研究生课程CADCAM讲稿ChCADCAM的技术基础s.ppt

实体模型的表达方法,构造实体几何法（Constructive Solid Geometry，CSG法）,目前实体模型在计算机内部进行组织存在四种主流方式：,边界表示法（Boundary Representation，B-rep）,扫描表示法,空间分割表示法,3.2.2 实体模型的表达,构造实体几何法（CSG法）,构造实体几何法是一种用基本体素经过交、并、差运算构造实体的方法,基本定义,基本原理,CSG法用二叉树来构造一个物体，即通过对二叉树节点的交、并、差操作以及定义几何元素的尺寸、位置（坐标）和方向来表示一个物体,二叉树上的节点可以是体素，也可以是体素运动变换（如平移、旋转等）的参数，而树根表示最终的实体,3.2.2 实体模型的表达,构造实体几何法（CSG法）（续1）,基本原理（续）,3.2.2 实体模型的表达,构造实体几何法（CSG法）（续2）,基本体素,3.2.2 实体模型的表达,构造实体几何法（CSG法）（续3）,优缺点,优点,模型紧凑，具有较强的参数化造型功能,缺点,纯粹的CSG模型不能提供物体的坐标与有关边、面的信息,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）,基本定义,边界表示法是用形体的边界来描述形体的一种方法，目前在计算机辅助设计领域广为应用，主流商用CAD软件（包括Catia，UG，Pro/E，SolidWorks，AutoCAD等）都采用该方法进行底层CAD模型表达,基本原理,把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间，该形体可通过其边界，即面的子集来表示。而每一个面又通过边、边通过点、点通过三个坐标值来定义,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续1）,基本原理（续1）,该表示法强调的是形体的外表细节，详细记录了构成几何形体的所有的几何、拓扑信息,边界表示法的数据结构,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续2）,基本原理（续2）,模型内部数据结构和关系与物体生成描述方法无关，如下图中的零件，其可采用不同的生成方法和生成顺序，但其内部数据结构总是由9个面构成,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续3）,基本原理（续3）,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续4）,基本原理（续4）,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续5）,基本原理（续5）,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续6）,基本原理（续6）,边界表示法的核心信息是平面，因为边总是附属于某一个平面的。由于两个相邻平面的交线也是边，因此边构成了平面之间的关联,在大多数系统当中，边在计算机内部需进行两次存储，一次涉及平面n，一次则为平面m。通过边的指向可标识平面的法向方向，从而判断出某一平面是在体内还是体外,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续7）,优缺点,优点,模型具有拓扑信息及几何信息，对于复杂图形的显示很方便,缺点,难以表达物体生成的原始信息和过程信息，且描述所需信息量较大，存在信息冗余,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续7）,边界表示法与构造实体几何法的比较,CSG法计算机内部表示与物体的描述和拼合运算过程密切相关，即存储的是物体的生成过程，也称为过程模型；而B-rep法则与过 程无关，只保存生成的最终结果，因此，也称为结果模型,CSG法强调的是记录各体素进入拼合时的原始状态，而B-rep法则强调记录拼合后的结果,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续8）,边界表示法与构造实体几何法的比较（续）,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续9）,边界表示法与构造实体几何法的比较（续2）,在CSG法中，采用直接修改CSG树上的基本体素达到整体修改目标,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法（B-rep法）（续10）,边界表示法与构造实体几何法混合模式,指在一个系统中将CSG法和B-rep法混合，其出发点是在原来CSG树的结点上再扩充一级边界数据结构，以实现图形的快速显示,3.2.2 