模具CADCAM軟件開發(fā)基礎(chǔ)(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造)

2CAD/CAM軟件開發(fā)根底2.5CAD/CAM建模技術(shù)在模具CAD/CAM系統(tǒng)中，必需要描述產(chǎn)品或零件的幾何信息、物理信息、功能信息、工藝信息、運(yùn)動(dòng)學(xué)信息等，描述的過程就是CAD/CAM的建模過程，馬上產(chǎn)品或零件的各種信息定義成計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示的數(shù)學(xué)模型和數(shù)字信息。目前，模具CAD/CAM系統(tǒng)中主要用模。幾何建模與特征建模幾何建模幾何建?！睪eometricModeling〕是對產(chǎn)品幾何信息的處理，幾何建模的方法是以幾何信息和拓?fù)湫畔⒎从硺?gòu)造體的外形、位置、表現(xiàn)形式等數(shù)據(jù)構(gòu)造。撲信息。2-249種拓?fù)潢P(guān)系：面與面的連接關(guān)系，即面與面相鄰性〔圖2-24a〕。面與頂點(diǎn)的組成關(guān)系，即面與頂點(diǎn)包含性〔圖2-24b〕。面與棱線的組成關(guān)系，即面與棱線包含性〔圖2-24c〕。頂點(diǎn)與面的隸屬關(guān)系，即頂點(diǎn)與面相鄰性〔圖2-24d〕。頂點(diǎn)與頂點(diǎn)間的連接關(guān)系，即頂點(diǎn)與頂點(diǎn)相鄰性〔圖2-24e〕。頂點(diǎn)與棱線的隸屬關(guān)系，即頂點(diǎn)與棱線相鄰性〔圖2-24f〕。棱線與面的隸屬關(guān)系，即棱線與面相鄰性〔圖2-24g〕。棱線與頂點(diǎn)的組成關(guān)系，即棱線與頂點(diǎn)包含性〔圖2-24h〕。棱線與棱線的連接關(guān)系，即線與邊棱線相鄰性〔圖2-24i〕。在計(jì)算機(jī)中常承受鏈表的數(shù)據(jù)構(gòu)造記錄幾何信息和拓?fù)湫畔?，即建立頂點(diǎn)表、棱線表映了構(gòu)造體的面與棱線、面與頂點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系，面表中存放有定義每個(gè)面的頂點(diǎn)序號，棱線序號及面的前后指針。特征建模隨著信息技術(shù)的高速進(jìn)展及計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大CAD／CAM系統(tǒng)提出了更高的要求，特別是進(jìn)展到計(jì)算機(jī)集成制造〔CIMS〕階段，需要將產(chǎn)品的需求分析、設(shè)語義，所以特征建模技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。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(dòng)化為目的，將產(chǎn)品的零程設(shè)計(jì)、數(shù)控加工自動(dòng)編程相結(jié)合，提出了面對制造的設(shè)計(jì)〔DFM〕概念。隨之特征的概且在商品化的CAD／CAM計(jì)閱歷、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)、裝配性分析等綜合CAD系統(tǒng)體系構(gòu)造、特征的自我完善機(jī)制、產(chǎn)品在生命周期設(shè)計(jì)中的特征描述等方面作了大量爭論，取得了豐碩的成果，推動(dòng)了特征建模技術(shù)的進(jìn)展。線框建模線框建模是幾何建模技術(shù)中應(yīng)用最早、最簡潔的一種建模技術(shù)。線框建模的原理三維映像，還可以實(shí)現(xiàn)視圖變換及空間尺寸的協(xié)調(diào)。