第4章+CADCAM建模技术及产品数据模型.ppt

1、第4章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型,基本概念 几何建模技术 特征建模技术 集成产品数据模型及数据交换接口,第1节 基本概念,计算机内部表示及建模技术 建模的方法及其发展,一、计算机内部表示及建模技术,计算机内部表示： 决定在计算机内部采用什么样的数字化模型来描述、存储和表达现实世界中的物体。 CAD/CAM建模技术： 研究产品数据模型在计算机内部的建立方法、过程及采用的数据结构和算法。 建模过程：想象模型、信息模型、存储模型,二、 建模的方法及其发展,建模方法： 几何建模、特征建模、全生命周期建模 产品信息数据模型： 几何模型（二维、三维线框、曲面、实体）、特征模型、集成产品模型、智

2、能模型及生物模型等 建模方法的发展 几何建模 特征建模概念的提出,1、几何建模的定义,几何建模方法 物体的描述和表达是建立在几何信息和拓朴信息处理基础上的。 几何信息 物体在欧氏空间中的形状、位置和大小； 拓朴信息 物体各分量的数目及其相互间的连接关系。,几何信息的二义性,必须同时给出几何信息和拓扑信息,拓扑信息的描述,视具体要求不同选择不同的拓扑描述方法。,几何建模技术研究内容,主要研究课题： 现实世界中物体的描述方法 三维实体建模中的各种计算机内部表达模式 发展一些关键算法 几何建模系统的某些重要应用,2、特征建模的概念的提出,几何模型 信息无明显的功能、结构及工程含义，提取、识别工程信息

3、困难。 特征（Feature） 是一种集成对象，包含丰富的工程语义，在更高层次上表达产品的功能和形状信息。 不同的设计阶段和应用领域有不同的特征定义： 功能特征、加工特征、形状特征、精度特征,第2节 几何建模技术,几何建模系统分类 三维几何建模技术 三维实体模型计算机内部表示法,几何建模系统分类,二维几何建模系统 三维几何建模系统,二维几何建模系统,类型 边式：只描述轮廓边，通过不同类型轮廓边的相互顺序实现绘图目的。 面式：将封闭轮廓边包围的范围定义成平面，作为整体来处理。 适用范围： 计算机辅助绘图、回转体零件数控编程 弱点： 零件的各个视图是相互独立产生的，无整体信息模型，当一个视图改变时

4、，其它视图不可能自动改变。,三维几何建模系统,三维建模类型： 线框建模、表面建模、实体建模,三维几何建模技术,线框建模 曲面建模 实体建模,三维线框模型的几何元素及存储结构,基本几何元素： 点、直线、圆弧和某些二次曲线 计算机内部描述： 边表、点表,三维线框模型,特点： 数据结构简单、对硬件要求不高、显示响应速度快等优点 不存在内外表面的区别，信息不完整，存在多义性。不能自动进行可见性检验及消隐。 适用于： 实时仿真、在实体建模的CAD系统显示中间结果。,线框模型向曲面和实体模型的转换,从平面投影的三视图自动构成三维实体 自底向上重构法 基本模型引导的重构算法 自顶向下的重构法 在三维线框上通

5、过蒙皮构成实体 原理：同三维视图重构法，但它关心的是如何将点和边构成环。 几何法、拓扑法,曲面建模/表面建模,定义： 是通过对物体的各种表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。 适用： 表面不能用简单的数学模型进行描述的复杂物体型面。 方法： 由给出的离散点数据构成光滑过渡的曲面，使曲面通过或逼近离散点。,复杂物体型面,曲面建模/表面建模（2）,常用的参数曲线、曲面有： Bezier， B-spline， Coons， NUEBS 简化曲面生成方法： (1) 线性拉伸面 (2) 直纹面 (3) 旋转面 (4) 扫描面 曲面模型可以为其它应用场合继续提供数据： 有限元网格的划分、三坐标或五坐标NC

6、编程、计算和确定刀具运动轨迹 为反求工程（RE）的CAD建模提供基础。,三次Bezier曲线及双三次曲面,实体建模,定义： 实体建模是利用基本体素，如长方体、圆柱体等通过集合运算生成复杂形体的建模技术。 体素的定义及描述 基本体素及空间位置及方向 平面轮廓扫描体 平扫体、旋转体 整体扫描 布尔运算 布尔运算：并、交、差 过程模型，可以二叉树结构表示,基本体素,参数描述，基准点,平面轮廓扫描体,前提：封闭的平面轮廓,整体扫描,实用： 生产过程的模拟及干涉检验，特别是NC加工中刀具轨迹生成和检验方面,实体建模应用场合：,运动学分析 干涉检验 机器人编程 五坐标NC铣削过程模拟 空间技术,三维实体模

