機械CAD、CAM技術(shù)第4章課件

第4章機械CAD/CAM建模技術(shù)4.1CAD/CAM建模技術(shù)概述4.2線框模型建模技術(shù)4.3表面（曲面）模型建模技術(shù)4.4實體模型建模技術(shù)4.5特征模型建模技術(shù)4.6裝配模型建模技術(shù)4.1CAD/CAM建模技術(shù)概述4.1.1CAD/CAM建模技術(shù)內(nèi)涵機械產(chǎn)品設(shè)計建模過程CAD/CAM建模：是用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀進行描述，在計算機內(nèi)部構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字化模型的過程。

4.1.2CAD/CAM幾何建?；局R1、機械產(chǎn)品模型蘊含的信息

1）幾何信息：指形體的形狀、位置和大小等信息，如矩形體的長寬高、頂點坐標等。幾何信息可用數(shù)學表達式描述，如：點：V=(x,y,z)

直線：(x-x0)/a=(y-y0)/b=(z-z0)/c

平面：ax+by+cz+d=0

相同的幾何信息不等于是相同的形體，如下圖相同五個頂點，由于連接方式不同而構(gòu)成不同的形體。2）拓撲信息反映形體各組成元素數(shù)量及其相互間的連接關(guān)系，如相交、相鄰、相切、垂直、平行等。注意：①幾何信息相同拓撲關(guān)系不同，兩形體可能完全不同。

②拓撲關(guān)系相同幾何信息不同，兩形體也可能不同。點(v)、邊（e）、面（f）三種幾何元素存在有九種拓撲關(guān)系。3）非幾何信息是指除幾何信息和拓撲信息之外的信息，包括產(chǎn)品的物理屬性和工藝屬性等，如產(chǎn)品質(zhì)量、性能參數(shù)、尺寸公差、加工粗糙度和技術(shù)要求等。拓撲關(guān)系相同幾何信息不同點、邊、面之間拓撲關(guān)系2、結(jié)構(gòu)形體的表示三維形體通常是采用六層拓撲結(jié)構(gòu)進行定義。體由封閉表面圍成的有效空間，是沒有懸邊、懸面的正則形體；殼

構(gòu)成一個完整實體的封閉邊界，是一組面的集合；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)是面的封閉邊界，由有序、有向邊的集合；邊

是實體兩個鄰面的交界；頂點為邊的端點，兩條或兩條以上邊的交點。實體面、環(huán)、邊的構(gòu)成3、正則集合運算正則形體：沒有懸邊、懸面以及一條邊沒有二個以上的鄰面。正則集：一集合S的內(nèi)部閉包與原來的集合相等。

S=kiS

（k閉包，i內(nèi)部，S集合）正則化集合算子：集合運算后產(chǎn)生正則集。

U*（并）、∩*(交)、－*(差)。A∩B運算得到的非正則點集

閉包懸邊正則形體與非正則形體

正則形體具有特征：剛性正則形體的形狀與其位置和方向無關(guān)，具有始終不變性。維數(shù)均勻性各組成結(jié)構(gòu)均為三維結(jié)構(gòu)，不帶懸點、懸邊和懸面等降維的結(jié)構(gòu)成分。有界性正則形體必須占有一個有效空間。邊界確定性邊界可區(qū)分是實體內(nèi)部還是實體外部?？蛇\算性正則形體經(jīng)過任意序列的正則運算后仍為正則形體4、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：

V–E+F=2

如：長方體V=8、E=12、F=6，則8－12+6=2。封閉多面體分割成B個獨立多面體：

V–E+F–B=1

如B=6、V=9、E=20、F=18，則9–20+18–6=1。有孔洞形體：

G為穿透孔數(shù)，L為所有面上內(nèi)環(huán)數(shù)

V–E+F–L=2（B–G）如下圖c

，則：16-24+11-1=2(1-0)

4.1.3CAD/CAM常用建模方法線框模型：采用結(jié)構(gòu)形體的頂點和棱邊構(gòu)建的形體模型，存在不能消隱和剖面生成等不足。表面模型：在線框模型的基礎(chǔ)上增加了形體面信息，具有消隱、剖面功能，但仍沒有體的信息，不能進行物性計算和分析。實體模型：應(yīng)用簡單體素經(jīng)并、交、差集合運算來構(gòu)建各種復雜形體的建模方法，有較完整的幾何信息和拓撲信息。特征模型：線框模型、表面模型、實體均為形體的幾何模型，沒有零件工藝、精度等信息。為此用具有工程語義的各類特征構(gòu)建的模型，稱為特征模型。裝配模型：能夠處理零件之間相互連接和裝配關(guān)系的模型為裝配模型。4.2.1線框模型建模原理原理：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)。

4.2線框模型建模技術(shù)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，可生成三視圖、透視圖和軸側(cè)圖。不足：缺少面、體信息，易產(chǎn)生多義性，不能消隱、不能剖視、不能進行物性計算和求交計算等線框模型存在多義性

