第五章機械CADCAM建模技術(shù)ppt課件

1、第五章第五章 機械機械CAD/CAMCAD/CAM建模技術(shù)建模技術(shù)5.1 幾何建模概念5.2 三維幾何建模技術(shù)5.3 特征建模技術(shù)5.4 三維造型實例5.1 幾何建摸概述幾何建模：用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對三維形體的幾何形幾何建模：用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對三維形體的幾何形狀及其屬性進行描述，建立便于信息轉(zhuǎn)換與處理狀及其屬性進行描述，建立便于信息轉(zhuǎn)換與處理的計算機內(nèi)部模型的過程。的計算機內(nèi)部模型的過程。幾何建模作用意義：是幾何建模作用意義：是CAD/CAM核心技術(shù)，為工核心技術(shù)，為工程分析、工藝設(shè)計、物性計算、運動仿真、數(shù)控程分析、工藝設(shè)計、物性計算、運動仿真、數(shù)控編程等后續(xù)作業(yè)提供了方便，是實現(xiàn)編程等后續(xù)作

2、業(yè)提供了方便，是實現(xiàn)CAD/CAM技術(shù)的集成基礎(chǔ)。技術(shù)的集成基礎(chǔ)。 CADCAM建模技術(shù)的發(fā)展：建模技術(shù)的發(fā)展：線框模型線框模型表面模型表面模型曲面模型曲面模型實體造型實體造型特征特征建模建模CAD/CAMCAD/CAM幾何建?；局R幾何建?；局R幾何信息：是指形體的形狀、位置和大小的幾何信息：是指形體的形狀、位置和大小的信息。信息。 如：直線描述方程，矩形體的長寬高等。如：直線描述方程，矩形體的長寬高等。拓撲信息：反映形體各組成元素數(shù)量及其相拓撲信息：反映形體各組成元素數(shù)量及其相互間關(guān)系?；ラg關(guān)系。 如：相交、相鄰、相切、垂直、平行等。如：相交、相鄰、相切、垂直、平行等。 注意：兩形體幾

3、何信息相同，若拓撲信息不注意：兩形體幾何信息相同，若拓撲信息不同，則兩形體可能完全不同。同，則兩形體可能完全不同。 形體基本元素：點、邊、面形體基本元素：點、邊、面 基本元素的拓撲關(guān)系：基本元素的拓撲關(guān)系： 面面、面邊、面點面面、面邊、面點 邊邊、邊點、邊面邊邊、邊點、邊面 點點、點邊、點面點點、點邊、點面形體六層拓樸結(jié)構(gòu)形體六層拓樸結(jié)構(gòu) 體(Object)殼(Shell)面(Face)環(huán)(Loop)邊(Edge)點(Vertex)體體 由封閉表面圍成的有效空間由封閉表面圍成的有效空間 ；殼殼 構(gòu)成一個完整實體的封閉邊界，是一組面的集合；構(gòu)成一個完整實體的封閉邊界，是一組面的集合；面面 由一個

4、外環(huán)和若干內(nèi)環(huán)界定的有界、不連通的表面；由一個外環(huán)和若干內(nèi)環(huán)界定的有界、不連通的表面； 環(huán)環(huán) 是面的封閉邊界，由有序、有向邊的集合；是面的封閉邊界，由有序、有向邊的集合； 邊邊 是實體兩個鄰面的交界；是實體兩個鄰面的交界；頂點頂點 為邊的端點，兩條或兩條以上邊的交點。為邊的端點，兩條或兩條以上邊的交點。正則集與正則集合運算正則集與正則集合運算正則集：一集合正則集：一集合S的內(nèi)部閉包與原來的集合相等。的內(nèi)部閉包與原來的集合相等。 S=kiS （k閉包，閉包，i內(nèi)部，內(nèi)部，S集合）集合）正則化集合算子：集合運算后仍產(chǎn)生正則集。正則化集合算子：集合運算后仍產(chǎn)生正則集。 U*（并）、（并）、*(交交)

