模具CAD與CAM的建模技術(shù)

1、本資料來源n更多資料請?jiān)L問.(.) 5.2.3 實(shí)體建模 Solid ModellingSolid Modelling 體素法生成實(shí)體體素法生成實(shí)體 下圖所示是采用體素法，從定義基本體素到生成實(shí)體模型的全過程，通過定義4個基本體素，經(jīng)過三次集合運(yùn)算，完成三維實(shí)體的建模。 5.2.3 實(shí)體建模 Solid ModellingSolid Modelling 5.2.3 實(shí)體建模 Solid ModellingSolid Modelling 5.2.3 實(shí)體建模 Solid ModellingSolid Modelling 掃描體素法掃描體素法n定義定義 利用基體的變形操作實(shí)現(xiàn)表面形狀較為復(fù)雜的物體

2、的建模方法稱為掃描法，掃描法又分為平面輪廓掃描和整體掃描兩種方法。n基本原理基本原理 用曲線、曲面或形體沿某一路徑運(yùn)動后生成2D或3D的物體。掃描變換需要兩個分量，一是給出一個運(yùn)動形體，稱為基體；另一個是指定形體運(yùn)動的路徑。 5.2.3 實(shí)體建模 Solid ModellingSolid Modelling 掃描體素法掃描體素法n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 由于三維實(shí)體建模能唯一、準(zhǔn)確、完整地表達(dá)物體的形狀，且容易理解和實(shí)現(xiàn)，因而被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)和制造中。 掃描體素法掃描體素法是對在某一方向具有固定剖面產(chǎn)品形狀造型的一種實(shí)用而有效的方法，可對產(chǎn)品進(jìn)行描述、特性分析、運(yùn)動分析、干涉檢驗(yàn)以及有限元分析、加工過程的模

3、擬仿真等。 5.2.3 實(shí)體建模 Solid ModellingSolid Modelling 1）平面輪廓掃描法）平面輪廓掃描法 這種方法的基本設(shè)想是由任一平面輪廓在空間平移一個距離或繞一固定的軸旋轉(zhuǎn)就會掃描出一個實(shí)體。 5.2.3 實(shí)體建模 Solid ModellingSolid Modelling 2）整體掃描法）整體掃描法 三維實(shí)體掃描法就是首先定義一個三維實(shí)體作為掃描基體，讓此基體在空間運(yùn)動，運(yùn)動可以是沿某一方向移動，也可以是繞某一軸線轉(zhuǎn)動，或繞某一點(diǎn)擺動，如圖所示。 5.2.3 實(shí)體建模 Solid ModellingSolid Modelling 線框建模、表面建模、實(shí)體建模的

4、比較： 5.2.4 特征建模 Feature ModellingFeature Modelling 幾何建模技術(shù)推動了CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，但幾何模型只是物體幾何數(shù)據(jù)及拓?fù)潢P(guān)系的描述，無明顯無明顯的的工藝信息、結(jié)構(gòu)和工程含義工藝信息、結(jié)構(gòu)和工程含義，因而促進(jìn)了特征建模技術(shù)的發(fā)展。 在建模技術(shù)中，特征的概念源于對零件幾何要素的歸納，以零部件的設(shè)計(jì)自動化為目的，將產(chǎn)品的零部件設(shè)計(jì)中常用的幾何體的幾何定義為特征；進(jìn)一步的發(fā)展使得特征技術(shù)著眼于從制造領(lǐng)域著手，將特征與工藝過程設(shè)計(jì)、數(shù)控加工自動編程相結(jié)合，從而提出了面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)概念。 5.2.4 特征建模 Feature Modelli

5、ngFeature Modelling 隨著特征的概念引伸至產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需要的知識、零件設(shè)計(jì)所應(yīng)具有的功能、加工過程中的工藝過程等，并且在商品化的CAD/CAM軟件中幾乎都提供了由于產(chǎn)品開發(fā)者定義特征的模塊，并試圖以積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、自動定義零件的受力分析、物理性能驗(yàn)算、幾何造型、工藝可行性評價(jià)、裝配性分析等知識為基礎(chǔ)的綜合特征用于產(chǎn)品或零部件的設(shè)計(jì)。5.3 實(shí)體建模中的形體表示模型及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 5.3.1 邊界表示法邊界表示法 5.3.2 構(gòu)造實(shí)體幾何法構(gòu)造實(shí)體幾何法 5.3.3 三維形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三維形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 5.3 實(shí)體建模中的形體表示模型及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 與表面建模不同，三維實(shí)體建模在計(jì)算機(jī)內(nèi)

