CAD實(shí)體特征建模和主模型技術(shù) new

1、18.5 實(shí)體建模實(shí)體建模1、實(shí)體有效性、實(shí)體有效性 實(shí)體的頂點(diǎn)數(shù)V，邊數(shù)E，面數(shù)F，形體表面的孔數(shù)H，穿透多面體的洞數(shù)G，獨(dú)立不相連接的多面體數(shù)C簡單多面體實(shí)體有效性簡單多面體實(shí)體有效性: V-E+F=2 非簡單多面體實(shí)體有效性非簡單多面體實(shí)體有效性: V-E+F-H=2 (C-G)28.5 實(shí)體建模實(shí)體建模1、實(shí)體有效性、實(shí)體有效性(實(shí)例實(shí)例) 38.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 邊界表示法簡稱B-Rep法。它的基本思想是一個實(shí)體可以通過它的面的集合來表示，而每一個面又可以用邊來描述，邊通過點(diǎn)，點(diǎn)通過三個坐標(biāo)值來定義。邊界表示法強(qiáng)調(diào)實(shí)體外表的細(xì)節(jié)，詳細(xì)記錄了構(gòu)成物體的所有

2、幾何信息和拓?fù)湫畔?，將面、邊、頂點(diǎn)的信息分層記錄，建立層與層之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如圖所示的物體，將其按照實(shí)體、面、邊、頂點(diǎn)描述，在計算機(jī)內(nèi)部按網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存貯。點(diǎn)點(diǎn)用三維坐標(biāo)表示，是最基本的元素用三維坐標(biāo)表示，是最基本的元素邊邊是形體相鄰面的交界，可為空間直線或曲是形體相鄰面的交界，可為空間直線或曲線線環(huán)環(huán)是由有序、有向的邊組成的封閉邊界。環(huán)是由有序、有向的邊組成的封閉邊界。環(huán)有內(nèi)、外環(huán)之分，外環(huán)最大且只有一個；內(nèi)有內(nèi)、外環(huán)之分，外環(huán)最大且只有一個；內(nèi)環(huán)的方向和外環(huán)相反，外環(huán)邊通常按逆時針環(huán)的方向和外環(huán)相反，外環(huán)邊通常按逆時針方向排序，內(nèi)環(huán)邊通常按順時針方向排序

3、。方向排序，內(nèi)環(huán)邊通常按順時針方向排序。面面是一個多連通區(qū)域，可以是平面或曲面，由一個外環(huán)是一個多連通區(qū)域，可以是平面或曲面，由一個外環(huán)和若干個內(nèi)環(huán)組成。根據(jù)環(huán)的定義，在面上沿環(huán)的方向和若干個內(nèi)環(huán)組成。根據(jù)環(huán)的定義，在面上沿環(huán)的方向前進(jìn)，左側(cè)總在面內(nèi)，右側(cè)總在面外。面的方向用垂直前進(jìn)，左側(cè)總在面內(nèi)，右側(cè)總在面外。面的方向用垂直于面的法矢表示，法矢向外為正向面。于面的法矢表示，法矢向外為正向面。實(shí)體實(shí)體是由若干個面組成的閉包，實(shí)體的邊界是有限個面是由若干個面組成的閉包，實(shí)體的邊界是有限個面的集合。的集合。8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 BrepBrep中必須表達(dá)的信息分為兩類

4、中必須表達(dá)的信息分為兩類: : 一類是一類是幾何信息幾何信息。描述形體的大小、位置、形狀等基。描述形體的大小、位置、形狀等基本信息，如頂點(diǎn)坐標(biāo)，邊和面的數(shù)學(xué)表達(dá)式等。本信息，如頂點(diǎn)坐標(biāo)，邊和面的數(shù)學(xué)表達(dá)式等。 另一類是另一類是拓?fù)湫畔⑼負(fù)湫畔?。拓?fù)湫畔⒚枋鲂误w上的頂點(diǎn)、邊。拓?fù)湫畔⒚枋鲂误w上的頂點(diǎn)、邊、面的連接關(guān)系。、面的連接關(guān)系。 拓?fù)湫畔⑿纬晌矬w邊界表示的拓?fù)湫畔⑿纬晌矬w邊界表示的“骨架骨架”，形體的幾何，形體的幾何信息猶如附著在信息猶如附著在“骨架骨架”上的上的“肌肉肌肉”。 在在BrepBrep中，拓?fù)湫畔⑹侵赣脕碚f明體、面、邊及頂點(diǎn)中，拓?fù)湫畔⑹侵赣脕碚f明體、面、邊及頂點(diǎn)之間連接關(guān)系

