建?；A(chǔ)知識

1、第章建模根底知識建模技術(shù)是CAD系統(tǒng)的核心技術(shù)，計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的水平與集成在很大程度上取決于三維幾何建模軟件系統(tǒng)的功能與水平。對于現(xiàn)實(shí)世界中的物體，從人們的想象出發(fā)，利用交互的方式將物體的想象模型輸入計算機(jī)，計算機(jī)以一定的方式將模型存儲起來，這個過程稱為建模。即首先研究物體的描述方法，得到一種想象模型亦即外部模型，它表示了用戶所理解的事物及事物間的關(guān)系，然后將這種模型轉(zhuǎn)化為用符號或算法表示的形式，最后形成計算機(jī)內(nèi)部的模型。因此，建模過程就是一個產(chǎn)生、存儲、處理、表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的過程。在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計中，建?？梢苑譃閹缀谓：吞卣鹘煞N類型，分別介紹如下。1.1 認(rèn)識幾何建模幾何建模

2、是指形體的描述和表達(dá)是建立在幾何信息和拓?fù)湫畔⒏咨系慕?。其主要處理零件的幾何信息和拓?fù)湫畔?。幾何信息一般是指物體在歐氏空間歐氏幾何所研究的空間稱歐氏空間，它是現(xiàn)實(shí)空間的一個最簡單并且相當(dāng)確切的近似描述中的形狀、位置和大小，一般指點(diǎn)、線、面、體的信息。拓?fù)湫畔⒛敲词侵肝矬w各分量的數(shù)目及其相互間的連接關(guān)系。目前常用的三維幾何建模包括線框、外表和實(shí)體建模。1線框建模線框建模用一系列空間直線、圓弧和點(diǎn)表示形體，并在計算機(jī)內(nèi)部生成相應(yīng)的三維映像。通過修改點(diǎn)和邊來改變形體的形狀。與該模型相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式是直線或曲線方程、點(diǎn)的坐標(biāo)以及邊和點(diǎn)的連接信息。線框模型描述的是產(chǎn)品的輪廓外形。 圖1-1 創(chuàng)立軸測

3、視圖在CAD/CAM軟件中，線框模型相當(dāng)于投影視圖中的軸測圖，此類投影視圖也屬于平行投影，且只有一個投影面。當(dāng)物體的3個坐標(biāo)面不與投影方向一致時，那么物體平行于3個坐標(biāo)面的平面的軸測投影在軸測投影面中都得到反映，因此，物體的軸測投影才有較強(qiáng)的立體感。例如，在Pro/E的工程圖環(huán)境中，翻開【繪圖視圖】對話框，并創(chuàng)立軸測圖，如圖1-1所示。線框建模所構(gòu)造的實(shí)體模型只有離散的邊，而沒有邊與邊的關(guān)系，與該模型相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式是直線或曲線方程、點(diǎn)的坐標(biāo)及邊和點(diǎn)的連接關(guān)系。因此，線框模型不適用于對物體進(jìn)展完整信息描述的場合，但在有些情況下，例如評價物體外部形狀、位置或繪制圖紙，線框模型提供的信息是足夠的，

4、同時它具有較好的時間響應(yīng)性，對于適時仿真技術(shù)或中間結(jié)果的顯示是適用的。2外表曲面建模外表建模用面的集合來表示物體，而用環(huán)封閉的有向棱邊來定義面的邊界。它是在線框模型的根底上增加了有關(guān)面的信息，以及面的連接信息。此類模型的數(shù)據(jù)構(gòu)造是表構(gòu)造，除給出邊線及頂點(diǎn)的信息之外，還提供了構(gòu)造三維立體各組成面的信息。此類建模方法主要適用于其外表不能用簡單數(shù)學(xué)模型進(jìn)展描述的物體，如手機(jī)、飛機(jī)、汽車、船舶等的一些外外表。在Pro/E中，外表建模的重點(diǎn)是曲面建模，用于構(gòu)造復(fù)雜曲面的物體，如圖1-2所示。需要注意的是，由于外表模型仍缺少體的信息以及體、面間的拓?fù)潢P(guān)系，因此無法計算和分析物體的整體性質(zhì)，如物體的體積、重