6、部存貯的信息不是簡單的邊線或頂點(diǎn)的信息，而是準(zhǔn)確、完整、統(tǒng)一地記錄了生成物體的各個方面的數(shù)據(jù)。 常見的實(shí)體建模表示方法有：邊界表示法、邊界表示法、構(gòu)造實(shí)體幾何法、混合表示法。構(gòu)造實(shí)體幾何法、混合表示法。 5.3.1 邊界表示法（B-Reps） 定義定義 用物體的邊界，如面、邊、點(diǎn)等低層的幾何元素描述物體的形狀。即一個實(shí)體可以通過它的面的集合來表示，而每一個面又可以用邊來描述，邊通過點(diǎn)，點(diǎn)通過三個坐標(biāo)值來定義。 邊界表示法強(qiáng)調(diào)實(shí)體外表的細(xì)節(jié)，詳細(xì)記錄了構(gòu)成物體的所有幾何信息和拓?fù)湫畔?，將面、邊、頂點(diǎn)的信息分層記錄，建立層與層之間的聯(lián)系。 5.3.1 邊界表示法（B-Reps） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)邊

7、界表示法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如右圖所示的物體，將其按照實(shí)體、面、邊、頂點(diǎn)描述，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部按網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存貯。圖59 四棱錐的邊界表示 5.3.1 邊界表示法（B-Reps） 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 有較多的關(guān)于面、邊、點(diǎn)及其相互關(guān)系的信息。 有利于生成和繪制線框圖、投影圖，有利于計(jì)算幾何特性，易于同二維繪圖軟件銜接和同曲面建模軟件相關(guān)聯(lián)。 局限性局限性 由于它的核心信息是面，因而對幾何物體的整體描述能力相對較差，無法提供關(guān)于實(shí)體生成過程的信息，也無法記錄組成幾何體的基本體素的元素的原始數(shù)據(jù)，同時(shí)描述物體所需信息量較多，邊界表達(dá)法的表達(dá)形式不唯一。 5.3.2 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） 定義定

8、義 Construct Solid Geometry 構(gòu)造立體幾何法簡稱CSG法，是一種通過布爾運(yùn)算將簡單的基本體素拼合成復(fù)雜實(shí)體的描述方法。 用二叉樹表示物體的構(gòu)成，其中葉節(jié)點(diǎn)表示體素，內(nèi)節(jié)點(diǎn)表示布爾運(yùn)算符。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為樹狀結(jié)構(gòu)。樹葉為基本體素或變換矩陣，結(jié)點(diǎn)為運(yùn)算，最上面的結(jié)點(diǎn)對應(yīng)著被建模的物體。如下圖所示。 5.3.2 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） 圖5-10 同一物體的第一種CSG結(jié)構(gòu) 5.3.2 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 方法簡潔，生成速度快，處理方便，無冗余信息，而且 能夠詳細(xì)地記錄構(gòu)成實(shí)體的原始特征參數(shù)，甚至在必要 時(shí)可修改體素參數(shù)或附加體素進(jìn)行重新拼合。

9、 局限性局限性 由于信息簡單，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無法存貯物體最終的詳細(xì) 信息，例如邊界、頂點(diǎn)的信息等。 現(xiàn)在CAD系統(tǒng)都是用CSG/B-Reps混合起來表示的。 兩者表示優(yōu)缺點(diǎn)比較見表表5 51 1。 5.3.2 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） CSG/B-repsCSG/B-reps混合表示法混合表示法（Hybird Model） 定義定義 混合模式是建立在邊界表示法邊界表示法與構(gòu)造立體幾何法構(gòu)造立體幾何法的 基礎(chǔ)上，在同一系統(tǒng)中，將兩者結(jié)合起來，共同表示 實(shí)體的方法。 原理原理 以CSG法為系統(tǒng)外部模型，以B-Reps法為內(nèi)部模型， CSG法適于做用戶接口，而在計(jì)算機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)化為 B-Reps的數(shù)據(jù)模型

