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高空 立柱 设计

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几何模型张炎200121050125专家认为几何模型是CAD/CAM最重要的特征之一，是零件尺寸和形状在电脑内存中的代表。几何模型对CAD/CAM是如此的关键，因为许多设计和生产功能都是以它为起点来实现。例如，几何模型可以作为一个框架，从而为这个结构创造一个更精确的有限元模型。或者它可以作为自动草绘的输入，来产生这个零件的工程制图。此外，几何模型可以作为产生数控命令（用来在自动机床上制造零件）和制定过程计划（列出构造完整装配线的步骤的顺序）的基础。最典型的几何模型的创造方法是利用在一个CAD/CAM的图形终端的屏幕上绘制的图形来产生几何模型的。因而，在执行几何建模时，使用者不需要了解任何有关电脑或编程之类的知识。令人信服的是建模可以不需要依赖于任何图形系统。不过相对于使用图形系统输入输出电脑数据的舒适和速度而言，这将会是一个沉闷和耗时的程序。从而CAD/CAM屏幕上的几何图像实际上是与它们在电脑内存中代表的几何模型是同义的。几何模型的类型决定于CAD/CAM系统的能力和使用者的要求。这里有代表平面零件的2D模型，代表连续截面没有边墙特点的零件的21/2D模型和代表最普遍存在的形状的3D模型。对于许多零件来说，2D和21/2D模型已经足够，但是大部分在几何建模上的研究目标却在于开发更为成熟的3D建模能力。目前大部分的3D建模由所谓的线元素相连而成的丝框来完成的。丝框通常是最容易建造的模型。它们几乎不耗费任何电脑时间和内存，并且能够提供零件表面上不连续部分的精确位置。但是丝框之间无法传递关于表面的信息，并且无法区分物体的内侧与外侧。所以，作为复杂模型代表的丝框常常是不明确的，留下了很多解释给用户。许多这种丝框不确定问题可以使用表面模型来解决，表面模型代表着建模水平的一个更高的阶段。表面模型精确定义于零件几何参数之外。所以，它在数控磁盘准备以及结构边缘定义十分关键的任务中是十分有效的。尽管类似于隐藏线的自动消除的特征能够轻易的使得表面模型呈现立体状，但它们仅仅代表该零件几何特征的外壳和包围面。正是由于这种无法反映物体的固体性质的不足使得决定该物体的重量，体积，密度，中心和大量其他属性变得困难。此外，还需要更多的用户解释来决定零件的内部细节。例如，相同表面模型可以看做是实心的物体，也可以看做是由金属片制成的薄壁结构。最高等级的建模水平是3D固体建模。在这个建模过程中，基本的立方体，球体，和其他一些所谓的简单固体可以相互连接从而创造出一个复杂的模型。这里还有另外一种技术即使用表面来定义零件的边缘，然后应用另外的程序来定义被这些表面限制的固体块。尽管固体模型的外观类似于去除隐藏线的丝框和部分表面模型，但是固体模型却是唯一一种在电脑中反映着物体真实固体性质的模型。它使得大量属性的估算变得便利。并且交界面更容易被刺穿从而得到内部细节信息。在几何建模中固体模型代表着尖端技术。早期的固体建模系统缓慢并且相对昂贵，它需要使用者具有精湛的专业技术和大量的电脑处理时间。然而，不断精制的工程使得这些不足不断得到克服，固体建模将会在CAD/CAM领域中得到广泛应用。丝框在CAD/CAM终端的操作者通过在空间中指定点和线来创造一个丝框。终端屏幕典型的将被划分为几部分，显示着模型的不同视图。或者有些系统使用一种视角和可移动的工作面板。终端显示屏可以像画板一样使用来创造模型的不同视图。然而，不像手动草绘，CAD/CAM为快速设计提供自动特征。基本上组成线框的线不是手动绘制的。而是系统基于用户指定的的点和功能菜单中选择的命令来构造不同的线段的。例如，用户可以指定两个端点和给电脑直线命令来生成一条直线。也可以通过指定与某条直线平行或正交，或者与某个圆相切来生成复合条件的直线。在某些系统上有接近四十种方法来生成直线。操作者当然也可以使用类似的方法来生成曲线。只要指定一中心点和半径，或者圆上的三个点，或者与其它曲线的切点，就可以自动生成一个圆。那些更复杂的二次曲线，比如椭圆，双曲线和抛物线也可以使用上叙类似的方法生成。大部分的CAD/CAM系统也可以生成多段线，那些通过用户任意指定点的平滑曲线。很多其他的特征能够帮助用户创造模型。