第五章機(jī)械CADCAM建模技術(shù)ppt課件

1、第五章第五章 機(jī)械機(jī)械CAD/CAMCAD/CAM建模技術(shù)建模技術(shù)5.1 幾何建模概念5.2 三維幾何建模技術(shù)5.3 特征建模技術(shù)5.4 三維造型實(shí)例5.1 幾何建摸概述幾何建模：用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)三維形體的幾何形幾何建模：用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)三維形體的幾何形狀及其屬性進(jìn)行描述，建立便于信息轉(zhuǎn)換與處理狀及其屬性進(jìn)行描述，建立便于信息轉(zhuǎn)換與處理的計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型的過程。的計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型的過程。幾何建模作用意義：是幾何建模作用意義：是CAD/CAM核心技術(shù)，為工核心技術(shù)，為工程分析、工藝設(shè)計(jì)、物性計(jì)算、運(yùn)動(dòng)仿真、數(shù)控程分析、工藝設(shè)計(jì)、物性計(jì)算、運(yùn)動(dòng)仿真、數(shù)控編程等后續(xù)作業(yè)提供了方便，是實(shí)現(xiàn)編程等后續(xù)作

2、業(yè)提供了方便，是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM技術(shù)的集成基礎(chǔ)。技術(shù)的集成基礎(chǔ)。 CADCAM建模技術(shù)的發(fā)展：建模技術(shù)的發(fā)展：線框模型線框模型表面模型表面模型曲面模型曲面模型實(shí)體造型實(shí)體造型特征特征建模建模CAD/CAMCAD/CAM幾何建模基本知識(shí)幾何建?；局R(shí)幾何信息：是指形體的形狀、位置和大小的幾何信息：是指形體的形狀、位置和大小的信息。信息。 如：直線描述方程，矩形體的長(zhǎng)寬高等。如：直線描述方程，矩形體的長(zhǎng)寬高等。拓?fù)湫畔ⅲ悍从承误w各組成元素?cái)?shù)量及其相拓?fù)湫畔ⅲ悍从承误w各組成元素?cái)?shù)量及其相互間關(guān)系。互間關(guān)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：兩形體幾

3、何信息相同，若拓?fù)湫畔⒉蛔⒁猓簝尚误w幾何信息相同，若拓?fù)湫畔⒉煌瑒t兩形體可能完全不同。同，則兩形體可能完全不同。 形體基本元素：點(diǎn)、邊、面形體基本元素：點(diǎn)、邊、面 基本元素的拓?fù)潢P(guān)系：基本元素的拓?fù)潢P(guān)系： 面面、面邊、面點(diǎn)面面、面邊、面點(diǎn) 邊邊、邊點(diǎn)、邊面邊邊、邊點(diǎn)、邊面 點(diǎn)點(diǎn)、點(diǎn)邊、點(diǎn)面點(diǎn)點(diǎn)、點(diǎn)邊、點(diǎn)面形體六層拓樸結(jié)構(gòu)形體六層拓樸結(jié)構(gòu) 體(Object)殼(Shell)面(Face)環(huán)(Loop)邊(Edge)點(diǎn)(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(gòu)成一個(gè)完整實(shí)體的封閉邊界，是一組面的集合；構(gòu)成一個(gè)完整實(shí)體的封閉邊界，是一組面的集合；面面 由一個(gè)

4、外環(huán)和若干內(nèi)環(huán)界定的有界、不連通的表面；由一個(gè)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(shí)體兩個(gè)鄰面的交界；是實(shí)體兩個(gè)鄰面的交界；頂點(diǎn)頂點(diǎn) 為邊的端點(diǎn)，兩條或兩條以上邊的交點(diǎn)。為邊的端點(diǎn)，兩條或兩條以上邊的交點(diǎn)。正則集與正則集合運(yùn)算正則集與正則集合運(yùn)算正則集：一集合正則集：一集合S的內(nèi)部閉包與原來的集合相等。的內(nèi)部閉包與原來的集合相等。 S=kiS （k閉包，閉包，i內(nèi)部，內(nèi)部，S集合）集合）正則化集合算子：集合運(yùn)算后仍產(chǎn)生正則集。正則化集合算子：集合運(yùn)算后仍產(chǎn)生正則集。 U*（并）、（并）、*(交交)

