模具CADCAM基础教程

第1章模具CAD/CAM基础知识本章概述

本章我们将介绍CAD/CAM的基本概念，通过CAD/CAM技术特点的了解，有效地辅助设计人员进行产品的构想和模型的构建、工程分析计算和优化。模具行业是最早应用计算机辅助设计的，也是最能体现CAD/CAM设计优越性的部门之一。教学目标

1.了解CAD/CAM的基本概念。

2.掌握CAD/CAM的基本组成和特点。第1章模具CAD/CAM基础知识1.1CAD/CAM的基本概念1.2CAD/CAM系统的组成1.3

模具CAD/CAM系统的特点与关键技术1.1CAD/CAM的基本概念1.1.1

CAD/CAM概念

CAD和CAM起初是两个独立发展的分支，随着它们的推广与使用，两者之间相互依存的关系越来越紧密，设计系统只有配合数控加工，才能充分显示其巨大的优越性，而数控技术只有依靠设计系统产生的模型才能发挥效率，两者自然而然地紧密结合，形成计算机辅助设计与制造集成系统。系统中的两个阶段可以利用公共数据库中的数据，大大缩短了产品的生产周期，提高了产品的质量。下一页返回1.1CAD/CAM的基本概念CAD/CAM技术是将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代的科学方法为指导结合起来，在设计、制造的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成整个过程，以获得最佳效果。CAD/CAM系统以计算机硬件、软件为支持环境，通过各个功能模块(分系统)实现对产品的描述(几何建模)、计算、分析、优化、绘图、工艺设计、NC编程、仿真、NC加工和检测。而广义的CAD/CAM集成系统还应包括生产规划、管理、质量控制等方面。上一页下一页返回1.1CAD/CAM的基本概念1.1.2

CAD/CAM技术的基本特点产品是市场竞争的核心，从生产的观点来看，产品是从需求分析开始，经过设计过程、制造过程最后变成可供用户使用的产品，在上述各过程、阶段内，计算机获得不同程度的应用，构成了CAD/CAM技术。CAD/CAM系统是设计、制造过程中的信息处理系统，它克服了传统手工设计和手工制造的缺陷，充分利用计算机高速、准确、高效的计算功能，图形处理、文字处理功能，以及对大量的各类数据的存储、传递、加工功能，在运行过程中，结合人的经验、知识及创造性，形成一个人一机交互、各尽所长、紧密配合的系统。上一页下一页返回1.1CAD/CAM的基本概念它是应用计算机技术，以产品信息建模为基础，以计算机图形处理为手段，以工程数据库为核心对产品进行定义、描述和结构设计，用工程计算方法进行分析和仿真，用工艺知识决策加工方法等设计制造活动的信息处理系统。通常将CAD/CAM系统的功能归纳为几何建模、计算分析、工程绘图、工程数据库的管理、工艺设计、数控编程和加工仿真等各个方面，因而需要计算分析方法库、图形库、工程数据管理库等资源的支持。一般CAD/CAM系统的工作过程如图1一1所示。上一页下一页返回1.1CAD/CAM的基本概念由上可见，CAD/CAM系统的开发涉及几何建模技术、图形处理技术、工程分析技术、数据库与数据交换技术、文档处理技术、软件编程技术等,CAD/CAM系统的开发是一个高难度、高智力的工程项目。上一页返回1.2CAD/CAM系统的组成

系统是指为一个共同目标组织在一起的相互联系的组合，完善的CAD/CAM系统应能完成从设计到制造全过程中的各项工作。CAD/CAM系统由一系列的硬件和软件组成:硬件由计算机及其外围设备组成，包括主机、存储器、输入/输出设备、网络通信设备、生产加工和检测设备;软件通常指程序及相关文档，包括系统软件、支撑软件和应用软件。硬件提供了CAD/CAM系统潜在的能力，而软件则是开发、利用其能力的钥匙，它是计算机系统的“灵魂”。CAD/CAM萦统的胡成如图1一2所示。下一页返回1.2CAD/CAM系统的组成1.2.1硬件

硬件是组成CAD/CAM系统的物资设备，包括计算机系统和加工设备，CAD/CAM系统的硬件配置与通用计算机系统不同，其主要差异在于CAD/CAM系统硬件配置中，应具有较强的人机交互设备与图形输入、输出装置，即CAD/CAM系统有专门的输入及输出设备来处理图形的显示和输出，为模具的CAD/CAM过程提供一个良好的硬件环境。模具CAD/CAE/CAM系统的硬件由主机、外部存储器、图形终端、输入/输出设备等组成，如图1一3所示。上一页下一页返回1.2CAD/CAM系统的组成主机：主机是计算机的核心。由中央处理机(包括控制器、运算器)、存储器(又称内存)及vo接口构成。主机是控制及指挥整个系统并执行运算及逻辑分析的装置。计算机有大型、中型、小型及微机之分，过去CAD系统以中、小型计算机为主，后随着32位超级微机的出现，一台单机的功能几乎可覆盖小型机与中型机，因此出现了由超级微机组成的CAD工作站，工作站上的软件环境较一般微机的好，特别是具有很强的图形处理能力，速度也快。近年来又出现了高档微机，主要是以Pentium微处理器作为CPU的计算机。而且一些大型通用CAD/CAE/CAM系统也有了微机上的版本，所以从目前情况看，模具CAD/CAE/CAM系统完全可以采用高档微机。上一页下一页返回1.2CAD/CAM系统的组成

外存储器：外存储器是作为扩大存储量，减低计算机成本而设置的一种辅助存储装置，用来存放大量暂时不用而等待调用的程序或数据。当需使用外存储器中的信息时，CPU根据指令，通过控制器将这些信息调入内存才能使用;如果要将计算结果送至外存中存储起来，也必须经主存储器才能写入外存储器中。目前用做外存储器的主要有磁带、硬磁盘、软磁盘和光盘等。上一页下一页返回1.2CAD/CAM系统的组成图形终端图形终端：包括图形显示器与键盘，是交互式CAD/CAE/CAM系统的关键设备之一。图形显示器按工作原理可分向量刷新式、存储管式和光栅扫描3种。在CAD/CAE/CAM系统中，广泛使用的是光栅扫描式显示器，光栅扫描显示器采用光栅扫描方法产生图形。这些图形是由一连串的点组成的。在光栅扫描显示器上显示图形时，必须先将线条及字符信息转换为适合光栅显示的形式，这一过程叫做扫描转换。因为光栅扫描显示图形需存储每个像素的信息，所以需要较大的存储量。光栅扫描显示器不仅可以显示线图，也可以显示灰度、亮度、色调不同的图，使图形具有‘真实感，也可以产生动态的图形，并且具有选择性删除功能。上一页下一页返回1.2CAD/CAM系统的组成

外存储器：外存储器是作为扩大存储量，减低计算机成本而设置的一种辅助存储装置，用来存放大量暂时不用而等待调用的程序或数据。当需使用外存储器中的信息时，CPU根据指令，通过控制器将这些信息调入内存才能使用;如果要将计算结果送至外存中存储起来，也必须经主存储器才能写入外存储器中。目前用做外存储器的主要有磁带、硬磁盘、软磁盘和光盘等。上一页下一页返回1.2CAD/CAM系统的组成输入设备：输入设备有键盘、光标控制装置、数字化仪、扫描输入设备、语音输入等。输出设备：输出设备有打印机、绘图机、硬拷贝机、缩微输出装置及图形显示器等。上一页下一页返回1.2CAD/CAM系统的组成1.2.2软件

