CAD特征建模技术.ppt

* 第3章 CAD特征建模技术 几个问题： 何谓基于模型的设计？ 目前的CAD模型是产品信息模型吗？ 制造业信息化需要什么样的CAD模型？ 制造业信息技术和系统的本质是什么？ CAD建模理论和技术研究的发展趋势是什么？ 关于模型问题的研究与诺贝尔奖有关吗？ * 一、模型的种类 静态模型 1、实物模型 动态模型 数学、几何模型 2、符号模型 物理、化学模型 经济、管理模型等 描述客观规律 3、可视化模型 替代实物模型（虚拟） * 线框模型（Wire Frame Model）支 持简单的图形表示 表面模型（Surface Model）准确表 示物体表面，如曲线、曲面 实体模型（Solid Model）几何和拓 扑意义上完备的设计模型 * 二、何谓产品（零件）信息模型？ 产品可视化模型（几何、线型、颜色、图层等）； 产品材料及其性能（材料种类、比重、模量等）； 零件精度要求（尺寸公差、形位公差、粗糙度等）； 零件功能要求（运动副、自由度、传递运动、动力等 ）； 零件工况要求（受力、冲击、各种相互作用等）； 零件工艺要求（加工方法、工序、切削用量等）； 产品管理要求（BOM、保管、运输、维护等）。 * 第3章 CAD特征建模技术 产品的生命周期： 设计制造使用维护报废 设计-CAD，分析-CAE，工艺-CAPP,虚拟样机-VP等 制造-CAM，测量-CAT，质量控制-CAQ，装配-DFA等 产品数据管理PDM（PLM） 基于网络的协同设计技术 CIMS工程 企业资源计划ERP 三、现代设计方法与先进制造技术对模型信息的需求 CAD模型是有关产品本身 技术信息的源泉，也是 管理信息的核心 * 产品建模研究存在的主要问题 一是缺乏对产品模型形成过程和设计结果的描述 。各个分离阶段的设计结果没有在统一的模型中 保存，也不利于设计过程管理，难以支持设计信 息重用的需求； 二是没有发挥产品模型的信息载体作用； * 三是目前的CAD建模技术不能实现产品设计信息 的跟随性、时效性、低成本共享性、融合性和重 用性等，为汽车等复杂产品研发要求的“创造性” 、“协同式”、“综合性”、“虚拟式”、“智能化”等 新型工作方式提供“即时可得”的有价值信息、知 识和过程支持，更好地满足制造业发展对信息技 术的需求。 * 当前制造业信息技术的现状是产品设计、分析、 加工、装配等分阶段构建模型信息，数据一致性 差、冗余度大、建模成本高；各种功能软件在异 构环境下运行，数据交换效率低，设计过程支持 的连续性差，产品信息难以集成与重用； 领域针对性强和系统开放性差是目前CAE技术的 特点，知识依赖于软件，效率依赖于经验，分析 的过程和结果融和与共享程度低，难以作为获取 产品设计创新知识的有效手段； * 异构平台信息的严重分割和领域深层知识的高度 依赖，致使目前的CAD/CAE/CAM技术实质上只 能是异构软件功能的堆积，远不是模型、信息、 知识和过程的有机集成，结果形成人们常说的“自 动化孤岛”，这些自动化孤岛花费了大量的资金和 人力，却没有为企业的整体效益带来太多的改善 ，在这样的环境下，同一信息往往需要多次输入 ，数据冗余度大，生成大量的垃圾信息。 * 四、目前我国CAD及相关技术的现状 我国制造企业几乎清一色使用PRO/E、UG、 CIMATRON等软件进行2D绘图和3D建模，NC编 程、CAD/CAM集成等也是国外软件的一统天下 ； 制造业技术复杂，经验依赖性强，CAD/CAE/CAM 软件蕴含的产品设计深层次数据、经验和知识是花 钱买不到的，国外对高、精、尖技术的封锁正阻碍 我们在关键领域技术进步的速度； * 在数字化设计单元软件技术上的先发优势不仅导 致了欧美国家在基础功能支撑软件市场上的垄断 地位，而且由于数字化设计领域知识和经验相关 性大的特点，还将进一步导致我国无法通过产品 研发阶段的信息集成与继承获得数字化设计的后 发优势，威胁我国在众多重要领域的技术安全， 甚至国防技术的安全。 * 我们应当看到当前的CAD/CAE/CAM软件技术仍 然难以解决复杂产品设计信息、知识和过程的不 能合理配置、高效利用、有效集成、充分重用的 问题。因而，国际制造业信息化领域正孕育着新 一代软件架构技术和建模标准的变革，为立足创 新开发复杂产品数字化设计新一代软件支撑技术 ，提升我国制造业数字化设计水平带来了难得的 机遇。 * 以资源可重用、系统可重构为模式的复杂产品建 模、分析、仿真、优化一体化的设计技术已成为 国际数字化设计技术发展的重要趋势。如何在产 品数字化设计中充分发挥产品模型的信息载体和 支撑作用是资源可重用的核心问题；系统可重构 的本质是在充分保障现有系统用户利益基础上实 现的有效信息、经验、知识等的融合与重用，产 品信息模型是符合用户利益的集成与继承合理粒 度。