計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造課件

1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造北京理工大學(xué)蔡穎第1頁，共24頁。1文庫專用第5章 建模技術(shù)CAD-以計(jì)算機(jī)為輔助工具來完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的 各項(xiàng)工作如何在計(jì)算機(jī)內(nèi)部描述和表示?建模技術(shù)-將現(xiàn)實(shí)世界中的物體及其屬性轉(zhuǎn)化為計(jì)算 機(jī)內(nèi)部數(shù)字化表達(dá)的原理和方法。作用產(chǎn)品信息化的源頭是實(shí)現(xiàn)CAD、CAM的前提是CAD/CAM集成的核心本章就產(chǎn)品的幾何信息的描述原理和方法進(jìn)行學(xué)習(xí)和討論第2頁，共24頁。2文庫專用第5章 建模技術(shù)5.1 基本概念5.2 線框建模5.3 表面建模5.4 實(shí)體建模5.5 特征建模 掌握基本概念、建模方法的原理、特點(diǎn)； 學(xué)會(huì)根據(jù)物體的結(jié)構(gòu)形狀，分析建模過程； 會(huì)應(yīng)用商品化CAD/CAM軟件

2、中的幾何建模功能。 內(nèi)容與任務(wù)重點(diǎn)第3頁，共24頁。3文庫專用5.1 基本概念 建模-從人們的想象出發(fā)， 到完成物體在計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示的過程。 建模技術(shù)-實(shí)現(xiàn)這一過程的原理和方法。 計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示-數(shù)字化模型數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法 幾何建模方法-線框建模表面建模實(shí)體建模第4頁，共24頁。4文庫專用5.1 基本概念 建模過程-第5頁，共24頁。5文庫專用5.1 基本概念 CAD/CAM建模的基本要求： 建模系統(tǒng)應(yīng)具備信息描述的完整性產(chǎn)品自身信息表述滿足設(shè)計(jì)制造管理等各個(gè)過程信息需求 建模技術(shù)應(yīng)貫穿產(chǎn)品生命周期的全過程 建模技術(shù)應(yīng)為企業(yè)信息集成創(chuàng)造條件第6頁，共24頁。6文庫專用xy線框建模是CAD/CA

3、M中開發(fā)應(yīng)用最早的建模方法5.2 線框建模5.2.1 建模原理 用頂點(diǎn)和邊棱線的有限集合來表示和建立物體的計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型表達(dá)平面圖形二維線框模型表達(dá)立體圖形三維線框模型5.2.2 線框建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)表 點(diǎn)號(hào) x y z V1x1 y1 z1 V2 x2 y2 z2 V3 x3y3z3 V4 x4y4 z4線號(hào) 線上頂點(diǎn)號(hào) E1 V1 V2 E2 V2 V3 E3 V3 V1 線號(hào) 線上頂點(diǎn)號(hào) E4 V1 V4 E5 V2 V4 E6 V3 V4 棱線表 V2V3E3E1E2V1E6E5E4V4第7頁，共24頁。7文庫專用5.2 線框建模5.2.3 線框建模的特點(diǎn) 所需信息少，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

4、所占存貯空間較小，處理時(shí)間短，操作容易。 作為基本建模工具在CAD系統(tǒng)中普遍采用 局限性：信息不完整，空間定義缺乏嚴(yán)密性，具有幾何二義性，無法進(jìn)行物性計(jì)算。第8頁，共24頁。8文庫專用5.3 表面建模5.3.1 建模原理 將物體分解為組成物體的表面、邊線和頂點(diǎn)，用頂點(diǎn)、邊線和表面的有限集合來表示和建立物體的計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型。第9頁，共24頁。9文庫專用5.3 表面建模5.3.2 表面建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 頂點(diǎn)表點(diǎn)號(hào) x y z V1x1 y1 z1 V2 x2 y2 z2 V3 x3y3z3 V4 x4y4 z4線號(hào) 線上頂點(diǎn)號(hào) E1 V1 V2 E2 V2 V3 E3 V3 V1 線號(hào) 線上頂點(diǎn)號(hào)

5、E4 V1 V4 E5 V2 V4 E6 V3 V4 棱線表 xyV2V3E3E1E2V1E6E5E4V4F1F2F3F4面表 面號(hào) x y z F1E1 E2 E3 F2 E2 E5 E6F3 E1E4E5 F4 E3E4 E6組成棱線第10頁，共24頁。10文庫專用5.3.3 表面描述的方法 構(gòu)造復(fù)雜的曲面物體，可用多種不同的曲面表達(dá)方式造型。 常用的有：5.3 表面建模第11頁，共24頁。11文庫專用5.3.4 表面建模的特點(diǎn) 表達(dá)了零件表面和邊界定義的數(shù)據(jù)信息，有助于對(duì)零件進(jìn)行渲染處理；有助于系統(tǒng)直接提取有關(guān)面的信息生成數(shù)控加工指令。 有助于對(duì)物性方面與面積有關(guān)的特征計(jì)算 有助于分割成

6、板、殼單元形式的有限元網(wǎng)格5.3 表面建模 擅長(zhǎng)構(gòu)造復(fù)雜的曲面物體如： 模具 汽車 飛機(jī)等表面第12頁，共24頁。12文庫專用5.3.4 表面建模的特點(diǎn) 5.3 表面建模?！?！ 局限性： 信息仍不完整，缺乏面、體間 的拓?fù)潢P(guān)系，無法區(qū)別體內(nèi)、外面的朝向；算法還不夠完善；操作比較復(fù)雜。第13頁，共24頁。13文庫專用5.4 實(shí)體建模5.4.1 建模原理 不僅記錄構(gòu)成物體的點(diǎn)、線、面、體的幾何信息和拓?fù)湫畔砻枋鑫矬w，而且采用有向邊描述組成表面的封閉邊線；采用法向矢量標(biāo)識(shí)面的朝向，拓?fù)潢P(guān)系的描述嚴(yán)格。5.4.2 實(shí)體建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 棱線表線號(hào) 起點(diǎn)終點(diǎn)右面號(hào)E1V1 V2 F3 E2 V2 V3