5、的這一類信息，例如面與哪些面相鄰；面由之間連接關(guān)系的這一類信息，例如面與哪些面相鄰；面由那些邊組成等。那些邊組成等。 描述形體拓?fù)湫畔⒌母灸康氖潜阌谥苯訉?gòu)成形體描述形體拓?fù)湫畔⒌母灸康氖潜阌谥苯訉?gòu)成形體的各面、邊及頂點(diǎn)的參數(shù)和屬性進(jìn)行存取和查詢，便于實(shí)的各面、邊及頂點(diǎn)的參數(shù)和屬性進(jìn)行存取和查詢，便于實(shí)現(xiàn)以面、邊、點(diǎn)為基礎(chǔ)的各種幾何運(yùn)算和操作。現(xiàn)以面、邊、點(diǎn)為基礎(chǔ)的各種幾何運(yùn)算和操作。8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 例如：多面體的面、邊和頂點(diǎn)間的九種拓?fù)潢P(guān)系例如：多面體的面、邊和頂點(diǎn)間的九種拓?fù)潢P(guān)系面面鄰接關(guān)系面面鄰接關(guān)系面上點(diǎn)的關(guān)系面上點(diǎn)的關(guān)系面上邊的關(guān)系面上邊的關(guān)

6、系點(diǎn)與面連接關(guān)系點(diǎn)與面連接關(guān)系點(diǎn)點(diǎn)連接關(guān)系點(diǎn)點(diǎn)連接關(guān)系點(diǎn)與邊連接關(guān)系點(diǎn)與邊連接關(guān)系邊面鄰接關(guān)系邊面鄰接關(guān)系邊點(diǎn)連接關(guān)系邊點(diǎn)連接關(guān)系邊邊連接關(guān)系邊邊連接關(guān)系8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 在這九種不同類型的拓?fù)潢P(guān)系中，有些關(guān)系冗余，因此計在這九種不同類型的拓?fù)潢P(guān)系中，有些關(guān)系冗余，因此計算機(jī)內(nèi)部并不需要所有拓?fù)潢P(guān)系都直接表達(dá)。算機(jī)內(nèi)部并不需要所有拓?fù)潢P(guān)系都直接表達(dá)。 但至少需表達(dá)兩種以上拓?fù)潢P(guān)系才能構(gòu)成一個實(shí)體完全的但至少需表達(dá)兩種以上拓?fù)潢P(guān)系才能構(gòu)成一個實(shí)體完全的拓?fù)湫畔?。拓?fù)湫畔ⅰ?存儲更多的拓?fù)潢P(guān)系，花費(fèi)的代價是存儲量大了，以冗余存儲更多的拓?fù)潢P(guān)系，花費(fèi)的代價是存儲量大

7、了，以冗余來換計算工作量的節(jié)省和某些算法的易于實(shí)現(xiàn)。來換計算工作量的節(jié)省和某些算法的易于實(shí)現(xiàn)。 例如，在例如，在BrepBrep表達(dá)中，簡單實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可用體表達(dá)中，簡單實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可用體、面、邊、點(diǎn)四個層次的表描述、面、邊、點(diǎn)四個層次的表描述 對復(fù)雜實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則采用更多的層次表來描述對復(fù)雜實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則采用更多的層次表來描述8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 邊界表示強(qiáng)調(diào)實(shí)體的外表細(xì)節(jié)，把面、邊、頂點(diǎn)的信息分邊界表示強(qiáng)調(diào)實(shí)體的外表細(xì)節(jié)，把面、邊、頂點(diǎn)的信息分層描述，并建立了層與層之間邊界表示。層描述，并建立了層與層之間邊界表示。 沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為了有效地表示幾

8、何體的拓?fù)潢P(guān)系沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為了有效地表示幾何體的拓?fù)潢P(guān)系，斯坦福大學(xué)，斯坦福大學(xué)B BG GBaumgartBaumgart在在19721972年提出的以棱邊為中心的年提出的以棱邊為中心的多面體表示的多面體表示的翼邊結(jié)構(gòu)翼邊結(jié)構(gòu)( (Winged Edge Data Winged Edge Data StructureStructure，WEDWED) )及改進(jìn)后的對稱結(jié)構(gòu)等。及改進(jìn)后的對稱結(jié)構(gòu)等。( () )翼邊結(jié)構(gòu)以邊為核心組織數(shù)據(jù)，如圖：翼邊結(jié)構(gòu)以邊為核心組織數(shù)據(jù)，如圖： 棱邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含兩個點(diǎn)指針，棱邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含兩個點(diǎn)指針，指向該邊的指向該邊的，棱邊為一有向，棱邊為一有向