模具CAD/CAM系统除了具备硬件设备外，还必须配备相应的软件。硬件是CAD/CAM系统的物质基础，而软件则是CAD/CAM系统的核心。软件是决定模具CAD/CAM系统功能强弱、效率高地和使用是否方便的关键因素。在购置模具CAD/CAM系统时，软件部分的投资往往超过硬件部分的投资。软件是使用计算机的技术和方法，是程序和指令的集合。组成模具CAD/CAE/CAM系统的软件可分为3类。即系统软件、支撑软件与应用软件。3类软件的层次关系如图1一4所示。也有人将系统软件与支撑软件统称为支撑软件，这类软件可随硬件一起配置。上一页下一页返回1.2CAD/CAM系统的组成

(1)系统软件：系统软件指的是在计算机运行状态下，保证用户正确而方便地工作的那一部分软件，主要用于计算机的管理、维护、控制及运行，以及计算机程序的翻译、装人和运行。系统软件包括操作系统、编译系统等。

操作系统是对计算机进行自动管理的机构和控制中心，若从其功能去定义，可以说是一个计算机资源管理系统。目前CAD/CAE/CAM系统中比较流行的操作系统为:工作站是UNIX,Vms与X-window;微机上常用操作系统有DOS,Windows等。编译系统是指语言及其编译程序，解释程序及汇编程序。上一页下一页返回1.2CAD/CAM系统的组成(2)支撑软件:支撑软件是CAD软件系统中的核心，为用户提供开发环境与工具，是模具CAD/CAE/CAM系统中的重要组成部分，模具CAD/CAM系统的支撑软件主要包括图形处理软件(含几何构型与绘图软件)、数据库管理系统(DBMS)、网络服务软件等。①图形处理软件:即目前通用的CAD系统，是模具CAD/CAM系统中重要的支撑软件。②数据库管理系统(DBMS):用于管理庞大的数据信息，提供数据的增、删、查询、共享、安全维护等操作，是用户与数据之间的接口。③网络服务软件:在微机网络工程中，网络系统软件是必不可少的。上一页下一页返回1.2CAD/CAM系统的组成

(3)应用软件:应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域的需要而研制的软件。这类软件通常由用户结合当前设计工作需要自行开发，也称“二次开发”。能否充分发挥已有系统软件与硬件的效益，应用软件的技术开发工作是关键，也是CAD/CAE/CAM工作者的主要任务。需要说明的是，应用软件与支撑软件之间并没有本质的区别。当某一行业的应用软件逐步商品化形成通用软件产品时，它也可以称为一种支撑软件。上一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术1.3.1模具CAD/CAM系统的特点

(1)产品建模功能

模具CAD/CAM系统必须具有产品建模(构型)的功能。这是因为模具设计与一般产品设计过程不同，一般产品设计来源于市场对功能的要求，设计人员根据这种要求，确定产品性能，建立产品总体设计方案，然后进行具体结构的设计。这种市场需求只有功能要求或一些主要技术参数要求，至于结构形状则由设计人员自己构思。而模具设计时是根据产品零件图的几何形状、材料特性、精度要求等进行工艺设计与模具设计。下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术(2)修改及再设计功能

模具CAD/CAM系统中的工艺与模具结构设计，必须具有修改及再设计的功能，因为目前的成型工艺及模具结构设计主要凭人们的经验，对于复杂形状零件，往往需要经过反复试模才能生产出合格产品。所以试验后需要对工艺与模具结构进行修改，但往往只修改局部模具零件形状，故不希望重新开始设计。再者，有些工厂是生产系统产品的，产品更新时产品形状基本相同，只是尺寸或局部形状不同;对于模具来讲，也可利用原有模具而修改局部形状及相关尺寸。所以，在模具CAD/CAM系统中，只有采用参数化设计及变量装配设计方法才能达到上述要求。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术

(3)存放大量数据功能

模具CAD/CAM系统必须具有能存放大量模具标准图形及数据，以及设计准则与经验数据图表的功能。由于模具结构的复杂性，导致模具的设计与制造周期很长。为缩短其设计与制造周期，国内外均制订了不少模具标准(包括模具标准结构、标准组件及标准零件)。同时，由于工艺设计与模具设计主要靠人的经验，因此，多年来由人们总结出了不少设计准则与经验数据，而且均以图表形式存在。为此，在建立CAD/CAM系统时，均需将这些标准与经验数据存入计算机中，以便在进行工艺与模具结构设计时调用，但目前一般商用数据库系统(如Oracle,Sybase,Infomix等)又不适合存放这些图形与图表数据，为此需要利用工程数据库系统。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术1.3.2模具CAD/CAM系统的关键技术基于上述模具CAD/CAM系统的特点，在开发模具CAD/CAM系统时，必须应用下述关键技术。

(1)特征建模(构型)

有关特征的概念至今仍没有统一、完整的定义，但一般可认为，特征是具有属性及工程语义的几何实体或信息的集合，也可以将特征理解为形状与功能的组合。常用特征信息主要包括形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征等。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术特征建模方法可大致归纳为交互式特征定义、特征识别和基于特征的设计3个方面。特征模型一方面包括实体模型的全部信息，另一方面又能识别和处理所设计零件的特征。从用户操作和图形显示上，往往感觉不到特征模型与实体模型的不同，但在内部数据表示上是不同的。特征模型能够完整、全面地描述产品的信息，使得后续的成形工艺设计与模具结构设计可直接从产品模型中楠取所需信良。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术(2)参数化设计与变量化设计

参数化设计:CAD/CAM系统中，一定要采用参数化设计方法。参数化设计是用几何约束、工程方程与关系来定义产品模型的形状特征，也就是对零件上各种特征施加各种约束形式，从而达到设计一组在形状或功能上具有相似性的设计方案。

变量化设计:由于参数化设计是一种“全尺寸约束”，一旦所设计的零件形状过于复杂，就容易造成系统数据混乱。为此，出现了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术，即变量化技术。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术

(3)变量装配设计技术

装配设计建模的方法主要有自底向上、概念设计、自顶向下3种方法。自底向上的方法是先设计了详细零件，再拼装成产品。而自顶向下是先有产品的整个外形和功能设想，再在整个外形里一级一级划分出产品的部件、子部件，一直到底层粗糙的零件。由于有些模具结构很复杂,零件数有时达数百个。若一个个零件设计再装配，不仅设计速度很慢，而且很多零件相互间在形状上与位置上都有约束关系，如级进模中的凸模与凹模型腔间、凹模或卸料板上的让位孔槽与凸模及条料间。这些约束关系是无法脱离装配图来进行设计的。因此，在进行模具设计时，只有采取自顶向下的设计方法，变量装配设计才支持自顶向下的设计。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术变量装配设计也是实现动态装配设计的关键技术，所谓动态装配设计是指在设计变量、设计变量约束、装配约束驱动下的一种可变的装配设计。其中，设计变量定义产品功能要求和设计者意图的产品整体或其零部件的最基本的功能参数和形状参数。设计变量约束即设计约束或变量约束，设计变量和设计变量约束控制装配体中的零部件的形状。装配约束是通过三维几何约束自动确定装配体内各个零部件的配合关系，它确定了零部件的位置。这些设计变量、设计变量约束、几何约束都是可变化和控制的，是动态的。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术

