6.4.特征建模cadcam.ppt

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1、第第 页页16.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】6.3 特征建模技术6.3.1特征建模的概念6.3.2特征的分类与特征间的关系6.3.3常见特征建模的方式第第 页页26.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】特征建模的意义特征建模的意义几何建模技术的发展促进了CAD/CAM技术的发展，成功地解决了一些工程应用问题，但由于几何建模仅从几何的角度定义零件的形状，从而使得几何建模所建立的零件模型存在如下缺陷：(1)信息定义的层次低信息定义的层次低 零件以点、线、面等较低层次的几何

2、与拓扑信息描述，只有当这些信息作为图形显示出来时，人们才能理解其含义。(2)零件定义不完整零件定义不完整 只能定义零件的公称几何形状，而作为零件的其他信息如尺寸公差，表面粗糙度以及设计意图等都不能表达。这些缺陷使得几何建模技术难于在工程领域中得到广泛而深入的应用。为此，人们提出了特征建模特征建模(Feature Modeling)技术。第第 页页36.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】特征建模特征建模是一种建立在实体建模的基础上，利用特征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

3、描述这些信息之间的关系。一、特征建模的概念 特征建模特征建模技术是几何建模技术的自然延伸，它是从工程的角度，对形体的各个组成部分及其特征进行定义，使所描述的形体信息更具工程意义，如利用孔、槽、凸台等来描述形体的形状。第第 页页46.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】特征的定义特特征征是一种综合概念，它作为“产品开发过程中各种信息的载体”，除了包含零件的几何、拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息。如材料信息、尺寸、形状公差信息、热处理及表面粗糙度信息和刀具信息等。目前人们对于CAD/CAM中特征的定义尚没有达到完全

4、统一。在研究特征技术的过程中，国内外学者从不同的侧面、不同的角度，根据需要给特征赋予了不同的含义。下面是一些常见的定义：第第 页页56.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】常见的特征的定义（其它定义）v 特征是从工程对象中高度概括和抽象出的工程因素,包含丰富的工程语义。v用于描述零件和装配体的语义组，它将功能、设计和制造信息组合在一起。v特征是由一定拓扑关系的一组实体体素构成的特定形体，它还包括附加在形体之上的工程信息，对应于一个或多个功能，能够被固定的方法加工成型。v“产品开发过程中各种信息的载体”，除了包含零件的几何拓扑信息外，还

5、包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息，如材料信息、尺寸、形状公差信息、热处理及表面祖糙度信息和刀具信息等。因此特征包含丰富的工程语义，它是在更高层次上对几何形体上的凹腔、孔、槽等的集成描述。第第 页页66.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】三、特征的分类与特征间的关系v形形状状特特征征 是指具有一定工程语义的几何形体，包含了这些形体的几何信息和拓扑信息。v精精度度特特征征 用于描述零件上公称的几何形状允许的变化量，包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等信息；v材材料料特特征征 用于描述和零件材料及热处理要求相关的信息，如零件的材

6、料型号、性能、热处理要求和方式、表面处理方式和条件、硬度、检验方式等；v技术特征技术特征 用于描述零件的有关性能和技术要求；v装装配配特特征征 用于描述零件在装配过程中使用的信息和装配时的技术要求，如零件的配合关系、装配顺序和方式等。v管管理理特特征征 用于描述零件的管理信息，如标题栏信息（零件名、图号、批量、设计者、日期）、未注粗糙度等。工工 艺艺 特特 征征第第 页页76.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】形状特征形状特征是描述零件或产品的最主要的特征。形状特征的分类依赖于相应的应用领域及零件类型。根据零件类型不同，可分为轴轴盘

7、盘类类、板板块块类类、箱箱体体类类、自自由由曲曲面面类类等特征。按照其在设计过程中的作用分为基基特特征征、正正特特征征和负负特特征征。基特征可以表示毛坯初始形状，正特征对应于零件添加的形状如凸台、肋板等，负特征为从零件实体中间减去的形状，如槽、孔等。按照特征的复杂程度可分为简简单单特特征征和复复合合特特征征，简单特征为独立的形状结构。复合特征为简单特征的组合结构。按照其在构造零件中作用不同分为主特征主特征和辅辅特征特征。STEP标准中将形状特征分为体特征体特征、过过渡特征渡特征和分布特征分布特征。第第 页页86.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束