9、線段。當(dāng)棱邊為曲線段時，還需增加一線段。當(dāng)棱邊為曲線段時，還需增加一指針指向曲線表示的結(jié)構(gòu)。指針指向曲線表示的結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)在的現(xiàn)在的CADCAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是翼邊結(jié)構(gòu)的變種系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是翼邊結(jié)構(gòu)的變種邊界表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 WEDWED中另設(shè)兩個環(huán)指針，分別指向棱邊所鄰接的兩個環(huán)中另設(shè)兩個環(huán)指針，分別指向棱邊所鄰接的兩個環(huán)( (。由邊環(huán)關(guān)系可確定棱邊與鄰面之間的拓?fù)潢P(guān)系。由邊環(huán)關(guān)系可確定棱邊與鄰面之間的拓?fù)潢P(guān)系。為了從棱邊搜索到它所在的任一閉環(huán)上的其它棱邊，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中為了從棱邊搜索到它所在的任一閉環(huán)上的其它棱邊，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中還增設(shè)四個指向鄰邊的指針

10、，分別為還增設(shè)四個指向鄰邊的指針，分別為為棱邊左邊環(huán)中沿逆時針方向所連接的下一條邊為棱邊左邊環(huán)中沿逆時針方向所連接的下一條邊，其余類推。，其余類推。WEDWED方法拓?fù)湫畔⑼暾?，查詢和修改方便，可很好地?yīng)用于正則方法拓?fù)湫畔⑼暾?，查詢和修改方便，可很好地?yīng)用于正則布爾運(yùn)算布爾運(yùn)算8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 B_REP表達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)舉例 8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界

11、表示法、邊界表示法 8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 Brep表示法的優(yōu)點(diǎn)：表示法的優(yōu)點(diǎn)：1.1. 表示形體的點(diǎn)、線、面等幾何元素是顯式表示、使得形體的顯表示形體的點(diǎn)、線、面等幾何元素是顯式表示、使得形體的顯示很快并且很容易確定幾何元素之間的連接關(guān)系；示很快并且很容易確定幾何元素之間的連接關(guān)系；2.2. 可對可對BrepBrep法的形體進(jìn)行多種局部操作，比如倒角；法的形體進(jìn)行多種局部操作，比如倒角；3.3. 便于在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上附加各種非幾何信息，如精度、表面粗糙度便于在數(shù)據(jù)結(jié)

12、構(gòu)上附加各種非幾何信息，如精度、表面粗糙度等。等。4.4. BrepBrep表示覆蓋域大，原則上能表示所有的形體表示覆蓋域大，原則上能表示所有的形體缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1.1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量存儲空間，維護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及一致數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量存儲空間，維護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及一致性的程序較復(fù)雜；性的程序較復(fù)雜；2.2. 對形體的修改操作較難實(shí)現(xiàn)；對形體的修改操作較難實(shí)現(xiàn)；3.3. BrepBrep表示不一定對應(yīng)一個有效形體。表示不一定對應(yīng)一個有效形體。8.5 實(shí)體建模實(shí)體建模2、邊界表示法、邊界表示法 198.5 實(shí)體建模實(shí)體建模多叉樹轉(zhuǎn)二叉樹多叉樹轉(zhuǎn)二叉樹：多叉樹的第一個兒子結(jié)點(diǎn)作為二叉樹的左

13、結(jié)點(diǎn)，將其兄弟結(jié)點(diǎn)作為二叉樹的右結(jié)點(diǎn) CSG（Constructed Solid Geometry）法也譯為構(gòu)造實(shí)體幾何法，是用二叉樹的形式記錄一個零件的所有組成體素進(jìn)入拼合運(yùn)算的過程，可以簡稱為體素拼合樹。CSG法強(qiáng)調(diào)的是記錄各個體素在進(jìn)入拼合時的原始狀態(tài)，每個體素都有特定的定位參數(shù)和尺寸參數(shù)。CSG樹只定義它所表示物體的構(gòu)造方式，既不反映物體的面、邊、頂點(diǎn)等有關(guān)邊界信息，也不顯式說明三維點(diǎn)集與所表示的物體在E空間的一一對應(yīng)關(guān)系。因此這種表示又被稱為物體的隱式模型或過程模型3、構(gòu)造實(shí)體幾何法、構(gòu)造實(shí)體幾何法208.5 實(shí)體建模實(shí)體建模4、混合表示法、混合表示法218.5 實(shí)體建模實(shí)體建模5、

