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1、.,第4章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型,基本概念 几何建模技术 特征建模技术 集成产品数据模型及数据交换接口,.,第1节 基本概念,计算机内部表示及建模技术 建模的方法及其发展,.,一、计算机内部表示及建模技术,计算机内部表示： 决定在计算机内部采用什么样的数字化模型来描述、存储和表达现实世界中的物体。 CAD/CAM建模技术： 研究产品数据模型在计算机内部的建立方法、过程及采用的数据结构和算法。 建模过程：想象模型、信息模型、存储模型,.,二、 建模的方法及其发展,建模方法： 几何建模、特征建模、全生命周期建模 产品信息数据模型： 几何模型（二维、三维线框、曲面、实体）、特征模型、
2、集成产品模型、智能模型及生物模型等 建模方法的发展 几何建模 特征建模概念的提出,.,1、几何建模的定义,几何建模方法 物体的描述和表达是建立在几何信息和拓朴信息处理基础上的。 几何信息 物体在欧氏空间中的形状、位置和大小； 拓朴信息 物体各分量的数目及其相互间的连接关系。,.,几何信息的二义性,必须同时给出几何信息和拓扑信息,.,拓扑信息的描述,视具体要求不同选择不同的拓扑描述方法。,.,几何建模技术研究内容,主要研究课题： 现实世界中物体的描述方法 三维实体建模中的各种计算机内部表达模式 发展一些关键算法 几何建模系统的某些重要应用,.,2、特征建模的概念的提出,几何模型 信息无明显的功能
3、、结构及工程含义，提取、识别工程信息困难。 特征（Feature） 是一种集成对象，包含丰富的工程语义，在更高层次上表达产品的功能和形状信息。 不同的设计阶段和应用领域有不同的特征定义： 功能特征、加工特征、形状特征、精度特征,.,第2节 几何建模技术,几何建模系统分类 三维几何建模技术 三维实体模型计算机内部表示法,.,几何建模系统分类,二维几何建模系统 三维几何建模系统,.,二维几何建模系统,类型 边式：只描述轮廓边，通过不同类型轮廓边的相互顺序实现绘图目的。 面式：将封闭轮廓边包围的范围定义成平面，作为整体来处理。 适用范围： 计算机辅助绘图、回转体零件数控编程 弱点： 零件的各个视图是
4、相互独立产生的，无整体信息模型，当一个视图改变时，其它视图不可能自动改变。,.,三维几何建模系统,三维建模类型： 线框建模、表面建模、实体建模,.,三维几何建模技术,线框建模 曲面建模 实体建模,.,三维线框模型的几何元素及存储结构,基本几何元素： 点、直线、圆弧和某些二次曲线 计算机内部描述： 边表、点表,.,三维线框模型,特点： 数据结构简单、对硬件要求不高、显示响应速度快等优点 不存在内外表面的区别，信息不完整，存在多义性。不能自动进行可见性检验及消隐。 适用于： 实时仿真、在实体建模的CAD系统显示中间结果。,.,线框模型向曲面和实体模型的转换,从平面投影的三视图自动构成三维实体 自底
5、向上重构法 基本模型引导的重构算法 自顶向下的重构法 在三维线框上通过蒙皮构成实体 原理：同三维视图重构法，但它关心的是如何将点和边构成环。 几何法、拓扑法,.,曲面建模/表面建模,定义： 是通过对物体的各种表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。 适用： 表面不能用简单的数学模型进行描述的复杂物体型面。 方法： 由给出的离散点数据构成光滑过渡的曲面，使曲面通过或逼近离散点。,.,复杂物体型面,.,曲面建模/表面建模（2）,常用的参数曲线、曲面有： Bezier， B-spline， Coons， NUEBS 简化曲面生成方法： (1) 线性拉伸面 (2) 直纹面 (3) 旋转面 (4) 扫描面
