特征造型与装配建模

第13讲特征造型与装配建模,华中科技大学CAD中心吴义忠王波兴Cad.wyz,主要内容,特征的概念形状特征参数化特征建模装配建模技术,特征的概念形状特征参数化特征建模装配建模,12.1特征的概念,一、为什么要特征造型？（1）从构型角度：几何造型不符合工程师习惯；（2）从信息角度：几何模型仅存储了形体的几何信息。,12.1特征的概念,特征造型是近二十年来发展起来的一种新的造型方法，它是CAD第三次技术（参数化技术）革命的里程碑。,由于从不同的应用领域来认识特征和提取特征，因此出现了特征的不同定义，如设计特征、制造特征等。,二、什么是特征造型？,特征定义,通用定义：特征是零件或部件上一组相关联的具有特定形状和属性的几何实体，有着特定的设计或制造意义。更为严格的定义也被使用：特征就是一个包含工程含义或意义的几何原型外形。特征在此已不是普通的体素，而是一种封装了各种属性（attribute）和功能（function）的对象。,特征举例,三、特征的分类,从产品整个生命周期来看，可分为：设计特征、分析特征、加工特征、公差及检测特征、装配特征等；(STEP产品模型)从产品功能上，可分为：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征；从复杂程序上讲，可分为：基本特征、组合特征、复合特征。,基于特征的零件信息模型,四、特征的作用,在CAD系统引入“特征”后，能够起到以下三方面的作用：表示设计意图；简化传统CAD系统中繁琐的造型过程；从高层次上对具体的几何元素如点、线、面进行封装。,主要内容,特征的概念形状特征参数化特征建模装配建模,12.2形状特征,InteSolid形状特征,InteSolid形状特征（续）,基于特征的实体造型流程,主要内容,特征的概念形状特征参数化特征建模装配建模,一、参数化设计与变量化设计定义,1）参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系。,参数化设计的前提假设是原始图和修改后的图形在结构上是不变的（即拓扑不变），在设计对象的结构形状比较定型的基础上，用一组参数来约束尺寸的关系，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应，只要使用者给参数赋予不同的值，就可以得到不同大小和形状的零件模型，设计结果的修改受尺寸驱动（也称尺寸驱动）。最常用的系列标准件就是属于这一类型。,12.3参数化特征建模,参数化设计的主要特点是：基于特征（从图形的几何形状特征尺寸参数实体）全尺寸约束（将形状和尺寸联合进行考虑，通过约束来实现几何形状的控制）全数据相关尺寸驱动设计修改。参数化技术的系统更适合于设计过程比较明确的工作，它有两个明显不足：（1）基于全尺寸约束的参数式设计对设计者的创造力和想象力有着极大的限制；（2）在设计中某些拓扑关系一旦改变，则系统有可能因失去某些约束而导致数据混乱。,2）参数化设计的特点,3）变量化设计涵义,变量化设计允许原始图和修改后图形在结构上是可以不同的。其指导思想是设计者可以采用先形状（草图设计）后尺寸的设计方式，可以采用不完全的尺寸约束，只给出必要的条件，设计时采用并行求解策略，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状，也称约束方程驱动。,变量化设计允许尺寸欠约束的存在，设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。变量化设计通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状，方程驱动可以是几何约束，也可是工程约束，设计结果的修改受约束方程驱动。变量化设计可以应用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等。