实体模型的表达,扫描表示法,指用形体（一般是二维图形）与其运动轨迹来表示所生成的物体的一种方法,二维图形可采用多种扫描方式生成实体，如平移、旋转、沿任意扫描路线按约定的扫描规则进行扫描等，采用边界表达模型进行表示,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法,是将空间实体划分成若干个大小相等的立方体，然后用这些立方体近似表示该实体的一种方法,基本概念,在计算机内部主要定义各个立方体中心的坐标是否存在来描述空间实体，因此立方体中心的坐标是空间分割法的主要参数,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法（续1）,该表示法为一种数字化的近似表示法，单元的大小直接影响模型的分辨率,基本概念（续）,实体被立方体分割的数量越多，得到的结果就与原实体越接近，近似度就越好，模型的分辨率就越高，但是当分割数量很多时，需要较大的存储开销,不能表达出一个物体任意两部分之间的关系，也缺乏点、线、面的概念。但是其算法简单，较适合于物性计算和有限元网格划分,目前在加工过程仿真领域应用广泛,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法（续2）,用于二维形体的表示。其原理是：将平面划分为四个区域（四个子平面），子平面可细分，通过定义这些子平面为“有图形”或“无图形”来描述不同形状的物体,基于四叉树的空间分割方法,在计算机内部，四叉树为一种特殊的树状结构，每一个结点具有三种可选状态，“满”，“空”，“半空”。“部分有”结点可细分，直到全部结点都是“有”或“无”来表示,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法（续3）,基于四叉树的空间分割方法（续）,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法（续4）,基于八叉树的空间分割方法,是四叉树的扩展，用于三维形体的表示其原理是：其将空间通过三个坐标平面XY、YZ、ZX划分为八个子空间。八叉树中的每一个结点对应着每一个子空间,结点的状态同样为：“满”，“空”，“半空”三种,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法（续5）,基于八叉树的空间分割方法（续）,3.2.2 实体模型的表达,传统的几何造型技术的缺陷,在基于CAD/CAM的现代产品设计中，要求实现对产品整个生命周期各阶段的产品信息的描述与零件模型重构，使得各应用系统可直接从该零件模型中抽取所需的信息,零件信息不完整，只包含零件的几何数据，缺少表达工程语义的材料、公差、粗糙度等信息，不能提供支持产品全生命周期的信息，数据提取困难，通常需借助人工干预实现,用点、线、面、体的操作来构成实体，难以在模型中表达特征，不符合设计者在产品构形时以产品特征为主的习惯，对创造性设计不利,3.2.3 基于特征的产品建模技术,特征的定义,特征是具有属性、与设计、制造活动有关，并含有工程意义和基本几何实体或信息的集合,特征包括几何形状、精度、材料、技术特征和管理等属性,特征是与设计活动和制造有关的几何实体，面向设计和制造,特征含有工程语义信息，反映设计者和制造者的意图,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模的定义,将特征作为产品描述的基本单元，将产品描述为特征的集合。每个特征包含若干属性，这些属性由描述特征的长、宽、直径、角度等形状的属性，拓扑关系的属性（如特征的层次、特征之间的关系等）以及加工信息属性（如工序等）构成,3.2.3 基于特征的产品建模技术,特征建模的特点,从构型的角度看，不再将基本几何体（如圆柱、圆锥、球等）作为拼合零件的对象，而是选用对设计制造有意义的特征形体作为基本单元拼合成零件，如槽、凹腔、凸台、孔、壳、壁等,从信息的角度看，特征作为产品开发过程中的各种信息载体，不仅包括几何、拓扑信息，还包括设计制造所需的一些非几何信息，如材料信息、尺寸、形状公差信息、热处理及表面粗糙度信息、刀具信息、管理信息等,建立的零、部件模型不仅包括几何信息，还包括下游（CAPP、CAM）所需的信息，形成了符合STEP标准的产品信息模型，为CIMS及DFX打下基础,3.2.3 基于特征的产品建模技术,特征建模技术的发展,交互式特征定义阶段,利用现有造型系统建立产品的几何模型，由用户直接通过图形交互拾取，手工将特征参数、精度、技术要求、材料热处理等信息作为特征的属性添加到特征模型中。这种方法自动化程度低，信息处理易产生人为错误，与后续系统的集成较困难，程序的开发工作量大,特征识别阶段,通过搜索产品几何数据库，提取产品的几何模型，将几何模型与预先定义的特征比较，匹配特征的拓扑模型，再通过从数据库中提取已识别的特征信息，来确定特征参数，完成特征几何模型,该方法仅对简单形状有效，只能识别加工特征，缺乏公差、材料等信息，需研究专门的算法来识别特征，典型的算法有：特征匹配法、CSG树识别法、体积积分法、实体生成法等,3.2.3 基于特征的产品建模技术,特征建模技术的发展（续）,基于特征的设计,直接采用特征建立产品模型，将特征库中预定义的特征实例化后，以实例特征为基本单元建立特征模型，完成产品的定义，而不是事后去识别特征来定义零件几何体。