14、八叉樹表示法（空間細(xì)分表示）、八叉樹表示法（空間細(xì)分表示） 八叉樹表示是一種層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，首先在空間中定義一個能夠包含所表示物體的立方體，立方體的三條棱邊分別與x、y、z軸平行，邊長為 a。如果所要表示的物體就是這一立方體，算法結(jié)束。否則將立方體等分為8個子塊，每塊仍是一個小立方體，其邊長為原立方體邊長的1/2。將這8個小立方體依次編號為0、1、2、7。 若某一小立方體的體內(nèi)空間全部被所表示的物體占據(jù)，則將此立方體標(biāo)識為“滿”；若它與所表示的物體無交，則標(biāo)識為“空”；否則將它標(biāo)識為“部分占有”，并繼續(xù)分割下去。當(dāng)分割到每一小立方體的邊長為1時，應(yīng)將每一“部分占有”的單元標(biāo)識為“滿”。至此就完成

15、了物體的八叉樹表示算法。 228.5 實(shí)體建模實(shí)體建模6、掃描表示法、掃描表示法 掃描表示法是將空間的一個點(diǎn)，一條邊或一個面沿某一路徑掃描，用得到的掃描軌跡表示三維物體，掃描方法有三種： 平移掃描：指物體沿某一直線方向平移一段距離 旋轉(zhuǎn)掃描：指物體沿某一軸線旋轉(zhuǎn)一定角度 廣義掃描：指物體沿某一空間曲線掃描一定距離 238.6 特征建模特征建模248.6 特征建模特征建模258.6 特征建模特征建模268.6 特征建模特征建模278.6 特征建模特征建模288.6 特征建模特征建模298.6 特征建模特征建模308.6 特征建模特征建模318.6 特征建模特征建模328.6 特征建模特征建模33

16、8.6 特征建模特征建模348.6 特征建模特征建模358.6 特征建模特征建模368.6 特征建模特征建模378.6 特征建模特征建模388.6 特征建模特征建模398.6 特征建模特征建模408.6 特征建模特征建模418.6 特征建模特征建模428.7 產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計中的主模型建模技術(shù)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計中的主模型建模技術(shù)1、產(chǎn)品數(shù)字化主模型建模系統(tǒng)功能與體系結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品數(shù)字化主模型建模系統(tǒng)功能與體系結(jié)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)數(shù)字樣機(jī)全數(shù)字化主模型全數(shù)字化主模型產(chǎn)品建模環(huán)境（界面）產(chǎn)品建模環(huán)境（界面）產(chǎn)品建模支持工具產(chǎn)品建模支持工具（應(yīng)用軟件）（應(yīng)用軟件）產(chǎn)品裝配設(shè)計知識產(chǎn)品裝配設(shè)計知識庫庫配套件技術(shù)信息庫配

17、套件技術(shù)信息庫產(chǎn)品特征建模產(chǎn)品特征建模數(shù)字化轉(zhuǎn)換解釋器數(shù)字化轉(zhuǎn)換解釋器各種數(shù)字化算法庫各種數(shù)字化算法庫產(chǎn)品幾何表達(dá)產(chǎn)品幾何表達(dá)支持工具支持工具UG/CATIA /PRO/E等等圖圖8.24 產(chǎn)品主模型建模系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品主模型建模系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)438.7 產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計中的主模型建模技術(shù)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計中的主模型建模技術(shù)2、產(chǎn)品主模型建模實(shí)現(xiàn)過程、產(chǎn)品主模型建模實(shí)現(xiàn)過程(1) 市場調(diào)查與產(chǎn)品策劃，采用QFD方法進(jìn)行潛在顧客需求轉(zhuǎn)換，生成新產(chǎn)品概念，確定目標(biāo)產(chǎn)品的功能、性能、基本配置、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、開發(fā)計劃等的定義；(2) 目標(biāo)產(chǎn)品概念設(shè)計（二維、三維效果圖），1：1泥模（針對某些產(chǎn)品），定樣；(3) 反求建立三維數(shù)字化主模型，整車總布置，建立各大系統(tǒng)的裝配關(guān)系、功能聯(lián)系，定義工程約束，提取性能參數(shù)，裝配模型分解，確定配套件、附加材料、技術(shù)要求等非幾何信息等；(4) 采用DFX技術(shù)進(jìn)行主模型設(shè)計評估，修改完善主模型；(5) 由主模型派生出分析、工藝、仿真分析、NC加工等模型。 448.7 產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計中