第二章产品数字化建模新

第二章产品数字化建模ⅡProductDigitalModeling2020/4/112第二章产品数字化建模?产品模型的描述与表示?数字样机?产品建模的基本方法?产品模型的显示?产品模型数据的交换内容简介产品数字化模型－产品信息的载体，包含了产品功能信息、性能信息、结构信息、零件几何信息、装配信息、工艺和加工信息等。数字化产品模型中，产品生命周期中不同阶段的人员都可以获得所需的内容。本章主要介绍了如下方面内容：2020/4/113产品形成过程—昨天-今天-明天产品规划概念设计生产准备详细设计昨天过程序列产品规划概念设计详细设计生产准备PDM数字模型过程管理明天过程流产品规划概念设计详细设计生产准备PDM今天过程链第一节产品模型的描述与表示2020/4/114产品的设计结果体现在两个方面，一方面是产品的几何信息，它存储在IDM系统中的数据集中；另一方面是产品的非几何信息，包括产品结构树和工艺信息，它存储于APL系统中。这两部分信息密切相关、不可分割，其相关性是通过产品图号或零件号来实现的，由统一的系统来管理。产品数字化模型几何信息非几何信息IDMAPL图号、零件号2020/4/115采用一个单一的零件模型贯穿始终是不可能的设计过程的零件模型为主模型产品模型是一组有相互关系、反映不同阶段操作的模型组。2020/4/116分析仿真概念设计结构设计几何设计产品设计产品设计的基本过程一、产品设计阶段的模型描述与表示2020/4/117产品装配模型概念设计阶段的模型零件几何模型产品仿真模型产品设计模型产品设计阶段模型2020/4/1181、概念设计阶段的模型在产品概念设计阶段，主要从功能需求分析出发，初步提出产品的设计方案，此时并不涉及产品的精确形状和几何参数设计。概念设计模型包括产品的方案构图、创新设计等。从数字化角度看，概念设计是在一定的设计规范下，以方案报告、草图等形式完成设计的。这个阶段产生的方案视不同的产品对象而不同。Guidelines2020/4/1192、零件几何模型几何模型是产品详细设计的核心，是将概要设计进行详细化的关键内容，是所有后续工作的基础，也是最适合计算机表示的产品模型。几何模型用二维或三维模型表示。在集成化CAD系统中，二维模型可以从三维模型投影得到，以便与三维模型保持一致性。除此之外，几何模型的非几何信息以属性表示。属性信息的定义以文本说明，并具有一定的结构。零件几何模型是详细设计阶段生产的信息模型，是其他各阶段设计的信息载体，通常作为主模型。所谓主模型是指以该模型为唯一数据源，其他模型以它为基础，派生出其他各种模型。派生的过程实现了模型的演变。2020/4/11103、产品仿真模型功能与性能仿真是利用计算机的计算能力，采用数值计算的方法模拟产品的功能或者性能，一般不能直接在详细设计阶段产生的零件几何模型上进行，必须进行一定的转换或者处理，建立符合仿真分析的模型。例如，有限元分析必须对CAD实体模型进行前置处理，将其进行简化，网格划分，再赋予材料和施加载荷，然后才能进行求解计算，结果则通过后置处理显示。产品仿真模型表达了仿真分析阶段的信息，对产品性能进行校验，阶段成果包括图形、表格、数据、文本说明等各种形式。仿真分析的充分利用，可以减少实际物理试验的次数，从而大大降低研制成本。仿真技术广泛应用在产品设计、制造阶段，如设计阶段的各种有限元分析、运动机构分析等仿真系统，在制造阶段的铸造浇注仿真、锻造磨具仿真、数控加工过程仿真、装配仿真等。2020/4/1111Meshing几何实体模型有限元模型在关键点处约束实体模型沿线均布的压力在关键点加集中力在节点处约束FEA模型沿单元边界均布的压力在节点加集中力2020/4/11124、产品装配模型装配模型需要表示产品的结构关系、装配的物料清单、装配的约束关系、面向实际装配的顺序和路径规划等。(1)装配结构树：装配结构模型反映产品总体结构，初始设计可以不涉及具体的几何信息，而仅仅表示产品的功能结构、层次结构以及设计的关键参数。