由于特征库中的特征覆盖了产品生命周期中各应用系统所需要的信息，因此该方法目前被广泛采纳,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型,产品信息模型的定义,指在产品全生命周期中与产品相关的BOM信息、功能信息、几何拓扑信息、形状信息、表面质量信息、尺寸精度信息、装配信息、工艺技术信息和材料信息等的集合。它覆盖产品生命周期的全过程，包括市场分析、工程设计、工艺设计、加工、装配、检验、销售及售后服务等,产品信息模型的作用,是企业信息集成的基础，是先进制造系统中所有技术人员信息交换的基础,产品信息模型的双向传送保证了数据的前后一致性,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型（续1）,装配信息模型,产品装配模型为面向装配的产品设计提供信息来源和存取机制。其含义分为广义与狭义两种：,狭义：与某一具体的应用领域有关，如结构设计中产品的结构关系，装配过程中的装配工艺规划等,广义：产品全生命周期中与装配有关的所有信息、活动和过程的总称，是一种集成化的信息模型。在集成产品开发中与装配有关的过程包括产品规划、方案设计、结构设计、详细设计、装配过程过 程仿真、装配系统规划、装配工艺规划等,装配信息模型的内容包括：管理信息、几何信息、拓扑信息、工程语义信息、装配工艺信息、装配资源信息等,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型（续2）,装配信息模型（续1）,管理信息：组成产品的零部件的宏观信息及产品结构关系（设计BOM）信息。零部件信息包括产品各构成元件的名称、代号、材料、件数、单位、设计版本、外购件标识、自制件标识、技术规范或标准、技术要求、设计者和供应商信息。设计BOM信息描述零部件间的构成层次关系，是产品生命周期后续过程的信息基础,几何信息：与产品的几何实体构造相关的信息。其决定装配元件 和整个产品装配体的几何形状与尺寸大小，装配元件在最终装配体内的位置和姿态。现有商用CAD系统如ProE具备完善的几何建模功能，产品装配模型所需的几何构造信息可直接从内部数据库提取,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型（续3）,装配信息模型（续2）,拓扑信息：指产品的装配视图（装配BOM）与装配件间的几何配合约束关系两类信息。装配BOM反映产品装配的层次结构关系，从产品的功能角色、装拆操作、机构运动等方面对设计BOM进行转化，形成装配层次结构关系。常见装配元件之间的几何配合约束关系：贴合、对齐、同向、相切、插入和坐标系重合等，这类信息取决于静态装配体的构造需求，与应用领域无关,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型（续3）,装配信息模型（续2）,工程语义信息：指与产品工程应用相关的语义信息，包括五类：,装配元件的角色类别：螺栓螺钉、垫圈垫片、销钉、轴承、弹簧、卡紧件、密封件和一般结构件等及其相关信息,装配元件的聚类分组：一般簇（含螺钉、销钉、卡紧件等的元件簇）、特殊簇（具有过盈配合、焊接等关系的元件簇）以及簇的嵌套,装配元件装拆的强制优先关系：基体定义、强制领先、强制滞后关系,装配元件之间的工艺约束和运动约束等关系：用于构造产品于相关应用领域的结构层次关系,装配元件之间的设计参数约束和传递关系：确保设计参数在设计过程中的协调一致,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型（续4）,装配信息模型（续3）,装配工艺信息：指与产品装拆工艺过程及操作相关的信息，包括各装配元件的装配顺序、路径及装配工位的安排与调整、装配夹具的利用、装配工具（如扳手、螺丝刀等）的介入、操作和退出等信息。其为装配工艺规划和装配过程仿真服务，包括相关活动和子过程的信息输入、中间结果的存储与利用、最终结果的形成等,装配资源信息：与产品装配工艺过程实施相关的装配资源总和，指装配系统设备的组成与控制参数，包括装配工作台与设备的选择、装配夹具与工具的类别和型号，它们各自的控制参数如形状、尺寸、比例大小、装配元件的材料、精度、成本、对称性、表面质量等。