9/2319特征的分类特征的分类1）形状特征）形状特征 具有一定工程语义的几何形体。具有一定工程语义的几何形体。STEP标准分类标准分类：体特征体特征：构造主体形状的特

16、征构造主体形状的特征，如凸台、孔、圆柱体、矩形体等；，如凸台、孔、圆柱体、矩形体等；过渡特征过渡特征：如倒角、圆角、键槽、中心孔、退刀槽、螺纹等；：如倒角、圆角、键槽、中心孔、退刀槽、螺纹等；分布特征分布特征：如圆周均布孔、齿轮的齿形轮廓等。：如圆周均布孔、齿轮的齿形轮廓等。凹凹陷陷：与与已已存存在在的的形形状状特特征征一一端相交的被减体；端相交的被减体；凸凸起起：与与已已存存在在的的形形状状特特征征一一端相交的附加体。端相交的附加体。从形状角度分从形状角度分：通道通道：与已存在的形状特征两端相交的被减体；：与已存在的形状特征两端相交的被减体；2021/9/23202）精度特征）精度特征 包括

17、尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。3）材料特征）材料特征 如材料型号、性能、硬度、表面处理、检验方式等。如材料型号、性能、硬度、表面处理、检验方式等。4）技术特征）技术特征 描述零件的有关性能和技术要求；描述零件的有关性能和技术要求；5）装配特征）装配特征 描述装配过程中配合关系、装配顺序、装配方法等。描述装配过程中配合关系、装配顺序、装配方法等。6）管理特征）管理特征 描述管理信息，如零件名、批量、设计者、日期等。描述管理信息，如零件名、批量、设计者、日期等。2021/9/2321形状特征间的关系形状特征间的关系 相邻关系相邻关系 特征在空间位置相互间的

18、关系特征在空间位置相互间的关系；从属关系从属关系 主主/辅特征间主从关系，如附着于回转体轴段辅特征间主从关系，如附着于回转体轴段 主特征的键槽、退刀槽、倒角等。主特征的键槽、退刀槽、倒角等。分布关系分布关系 某特征在空间位置上按某种形式排列。某特征在空间位置上按某种形式排列。2021/9/2322常见的特征建模方式常见的特征建模方式1）特征识别）特征识别 在已有几何模型基础上，按照给定的模板进行匹配，在已有几何模型基础上，按照给定的模板进行匹配，识别出相应的形状特征。识别出相应的形状特征。2）基于特征的设计）基于特征的设计 借助于特征造型系统来建立产品特征模型。借助于特征造型系统来建立产品特征模型。3）特征映射）特征映射 特征具有多视域性，视域不同造型特征也可能不同。特征具有多视域性，视域不同造型特征也可能不同。如下图：从力学考虑可认为是筋，从机械加工考虑则认为是槽，如下图：从力学考虑可认为是筋，从机械加工考虑则认为是槽，因而须将设计特征因而须将设计特征映射映射为后续所需要特征。为后续所需要特征。特征的多视域性特征的多视域性a)力学角度力学角度 b)机械加工角度机械加工角度2021/9/2323