机械CADCAM原理及应用课件第2章第34节

1、2.3 三维建模技术 机械产品的三维设计建模是CAD/CAM系统的核心技术，也是进行产品设计创新的过程。机械产品建模流程如下图：2.3.1 CAD/CAM建模基本知识产品结构信息几何信息拓扑信息制图语言以数字形式表示的存在于三维空间中要素的位置和形状，按其几何特征可以抽象地分为点、线、面、体四种类型。拓扑信息是反映产品结构中各图形元素的数量及其相互间的连接关系。制图语言是指除图形信息和拓扑信息外的其他非几何信息，包括几何尺寸、形位公差、表面粗糙度、技术要求等的物理属性和工艺属性。2.3.2 几何建模技术1.线框建模原理线框模型（Wire Frame Mode）是利用棱边和顶点来表示形体结构。由

2、于线框模型仅包含形体的棱边和顶点信息，因而可用棱边表和顶点表两表数据结构进行模型组织和描述。2.3.2 几何建模技术线框建模模型2.3.2 几何建模技术2.平面建模原理平面建模是根据形体表面为平面构成特征，可将几何形体分为平面体以描述平面体结构。三维几何模型通过表面、棱边及顶点信息来构建形体的三维数据模型。2.3.2 几何建模技术平面建模模型2.3.2 几何建模技术3.曲面建模曲面建模是由规则曲线或系列参数曲面片通过拼接、裁剪、光顺处理而构建的三维模型。2.3.2 几何建模技术4.实体建模 实体模型（SolidModel）是通过一系列基本体素，如矩形体、圆柱体、球体以及扫描体、旋转体、拉伸体等

3、，经布尔运算构建的任意复杂形体的几何模型。实集模型的构建包括两方面内容：一是基本体的定义；二是布尔运算。（1）参数体素法是通过少量几个参数对一些简单基本体素进行定义。2.3.2 几何建模技术（2）扫描体法是通过二维封闭平面沿给定的轨迹扫描来生成实体模型中的基本体。2.3.2 几何建模技术（3）布尔运算是在基本体定义后，将两个或多个基本体经并、交、差进行运算后，便可构建各种不同的形体。2.3.3 特征建模 特征建模是在实体几何模型基础上，抽取作为结构功能要素的“特征”，以对设计对象进行更为丰富的描述和操作，弥补实体建模不足的一种新建模方法。所谓特征是从工程对象中高度概括和抽象出来的功能要素，包含

4、了丰富的工程语义，不同的产品生产阶段有着不同的特征定义，如产品的功能特征、形状特征、加工特征、工艺特征、装配特征等。2.3.3 特征建模零件信息模型的特征形状特征技术特征材料特征精度特征装配特征管理特征形状特征能反映零件的特征功能，能够提取零件形体结构的点、边、面、体等几何信息和拓扑信息。为技术分析、性能试验、应用操作提供相关信息，包括设计要求、设计约束、外观要求、运行工况、作用载荷等。用于描述与零件材料及热处理要求的相关信息，包括零件材料牌号、性能、硬度、热处理要求、表面处理、检验方式等。用于描述零件公称几何形状的允许范围，是检验零件质量的主要依据，包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。用于

5、描述零件在装配过程中的相关信息，包括位置关系、配合关系、连接关系、装配尺寸、装配技术要求等。用于描述与管理有关的零件信息，包括零件名、零件图号、设计者、设计日期、零件材料、件数量等等。1.特征分类2.3.3 特征建模零件信息模型的特征间的关系邻接关系从属关系分布关系引用关系2.特征间的关系邻接关系反映形状特征的凸台和凹槽相互位置关系，是特征的一种外部约束，主要表现为形状特征的面贴合。从属关系反映形状特征之间存在的主从关系，其依赖于主特征而存在。这些辅助特征与轴段主特征之间保持一种从属关系。表示某些形状特征在空间位置上是按照特定形式排列，如孔特征的圆周分布、阵列分布等。反映某特征与另一特征之间作

6、为关联属性存在着引用的联系，这种引用联系主要存在于形状特征对精度特征、材料特征等特征的引用。2.3.3 特征建模3.特征建模的基本步骤（1）分析特征与特征之间的关系等（2）创建基础特征（3）创建其余特征（4）特征的编辑修改（5）利用创建完成的三维零件特征模型可生成二维工程图2.3.4 装配建模技术1.装配模型信息装配模型是包含产品结构组成、组件几何结构以及各组成零件之间相互连接、配合、约束等装配关系的产品模型。它全面表达了产品的结构组成和装配体的装配关系，能完整、准确地传递装配体的设计参数、装配层次和装配配合等信息。一是产品实体结构信息，即产品所包含的零部件几何结构信息；二是产品各组成件间的相