5、、*(差差)。AB運算得到的非正則點集 閉包懸邊歐拉公式：歐拉公式用來檢驗形體的合法性和一致性。歐拉公式：歐拉公式用來檢驗形體的合法性和一致性。正則形體歐拉公式：正則形體歐拉公式： V E + F = 2 如：長方體如：長方體V=8、E=12、F=6，則，則812+6=2。封閉多面體分割成封閉多面體分割成B個獨立多面體：個獨立多面體： V E + F B= 1 如如B=6、V=9、E=20、F=18，則，則9 20 + 18 6=1。 有孔洞形體：有孔洞形體： G為穿透孔數(shù)，為穿透孔數(shù)，L為所有面上內(nèi)環(huán)數(shù)為所有面上內(nèi)環(huán)數(shù) V E + F L=2B G） 如下圖如下圖c ，那么：，那么：16-2

6、4+11-1=2 (1-0) 5.2 三維幾何建模技術(shù)三維幾何建模技術(shù) 1、線框建模、線框建模 2、外表曲面建模、外表曲面建模 3、實體模型、實體模型 1構(gòu)造體素幾何表示法構(gòu)造體素幾何表示法 2邊界表示法：邊界表示法： 3掃描表示法掃描表示法 4單元表示法單元表示法 1、線框模型、線框模型Wireframe Model）原理：通過頂點和棱邊來描述形體的幾何形狀。原理：通過頂點和棱邊來描述形體的幾何形狀。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點表、棱邊表二表結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點表、棱邊表二表結(jié)構(gòu)。 特點：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、信息量少、占用內(nèi)存空間特點：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、信息量少、占用內(nèi)存空間小、操作速度快，小、操作速度快， 可生成

7、三視圖、透視圖和軸側(cè)圖?？缮扇晥D、透視圖和軸側(cè)圖。 缺乏：缺少面、體信息，易產(chǎn)生多義性，不能消缺乏：缺少面、體信息，易產(chǎn)生多義性，不能消隱、不能剖視、隱、不能剖視、 不能進行物性計算和求交計算等不能進行物性計算和求交計算等.線線框框建建模模的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 2.2.外表曲面建模外表曲面建模 原理：通過對物體各個面的描述進行三維建模的原理：通過對物體各個面的描述進行三維建模的方法。方法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點表、棱邊表、面表三表結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點表、棱邊表、面表三表結(jié)構(gòu)。特點：可消隱、剖面圖生成、渲染、求交、刀軌特點：可消隱、剖面圖生成、渲染、求交、刀軌生成等作業(yè)。生成等作業(yè)。缺乏：缺少體信息

8、，不便進行物性計算和分析。缺乏：缺少體信息，不便進行物性計算和分析。表表面面模模型型的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 曲面建模曲面建模a)平面平面: 三個點定義；三個點定義；b)線性拉伸面線性拉伸面: 一條平面曲線沿一條平面曲線沿直線方向移動掃成；直線方向移動掃成；c)直紋面直紋面 一直線兩端點在兩曲線一直線兩端點在兩曲線對應等參數(shù)點上移動形成；對應等參數(shù)點上移動形成；d)回轉(zhuǎn)面回轉(zhuǎn)面 平面線框圖繞某一軸平面線框圖繞某一軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；e)掃成面掃成面 一剖面線沿一條導線一剖面線沿一條導線移動構(gòu)成；移動構(gòu)成； 一剖面線沿導線光一剖面線沿導線光滑過渡到另一剖面線；滑過渡到另一剖面線； 一剖一剖面線

9、沿兩條給定等參數(shù)邊界移動面線沿兩條給定等參數(shù)邊界移動形成。形成。f)圓角面圓角面 圓角過渡面；圓角過渡面；g)等距面等距面 沿原始曲面法線方向沿原始曲面法線方向移動一個固定的距離。移動一個固定的距離。3.實體建模實體建模實體建模概念：描述了實體全部幾何信息，且實體建模概念：描述了實體全部幾何信息，且定義了實體所有點、線、面、體拓撲信息。定義了實體所有點、線、面、體拓撲信息。特點：實現(xiàn)消隱、剖切、有限元分析、數(shù)控加特點：實現(xiàn)消隱、剖切、有限元分析、數(shù)控加工，物性計算等操作。工，物性計算等操作。 實體模型表示方法：實體模型表示方法：構(gòu)造體素幾何表示法構(gòu)造體素幾何表示法CSG，Constructiv

