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1、第5章 产品数字化造型技术,5.1 数字化造型技术概述 5.2 几何形体在计算机内部的表示 5.3 计算机图形学的基本概念 5.4 线框、曲面和实体造型技术 5.5 特征造型和参数化造型技术 5.6 数字化装配技术 5.7 几何形体的渲染技术 5.8 主流数字化造型软件介绍,5.1 数字化造型技术概述,1.参数化设计 2.智能化 3.基于特征设计 4.单一数据库与相关性设计 5. NURBS几何造型技术 6.数字化设计软件与其他开发、管理系统的集成 7.标准化,参数化设计是Revit Building的一个重要思想，它分为两个部分：参数化图元和参数化修改引擎。,1.参数化设计,智能化技术在其应
2、用中主要体现在计算机技术，精密传感技术，GPS定位技术的综合应用。随着产品市场竞争的日趋激烈，产品智能化优势在实际操作和应用中得到非常好的运用。,2.智能化,基于特征的设计是一种基于特征的系统的实现方法，它使设计者持征进行产品建模，而在基于特征的系统中特征的描述和修改是两个重要的问题。,3.基于特征设计,单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现 产品相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。 相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相 关环节上。,4.单一数据库与相关性设计,在计算机辅助几何造型设计中，非均匀有理B样条技术越来越受到人们的重视，这是由于NURBS的优越性质与潜在开发能力
3、决定的，首先，NURBS可精确表示规则曲线与曲面，可以在一个几何设计系统中使用同一的数学模型表示规则曲面和自由曲面。,5. NURBS几何造型技术,6.数字化设计软件与其他开发、管理系统的集成,为在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动，称为标准化,7.标准化,5.2 几何形体在计算机内部的表示,5.2.1 几何信息和拓扑信息 5.2.2 形体的定义及表示形式,5.2.1 几何信息和拓扑信息,表5-1 常见几何元素的数学表达式,5.2.1 几何信息和拓扑信息,图5-1 拓扑等价的两个几何实体,5.2.1 几何信息和拓扑信息,5.2.2 形体的定义及表示形
4、式,1.点 2.边 3.面 4.环 5.体 6.壳 7.形体的层次结构,1.点,2.边,3.面,图5-2 面的外环与内环,4.环,5.体,6.壳,图5-3 正则形体,图5-4 非正则形体 a)非正则形体案例一 b)非正则形体案例二 c)非正则形体案例三,表5-2 正则形体与非正则形体的区别,图5-5 形体的层次结构,7.形体的层次结构,5.3 计算机图形学的基本概念,5.3.1 计算机图形学概述 5.3.2 坐标系统 5.3.3 窗口与视口 5.3.4 图形变换 5.3.5 图形裁剪,5.3.1 计算机图形学概述,(1)图形输入功能。 (2)存储功能。 (3)计算功能。 (4)显示和输出功能。
5、 (5)对话功能。,(1)图形输入功能,(2)存储功能,(3)计算功能,(4)显示和输出功能,(5)对话功能,5.3.2 坐标系统,(1)世界坐标系(World Coordinate System，WCS)也称全局坐标系(global coordinate system)或用户坐标系。 (2)建模坐标系(Modeling Coordinate System，MCS)也称为局部坐标系(local coordinate system)或主坐标系(master coordinate system)。 (3)观察坐标系(Viewing Coordinate Systems，VCS)是左手三维直角坐标系