修改装配设计产生的某些设计变量和约束，原装配设计将在所有约束的驱动下自动更新和维护，从而得到一个原设计没有概念变化的新的装配设计。动态设计过程是正向设计与反向设计相互结合的过程，正向设计是从概念设计到详细设计的自顶向下的设计过程，而反向设计是指对产品设计方案中一些不满意的地方提出要求或限制条件，通过约束求解对原方案进行设计修改的过程。变量装配设计把概念设计产生的设计变量和设计变量约束进行记录、表达、传播和解决冲突，以满足设计要求，使各阶段设计(主要是零件设计)在产品功能和设计意图的基础上进行，所有的工作都是在产品功能约束下进行和完成的。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术

(4)工程数据库

工程数据库是指能满足人们在工程活动中对数据处理要求的数据库。工程数据库是随着CAD/CAM/CAE/CAPP集成化软件的发展而发展的，这种集成化系统中所有功能模块的信息都是在一个统一的工程数据库下进行管理的。

工程数据库系统与传统的数据库系统有很大差别，主要表现在支持复杂数据类型、复杂数据结构，具有丰富的语义关联、数据模型动态定义与修改、版本管理能力及完善的用户接口等。它不但要能够处理常规的表格数据、曲线数据等，还必须能够处理图形数据。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术1.3.3模具CAD/CAM技术的优越性及特点

(1)模具CAD/CAM技术的优越性

模具CAD/CAM技术的优越性赋予了它无限的生命力，使其得以迅速发展和广泛应用。无论在提高生产率、改善质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，CAD/CAM技术的优越性是传统的模具设计与制造方法所不能比拟的。

模具CAD/CAM的优越性还可以列举很多，可以肯定这知识密集、更新速度快、综合性强、效益高的新技术最终将取代传统的模具设计与制造技术。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术(2)模具CAD/CAM技术的特点由于工业产品越来越复杂、更新换代速度越来越快，所以模CAD/CAM系统相对于其他CAD/CAM系统更复杂、功能更强大，具有如下特点。

a.产品几何模型是CAD/CAM的原始依据

b.模具CAD/CAM具有较强的数据管理能力

c.模具CAD/CAM系统必须能对数表、线图和公式进行程序化处理，建立程序库。

d.模具CAD/CAM系统应建有丰富的工艺数据滓上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术1.3.3CAD/CAM技术在模具行业中的应用及发展趋势

(1)CAD/CAM技术在模具行业中的应用

模具行业是最早采用CAD/CAM技术的行业。为适应产品生产呈现多品种、少批量，复杂、精密，更新换代速度快的变化特点，提高模具质量，缩短制模周期，随着计算机技术和制造技术的迅速发展，功能强大的专业软件和高效集成制造设备的出现，模具技术正由手工设计、依靠人工经验和常规机械加工技术向以计算机辅助设计(CAD)、数控切削加工、数控电加工为核心的计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术转变。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术

工业发达国家对模具CAD/CAM技术的开发和应用非常重视，早在20世纪60年代初期，国外一些飞机和汽车制造公司就开始了模具CAD/CAM的研究工作，投入了大量人力和物力。各大公司都先后建立了自己的模具CAD/CAM系统，并于20世纪80年代开始工业化应用，广泛用于冷冲模、锻模、挤压模、注塑模和压铸模的设计与制造，目前工业发达国家采用模具CAD/CAM技术的制造企业已占30%上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术

中国模具CAD/CAM技术的开发开始于20世纪70年代末，发展也十分迅速，但与工业发达国家相比还比较落后，有工业应用价值的模具CAD/CAM系统不多。为迅速改变中国模具工业的落后面貌，从20世纪90年代开始大力推广应用模具CAD/CAM技术，从国外引进了大量的CAD/CAM系统。目前已取得长足的进步。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术

(2)CAD/CAM的发展趋垫

CAD/CAM技术发展的趋势是集成化、智能化、标准化、微型化和网络化。

a.集成化20世纪80年代以来，计算机集成制造(ComputerIntegratedManufacture,CIM)技术已成为应用计算机技术在制造工业的主要发展方向。利用CIM技术建立的计算机集成制造系统(CIMS)，是通过计算机优化和控制产品的规划、设计、制造、检验、包装、运输、销售等各个环节，利用最小的制造和管理资源，最优地实现企业的发展目标，获得最大的总体效益。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术

计算机集成制造系统一般由技术信息系统(TIS)、制造自动化系统(MAS)和管理信息系统(MIS)组成。CAD/CAM系统为技术信息系统的主要部分。CIM的核心技术是集成，包括物理集成、信息集成和功能集成等方面的内容，其中信息集成是实现CIM的基础和关键。CAD/CAM系统集成主要有包含三层意思:①软件集成，扩充和完善一个CAD系统的功能，使一个产品设计过程和各级段都能在单一的CAD系统中完成;②CAD功能和CAM功能的集成;③建立企业的CIMS系统，实现企业的物理集成、信息集成和功能集成。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术b.智能化人工智能技术是通向设计制造自动化的重要途径。近年来，人工智能的应用主要集中在引入知识工程，发展专家系统。传统的CAD系统在产品设计、分析、计算与绘图等方面具有较好的应用，但对产品设计的整个生命周期却力不从心，特别在产品的概念设计阶段，从抽象到具体的实现极为困难，需要根据设计与制造人员丰富的经验与知识作出合理的判断与决策。人们将人工智能技术、知识工程和专家系统技术引入到CAD/CAM中，形成智能的CAD/CAM系统。抓家系统实质上是一种“知识+推理”的程序，是将人类专家的知识和经验结合在一起，使它具有逻辑推理和决策判断能力。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术c.

标准化CAD/CAM系统发展迅速，必须统一标准，否则会造成混乱的局面，给用户带来很大的麻烦。CAD/CAM软件的标准化是指图形软件的标准。图形标准是一组由基本图素与图形属性构成的通用标准图形系统。IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification，基本图形转换规范)，用于CAD系统之间交换数据。GKS(GraphicsKernelSystem，计算机图形核心系统)，建立应用程序与图形输入、输出设备的功能接口。PDES(ProductDataExchangeSpecification，产品数据交换规范)，是产品数据交换标准。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术d.

微型化CAD/CAM已经采用超级微型计算机。32位超级微型计算机在单机功能上将达到小型机和中型机的水平，多CPU并行处理时的功能将达到大型机的水平。以超级微机为基础的CAD/CAM系统不断增多，功能不断强大，性能已日趋成熟，并已开始广泛应用。上一页下一页返回1.3模具CAD/CAM系统的特点与关键技术e.

