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1、三维CAD技术基础,讲座内容,三维建模原理 三维CAD应用特点 三维CAD软件简介 Solideworks零件建模方法 Solideworks 部件装配方法 Solideworks 工程图生成方法,1 三维几何造型系统的三种模型,线框模型（wireframe model）,三维建模原理,优点： （1）由于有了物体的三维数据，可以产生任意视图，视图间能保持正确的投影关系，这为生成多视图的工程图带来了很大方便。还能生成任意视点或视向的透视图及轴测图，这在二维绘图系统中是做不到的。 （2）构造模型时操作简便，在 CPU时间及存储方面开销低。 （3）用户几乎无需培训，使用系统像是人工绘图的自然延伸。,
2、缺点： （1）由于在数据结构中缺少边与面、面与体之间关系的信息，即所谓拓扑信息，因此不能构成实体，无法识别面与体，更谈不上区别体内与体外。因此从原理上讲，此种模型不能消除隐藏线，不能作任意剖切，不能计算物性，不能进行两个面的求交，无法生成数控加工刀具轨迹，不能自动划分有限元网格，不能检查物体问碰撞、干涉等。,线框模型的优缺点,（2）因为所有棱线全都显示出来，物体的真实形状需由人脑的解释才能理解，可出现二义性理解。此外当形状复杂时，棱线过多，也会引起模糊理解。 （3）缺少曲面轮廓线，这是因为在线框模型中不包含这样的信息。,表面模型（surface model）,表面模型中有关曲面图素的种类,（1
3、）基本曲面。一般有圆柱面、圆锥面、球面、环面等，有些造型系统提供这些基本曲面，有些造型系统则不提供，而是通过拉伸、回转、扫描等造型方法生成这些基本曲面。,（2）规则曲面。常见的有平面、直纹面、回转面、柱状面等。 平面常用三点定义，用它作剖切平面。 直纹面 给定两条曲线作为导线，以直线为母线沿其导线运动形成的曲面。导线是两条不同的空间曲线，母线是直线，可表示非扭曲的曲面，造型系统中用专门的命令生成直纹面。 回转面先绘制一平面线框图，再绕一轴线旋转生成。 柱状面先绘制一平面曲线，然后沿垂直于该面的方向拉伸而成柱状曲面具有相同的截面。,(3)自由曲面。常见的有Bezier曲面、 B样条曲面Coons
4、曲面等。,优点： 能实现以下功能：消隐、着色、表面积计算、二个曲面的求交、数控刀具轨迹生成、有限元网格划分等。此外擅长于构造复杂的曲面物体，如模具、汽车、飞机等表面。 缺点： 表面模型的缺点是只能表示物体的表面及其边界，它还不是实体模型。因此，不能实行剖切，不能计算物性，不能检查物体问碰撞和干涉。,表面模型的优缺点,实体模型（solid model）,优点： （1）实体模型数据结构不仅记录了全部几何信息，而且记录了全部点、线、面、体的拓扑信息，这是实体模型与线框或表面模型的根本区别。 （2）依靠计算机内完整的几何与拓扑信息，所有前面提到的工作，从消隐、剖切、有限元网格划分、直到NC刀具轨迹生成
5、都能顺利地实现。 （3）由于着色、光照及纹理处理等技术的运用使物体有着出色的可视性，使它在CADCAM领域外也有广泛应用。,实体模型优缺点,缺点： （1）实体造型只存储了形体的几何形状信息，缺乏产品开发全生命周期所需的信息，诸如材料、加工特征信息、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、装配要求等信息，因此不能构成符合STEP标准的产品模型，导致CADCAPPCAM集成及更大范围集成的困难。 （2）实体造型系统在零、部件造型设计时，只能提供无工程语义的简单体素的拼合，这种初级的构型手段，不能满足设计、制造对构型的需要。,2 三维实体的构造方法,半空间法,CSG法,B-rep法,扫描法,单元分解法,参数
