产品造型与设计.ppt

产品造型与设计II,向辉山东大学软件学院工程硕士2003年秋季,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,2,本讲内容,形体的定义形体表示形式特征造型技术,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,3,造型发展的几个阶段,线框模型曲面模型实体造型特征造型参数化变量设计,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,4,线框模型,Wire frame基本思想用三维空间的线条表达模型的棱边立方体12 边lines8 顶点vertices,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,5,线框模型,二维绘图系统的自然扩展增加了Z坐标可以产生任意视图，并保证正确的投影关系工程图绘制比二维绘图系统大大前进了一步,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,6,线框模型讨论,问题二义性只能以线框的形式加以显示很多模型属性无法计算当前应用实体造型系统中的辅助手段,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,7,曲面模型,Surface Model基本思想采用空间的曲面来表示物体的外表面,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,8,曲面模型讨论,优势能够以线框、消隐、真实感绘制等方式显示设计模型，具有很好的显示特性在图形仿真等领域仍然被广泛采用问题诸如体积、重心等几何特性不易表达应用实体造型系统中采用曲面模型技术协助完成复杂实体表面的造型,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,9,实体模型,Solid Model显示类型丰富区分模型与模型的显示方式能够表示形体的各种几何、拓扑信息现代设计系统中的主要表达形式进一步分析的基础有限元分析等机械设计自动化（MDA）的基础,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,10,三维模型的转化,相应的产品信息表达层次不断提高 不同模型在需要的情况下可以进行转化实体模型曲面模型曲面模型线框模型逆向转化困难包含的产品信息量,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,11,三维数字化产品建模,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,12,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,13,几何造型系统产品信息模型不足,Shah&Mntyl,1995Microscopic Data most engineering tasks deal with macroscopic entities(e.g.,holes,slots)，not microscopic data(e.g.,edges,faces,curves)Lack of Design Intentthis makes it difficult to edit geometry(not knowing what it is there for.)Single Level Structurethere is only one level of detail:ALL the detail!Tedious Construction,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,14,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,15,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,16,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,17,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欧拉操作范围,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,18,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,19,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,20,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,21,特征的定义,Shah et al.,1988A 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 properties.,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,22,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,23,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,24,装配特征Assembly Feature,用于表达零件的装配关系以及装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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,25,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,26,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,27,形状特征几何形状,通道凹陷凸起,过渡面域变形,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,28,形状特征几何形状,通道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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,29,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,30,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,31,特征形成规则,形状特征局部生成特征全局定位特征,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,32,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,33,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,34,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,35,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,36,全局规则拉伸规则定位,拉伸体正负规则特征生成后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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,37,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,41,(Shah&Mntyl,1995)1.Geometry from Features(GfF)e.g.,for Part Design2.Features from Geometry(FfG)e.g.,for Manufacturing Planning,Two Ways of Using Features,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,42,使用特征的两种途径,Shah&Mntyl,1995Geometry from Features(GfF)e.g.,for Part DesignFeatures from Geometry(FfG)e.g.,for Manufacturing Planning,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,43,使用特征的两种途径,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,44,特征互作用问题,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,45,特征互作用问题,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,46,特征识别,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,47,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,48,典型系统Pro/E,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,49,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,50,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,51,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,2023/6/1,计算机辅助设计技术产品造型与设计,52,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,