网络化微型计算机CAD/CAM系统发展的一条主要途径是网络化。计算机技术和通信技术相互渗透、密切结合产生了计算机网络。计算机网络将各自独立的、分布于各处的多台计算机通过通信线路相互连接起来，实现计算机之间相互通信，从而使资源能共享并能整体协同工作。由于微型机价格低廉，功能较强，可将多台微机工作站连成分布式CAD/CAM系统。分布式CAD/CAM系统结构灵活，功能强。在分布式系统中，客户/服务器(Client/Server)结构得到普遍采用，这种结构中，一台服务器可带动多台工作站，每台工作站可以独自使用，也可以联合使用。整个网络还可与大型、巨型机相连，以解决更复杂的问题。上一页返回图1-1CAD/CAM系统的工作过程返回图1-2CAD/CAM系统组成

返回图1-3模具CAD/CAE/CAM系统的硬件组成返回图1-4模具CAD/CAE/CAM系统软件层次图返回第二章模具CAD基本技术本章概述CAD/CAM技术的核心是计算机图形处理与建模技术，是进行计算机辅助设计与辅助制造的基础，本章将主要介绍计算机图形处理与建模技术的基本原理和方法。教学目标1.学习计算机图形处理技术。2.熟悉几何造型的特点3.掌握装配设计技术。第二章模具CAD基本技术2.1CAD系统的技术构成2.2计算机图形处理技术2.3

几何建模与特征建模2.4

装配设计技术2.5

模具CAD/CAM中的数据管理技术2.1

CAD系统的技术构成CAD系统一般是由许多功能模块组成的，各功能模块既相互独立工作，又相互传递信息，形成一个协调有序的系统，这些功能模块一般包括:a.图形处理模块。此模块专供用户进行零件的二维图形的设计、绘制、编辑以及零部件装配图的绘制、编辑。b.三维几何造型模块。此模块为用户提供一个准确、完整地描述和显示三维几何形状的方法和工具，它具有着色、消隐、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算等功能。下一页返回2.1

CAD系统的技术构成

c.计算机辅助工程模块。此模块包含许多各自独立的子模块，如有限元分析模块，优化方法模块等。利用有限元分析模块可以进行结构件的力学、动力学和温度场分析，流体的流行特征分析等;而优化方法模块是将优化技术用于工程设计，综合多种优化计算方法，求解设计模型。

d.数据库模块。此模块执行对CAD系统进行数据处理与管理的功能。在利用CAD系统进行产品设计的过程中，会产生大量的数据，也需对这些数据进行一些计算处理。这些数据中有静态的数据，如标准设计数据、标准图形文件等;也有动态的数据，如设计过程中的数据。对这些数据如何描述，如何管理，就是此模块的范畴。上一页下一页返回2.1

CAD系统的技术构成e.装配模块。装配模块可以完成从零件到部件或产品总成的三维装配，并可以建立产品结构的完整信息模型和产品的明细表，同时还可通过装配进行干涉检查(静态干涉检查)。f.机构动态仿真模块。此模块可根据机构的装配结构，求出各构件的重心、质量、惯性矩等物理特性，并可设定各构件的运动规律和参数，进行各类机构运动的仿真计算，并用三维真实感图形显示机构运动状态和运动干涉检查。

g.用户编程模块。它包括用户编程语言和图形库等。可以利用系统的此模块对CAD系统进行二次开发，提高CAD系统的用户化程序，充分发挥系统的性能和提高使用效率。上一页下一页返回2.1

CAD系统的技术构成

对不同的用户，所使用模块的侧重点不同，例如，对于使用CAD系统进行产品设计人员而言，他们的任务是如何利用CAD将产品快速合理设计出来，则其关心的重点是图形处理模块、三维几何造型模块、装配模块、计算机辅助工程模块、机构动态仿真模块的使用;而对于CAD系统的开发人员他们的关心重点是数据库模块、用户编程模块的开发使用，即进行CAD系统的二次开发。本课题从使用CAD系统角度出发，重点论述三维造型方法。上一页返回2.2计算机图形处理技术计算机图形处理技术是CAD/CAM的重要组成部分。其发展有力地推动了CAD/CAM的研究与发展，为CAD/CAM提供了高效的工具和手段;而CAD/CAM的发展又不断对其提出新的要求与设想，因此，CAD/CAM的发展与计算机图形处理技术之间有着密不可分的联系。2.2.1图形处理的概念及分类计算机图形处理是利用计算机的高速运算能力和实时显示能力来处理大量的图形信息。它包含图形信息的输入、输出、显示，图形的生成、变换、编辑、识别，图形之间的运算与交互式绘图等多方面的内容。下一页返回2.2计算机图形处理技术依据绘图设备的不同，计算机图形处理的方法可分为矢量法与描点法两种，分别与图形处理和图像处理相对应。在矢量法中，任何形状的曲线都是可以用首尾相连的直线逼近。绘图仪就是一种典型的矢量输出设备。描点法主要用于光栅扫描显示器中，它把显示器的屏幕分为有限多个离散点(称为像素)，每个离散点可有多种颜色，这样由像素组成的阵列便可描述不同的图像。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

计算机图形处理系统按其工作方式可分为静态自动图形处理系统和动态交互绘图系统两种类型。静态自动图形处理系统是将图形编成绘图程序的系统，在绘图过程中不允许人工干预和修改。如果绘出的图形不符合要求，则需要手工在图纸上改动或是修改绘图程序。这种系统多用于设计图形比较成熟或对图形要求不严格、不需要对图形进行修改的情况。而对交互式CAD/CAM系统，尤其是对于新产品的设计，需要在设计过程中反复分析、计算、修改，则应采用动态交互式绘图系统来实现图形设计的实时编辑。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术2.2.2计算机图形处理系统的组成计算机图形处理系统由硬件和软件组成。硬件部分由计算机主机、外存储器(软盘、硬盘、光盘、磁带等)、输入设备(键盘、数字化仪、鼠标等)和输出设备(图形显示器、绘图仪等)组成。软件部分由图形软件、应用数据库及图形库、应用程序组成。图形软件通常分为三种:基本绘图指令软件、图形支撑软件和专用图形软件。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术2.2.3计算机图形处理技术与算法计算机图形处理相当复杂，涉及的许多技术与算法，概括起来，大致可分为图形生成技术、图形编辑技术、真实图形技术、虚拟现实技术以及科学计算的可视化技术等内容。下面主要介绍前面两种技术与算法。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

1.图形生成技术与算法

(1)基于图形设备的基本图形元素的生成算法如光栅显示器生成直线、圆弧、规则曲线、封闭区域填充等。直线的生成常用DDA(DigitalDifferentialAnalyzer)法或Bresenham法，即根据直线的微分方程或斜率求解并绘制直线。(2)曲线曲面的生成方法一般规则曲线、曲面可按其参数方程生成。自由曲线曲面则需要由不规则的、离散数据加以构造，通常采用插值运算或曲线拟合法。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

(3)布尔运算是几何建模中的核心算法，通过求交、并、差等运算将基本的几何体拼合成所需的任意复杂的物体。布尔运算的基础是几何运算。

(4)不同字体中、西文点阵表示以及矢量字符的生成中国制订了汉字代码的国家标准字符集。为了在终端显示器或绘图仪上输出字符，系统中必须装备相应的字符库。字符库中存储了每个字符的形状信息，分矢量型和点阵型两种。矢量型字符库采用矢量代码序列表示字符的各笔画，如AutoCAD中的图形文件定义的字符。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

2.图形的编辑修改技术和算法

(1)图形裁剪由窗口观察图形，会产生这样的问题，即有哪些图形位于窗口之内，哪些图形位于窗口之外。在图形显示、输出时，位于窗口之内的图形可见;位于窗口之外的图形要被裁剪掉，为不可见。裁剪的对象是各类图形元素，如点、线段、曲线、多边形以及字符等。图形裁剪常用的算法有编码算法、矢量线段裁剪法、中点分割法。在裁剪对象中，点和直线是最基本的。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