圖2-25a〕即為四周體的三維線框圖，該四周體由6條棱邊來定義，每一條棱邊由兩個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)值定位。其規(guī)律構(gòu)造如b〕圖所次清楚地記錄在頂點(diǎn)表及棱線表中。c〕表和d〕表即為四周體的頂點(diǎn)表、棱線表。表中完物體線框模型的全部信息。線框建模的特點(diǎn)四周體四周體23432332)24)2344)22 2 23 3 34 4 4線框建模的描述方法所需信息少，數(shù)據(jù)運(yùn)算簡潔，所占的存貯空間較小，對硬件的要求不高。通常，線框建模用來表示二維圖形信息，例如工廠或車間布局、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模擬，結(jié)果。線框建模有其局限性：一是線框建模的數(shù)據(jù)模型規(guī)定了各條邊的兩個(gè)頂點(diǎn)以及各個(gè)頂真實(shí)外形，但是對于曲面體，只表示物體的棱邊就不夠準(zhǔn)確。如圖2-26所示的圓柱體，就的實(shí)體模型，只有離散的邊，而沒有邊與邊的關(guān)系，即沒有構(gòu)成面的信息間的交線，這也給物體的幾何特性、物理特性的計(jì)算帶來困難。外表建模在模具CAD／CAM或解析方程描述時(shí)，就可以承受外表建模的方法。外表建模的原理外表建模是在線框模型的數(shù)據(jù)構(gòu)造根底上，增加面的有關(guān)信息及聯(lián)接指針，通過對實(shí)2-27a〕所示的四周體，與圖2-25線框建模相比，其規(guī)律構(gòu)造b〕圖發(fā)生了變化，除了給出表和棱線表外，還供給了面表〔圖2-27c〕〕，表中記錄了面號，組成面素的棱線數(shù)及棱線號及面的前后指針。a〕四周體的外表模型 b〕四周體規(guī)律構(gòu)造圖外表號外表號組成棱線面循環(huán)鏈表前指針面循環(huán)鏈表后指針F1E1EEEEEEE25EEEE30F2F226F1F3F3346F2F4F4145F30外表建模的特點(diǎn)

c)四周風(fēng)光表2-27外表模型建模原理示意圖43323242343323242323圖a)四周體的開放圖及其有向邊的定義棱線號起點(diǎn)終點(diǎn)左面號右面號E1EEEEEV1VVVVVVVVVVV2F4F1棱線循環(huán)鏈表前指針0棱線循環(huán)鏈表后指針1EEEEE2223F2F1EEEEE3313F1F324414F3F435524F4F246634F2F350外表建模也有其局限性，由于缺乏面、體間的拓?fù)潢P(guān)系，所描述的僅是實(shí)體的外外表，定性同樣會(huì)給物體的質(zhì)量特性分析帶來問題。實(shí)體建模線框建模和外表建模在完整、準(zhǔn)確地表達(dá)實(shí)體外形方面各有其局限性，要想唯一地構(gòu)造實(shí)體的模型，還需承受實(shí)體建模的方法。實(shí)體建模的原理b〕四周體棱線表外表號外表號組成棱線前趨后趨F1-E1-E2+E+E30F2F2+E2-E56F1F3F -E +E -E F F3 3 4 6 2 4F4+E1-E4+E5F30c)四周風(fēng)光表2-28實(shí)體模型建模原理示意圖實(shí)體建模在外表建模的根底上，規(guī)定了外表完整的拓?fù)潢P(guān)系。實(shí)體建模是在計(jì)算機(jī)內(nèi)四周體為例。將四周體開放如圖2-28a〕所示，為了計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別外表的矢量方向，將組成外表，得到圖2-28b〕所示的棱線表。外表的外法線方向是的，依據(jù)外法線方向用右手法則判定構(gòu)成該外表的邊的“正負(fù)”，假設(shè)定義的邊的方向符合右手定則，則這條邊對于該面為“正”，否則為“負(fù)”，得到如圖2-28c〕所示的面表。由于物體的任一條邊線總是兩個(gè)面的EF1