装配资源信息用于构造虚拟的装配工作环境，为实施产品数字化预装配提供支撑,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型（续5）,零件信息模型,由零件宏观信息（管理信息）、制造信息、及几何、拓扑信息组成,零件宏观信息：指零件的宏观描述信息，如零件号、在部件中的数量、版本、材料、制造性标识等,几何信息：指与零件的几何形状、尺寸大小相关的信息,拓扑信息：描述零件与相关父部件的从属关系及与其它零件的约束关系等,制造信息：由一系列特征类信息组成，包括,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型（续6）,零件信息模型（续）,形状特征类：描述有一定工程意义的几何形状信息，如孔特征、槽特征等，形状特征是精度特征和材料特征的载体,精度特征类：描述几何形状和尺寸的许可变动量或误差，如尺寸公差、几何公差（形位公差）、表面粗糙度等,装配特征类：表达零件在装配过程中具备的信息,材料特征类：描述材料的类型与性能及热处理等信息,性能分析特征类：表达零件在性能分析时使用的信息，如有限元 网格划分等,附加特征类：根据需要，表达一些与上述特征无关的信息,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模,实体几何形状特征分类,零部件特征类型包括：形状特征、装配特征、精度特征、性能分析特征、补充特征（如成组编码）等。其中，形状特征为最基本的特征，为其他特征的载体,针对不同的应用领域，形状特征分类也不同：在面向设计的形状特征定义中，形状特征指能满足一定功能要求的设计特征在面向加工的特征定义中，形状特征对应一个或几个工序，以实现与CAPP共享特征信息,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模（续1）,实体几何形状特征分类（续1）,采用设计特征构造出的零件模型在与CAPP集成时，需将设计特征映射成加工特征。因此，为减少特征的映射困难和保证信息完整性，通常采用按加工要求对特征分类,STEP标准的应用协议中定义了完备的零件特征。应用协议AP214将形状特征划分为：过渡特征类、组合筋板类、组合实体类、加工板筋类、一般特征、分布特征类、加工实体类等七类,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模（续2）,Pro/E中的形状特征分类,实体特征，指直接构造实体的特征,曲面特征，指曲面造型的各种曲面特征,基准特征，指造型过程中起辅助作用的非实体的几何体，如点、线、面等基准,修饰特征，如喷印、螺纹等,用户自定义特征，指由用户自定义，或来自特征库,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模（续3）,基于特征的实体造型过程,商用CAD系统基本依据STEP AP214的形状特征分类进行特征造型，并按照设计习惯将几何形状特征细分为基于草图的基本实体生成特征和几何实体辅助特征,基于草图的基本实体生成特征,二维草图拉伸特征（Pad）、凹陷特征（Pocket），草图旋转特征（Shaft）、孔特征（Hole）、槽特征（Slot），放样特征（Loft）,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模（续4）,基于特征的实体造型过程（续1）,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模（续5）,基于特征的实体造型过程（续2）,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模（续6）,基于特征的实体造型过程（续3）,几何实体辅助特征,拔模特征（Draft）、倒角特征（Fillet）、抽壳特征（Shell）、阵列特征（Pattern）、镜像特征（Mirror）、曲面增厚特征（Thickness）、加强筋特征（Stiffener）等,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模（续6）,基于特征的实体造型过程（续3）,几何实体辅助特征,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模（续7）,基于特征的实体造型过程（续4）,几何实体辅助特征（续）,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模（续8）,基于特征的实体造型过程（续5）,特征造型过程指在上述特征的基础上通过两种特征拼合方法进行：,先定义一个基本体，然后减去各种特征，对箱体、壁板类零件可用此法,用预定义的特征进行交、并、差拼合，组成复杂零件，对轴类及支架类零件可用此法,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模（续9）,基于特征的实体造型过程（续6）,系统在造型过程中不断与特征实体的点、线、面等基本体素进行人机交互，而B-rep模型直接采用实体点、线、面等基本体素构建实体，因而其成为主流的底层设计模型。CSG模型使得设计过程直观，并能与边界表达模型集成，也得到了广泛的应用,大多数商业化CAD系统采用B-rep模型与CSG模型混合对底层实体数据进行表达。