機械CADCAM建模技術課件

1、第五章第五章 機械機械CAD/CAMCAD/CAM建模技術建模技術5.1 幾何建模概念幾何建模概念5.2 三維幾何建模技術三維幾何建模技術5.3 特征建模技術特征建模技術5.4 三維造型實例三維造型實例5.1 幾何建摸概述幾何建模：幾何建模：用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構對三維形體的幾何形狀及其屬性進行描述，建立便于信息轉(zhuǎn)換與處理的計算機內(nèi)部模型的過程。幾何建模作用意義幾何建模作用意義：是CAD/CAM核心技術，為工程分析、工藝設計、物性計算、運動仿真、數(shù)控編程等后續(xù)作業(yè)提供了方便，是實現(xiàn)CAD/CAM技術的集成基礎。 CADCAM建模技術的發(fā)展：建模技術的發(fā)展：線框模型表面模型曲面模型實體造型特征建模CA

2、D/CAMCAD/CAM幾何建?；局R幾何建模基本知識幾何信息：幾何信息：是指形體的形狀、位置和大小的信息。是指形體的形狀、位置和大小的信息。 如：直線描述方程，矩形體的長寬高等。如：直線描述方程，矩形體的長寬高等。拓撲信息拓撲信息：反映形體各組成元素數(shù)量及其相互間關系。反映形體各組成元素數(shù)量及其相互間關系。 如：相交、相鄰、相切、垂直、平行等。如：相交、相鄰、相切、垂直、平行等。 注意：注意：兩形體幾何信息相同，若拓撲信息不同，則兩形體可能兩形體幾何信息相同，若拓撲信息不同，則兩形體可能完全不同。完全不同。 形體基本元素：形體基本元素：點、邊、面點、邊、面 基本元素的拓撲關系：基本元素的拓

3、撲關系： 面面、面邊、面點面面、面邊、面點 邊邊、邊點、邊面邊邊、邊點、邊面 點點、點邊、點面點點、點邊、點面形體六層拓樸結(jié)構形體六層拓樸結(jié)構 體(Object)殼(Shell)面(Face)環(huán)(Loop)邊(Edge)點(Vertex)體體 由封閉表面圍成的有效空間由封閉表面圍成的有效空間 ；殼殼 構成一個完整實體的封閉邊界，是一組面的集合；構成一個完整實體的封閉邊界，是一組面的集合；面面 由一個外環(huán)和若干內(nèi)環(huán)界定的有界、不連通的表面；由一個外環(huán)和若干內(nèi)環(huán)界定的有界、不連通的表面； 環(huán)環(huán) 是面的封閉邊界，由有序、有向邊的集合；是面的封閉邊界，由有序、有向邊的集合； 邊邊 是實體兩個鄰面的交界

4、；是實體兩個鄰面的交界；頂點頂點 為為邊的端點，兩條或兩條以上邊的交點邊的端點，兩條或兩條以上邊的交點。正則集與正則集合運算正則集與正則集合運算正則集：正則集：一集合S的內(nèi)部閉包與原來的集合相等。 S=kiS （k閉包，i內(nèi)部，S集合）正則化集合算子正則化集合算子：集合運算后仍產(chǎn)生正則集。 U*（并）、*(交)、*(差)。AB運算得到的非正則點集 閉包懸邊歐拉公式：歐拉公式：歐拉公式用來檢驗形體的合法性和一致性。歐拉公式用來檢驗形體的合法性和一致性。正則形體歐拉公式：正則形體歐拉公式： V E + F = 2 如：長方體如：長方體V=8、E=12、F=6，則，則812+6=2。封閉多面體分割成