5、心等，也不能將它作為一個整體來考察它與其他物體相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，如是否相交等。 圖1-2 曲面建模3實(shí)體建模實(shí)體建模在外表模型的根底上明確定義了在外表的哪一側(cè)存在實(shí)體，增加了給定點(diǎn)與形體之間的關(guān)系信息。它能完整地表示物體的所有形狀信息，具有完整性、清晰性、準(zhǔn)確性。在實(shí)體造型系統(tǒng)中，可以得到所有與幾何實(shí)體相關(guān)的信息。有了這些信息，應(yīng)用程序就可以完成各種操作，如物性計算、有限元分析、生成數(shù)控加工程序等。由實(shí)體建模構(gòu)造的模型稱為實(shí)體模型。 圖1-3 實(shí)體建模在Pro/E中，實(shí)體建模是最常用的一種建模方式，其特點(diǎn)是可以對實(shí)體信息進(jìn)展全面完整的描述，能夠?qū)崿F(xiàn)消隱、剖切、有限元分析、數(shù)控加工、對實(shí)體著色、光

6、照及紋處理、外形計算等各種處理和操作，如圖1-3所示。1.2 參數(shù)化特征建模概述由于幾何建模幾乎全部建立在幾何模型根底上，缺少生產(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，于是參數(shù)化特征建模技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。特征建模技術(shù)著眼于更好地表達(dá)產(chǎn)品完整的技術(shù)和管理信息，使產(chǎn)品的設(shè)計及加工的全過程通過計算機(jī)并行展開。特征的引用直接表達(dá)了設(shè)計意圖及一定的制造意義，特征的出現(xiàn)使設(shè)計、分析、工藝準(zhǔn)備、加工制造及檢驗(yàn)等各個環(huán)節(jié)有機(jī)地聯(lián)系在一起成為可能。因此，特征技術(shù)得到了迅速的開展。20世紀(jì)80年代末，出現(xiàn)了參數(shù)化、變量化的特征造型技術(shù)，并出現(xiàn)了以Pro/ENGINEER為代表的基于參數(shù)化的特征

7、造型系統(tǒng)，在產(chǎn)品建模領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，并在工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。1.2.1 認(rèn)識特征特征指的是反映零件特點(diǎn)的、可按一定原那么加以分類的產(chǎn)品描述信息。特征造型是以實(shí)體造型為根底的。引入特征概念的目的在于增加CAD/CAM系統(tǒng)中幾何實(shí)體的工程意義?；谔卣鞯脑煨桶烟卣髯鳛楫a(chǎn)品零件定義的根本單元。如利用孔、槽、凸臺等來描述形體的形狀，將產(chǎn)品零件描述為特征的集合。特征與加工是相輔相成的，由特征造型系統(tǒng)提供的通用特征通常帶有加工特性，如倒圓、倒角、孔、槽、型腔等。這些特征可稱為加工特征，因?yàn)槊恳粋€特征都與一種特定的加工工藝匹配，如孔的創(chuàng)立意味著鉆削，而腔體的創(chuàng)立意味著銑削加工。因此，由這些已有的加

8、工特征的尺寸和位置信息可自動生成加工工藝編制?？偟膩碚f，特征造型有如下特點(diǎn)。 著眼于表達(dá)產(chǎn)品的完整的技術(shù)和生產(chǎn)管理信息。為建立產(chǎn)品的集成信息模型效勞。 使設(shè)計工作在更高的層次上進(jìn)展，設(shè)計人員的操作對象不再是原始的線條和體素，而是產(chǎn)品的功能要求，如螺紋孔、定位孔、鍵槽等。 有助于加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計、分析、工藝、準(zhǔn)備、加工、檢驗(yàn)各部門間的聯(lián)系，更好地將產(chǎn)品的設(shè)計意圖貫徹到后續(xù)環(huán)節(jié)并且及時得到后者的意見反應(yīng)。 有助于推動行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計和工藝方法的標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。Pro/E是典型的特征造型系統(tǒng)，其中形狀特征的分類面向較寬的應(yīng)用領(lǐng)域，有一定的通用性，分以下幾類特征。 實(shí)體特征 指直接構(gòu)造實(shí)體的特征，