,变量化设计的特点,4）二种方法的对比,参数化设计方法（ParametricDesign）和变量化设计方法（VariationDesign）是基于约束的设计方法中的两种主要方法。二者初看相似，但技术上的差别主要体现在约束方程的定义和求解方式上不同。,参数化方法求解采用顺序求解策略，后面的元素求解依赖于生成它的几何元素。求解过程不能逆向进行，即求解是过程式的。参数化方法对设计模型的整体修改比较困难，难以调整约束依赖关系和求解顺序，适用于已完全系列化的设计问题，即无需在设计方案较大改变（如系列化的装配体、标准件库的创建等）。,变量化方法本质上是一种并行求解的策略，几何约束和工程约束同时联立整体求解来确定产品的形状和尺寸，功能强；但大型约束方程组整体求解的效率和稳定性不如参数化方法。变量化方法针对设计对象的操作具有更好的灵活性和自由度，约束的指定是陈述式的，即约束的指定没有先后顺序之分，约束依赖关系可以根据设计者意图随意更改。,陈述式的变量化设计系统告诉计算机做什么，过程式的参数化设计系统告诉计算机怎么做。二者有机结合，可相互借鉴，优势互补。,无论参数化设计方法还是变量化设计方法，工程师都可以用尺寸、几何约束（如平行、垂直等）和工程约束（常以关系式和方程来表达），都能解决设计时所须考虑的几何约束和工程约束等问题。,二、约束的基本定义及求解,设计问题本质上是约束满足问题（CSP：ConstraintSatisfactionProgram），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得设计对象的细节。参数化设计技术的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。,尺寸(Dimension)、几何约束(Constrain)和关系式(Relation)是参数化设计过程中的三种主要设计参数类型。尺寸用来注明轮廓中元素的长度、距离、半径、直径、角度等。几何约束则限定各个元素之间的特殊关系，如平行、垂直、水平、竖直、相切、共线、同心、固定等。关系式（或表达式）则是表明参数之间的数学关系，本质上就是工程约束。几何约束可以看作是尺寸在特殊的情况下转化而来的。例如，如果两个圆的圆心距离逐渐变为零，这时就可以认为是重合约束。有些约束也可以看作是不同元素尺寸之间的关系式，如直线与圆相切可以认为是直线到圆心的距离等于该圆的半径。一般情况下，能够用几何约束表达时，尽量不要使用尺寸和关系式。约束对设计来讲具有更明确的意义，取消和增加一个约束将意味着设计思想的变更。约束的变更往往引起轮廓的质变，尺寸则引起轮廓的量变。在轮廓上每增加一个有效尺寸，将减少轮廓的一个自由度，足够多的尺寸将完全确定整个轮廓。尺寸的作用是限定各个图形元素的位置和形状。,关系式包括等式(方程)和不等式二种，通常条件语句、谓词逻辑及脚本语言等可作为关系式的扩展。通常CAD系统必须提供较强的尺寸、约束及关系的编辑管理功能。,CAD系统中广泛采用基于参数化的特征建模技术，通过一组特征来定义图形生成规则及相关约束，用户只需修改尺寸或约束，产品外形则自动变化；另外采用基于历史的过程模型记录完整的特征定义历史及零件的创建过程，用户通过调整特征定义顺序来改变设计方案，不必进行重设计，零件即可自动重构。目前CAD系统中的约束求解技术大多应用方程求解技术、图论技术、符号代数技术、几何推理及知识推理技术，并实现了统一的混合约束求解。CAD系统中约束求解的总体思路如下：,常用的约束求解方法,基于草图特征的造型技术是最主要的特征建模手段之一。如拉伸扫、回转扫、广义扫等，再根据草图形状及扫规则生成所需三维特征形体。通常草图特征定义为一参考面上的参数化二维图形，并可借助二维约束求解技术实现图形的参数化修改，一旦草图发生变化，则所生成的三维特征形体也相应变化，基于参数化思想可实现特征形体的快速修改。,基于参数化草图特征的特征建模过程可描述如下：,三、参数化特征建模,1）基于草图特征的建模技术,2）基于历史的特征建模,在三维CAD系统中，复杂零件形体需多个简单特征形体通过布尔运算而生成一个复杂的特征形体。