4.2.2線框模型特點4.3.1表面模型建模原理原理：通過對形體的表面、棱邊、頂點構(gòu)建的三維形體模型。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點表、棱邊表、面表三表結(jié)構(gòu)。4.3表面（曲面）模型建模技術(shù)4.3.2表面模型特點特點：增加了面信息，可實現(xiàn)消隱、剖面圖生成、渲染、求交、刀軌生成等作業(yè)。不足：仍缺少體信息，不便進行物性計算和分析。a)平面

三個點定義；b)線性拉伸面

一條平面曲線沿直線方向移動掃成；c)直紋面

一直線兩端點在兩曲線對應(yīng)等參數(shù)點上移動形成；d)回轉(zhuǎn)面

平面線框圖繞某一軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；e)掃成面

①一剖面線沿一條導線移動構(gòu)成；②一剖面線沿導線光滑過渡到另一剖面線；③

一剖面線沿兩條給定等參數(shù)邊界移動形成。f)圓角面

圓角過渡面；g)等距面沿原始曲面法線方向移動一個固定的距離。4.3.3曲面模型建模方法

4.4實體建模4.4.1實體模型建模原理實體模型：通過基本體素經(jīng)并、交、差正則集合運算構(gòu)建的形體幾何模型。實體建模包含兩因素：基本體素定義和正則集合運算?；倔w素的定義：1）參數(shù)體素法：通過少量幾個參數(shù)定義一些簡單基本體素。2）掃描體素法：通過二維有界形面沿給定的軌跡掃描生成基本體素。參數(shù)定義基本體素掃描生成基本體素正則集合運算：并、交、差集合運算。實體模型特點：包含了形體點、邊、面、體所有幾何信息和拓撲信息；形體表面有界、有方向性，可確定實體在面的那一側(cè)；可實現(xiàn)消隱、剖切、有限元分析、數(shù)控加工、物性計算等操作。

B-Rep包含形體完整的幾何信息和拓撲信息：

幾何信息：形體位置、大小，頂點坐標、表面方程數(shù)等；

拓撲信息：形體擁有面、邊和頂點數(shù)量以及相互間的鄰接關(guān)系等。4.4.3實體模型的表示方法1、邊界表示法(B-rep)是以物體邊界為基礎(chǔ)定義和描述實體模型的方法，即將任意形體是由若干封閉邊界面圍成，每個面又以邊線為邊界，而邊線則以兩端點為邊界。B-rep翼邊結(jié)構(gòu)及其拓撲關(guān)系B-rep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：常用以邊為中心的翼邊結(jié)構(gòu)，通過任意一條邊，可以遍歷整個形體所有幾何元素。B-rep優(yōu)點：包含形體所有幾何信息和拓撲信息；支持對形體所有幾何元素的操作和訪問；內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與三維實體生成方法和過程無關(guān)；支持如公差、熱處理、粗糙度等非幾何信息的表示。B-rep不足：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。

2、構(gòu)造體素幾何表示法（CSG）

通過記錄對基本體素的集合運算及幾何變換生成形體模型的過程來描述實體模型的方法。

CSG數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：應(yīng)用二叉樹結(jié)構(gòu)記錄形體所有基本體素的組成以及正則集合運算和相關(guān)的幾何變換。

優(yōu)點：造型簡單，易于實現(xiàn)，可方便轉(zhuǎn)換成其它表示方法。不足：不包含詳細幾何信息，必須轉(zhuǎn)化為其它形式才能對點、邊、面等幾何元素進行查詢和編輯。3、綜合法表示法以CSG表示法為系統(tǒng)外部模型，作為輸入方法；以

B-Rep為內(nèi)部模型，作為信息存儲，可充分利用兩者特點，實現(xiàn)功能互補。4.5特征模型建模技術(shù)

4.5.1特征建模的概念

實體模型不足：僅含形體幾何信息，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、描述零件模型的過程。特征建模是彌補實體建模存在不足而產(chǎn)生的建模新方法，易于理解和后續(xù)設(shè)計過程的調(diào)用，是實現(xiàn)CAD/CAM集成的關(guān)鍵技術(shù)。4.5.2特征的分類1、從零件信息模型的特征分類