装配体子装配体2子装配体1子装配体3零件1零件2零件3零件4零件5零件6零件7装配结构树2020/4/1113（2）属性信息表：属性信息用来表示产品的非几何信息。例如，产品名称、规格、零件材料、加工方法、重量、模型设计者等。（3）装配约束模型：装配约束模型包括装配特征描述、装配关系描述、装配操作描述以及装配约束参数。（4）装配规划模型：装配规划模型用于装配顺序规划和路径规划，前者给出一个实际可行的零件装配顺序，后者给出零件装配的可行路径，并对装配设计进行分析和评价。2020/4/1114数控加工模型工艺信息模型工装模型产品制造阶段模型产品制造阶段模型二、产品制造阶段的模型描述与表示2020/4/11151、工艺信息模型工艺信息模型为CAPP提供基本信息，涉及工艺过程、数据繁杂、种类多，不同企业的工艺信息模型差别大，具有不同的模型结构和内容。根据零件加工要求和尺寸、粗糙度、公差、基准、加工方法等信息，建立工艺信息模型。这些基本模型信息构成了编制工艺规划的基础数据。工艺设计的数据来源于详细设计阶段产生的几何模型、装配模型，在此基础上，还需要设备资源、工装资源等来实现工序的编制。2、工装模型工装设计包括刀具、夹具、模具、量具的设计以及产品零件在制造过程中的不断演化产生的中间状态模型。在工装设计过程中，依据零件在加工过程中的变化，需要建立相应的模型之间的关系。工装模型包含了两大部分：工装设备模型：刀具、夹具、模具、量具的设计和制造模型。产品过程模型：零件在制造过程演变的模型。包括几何形状和其他相关的工艺信息。2020/4/1116工艺信息模型-加工工艺流程刀路2020/4/11173、数控加工模型数控加工模型是指数控加工涉及的模型和产生的相应NC程序。一个复杂零件的数控加工程序生成，按照加工方法，有数控车、数控铣等加工；按照工艺要求，有粗加工、精加工、清根等各种操作；其中程序内部蕴含了工艺信息和加工方法，如粗糙度、公差选择、加工方式、加工路线、刀具等。程序最后计算得出加工刀具轨迹，并经过后置处理产生机床代码。这些信息构成了加工模型。复杂产品的上述各种信息模型是非常庞大的，相关关系也非常复杂，通常在PDM平台上进行统一管理。2020/4/1118第二节数字样机数字样机（DigitalMockUp，DMU）的概念目前还没有统一的定义，它是相对于物理样机在计算机上表达的产品数字化模型。在计算机上与样机相关的产品数字化模型的名称有数字样机、电子样机、虚拟样机等，这些都是直接利用了模型的表达形式（电子化、数字化、虚拟模型）而得出的。一、物理样机与数字样机用物质材料制作的产品模型一般称为物理模型（或物理样机与实物样机）。2020/4/1119管路设计强度分析结构分析数字预装配CAM装配过程仿真装配过程仿真2020/4/1120一个完整的产品虚拟样机应包含如下几个内容：?所有零部件的三维CAD模型及各级装配体。三维模型应参数化、适合于变形设计、适合于部件模块化。?与三维CAD模型相关联的二维工程图。?三维装配体适合运动结构分析、有限元分析、优化设计分析。?形成基于三维CAD的PDM结构体系。?从虚拟样机制作过程中摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律。?虚拟样机的制作过程就是基于三维CAD的产品开发体系建立的过程。?三维整机的检测与试验。二、数字样机的主要内容2020/4/1121?初期应以三维CAD（例如CATIA、UG等）为设计平台，建立典型产品的全参数化三维实体模型，进行干涉和碰撞检查、装配规划等。包括由三维模型转化建立完全关联的二维工程图；建立描述产品的物理数据，如基本属性、明细表信息等，为PDM管理提供基础数据。三、建立产品数字样机的过程2020/4/1122?中期：建立基于三维模型的产品分析、加工及管理过程，进行产品的运动和动力学分析，了解运动构件工作时的运动协调关系、运动范围、可能的运动干涉、产品动力学性能、强度和刚度等；实现虚拟加工，对加工工艺进行模拟，以检验产品设计的合理性、可加工性，加工方法、机床和工艺参数的选用，以及加工过程中可能出现的加工缺陷，为CAM提供数据模型。