CADCAM技术_第04章CADCAM建模技术及产品数据模型

1、课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇2/34一、计算机内部表示及产品建模技术 产品建模过程实质是一个描述、处理、存储、表达现实世界中的产品，并将工程信息数字化的过程。二、产品建模方法及发展 目前产品建模方法有：几何建模、特征建模和全生命周期建模等1几何建模的定义 几何建模(Geometric Modeling)：即物体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息处理基础上的。包括有关点、线、面、体的信息。其中：几何信息：是指物体在欧氏空间中的形状、位置和大小。拓扑信息：物体各分量的数目及其相互间的连接关系。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇3/349种拓扑信息关系表示:面与面的连接关系

2、面与顶点的组成关系面与边棱线组成关系顶点与面的隶属关系顶点与顶点间的连接关系顶点与边棱线的隶属关系边棱线与面的隶属关系边棱线与顶点的组成关系边棱线与边棱线的连接关系课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇4/34欧拉公式：欧拉公式是正确生成几何物体边界表示数据结构的有效工具图图4-3 表示一个平面立体几何表示一个平面立体几何分量之间可能存在的九种拓扑分量之间可能存在的九种拓扑关系关系课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇5/342特征建模概念的提出特征（Feature）：是一种集成对象，包含丰富的工程语义，是在更高层次上表达产品的功能和形状信息。对于不同的设汁阶段和应用领域有不同的特征定

3、义，例如功能特征、加工特征、形状特征、精度特征等。特征体现了新的设计方法学。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇6/34一、几何建模系统分类 1二维几何建模系统 2，三维几何建模系统二、三维几何建模技术 (一)线框建模( Wire-frame Model ) (二)曲面建模（表面建模Surface Modeling） 目前应用最广泛的是双参数曲面，如贝齐尔(Bezier)、B样条、孔斯(Coons)、非均匀有理B样条(NURBS)曲线曲面。 (三)实体建模(Solid Modeling) 利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及扫描体等通过集合运算(布尔运算)生成复杂形

4、体的一种建模技术。实体建模主要包括两部分内容，即体素的定义及描述和体素之间的布尔运算(并、交、差)。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇7/34课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇8/34课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇9/342个表分别为立方体的顶点表和边表，构成该物体的线框模型的全部信息。立方体的线框模型举例：立方体的线框模型数据结构课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇10/34举例：立方体表面模型数据结构 在计算机内部除提供了顶点表和边表之外，还提供了面表，外法线遵循右手系坐标。 课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇11/341.边界表示法(Bounda

5、ry Representation，BR，BRep)优点：含有较多的面、边、点及其相互关系的信息。缺点：有关物体生成的原始信息，即它是由哪些基本体定义的，是怎样拼合而成的，边界表示法中无法提供，同时描述所需信息量较大，并有信息冗余。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇12/342构造立体几何法 (Constructive Solid Geometry)简称CSG法 通过基本体素及它们的集合运算(如并、交、差)进行表示的，即通过布尔模型生成二叉树结构进行表示，优点：建模简单、数据量小于边界法(约1/10)、信息量全 缺点：对复杂曲面表达有局限课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇13/

6、34体素法生成实体体素法生成实体下图所示是采用体素法，从定义基本体素到生成实体模型的全过程，通过定义4个基本体素，经过三次集合运算，完成三维实体的建模。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇14/343混合模式 (Hybrid Model) 一个系统中采用了不同形式的表达方法，例如常见的CSG法与边界表示法的混合。4空间单元表示法 空间单元表示法是通过一系列空间单元构成的图形来表示物体的一种方法。这些单元(cell)都是具有一定大小的立方体。在计算机内部主要通过定义各单元的位置是被占有还是没有被占有来表达物体。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇15/34一、特征建模的概念 1.特征

7、的定义 有多种定义：(1). “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”(2). “对应一定基本加工操作的几何形状”(1). “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”。形状特征(2). “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+工程语义信息课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇16/34目前特征的分类多以形状特征为主,分类方法也有多种：(1) 按制造方法不同，分为铸、锻、焊、机加工和注塑成型等特征；(2) 按零件类型

8、不同，可分为轴盘类、板块类、箱体类、自由曲面类等特征。另外：轴盘类零件：又分为内、外圆柱体、端面槽、键槽、螺纹、齿形、倒角等特征；板块类：又分为槽类、孔类、凹腔类、突起类、台阶类、过渡边类等特征。 图4-28 板块类零件形状特征分类课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇17/34例子： 板块类零件形状特征分类课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇18/34课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇19/34 目前，特征建模系统都是建立在原有三维实体建模系统的基础上。增加一些特征的描述信息，建立特征库，并将几何信息与非几何信息描述在统一的模型中，设计时将特征库中预定义的特征实例化，并作为