平面為“正”，對F1

平面為“負(fù)”。因此，對圖2-25a〕、2-27a〕所示的四周體，實(shí)體建模的數(shù)據(jù)構(gòu)造如圖2-28所示，其頂點(diǎn)表還是如圖2-25c〕所示，沒有變化，但棱線表撲關(guān)系的描述更加嚴(yán)格。實(shí)體建模的特點(diǎn)實(shí)體建模的特點(diǎn)在于掩蓋了三維立體的外表并與其實(shí)體同時(shí)生成方法，也是CAD／CAM系統(tǒng)的核心技術(shù)。實(shí)體模型的表示方法(Sweep)(CSG)(B—rep)、混合表示法等。掃描變換法(Sweep)掃描變換法是一個(gè)二維輪廓或三維形體沿肯定的軌跡運(yùn)動(dòng)掃描得到的三維形體。常用的掃描方法有：平移掃描〔2-29〕、旋轉(zhuǎn)掃描〔2-30〕、剛體掃描〔2-31〕。2-29平移掃描變換2-30旋轉(zhuǎn)掃描變換2-31剛體掃描變換構(gòu)造的幾何體素構(gòu)造法CSG構(gòu)造的幾何體素構(gòu)造法CSG〔ConstructiveSolidGeometry〕是用根本幾何體素通過布爾運(yùn)算進(jìn)展組合，得到的簡單構(gòu)造體的一種方法。布爾運(yùn)算包括“交”〔∩〕、“并”〔∪〕、“差”〔-〕三種。2-32CSG表示法生成實(shí)體的過程2-32a〕為例，有三種根本體素A、B、C，用CSG表示法可生成實(shí)體MN。其運(yùn)算表達(dá)式為：M=(B-A)-C 或M=(B-C)-AN=(B-A)∪C 或M=(B∪C)-A表2-10反映了M=(B-C)-A的生成過程。設(shè)根本長方體的體素參數(shù)為長l、寬w、高h(yuǎn)，根本圓柱體的體素參數(shù)為直徑￠、柱高h(yuǎn)，且圓柱體的位置標(biāo)志為底面的圓心點(diǎn)坐標(biāo)以及軸線的方向矢量。2-10CSG2-32b的一種過程實(shí)體模型實(shí)體模型BCB-CA〔B-C〕-A實(shí)體生成過程生成長方體生成圓柱體生成盲孔形體生成圓柱體生成幾何體M參數(shù)定義l、w、h及位置參數(shù)定義￠、h及位置參數(shù)定義￠、h及位置參數(shù)邊界表示法B—Rep邊界表示法B—Rep(BoundaryRepresentation)是用實(shí)體的邊界亦即假設(shè)干封閉的面，平機(jī)圖形學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。2-332-33其它實(shí)體相接觸的局部。形體的全部幾何、拓?fù)湫畔⒓捌淠Ｐ椭械臄?shù)據(jù)構(gòu)造呈網(wǎng)狀關(guān)系。這是附屬于某一個(gè)面上的。兩個(gè)相鄰面的交線構(gòu)成了面與面之間的關(guān)聯(lián)。邊界表示法的優(yōu)點(diǎn)在于含有較多的關(guān)于面、邊、點(diǎn)及其相互關(guān)系的信息，這些信息對工程圖繪制及圖形顯示都是格外重要的，便于表示形體簡單的幾何體。邊界表示法比CSG的面、邊、點(diǎn)及其相互間的關(guān)系表示得很清楚，這些數(shù)據(jù)和關(guān)系對于繪圖設(shè)備、交互圖形顯示和形體變換計(jì)算等都是格外有用的，具有較大的有用性。混合表示法混合表示法(HybridModel)是目前CAD／CAM或應(yīng)用于不同的目的，從而充分發(fā)揮各表示方法的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短。