(2)图形变换图形变换包括图形的比例缩放、对称变换、错切变换、旋转变换、平衡变换等内容。2.2.4图形变换对于计算机图形处理系统来说，不仅能用图形基元素的集合构成复杂的二维静态图形，而且还可以通过三维的几何体来定义零件的空间模型，并能使之围绕任一指定的轴旋转，以便从某一最有利的角度去观察它，对它进行修改。软件的这些功能是指基于图形变换的原理实现的，而图形变换是计算机图形处理的基本内容之一。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

1.窗口、视区变换(1)窗口与视区的概念窗口是用户图形域的一部分，它的作用是把用户最感兴趣的那部分图形取出，放在屏幕上或在屏幕的某一指定区域中显示出来。在二维图形中，窗口通常被定义为一矩形区域，它的大小和位置在用户坐标中用4个变量表示(如图2一3所示)。这4个变量分别表示窗口下角的坐标(W1，W3)和右上角点的坐标(W2，W4)。在矩形区域内的图形，计算机图形处理系统认为是可见的，而在矩形区域外的图形则被认为是不可见的。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

视区是一个与设备密切相关的概念，是指将窗口内的图形全部或部分地复制到图形输出设备上，如显示屏、绘图仪等。视区在屏幕上的显示大小与位置可通过4个变量(V1,V3)和(V2,V4)来表示，如图2一3所示。在计算机绘图过程中，显示屏上可以分布多个视区，以便从不同的角度去观察图形。窗口与视区可以多层嵌套，还可定义为圆形、多边形或其他异形窗口。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

(2)窗口、视区变换视区的图形是从窗口内的图形复制来的，但两者的比例在绝大多数情况下是不相等的。要想准确地控制两者之间的大小关系，必须进行坐标变换。图2-4所示为窗口与视区交换示意，按照比例关系可以推导出上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术由上式可看出:a.视区不变，窗口缩小或放大时，显示的图形也相应放大或缩小;b.窗口不变，视区缩小或放大时，显示的图形也相应缩小或放大;c.视区纵横比不等于窗口的纵横比时，显示的图形也会有伸缩变化;d.窗口与视区的大小相同且坐标原点也相同时，显示的图形大小不变。可见，采用窗口技术可选取整体图形中的部分图形来进行处理，但要将窗口内的图形正确无误地从整体图中分离出来，还需应用图形的裁剪技术，即对落在窗口边框上的图形进行裁剪，仅保留窗口内的图形。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

2.二维图形的几何变换在二维平面中，任何图形都可以认为是点的集合，图形变换的实质就是在保持坐标系不变的情况下改变组成图形的点的坐标值。(1)基本变换原理在二维空间，一个点通常是用两个坐标(x,y)来表示，写成矩阵形式为[x,y]或。在计算机图形处理过程中，点的坐标变换是通过变换矩阵来实现的。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术设变换矩阵,将点的[xy]与变换矩阵相乘，变

换后点的坐标记作[x’,y’]，有变换后新点的坐标为（Ax+Cy,Bx+Dy),其位置取决于变量A、B、C、D的值。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术(2)基本变换类型二维图形的几何变换主要有比例变换、对称变换、错切变换、旋转变换和平移变换等几种基本类型。①比例变换当B=C=O，且A、D>0时，即

时，产生比例变换。a.恒等变换。当A=D=1时，[x’y’]=[xy]。这是比例变换的特例。b.位似变换。当A=D时，[x'y']=[AxAy]，即以相同的比例因子在X,Y两个坐标方向进行缩放。这也是比例变换的特殊情况。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术c.放大变换。当A,D>1时，[x'y'}=[AxDy]>[xY]d.缩小变换。当A,D<1时，[x'y'}=[AxDy]<[xY]e.不等比变换。当A不等于D时，图形在X,Y两处方向以不同的比例变换。②对称变换(反射变换、镜像变换)。当B=C=O，且A,D不全为正时，产生对称变换。a.关于Y轴的对称变换。A=一1,D=1时，b.关于X轴的对称变换。A=1,D=一1时，上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术c.关于原点对称变换。A=-1,D=-1时，

③错切变换。当A=D=1,B,C不全为0时，产生错切变换。错切变换又可分为下面几种。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术④旋转变换。当时，

时，产生绕坐标原点(0,0)旋转角度的变换。旋转角逆时针方向为正，顺时针方向为负。

⑤平移变换。动用2x2阶变换矩阵不能实现平移，计算机图形处理系统是通过齐次坐标来解决这一问题的。所谓齐次坐标是将一个n维分向量用n+1维的分向量来表示，因此，平移变换需要3x3阶矩阵，其变换矩阵M为上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

(3)组合变换上面提及的变换方式都是一些特殊的情况，而通常情况下，计算机图形处理面临的图形是按任意的、不定的方式进行变换。解决这个问题的思路是将图形连续地进行多次基本变换，即进行所谓的组合变换。组合变换的矩阵也是由几个基本变换的矩阵按顺序相乘而得到。在进行组合变换时，变换顺序十分重要。如图2一5(a)所示的三角形，若先将其沿坐标原点旋转900，然后平移M=l0,N=0，变换后得到的图形如图2一5(c)所示。若将顺序颠倒过来，即先平移后旋转，则会得到如图2一5(b)所示的图形。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

3.三维图形的几何变换三维图形的几何变换是二维图形几何变换的简单扩展。对三维空间的点(x,y,z)，可用齐次坐标表示为(x,y,z,l)。因此三维空间几何图形变换矩阵M为4x4阶矩阵，即此矩阵可分为四部分，其中左上角部分产生三维比例、对称、错切和旋转变换;左下角部分产生平移交换;右上角部分产生透视变换;右下角部分产生全比例变换。三维空间几何图形变换后的点坐标可表示成上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术(1)平移变换将某点P(x,y,z)平移到新的位置P‘(x’，y‘，z’)的变换公式为

其中，L,M,N分别为X,Y,Z坐标轴上的平移量。(2)比例变换三维图形比例变换的公式为上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术上式中A,E,J分别控制图形在X,Y,Z坐标轴上的比例因子。若A=E=H=1,S不等于1，则S可使整个图形按同一比例放大或缩小。(3)对称变换下面介绍三维图形关于坐标平面对称变换的情况。①关于XY平面的对称变换，其变换矩阵为上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术②关于YZ平面的对称变换，其变换矩阵为③关于ZX平面的对称变换，其变换矩阵为上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

(4)错切变换与二维图形类似，三维错切变换是指图形是按X,Y,Z三个方向同时错切变换。其变换矩阵为(5)旋转变换①绕Z轴旋转的变换矩阵，其变换矩阵为上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术②绕X轴旋转的变换矩阵，其变换矩阵为③绕Y轴旋转的变换矩阵，其变换矩阵为上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

(6)投影变换目前大多数CAD/CAM软件都具有根据三维图形生成工程图的功能。工程图中的各向视图也是通过变换矩阵而得，这种变换称为三面投影变换。下面介绍三种视图变换矩阵。①主视图的变换矩阵。取XY平面上的投影为主视图，只需将三维图形的全部Z坐标变为零，其变换矩阵为上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