9、此類特征具有實(shí)際的體積和質(zhì)量，是形成模型的主體，可以通過增加材料或去除材料的方法獲得，依據(jù)成型方法又可分為點(diǎn)放特征和草繪特征。其中點(diǎn)放特征是通過選取特征的類型和放置位置，并賦予必要的尺寸參數(shù)而形成的特征；而草繪特征是在點(diǎn)放特征根底上，由草繪生成的實(shí)體通過去除材料或 增加材料生成的特征，如圖1-4所示。圖1-5 曲面特征效果 圖1-4 點(diǎn)放特征和草繪特征 曲面特征 指曲面造型的各種曲面特征，有根本曲面特征圓柱面、球面以及掃描面、派生曲面特征有偏移曲面、復(fù)制曲面、圓角曲面等、自由曲面特征。定義方式有曲線定義，邊界定義、混合方式定義等，如圖1-5所示。 圖1-6 基準(zhǔn)特征、曲面特征和修飾特征 虛擬特

10、征 虛擬特征是零件構(gòu)建過程中所需要的參考，相當(dāng)于幾何學(xué)中的輔助點(diǎn)、線或面，由基準(zhǔn)特征、曲面特征和修飾特征組成。其中基準(zhǔn)特征包括基準(zhǔn)平面、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)坐標(biāo)系和基準(zhǔn)曲線等類型；曲面特征主要用于實(shí)體模型構(gòu)建的參考；而修飾特征主要用于實(shí)體必要的修飾，以到達(dá)理想的設(shè)計效果，如圖1-6所示。 用戶定義的特征 由用戶自定義或來自特征庫。例如鈑金設(shè)計中的UDF特征。1.2.2 參數(shù)化概念在現(xiàn)代的產(chǎn)品設(shè)計中，對于各類產(chǎn)品的設(shè)計總的可以分為參數(shù)化設(shè)計和變量化設(shè)計，這兩種設(shè)計方法都是基于約束的實(shí)體造型方法，不僅強(qiáng)調(diào)基于特征的設(shè)計，而且全數(shù)據(jù)相關(guān)可實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動設(shè)計修改，此外，還可采用多種方法來解決幾何約束和尺

11、寸關(guān)系等問題。但是，由于這兩種設(shè)計方法在約束和模型處理方式方面具有很大的不同，因此，其建模方法以及應(yīng)用領(lǐng)域還具有以下主要區(qū)別。1約束處理的區(qū)別由上面的介紹可知，參數(shù)化設(shè)計和變量化設(shè)計都是基于約束的實(shí)體造型系統(tǒng)，但是在具體的造型過程中，其各自的約束與模型形狀、建模順序以及工程關(guān)系管理等方面存在著很大的差異，具體介紹如下。 形狀與尺寸的區(qū)別 參數(shù)化在設(shè)計全過程中，將形狀與尺寸聯(lián)合起來一并考慮，通過尺寸約束來實(shí)現(xiàn)對幾何形狀的控制；變量化將形狀約束與尺寸約束分開處理。 在非全約束時的區(qū)別 在約束不完整時，參數(shù)化設(shè)計不允許后續(xù)操作；變量化由于可適應(yīng)各種約束狀況，操作者可以先決定所感興趣的形狀然后再給出一

12、些必要的尺寸，而不必標(biāo)全全部約束也可繼續(xù)后續(xù)的操作。 工程關(guān)系管理的區(qū)別 參數(shù)化的工程關(guān)系不直接參與約束管理，而是由單獨(dú)的處理單元外置處理；變量化的工程關(guān)系可以作為約束直接與幾何方程耦合，最后再通過約束解算器統(tǒng)一解算。由于參數(shù)化苛求全約束，每一個方程式必須是顯函數(shù)，即所使用的變量必須在前面的方程式內(nèi)已經(jīng)定義過并賦值于某尺寸參數(shù)，其幾何方程的求解只能是順序求解；變量化因?yàn)檫m應(yīng)各種約束條件，采用聯(lián)立求解的數(shù)學(xué)方法，方程的求解順序可任意。 表現(xiàn)形式的區(qū)別 參數(shù)化解決的是全約束下的幾何圖形問題，表現(xiàn)形式是尺寸驅(qū)動幾何；變量化解決的是任意約束下的產(chǎn)品設(shè)計問題，既能尺寸驅(qū)動，又可以實(shí)現(xiàn)約束驅(qū)動，即由工程關(guān)