Catia采用半边结构的B-rep模型与CSG方法混合表达实体,3.2.3 基于特征的产品建模技术,提出的背景,传统设计方法的弊端,参数化设计（parametric design）是为改良传统设计方法中的弊端而提出的一种新的设计技术,以精确形状和尺寸为基础，对设计初期设计者关心的产品、零部件的粗略大小、形状以及标注要求限制太死，不利于概念设计,难以适应产品模型变动，不能灵活地支持系列化产品的设计，不能自动处理因图形尺寸变化而引起的图形变化，造成资源浪费，设计费用高、周期长,几何模型不能与工程计算建立联系，如传动轴的直径和长度由轴的强度和刚度计算，即这些尺寸是由强度和刚度所表示的工程约束所驱动，传统几何建模不提供该功能,3.2.4 参数化设计,参数化设计的基本概念,是一种设计方法，采用尺寸驱动的方式改变几何约束构成的几何模型，在求解几何约束模型时，采用顺序求解的方法，一般要求全约束,与传统方法相比，参数化设计方法最大的不同在于它存储了设计的整个过程，能支持对产品族的设计,通过定义建立产品模型的尺寸与参数的关系，并通过调整参数来修改和控制几何形状，自动实现产品的精确造型。这种设计方法使得工程设计人员不需考虑细节就能尽快草拟零件图，当发现设计有问题时，只需变动某些约束参数达到更新设计的目,参数化设计被广泛用于产品的概念设计阶段形成初始产品模型，能快速形成多种设计方案,20世纪80年代，参数化CAD系统产生：Pro/E、I-DEAS,3.2.4 参数化设计,参数化设计的基本功能,从几何参数化模型自动导出精确的几何模型,不要求输入精确图形，只需输入一个草图，标注一些几何元素的约束，然后通过改变约束条件来自动地导出精确的几何模型,通过修改局部参数实现几何模型的自动修改,这对于大致形状相似的一系列零件，只需修改特定参数，即可生成新的零件，适用于产品族设计,3.2.4 参数化设计,参数化模型,产品的几何模型由几何形状和拓扑关系构成。对于系列化产品而言，不同型号的产品只是尺寸不同而结构相同，即几何信息不同而拓扑信息相同,参数化模型需保留零件的拓扑信息，以保证设计过程中几何拓扑关系的一致性。零件的拓扑关系来自用户输入的草图，几何信息的修改需根据用户输入的约束参数确定，因此需在参数化模型中建立几何信息和参数的对应机制,3.2.4 参数化设计,参数化模型（续）,全尺寸参数,尺寸约束,3.2.4 参数化设计,参数化模型几何约束类型,结构约束（拓扑约束）：指构成图形的几何元素间的相对位置和连接方式，其属性值在参数化设计过程中保持不变。在工程图当中，此类约束通常是隐含的，如平行、垂直、相切、对称等,尺寸约束：指图中标注的尺寸，如距离、角度等,参数约束：指尺寸参数之间的关系，用表达式表示,3.2.4 参数化设计,参数化设计的顺序求解法,随作图过程顺序记录约束，每一作图操作对应一类约束，所记录的约束顺序反映完整的作图过程，参数改变后只需对该顺序进行扫描，求解新的参数值，即可改变整个图形或局部图形的大小，该方法是目前最常用的方法,按已画好的草图手工指定约束，该方式操作繁琐，对复杂图形不太适用,参数化设计采用“顺序求解约束模型”，而不采用对约束方程联立求解的方法。顺序求解的顺序的形成可采用下列三种方式,自动识别原有图形隐含的约束。这种方式为实现旧图参数化提供新的途径，但是目前算法还不太成熟，技术实现难度大，只能用于二维简单图形,适用于系列化产品设计及标准件库的建立,3.2.4 参数化设计,商用CAD系统参数化设计功能举例,二维截面草绘中的参数化功能,草图绘制修改约束条件修改尺寸完成,例：设计正六边形截面,点选SKETCHER（草图模块）中的直线图标，概略绘制一个六边形（图a）,点选SKETCHER中定义的约束图标，在其后出现的约束类型菜单中点选，建立“等长度”几何约束,点选六边形中相邻的两条边，使其长度一致，重复此步骤使六边形的六条边都等长,在规正的六边形图上（图b），直接在边长尺寸上双击鼠标左键将尺寸改为100，六条边大小则相应改变,3.2.4 参数化设计,商用CAD系统参数化设计功能举例（续1）,改变特征尺寸,自Part菜单中选择Modify，再选择菜单下的Value命令,选择要修改的 尺寸并输入新尺寸,选Part菜单下的Regenerate让系统重新计算，刷新图形,以挤出（Extrude）特征为例，调入该特征后，屏幕上出现长方形凸台的定形和定位尺寸，如右图。使用Modify修改特征尺寸的步骤如下：,3.2.4 参数化设计,商用CAD系统参数化设计功能举例（续2）,装配关系式,使装配体中不同零件间的参数彼此产生关联。如定义了孔的直径将等于轴的直径，即：Relation：Shaft_dim:2hole_dim:0,3.2.4 参数化设计,商用CAD系统参数化设计功能举例（续3）,零件关系式,使单个零件中不同特征间的参数彼此产生关联。如下图的中心孔直径及x、y两个方向的定位尺寸与长方体长、宽、高尺寸之间的关系式,3.2.4 参数化设计,商用CAD系统参数化设计功能举例（续4）,特征关系式,使特征或截面中的参数彼此产生关联。如下图，若定义长度d1与宽度d2之间的关系为：d12d2，则不论长方体尺寸如何变化，均能保证长是宽的2倍,3.2.4 参数化设计,