8、】【首页首页】形状特征的分类方法之一简单的基本几何形体由简单辅特征组合而成的特征指由同类型辅特征按一定的规律在空间的不同位置上复制而成的特征 依附于主特征之上的几何形状特征，是对主特征的局部修饰，反映了零件几何形状的细微结构。辅特征附于主特征，也可依附于另一辅特征，从而形成不同的几何形体。用来构造零件的基本几何形体。具有相对固定的结构形状和加工方法的形状特征，其几何形状比较复杂，而又不便于进一步细分为其他形状特征的组合。第第 页页96.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】特征描述树第第 页页106.3 6.3 特征建模技术特征建模技术

9、【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】在特征建模时，CAD造型系统除了存储基本的特征信息之外，还存储了特征之间的相互关系。特征之间的关系一般有以下几种：v相相邻邻关关系系 反映了特征在空间位置之间的相互关系。例如一根阶梯轴，每相邻两个轴段之间的关系就是邻接联系，其中每个邻接面的状态可共享。v从从属属关关系系 主特征与辅助特征之间存在着某种从属关系。例如轴段构成回转体零件的主特征、而轴上的键槽、退刀槽等形状特征可定义为这类零件的辅助特征，它们从属于某轴段的主特征。v分布关系分布关系 表示某类特征在空间按照某种方式所排列的关系。v引引用用关关系系 描述特征之间作为关联属性而相

10、互引用的联系，主要存在于形状特征对精度特征、材料特征的引用中。特征之间的关系第第 页页116.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】基于特征的零件信息模型的总体结构第第 页页126.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】三、常见特征建模方式 以特征来表示零件的方式即为零件的特征模型。由于特征的定义常常依赖于应用，因而对不同的应用就有不同的特征，如有设计特征模型、制造特征模型、形状特征模型等。目前建立特征模型的方法有：特征识别 基于特征的设计 特征映射交互特征识别自动识别第第 页页

11、136.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】交互式特征识别（定义）利用现有的造型系统建立产品的几何模型，由用户直接通过交互方式选取某一特征所包含的几何要素（面、边等）而构成特征模型。并将其相应特征参数或精度、技术要求、材料热处理等信息作为属性添加到特征模型中。这种建模方法简单、易于操作,但自动化程度低，产品数据的共享难于实现，信息处理过程中容易产生人为的错误。设计者设计者几何建模几何建模几何模型几何模型特征定义系统特征定义系统工艺过程规划者工艺过程规划者特征模型特征模型第第 页页146.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】

12、【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】特征自动识别特征自动识别的基本思想是通过事先开发的特征识别模块，将几何模型中的数据与预先定义在库中特征形式的描述进行匹配，从而标识出相应的零件特征并建立所需的特征模型。大致步骤是这样：首先在库中搜索与模型的拓扑/几何模型；从数据库中提取已识别的特征信息；确定特征参数；完成特征几何模型；组合简单特征以获得高级特征。特征自动识别几何建模几何建模特征识别特征识别特征提取特征提取特征模型特征模型第第 页页156.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】特征识别的特点 特征识别为现有几何造型系统的进一

13、步应用提供了方法，部分解决了实体造型系统与系统间信息交换的不匹配问题，提高了设计的自动化程度。然而有一定的局限性：对简单形状特征的识别比较有效，当产品比较复杂时，特征识别就显得很困难，甚至无效；特征识别使形状特征在形状上得到了一定程度的表达，但形状特征之间的关系仍无表达。第第 页页166.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】基于特征的设计是由设计人员调用特征造型系统中的特征，通过增加、删除和修改等操作建立零件特征模型的建模方式。基于特征的设计 特征造型系统中应该提供接口允许用户根据自身的特点归纳出零件的共性特征，并进行分类、编号和确定

14、特征参数来进一步开发新的特征库。基于特征的设计是特征造型研究领域中的主流，而特征识别可以作为对基于特征的设计的补充。设计者设计者特征建模特征建模实体建模实体建模特征模型特征模型实体模型实体模型产品数据库第第 页页176.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】特征映射 一个几何元素在不同的应用领域中可能被视为不同的特征。因此，对CADCAM集成系统，必须能将设计特征自动转换成针对特定应用的特征，这就需要特征映射特征映射。特征映射应该在相应的知识库支持下，任意特征之间可进行自由地双向转换。从力学角度看从机械加工角度看第第 页页186.3 6

15、.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】四、特征建模的特点(1)特征造型着眼于更好表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。(2)它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素。(3)它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造前提。(4)它有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化，使得产品设计