5、封閉多面體分割成B B個獨立多面體：個獨立多面體： V E + F B= 1V E + F B= 1 如如B=6B=6、V=9V=9、E=20E=20、F=18F=18，則，則9 20 + 18 6=19 20 + 18 6=1。 有孔洞形體：有孔洞形體： G G為穿透孔數(shù)，為穿透孔數(shù)，L L為所有面上內(nèi)環(huán)數(shù)為所有面上內(nèi)環(huán)數(shù) V E + F L=2V E + F L=2（B GB G） 如下圖如下圖c c ，則：，則：16-24+11-1=2 (1-0)16-24+11-1=2 (1-0) 5.2 三維幾何建模技術三維幾何建模技術 1 1、線框建模、線框建模 2 2、表面（曲面）建模、表面（曲

6、面）建模 3 3、實體模型、實體模型 1 1）構造體素幾何表示法）構造體素幾何表示法 2 2）邊界表示法：）邊界表示法： 3 3）掃描表示法）掃描表示法 4 4）單元表示法）單元表示法 1、線框模型、線框模型（Wireframe Model）原理：原理：通過頂點和棱邊來描述形體的幾何形狀通過頂點和棱邊來描述形體的幾何形狀。數(shù)據(jù)結(jié)構：數(shù)據(jù)結(jié)構：頂點表、棱邊表二表結(jié)構。頂點表、棱邊表二表結(jié)構。 特點：特點：數(shù)據(jù)結(jié)構簡單、信息量少、占用內(nèi)存空間小、操作速度快，數(shù)據(jù)結(jié)構簡單、信息量少、占用內(nèi)存空間小、操作速度快， 可生成三視圖、透視圖和軸側(cè)圖。可生成三視圖、透視圖和軸側(cè)圖。 不足：不足：缺少面、體信息

7、，易產(chǎn)生多義性，不能消隱、不能剖視、缺少面、體信息，易產(chǎn)生多義性，不能消隱、不能剖視、 不能進行物性計算和求交計算等不能進行物性計算和求交計算等.線線框框建建模模的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)結(jié)構構 2.2.表面（曲面）建模表面（曲面）建模 原理：原理：通過對物體各個面的描述進行三維建模的方法。通過對物體各個面的描述進行三維建模的方法。數(shù)據(jù)結(jié)構：數(shù)據(jù)結(jié)構：頂點表、棱邊表、面表三表結(jié)構。頂點表、棱邊表、面表三表結(jié)構。特點：特點：可消隱、剖面圖生成、渲染、求交、刀軌生成等作業(yè)?？上[、剖面圖生成、渲染、求交、刀軌生成等作業(yè)。不足：不足：缺少體信息，不便進行物性計算和分析。缺少體信息，不便進行物性計算和分析。表表面

8、面模模型型的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)結(jié)構構 曲面建模曲面建模a)平面平面: 三個點定義；三個點定義；b)線性拉伸面線性拉伸面: 一條平面曲線沿一條平面曲線沿直線方向移動掃成；直線方向移動掃成；c)直紋面直紋面 一直線兩端點在兩曲線一直線兩端點在兩曲線對應等參數(shù)點上移動形成；對應等參數(shù)點上移動形成；d)回轉(zhuǎn)面回轉(zhuǎn)面 平面線框圖繞某一軸平面線框圖繞某一軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；e)掃成面掃成面 一剖面線沿一條導線一剖面線沿一條導線移動構成；移動構成； 一剖面線沿導線光一剖面線沿導線光滑過渡到另一剖面線；滑過渡到另一剖面線； 一剖一剖面線沿兩條給定等參數(shù)邊界移動面線沿兩條給定等參數(shù)邊界移動形成。形成。f)圓角面

9、圓角面 圓角過渡面；圓角過渡面；g)等距面等距面 沿原始曲面法線方向沿原始曲面法線方向移動一個固定的距離。移動一個固定的距離。3.實體建模實體建模實體建模概念：實體建模概念：描述了實體全部幾何信息，且定義了實描述了實體全部幾何信息，且定義了實體所有點、線、面、體拓撲信息。體所有點、線、面、體拓撲信息。特點：特點：實現(xiàn)消隱、剖切、有限元分析、數(shù)控加工，物性實現(xiàn)消隱、剖切、有限元分析、數(shù)控加工，物性計算等操作。計算等操作。 實體模型表示方法：實體模型表示方法： 構造體素幾何表示法構造體素幾何表示法（CSGCSG，Constructive Solid Constructive Solid Geome

