三维CAD系统及关键技术

《三维CAD系统及关键技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三维CAD系统及关键技术（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、11. 三维CAD系统及关键技术1. 系统功能需求2.2. 系统体系结构3.3. 部分关键技术4.4. 系统开发简介Solid Edge CATIAUG NXPro/EInventor目前最流行的三维CAD系统美、法等国的CAD技术一直走在世界的前沿，它们拥有许多世 界闻名的CAD/CAM系统，这些系统具备十分强大的功能。 国内：清华大学、北航、新舟、浙大、华工 1、系统功能需求 以国家863三维CAD系统评测要求为例系统综合功能二维图形功能 三维造型及零件设计功能 装配功能 三维模型与二维图形的关联功能数据接口功能 系统性能需求l 文字或图符菜单、下拉式菜单、动态弹出式菜单、对 话框、命令语

2、言、数字化仪、鼠标器、功能键、快捷 键、提示信息、出错信息、动态导航功能等。系统综合功能 l 视像定义与修改、多视口显示、动态显示、视图的管 理、透明命令、图形缩放（Z00M）、图形曳移；l 曲面和线框图显示及轮廓图显示；l 实体及特征的真实图与简图显示（简图用于二维及三 维布置）； l 正投影图、轴测图、透视图、剖切图、 消隐图；l 渲染图（真实感图）； l 图像文件输出（GIF等光栅文件格式）。图形显示功能用户界面l 驱动绘图机、打印设备等。 l 视图投影设置、二维视图布局、标准视图和 自定义视图输出、剖视； l 图层控制功能。l 按比例输出图形及自动按图纸设定输出比例； l 输出图形预览

3、及终止预览； l 对多张图纸进行编辑打印； l 绘图输出控制线型及粗细；绘图输出功能设备驱动功能图形管理功能二维图形功能 基本绘图功能 l 建立坐标系统（直角坐标系、极坐标系）；l 点、中心标记（点的绝对坐标、点的相对坐标、点 的绝对极坐标、点的相对极坐标）；l 绘制线段、直线、折线（多段连线、两点连直线、 水平线及垂直线、向已知直线作垂直线、作已知直 线的平行线、作圆弧切线、作已知直线的垂直平分 线、作曲线切线）；l 绘制圆弧、圆（给定圆心和半径作圆、圆弧、作同 心圆、作圆与直线相切、作圆与已知圆相切等）；l 绘制椭圆弧、二次曲线、样条曲线、组合曲线、等 距线等；l 绘制剖面线。图形编辑和操

4、作功能 l图形元素求交与打断 （直线、圆弧、曲线两两求交） ；l相邻两图形元素之间作倒圆与倒角；l多个闭合图形之间的布尔操作（并、差、交运算）；l等分已知直线、分已知圆（弧）；l多义线编辑；l修改图形元素的几何与属性（颜色，所属层，线型， 可见性）数据；l图形平移复制、旋转复制、镜象复制、阵列复制；l图形的平移、旋转、拉伸、图形缩放；l图块之间消隐；l图形的捕捉与选取；l图形元素的剪裁。 标注功能 l 各种尺寸标注、粗糙度标注、形位公差标注、 各种字符、字体标注、工程符号标注。图纸幅面定义功能 l 定义图幅格式类型、图纸标题栏、明细表栏 、其它表栏 绘图辅助功能 l 初始化功能（图形屏幕范围的

5、设定、光标捕捉 精度、栅格显示精度） l 用户坐标系统、图形定位、线型、颜色设定； l 提示信息、回退（UNDO）、重作（REDO） 操作 、公制与英制的换算等。三维造型及零件设计功能 线框造型功能 l 基本几何元素定义；l 曲线插值和逼近；l NURBS曲线；l 线组合、曲线拆散、曲线光顺、曲线延伸、曲 线修整、曲线拼接、曲线求交；l 过渡曲线、等距曲线和线性变距曲线；l 线变换（平移、旋转、镜像、阵列等）；l 曲线分析与计算（切矢、曲率、坐标值反求参 数值等） 曲面造型功能 l 曲面求交、延伸； l 直纹面、旋转面； l 扫成曲面、点阵曲面、由给定边界定义曲面、 NURBS曲面；l 曲面等