7、型计算机内部表示法,边界表示法（BRep） 把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间，形体可通过边界来表示，面通过边、边通过点、点通过三个坐标值来定义。 强调形体外表细节，记录了所有几何、拓扑信息。 核心信息为平面,边界表示法的数据结构,特点： 数据结构呈网状关系 内部结构和关系与采用的物体生成描述方法无关,零件的不同生成描述方法,不同的生成方法和生成顺序，但其内部的数据结构相同,边界表示法的特点,边界表示法的优点在于含有较多的关于面、边、点 及其相互关系的信息，可通过人机交互对物体模型进行局部修改 有关物体生成原始信息，基本体定义，如何拼合等无法提取 描述所需信息量较大，信息冗余。,面边的两

8、次存储,构造立体几何法（CSC）,基本思想 通过基本体素及它们的集合运算进行表示，即通过布尔模型生成二叉树结构表示 CSG法与BRep法的主要区别 CSG法计算机存储过程模型，强调各体素进入拼合时的原始状态。 BRep法强调拼合后的结果。,CSG法的特点,存储基本体素变换矩阵，CSG法数据量只有BRep法的1/10 描述复杂物体有一定局限性 隐式模型，不存储物体的详细几何信息 可实现整体修改，而局部修改难,CSC局部修改,整体修改,混合模式,基本思想 在一个系统中采用不同形式的表示方法，常见的CSG法和Brep混合，在原来CSG的结点上扩充一级边界数据结构。 特点 (1) 可实现快速图形显示

9、(2) 由于起主导作用的是CSG结构，局部修改等仍不可实现。,混合模式,空间单元表示法,基本思想 通过一系列空间单元构成图形来表示物体，单元Cell都是具有一定大小的立方体。是一种数字化的近似表示法。 特点： (1) 要求大量存储空间 (2) 没有点线面的概念，不能表达物体任意两部分之间的关系。只是空间近似。 (3)算法简单，是物性计算和有限元划分的基础。,空间单元表示法计算机内部表示,四叉树（二维），八叉树（三维）,半空间法（以CSG为基础）,数学意义： 一个平面半空间可通过一个无限平面和法向向量来定义。 特点 可实现局部修改 容易引进自由曲面 使CSG数据结构在形式上向着面模式过渡。,实体

10、建模计算机内部表示发展趋势,(1) 采用混合模式 (2) 以精确表示形式存储曲面实体模型 (3) 引入参量化、变量化建模方法，便于设计修改 (4) 采用特征建模技术，实现系统集成。,第3节 特征建模技术,特征建模的概念 特征的表示及数据结构 特征建模技术的实现和发展,一、特征建模的概念,1 特征的定义 2形状特征的分类,1 特征的定义,特征： 产品开发过程中各种信息的载体，包含零件的几何拓朴信息，设计制造等过程所需要的非几何信息，如材料信息、尺寸、形状公差信息、表面粗糙度信息和刀具信息等。 特征表达如下： 产品特征 形状特征工程语义信息 语义信息： 静态信息: 描述特征形状、位置属性数据； 规

11、则和方法: 确定特征功能和行为； 特征关系: 描述特征间相互约束关系,2形状特征的分类,特征分类标准： 每一类特征都是零件设计的基本功能单元，同时其方法和制造手段基本上一致。 形状特征分类； 制造方法：铸、锻、焊、机加工等特征 零件类型：轴盘类、板块类、箱体类等特征 设计过程：基特征、正特征和负特征、主特征和辅助特征 复杂程度：简单特征、复合特征,二、 特征的表示及数据结构,特征需表示的信息： 特征体素 特征造型中进行布尔运算的单元， 特征面及拓朴信息 建立特征之间关系及工程属性的基础。 结构： 特征体素层 特征体素的定义与几何建模中的CSG中的实体单元对应。 特征面关系层 特征面的组成、面的