目前應(yīng)用最多的是構(gòu)造的幾何體素構(gòu)造法CSG與邊界表示法B—Rep的混合，根本方法是：在原有CSG的樹結(jié)點(diǎn)上擴(kuò)大一級B—Rep的邊界數(shù)據(jù)構(gòu)造，通常狀況下，葉結(jié)點(diǎn)所表示的體素就是以B—Rep方式表示的，故不必再擴(kuò)大；但假設(shè)結(jié)點(diǎn)是由體素(或布爾運(yùn)算結(jié)果)布爾運(yùn)算的結(jié)果，在CSG中則沒有B—Rep表示的邊界信息，故在混合表示法中要擴(kuò)大B—Rep構(gòu)造以便供給構(gòu)成實(shí)體的邊界信息。在CSG與B—Rep的混合模式中，起主導(dǎo)作用的仍舊CSGB—RepCSGCSG優(yōu)點(diǎn)均在混合模式中得以表達(dá)。特征建模特征建模的定義在幾何造型中，實(shí)體模型已經(jīng)比較完善，但它僅僅是零件的幾何外形描述，沒有供給產(chǎn)型的不完整，使CAD/CAM系統(tǒng)共享同一數(shù)據(jù)格式和構(gòu)造的問題沒有得到根本解決，也就CAD／CAM所理解的數(shù)據(jù)構(gòu)造和相互關(guān)系，這些因素導(dǎo)致了系統(tǒng)集成的先天困難。一個(gè)零件的外形主要由其使用功能及加工工藝所打算，因此，在設(shè)計(jì)零件構(gòu)造時(shí)，技術(shù)造的模型稱為特征模型，這種構(gòu)型思維方式稱之為特征建模(FeatureModeling)。特征建模通過計(jì)算機(jī)將工程圖紙所表達(dá)的產(chǎn)品信息抽象為特征的有機(jī)集合，它不僅構(gòu)個(gè)生命周期內(nèi)各種應(yīng)用所需的幾乎全部信息，其中包括治理信息、外形信息和工藝信息。GT碼等。外形信息是產(chǎn)品信息模型中有了幾何外形信息無法確定這些外表應(yīng)承受什么工藝進(jìn)展加工系、機(jī)床導(dǎo)軌、凸臺(tái)、螺紋、各類鍵槽和齒輪等。依據(jù)特征信息，結(jié)合零件的材料和加工精的各項(xiàng)技術(shù)要求。特征建模的方法特征建模主有三種方法：賦值法幾何元素，并將特征參數(shù)、精度特征和材料特征等信息作為屬性賦值到特征模型中。辨識(shí)法性賦值到特征模型中。特征造型法以特征庫中的特征或用戶自定義的特征為根本單元可以簡潔地供給計(jì)算機(jī)關(guān)心編制工藝規(guī)程和數(shù)控機(jī)床加工指令所需要的信息，真正地實(shí)現(xiàn)CAD/CAM一體化。但特征庫的建立是一項(xiàng)格外簡單的工作。特征建模是CAD/CAM建模技術(shù)的一個(gè)質(zhì)的飛躍，也是CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用到達(dá)肯定CAD/CAM技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)展逐步完善。特征建模開發(fā)實(shí)例我們以回轉(zhuǎn)體中的軸類零件特征建模系統(tǒng)為例簡潔說明特征建模技術(shù)的實(shí)施過程。表2-11是依據(jù)軸類零件的設(shè)計(jì)需要?dú)w納出來的局部根本特征，這些特征均承受參數(shù)化方式進(jìn)展2-11中第一列是特征名稱，在CAD/CAM系統(tǒng)的操作中主說明。有了這些特征后，在軸類零部件設(shè)計(jì)中，我們可以很便利地組合出所需要的方案，圖2-34 是由這些特征組合而成的軸類零件的例如。從圖中可以看出，零件是由1+2+3+4+(4-1)+5+6+7+8+92-11中供給的根本特征可知：1：空刀米制外螺紋，特征代碼為32；210；312；410；4-151；510；610；712；810；9：B2B。由此，零件用特征代碼可表示為：零件=32+10+12+10+51+10