②俯视图的变换矩阵。取XZ平面上的投影并展开与XY平面为同一个平面，为使俯视图与主视图间保持一定的距离，还应将其下移一个d值。因此，俯视图的矩阵实际上是一个投影、绕X轴旋转90°、沿Y方向平移得到的一个复合矩阵，即上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术③左视图的变换矩阵。与俯视图变换矩阵一样，左视图的变换矩阵也是一个复合矩阵，由一个投影矩阵、绕Y轴旋转90°矩阵和沿X方向平移矩阵复合而成，即上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

(7)透视变换在三维空间里，当以视点为投影中心，将三维物体投影于某投影平面时，便在该平面内产生三维物体的像，这就是透视投影，又称中心投影。图2一6所示为透视投影示意。水平面A上有一个正方形abcd，在视点。与物体之间用一不通过。点的平面B切断视线，在平面B上所载得的图形a'b’c’d’即为透视变换所形成的像，平面B称为像平面。在透视投影图中，图形的大小与相互间的关系并不一定与原图完全一致。如原图中ad=be，由于be离视点较远，在透视图中b'c'<a'd'。除此之外，原来相互平行的ab与dc，在透视图中不再平行，而是两者的延长线可以相交于一点，该点称为消失点或灭点。当灭点位于坐标轴上时，称为主灭点。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术2.2.5参数化与变量化绘图一个新型产品，从设计到定型，往往要经历反复的修改和优化;定型之后，还要针对不同的规格形成系列产品。这些都需要产品的设计图形能够随着结构尺寸的修改或规格系列的变化而自动生成。而早期的CAD系统设计出的工程图纸仅仅只是基本的几何图素的拼接，并没有包含图形内在的拓扑关系和尺寸约束，因而不能随意修改。近年来出现的参数化与变量化绘图可以有效地解决这一矛盾。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

1.参数化与变量化绘图的基本概念参数化绘图是指设计图形的拓扑关系不变，尺寸形状由一组参数进行约束。图2一8(a)所示为一图形参数化模型，它定义了各部分尺寸的参数变量名。通过修改参数变量值，可以得到如图2一8(b)所示的各种情况。因此，参数与图形的控制尺寸是一种显示的对应关系，不同的参数变量值驱动产生大小不同的几何形状。

变量化绘图是指设计图形的修改自由度不仅包括尺寸形状参数，而且还包括拓扑关系，甚至工程计算条件，修改余地更大，可变元素更多，设计结果受到一组约束议程的控制与驱动。因此，参数化绘图与变量化绘图在本质上是一致的，都是在约束的基础上驱动产生新的图形，不同的仅仅是约束自由度的范围。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

2.参数化绘图的实现方法(1)建立几何拓扑模型是参数化绘图的前提。根据设计图形的要求，利用CAD系统的草图器(Sketch)绘制草图并加以约束，建立几何拓扑模型。一些基于参数化设计的CAD/CAM软件，如Pro/Engineer。和UGII等，都提供了十分方.便的草图绘制工具。(2)进行参数化标注在几何拓扑模型的基础上，分析其结构特点和控制尺寸，标注参数变量。参数变量的值可以根据需要确定，也可以用默认值。但要注意的是，参数标注应与工程图纸上的标注一致。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术

(3)推导参数表达式模型中的一些参数往往并不是独立的，经常会有一些关联，当其中一些参数发生变化时，另外一些参数也会随之一起变化。建立参数之间的表达式，可以有效地减少参数变量。

(4)编制程序将以上的分析结果编制成计算机程序，以备后用。3.变量化绘图的实现方法目前，实现变量化绘图的方法归纳起来主要有下面几种:整体求解法、局部求解法、几何推理法和辅助线求解法。上一页下一页返回2.2计算机图形处理技术2.2.6交互式绘图交互式设计是CAD的主要形式，它是指设计人员将设计构思输入系统，系统对构思加以描述、整理输出给技术人员;技术人员进行修改、补充后再输入到计算机，再由系统进行分析、判断，将结果输出;如此循环往复，直到设计满意为止的全过程。显然交互式设计需要交互式绘图系统的支撑环境，交互式绘图的过程可以分解为一系列基本操作，每个基本操作都可以完成一些特定的任务，归纳起来主要有定位、定量、选择、拾取和文本等五项任务。许多图形软件如AutoCAD都是交互式绘图软件。上一页返回2.3几何建模与特征建模

几何造型(又称几何建模)技术是20世纪70年代中期发展起来的一种通过刘算机表示、控制、分析和输出几何实体的技术，其实质就是以计算机能够理解的方式，对物体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再用一定的数拒结构形式对所定义的物体加以描述，从而在计算机内部构造出物体的模型。几何造型是CAD/CAM系统中的基础技术，几何模型是设计与制造的原始依据。几何造型过程中，对物体的描述和表达包含几何信息和拓扑信息两方面的内容。几何信息是指物体的形状及属性(如颜色、纹理等);拓扑信息则是指构成物体的各分量的数目及相互之间的连接关系。下一页返回2.3几何建模与特征建模

根据造型空间的不同，可将几何造型分为二维造型和三维造型两类。按照对几何信息与拓扑信息的描述及存储方法的不同，三维几何造型又可分为线框造型、曲面造型和实体造型。随着CAD/CAM集成化程度的提高，对产品进行描述的工程信息量也越来越大，几何造型技术已经很难满足这种需要，因而在几何造型的基础之上，近年来又出现了一种新的造型技术—特征造型(又称特征建模)。目前，一些高档的商用CAD/CAM软件系统，如I一DEAs,UGB,Pro/Engineer等，都是基于特征造型的基础上开发出来的。下面主要介绍三维几何造型与特征造型。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模2.3.1线框造型

1.线框造型《WireframeModeling)的原理线框造型是CAD/CAM发展过程中应用最早，也是最为简单的一种造型方法。20世纪60年代，最初出现的线框造型技术仅仅局限在二维平面，用户需要逐点、逐线地构造模型，其目的是用计算机取代手工绘图。随着计算机图形变换理论的发展，三维线框造型系统才迅速发展起来。三维线框造型通过基本线素来定义产品的棱线部分而构成立体框架图。用这种方法生成的模型是由一系列的直线、圆弧、点以及自由曲线组成。关于线框模型的几何信息和拓扑信息的数据在计算机内部是以表结构的形式处理和存储的。如图2一9所示，线框模型的各元素按体、边、点的层次结构清晰地顺序排列。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

2.线框造型的特点从图2一9所示的数据结构可以看出，线框模型的边与边之间没有关系，即没有构成面的信息。因此，线框模型不存在内外表面的区别，甚至在有些情况下，还会出现由于信息不完整而使图形存在多义性的可能，如图2一10所示。线框造型的优势在于因信息量少而使数据运算简单，所占存储空间小，并且对计算机硬件需求不高，容易掌握，处理时间短，具有‘良好的时间响应特性。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模2.3.2曲面造型曲面造型(SurfaceModeling)也称为表面造型，是通过对物体的各种表面或曲面进行描述的一种三维造型方法。曲面造型是CAD和计算机图形学中最活跃、最关键的学科之一，主要适用于表面不能用简单的数学模型进行描述的复杂物体型面，如汽车、飞机、船舶、水利机械和家用电器等产品的外观设计以及地形地貌、石油分布、山脉、云彩等物体的形状模拟。同样，曲面造型在模具CAD中起着举足轻重的作用，如在复杂塑料产品的造型、分型面的设计、开模等，都离不开曲面造型的应用。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