为了实现对设计过程的跟踪及设计方案的修改，必须对特征建模过程予以记录，基于历史的特征建模方法源于这一思想。,在CAD系统中，通常用CSG树记录特征定义历史，用特征树(TreeView)的形式显示给CAD用户，如右上图虚线框。,特征历史树,3）基于特征的同步建模技术（UG）,尽管基于历史的参数化特征建模技术给CAD技术带来巨大的推动作用，并得到广泛应用。但是该技术需要严格按序列把特征规则施加于几何图形，才能有效地实现设计意图的变更。当技术人员需要对历史记录中的特征进行变更的时候，系统需要删除所有后续几何模型，回复模型到中间某个特征状态再进行变更，然后重新执行后续特征命令来重新构造模型，运行效率很低，往往因拓扑发生意外变化容易导致后续特征重构失败。而且所需变更的特征越早越容易出错，效率也越低。,同步建模技术的提出突破了原有基于历史的参数化特征建模固有的架构障碍，把原来参数化建模中，从逻辑到特征，再到图形的模型架构打破，采用实时几何分析、定位相互依赖关系，然后只执行那些必要的几何和拓扑信息变更，大大提高设计效率。这种思想类似于早期几何造型的直接局部操作思想和历史无关的显示建模（如工业设计软件Rhino或Alias）思想。但是，同步建模技术将当前特征建模技术、约束驱动技术得到了合理结合，使之建模的方便性和灵活性大大加强。,4）KBE,由于KBE技术的开放性，迄今为止，尚无一种公认、完备的定义。KBE的基本内涵是面向工程，以提高市场竞争力为目标，通过工程产品知识的继承、繁衍、集成和管理，建立工程产品的分布式开放设计环境，并获得创新能力的工程设计方法。由此可见，KBE的特点在于：KBE不仅是一个知识的处理过程，包含知识放继承、繁衍、集成和管理，而且产品创新设计的重要使能技术。KBE不仅能够表示多种形式的知识，而且能够处理多应用领域的知识，因而是集成化的大规模知识处理环境。KBE是面向工程产品全生命周期的系统集成，是一种开放的体系结构，对不同领域具有不同的解决方案。,UG/KF,UG作为一个CAD/CAM/CAE的集成软件，致力于从概念设计到功能分析、工程图纸生成、数控代码生成及加工的整个产品开发过程。UG提供了知识驱动自动化（KnowledgeDrivenAutomation）解决方案，将KBE系统与CAx软件系统完全集成。KDA是一个能够记录、重复使用工程知识并用来驱动、建立、选择和装配相应的几何模型的系统。这套解决方案包括UG/KF(KnowledgeFusion，知识融合)和一系列过程向导。,5）行为建模（BM）,因为具有新的行为建模改进功能-PTC用于目标驱动式设计的专利技术，现有21,000多套正在用户现场发挥效能，它能使零件自适应地进行目标追踪。凸轮轴力求保持动平衡；集装箱争取保持正确的容积；机械装置自适应寻求性能与间隙目标的最佳配合。在任何行业，行为建模技术都能使Pro/ENGINEER成为设计过程中的生力军，使用户能以更低的成本获得更好的质量。优化模型建立：优化目标建立分析约束函数关系和分析设计变量的设定,主要内容,特征的概念形状特征参数化特征建模装配建模,12.4装配建模技术,装配建模：在计算机上将各种零、部件组合在一起形成一个完整装配体的过程。,12.4装配建模技术,一、装配建模中关键技术1）装配约束技术,（1）装配约束装配建模的过程就是对零件自由度进行限制的过程，限制零件自由度的主要手段就是对零件施加各种约束。（2）装配约束类型常见的约束类型有贴合、对齐、同轴、同向平行等。（3）约束状态不完全约束；完全约束或固定；过约束或过定义；欠约束或欠定义。,一、装配建模中关键技术1）装配约束技术,（1）装配约束装配建模的过程就是对零件自由度进行限制的过程，限制零件自由度的主要手段就是对零件施加各种约束。（2）装配约束类型常见的约束类型有贴合、对齐、同轴、同向平行等。（3）约束状态不完全约束；完全约束或固定；过约束或过定义；欠约束或欠定义。