9、建模的基本单元，实现产品建模。 特征建模技术还有很多难题有待进一步研究。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇20/34实现CADCAM集成及CIMS的关键： (1). 要有统一的产品数据模型定义体系； (2). 要有统一的产品数据交换标准。一、集成产品数据模型1.定义：，产品生命周期内各种信息构成的相互关联的逻辑单元的总体，研究集成产品数据模型就是研究产品在其生命周期内各个阶段所需信息的内容以及不同阶段之间这些信息的相互约束关系。2. 包含内容(如右图)课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇21/34产品层 部件层 零件层：包含零件总体信息，文字性描述 毛坯层：包含基体表面之间的信息

10、及基体与特征之间关系信息， 特征层：包含特征的分类号、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。几何拓扑层：这部分信息可直接实体建模软件的相应文件读出(如IDEAS的Pearl数据库文件)，包括面、环、边、点的数据。图4-32 课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇22/34课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇23/34(一) 产品数据交换接口的用途数据交换需求：不同设计部门之间；设计、生产准备、制造部门之间；不同合作企业之间；不同时期的研制产品之间；不同CADCAM系统之间；同一CADCAM系

11、统的不同版本之间。两种连接方式：在专用数据交换接口的基础上实现点与点之间的联接。在与系统无关的通用数据交换接口的上的星形联接。图4-34模型间数据交换原理图图4-33为数据交换接口的两种联接形式课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇24/34模型间数据交换原理图目前世界上已研制出多个通用数据交换接口标准，其中典型的代表是IGES和STEP。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇25/34IGES(Initial Graphics Exchange Specification)是美国1981年发布的，已成为事实上的国际标准。1IGES数据文件的总体结构IGES数据文件作出如下规定：数据进

12、行顺序存储；每行记录长度为80个字符；采用ASCII标准代码。 课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇26/34IGES数据文件在逻辑上划分为五个区段： (1) 起始段 (START-SECTION) 提供使用者阅读IGES数据文件的说明语言，格式和行数不限，第73列字符为“S”。 (2) 全局段 (GLOBAL-SECTION) 提供和整个模型有关的信息，如文件名、生成日期及前、后置处理器中描述所需信息。第73列字符为“G”。(3) 元素索引段 (DIRECTORY ENTRY-SECTION) 记录IGES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

13、针、版本、线形、图层、视图等20项内容。第73列字符为“D”。 (4) 参数数据段 (PARAMETER DATA-SECTION) 记录每个元素的几何数据，其记录内容随元素不同而异。第73列字符为“P”。 (5) 结束段 (TERMINATE-SECTION) 标识IGES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”。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇27/34 在IGES文件中最基本的信息单位是元素(Entity)，元素分为三类：为描述产品形状所需的几何元素，例如点、线、面等元素；为描述尺寸标注及工艺信息所需的标注图形元素；为

14、描述逻辑关系所需的属性和结构元素。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇28/34课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇29/34 IGES标准成功应用的典型例子：不同CAD系统之间工程图纸信息的交换；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系统的联接等。IGES存在一些问题：元素范围有限。IGES定义的主要是几何方面的信息，无法保证一个CADCAM系统的所有数据与另一个系统进行交换，有时发生数据丢失现象。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数据文件是稀疏的。时常发生传递错误。错误的产生主要是由于语法上的二义性造成

15、解释上的错误。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇30/34 STEP技术规定了产品设计、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、加工方法、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。从根本上解决CIMS信息的集成问题。1STEP的组成 STEP标准内容分为7类，每一类又包括若干部分(Part)描述方法(description methods)，Part11-19；通过集成资源(integrated resources)，Part41-49；应用集成资源(integrated resources)， Part101-199；应用协议(applicatio

16、n protocols)，Part201-1199；实现方法(implementation methods)，Part21-29；一致性测试(conformance testing)，Part31-39；抽象测试集(abstact test suites)，Partl201-2199； 目前常用，ISO的应用协议AP203可用于企业间三维产品的数据交换， AP214 是关于汽车机械设计过程的应用协议。表4-3列出了目前已形成的七个系列文件：0、10、20、30、40、100和200系列课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇31/34课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇32/34STE

17、P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、逻辑层、物理层。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇33/34STEP标准中规定的实现方法有三种：文件交换：最常用的交换方法，通过WSN语言(Wirth Syntax Notation)将EXPRESS语言描述的产品数据模型转换成易读的正文编码（ASCII）中性文件（由标题段和数据段两部分组成的顺序文件）。应用编程接口(API)：应用编程接口法也称标准数据访问接口法(SDAl)，应用程序利用STEP提供的SDAI来获取和操作数据，而不必关心原有应用软件及其数据结构的定义形式。数据库。通过共享数据库来实现的，数据库的内部格式与应用解释模型的格式一致，应用系统可以直接向数据库进行查询、存储数据。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇34/34STEP采用面向对象的信息建模方法，它所描述的产品信息分成：基本模型