6、表示法,CSG法 （Constructive Solid Geometry）,CSG法是一种用体素拼合构成物体的方法。它是目前最常见、最重要的方法之一。,复杂的实体定义为较简单实体（体素）的组合，这种组合是通过布尔运算来实现的。,布尔集合运算,设有两个形体A和B，布尔运算定义如下：, 交集：C = AB = BA 即形体C包含所有A、B共同的点。, 并集：C =AB = BA 即形体 C包含A与B的所有点。, 差集：C =AB（但CBA） 是形体C包含从A中减去A和B共同点 的其余点。,CSG树,通过集合运算生成的几何实体过程可用一个二叉树结构表示 CSG树中的每个子树都代表一个集合，它是用算
7、子对体素进行运算后生成的。 中间结点（子树）是集合运算符号，包括并、差、交，它代表某一中间形体；叶结点是体素或变换参数。 树根就是最终拼合而成的物体。 CSG树代表了CSG方法的数据结构，可以采用遍历算法进行拼合运算。,CSG法优缺点,优点： （1）CSG表示法在几何形体定义方面具有精确、严格的优点。其基本定义单位是体素，不具备体、面、环、边、点的拓扑关系。因此，其数据结构比较简单。 （2）CSG模型是由各个体素构成，而体素正是零件基本形体的表示，因此，从其中很容易抽象出零件的宏观形体和具体形体。 缺点： （1）由于CSG表示法末建立完整的边界信息，因此，既不可能向线框模型转换，也不能用来直接
8、显示工程图。 （2）对CSG模型不能作局部修改，因为其可修改改的最小单元是体素。,B-rep法（边界表示法),以物体边界为基础，定义和描述几何形体的方法。原理是每个物体都由有限个面构成，每个面（平面或曲面）由有限条边围成的有限个封闭域定义。,Brep中要表达的信息分为两类。一类是几何数据，它反映物体的大小及位置，例如顶点的坐标值、面数学表达式中的具体系数等。另一类是拓朴信息，拓朴是研究图形在形变与伸缩下保持不变的空间性质的一个数学分支，,优点： （1）B-rep法强调物体的外表细节，建立了有效的数据结构，把面、边、顶点的信息分层记录，并建立了以显示存储建模基本数据之间的拓扑关系。 （2）能够构
9、造像飞机、汽车那样具有复杂外形的物体，这些物体如用CSG法的体素拼合则难以得到。 （3） B-rep法在图形处理上有明显的优点，因为这种方法与工程图的表示相近，根据B-rep数据可迅速转换为线框模型，尤其在曲面造型领域，便于计算机处理、交互设计与修改。 缺点： （1）存储量大。 （2）必须提供一个方便的用户界面才能使信息量如此大的系统建立起它的边界信息。,B-rep法优缺点,特征建模的主要思想,（1）从构型角度来说，不再将抽象的基本几何体（如图柱、圆锥、球等）作为拼合零件的对象，而是选用那些对设计制造有意义的特征形体作为基本单元拼合成零件，例如槽、凹腔、凸台、孔、壳、壁等特征。 （2）从信息角
10、度来说，特征作为产品开发过程中各种信息的载体，不仅包含了几何、拓扑信息，还包含了设计制造所需的一些非几何信息，如材料信息、尺寸、形状公差信息、热处理及表面粗糙度信息、刀具信息、管理信息等，这样的特征就包含了丰富的工程语义，可以在更高的信息层次上形成零、部件完整的信息模型。,3 特征建模技术,特征建模特点,（1）建立的零、部件模型不仅包括了几何信息，还包括了下游活动（计算机辅助工艺过程设计、数控编程等）所需的信息，形成了符合STEP标准的产品信息模型，从而为CIMS及并行工程（CE）环境下的CAX与DFX等集成打下了良好基础。 （2）能以工程师所熟悉的方式进行设计，比实体造型有更高的设计效率。,
11、特征是零件或部件上一组相关联的具有特定形状和属性的几何实体，有着特定的设计或制造意义 。,特征定义,形状特征的分类,SOLIDWORKS特征,UG PRO/E CATIA,高端CAD系统 中端CAD系统 底端CAD系统,AUTOCAD CAXA电子图板,SOLIDWORKS SOLIEDGE Inventor CAXA实体设计/制造工程师,三维CAD软件简介,Unigranhics（简称UG）是集CADCAECAM为一体的三维参数化软件，为机械制造企业提供从设计、分析到制造过程中的建模，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域