7、 F2 E3 V1V3F1 E4 V1V4 F4左面號(hào) 線型顏色 F1/ / F1 / / F4 /F3/E5 V2V4 F3F2/E6 V3V4 F4F3/面號(hào) x y z F1+E1 +E2 -E3 F2 -E2 +E5 -E6F3 -E1+E4-E5 F4 +E3+E6 -E4組成棱線面表V4V4V3V4V1F3F1F4F2E3E1E2E5E6E6E5E4E4V2第14頁，共24頁。14文庫專用5.4 實(shí)體建模5.4.3 實(shí)體建模主要方法 體素集合運(yùn)算生成復(fù)雜形體。（1）體素的定義及描述類型基本體素掃描體素平面輪廓掃描三維實(shí)體掃描（2）體素之間的集合運(yùn)算布爾模型布爾運(yùn)算交并差第15頁，共

8、24頁。15文庫專用5.4 實(shí)體建模5.4.4 實(shí)體模型的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示方法（1）邊界表示法（B-Rep法） 實(shí)體由面的集合表示；面由邊的集合描述；邊由點(diǎn)的集合描述；點(diǎn)由三個(gè)坐標(biāo)值定義。 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。 第16頁，共24頁。16文庫專用5.4 實(shí)體建模5.4.4 實(shí)體模型的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示方法（1）邊界表示法（B-Rep法）優(yōu)點(diǎn)： 面、邊、點(diǎn)及其相互關(guān)系的信息比較全，圖形顯示、輸出時(shí)不需要復(fù)雜的運(yùn)算，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)

9、聯(lián)。局限性： 對(duì)幾何物體的整體描述能力相對(duì)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)。第17頁，共24頁。17文庫專用U5.4 實(shí)體建模5.4.4 實(shí)體模型的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示方法（2）構(gòu)造立體幾何法（CSG法）通過布爾運(yùn)算將簡(jiǎn)單的基本體素拼合成復(fù)雜實(shí)體 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為有序的二叉樹。葉結(jié)點(diǎn)為基本體素或變換矩陣；分枝結(jié)點(diǎn)為運(yùn)算符號(hào)；子樹為建模過程中的子實(shí)體；該二叉樹對(duì)應(yīng)著被建模的物體。例1ABDBDAUCCABDC例2第18頁，共24頁。18文庫專用5.4 實(shí)體建模5.4.4 實(shí)體模型的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示方法（2）構(gòu)造立體幾何法（CSG法）優(yōu)點(diǎn)： 方法簡(jiǎn)潔，處理方便

10、，無冗余信息； 詳細(xì)記錄構(gòu)成實(shí)體的原始特征參數(shù)以及構(gòu)造過程。局限性： 信息簡(jiǎn)單，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； 實(shí)體操作需要大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算。 可方便地修改體素參數(shù)或附加體素進(jìn)行重新拼合。是實(shí)體建模系統(tǒng)中最常用的方法。第19頁，共24頁。19文庫專用5.4 實(shí)體建模5.4.4 實(shí)體模型的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示方法（3）混合表示法 建立在邊界表示法與構(gòu)造立體幾何法的基礎(chǔ)上，在同一系統(tǒng)中，兩者結(jié)合，共同表示實(shí)體。在原有CSG樹的結(jié)點(diǎn)上擴(kuò)充一級(jí)B-Rep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)減少了中間計(jì)算量第20頁，共24頁。20文庫專用5.4 實(shí)體建模5.4.4 實(shí)體模型的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示方法（4）空間單元表示法

11、 通過一系列空間單元構(gòu)成的圖形來表示物體的一種方法。這些單元是具有一定大小的平面或立方體； 在計(jì)算機(jī)內(nèi)部通過定義各單元的位置是否被實(shí)體占有來表達(dá)物體。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)四叉樹-二維物體八叉樹-三維物體將平面劃分為四個(gè)子平面，這些子平面仍可以繼續(xù)劃分，通過定義這些子平面的“有圖形”和“無圖形”來描述不同形狀的物體將空間通過三坐標(biāo)平面XY、YZ、ZX劃分為八個(gè)子空間。 八叉樹中的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著每一個(gè)子空間。第21頁，共24頁。21文庫專用5.4 實(shí)體建模5.4.4 實(shí)體模型的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示方法（4）空間單元表示法特點(diǎn)： 數(shù)字化的空間近似表示法，單元的大小直接影響模型的分辨率，需要大量存儲(chǔ)空間； 不能表達(dá)物體任意兩部分之間的關(guān)系，也沒有點(diǎn)、線、面的概念。優(yōu)點(diǎn)： 算法簡(jiǎn)單，便于局部修改及集合運(yùn)算。缺點(diǎn)： 占用空間大。便于物性計(jì)算、有限元網(wǎng)格劃分第22頁，共24頁。22文庫專用5.4 實(shí)體建模5.4.5 實(shí)體建模的特點(diǎn) 克服了線框建模以及曲面建模存在的二義性等缺陷，可以自動(dòng)進(jìn)行真實(shí)感圖像的生成和物體間的干涉檢查。廣泛應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析有限元分析機(jī)器人編程數(shù)控仿真空間技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)和制造集成