6、距和曲面变距； l 曲面过渡、拼接、光顺、剪裁、修型； l 曲面分析与计算（切矢、法矢、各种曲率、坐 标值反求U，V参数值）；l 取子曲面片、曲面的轮廓线、曲线在曲面上的 投影线； l 测量造型（散乱点插值、数据预处理、特征点 提取及光顺）。 实体造型功能 l 基本体素、用户定义体素、体素库（体素库的建 立、查询、删除和维护）； l 实体生成方法（平扫、旋转扫、广义扫等生成方 法，非均匀有理B样条法（NURBS）及其它生成 方法）； l 几何体间的并交差布尔运算； l 局部操作（剖切、圆角、倒角、局部拉伸）； l 实体的编辑（拷贝、镜像、阵列、删除、回退（ Undo）与重作（Redo）、平移、

7、旋转、缩放、 几何元素查询、几何信息的修改）； l 实体抽壳、曲面转实体； l 三维实体向二维的转换（生成轮廓图及消隐）。 特征造型功能 基准特征，拉伸、旋转、扫成、放样特征，增料、 减料特征，过渡、倒角、拔模、抽壳特征 零件库功能 常用标准件库、零件库的建立与维护 布尔运算功能 实体间的交、并、差运算 参数化草图功能 图形生成、图形编辑、约束、图形绘制约束导航 物性分析功能 体积、重量、重心、惯性矩等计算 装配功能 l 基本规模装配（零部件数量100以上）；l 装配约束（装配约束定义、装配约束求解）；l 干涉检查；l 爆炸图；l 装配结构树； l 生成零件BOM表 三维模型与二维图形的关联功

8、能 数据接口功能 l三维模型生成二维图形；l三维模型的变化则二维图形自动变化；l二维图形参数变化则三维模型自动变化；l装配、零件、工程图的全关联。l具有某种国际标准接口（如IGES、STEP等）； l具有某种工业标准接口（如DXF、X_T、SAT、 STL、VRML等）。性能需求 软件的可靠性 l可以屏蔽用户操作错误；l运行操作错误不会导致系统异常退出；l软件应提供数据、图形备份和恢复手段；l软件能进行有效性检查；l无损坏数据、图形和软件的现象； l具有容错性，当CAD软件发生故障或规定界面 被破坏时，仍能保持规定性能；l易恢复，在失效情况下，可重建恢复数据；l安装运行后对其它程序不产生破环性

9、的影响。 软件的易用性 l 易安装维护；l 界面友好、布局合理、风格一致；l 界面所用术语规范、准确；l 操作提示易于理解，引导准确；l 有联机帮助。 软件可扩展性 l 用户可进行系统的功能扩充，例如：用户定义 的图形库、线型库、符号库；l 对话框开发；l 二次开发接口。 11. 三维CAD系统及关键技术1. 系统功能需求2.2. 系统体系结构3.3. 部分关键技术4.4. 系统开发简介以天喻公司等六家单位联合申请项目为例 系统支持大型集团企业 产品协同创新设计，包括： 基础核心层：提供共性基础 构件，几何与拓扑核心数据 结构，内存管理机制、基础 算法引擎及方法；通用平台层：提供通用设计 、分

10、析工具构件, 支撑用户 进行产品结构设计、装配设 计、工程绘图、工艺设计、 数控代码生成；专业应用层：提供面向航空 制造应用设计分析工具，支 持快速产品开发；接口工具集：提供系统内部 各层间访问接口、外部数据 交换接口、系统集成接口、 用户二次开发接口。核心层 l几何引擎：支持零件造型、装配造型、高级曲面造型等 三维数字化设计功能，应具有接口兼容、功能齐全、计 算稳定、几何覆盖域宽、多种造型统一表示、可扩展性 等特点 l2D尺寸约束管理：即变量化草图设计，能够支持2D设 计、工程图和2D轮廓草图，2D轮廓草图能够有效地支 持3D参数化实体模型；支持欠约束和过约束设计。l3D尺寸约束管理：即装配

11、件和机构件的约束管理，能够 支持3D草图、零件设计和装配设计。并提供冲突检测管 理，支持实时动态装配和机构运动仿真。l通用函数库：提高共享的常用数学运算方法。l图形管理：该模块包括线框显示、隐藏线消除、快速真 实感图形显示和高度真实感图形显示等三种不同层次的 子模块，以满足多种形式的用户需求。通用平台层 l特征设计工具：是基于参数化的实体造型。特征包含产品 的特定几何拓扑关系技术公差要求，使产品设计工作在 更高层次上。包括：草图设计、特征生成两个方面。l曲面造型：是复杂形体型面造型的最有力的工具。包括：基本曲面直纹面、旋转面、扫描面、裁剪平面等；功能曲面等距面、椭球面、双曲面、抛物面等；曲面编

