第四章建模技术及产品数据模型

4.1几何建模的基本概念4.2几何建模技术4.3特征建模技术4.4集成产品数据模型及数据交换接口,第四章CAD/CAM建模技术及产品数据模型,特征建模的概念特征的定义形状特征的分类特征的表示及数据结构特征建模技术的实现和发展,4-3特征建模技术,4-3特征建模,特征建模的概念由于几何建模无明显的功能、工艺、工程信息含义，使得后续计算机应用系统（CAPP、CAM、CAE等）难以从中提取、识别所需工艺、工程等信息。为此，80年代后期出现了特征建模技术。,4-3特征建模,特征是一种综合概念，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、制造等过程所需的一些非几何信息（材料、尺寸、形状公差、热处理、表面粗糙度、刀具信息等）。特征是在更高层次上对几何形体上的凹腔、孔、槽等的集成描述。,特征是从工程对象中高度概括和抽象后得到的具有丰富工程语义的功能要素。,特征指的是反映产品零件特点的、可按一定原则加以分类的产品描述信息。,1.特征的定义,1.特征的定义因应用的环境不同和支持特征模型的几何与拓扑信息表达的差异，对于特征的理解也不尽一致。从设计自动化入手，将特征与产品设计知识表示和功能要求相联，特征定义为:“具有一定几何形状的实体，与CIMS一个或多个功能相关,可以作为基本单元进行设计和处理”。从制造领域入手，将特征与工艺过程设计、NC自动编程、自动检测相连，特征定义为:“对应一定基本加工操作的几何形状”。,4-3特征建模,1.特征的定义根据产品生产过程阶段的不同，而将特征区分为设计特征、制造特征、检验特征、装配特征等；根据描述信息内容的不同，而将特征区分为形状特征、精度特征、材料特征、技术特征等。,4-3特征建模,1.特征的定义,4-3特征建模,1.特征的定义国内有些院所从20世纪80年代末也开始了特征建模技术的研究。有些单位从设计、制造一体化观点研究,将形状特征定义为:“具有一定拓扑关系的一组几何元素构成的形状实体,它对应零件的一个或多个功能,并能被一定的加工方式所形成”。,4-3特征建模,1.特征的定义在形状特征研究的基础上,为进一步拓宽特征的含义,又将特征定义为:“一组具有确定约束关系的几何实体,它同时包含某种特定的语义信息”。将特征表达为如下形式:产品特征=形状特征+工程语义信息,4-3特征建模,1.特征的定义对特征共同点：特征与零件的几何描述相关；特征具有一定的工程意义；在不同的工程活动中，特征的形式和内涵不同；特征可以识别和转换；在各种工程应用中，各自的特征应满足本项应用的全部要求。,4-3特征建模,1.特征的定义,4-3特征建模,1.特征的定义,4-3特征建模,4-3特征建模,特征,功能特征,形状特征,加工特征,精度特征,装配特征,4-3特征建模,特征建模,通过特征及其组合来定义、描述零件模型的过程。,特征建模附加了工程信息的实体模型，基于特征的造型把特征作为零件定义的基本单元,将零件描述为特征的集合。,4-3特征建模,特征建模,4-3特征建模,特征的定义与分类目前特征定义的基本方法有三种：交互式特征定义（人工）特征识别（自动）基于特征的设计方法（特征建模）,4-3特征建模,交互式特征定义(InteractiveFeatureDefinition)首先建立产品的几何模型，然后由设计者通过交互方式，以拾取、定义、添加的方法，将各类特征作为属性“写进”特征模型中。这种方法比较简单，不需要复杂的算法，但自动化程度低，人为错误率高，且几何信息与非几何信息是分离的，产品数据不能共享。,4-3特征建模,特征识别(FeatureRecognition)又称比较法定义特征，在系统中，建立特征数据库，通过启动专用程序自动地将模型中的几何特征与特征库中的“样品”逐一进行比较，直到找出相同者，然后提取特征数据，产生特征模型。,以上两种方法，都是基于原有的模型，用添加或比较的方法，实现特征的定义和建模。,4-3特征建模,基于特征的设计方法(DesignbyFeatures)基于特征的设计方法：是直接将特征融于设计之中，在设计阶段调入特征库中的特征,将之作为基本建模单位进行建模。比如，将加工信息附加在尺寸参数中等。,这种方法适用范围广,易于实现数据共享,因此得到广泛应用。,4-3特征建模,特征的分类:,特征的抽象分类管理特征技术特征材料热处理特征精度特征形状特征（6）装配特征,形状特征分类主特征（简单主特征、宏特征）辅特征组合特征复制特征,4-3特征建模,形状特征的类型形状特征是描述产品或零件的最基本特征。根据制造方法不同，可以分为铸、锻、焊、机加工、注塑成型等；按零件类型不同，可以分为轴盘类、板块类、箱体类、自由曲面类等。