并且通过PDM系统实现产品开发过程管理，在一个设计周期内跟踪所有设计事务和数据的活动，并为设计进程的自动管理提供必要的支持。2020/4/1123?远期：通过虚拟样机显示产品的外观、内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等。有关人员可以浏览产品的图形与非图形数据，充分发挥三维模型的作用。如利用具有真实效果的产品结果显示和效果配置功能的效果图，可来探测、确定各类用户对产品规格、性能、外观等的需求，实现用户驱动、用户定制；在互联网上发布需要的配套零部件，获得供应商的电子数据，进行电子模装，验证产品的正确性。2020/4/1124四、虚拟现实（VR）技术虚拟现实（VirtualReality，VR）技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界。2020/4/1125多感知性(Multi-Sensory)——所谓多感知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，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。浸没感(Immersion)——指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。交互性(Interactivity)——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。构想性(Imagination)——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。虚拟现实技术的主要特征2020/4/1126虚拟现实系统示意图2020/4/1127五、虚拟现实应用举例——虚拟维修性分析系统框架2020/4/1128虚拟维修性分析系统原理2020/4/1129沉浸式虚拟现实演示系统2020/4/1130简单的虚维修实例演示--负重轮，平衡肘的拆卸序号工作内容数量工具1选定负重轮2端盖螺母拆卸（虚拟人拆卸一个，其余示意）6套筒，扳手3卸下端盖14卸下内部花螺母15拆下负重轮置于地面16拧下支撑套上的螺栓7卸下平衡肘8悬挂拉臂2020/4/1131

图2虚拟人的性别、身高、体重参数首先建立虚拟维修环境如图1所示：其中采用的虚拟人的性别、身高、体重等如图2所示：图1虚拟维修环境2020/4/1132根据拆卸方案，采用的维修工具为套筒、扳手，它们的体积，质量，密度分别如图3、图4所示：图3套筒参数图4扳手参数2020/4/11331、可视性分析：当虚拟人的目光集中在图5位置时，得到虚拟人的在当前维修姿势下可视范围如图6所示，可见，维修部分全在可视范围内：图5视点图图6可视范围2020/4/11342、可达性分析：虚拟人的在当前维修姿势下，右手拿维修工具，此时右手的可达范围如图7所示，可见，右臂可以到达负重轮中维修需要接触的各个部分，但是，当要拆卸平衡肘时，虚拟人已经够不到悬挂拉臂的部位，如图8所示，因此，维修人员需要在卸下负重轮后，向前移动，才能进行平衡肘的拆卸工作：图7右手可达范围图8右手可达范围2020/4/11353、受力和力矩分析：在承受外载荷的情况下，人体各关节的受力（力矩）情况，对判断能否完成维修任务至关重要。图9、图10为人体在该种姿态下，右臂的受力和力矩情况。图9虚拟人当前状态图10受力和力矩2020/4/11364、疲劳分析：在一定的工作时间内，给出任务循环的次数，完成任务的时间以及间歇时间，分析人体是否有足够的时间恢复疲劳，在该次任务完成过程中，结果如图11所示，在规定时间内维修人员能够恢复疲劳：图11分析结果2020/4/1137随着计算机技术的发展，目前已经可以用计算机建立全机的外形数学模型，用来精确地定义飞机的几何形状，在此阶段可以省去制作一些标准样件。这是建立飞机产品三维数字模型的第一步。