5、、*(差差)。AB運(yùn)算得到的非正則點(diǎn)集 閉包懸邊歐拉公式：歐拉公式用來檢驗(yàn)形體的合法性和一致性。歐拉公式：歐拉公式用來檢驗(yàn)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(zhǎng)方體如：長(zhǎng)方體V=8、E=12、F=6，則，則812+6=2。封閉多面體分割成封閉多面體分割成B個(gè)獨(dú)立多面體：個(gè)獨(dú)立多面體： V E + F B= 1 如如B=6、V=9、E=20、F=18，則，則9 20 + 18 6=1。 有孔洞形體：有孔洞形體： G為穿透孔數(shù)，為穿透孔數(shù)，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=2B G） 如下圖如下圖c ，那么：，那么：16-2

6、4+11-1=2 (1-0) 5.2 三維幾何建模技術(shù)三維幾何建模技術(shù) 1、線框建模、線框建模 2、外表曲面建模、外表曲面建模 3、實(shí)體模型、實(shí)體模型 1構(gòu)造體素幾何表示法構(gòu)造體素幾何表示法 2邊界表示法：邊界表示法： 3掃描表示法掃描表示法 4單元表示法單元表示法 1、線框模型、線框模型Wireframe Model）原理：通過頂點(diǎn)和棱邊來描述形體的幾何形狀。原理：通過頂點(diǎn)和棱邊來描述形體的幾何形狀。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點(diǎn)表、棱邊表二表結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點(diǎn)表、棱邊表二表結(jié)構(gòu)。 特點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信息量少、占用內(nèi)存空間特點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信息量少、占用內(nèi)存空間小、操作速度快，小、操作速度快， 可生成

7、三視圖、透視圖和軸側(cè)圖?？缮扇晥D、透視圖和軸側(cè)圖。 缺乏：缺少面、體信息，易產(chǎn)生多義性，不能消缺乏：缺少面、體信息，易產(chǎn)生多義性，不能消隱、不能剖視、隱、不能剖視、 不能進(jìn)行物性計(jì)算和求交計(jì)算等不能進(jìn)行物性計(jì)算和求交計(jì)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(gòu)構(gòu) 2.2.外表曲面建模外表曲面建模 原理：通過對(duì)物體各個(gè)面的描述進(jìn)行三維建模的原理：通過對(duì)物體各個(gè)面的描述進(jìn)行三維建模的方法。方法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點(diǎn)表、棱邊表、面表三表結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點(diǎn)表、棱邊表、面表三表結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：可消隱、剖面圖生成、渲染、求交、刀軌特點(diǎn)：可消隱、剖面圖生成、渲染、求交、刀軌生成等作業(yè)。生成等作業(yè)。缺乏：缺少體信息

8、，不便進(jìn)行物性計(jì)算和分析。缺乏：缺少體信息，不便進(jìn)行物性計(jì)算和分析。表表面面模模型型的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 曲面建模曲面建模a)平面平面: 三個(gè)點(diǎn)定義；三個(gè)點(diǎn)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(dòng)掃成；直線方向移動(dòng)掃成；c)直紋面直紋面 一直線兩端點(diǎn)在兩曲線一直線兩端點(diǎn)在兩曲線對(duì)應(yīng)等參數(shù)點(diǎn)上移動(dòng)形成；對(duì)應(yīng)等參數(shù)點(diǎn)上移動(dòng)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(dǎo)線一剖面線沿一條導(dǎo)線移動(dòng)構(gòu)成；移動(dòng)構(gòu)成； 一剖面線沿導(dǎo)線光一剖面線沿導(dǎo)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