13、系來驅(qū)動幾何形狀的改變，這對產(chǎn)品的構(gòu)造優(yōu)化提供了極大的幫助。2處理方式的區(qū)別參數(shù)化的造型過程要求嚴(yán)謹(jǐn)，由關(guān)鍵尺寸、形狀尺寸、定位尺寸到參考尺寸無一遺漏。造型過程嚴(yán)格遵循軟件的運(yùn)行機(jī)制，不允許尺寸欠約束、逆序求解等。由于只有尺寸驅(qū)動這一種修改方法，對于如何修改尺寸到達(dá)自己的設(shè)計意圖的考慮較為復(fù)雜。 圖1-7 參數(shù)化驅(qū)動模型效果變量化帶給設(shè)計師的是，可以先設(shè)計出產(chǎn)品大概的形狀造型，然后再根據(jù)實(shí)際需要和構(gòu)造需要添加尺寸，從而令設(shè)計者的設(shè)計意圖逐步實(shí)現(xiàn)。由于允許采用不完全尺寸約束，所以設(shè)計者只需要給出必要的設(shè)計條件，系統(tǒng)仍能保證設(shè)計的正確性和高效性。此時，系統(tǒng)將滿足設(shè)計要求的幾何形狀放在第一位，從而可

14、以使設(shè)計者更自由更寬松地進(jìn)展設(shè)計。由上述參數(shù)化和變量化的特點(diǎn)可知參數(shù)化適用于一般系列化的機(jī)械零件設(shè)計，變量化在做概念設(shè)計方面有優(yōu)勢，適用于新產(chǎn)品的開發(fā)、老產(chǎn)品的創(chuàng)新等。因此，參數(shù)化設(shè)計更適合于Pro/E軟件的建模特點(diǎn)，當(dāng)修改參數(shù)的數(shù)值時，系統(tǒng)在保持模型拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下，幾何大小和相比照例將隨著參數(shù)的修改而變化，如圖1-7所示。1.2.3 關(guān)聯(lián)的概念Pro/E系統(tǒng)是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計專用功能來實(shí)現(xiàn)的，此類系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號的方式賦予形體尺寸，不像其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣設(shè)計師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個參數(shù)改變，其他相關(guān)

15、的特征也會自動修整，這種特性即是關(guān)聯(lián)性。所謂關(guān)聯(lián)就是在任意層面上更改設(shè)計，系統(tǒng)就會自動在所有層面上做相應(yīng)的改動。 圖1-8 關(guān)聯(lián)性效果比方將某個零件進(jìn)展修改，并且保存，那么所有包括此零件的模型都會相應(yīng)地發(fā)生變化。例如修改某個零件的任意特征，那么該零件所在的裝配體也會發(fā)生相應(yīng)的變化，如圖1-8所示。1.2.4 基于特征的三維模型“特征或者“基于特征的這些術(shù)語是當(dāng)今CAD領(lǐng)域中經(jīng)常使用的專業(yè)術(shù)語，在創(chuàng)立三維模型時，普遍認(rèn)為這是一種更直接、更有用的創(chuàng)立表達(dá)式。 圖1-9 基于特征的三維建模一般來說，特征構(gòu)成一個零件或者裝配件的單元，雖然從幾何形狀上看，它包含作為一般三維模型根底的點(diǎn)、線、面或者實(shí)體單元，但更重要的是，它具有工程制造意義，也就是說基于特征的三維模型具有常規(guī)幾何模型所沒有的附加的工程制造等信息。要基于特征創(chuàng)立模型，首先需要創(chuàng)立或選取作為模型空間定位的基準(zhǔn)特征，包括基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)線或基準(zhǔn)坐標(biāo)系等；其次，選取草繪平面，并繪制特征截面，然后創(chuàng)立出模型的根底實(shí)體；最后，在該根底實(shí)體上，利用【拉伸】、【旋轉(zhuǎn)】、【孔】、【筋】以及【掃描】等建模工具，創(chuàng)立相應(yīng)的實(shí)體特征即可，如圖1-9所示。此外，在建模過程中，基于特征的三維建?？梢越柚延刑卣鞯倪吘€或?qū)嶓w邊為參照