按特征的复杂程度，可分为简单特征和复合特征。简单特征为独立的形状结构；复合特征为简单特征的组合（周向均布孔、同心孔等）。,板块类零件形状特征分类,4-3特征建模,4-3特征建模,形状特征的类型按照在设计中的作用，形状特征可以分为基特征、正特征、和负特征、主特征和辅助特征。基特征用于表示毛坯的初始形状。正特征用于对毛坯添加材料的形状，如凸台、板筋、凸垫等。负特征用于对毛坯去除材料的形状，如孔、槽、螺纹、腔体等。,4-3特征建模,形状特征的类型主特征用于构造零件的主体形状(如圆柱体、圆锥体等)；辅助特征用于对主特征的局部修饰(如倒角、键槽、退刀槽、中心孔等)。,分类标准：每一类特征都是零件设计的基本功能单元，同时其加工方法和制造手段基本上一致。,形状特征,体特征,过渡特征,分布特征,形状特征：是指具有一定工程语义的几何形体，包括几何信息和拓扑信息。,STEP标准中的分类：,4-3特征建模,体特征：用于构造零件的主体形状的特征。凸台、圆柱体、矩形体等。,过渡特征：表达一个形状的各表面的分离或结合性质的特征。倒角、圆角、键槽、中心孔、退刀槽、螺纹等。,分布特征：是一组按一定规律在空间的不同位置上复制而成的形状特征。周向均布孔、齿轮的轮廓等。,4-3特征建模,形状特征-STEP标准中的分类,Pro/E软件中的形状特征分类：,4-3特征建模,精度特征,用于描述零件上公称的几何形状允许的变化量。,4-3特征建模,用于描述和零件材料的类型、热处理等特殊要求、表面处理有关的信息。,材料特征,4-3特征建模,用于描述零件的性能、功能、技术要求等相关信息。,技术特征,4-3特征建模,用于描述零件在装配过程中要使用的信息和装配时的技术要求。,装配特征：,用于描述零件的管理信息。,管理特征,4-3特征建模,与生产加工工艺有关的特征。,工艺特征,4-3特征建模,4-3特征建模,特征的表达方式及数据结构,集成模式是将特征模型和实体模型集成在同一内部数据结构里。分离模式是把特征信息放在附加的外部结构中。现在CAD/CAM系统大多用集成模式。,在特征定义和表示中，有关特征体素和面的信息都十分重要。特征体素是特征造型中进行布尔运算的单元，特征组成面及拓扑信息是建立特征之间关系及工程属性的基础。在特征表示中，应同时表示特征体素和特征面的信息，一般特征的表示包括特征体素层、特征面关系层及特征几何元素定义层。,特征的表示,4-3特征建模,特征表示的三层结构,4-3特征建模,特征体素层：描述零件的总体特征，包括总体尺寸、基准(坐标)系统、图号、公差、材料、技术特征、产品名称等一般性产品信息。特征面关系层：描述零件各组成面的特征以及组成面之间的形面关联。面类型包含平面、圆弧面、圆锥曲面、自由曲面和复合面。,各形面之间的关联有：平面是否为其他面的基准；平面之间的尺寸公差；平面的形状公差、平面度、垂直度等平面的位置公差及其基准。,4-3特征建模,特征表示的三层结构,特征几何元素定义层：是加工特征单元，包括孔及孔系、槽、凸台和连接面等。孔可分为通孔、盲孔、台阶孔等，描述的信息有孔的类型、尺寸、公差和表面粗糙度等。,4-3特征建模,特征表示的三层结构,4-3特征建模,特征面数据结构特征面的模式定义中，包括特征面的组成、面的邻接关系、面的作用和属性等。特征之间通过面构成空间邻接关系，同时特征面也是加工及检测中刀具和量具的接近表面。如图所示零件，由4个形状特征组成（毛坯A、槽B、槽C、通孔D）。各特征之间的关系是通过约束面和基准面建立的。其数据结构为双向链表形式。,4-3特征建模,特征联系特征之间通过约束面和基准面指针建立了特征之间的关联：继承联系特征的层次、级别。邻接联系相邻特征或共享特征在空间位置之间的相互关系。从属联系特征的附属、依赖关系。引用联系形状特征与其它特征之间的关联引用关系（如：材料、精度等）。,4-3特征建模,特征建模技术的实现利用特征的概念进行设计的方法经历了特征识别及基于特征的设计两个阶段。特征识别：根据已有几何模型，通过人工交互或自动识别算法进行特征的搜索、匹配。基于特征的设计：基于特征设计的思想，直接采用特征建立产品模型（即特征建模）。先调用造型系统中的特征，再通过增加、删除、修改等操作，建立零件特征模型；,4-3特征建模,特征建模技术的实现,基于特征的设计,从设计的角度,它扩大了建模体素的集合,给用户带来很大方便性,同时也为产品设计实现高效率、标准化、系列化提供了条件。从加工角度看,由于特征对应着一定的加工方法,所以工艺规程制定也比较容易进行,简化了CAPP决策逻辑,尤其是面向对象技术的应用,将特征与加工方法封装实现了程序的结构化、模块化、柔性化。