9、沿兩條給定等參數(shù)邊界移動(dòng)面線沿兩條給定等參數(shù)邊界移動(dòng)形成。形成。f)圓角面圓角面 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(dòng)一個(gè)固定的距離。移動(dòng)一個(gè)固定的距離。3.實(shí)體建模實(shí)體建模實(shí)體建模概念：描述了實(shí)體全部幾何信息，且實(shí)體建模概念：描述了實(shí)體全部幾何信息，且定義了實(shí)體所有點(diǎn)、線、面、體拓?fù)湫畔?。定義了實(shí)體所有點(diǎn)、線、面、體拓?fù)湫畔ⅰＬ攸c(diǎn)：實(shí)現(xiàn)消隱、剖切、有限元分析、數(shù)控加特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)消隱、剖切、有限元分析、數(shù)控加工，物性計(jì)算等操作。工，物性計(jì)算等操作。 實(shí)體模型表示方法：實(shí)體模型表示方法：構(gòu)造體素幾何表示法構(gòu)造體素幾何表示法CSG，Constructiv

10、e Solid Geometry） 掃描表示法掃描表示法Sweeping Representation） 邊 界 表 示 法 邊 界 表 示 法 B - R e p ， B o u n d a r y Representation） 單元表示法單元表示法 1、構(gòu)造體素幾何表示法CSG） 通過基本體素交、并、差正則集合運(yùn)算構(gòu)造各種復(fù)雜實(shí)體。 基本體素： 矩形塊、圓柱、圓錐、球、鍥、環(huán)等。 實(shí)體實(shí)體CSGCSG表表示的示的二叉二叉樹結(jié)樹結(jié)構(gòu)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：二叉樹結(jié)構(gòu)，記錄了實(shí)體所有基本體素的組成、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：二叉樹結(jié)構(gòu)，記錄了實(shí)體所有基本體素的組成、正則集合運(yùn)算和相關(guān)的幾何變換。正則集合運(yùn)算和相關(guān)的幾

11、何變換。 特點(diǎn)：無二義性，最終實(shí)體與基本體素先后拼合順序無關(guān)，特點(diǎn)：無二義性，最終實(shí)體與基本體素先后拼合順序無關(guān)，造型簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可方便轉(zhuǎn)換成其它表示方法。造型簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可方便轉(zhuǎn)換成其它表示方法。 缺點(diǎn)：沒有詳細(xì)幾何信息，必須轉(zhuǎn)化為其它形式才能對(duì)點(diǎn)、缺點(diǎn)：沒有詳細(xì)幾何信息，必須轉(zhuǎn)化為其它形式才能對(duì)點(diǎn)、邊、面等信息進(jìn)行查詢和編輯。邊、面等信息進(jìn)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(diǎn)的幾何和拓?fù)渫ㄟ^面、環(huán)、邊、頂點(diǎn)的幾何和拓?fù)?參數(shù)來表參數(shù)來表示實(shí)體。示實(shí)體。矩形體矩形體B-RepB-Rep表示法表示法 B-rep翼邊存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)翼邊存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是以邊

12、為中心的翼邊結(jié)構(gòu)，通過任意一條邊，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是以邊為中心的翼邊結(jié)構(gòu)，通過任意一條邊，可以可以 遍歷整個(gè)實(shí)體所有幾何元素。遍歷整個(gè)實(shí)體所有幾何元素。優(yōu)點(diǎn)：記錄有實(shí)體所有幾何信息和拓?fù)湫畔?。?yōu)點(diǎn)：記錄有實(shí)體所有幾何信息和拓?fù)湫畔?。缺乏：缺乏?shí)體生成過程信息，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，難以直缺乏：缺乏實(shí)體生成過程信息，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，難以直接構(gòu)造。接構(gòu)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(jìn)行實(shí)體定義形體沿某一方向平移或繞某軸線旋轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)體定義的方法的方法 平面輪廓掃描法構(gòu)造實(shí)體平面輪廓掃描法構(gòu)造實(shí)體 復(fù)雜實(shí)體掃描構(gòu)造復(fù)雜實(shí)體掃描構(gòu)造 掃描構(gòu)造實(shí)例掃描構(gòu)造實(shí)例 B-

13、rep轉(zhuǎn)換SweepingCSGB-rep、CSG、Sweeping 三種表示方法的三種表示方法的應(yīng)用：應(yīng)用： CSG、Sweeping常用于輸入；常用于輸入； B-rep 常作為三維實(shí)體計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息的描常作為三維實(shí)體計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息的描述；述；三者之間關(guān)系如下：三者之間關(guān)系如下： 4、單元表示法：用一系列空間單元來表示實(shí)體的一種方、單元表示法：用一系列空間單元來表示實(shí)體的一種方法。法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：八叉樹結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：八叉樹結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單，易于集合運(yùn)算和干涉檢查，便于消隱和特點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單，易于集合運(yùn)算和干涉檢查，便于消隱和顯示。顯示。缺陷：?jiǎn)卧笮Q定分解精度，需要大量存儲(chǔ)空間，不能缺陷