16、中及早考虑制造要求，保证产品结构有更好的工艺性。(5)它将推动各行业实践经验的归纳、总结，从中更多提炼出规律性知识，以此丰富各种领域专家系统的规则库和知识库，促进智能CAD系统和智能制造系统的逐步实现。第第 页页196.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】形状特征举例第第 页页206.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】轴轴盘盘类类零零件件的的基基本本特特征征第第 页页216.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】板类

17、板类零件的基本特征零件的基本特征第第 页页226.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】特征的定义第第 页页236.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】6.4 三维造型软件简介AutoCAD、MDT及InventorSolidWorksPro/ENGINEER 第第 页页246.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】AutoCAD、MDT及Inventor AutoCAD基本上是一个二维工程绘图软件，具有较强的绘图、编辑

18、、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及方便用户的二次开发功能，也具有部分的三维作图造型功能。MDT(Mechanical Desktop)是Autodesk公司在机械行业推出的基于参数化特征实体造型和曲面造型的微机CADCAM软件，它将三维造型和二维绘图集成到一个环境下，是介于大型CADCAM系统与二维绘图系统之间的一种产品，具有很强的设计功能。Inventor是Autodesk公司最新的和最现代的机械设计系统。除了支持现有通用的传统参数化设计方法外，使用的是基于参数化方法的叫做“自适应装配”的方法。它特有的以装配为中心的设计模型使用户可以智能地设计，比传统的参数化和变量化模型更加优越。第第 页页2

19、56.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】SolidWorks该软件是成立于1993 年的SolidWorks 公司运用特征造型理念和基于Windows 系统设计的原创三维机械CAD 软件,以其优秀的技术创新和卓越的性能价格比赢得了设计师和机械工程师的喜爱。它有如下的一些特点：(1)(1)基于特征及参数化的造型基于特征及参数化的造型SolidWorks 装配体由零件组成,而零件由特征(例如凸台、螺纹孔、筋板等)组成。这种特征造型方法,直观地展示人们所熟悉的三维物体,体现设计者的设计意图。(2)(2)巧妙地解决了多重关巧妙地解决了多重关

20、联性性SolidWorks 创作过程包含三维与二维交替的过程,因此完整的设计文件包括零件文件、装配文件和二者的工程图文件。SolidWorks 软件成功的处理了创作过程中存在多重关联性,使得设计过程顺畅、简单及准确。第第 页页266.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】(3)易学易用 SolidWorks 软件易于使用者学习,便于使用者进行设计、制造和交流。熟悉Windows 系统的人基本上都可以运用SolidWorks 软件进行设计,而且软件图标的设计简单明了,帮助文件详细,自带教程丰富,又采用核心汉化,易学易懂。其他三维CAD 软

21、件学习通常需要三个月时间,而SolidWorks 只需要两星期。(4)智能化 为了使设计者以更快的速度、参阅更少的资料完成卓越设计,SolidWorks 必须不断的完善智能化的功能如智能装配、改错方案智能提示、设计思路智能提示等。SolidWorks第第 页页276.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】(5)(5)虚虚拟现实化化 革命性的焊件环境,模拟设计师工作的真实环境；新的内存储管理技术,能够处理包含数千个零件的装配件；新的凹模和凸模命令使得两个主要模具零件设计自动化；过切分析在生产模具前自动检测潜在的问题；新的表面合模命令能够自

22、动定位和封闭凹模和凸模；新的表面功能提供一系列预先设置的装饰选项,使得拔模角度和倒角自动化；新的SolidWorks RealView特性，用户现在能够利用真实的材料和质地在设计的不同阶段创建类似真实效果的视图等等。SolidWorks第第 页页286.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】SolidWorks图例第第 页页296.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】Pro/ENGINEERPro/E是美国参数技术公司（PTC)的机械设计自动化软件产品，最早实现了参数化设计功能

23、，包含70多个专用功能模块，在CAD/CAM领域中具有领先技术。它具有4个主要特征：1）以3D实体模块进行设计，在电脑上呈现真实的模块，并可随时计算出对应的体积、质量等物理参数。2）可随时由3D实体模型产生2D工程图，且可自动标注尺寸，采用单一资料库，提供了所谓双向关联性功能。3）以特征作为设计单位，可实现以最自然的思考方式从事设计工作。并同时导入实际的制造观念。4）设计中的所有尺寸均存于单一资料库中，可实现参数式设计，确保设计变更的一致性，使用者可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式，使得模型可自动计算出应有的外型，避免了尺寸逐一修改的繁琐工序，并减少了错误发生。第第 页页30