1.曲面造型的原理曲面造型时，先将复杂的外表面分解成为若干个组成面，然后根据一块块组成面定义出基本面素，最后利用合并、连接、修剪和延伸等方式将各基本面素拼接出物体表面，如图2一11所示。在计算机内部，曲面造型的数据结构仍为表结构，除了线框造型中的点表与边表之外，曲面造型的数据还提供了面素。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

2.曲面造型中的基本面素(1)平面(Plan)用三点定义一个平面，常用作剖切面，如模具开模时的分型面。图2一12(a)所示的图形即为平面。

(2)规则面(Ruledsurface)是指引导线为两条空间曲线，母线为直线，其端点必须沿引导线移动的曲面，如图2一12(b)所示。

(3)旋转面(Surfaceofrevolution)利用空间一条平面曲线绕与其不相交的任意空间轴线旋转而形成的曲面为旋转面，如图2一12(c)所示。

(4)柱状面(Tabualatedcylinder)将一平面曲线沿一垂直于该面方向移动某一距离而生成的曲面，如图2一12(d)所示。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

(5)贝赛尔(Bezier)曲面1962年，法国雷诺汽车公司的贝赛尔提出了以他自己名字命名的曲线、曲面造型方法，是一组空间输入点的近似曲面，并不一定通过点，不具备局部控制的功能。如图2一12(e)所示，定义的点并不全在曲面上。

(6)B样条曲面也是由一组输入点拟合的曲面，可以进行局部控制，如图2-12(f)所示。(7)(昆氏(Coons)曲面由封闭的边界曲线组成的曲面，如图2-12(g)所示。(8)圆角面(Filletsulfate)为两曲面间的过渡曲面，性质是B样条曲面，如图2一12(h)所示。(9)等距离面(OffsetSurface)形状相同而尺寸不同的一组曲面，如图2一12(i)所示。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

3.曲面造型的特点由于曲面造型增加了面素的信息，因而在提供三维实体的信息的完整性、严密性方面比线框造型更进了一步。曲面造型克服了线框造型的许多缺点，并且能够比较完整地定义三维立体的表面，所能描述的内容范围广。曲面造型可以实现消隐、着色、表面积计算、曲面求交、刀具轨迹生成及有限元网格划分等功能。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模2.3.3实体造型

1.实体造型《SoldModeling)的原理实体造型是20世纪70年代后期逐渐发展完善起来的一种造型技术。实体造型的标志就是在计算机内部，以实体描述物体，它记录了实体全部的点、线、面、体的拓扑信息，是当代CAD技术发展的主流。由于该种造型方法可方便实现实体的消隐、剖切、有限元网格划分、数控加工刀具轨迹生成，并且具有‘着色、光照、纹理处理等功能，所以它在CAD/CAM领域以外也有广泛的应用，如广告、动画等。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模实体造型是利用一些体素通过布尔运算生成复杂形体的一种造型技术。其主要内容包含体素定义与描述和体素之间的布尔运算。体素的定义与描述有两种方法:一种为基本体素法;另一种为扫描法。基本体素如长方体、圆柱体，球体、锥体、圆环体等,如图2一13所示。由于这些体素形状简单，因而只需通过少量参数进行描述。如长方体通过长、宽、高、基点和方向来定义。复杂程度较高的零件可用多个基本体素进行布尔运算。布尔运算是一种集合运算方式，通过集合运算将两个或两个以上的实体生成新的实体—布尔模型(BooleanModel)。布尔运算有求并集、求交集和求差集三种运算方式。图2一14所示为基本体素的布尔运算示意。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

扫描法是一种与二维系统密切结合的、常用于棱柱体或旋转体生成的一种实体生成方法。扫描方式运用该方法生成实体需要两个条件:一个是扫描截面;一个是扫描路径。根据扫描路径可将扫描分为平移扫描和旋转扫描两种方式，如图2一15所示。通过扫描变换可以生成某些用基本体素法难于定义和描述的物体模型。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

2.三维实体造型在计算机内部的表示方式

(1)边界表示法(B-Rep,BoundryRepresentat,ion)简称B一Rep法，首先在欧洲发展起来，并成为很多系统的基础。这些系统的基本设想是把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间，封闭边界用面的子集来表示，而每一个面又将通过边、边通过点、点通过三个坐标值来定义。因此，边界表示法强调的是形体外表的细节，详细记录了构成几何形体的所有几何信息和拓扑信息，其模型中的数据结构呈网状结构，如图2一16所示。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

(2)构造立体几何法(ConstructiveSolidGeometry)构造立体几何法简称CSG法，它不是通过边界平面和边界线来定义实体，而是通过基本体素进行布尔运算来表示，所以该方法又称为体素构造法。这里要注意的是，一个物体可以通过不同的CSG结构来描述，如图2一16中的物体就有图2一18所示两种情况。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

(3)混合模式(HybridModel)为B-Rep与CSG两种方法的结合起来使用。虽然目前还没有清楚的界线将混合模式与纯B-Rep法或纯CSG法区分开来，但这种方法在CAD/CAM系统中却应用广泛。

上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模综前所述，B-Rep法侧重于面、边界，因此在图形处理上有明显的优点，尤其是探讨物体详细的几何信息时，边界表示法的数据模型可以较快地生成面线框模型或面模型。CSG法则强调过程，在整体形状定义方面精确、严格，然而不具备构成物体的各个面、边界、点的拓扑关系，其数据结构简单，无论是存储的数据量，还是程序量，CSG法均比B-Rep法简洁。所以有人在B-Rep法和CSG法的基础之上提出了一个新的设想，即在原来CSG树的结点上再扩充一级边界数据结构(如图2-20所示)，以便达到实现快速显示图形的目的。因此，混合模式可以理解为是在CSG系统基础上的一种逻辑扩展。在这种混合模式中，起主导作用的数据结构仍是CSG的二叉树结构，所以边界表示法中有一些优点，如便于局部修改等，在混合模式中仍然无济于事，而CSG法的所有特点则完全被继承在这种模式中。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

3.实体造型的发展趋势随着CAD/CAM技术的应用范围不断扩大，实体造型技术也在不断发展。近几年关于三维实体在计算机内表达方法上有如下几种发展趋势。a.采用混合模式，如混合使用线框造型、曲面造型、实体造型，在实体造型又混合使用B-Rep法和CSG法;b.以精确表示形式存储曲面、实体模型;c.引入参数化、变量化的造型方法，以便产品设计过程中的修改;d.采用特征造型，实现CAD/CAM系统集成。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模2.3.4特征造型特征造型被誉为CAD/CAM技术发展史上新的里程碑，它的出现和发展为解决CAD/CAPP/CAM集成提供了一种新的理论基础和方法。

1.特征的定义特征是一个综合概念，它作为“产品开发过程中的各种信息载体”，一方面包含了实体的几何信息和拓扑信息，另一方面还包含了产品在设计与制造过程的非几何信息，如材料信息、尺寸信息、形位公差信息、热处理信息、表面粗糙度信息和刀具信息等。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

2.特征造型的框架特征造型通常由形状特征、精度特征、材料特征等组成。特征造型的框架结构如图2一21所示。其中，形状特征、精度特征和材料特征分别对应各自的特征库，从中获取特征描述信息。产品的数据库就建立在这些特征库的基础上，系统与数据库之间实现双向交流。造型后产品信息送入到产品数据库，并随着造型过程而不断修改，而造型过程中所需的参数则从库中查询。形状特征是描述产品的最基本特征，是特征造型的核心和基础。因此目前关于特征的分类方法大都是以形状特征为主进行的。常见的形状特征类型如图2一22所示。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