10、e Solid Geometry） 掃描表示法掃描表示法Sweeping Representation） 邊 界 表 示 法 邊 界 表 示 法 B - R e p ， B o u n d a r y Representation） 單元表示法單元表示法 1、構(gòu)造體素幾何表示法CSG） 通過基本體素交、并、差正則集合運算構(gòu)造各種復雜實體。 基本體素： 矩形塊、圓柱、圓錐、球、鍥、環(huán)等。 實體實體CSGCSG表表示的示的二叉二叉樹結(jié)樹結(jié)構(gòu)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：二叉樹結(jié)構(gòu)，記錄了實體所有基本體素的組成、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：二叉樹結(jié)構(gòu)，記錄了實體所有基本體素的組成、正則集合運算和相關(guān)的幾何變換。正則集合運算和相關(guān)的幾

11、何變換。 特點：無二義性，最終實體與基本體素先后拼合順序無關(guān)，特點：無二義性，最終實體與基本體素先后拼合順序無關(guān)，造型簡單，易于實現(xiàn)，可方便轉(zhuǎn)換成其它表示方法。造型簡單，易于實現(xiàn)，可方便轉(zhuǎn)換成其它表示方法。 缺點：沒有詳細幾何信息，必須轉(zhuǎn)化為其它形式才能對點、缺點：沒有詳細幾何信息，必須轉(zhuǎn)化為其它形式才能對點、邊、面等信息進行查詢和編輯。邊、面等信息進行查詢和編輯。2、邊界表示法、邊界表示法B-rep）通過面、環(huán)、邊、頂點的幾何和拓撲通過面、環(huán)、邊、頂點的幾何和拓撲 參數(shù)來表參數(shù)來表示實體。示實體。矩形體矩形體B-RepB-Rep表示法表示法 B-rep翼邊存儲結(jié)構(gòu)翼邊存儲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是以邊

12、為中心的翼邊結(jié)構(gòu)，通過任意一條邊，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是以邊為中心的翼邊結(jié)構(gòu)，通過任意一條邊，可以可以 遍歷整個實體所有幾何元素。遍歷整個實體所有幾何元素。優(yōu)點：記錄有實體所有幾何信息和拓撲信息。優(yōu)點：記錄有實體所有幾何信息和拓撲信息。缺乏：缺乏實體生成過程信息，數(shù)據(jù)存儲量大，難以直缺乏：缺乏實體生成過程信息，數(shù)據(jù)存儲量大，難以直接構(gòu)造。接構(gòu)造。3、掃描表示法、掃描表示法 (Sweeping) 形體沿某一方向平移或繞某軸線旋轉(zhuǎn)進行實體定義形體沿某一方向平移或繞某軸線旋轉(zhuǎn)進行實體定義的方法的方法 平面輪廓掃描法構(gòu)造實體平面輪廓掃描法構(gòu)造實體 復雜實體掃描構(gòu)造復雜實體掃描構(gòu)造 掃描構(gòu)造實例掃描構(gòu)造實例 B-

13、rep轉(zhuǎn)換SweepingCSGB-rep、CSG、Sweeping 三種表示方法的三種表示方法的應用：應用： CSG、Sweeping常用于輸入；常用于輸入； B-rep 常作為三維實體計算機內(nèi)部信息的描常作為三維實體計算機內(nèi)部信息的描述；述；三者之間關(guān)系如下：三者之間關(guān)系如下： 4、單元表示法：用一系列空間單元來表示實體的一種方、單元表示法：用一系列空間單元來表示實體的一種方法。法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：八叉樹結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：八叉樹結(jié)構(gòu)。特點：算法簡單，易于集合運算和干涉檢查，便于消隱和特點：算法簡單，易于集合運算和干涉檢查，便于消隱和顯示。顯示。缺陷：單元大小決定分解精度，需要大量存儲空間，不能缺陷