今后可使飞机产品（包括制造工装）全部进行三维数字化几何建模，加上产品结构（产品结构树）的建模，构成真正的电子产品样件，可以方便地进行数字化预装配，为虚拟制造构筑良好的环境。数字样机在飞机方面的应用2020/4/11382020/4/1139第三节产品建模的基本方法一、参数化特征建模1、几何模型类型鼠标实体造型图车床刀架线框造型图鼠标曲面模型图二维设计线框建模曲面模型实体建模2020/4/11401）线框模型立方体的线框模型图立方体棱边和顶点的关系2020/4/1141ixiyiz线框模型的顶点表顶点坐标值V1V2……V7V810……0111……0000……11线框模型的棱线表棱线顶点号e1e2e3……e10e11e12123……341234……7852020/4/1142?线框建模的优点所需信息最少，数据运算简单，所占存贮空间较小，硬件的要求不高，容易掌握，处理时间短。?线框建模的局限性①几何意义的二义性。②结构体的空间定义缺乏严密性③拓扑关系缺乏有效性④描述的结构体无法进行消隐、干涉检查、物性计算2020/4/11432）表面模型表面建模的过程2020/4/1144表面建模举例说明面号面上线号线数I[4]、[3]、[2]、[1]4II[8]、[12]、[4]、[9]4III[8]、[7]、[6]、[5]4IV[6]、[11]、[2]、10]4V[7]、[11]、[3]、12]4VI[5]、[9]、[1]、[10]4立方体的面表2020/4/1145表面建模的特点（1）表达了零件表面和边界定义的数据信息，有助于对零件进行渲染等处理，有助于系统直接提取有关面的信息生成数控加工指令。（2）在物体性能计算方面，表面建模中面信息的存在有助于对物性方面与面积有关的特征计算，同时对于封闭的零件来说，采用扫描等方法也可实现对零件进行与体积等物理性能有关的特征计算。（3）表面建模方式生成的零部件及产品可分割成板、壳单元形式的有限元网格。（4）曲面建模事实上是以蒙面的方式构造零件形体，因此容易在零件建模中漏掉某个甚至某些面的处理，这就是常说的“丢面”。同时依靠蒙面的方法把零件的各个面贴上去，往往会在两个面相交处出现缺陷，如重叠或间隙，不能保证零件的建模精度。所以表面建模不具备零件的实体特征,不能进行物理特性计算。2020/4/11463）实体模型（1）定义实体建模是定义一些基本体素，通过基本体素的集合运算或变形操作生成复杂形体的一种建模技术，其特点在于三维立体的表面与其实体同时生成。由于实体建模能够定义三维物体的内部结构形状，因此能完整地描述物体的所有几何信息和拓扑信息，包括物体的体、面、边和顶点的信息。（2）实体建模的优点1.可以提供实体完整的信息；2.可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能；3.能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到NC刀具轨迹的生成。（3）实体建模的方法按照物体生成的方法不同可分为?体素法?扫描法2020/4/1147（4）实体模型的表示方法与表面建模不同，三维实体建模在计算机内部存贮的信息不是简单的边线或顶点的信息，而是准确、完整、统一地记录了生成物体的各个方面的数据。（5）常见的实体建模表示方法边界表示法构造立体几何法混合表示法空间单元表示法2020/4/1148（1）特征建模定义特征建模是一种建立在实体建模的基础上，利用特征的概念面向整个产品设计和生产制造过程进行设计的建模方法，它不仅包含与生产有关的信息，而且还能描述这些信息之间的关系。（2）特征的图例2、特征建模2020/4/1149（3）特征建模中特征分类?形状特征?材料特征?装配特征?精度特征Ａ、尺寸公差特征Ｂ、形状公差特征Ｃ、位置公差特征Ｄ、表面粗糙度特征2020/4/1150（4）特征建模系统2020/4/11513、特征建模举例所谓“基于特征”是指，在Pro/E中，用户是通过按顺序定义若干特征来创建零件模型的，这些特征包括拉伸（Protrusion）、扫描（Sweep）、孔（Hole）、圆角（Round）等。