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1、第二章 材料加工CAD技术基础,2.1 CAD系统的组成与分类 2.2 计算机图形处理技术 2.3 CAD系统的三维造型技术 2.4 CAD系统的数据信息交换 2.5 CAD系统的智能化技术与优化分析技术,学习目标： 了解CAD系统的组成及分类。掌握图形处理技术、CAD系统的三维造型技术， CAD系统的数据信息交换。了解CAD系统的智能化和优化技术。 学习重点：图形学基础知识、CAD系统的三维造型技术， CAD系统的数据信息交换。,2.3 CAD系统的三维造型技术,三维造型技术是核心技术。 线框建模、表面建模、实体建模、特征建模,产品建模技术的发展,表面建模，增加面的信息。,20世纪 60年代
2、,几何建模技术产生,初始阶段主要采用线框结构，仅包含物体顶点和棱边的信息。线框建模,20世纪 80年代,几何模型只是物体几何数据及拓扑关系的描述，无明显的功能、结构和工程含义。特征建模技术的发展。,20世纪 70年代末,实体建模，包含完整的形体几何信息和拓扑信息。,20世纪70年代,几何建模（Geometric Modeling） 即物体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息处理基础上的。 几何信息 是指物体在空间的形状、尺寸及位置的描述。 拓扑信息 则是物体各分量的数目及其相互之间的连接关系。,几何信息包括有点、线、面、体的信息，但只用几何信息表示物体并不充分，常会出现物体表示的二义性。 几
3、何信息必须与拓扑信息同时给出。,物体表示的二义性,九种拓扑关系,顶点（Vertex）、边（Edge）、面（Face）。,几何建模技术,根据描述方法及存储的几何信息、拓扑信息的不同，三维几何建模可分为三种不同层次的建模类型： 线框建模、表面建模、实体建模。,三种几何建模方法 a）线框建模 b)表面建模 c)实体建模,（1）线框建模 是CAD/CAM系统应用最早的三维建模方法。 线框模型（Wireframe Model）在计算机内部是以边表和点表来描述和表达物体的。 用顶点和棱边表示形体，没有面的信息。,立方体的线框模型,立方体的边表,立方体的顶点表,线框建模的优点： 所需信息最少，数据运算简单，
4、所占存贮空间较小，硬件的要求不高，容易掌握，处理时间短。,线框建模的局限性： 几何意义的二义性：一个线框模型可能被解释为若干个有效几何体。 描述的结构体无法进行消隐、物性计算等。,（2）曲面建模,又称表面建模，是利用各种曲线、曲面来拟合逼近物体的表面。 主要适用于其表面不能用简单的数学模型进行描述的复杂物体型面。 在线框模型的基础上增加了面的信息。 曲面的各种处理技术至今仍是CAD/CAM和计算机图形学领域探索和研究最活跃的分支之一。,表面描述方法,常用的表面描述的方法中的几种： 平面,直纹面,旋转面,贝齐尔（Bezier）曲面,B样条曲面,这种建模方法的重点是给出的离散点数据构成光滑过渡的曲
5、面，使这些曲面通过或逼近这些离散点。,曲面建模描述任意形状表面，便于有限元网格划分。有助于系统直接提取有关面的信息生成数控加工指令。 曲面建模不包含各个表面之间相互关系的信息。,实体建模的优点 1. 可以提供实体完整的信息； 2. 可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能； 3. 能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到NC刀具轨迹的生成。,（3）实体建模,实体建模是利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体等通过集合运算（布尔运算）生成复杂形体的一种建模技术。,实体建模主要包括两部分内容:体素的定义及描述和体素之间的布尔运算（交、并、差）。,体素的定义及描述,基本体素,如长方体、圆柱体
6、、球体、锥体、圆环体等。,另一类是扫描体素，又可分为平面轮廓扫描体素和整体扫描体素。,（1）平面轮廓扫描法 这种方法的基本设想是由任一平面轮廓在空间平移一个距离或绕一固定的轴旋转就会扫描出一个实体。,（2）整体扫描法 就是使一个刚体在空间运动以产生新的物体形状。,布尔运算,两个或两个以上体素经过集合运算得到实体的表示称为布尔模型（Boolean Model）,所以这种集合运算亦称布尔运算。,AB,AB,AB,实体模型的表示方法,三维实体建模在计算机内部存贮的信息不是简单的边线或顶点的信息，而是准确、完整、统一地记录了生成物体的各个方面的数据。,常见的实体建模表示方法 边界表示法 构造立体几何法
7、 混合表示法（即边界表示法与构造立体几何法的混合模式） 空间单元表示法,边界表示法 （Boundary Representation）,简称B-Rep法。它的基本思想是一个实体可以通过它的面的集合来表示，而每一个面又可以用边来描述，边通过点，点通过三个坐标值来定义。 边界表示法强调实体外表的细节，详细记录了构成物体的所有几何信息和拓扑信息。 在计算机内部，网状的数据结构。,边界表示法数据结构,边界表示法,优点 有较多的关于面、边、点及其相互关系的信息。有利于生成和绘制线框图、投影图，有利于计算几何特性，易于同二维绘图软件衔接和同曲面建模软件相关联。 局限性 无法提供关于实体生成过程的信息，也无
8、法记录组成几何体的基本体素的元素的原始数据，同时描述物体所需信息量较多。,构造立体几何法(Constructive Solid Geometry),构造立体几何法简称CSG法，是一种通过布尔运算将简单的基本体素拼合成复杂实体的描述方法。 存储的主要是物体的生成过程。,物体的一种CSG结构,通过附加体倒圆,CSG法的优点 方法简洁，生成速度快，处理方便，无冗余信息，而且能够详细地记录构成实体的原始特征参数，甚至在必要时可修改体素参数或附加体素进行重新拼合。 CSG法的缺点 由于信息简单，这种数据结构无法存贮物体最终的详细信息，例如边界、顶点的信息等。,混合模式（Hybrid Model）,混合模
9、式是建立在边界表示法与构造立体几何法的基础上，在同一系统中，将两者结合起来，共同表示实体的方法 。 混合模式是在CSG基础上的逻辑扩展，起主导作用的是CSG结构，B-Rep可以完整的表达物体的几何、拓扑信息，便于构造产品模型。,空间单元表示法,空间单元表示法，其基本思想是通过一系列空间单元构成的图形来表示物体的一种方法。 这些单元是具有一定大小的平面或立方体，在计算机内部主要通过定义各单元的位置是否被实体占有来表达物体的。,利用空间单元表示圆环,特点,空间单元表示法要求有大量的存储空间，同时它的算法比较简单，可作为物理特性计算和有限元网格划分的基础。 空间单元表示法不能表达一个物体任意两部分之间的关系，也没有关于点、线、面的概念。,思考题,1. CAD/CAM系统包括哪几部分？ 2.说明参数化设计的基本原理。 3. 三维几何建模的类型？ 4. 说明 IGES文件的格式？,