3.特征表达及数据结构特征表达主要有两方面内容:一是表达几何形状的信息，一是表示属性或非几何信息。根据几何形状的信息和属性在数据结构中的关系，可分为集成表达和分离表达两种特征表达模式。前者是将属性信息与几何形状信息集成地表达在同一内部数据结构中，而后者是指将属性信息表达在与几何形状信息分离的外部结构中。上一页下一页返回2.3几何建模与特征建模

4.特征造型的特点

a.特征造型使产品的设计工作不只是停留在底层的几何信息与拓扑信息上，而是建立在起点比较高的功能模型上。特征的引用不仅直接体现了设计意图，而且直接对应着加工方法.b.特征造型以计算机能够理解的和能够处理的统一产品模型代替传统的产品设计、工艺设计等，它使得产品设计与原来后续的各个环节并行展开，系统内部信息共享，实现了真正意义上的CAD/CAPP/CAM集成，且支持并行工程。c.有利于实现产品设计、制造方法的标准化、系列化、规范化，使得产品在设计时就考虑加工、制造要求，保证产品有较好的工艺性，可制造性，从而降低产品的成本。上一页返回2.4

装配设计技术

装配是整个机械制造过程的后期工作，将各种零部件经过正确的组织、定位以形成最终的产品。如何将零件装配成产品并达到所要求的设计装配精度，这是装配过程中所要解决的问题。在CIMS环境下，计算机辅助装配技术不仅能够提供指导装配操作的技术文件，并为扩大CAD/CAPP/CAM的集成范围提供了条件。另外，计算机辅助装配技术还能及时向产品设计的CAD系统反馈装配过程中的各种信息，便于用户详细地了解装配过程的每一个细节，满足并行工程的需要。下一页返回2.4

装配设计技术

CAD系统提供的装配功能不仅能快速组合零部件成产品，而且在装配中，可参照其他部件进行部件关联设计，并可对装配模型进行间隙分析、质量管理等操作。装配模型生成后，可建立爆炸视图，并可将其引入到装配工程图中;同时，在装配工程图中可自动产生装配明细表。本节主要介绍一般CAD系统中基本装配造型的实现及使用方法。上一页下一页返回2.4

装配设计技术

2.4.1装配模型一个复杂产品可以看成由多个部件组成，每个部件又可根据复杂程度的不同继续划分为下一级的子部件，以此类推，直至零件。这就是对产品的一种层次描述，采用这种描述可以为产品的设计、制造和装配带来很大的方便。同样地，产品的计算机装配模型也可以表示成这种层次关系，如图2一25所示。上一页下一页返回2.4

装配设计技术

1.部件组成装配的基本单元叫部件(Component)。一个装配是由一系列部件按照一定的约束关系组合在一起的。部件是一个包封的概念，一个部件可以包含一个零件或一个子装配，甚至可以什么都不包含，也就是空部件。部件可以任意嵌套。部件既可以在当前的装配文件中创建，也可以在外部装配模型文件中创建，然后引用到当前文件中来。

2.根部件根部件(Rootcomponent)是装配模型的最顶层结构，也是装配模型的图形文件名。当创建一个新装配模型文件时，根部件就自动产生，此后引入该图形文件的任何零件都会跟在该根部件之后。注意，根部件不是一个具体零部件，而是一个装配体的总称。上一页下一页返回2.4

装配设计技术

3.基部件基部件(Basecomponent)是放到装配中的第一个部件，它和零件造型中的基特征非常相似。基部件不能被删除或者禁止，不能被阵列，也不能变成附加部件。它是装配模型的最上层部件，其后引用的各个零部件在装配树中都要依次向后排列。基部件在装配模型中的自由度为零，无须施加任何装配约束。因此，在装配模型中，它是默认不动的。

4.子装配子装配(Subassembly)本身也是装配。子装配是由一系列零件装配而形成的附属大于装配体的一种较小的装配体，它是装配模型中逻辑上附属于上层体系的一种零件组。在更高一层的装配中，它将作为一个部件被装配。合理地使用子装配对于大型装配有重要意义。上一页下一页返回2.4

装配设计技术

5.装配树所有的部件添加在基部件上面，形成一个树状的结构叫做装配树。整个装配建模的过程可以看成是这棵装配树的生长过程，即从树根开始，生长出一个一个的子树枝(部件)，每个子树枝再生长出子树枝(子部件)，直至最后长出叶子(零件)。这样，在一棵装配树中就记录了零部件之间的全部结构关系，以及零部件之间的装配约束关系。用户可以从装配树中选取装配部件，或者改变装配部件之间的关系。6.部件样本在实际的设计中，一个零件有可能在装配模型中使用多次，这时可以对该零件制作多个拷贝，这样的拷贝被称为部件样本(Instance)，习惯上把部件样本的使用称为部件引用。上一页下一页返回2.4

装配设计技术

2.4.2装配约束参数化的装配造型根据实际的装配过程建立不同部件之间的相对位置关系。一般通过装配约束、装配尺寸和装配关系式等手段将部件组织到装配中。装配约束是最重要的装配参数。有些系统把约束和尺寸共同参与装配的操作也归人装配约束。组件在装配过程中的定位有两种情况，即绝对定位与约束关系定位。前者是指按用户给定的位置来装配组件，与其他组件的位置没有关系。后者是指根据设计意图，通过指定新增加组件与已有组件的位置约束关系定位。通过约束关系定位实际上就是限制组件在装配中的自由度。上一页下一页返回2.4

装配设计技术

1.零件自由度分析刚体零件的运动自由度DOF(DegreeofFreedom)描述了零件运动的灵活性，自由度越大，零件运动越灵活。三维空间中一个自由零件的自由度是6个，即3个绕坐标轴的转动和3个沿坐标轴的移动，此时，该零件能够运动到空间的任何位置.上一页下一页返回2.4

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2.装配约束类型在装配造型中经常使用的装配约束类型有下面几类:(1)贴合贴合约束是最常用的装配约束，它可以对所有类型的物体进行定位安装。使用贴合约束可以使一个零件上的点、线、面与另一个零件上的点、线、面贴合在一起。使用该装配类型时要求两个对象同类，例如，对于平面对象，它们共面且法线方向相反，如图2一27(a)所示;对于圆锥面，要求角度相等，并对齐其轴线，如图2一27(b)所示。上一页下一页返回2.4

装配设计技术

(2)对齐使用对齐约束可以使两个零件产生共面或共线位置关系。当对齐平面时，使两个表面共面且法线方向相同，如图2一28(a)所示;当对齐圆柱、圆锥和圆环等对称实体时是使其轴线相一致，如图2一28(b)所示;当对齐边缘和线时，是使两者共线。

(3)角度该装配约束类型是在两个对象间定义角度尺寸，用于约束相配组件到正确的方位上。角度约束可以在两个具有方向矢量的对象间产生，角度是两个方向矢量的夹角。这种约束允许配对不同类型的对象，例如可以在面和边缘之间指定一个角度约束。上一页下一页返回2.4

装配设计技术

(4)平行使用平行约束可以使两个零件上指定的线或