10、。 5.3.2 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 相當(dāng)于在CSG樹結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)上擴(kuò)充邊界法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 如圖所示。 圖5-11 混合模式結(jié)構(gòu) 5.3.2 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） CSG/B-repsCSG/B-reps混合表示法混合表示法（Hybird Model） 混合模式是在CSG基礎(chǔ)上的邏輯擴(kuò)展，起主導(dǎo)作用 的是CSG結(jié)構(gòu)，B-Reps的存在，減少了中間環(huán)節(jié)中 的數(shù)學(xué)計(jì)算量，可以完整的表達(dá)物體的幾何、拓 撲信息，便于構(gòu)造產(chǎn)品模型。 5.4 特征建模簡介 5.4.1 特征技術(shù)特征技術(shù) 5.4.2 特征分類特征分類 5.4.3 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn)特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 5.4

11、特征建模簡介 特征建模（特征建模（Feature ModelingFeature Modeling） 1.1.幾何模型的缺陷幾何模型的缺陷 只是物體幾何數(shù)據(jù)及拓?fù)潢P(guān)系的描述，無明顯的 功能、結(jié)構(gòu)和工程含義。 缺少面向生產(chǎn)過程的信息特征，使信息傳遞、資 源共享和CIMS的實(shí)現(xiàn)較為困難，于是特征建模技 術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 5.4.1 特征技術(shù) 特征定義特征定義 特征是產(chǎn)品上經(jīng)常出現(xiàn)的，具有一定的語義信 息，能實(shí)現(xiàn)特定功能的一組幾何實(shí)體如孔、槽、孔、槽、 凸臺、倒角等及其相關(guān)信息凸臺、倒角等及其相關(guān)信息的集合，它能用 于設(shè)計(jì)、制造、檢測、分析等目的。 特征是構(gòu)造零件的最基本的單元要素，它既反 映零件的幾何

12、信息，同時(shí)又反映零件的加工工 藝特征信息。為系統(tǒng)的集成提供了條件。 5.4.1 特征技術(shù) 特征建模定義特征建模定義 特征的圖例特征的圖例 特征建模是一種建立在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，利用特征的概念面向整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過程進(jìn)行設(shè)計(jì)的建模方法，它不僅包含與生產(chǎn)有關(guān)的信息，而且還能描述這些信息之間的關(guān)系。圖5-13 特征的圖例及約束關(guān)系 5.4.2 特征分類 由于特征反映了具體的工程語義信息，因而對 于不同的產(chǎn)品、不同的應(yīng)用（如設(shè)計(jì)、分析、 加工、檢測、裝配等）和不同的生產(chǎn)工藝（如 切削加工、鑄造、沖壓、鍛造、注塑等）都會 有不同的特征表現(xiàn)形式。因此，對它進(jìn)行一定 的分類是必要的。 5.4.2 特征

13、分類按產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的性質(zhì)可分為如下幾大類：幾何形狀特征幾何形狀特征（Form Feature） 加工特征加工特征（Machine Feature）有限元有限元( (分析分析) )特征特征（Finite-element Feature）精度特征精度特征（Precision Feature）材料特征材料特征（Material Feature） 5.4.2 特征分類 幾何形狀特征（幾何形狀特征（Form FeatureForm Feature） 形狀特征表示產(chǎn)品的幾何信息、拓?fù)湫畔ⅰＰ螤钐卣魍ㄟ^參數(shù)描述，都在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)各自的功能，并對應(yīng)各自的加工方法、加工設(shè)備和刀具、量具、輔具。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以實(shí)體建

14、模中B-Reps法為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)包括特征類型、序號、尺寸及公差等。通常它包含兩個層次，一個是低層次的點(diǎn)、線、面、環(huán)組成的B-Reps法結(jié)構(gòu)，另一個是高層次的由特征信息組成的結(jié)構(gòu)。 5.4.2 特征分類 加工特征（加工特征（Machine FeatureMachine Feature） 又稱為工藝特征或制造特征，表示工藝能力、約束與加工參數(shù)等。 有限元有限元( (分析分析) )特征特征(Finite-element Feature)(Finite-element Feature) 用來表示與有限元分析相關(guān)的信息，包括節(jié)點(diǎn)、單元和邊界條件。 精度特征（精度特征（Precision Feature