由于设计特征与制造特征的对应关系,在CAD设计完成后,CAPP、CAM可直接将特征设计的结果作为输入,自动生成工艺过程和NC加工程序,实现了具有统一数据库、统一界面的集成CAD/CAPP/CAM系统。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,由于大多数CAD/CAM系统都是针对不同用户的不同应用任务研制开发的，因而它们的描述方法、定义的信息内容以及采用的数据结构都是各不相同的。CAD/CAM各模块之间数据资源共享,必须满足两个条件:一是要有统一的产品数据模型定义体系二是要有统一的产品数据交换标准,一.集成产品数据模型二.产品数据交换标准(一)产品数据交换接口的用途(二)初始图形交换规范IGES(三)产品数据交换标准STEP,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,一.集成产品数据模型,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,集成产品模型：与产品有关的所有信息构成的逻辑单元,它不仅包括产品的生命周期内有关的全部信息,而且在结构上还能清楚地表达这些信息的关联。,数据的描述和表达应满足如下几点要求:数据表达完整，无冗余，无二义性;建立数据之间的关联结构，当一部分数据修改时，与之相关部分数据也能相应变动;数据结构简单，便于查询、修改和扩充。,一.集成产品数据模型,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,基于特征的集成产品数据模型层次结构,基于特征的集成产品数据模型包含四类零件信息:(1)零件总体信息：这类信息彼此之间没有直接联系，主要是文字性描述零件总体特征,如零件名称、零件号、设计者、零件材料、热处理、最大尺寸、重量和生产纲领等。(2)基体信息：基体是造型开始的初始形体，也可以毛坯或半成品，预先定义的参数化实体或者根据现场需要直接由图形支撑软件生成。对基体信息的描述主要包括基体表面之间的信息及基体与特征之间关系信息。,一.集成产品数据模型,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,(3)零件特征信息：记录特征的分类号、所属方位面号、控制点坐标和方向、尺寸、公差、热处理、特征所在面号、定位面及定位尺寸、切入面与切出面、特征组成面、粗糙度、形位公差等。(4)零件几何、拓扑信息：这部分信息可直接由采用的实体建模软件的文件读出（如I-DEAS的Pearl数据库文件），包括面、环、边、点的数据。,一.集成产品数据模型,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准产品数据交换接的用途,实现CIM的先决条件是要求在如下几个方面能进行数据交换：不同设计部门之间；设计、生产准备、制造部门之间；不同时期的研制产品之间；不同CAD/CAM系统之间；同一CAD/CAM系统的不同版本之间。,不同CAD系统之间的数据交换点对点交换这是一一对应的交换。对于n个CAD系统，每个系统都应有n-1个接口处理程序。星形交换这是多对一的交换，以交换标准进行数据交换。对于n个CAD系统，每个系统只需要两个接口处理程序。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准产品数据交换接的用途,CAD系统模型间数据交换原理每一个CAD系统都需要设置一个前置处理器和一个后置处理器。前置处理器负责将计算机内部模型（系统A）转换成接口的模型；后置处理器负责将交换接口的模型转换成另一系统（系统B）的模型。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准产品数据交换接的用途,数据交换标准为了能在不同的CAD/CAM系统之间进行数据交换，目前世界上已经研制出多个通用的数据交换接口标准，其中典型的有：1.图形交换标准IGES2.产品数据交换标准STEP3.其它转换标准DXF、STEL等,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),4-4集成产品数据模型及数据交换接口,图形交换标准IGES的总体结构IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）是一个初始图形交换标准，于1981年由美国发布。目前，几乎所有商业化CAD/CAM系统都配有IGES接口。