12、辑裁剪面、过渡面、曲面拼接、曲面缝合、曲面延伸、曲面求交等。l零件设计：提供以特征为基础的零件设计和管理工具，与 装配和工程图设计共同构成一个设计平台。l装配设计：支持复杂产品装配设计、干涉检查。提供面向 设计群体的装配设计环境，支持参数化自动装配功能，能 容易地完成大型结构、复杂零件的装配和子装配。l工程图设计：主要包括图纸生成、图纸设计、图纸管理及 打印输出等。三维零件或装配模型能自动生成各种视图， 例如主视图、左视图、俯视图、向视图、剖面图，系统自 动填充剖面线等；实现自动国标尺寸标注和工程标注，生 成符合国标的标题栏，创建各种表格和明细表等。l逆向工程工具：包括数据获取、噪声点过滤、残

13、缺数据恢 复、区域分割、特征提取、三角网格化、参数曲面拟合重 建等功能，实现产品的快速原型设计。l钣金设计工具：针对钣金零件的特点专门设计供处理钣金 零件造型用的模块，它根据钣金零件的几何特征进行钣金 零件设计，钣金零件自动展开、自动排样计算。l动画与仿真：提供机构运动仿真、运动协调关系、运动范 围设计、运动干涉检查；机械产品可装配性检查；提供产 品真实效果显示，机器内部的漫游。l其它设计工具集：包括标准件库工具，材料库工具，设计 图表工具，计算工具，协同管理工具，知识管理工具等。应用层 l 专业设计库：结合企业实际需求构建。如飞机、 家电、汽车、工程机械，接口层 l 同一类软件不同系统间的数

14、据交换：如UG、CATIA、 PRO/E，点对点交换，标准：IGES，STEP等； l 不同软件系统间的数据接口：如CAD、CAPP、CAM、 CAE等； l 开放式二次开发接口：提供可供用户开发的API接口。11. 三维CAD系统及关键技术1. 系统功能需求2. 系统体系结构1.3. 部分关键技术2.4. 系统开发简介几何引擎 技术（CAD的基石，本课程重点） 三维形体的表达曲线、曲面的数学基础 NURBS数据的组织及内存管理CSGBREP高精度的曲面求交计算跟踪迭代布尔运算与局部操作 上述内容是本课程的重点和核心，在此不再展开几何约束求解技 术为草图设计、零件设计 、装配设计、标准件库等应

15、 用提供算法支持，整体实现 参数化设计。 在几何约束研究中，首先要解决冗余约束分量的表达 、判定和管理，其次利用结构分解方法实现大规模几何约 束系统的有效分解，实现快速稳定的求解。 奇异性分析求解方程映射子结构划分二维几何约束三维几何约束二维、三维约束求解流程 提供完备的、多层次的 统一产品信息模型，包括几 何、精度、技术特征和管理 信息等，是CAD、CAPP、CAM 、PDM系统集成的前提。特征建模技术形状特征包括：基本体素特征、基于草图的特征、成 型特征、过渡特征和用户自定义特征。基本体素特征：包括长方体、圆柱体、球体、圆环体 、圆台体等特征。基于草图的特征：由草图或一般曲线通过平移、旋转

16、 或者多截面路径扫描而形成的形体。成型特征包括：孔、凸台、槽、台阶、筋、抽壳、特 征阵列等。 过渡特征：包括圆角、倒角等。过渡策略采用当前多数造型系统中采用滚动球策略。其基本思想 是利用沿两相邻面的等距面交线滚 动的球面包络面作为过渡面，以严 格保证过渡的连续性要求。用户自定义特征：可以是基于草图的特征，也可以 是成型特征与草图特征的复合。为了提高过渡的速度，系统中尽量利用二次面作为 过渡曲面，否则，利用基于NURBS的蒙皮过渡算法。另 外，过渡时进行有效的合法性检查。此外还包括：特征拷贝、镜象、联动、组合、重定 义、隐藏、重排序、插入、修改、删除等操作，特征管 理，支持与设计历史无关的并行设计等。当前特征建模需要解决的问题：缺乏产品制造信息定义的有效手段，目前制造特征 的识别与提取仍需依赖人的交互来完成。因此，从CAD到CAPP再到CAM的集成有待进一步 研究。二维、三维模型的全关联技术所谓全关联技术是指装配设计、零件结构设计、工程图设计过程中所有参数共用，如果在某种设计环境下 （例如零件设计）修改其设计参数，则其它设计环境（ 如装