6、 曲面模型可以为其它应用场合继续提供数据： 有限元网格的划分、三坐标或五坐标NC编程、计算和确定刀具运动轨迹 为反求工程（RE）的CAD建模提供基础。,.,三次Bezier曲线及双三次曲面,.,实体建模,定义： 实体建模是利用基本体素，如长方体、圆柱体等通过集合运算生成复杂形体的建模技术。 体素的定义及描述 基本体素及空间位置及方向 平面轮廓扫描体 平扫体、旋转体 整体扫描 布尔运算 布尔运算：并、交、差 过程模型，可以二叉树结构表示,.,基本体素,参数描述，基准点,.,平面轮廓扫描体,前提：封闭的平面轮廓,.,整体扫描,实用： 生产过程的模拟及干涉检验，特别是NC加工中刀具轨迹生成和检验方面
7、,.,实体建模应用场合：,运动学分析 干涉检验 机器人编程 五坐标NC铣削过程模拟 空间技术,.,三维实体模型计算机内部表示法,边界表示法（BRep） 把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间，形体可通过边界来表示，面通过边、边通过点、点通过三个坐标值来定义。 强调形体外表细节，记录了所有几何、拓扑信息。 核心信息为平面,.,边界表示法的数据结构,特点： 数据结构呈网状关系 内部结构和关系与采用的物体生成描述方法无关,.,零件的不同生成描述方法,不同的生成方法和生成顺序，但其内部的数据结构相同,.,边界表示法的特点,边界表示法的优点在于含有较多的关于面、边、点 及其相互关系的信息，可通过人机交
8、互对物体模型进行局部修改 有关物体生成原始信息，基本体定义，如何拼合等无法提取 描述所需信息量较大，信息冗余。,.,面边的两次存储,.,构造立体几何法（CSC）,基本思想 通过基本体素及它们的集合运算进行表示，即通过布尔模型生成二叉树结构表示 CSG法与BRep法的主要区别 CSG法计算机存储过程模型，强调各体素进入拼合时的原始状态。 BRep法强调拼合后的结果。,.,CSG法的特点,存储基本体素变换矩阵，CSG法数据量只有BRep法的1/10 描述复杂物体有一定局限性 隐式模型，不存储物体的详细几何信息 可实现整体修改，而局部修改难,.,CSC局部修改,.,整体修改,.,混合模式,基本思想
9、在一个系统中采用不同形式的表示方法，常见的CSG法和Brep混合，在原来CSG的结点上扩充一级边界数据结构。 特点 (1) 可实现快速图形显示 (2) 由于起主导作用的是CSG结构，局部修改等仍不可实现。,.,混合模式,.,空间单元表示法,基本思想 通过一系列空间单元构成图形来表示物体，单元Cell都是具有一定大小的立方体。是一种数字化的近似表示法。 特点： (1) 要求大量存储空间 (2) 没有点线面的概念，不能表达物体任意两部分之间的关系。只是空间近似。 (3)算法简单，是物性计算和有限元划分的基础。,.,.,空间单元表示法计算机内部表示,四叉树（二维），八叉树（三维）,.,半空间法（以C
10、SG为基础）,数学意义： 一个平面半空间可通过一个无限平面和法向向量来定义。 特点 可实现局部修改 容易引进自由曲面 使CSG数据结构在形式上向着面模式过渡。,.,实体建模计算机内部表示发展趋势,(1) 采用混合模式 (2) 以精确表示形式存储曲面实体模型 (3) 引入参量化、变量化建模方法，便于设计修改 (4) 采用特征建模技术，实现系统集成。,.,第3节 特征建模技术,特征建模的概念 特征的表示及数据结构 特征建模技术的实现和发展,.,一、特征建模的概念,1 特征的定义 2形状特征的分类,.,1 特征的定义,特征： 产品开发过程中各种信息的载体，包含零件的几何拓朴信息，设计制造等过程所需要
11、的非几何信息，如材料信息、尺寸、形状公差信息、表面粗糙度信息和刀具信息等。 特征表达如下： 产品特征 形状特征工程语义信息 语义信息： 静态信息: 描述特征形状、位置属性数据； 规则和方法: 确定特征功能和行为； 特征关系: 描述特征间相互约束关系,.,2形状特征的分类,特征分类标准： 每一类特征都是零件设计的基本功能单元，同时其方法和制造手段基本上一致。 形状特征分类； 制造方法：铸、锻、焊、机加工等特征 零件类型：轴盘类、板块类、箱体类等特征 设计过程：基特征、正特征和负特征、主特征和辅助特征 复杂程度：简单特征、复合特征,.,二、 特征的表示及数据结构,特征需表示的信息： 特征体素 特征