6、，用于从观察者的角度对世界坐标系内的物体进行重新定位和描述。 (4)成像坐标系(Imaging Coordinate Systems，ICS)是一个二维坐标系，它定义在成像平面上。,5.3.2 坐标系统,(5)规格化设备坐标系(Normolizing Device Coordinate System，NDCS)，也是左手三维直角坐标系。 (6)设备坐标系(Device Coordinate System，DCS)也称屏幕坐标系(screen coordinate system)。,图5-6 三维直角坐标系的定义 a)右手坐标系 b)左手坐标系,5.3.2 坐标系统,图5-7 各种图形坐标系及其
7、相互关系,5.3.2 坐标系统,图5-8 常用坐标系的转换关系,5.3.2 坐标系统,5.3.3 窗口与视口,1.窗口 2.视口 3.窗口、视口变换,1.窗口,2.视口,图5-9 窗口与视口 )定义窗口 )视口图像,3.窗口、视口变换,5.3.4 图形变换,1.图形变换的数学基础 2.二维图形的几何变换,1.图形变换的数学基础,2.二维图形的几何变换,(1)二维平移变换。 (2)二维旋转变换。 (3)二维缩放变换。 (4)二维对称变换。,(1)二维平移变换,(2)二维旋转变换,(3)二维缩放变换,图5-10 常见的二维图形几何变换 a)二维平移变换 b)二维旋转变换 c)二维缩放变换,图5-1
8、1 对称变换 a)X轴对称 b)Y轴对称 c)原点对称 d)Y=X轴对称 e)Y=-X轴对称,(4)二维对称变换,5.3.5 图形裁剪,1.线段的裁剪 2. Cohen-Sutherland线段裁剪算法,图5-12 直线段的裁剪 a)裁剪前 b)裁剪后,1.线段的裁剪,2. Cohen-Sutherland线段裁剪算法,图5-13 Cohen-Sutherland编码,2. Cohen-Sutherland线段裁剪算法,5.4 线框、曲面和实体造型技术,5.4.1 线框造型 5.4.2 曲面造型 5.4.3 实体造型,图5-14 线框模型的数据结构原理 a)线框模型 b)顶点表 c)棱线表,5
9、.4.1 线框造型,图5-15 具有“二义性”的线框模型,5.4.1 线框造型,5.4.2 曲面造型,5.4.3 实体造型,5.4.2 曲面造型,1.曲面模型的概念 2.曲面造型方法,1.曲面模型的概念,图5-16 表面模型的数据结构,1.曲面模型的概念,2.曲面造型方法,(1)扫描曲面(swept surface)。 (2)直纹面(ruled surface)。 (3)复杂曲面(complex surface)。,(1)扫描曲面(swept surface)。,1)线性拉伸面。 2)旋转面。 3)扫成面。,图5-17 线性拉伸面,1)线性拉伸面,图5-18 旋转面,2)旋转面,图5-19 扫
10、成面,3)扫成面,图5-20 直纹面,(2)直纹面(ruled surface)。,(3)复杂曲面(complex surface)。,1)孔斯曲面。 2)贝塞尔曲面。 3)B样条曲面。,1)孔斯曲面,图5-21 孔斯曲面,图5-22 贝塞尔曲面,2)贝塞尔曲面,5.4.3 实体造型,1.扫描变换法 2.边界表示法 3.体素构造法,图5-23 扫描变换法,1.扫描变换法,图5-24 实体模型的边界表示,2.边界表示法,图5-25 翼边结构示意图,3.体素构造法,图5-26 常用的基本体素 a)长方体 b)圆柱体 c)圆锥体 d)球体 e)楔形体 f)圆环体,3.体素构造法,3.体素构造法,1)
11、并集：C=AB=BA。 2)交集：C=AB=BA。 3)差集：C=A-B。,图5-27 长方体与圆柱体的布尔运算 a)基本体素A和B b)并集：AB c)交集：AB d)差集：AB,3.体素构造法,图5-28 两个三维实体的交 a)体素A和B b)布尔交运算 c)正则集合运算,3.体素构造法,图5-29 某零件的CSG树,3.体素构造法,5.5 特征造型和参数化造型技术,5.5.1 特征造型 5.5.2 参数化造型 5.5.3 参数化特征造型,5.5.1 特征造型,1.特征的定义 2.特征造型的特点 3.特征的分类,1.特征的定义,图5-30 某零件的特征,1.特征的定义,2.特征造型的特点,