例如，在一个视图内生成的点线可以被自动投影到其它的视图内。并且特别的细节可以被复制到模型中指定的位置上。此外，用户可以从显示屏上暂时擦去指定的线而不需要从电脑内存中将它们删去，从而使得被擦去的直线可以随时调回显示屏中。在复杂的模型中工作时，这种功能便于清楚的观察正在建造的区域。同样地，可以扩大某块模型区域来添加暂时的细节，然后又恢复到正常的大小。建模的步骤程序随着系统功能和用户的技巧的不同而不同。大部分的系统工作在分屏环境中，在这个环境中，多视图同时显示在显示屏中，可同时对它们进行操作编辑。有些系统仅使用一个所谓的使用多种视图的正三轴侧图，在需要的时候唤醒一个。然而，这些方法仅仅是存储在电脑内存中的真实3D模型在图像上的不同的表现形式与操作形式而已。图4.1展示了一个利用分屏方法建造一个简单模型的典型步骤序列。首先，屏幕被分割为俯视图，侧视图和主视图。在这个方案中，用户指定了四个点作为这个面的端点。然后，用户输入直线命令将这些点连接起来，从而勾画出这个零件的顶面。第三步，将这个图像投影到其他三个视图上。第四步，系统将这个面投影到第二个方向来生成一个矩形块。第五步，用户在这个块的上方又指定了一个点。最后，系统将矩形块上方的点与其顶面的四个顶点用直线连接，构成一个金字塔状物体从而完成模型。复杂的线网常常使几何模型模糊且难以解释。所以一些系统抛弃或删除隐藏线从而使得零件的固体几何形状更加明显。因为系统自动删除隐藏线不会很恰当，这些工作往往需要用户自己手工完成。例如，一个系统在线元素之间自动生成了一个表面，并且键入了一条命令来消除隐藏线，如图4.2所示。并不是所有的线框建模都需要在CRT显示屏上对点和线进行操作。有些系统可以自动生成一个几何模型，只要用户输入一些主要参数。系统将利用这些参数值对电脑中已存在的零件雏形进行修改和缩放。系统能够自动设计齿轮，如图4.3所示，还有转换器，排气管，飞机夹板，等其他一些都只要一套指定参数确定就可以确定的零件。表面描述用户可以通过将各种类别的面元素与指定线断相连来创造一个表面模型。整个模型都由面元素组成。但是这种方法将是代价昂贵的，且它提供的更多的细节对于某些应用来说是没有必要的。所以，一些模型上使用表面来表示要求高的面，而零件上其他的部分则用线框来表示。CAD/CAM系统一般提供扩展表面菜单，它包括平面，圆柱面，规则表面和旋转面，一起还有光面，圆角和雕刻面。这些表面都陈列在图4.4。当然，最基本的面类型还是简单平面，那些由系统在用户指定的直线之间定义的平面。一个圆柱面是由一个自由方式下的曲线投影到第三个方向上的方法来建立的。基本上是在两条平行直线之间建立一个曲面。规则面则是在两条不同的边缘曲线之间产生的。它的基本原理是由两个端点在两条不同曲线上的直线在空间移动从而形成面的。沿着圆形轨道旋转任意曲线生成旋转面在具有轴对称的零件的建模中非常有用。旋转面的延伸就是光面，它通过将任意曲线沿着另一条不是圆的曲线轨道旋转的方法而形成的。圆角面能利用平缓的转变将两个面连接起来。以前圆角面的创造是一个沉闷且个人的手工操作。现在CAD/CAM系统可以自动完成这项任务。最一般曲线的是雕刻面，它又可以称为曲线网，自由形式，立体片和B面。雕刻面一般由两簇曲线以十字交叉的方式相互交错在一起的形式形成的。这些曲线簇不需要是直交的，并且曲线的类型并不是固定的。实际上，每簇中的曲线之间不必是平行的。固体建模在一般的固体建模过程中，用户通过排列，添加和删除基本初始几何体的方法来构造模型。这些基本几何体包括球体，圆弧，椭圆柱体，锥体，椭圆体，矩形，平行六面体，楔体和圆环面。这种建模方法就基于这种将复杂物体分割成简单几何体的思想。最广泛使用的3D建模系统是SYNTHAVISION，一种高度精制的程序，它包括超过12种基本几何体，如图4.5所示。刚开始，这种程序极度昂贵且只能在大型电脑系统上运行。因此，这个程序大多时候只适用于大型企业。但是最近这种程序得到精炼，使得它能够在更广泛的基础上成为可行的，所以它的使用者越来越多。研究所与大学机构研制出来的便宜的固体建模程序同样是可行的。但是这些一般含有的原由几何体较少。另外，它们并不是精炼的，且软件支持要少于商业程序。全世界大概有15种以上的这种程序。PADL程序是由国家科学基础组织授权的罗切斯特大学研发的。还有COMPAC是由柏林的技术大学开发的。PROREN是由德国的鲁赫大学开发的。而ROMULUS是由英国的剑桥大学开发的。另外一