因而，以模型为基础的信息集成与继承理论 、方法和实现技术研究处于新一代数字化设计技 术研究领域的核心地位。 * 五、产品信息建模理论与技术研究 的发展方向和趋势 * 第一类讨论题 几个基本命题 命题:模型是信息的载体； 命题:信息完备的产品信息模型是数字化设计理论、 方法和技术研究的核心； 命题:产品信息模型是实现产品信息集成与继承 的载体，表现为一种结构与关系的集合。 * 基本命题导致的推论 制造企业的技术与管理活动都是围绕产品展 开的，制造业信息系统必然以处理、保存产 品信息为其核心，同时不能忽视人的活动的 影响。由于产品信息模型包含了产品完备的 信息，所以制造业信息系统应以产品信息模 型和人的活动为核心。 * 什么样的模型才能完整表达产品信息？ 创新模型的结构（“一元四体”模型 ） 新型结构的模型将对制造业信息系统产生什 么样的影响？ 研究模型对信息系统的作用机制 可否通过研究模型对信息系统的作用来研究 制造业信息系统演变发展的规律？ 推论引发的几个基本问题 * 制造业信息系统的本质是什么？它的演变 、发展具有什么样的规律？ 如何判断和衡量一个制造业信息系统的性 质和状态？ 如何采取符合制造业信息系统演发规律的 方法促进系统保持良好的性态？ 研究上述问题应当采用什么样的工具？ 基本问题引出的相关研究课题 * 制造业信息系统是一个耗散结构（dissipative structures）它具有耗散结构的基本性质。 系统信息熵（information entropy）的变化会对 制造业信息系统的耗散结构性质产生重要影响。 模型的结构、作用机制和人类的活动是影响制造 业信息系统信息熵流的决定因素，因而，可以借 助于对信息模型和人的行为的研究，理解和利用 制造业信息系统的演发规律。 方法几个基本假设 * 第二类讨论题 1、你感觉学得最好的课程内容是什么？学得最差的课程内容是 什么？ 2、你最喜欢学哪部分内容？最不喜欢学哪部分内容？ 3、学习中你最有成就感是什么时候？最有挫折感是什么时候？ 4、相对而言，本课程给你印象深和影响大的是什么？ 5、在修读本课程期间，你更愿意到课堂还是更愿意到实验室？ 6、本课程使你在时间安排上压力大吗？学习的效率感觉如何？ 7、谈一谈本课程你自学的安排和感觉。 * 8、本课程中第一次提出的新概念有哪些？ 9、本课程中第一次用到的新方法有哪些？ 10、本课程中第一次使用的新技术有哪些？ 11、请你就机械CAD技术课程的综合性发表意见，并举例。 12、你知道导出三次参数样条曲线数学模型的哪几种方法？ 请简要说明。 13、你知道导出Bezier和B-spline曲线数学模型的哪几种 方法？请简要说明。 14、可视化CAD模型的生成、控制、表达使用的主要方法是 什么？请简要说明。 15、请比较嵌入式语言与一般通用程序设计语言的异同，并 说明其优、缺点。 16、比较CAD软件与其他类软件的异同，谈一谈你学习计算 机软件的诀窍。 * 预期的研究课题 关于制造业信息系统本质属性的研究； 关于制造业信息系统演化规律的研究； 关于信息“集成”与“继承”基本理论的研究； 关于产品复合信息模型结构的研究与创新； 关于新型产品信息模型作用机制的研究； 实现以模型为核心的信息集成与集成的方法 与技术研究； 模型为核心的产品信息集成与继承软件架构 理论与实现技术研究。 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征（feature）客观事物特点的表征,是 具有特定语义的信息单元 特征技术适合于为集成化、智能化、网络 化现代设计方法和先进制造技术 提供共享信息的模型理论和技术 特征建模基于特征理论和技术的CAD模型 建造技术 特征模型以特征为信息单元定义的CAD模型 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 CAD实体模型存在以下不足： 产品定义不完整：模型仅仅能定义产品的几何形状和拓扑关系，许多 其它重要信息如公差与精度、材料性质、工艺与装配要求等不包括在模 型中； 数据的抽象层次低：实体（如体素）主要是几何概念，设计制造中 的工程语义，如键槽、中心孔、装配关系等均不能表达； 支持产品设计、制造的程度较差：如设计模型修改的效率低，设计 信息的跟随性差等。 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征建模的优点 着重描述产品的完整信息； 用高层次的工程语义信息单元：如中心孔、键槽等； 将产品设计意图贯彻到后续环节。 