,12.4装配建模技术,一、装配建模中关键技术1）装配约束技术,（4）装配约束规划进行装配建模时，一般注意以下约束约定：按零件在机器中的物理装配关系建立零件之间的装配关系；对于运动机构，按照运动的传递顺序建立装配关系；对于没有相对运动的零件，最好实现完全约束，防止出现几何到位而实际上欠约束的不确定装配现象；按照零件之间的实际装配关系建立约束模型。,使两个装配平面相互达到平行并且朝向(法线)相反的方向紧贴在一起。也可输入偏距值，使两平面离开一定的距离。,匹配(mate),0距离匹配,距离匹配,(5)装配约束建模,对齐(align),使两个装配平面相互达到重合并且朝向(法线)相现的方向紧贴在一起。也可输入偏距值，使两平面离开一定的距离。,两上表面对齐且向上一定距离,选两个上表面对齐,选用“插入”的装配约束类型可快速实现对一般孔与轴间的装配。,插入(insert),分别选定轴与孔的表面,插入装配完成,选用“坐标系”的装配约束类型，即通过对齐两装配件的绘图坐标来进行零件的装配。装配时只需选中两装配件的各自的坐标系。相切利用装配面之间相切，相切可以是接触点或接触边，通过控制两平面或两曲面接触的方式装配。线上点利用装配件上的边、轴线或基准曲线来进行定位装配。,坐标系,利用装配件平面或曲面上的点接触来进行装配。曲面上的边利用装配件平面上的边界或曲面上的接触来进行装配。自动此装配约束类型是系统默认的装配约束，在设计者没选定用哪种装配约束的情况下，系统将会根据你在装配过程中所选装配件面的特点，自动给出相关的约束。,曲面上的点,12.4装配建模技术,一、装配建模中关键技术2）装配树管理技术。,12.4装配建模技术,飞机起落架装配建模,二、装配建模的一般方法1）自底向上装配建模,在实际工程产品开发过程中，尽管装配建模也是产品开发非常重要的环节，但相对零件而言，设计师进行零件结构设计要占用更多时间。因此，现有商用三维CAD系统软件对零件结构设计的方法和工具支持更多，以提高设计效率。目前大多数三维CAD采用先零件、后装配的原则，即首先设计各零件结构，然后定义装配关系。这种典型的自底向上的设计方法已在工程实际中获得广泛的应用。通常，对一个典型的机械产品来说，具有明显的层次关系（总成部件零件），现有CAD系统均支持对装配模型的层次结构表达.,这种装配层次结构在CAD系统内部用二叉树数据结构来记录，并以装配结构树的形式进行显示，如图虚线框所示。对CAD用户来说，用户通过一系列装配特征操作来完成产品总成的装配，如平移、旋转、插入、共轴、共面、对齐、贴合、阵列、距离及角度约束等特征操作。,一旦用户交互输入上述特征，系统内部将其转化为三维约束，再通过三维约束求解驱动装配部件中各零件的几何相对位置，从而实现装配操作。,自底向上的设计方法虽然有效地解决了装配建模问题。但是，由于每个零件是用特征单独定义的，缺乏相互联系，当某些设计条件改变时，该方法建立的产品模型不能实现相关零部件的联动修改。而且过早进行零件的定义与描述容易造成零件之间关系的不一致性、过分约束和零件冗余，由此引起返工及造成产品装配出现问题。自底向上的设计方法与产品创新设计的理念相违背，无法支持产品设计的全过程，尤其是产品的概念设计，对产品的并行设计难以提供有效支持。因此，支持自顶向下的设计思想成为CAD系统发展的目标，即正向设计。,为此必须构建一个自顶向下的产品建模环境：1）构建统一的总体方案、装配、零件设计层次数据结构及体系架构2）提供总体方案布局设计的方法及工具3）提供总体布局、装配、零件全关联的设计环境通过统一的数据结构及体系结构，可提供系统底层的技术支撑，从而使前端的概念设计信息方便地传递到后续详细设计阶段。总体方案的布局设计为产品的前期概念设计、方案验证提供设计工具。目前三维CAD系统对方案设计的方法及工具支持较弱，将人工智能用于指导产品方案设计是提高方案设计的有效手段。采用全关联的设计环境能实现方案布局设计、零件设计、装配建模的互动设计，即方案设计可驱动装配设计和零件设计，反过来，零件的修改也能自适应地反馈到装配模型，甚至总体布局。,2）自顶向下的产品建模,