10、tryGeometry） 掃描表示法掃描表示法（Sweeping RepresentationSweeping Representation） 邊界表示法（邊界表示法（B-RepB-Rep，Boundary RepresentationBoundary Representation） 單元表示法單元表示法 1、構造體素幾何表示法（構造體素幾何表示法（CSG） 通過基本體素交、并、差正則集合運算構造各種復雜實體。 基本體素：基本體素： 矩形塊、圓柱、圓錐、球、鍥、環(huán)等。 實體實體CSG表示表示的二的二叉樹叉樹結(jié)構結(jié)構 數(shù)據(jù)結(jié)構：數(shù)據(jù)結(jié)構：二叉樹結(jié)構，記錄了實體所有基本體素的組成、正則集二叉樹結(jié)構

11、，記錄了實體所有基本體素的組成、正則集合運算和相關的幾何變換。合運算和相關的幾何變換。 特點：特點：無二義性，最終實體與基本體素先后拼合順序無關，造型簡無二義性，最終實體與基本體素先后拼合順序無關，造型簡單，易于實現(xiàn)，可方便轉(zhuǎn)換成其它表示方法。單，易于實現(xiàn)，可方便轉(zhuǎn)換成其它表示方法。 缺點：缺點：沒有詳細幾何信息，必須轉(zhuǎn)化為其它形式才能對點、邊、面沒有詳細幾何信息，必須轉(zhuǎn)化為其它形式才能對點、邊、面等信息進行查詢和編輯。等信息進行查詢和編輯。2、邊界表示法（、邊界表示法（B-rep）通過面、環(huán)、邊、頂點的幾何和拓撲 參數(shù)來表示實體。矩形體矩形體B-Rep表示法表示法 B-rep翼邊存儲結(jié)構翼邊

12、存儲結(jié)構數(shù)據(jù)結(jié)構：數(shù)據(jù)結(jié)構：是以邊為中心的翼邊結(jié)構，是以邊為中心的翼邊結(jié)構，通過任意一條邊，可以通過任意一條邊，可以 遍歷整個實體所有幾何元素。遍歷整個實體所有幾何元素。優(yōu)點：優(yōu)點：記錄有實體所有幾何信息和拓撲信息。記錄有實體所有幾何信息和拓撲信息。不足：不足：缺乏實體生成過程信息，數(shù)據(jù)存儲量大，難以直接構造。缺乏實體生成過程信息，數(shù)據(jù)存儲量大，難以直接構造。3、掃描表示法、掃描表示法 (Sweeping) 形體沿某一方向平移或繞某軸線旋轉(zhuǎn)進行實體定義的方法 平面輪廓掃描法構造實體平面輪廓掃描法構造實體 復雜實體掃描構造復雜實體掃描構造 掃描構造實例掃描構造實例 B-rep轉(zhuǎn)換Sweeping

13、CSGB-rep、CSG、Sweeping 三種表示方法的應三種表示方法的應用用： CSG、Sweeping常用于輸入； B-rep 常作為三維實體計算機內(nèi)部信息的描述； 三者之間關系如下： 4、單元表示法、單元表示法：用一系列空間單元來表示實體的一種方法。用一系列空間單元來表示實體的一種方法。數(shù)據(jù)結(jié)構：數(shù)據(jù)結(jié)構：八叉樹結(jié)構。八叉樹結(jié)構。特點：特點：算法簡單，易于集合運算和干涉檢查，便于消隱和顯示。算法簡單，易于集合運算和干涉檢查，便于消隱和顯示。缺陷：缺陷：單元大小決定分解精度，需要大量存儲空間，不能表達實體各單元大小決定分解精度，需要大量存儲空間，不能表達實體各元素間拓撲關系，沒有點、邊、