14、：?jiǎn)卧笮Q定分解精度，需要大量存儲(chǔ)空間，不能表達(dá)實(shí)體各元素間拓?fù)潢P(guān)系，沒有點(diǎn)、邊、面等形體單元表達(dá)實(shí)體各元素間拓?fù)潢P(guān)系，沒有點(diǎn)、邊、面等形體單元的概念。的概念。三維實(shí)體單元表示的八叉樹結(jié)構(gòu) 5.3 5.3 特征建模技術(shù)特征建模技術(shù) 特征建模的概念特征建模的概念 實(shí)體模型不足：僅含實(shí)體幾何信息，實(shí)體模型不足：僅含實(shí)體幾何信息，缺少功能、工藝、管理等信息。缺少功能、工藝、管理等信息。 特征：從工程對(duì)象概括和抽象出來的特征：從工程對(duì)象概括和抽象出來的具有工程語義的功能要素。具有工程語義的功能要素。 特征建模：通過特征及其集合來定義、特征建模：通過特征及其集合來定義、描述零件模型的過程。描述零件模型

15、的過程。 特征建模對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象具有更高的特征建模對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象具有更高的定義層次，易于理解和使用，能為設(shè)計(jì)定義層次，易于理解和使用，能為設(shè)計(jì)和制造過程各環(huán)節(jié)提供充分的工程和工和制造過程各環(huán)節(jié)提供充分的工程和工藝信息。藝信息。 特征建模是實(shí)現(xiàn)特征建模是實(shí)現(xiàn)CAD/CAMCAD/CAM集成化集成化和智能化的關(guān)鍵技術(shù)。和智能化的關(guān)鍵技術(shù)。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(biāo)準(zhǔn)分類：標(biāo)準(zhǔn)分類： 體特征：構(gòu)造主體形狀的特征，如凸臺(tái)、孔、圓柱體特征：構(gòu)造主體形狀的特征，如凸臺(tái)、孔、圓柱體、矩形體等；體、矩形體等； 過渡特征：如倒角、圓角、鍵槽

16、、中心孔、退刀槽、過渡特征：如倒角、圓角、鍵槽、中心孔、退刀槽、螺紋等；螺紋等； 分布特征：如圓周均布孔、齒輪的齒形輪廓等。分布特征：如圓周均布孔、齒輪的齒形輪廓等。 凹陷：與已存在的形狀特征一凹陷：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：與已存在的形狀特征一凸起：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：與已存在的形狀特征兩端相交的被減體；通道：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(hào)、性能、硬度、表面處理

17、、檢驗(yàn)方如材料型號(hào)、性能、硬度、表面處理、檢驗(yàn)方式等。式等。4技術(shù)特征技術(shù)特征 描述零件的有關(guān)性能和技術(shù)要求；描述零件的有關(guān)性能和技術(shù)要求；5裝配特征裝配特征 描述裝配過程中配合關(guān)系、裝配順序、裝配方描述裝配過程中配合關(guān)系、裝配順序、裝配方法等。法等。6管理特征管理特征 描述管理信息，如零件名、批量、設(shè)計(jì)者、日描述管理信息，如零件名、批量、設(shè)計(jì)者、日期等。期等。形狀特征間的關(guān)系形狀特征間的關(guān)系 相鄰關(guān)系相鄰關(guān)系 特征在空間位置相互間的關(guān)系；特征在空間位置相互間的關(guān)系； 從屬關(guān)系從屬關(guān)系 主主/輔特征間主從關(guān)系，如附著于回轉(zhuǎn)體軸段輔特征間主從關(guān)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(guān)系分布關(guān)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(shí)別特征識(shí)別 在已有幾何模型基礎(chǔ)上，按照給定的模板進(jìn)在已有幾何模型基礎(chǔ)上，按照給定的模板進(jìn)行