12、邻接关系以及面的作用和属性等 特征几何元素定义层,特征面数据结构示意图,三、 特征建模技术的实现和发展,特征识别 首先进行几何设计，然后在建立的几何模型上，通过人工交互或自动识别算法进行特征的搜索、匹配。 特点：特征信息的提取和识别困难，仅适于简单加工特征识别，且形状特征之间的关系无法表达。 基于特征设计/特征建模 直接采用特征建立产品模型，而不是事后再识别。 建立在三维实体建模系统的基础上，增加特征的描述信息，建立特征库，并将几何信息与非几何信息描述在一个统一的模型中，设计时将特征库中预定义的特征实例化。,特征建模技术的特点,从设计角度 扩大了建模体素的集合，方便设计，为设计高效率、标准化、

13、系列化提供条件； 从加工角度 特征对应着一定的加工方法，简化CAPP决策逻辑，同时可将加工方法与特征封装实现了程序的结构化、模块化、柔性化。,4.4 集成产品数据模型及数据交换接口,CAD/CAM资源共享需： 统一的产品数据模型定义体系 统一的产品数据交换标准 集成产品数据模型 产品数据交换接品的标准,一、 集成产品数据模型,定义： 与产品有关的所有信息构成逻辑单元，包括产品的生命周期内有关的全部信息，且在结构上能清楚表达信息的关联。 包含内容： 面向产品生产过程的集成产品数据模型结构，由很多局部模型组成的关联模型。可以满足各生产环节对信息的不同需求。,数据的描述和表达满足几点要求：,数据表达

14、完整，无冗余和二义性 建立数据之间的关联结构当一部分数据修改时，与之相关部分数据可相应变动 数据结构简单，便于查询、修改和扩充。,基于特征的集成产品数据模型,特点： 容易表达、处理，能够反映设计师意图及描述信息完备 可为设计、分析、加工各环节所自动理解的全局性模型 可与参数化设计、尺寸驱动等设计思想结合，为设计者提供全新的设计环境。,包含的零件信息 零件总体信息 基体信息 零件特征信息 零件几何、拓朴信息,二、 产品数据交换接品的标准,产品数据交换接口的用途 初始图形交换规范IGES 产品数据交换标准STEP,产品数据交换接口的用途,数据交换 不同设计部门之间 设计、生产准备、制造部门之间 不

15、同合作企业之间 不同时期的研制产品之间 不同CAD/CAM系统之间 同一CAD/CAM系统的不同版本之间,产品数据交换接口的用途(2),数据交换接口的联接形式 在专用数据交换接口基础上的点对点联接 系统无关的通用数据交换接口的基础上实现星形联接。,通用数据交换接口数据交换原理,初始图形交换规范IGES,（1）IGES数据文件的总体结构 IGES数据文件 数据进行顺序存储 每行记录长度为80个字符 采用ASCII标准代码 分为五个区段： 起始段(S)、全局段(G)、元素索引段(D)、参数数据段(P)、结束段(T),IGES起始段的格式,初始图形交换规范IGES(2),（2）IGES元素 描述产品

16、形状的几何元素 描述尺寸标注及工艺信息的标注图形元素 描述逻辑关系的属性和结构元素 （3）IGES在应用中的问题和发展 成功： 不同CAD系统之间工程图样信息的交换 通过传递的几何数据实现运动模拟和动态试验 CAD与NC系统之间的联系 CAD与FEM (Finite Element Method 有限元方法)系统的连接,初始图形交换规范IGES(3),问题： 元素范围有限。主要是几何方面的信息。 占用的存储空间较大。固定的数据格式和存储长度，数据文件稀疏。 时常发生传递错误。语法上的二义性。,产品数据交换标准STEP,STEP技术为CADCAM系统提供了一种中性机制，它规定了产品设计、制造以至

17、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。 能解决生产过程中产品信息的共享以及从根本上解决CIMS信息的集成问题。,STEP的组成,描述方法：提供描述产品数据模式的方法 集成资源：用EXPRESS描述的集成产品模型，分为通用资源和应用资源 应用协议：以文件方式说明如何用标准STEP的集成资源来解释不同应用系统的信息需求 实现方法：形成符合STEP标准的信息和数据的存取与交换方法或格式。 一致性测试：测试软件的可信度及检验应用程序是否符合应用协议中一致性的要求。一般分为结合应用程序实例的测试和抽象测试两类。 分成七个系列文件：0、10、20、30、40、100、200,STEP标