7、互关系信息，即产品结构的层次关系和装配关系等。2.3.4 装配建模技术2.装配关系产品的装配关系是反映产品零部件间的相对位置的连接关系和相互配合的约束关系。产品零部件之间的装配关系是装配建模的重要基础。2.3.4 装配建模技术3.装配建模方式1）自下而上的建模方式自下而上（Bottom Up）的装配建模是一种传统装配设计方法。先设计产品的零部件，然后再设计定义零部件间的装配关系，最终创建完成产品的装配模型。若在装配过程中发现事先设计的零部件不能满足装配要求，则需要修改零部件的设计，重新进行装配设计，如此反复，直至满足装配要求为此。2.3.4 装配建模技术3.装配建模方式自下而上的建模方式优点缺

8、点设计快速高效；更加专注于产品整体设计，而不是独立的零件细节；减少由于人为的疏忽造成的设计错误；零件之间具有关联性，参考的实体变换时将自动完成其他参考零件的修改。由于事先没有一个很好的装配规划和全局考虑，在零部件设计时如未能考虑其他零部件的影响，装配过程极易产生不满足装配要求等问题。例如：由于零部件间存在干涉而导致无法装配，从而需要对零部件重新进行设计修改，然后再装配。因此，这种建模方法反复工作多，建模效率较低。2.3.4 装配建模技术3.装配建模方式2）自上而下的建模方式自上而下（Top Down）的装配建模，首先是设计好满足功能要求的产品初步结构方案，绘制产品装配草图，确定产品各组成零件之

9、间的装配和约束关系，完成装配层次的概念设计，并根据装配关系把产品分解成若干零部件，然后在总装配关系的约束下，完成零部件的详细设计。2.3.4 装配建模技术3.装配建模方式自上而下的建模方式优点缺点设计快速高效；更加专注于产品整体设计，而不是独立的零件细节；减少由于人为的疏忽造成的设计错误；零件之间具有关联性，参考的实体变换时将自动完成其他参考零件的修改。在大型系统建模时缺乏对谢姐的考虑，各个系统之间的协调看法难度较大。2.4 真实感显示及虚拟现实技术2.4.1 图形消隐技术1.消隐概念消隐是在绘制时消除被遮挡的不可见的线或面，习惯上称做消除隐藏线和隐藏面，经过消隐得到的投影图称为物体的真实图形

10、。2.4.1 图形消隐技术2.消隐的分类根据消隐对象分类线消隐面消隐根据消隐空间分类物体空间的消隐算法图像空间的消隐算法物体空间和图像空间的消隐算法2.4.1 图形消隐技术3.常见的消隐算法线消隐凸多面体的隐藏线消隐凹多面体的隐藏线消隐面消隐油画算法Z向深度缓冲区算法扫描线算法2.4.2 颜色与纹理1.颜色 要产生具有高度真实感的图形，颜色是最重要的部分。颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。因面，物体的颜色不仅取决于物体的本身，还与光源、周围环境的颜色以及观察者的视觉系统等有关。2.4.2 颜色与纹理2.纹理纹理一般是指物体表面的花纹或纹理即使物体表面呈现凹凸不平的沟纹，同时

11、也包括在物体的光滑表面上的花纹或图案。纹理映射，又称纹理贴图，是将纹理空间中的纹理像素映射到屏幕空间中的像素的过程。简单来说，就是把一幅图像贴到三维物体的表面上来增强真实感，可以和光照计算、图像混合等技术结合起来形成许多非常漂亮的效果2.4.3 光照处理当光照射到物体表面时，光线可能被吸收、反射和透射。被物体吸收的部分转化为热，被反射、透射的光进入人的视觉系统，使人们能看见物体。为模拟这一现象，将建立一些数学模型来替代复杂的物理模型，这些模型称为明暗效应模型或光照模型。三维形体的图形经过消隐后，再进行明暗效应的处理，可以进一步提高图形的真实感。2.4.3 光照处理1.光照显示当光源来自一个方向

12、时，漫反射光均匀向各方向传播，与视点无关，它是由表面的粗糙不平引起的，因而漫反射光的空间分布是均匀的。根据Lambert余弦定律，漫反射光强为：2.4.3 光照处理1.光照显示对于有些物体（如擦亮的金属、光滑的塑料等）是不适用的，原因是这些物体还会产生镜面反射。对于理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反射定律。对一般的光滑表面，反射光集中在一个范围内，且由反射定律决定的反射方向光强最大。因此，对于同一点来说，从不同位置所观察到的镜面反射光强是不同的。镜面反射光强可表示为：2.4.3 光照处理2.阴影形成 阴影是现实生活中一个很常见的光照现象，是由于光源被物体遮挡而在该物体后面产生的较暗的区域

13、。在真实感图形中，通过阴影可以反映出物体之间的相互关系，增加图形的立体效果和真实感。当知道了物体的阴影区域以后，就可以把它结合到前面介绍的简单光照模型中去，对于物体表面的多边形，如果在阴影区域内部，那么该多边形的光强就只有环境光一项，后面的几项光强均为零，否则就用正常的模型计算光强。通过这种方法，可以方便地把阴影引人简单光照明模型中，使产生的真实感图形更具层次感。2.4.4 虚拟现实技术 虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。目前虚拟现实技术是图形真实感显示的最高层次技术。 虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。2.4.4 虚拟现实技术虚拟现实技术的基本特征包括：a.多感知性 是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知等。b.浸没感 又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的