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征的分类 形状特征； J.J.Shan分为五大特征： 精度特征； 技术特征； 材料特征； 装配特征； * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征的分类 Lee将特征分为： 设计特征； 制造特征； Pratt,Wilson的分类：见图3-1 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征的分类 宏特征：总体 Luby将特征分为： 微特征：细节 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征的分类 特征类：包含几何信息的模板； Laakko和Mantyla将特征分为： 特征实例：具体应用的特征个体 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征的分类 生成特征：直接生成 Hoffmann和Joan Arinyo： 修改特征：进行修改 基准特征：基准线、基准面等 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征的分类 管理特征： 不同行业及产品，特征分类可以是不同的，如汽车车身 主要有下面6个特征： 装配特征： 形状特征： 技术特征： 材料特征： 精度特征： * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征间的关系 特征间是相互联系的； 特征对象：特征类的一个具体实例； IST(Is subordinated to)：附属关系 相互之间的关系： 反映为特征类和特征对象之间的关系： 特征类：对特征所有相同性质和属性的抽象概括； REF(Reference)：参考、引用 CONT(Connect to)：邻接关系 AIO(An instance of)：联系，所属关系 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 基于特征的产品信息模型 图32：零件特征信息特征信息几何与拓扑信息 图33：更加完善； * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征的表示方法 B-rep CSG B-repCSG * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征的表示方法 基于面、边、顶点的面特征，可以得到充足的信息； 但不能与特征体素、体积特征直接联系，存在不足。 基于B-rep的表示方法 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征的表示方法 基于体积特征，可以进行布尔操作； 但缺少对低层的构性元素的显示表达，特征不易提取。 基于CSG的表示方法 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征的表示方法 将两者结合； 可以充分表达设计系统中的特征。 基于混合CSG/Brep的方法 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征模型的建立方法 方法： 特征识别：建立模型，用程序来处理，自动识别 并提取特征； 基于特征的设计：直接用特征来定义零件的几何 结构，几何模型由特征生成； 请参看教材p68页 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 基于特征的设计 常用3种 基于分割造型 特征合成法 基于特征的设计和特征识别的集成建模方法（综合） * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征映射 是指产品从某特征表达空间向另一个表达空间的转换 参看教材 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 形状特征组合关系图 特征之间的关系用图来表示，成为特征关系图； 观察图35、图36。 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 特征树 反映了通过基本特征构造零件的过程 见图311，p78 图38 通过特征树，可以递归地将零件分解为多个基本特征， 然后在设计中创建这些基本特征，最后按分解的路径组合 这些零件。 * 第3章 CAD特征建模技术 第1节 特征技术概述 形状特征的组合操作 根据产品零件的要求，利用系统的功能设计出其基本的 形状，然后调用参数化特征库中的特征，输入特征参数， 系统就可以自动组合生成各种特征。 * 第3章 CAD特征建模技术 第2节 面向对象方法在特征技术中的应用 （略） * 第1章 现代CAD技术概论 CAD特征建模技术的概念以及相关名词 本章小结 * 第1章 现代CAD技术概论 3-1试述在现代