12、造型中进行布尔运算的单元， 特征面及拓朴信息 建立特征之间关系及工程属性的基础。 结构： 特征体素层 特征体素的定义与几何建模中的CSG中的实体单元对应。 特征面关系层 特征面的组成、面的邻接关系以及面的作用和属性等 特征几何元素定义层,.,特征面数据结构示意图,.,三、 特征建模技术的实现和发展,特征识别 首先进行几何设计，然后在建立的几何模型上，通过人工交互或自动识别算法进行特征的搜索、匹配。 特点：特征信息的提取和识别困难，仅适于简单加工特征识别，且形状特征之间的关系无法表达。 基于特征设计/特征建模 直接采用特征建立产品模型，而不是事后再识别。 建立在三维实体建模系统的基础上，增加特征
13、的描述信息，建立特征库，并将几何信息与非几何信息描述在一个统一的模型中，设计时将特征库中预定义的特征实例化。,.,特征建模技术的特点,从设计角度 扩大了建模体素的集合，方便设计，为设计高效率、标准化、系列化提供条件； 从加工角度 特征对应着一定的加工方法，简化CAPP决策逻辑，同时可将加工方法与特征封装实现了程序的结构化、模块化、柔性化。,.,4.4 集成产品数据模型及数据交换接口,CAD/CAM资源共享需： 统一的产品数据模型定义体系 统一的产品数据交换标准 集成产品数据模型 产品数据交换接品的标准,.,一、 集成产品数据模型,定义： 与产品有关的所有信息构成逻辑单元，包括产品的生命周期内有
14、关的全部信息，且在结构上能清楚表达信息的关联。 包含内容： 面向产品生产过程的集成产品数据模型结构，由很多局部模型组成的关联模型。可以满足各生产环节对信息的不同需求。,.,数据的描述和表达满足几点要求：,数据表达完整，无冗余和二义性 建立数据之间的关联结构当一部分数据修改时，与之相关部分数据可相应变动 数据结构简单，便于查询、修改和扩充。,.,基于特征的集成产品数据模型,特点： 容易表达、处理，能够反映设计师意图及描述信息完备 可为设计、分析、加工各环节所自动理解的全局性模型 可与参数化设计、尺寸驱动等设计思想结合，为设计者提供全新的设计环境。,.,包含的零件信息 零件总体信息 基体信息 零件
15、特征信息 零件几何、拓朴信息,.,二、 产品数据交换接品的标准,产品数据交换接口的用途 初始图形交换规范IGES 产品数据交换标准STEP,.,（一）产品数据交换接口的用途,数据交换 不同设计部门之间 设计、生产准备、制造部门之间 不同合作企业之间 不同时期的研制产品之间 不同CAD/CAM系统之间 同一CAD/CAM系统的不同版本之间,.,产品数据交换接口的用途(2),数据交换接口的联接形式 在专用数据交换接口基础上的点对点联接 系统无关的通用数据交换接口的基础上实现星形联接。,.,通用数据交换接口数据交换原理,.,（二）初始图形交换规范IGES,（1）IGES数据文件的总体结构 IGES数
16、据文件 数据进行顺序存储 每行记录长度为80个字符 采用ASCII标准代码 分为五个区段： 起始段(S)、全局段(G)、元素索引段(D)、参数数据段(P)、结束段(T),.,IGES起始段的格式,.,初始图形交换规范IGES(2),（2）IGES元素 描述产品形状的几何元素 描述尺寸标注及工艺信息的标注图形元素 描述逻辑关系的属性和结构元素 （3）IGES在应用中的问题和发展 成功： 不同CAD系统之间工程图样信息的交换 通过传递的几何数据实现运动模拟和动态试验 CAD与NC系统之间的联系 CAD与FEM (Finite Element Method 有限元方法)系统的连接,.,初始图形交换规范IGES(3),问题： 元素范围有限。主要是几何方面的信息。 占用的存储空间较大。固定的数据格式和存储长度，数据文件稀疏。 时常发生传递错误。语法上的二义性。,.,（三）产品数据交换标准STEP,STEP技术为CADCAM系统提供了一种中性机制，它规定了产品设计、制造以至于产品全生命周期内所需的有关产品形状、解析模型、材料、加工方法、装配顺序、检验测试等方面信息的