下面图片所示的零件即由3个特征构成，它们分别是旋转特征、圆角特征和孔特征。2020/4/1152根据零件的基本形状绘制截面图2020/4/1153利用旋转特征创建零件主体2020/4/1154为零件的选定边缘增加圆角特征2020/4/1155通过阵列孔特征为零件增加孔2020/4/11564、参数化设计1985年，德国的DornierGmbH公司与CADAM公司成功开发了CADAM系统。其中，IPD软件系统是最初的二维参数化CAM系统，它的应用使设计效率大为提高；而后将参数化真正应用于生产实际的则是美国PTC公司的Pro/E软件。Pro/E是第一款引入参数化设计的模型设计软件。参数化设计一般是指设计对象的结构形状基本不变，而用一组参数来约定尺寸关系。参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动，因此参数的求解较简单。参数化设计的主要特点如下：（ⅰ）基于特征。（ⅱ）全尺寸约束。（ⅲ）尺寸驱动实现设计修改。（ⅳ）全数据相关。2020/4/1157最初的截面形状与尺寸此时创建的零件2020/4/1158修改截面形状与尺寸2020/4/1159零件的形状被自动修改2020/4/11605、变量化设计变量化技术是在参数化技术的基础上作了进一步改进后提出的设计思想，它保留了参数化技术基于特征、全数据相关和尺寸驱动的优点，但在约束定义上做了根本改变，变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸参数进一步区分为形状约束和尺寸约束，在设计的初始阶段，允许欠尺寸约束项。参数化和变量化造型方法都是使用约束来定义和修改模型，所不同的是参数化造型使用“全约束”方法构造模型，而变量化造型使用“欠约束”方法构造模型。2020/4/1161二、数字化定义?数字化定义是对产品模型进行详细定义，甚至包括数字化流程的定义。不同阶段的模型定义内容不同，所提供的功能和定义工具亦不同。在详细设计阶段的定义工具比较容易用计算机实现，而有些定义必须用规范和标准的形式确定。2020/4/1162产品数字化定义流程图2020/4/1163三、装配建模（1）自底向上设计（Bottom-up）该方法是模仿产品的实际生产过程的装配方法，即先制造零件，后进行装配。产品设计功能设计模型修改产品制造设计分析装配设计零件设计产品功能需求产品市场需求虚模型零件设计修改自底向上设计1）装配建模方法2020/4/11642．自顶向下设计（Top-down）该方法是模仿产品的开发过程，先定义产品的功能要求与整体外形，再逐层划分组成产品的部件，并勾画出这些部件的大致结构与尺寸，直到最下层的零件。功能建模产品市场需求产品功能需求设计分析零件设计设计分析产品制造设计模型修改零件设计修改产品装配自顶向下设计过程2020/4/11652）装配模式1．多组件装配（Multi-Pares）多组件装配将参与装配零件的所有数据复制到装配中，装配模型中的零件与被复制的零件没有关联性。同时，由于装配模型要复制所有零件的数据，需占用较大的内存空间，当组件较多时，会影响装配速度。2．虚拟装配（VirtualAssembly）虚拟装配是利用零部件之间的引用和链接关系形成的装配。具有如下优点：（1）由于是链接零件而不是复制零件到装配，装配时需要的内存空间小；（2）装配中不需要编辑的下层零件可简化显示，提高了显示速度；（3）当组成装配的零件修改时，装配会自动更新。2020/4/11663）装配结构关系表达在装配造型过程中，各个零部件之间的关系通过装配结构关系进行反映。装配体中的层次和约束等结构关系可以用装配树来表达。装配树2020/4/1167第四节产品模型的显示一、图形显示在数字化产品中的作用图形显示技术是数字化产品开发的重要方法，它将产品以不同的形式显示呈现给用户。1、产品可视化根据工程需要，产品模型的可视化可以采用不同的显示方法，这些方法都是利用图形学原理将几何模型变换成图像信息。2020/4/1168（1）线框