14、：單元大小決定分解精度，需要大量存儲空間，不能表達實體各元素間拓撲關(guān)系，沒有點、邊、面等形體單元表達實體各元素間拓撲關(guān)系，沒有點、邊、面等形體單元的概念。的概念。三維實體單元表示的八叉樹結(jié)構(gòu) 5.3 5.3 特征建模技術(shù)特征建模技術(shù) 特征建模的概念特征建模的概念 實體模型不足：僅含實體幾何信息，實體模型不足：僅含實體幾何信息，缺少功能、工藝、管理等信息。缺少功能、工藝、管理等信息。 特征：從工程對象概括和抽象出來的特征：從工程對象概括和抽象出來的具有工程語義的功能要素。具有工程語義的功能要素。 特征建模：通過特征及其集合來定義、特征建模：通過特征及其集合來定義、描述零件模型的過程。描述零件模型

15、的過程。 特征建模對設(shè)計對象具有更高的特征建模對設(shè)計對象具有更高的定義層次，易于理解和使用，能為設(shè)計定義層次，易于理解和使用，能為設(shè)計和制造過程各環(huán)節(jié)提供充分的工程和工和制造過程各環(huán)節(jié)提供充分的工程和工藝信息。藝信息。 特征建模是實現(xiàn)特征建模是實現(xiàn)CAD/CAMCAD/CAM集成化集成化和智能化的關(guān)鍵技術(shù)。和智能化的關(guān)鍵技術(shù)。特征的分類特征的分類1形狀特征形狀特征 具有一定工程語義的幾何形體。具有一定工程語義的幾何形體。STEP標準分類：標準分類： 體特征：構(gòu)造主體形狀的特征，如凸臺、孔、圓柱體特征：構(gòu)造主體形狀的特征，如凸臺、孔、圓柱體、矩形體等；體、矩形體等； 過渡特征：如倒角、圓角、鍵槽

16、、中心孔、退刀槽、過渡特征：如倒角、圓角、鍵槽、中心孔、退刀槽、螺紋等；螺紋等； 分布特征：如圓周均布孔、齒輪的齒形輪廓等。分布特征：如圓周均布孔、齒輪的齒形輪廓等。 凹陷：與已存在的形狀特征一凹陷：與已存在的形狀特征一端相交的被減體；端相交的被減體； 凸起：與已存在的形狀特征一凸起：與已存在的形狀特征一端相交的附加體。端相交的附加體。從形狀角度分：從形狀角度分：通道：與已存在的形狀特征兩端相交的被減體；通道：與已存在的形狀特征兩端相交的被減體； 2精度特征精度特征 包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。3材料特征材料特征 如材料型號、性能、硬度、表面處理

17、、檢驗方如材料型號、性能、硬度、表面處理、檢驗方式等。式等。4技術(shù)特征技術(shù)特征 描述零件的有關(guān)性能和技術(shù)要求；描述零件的有關(guān)性能和技術(shù)要求；5裝配特征裝配特征 描述裝配過程中配合關(guān)系、裝配順序、裝配方描述裝配過程中配合關(guān)系、裝配順序、裝配方法等。法等。6管理特征管理特征 描述管理信息，如零件名、批量、設(shè)計者、日描述管理信息，如零件名、批量、設(shè)計者、日期等。期等。形狀特征間的關(guān)系形狀特征間的關(guān)系 相鄰關(guān)系相鄰關(guān)系 特征在空間位置相互間的關(guān)系；特征在空間位置相互間的關(guān)系； 從屬關(guān)系從屬關(guān)系 主主/輔特征間主從關(guān)系，如附著于回轉(zhuǎn)體軸段輔特征間主從關(guān)系，如附著于回轉(zhuǎn)體軸段 主特征的鍵槽、退刀槽、倒角等。主特征的鍵槽、退刀槽、倒角等。 分布關(guān)系分布關(guān)系 某特征在空間位置上按某種形式排列。某特征在空間位置上按某種形式排列。常見的特征建模方式常見的特征建模方式1特征識別特征識別 在已有幾何模型基礎(chǔ)上，按照給定的模板進在已有幾何模型基礎(chǔ)上，按照給定的模板進行