24、6.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】主要模块主要模块 Pro/ENGNEER的基本模块(Foundation)工业外观造型强有力的工具(CDRS)复杂零件的曲面设计工具(Advanced Surface Extension)复杂产品的装配设计工具(Advanced Assembly Extension)运动仿真模块(Motion Simulation Option)结构强度仿真模块(Structural Simulation Option)疲劳分析工具（Fatigue Advisor)塑料流动分析工具(Plastic Adviso

25、r)基本数控编程包(Production Machining Option)多轴数控编程包(Complete Machining Option)通用数控后处理(Pro/NC-GPOST)数控钣金加工编程(NC Sheetmetal Option)NC仿真及优化(VERICUT for Pro/ENGlNEER Options)模具设计(T00l Design Option)二次开发工具包第第 页页316.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】Pro/ENGINEER图例第第 页页326.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【

26、下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】Pro/ENGNEERPro/ENGNEER的基本模块的基本模块v 基于参数化特征零件设计v基本装配功能v钣金设计v工程图设计及二维图绘制v自动生成相关图纸明细表(中文)v照片及效果图生成v焊接模型建立及文本生成vWeb超文本链接及VRML/HTML格式输出v标准件库第第 页页336.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】工业外观造型强有力的工具工业外观造型强有力的工具 CDRS曲线驱动自由曲面设计 直观的用户界面 高质量、可加工曲面 高级曲面及高光质量分析工具 易用的动画能力 高级照片效果

27、图 3DPaint概念图及草绘功能 二维草绘及着色功能 实时压感感应刷笔及铅笔以完成细化的概念设计 真实三维喷绘 能快速简易地对模型进行渲染，贴纹理等处理第第 页页346.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】复杂零件的曲面设计工具复杂零件的曲面设计工具 参数化曲面建立 逆向工程工具(三坐标测量机)直接的曲面建立工具 强大的曲线曲面分析功能优点：与生俱来的曲面实体集成 进行复杂形状设计及自由曲面设计 利用扫描云点进行设计第第 页页356.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】复杂

28、产品的装配设计工具复杂产品的装配设计工具 将设计数据及任务传递给不同功能模块设计队伍的强大工具 大装配的操作及可视化能力 装配流程 定义及文本生成优点：由上层管理装配设计 对大型、复杂装配设计进行快速检查及信息交流 捕捉并发布装配流程信息第第 页页366.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】运动仿真模块运动仿真模块 Pro/MECHANICA机构运动性能的仿真 运动学及动力学分析 凸轮、滑槽、摩擦、弹簧、冲击、分析与模拟 干涉及冲突检查 载荷与反作用力 参数化优化结果研究 全相关H单元FEA结算器优点：尽早对设计进行深入分析与改进 供

29、设计人员与专业分析人员使用 减少实物样机成本 可不断升级的企业解决方案第第 页页376.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】结构强度仿真模块结构强度仿真模块 Pro/MECHANICA对设计产品的结构强度进行分析仿真 静态、模态及动态响应 线性及非线性分析 自动控制分析结果的质量 精确模型再现 参数化优化结果研究 全相关H单元FEA结算器 与其他CAD系统提供接口 可将运动分析结果传送到结构分析第第 页页386.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】疲劳分析工具疲劳分析工具该模

30、块包括下列功能：利用结构分析结果 包括载荷及材料库 预估破坏及循环次数 可靠性分析 参数化优化结果研究 与专业产品提供接口优点：预估疲劳寿命并提供改进 利用NCode成熟技术 减少实物样机成本第第 页页396.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】塑料流动分析工具塑料流动分析工具该模块包括下列功能：注塑模过程仿真 与Pro/ENGINEER集成 直接对实体模型进行操作 注射时间、熔接痕、填充度分析 质量及浇口预估 对设计提供改进意见优点：供塑料件设计人员使用 尽早研究并改进 易学易用 减少模具样机成本第第 页页406.3 6.3 特征建

31、模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】基本数控编程包基本数控编程包该模块包括下列功能：2 1/2轴基于特征编程 多曲面3轴数控编程 4轴数控车床及4轴电加工编程 刀具库 提供机床低级控制指令 支持高速机床 精确材料切削仿真 智能化生成工艺流程及工艺卡片 所有机床后处理第第 页页416.3 6.3 特征建模技术特征建模技术【上页上页】【下页下页】【返回返回】【结束结束】【首页首页】多轴数控编程包多轴数控编程包该模块包括下列功能：包括Production Machining功能 多轴铣床及车床数控编程(Mill/Turn)提供机床低级控制指令 支持高速机床 精确材料切削仿真 智能化生成工艺流程及工艺卡片 所有机床后处理