15、Precision Feature） 精度特征用來表達(dá)零件的尺寸公差、形狀公差、位置公差、表面粗糙度。 5.4.2 特征分類 材料特征（材料特征（Material FeatureMaterial Feature） 材料特征用來表達(dá)材料的種類、性能、熱處理和表面處理要求等。 特征建模除了實(shí)體建模中已有的幾何、拓?fù)湫畔⒅猓€要包含特征信息、精度信息、材料信息、技術(shù)要求和其它有關(guān)信息。除靜態(tài)信息之外，還應(yīng)當(dāng)支持設(shè)計(jì)、制造過程中的動態(tài)信息。 5.4.3 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 1 1特征建模系統(tǒng)特征建模系統(tǒng) 特征建模通常由形狀特征模型、精度特征模型、形狀特征模型、精度特征模型、材料特征模型材料特征模

16、型組成，而形狀特征模型是特征建模的核心和基礎(chǔ)。 特征建模系統(tǒng)的框架如下圖5-14所示： 圖5-14 特征建模系統(tǒng)的框架 5.4.3 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 1 1特征建模系統(tǒng)特征建模系統(tǒng) 形狀特征模型形狀特征模型 形狀特征模型主要包括幾何信息、拓?fù)湫畔?。形狀特征通過參數(shù)描述，都在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)各自的功能，并對應(yīng)各自的加工方法、加工設(shè)備和刀具、量具、輔具。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以實(shí)體建模中B-Reps法為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)包括特征類型、序號、尺寸及公差等。通常它包含兩個層次，一個是低層次的點(diǎn)、線、面、環(huán)組成的B-Reps法結(jié)構(gòu)，另一個是高層次的由特征信息組成的結(jié)構(gòu)。 5.4.3 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 精度和材料

17、特征模型精度和材料特征模型 精度模型用來表達(dá)零件的精度信息，包括尺寸公差、形狀公差、位置公差、表面粗糙度。材料特征包括材料的種類、性能、熱處理要求等。 特征建模除了實(shí)體建模中已有的幾何、拓?fù)湫畔⒅?，還要包含特征信息、精度信息、材料信息、技術(shù)要求和其它有關(guān)信息。除靜態(tài)信息之外，還應(yīng)當(dāng)支持設(shè)計(jì)、制造過程中的動態(tài)信息。 5.4.3 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 2 2特征建模功能特點(diǎn)特征建模功能特點(diǎn) 功能功能 1. 預(yù)定義特征，建立特征庫； 2. 特征庫的智能化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于特征的零件設(shè)計(jì)； 3. 為特征附加注釋，并為用戶例舉參考特征； 4. 支持用戶定義特征以及管理、操作特征庫； 5. 特征消隱、移動

18、； 6. 零件設(shè)計(jì)中，跟蹤和提取有關(guān)幾何屬性。 5.4.3 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 特點(diǎn)特點(diǎn) 特征建模技術(shù)使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作不停留在底層的幾何信息基礎(chǔ)上，而是依據(jù)產(chǎn)品的功能要素，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作在更高的層次上展開，特征的引用直接體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。 特征建模技術(shù)可以建立在二維或三維平臺上，同時(shí)針對某些專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的需要，建立特征庫就可實(shí)現(xiàn)特征建模技術(shù)，快速生成需要的形體。 特征建模技術(shù)有利于推動行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝方法的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化，使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮加工、制造要求，有利于降低產(chǎn)品的成本。 5.4.3 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 特點(diǎn)特點(diǎn) 特征建模技術(shù)提供了基于產(chǎn)品、制造環(huán)境、開發(fā)者意志等諸方面的綜合信息，是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、工藝準(zhǔn)備、加工、檢驗(yàn)各部門之間具有了共同語言，可更好將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖貫徹到各后續(xù)環(huán)節(jié)，促進(jìn)智能CAD系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)的開發(fā)