14、面等形體單元的概念元素間拓撲關系，沒有點、邊、面等形體單元的概念。三維實體單元表示的八叉樹結(jié)構 5.3 5.3 特征建模技術特征建模技術 特征建模的概念特征建模的概念 實體模型不足實體模型不足：僅含實體幾何信息，缺少功能、工藝、管理等信息僅含實體幾何信息，缺少功能、工藝、管理等信息。 特征：特征：從工程對象概括和抽象出來的具有從工程對象概括和抽象出來的具有工程語義的功能要素工程語義的功能要素。 特征建模：特征建模：通過特征及其集合來定義、描述零件模型的過程。通過特征及其集合來定義、描述零件模型的過程。 特征建模對設計對象具有更高的定義層次，易于理解和使用，能為設特征建模對設計對象具有更高的定義

15、層次，易于理解和使用，能為設計和制造過程各環(huán)節(jié)提供充分的工程和工藝信息。計和制造過程各環(huán)節(jié)提供充分的工程和工藝信息。 特征建模是實現(xiàn)特征建模是實現(xiàn)CAD/CAM集成化和智能化的關鍵技術。集成化和智能化的關鍵技術。特征的分類特征的分類1）形狀特征）形狀特征 具有一定工程語義的幾何形體。具有一定工程語義的幾何形體。STEP標準分類標準分類： 體特征體特征：構造主體形狀的特征構造主體形狀的特征，如凸臺、孔、圓柱體、矩形體等；，如凸臺、孔、圓柱體、矩形體等； 過渡特征過渡特征：如倒角、圓角、鍵槽、中心孔、退刀槽、螺紋等；：如倒角、圓角、鍵槽、中心孔、退刀槽、螺紋等； 分布特征分布特征：如圓周均布孔、齒

16、輪的齒形輪廓等。：如圓周均布孔、齒輪的齒形輪廓等。 凹陷凹陷：與已存在的形狀特征一：與已存在的形狀特征一端相交的被減體；端相交的被減體； 凸起凸起：與已存在的形狀特征一：與已存在的形狀特征一端相交的附加體。端相交的附加體。從形狀角度分從形狀角度分：通道通道：與已存在的形狀特征兩端相交的被減體；：與已存在的形狀特征兩端相交的被減體； 2）精度特征）精度特征 包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。3）材料特征）材料特征 如材料型號、性能、硬度、表面處理、檢驗方式等。如材料型號、性能、硬度、表面處理、檢驗方式等。4）技術特征）技術特征 描述零件的有關性能和技術要

17、求；描述零件的有關性能和技術要求；5）裝配特征）裝配特征 描述裝配過程中配合關系、裝配順序、裝配方法等。描述裝配過程中配合關系、裝配順序、裝配方法等。6）管理特征）管理特征 描述管理信息，如零件名、批量、設計者、日期等。描述管理信息，如零件名、批量、設計者、日期等。形狀特征間的關系形狀特征間的關系 相鄰關系相鄰關系 特征在空間位置相互間的關系特征在空間位置相互間的關系； 從屬關系從屬關系 主主/輔特征間主從關系，如附著于回轉(zhuǎn)體軸段輔特征間主從關系，如附著于回轉(zhuǎn)體軸段 主特征的鍵槽、退刀槽、倒角等。主特征的鍵槽、退刀槽、倒角等。 分布關系分布關系 某特征在空間位置上按某種形式排列。某特征在空間位置上按某種形式排列。常見的特征建模方式常見的特征建模方式1）特征識別）特征識別 在已有幾何模型基礎上，按照給定的模板進行匹配，在已有幾何模型基礎上，按照給定的模板進行匹配，