12、1)传统造型技术(如线框造型、曲面造型和实体造型)都是着眼于完善产品的几何描述能力。 2)特征造型使产品数字化设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，如螺纹孔、定位孔、键槽等。 3)特征造型有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、装配、检验等各部门之间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到后续环节，并及时地得到后者的反馈信息。 4)特征造型有助于推行行业内产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化，在产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构具有良好的工艺性。,2.特征造型的特点,5)特征造型有利于推动行业及专业产品设计，有利于从产品设计中提炼出
13、规律性知识及规则，促进产品智能化设计和制造的实现。,3.特征的分类,(1)形状特征。 (2)装配特征。 (3)精度特征。 (4)材料特征。 (5)性能分析特性。 (6)补充特征。,5.5.2 参数化造型,(1)尺寸驱动系统。 (2)变量设计系统。,图 5-31 尺寸驱动的参数化造型 a)驱动前的图形 b)驱动后的图形,(1)尺寸驱动系统,图5-32 变量设计系统,(2)变量设计系统,5.5.3 参数化特征造型,(1)三维零件模型是SolidWorks的基本部件。 (2)特征是三维模型的基本元素。 (3)二维草图是生成特征的基础。,(1)三维零件模型是SolidWorks的基本部件,(2)特征是
14、三维模型的基本元素。,1)“拉伸(Extrude)特征”是将一草图沿与草图垂直的方向移动一定距离生成特征的方法。 2)“扫描(Sweep)特征”是将一个轮廓(截面)沿着一条路径移动而生成基体、凸台、切除或曲面等特征的方法。 3)“旋转(Revolve)特征”是将一个草图绕中心线旋转一定角度来生成特征的方法，它既可以生成基体/凸台特征，也可旋转切除或生成旋转曲面特征。 4)“放样(Loft)”是以两个或多个轮廓为基础、通过在轮廓之间的过渡生成的特征。 5)“圆角(Fillet)”和“倒角(Chamfer)”是机械零件中的常见结构。,6)“抽壳(Shell)特征”是去除零件内部的材料，使所选择的面
15、敞开，并在剩余面上生成薄壁特征。 7)“筋(Rib)特征”是从开环的草图轮廓生成的特殊类型的拉伸特征。 8)“孔(Hole)”是机械零件中的常见特征。 9)“拔模(Draft)”以指定的角度斜削模型中所选的面。 10)特征的“镜向(Mirror)”是以一个(或多个)已有特征为基础，以某一基准面为对称面，在基准面的另一侧生成上述特征的复制。 11)“线性阵列(Linear Pattern)”是沿一条或两条直线路径生成已选特征的多个实例。,(2)特征是三维模型的基本元素。,12)“圆周阵列(Circular Pattern)”是以绕一轴心沿圆周排列的方式，生成一个或多个特征的多个实例。,(2)特征
16、是三维模型的基本元素。,图5-33 SolidWorks中常用的实体造型特征 a)拉伸特征 b)扫描特征 c)旋转特征 d)放样特征 e)圆角特征 f)倒角特征 g)抽壳特征 h)筋特征及钻孔特征 i)拔模特征 j)特征的镜像 k)特征的圆周阵列 l)特征的线性阵列,(2)特征是三维模型的基本元素。,图5-34 SolidWorks软件的工作流程,(3)二维草图是生成特征的基础,5.6 数字化装配技术,5.6.1 数字化装配的基本概念 5.6.2 数字化装配的功能及操作,5.6.1 数字化装配的基本概念,5.6.2 数字化装配的功能及操作,(1)隐藏/显示零部件。 (2)改变压缩状态。 (3)
17、编辑零件。 (4)配合(mating)。 (5)智能装配。 (6)移动零部件。 (7)旋转零部件。,图5-35 装配体工具栏,5.6.2 数字化装配的功能及操作,表5-3 SolidWorks中的主要配合类型,1)新建装配体文件。 2)根据零件的保存路径，通过“插入”、“零部件”、“已有零部件”菜单命令，将已有的、待装配的零件插入到装配体模型中(图5-36)。 3)按下“装配体”工具栏中的“配合”按钮，或通过“插入”、“配合”菜单命令，出现“配合”特性管理器窗口，用鼠标选择所需配合的零部件的实体(如平面、端面、圆柱孔等)，如图5-37所示。 4)根据所选择的实体，确定相应的配合类型及对齐条件。,