在利用IGES标准进行数据交换时，需要首先产生一个IGES数据文件（中间文件，与被交换的系统无关），该文件规定：1）数据进行顺序存储；2）每行记录长度为80个字符；3）采用ASCII标准代码。,IGES数据文件在逻辑上分为五个区段：起始段：IGES文件的说明部分，文件格式和行数不限，第73列字符为“S”。全局段：提供和整个模型相关的信息（文件名、生成日期、前/后置处理器中描述所需要的信息），第73列字符为“G”。元素索引段：记录文件中采用的元素目录，每一种元素对应一个索引，每一个索引记录有关元素类型、参数指针、版本、线型、图层、视图等，第73列字符为“D”。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),参数数据段：记录每个元素的几何数据，第73列字符为“P”。结束段：表示文件的结束，并兼有记录起始段、全局段、元素索引段、参数数据段段码及总行数的任务，第73列字符为“T”。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),IGES元素在IGES文件中最基本的信息单位是元素（Entity），这些元素分为三类：1）为描述产品形状所需的几何元素（点、线、面）；2）为描述尺寸标注及工艺信息所需的标注图形元素；3）为描述逻辑关系所需的属性和结构元素。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),IGES的应用成功应用的典型方面不同CAD系统之间工程图样信息的交换（最多）；通过传递的几何数据实现运动模拟和动态试验；CAD与NC系统之间的联接；CAD与FEM系统的联接。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),应用中存在的问题元素范围有限。IGES定义的主要是几何方面的信息，因而无法保证一个CAD/CAM系统的所有数据与另一个系统进行交换，有时会发生数据丢失现象；占用的存储空间较大。由于选择了固定的数据格式和存储长度，IGES的数据文件是稀疏的；时常发生传递错误。主要是由于语法上的二义性造成解释上的错误。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准初始图形交换规范(IGES),美国IGES委员会从1984年开始新的产品数据交换规范PDES（ProductDataExchangeSpecification）接口的研究，后来国际标准化委员会在此基础上确定了STEP（StandardforExchangeofProductModelData）的名称。STEP为CAD/CAM系统提供了一种中性机制，它规定了产品设计、制造以至于产品全生命周期内所需的有关产品形状、解析模型、材料、装配顺序、检验测试等方面信息的定义和数据交换的外部描述。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准STEP,STEP的组成描述方法(descriptionmethods),Part11-19;通用集成资源(integratedresources),Part41-49;应用集成资源(integratedresources),Part101-199;应用协议(applicationprotocols),Part201-1199;实现方法(implementationmethods),Part21-29;一致性测试(conformancetesting),Part31-39;抽象测试集(abstracttestsuites),Part1201-2199。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准STEP,STEP的组成七个系列文件：0、10、20、30、40、100、200系列，每个系列完成不同的内容。集成资源是用通用形式化语言EXPRESS描述的集成产品模型，它分为通用资源和应用资源。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准STEP,STEP体系结构STEP采用全新的设计思想，将七个系列文件构成三个层次结构：应用层：包括应用协议及对象抽象测试集，是面向具体应用的层次，是用专门术语描述的某种应用信息模型；逻辑层：包括通用资源和应用资源以及由这些资源组成的产品模型（由EXPRESS语言描述）；物理层：包括具体的数据交换实现方法，通过一定规则，将EXPRESS语言描述的产品模型转变成易懂的正文编码形式。,4-4集成产品数据模型及数据交换接口,二.产品数据交换标准STEP,STEP体系结构,