12、。,UG最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程和曲面造型等功能发展起来的软件。20世纪90年代初，美国通用汽车公司选中 UG作为全公司的 CADCAECAMCIM主导系统，这进一步推动了UG的发展。 目前最新版本为UG NX 6,Unigranhics,原麦道、普惠、通用电器发动机公司、英国航空公司、以色列航空公司均是UG在航空航天工业的主要客户；在全球航空航天工业，装机量上万套。美国通用汽车公司是UG软件的最大用户。 在我国UG使用最多的客户在模具行业，铁道部的许多企业也使用该软件。,Pro/Engineer,ProE系统是美国参数技术公司（Parametric Techn
13、ology Corporation，简称PTC）的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械 CADCAECAM的传统观念。这种全新的概念已成为当今世界机械 CADCAECAM领域的新标准。 Pro/E目前的最新版本为Wildfire 5.0,CATIA,CATIA （Computer Aided ThreeTwo Dimensional Interaction Application System）是由法国著名飞机制造公司Dassault公司开发，后被美国IBM公司收购的集CAD/CAE/CAM/PDM于一体的三维设计软件。在工业制造领域，CATIA应用广泛，
14、是航空航天工业市场上占有率最高的CAD/CAM/CAE软件。其最大的标志客户即美国波音公司，波音公司通过CATIA建立起了一整套无纸飞机生产系统，取得了成功。新一代的 CATIA V5是IBMDS公司在充分了解客户应用需求后基于Windows核心重新在 CATIA V4基础上开发的新一代高端 CADCAM软件系统。 目前CAITA的最新版本是V5R20,波音（BOEING）、 洛克希德-马丁（LOCKHEED-MARTIN）、 联合技术（UNITED TECHNOLOGIES）、 庞巴迪（BOMBARDIER）、 雷神-休斯（RAYTHEOM HUGHES）、 达索航空（DASSAULT AV
15、IATION）、 英国宇航（BAE）均是CATIA在航空航天工业的客户； 在全球航空航天工业，装机量近三万套，仅在波音一家，就超过一万套。 奔驰(M-Benz)德国克莱斯勒(Chrysler)美国 本田(Honda)日本 现代(Hyundai)韩国,CATIA主要客户群,国内CATIA主要客户 西安飞机工业(集团)有限责任公司西安飞机设计研究所上海飞机研究所上海飞机制造厂哈尔滨飞机工业(集团)有限责任公司哈尔滨东安发动机(集团)有限公司北京金航联计算机系统工程有限公司原航空工业总公司民机总体部,燎原航空机械厂沈阳飞机工业(集团)有限责任公司陕西飞机工业(集团)有限责任公司沈阳飞机设计研究所成都
16、飞机工业(集团)有限责任公司成都飞机设计研究所直升机设计研究所昌河飞机工业公司,贵航集团云马飞机制造厂贵航集团飞机设计所厦门太古航空公司民用飞机项目公司 上海延锋汽车饰件有限公司哈尔滨哈飞汽车制造有限公司哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司西安西沃客车有限公司一汽集团沈阳金杯汽车有限公司江苏牡丹汽车集团有限公司 上海大众上海华克汽车排汽系统有限公司景德镇昌铃汽车制造有限公司,北京吉普有限公司 武汉神龙上海新安汽车隔音毡总厂井上新艺汽车内饰件公司江阴模塑集团江阴精力模具工程有限公司 一汽大众一汽集团长春江森(汽车座椅有限公司) 百得电动工具（苏州）有限公司哈尔滨气轮机厂美卓造纸机械(无锡)有限公司,I-DEAS,SDRC公司成立于1967年，最初是一家提供工程咨询服务的公司，以工程计算与结构分析为主。 I-DEAS 是美国SDRC公司自1993年推出的新一代机械设计自动化软件，也是SDRC公司CAD/CAE/CAM领域的旗舰产品，并以其高度一体化、功能强大、易学易用等特点而著称。I-DEAS可以在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直