基于特征的零件信息模型零件信息模型特征層包含如下特征：1）管理特征描述管理信息，如零件名、批量、設(shè)計者、日期等。

2）技術(shù)特征描述零件的有關(guān)性能和技術(shù)要求；

3）形狀特征

是構(gòu)造幾何實體的基本要素，包含形體幾何信息和拓撲信息，是零件精度特征和材料特征的載體。

4）材料特征如材料型號、性能、硬度、表面處理、檢驗方式等。

5）精度特征包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。

6）裝配特征描述裝配過程中配合關(guān)系、裝配順序、裝配方法等。2、從零件結(jié)構(gòu)形狀的特征分類軸類零件常用的基本性質(zhì)特征：根據(jù)零件結(jié)構(gòu)組成作用，形狀特征又可分為主特征和輔特征。從幾何形狀角度看，又有如下特征之分：通道特征：與已存在的形狀特征兩端相交的被減體。凹陷特征：與已存在的形狀特征一端相交的被減體。凸起特征：與已存在的形狀特征一端相交的附加體。特征建模系統(tǒng)：拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃描特征、混成特征、孔特征、倒角特征、抽殼特征等。STEP將形狀特征分為體特征、過渡特征和分布特征：體特征：構(gòu)造零件主體形狀特征，如凸臺、孔、圓柱、矩形體等。過渡特征：如倒角、圓角、退刀槽、鍵槽等，一般附屬于主特征之上。分布特征：如圓周均布孔、陣列分布孔等。4.5.3特征間的關(guān)系鄰接關(guān)系反映形狀特征間相互位置關(guān)系；從屬關(guān)系反映形狀特征間存在的主從關(guān)系，從屬特征依賴于主特征而存在，如主特征上附屬的鍵槽、退刀槽、倒角等；分布關(guān)系某特征在空間位置上按特定形式排列；引用關(guān)系

某特征與另一特征間存在的引用聯(lián)系，如精度、熱處理等。

凸臺和凹槽與主體間的鄰接形式發(fā)蘭圓周孔均布關(guān)系倒角、鍵槽從屬于圓柱主特征4.5.4特征建?；痉椒?）交互特征定義建模通過人機交互對實體模型中各幾何要素逐一進行特征定義，以此將實體模型交互定義為特征模型。此法簡單易行，但建模效率較低。

2）特征自動識別建模

按照預先定義的模板對實體模型中幾何要素進行匹配，自動識別出特征類型，由此來建立特征模型。此法建模效率高，但實現(xiàn)難度大。3）基于特征設(shè)計建模應(yīng)用特征建模系統(tǒng)，通過調(diào)用各類結(jié)構(gòu)特征，經(jīng)并、交、差集合運算完成產(chǎn)品數(shù)字化特征模型的建立。特點：模型中幾何信息與特征信息密切集合，便于信息的集成。模型信息豐富全面，既包含完整幾何信息，又包含大量工藝信息和管理信息，便于將設(shè)計意圖貫徹到后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。建模過程靈活方便，便于模型修改，體現(xiàn)設(shè)計意圖，便于生產(chǎn)組織。該法已成為當前特征建模的主要手段。4.5.5特征建模基本步驟建模思路：先構(gòu)建基礎(chǔ)特征，經(jīng)不斷增減輔助特征，最終完成特征模型。建模步驟：進行特征分析，規(guī)劃建模方案。分析零件特征組成及尺寸形狀，進行特征分解，確定基礎(chǔ)特征，排列特征構(gòu)建順序，規(guī)劃特征建模方案。創(chuàng)建基礎(chǔ)特征?；A(chǔ)特征應(yīng)最能反映零件體積和結(jié)構(gòu)形狀，一般是體積最大、結(jié)構(gòu)最為復雜的特征。創(chuàng)建輔助特征。逐一創(chuàng)建其它輔助特征，充分運用拉伸、旋轉(zhuǎn)、陣列、鏡像等成形方法，倒圓、倒角等修飾性特征放在建模最后階段進行。特征編輯修改。隨時修改特征形狀、尺寸、位置以及鄰接關(guān)系。生成工程圖。利用創(chuàng)建的三維特征模型，自動轉(zhuǎn)換零件二維工程圖。4.5.6特征建模技術(shù)實現(xiàn)1、SolidWorks系統(tǒng)建模環(huán)境

Solidworks是基于草圖的特征建模系統(tǒng)，需先編輯二維草圖，再由草圖經(jīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等來創(chuàng)建特征實體。

(1)草圖編輯。為滿足草圖繪制要求，Solidworks提供了豐富的草圖繪制和編輯工具。草圖繪制實體常用草圖編輯工具草圖繪制步驟：1）選擇草圖繪制平面可以是系統(tǒng)提供的坐標平面，也可以是用戶創(chuàng)建的參考平面，或選擇已有特征的某特征表面。2）繪制二維草圖輪廓要求草圖輪廓為首尾相接的閉環(huán)輪廓，可由直線、圓弧、樣條曲線等構(gòu)成。3）規(guī)范草圖形狀通過尺寸標注進行參數(shù)約束，通過添加幾何約束規(guī)范圖形，以獲得準確的草圖輪廓。(2)創(chuàng)建特征實體由已繪制的二維草圖，經(jīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、放樣等方法創(chuàng)建生成特征實體。拉伸是特征建模最常用方法，可單向拉伸也可雙向拉伸。旋轉(zhuǎn)是由封閉的二維輪廓圖形繞一軸線旋轉(zhuǎn)掃掠創(chuàng)建而成。放樣是在多個封閉輪廓間實現(xiàn)光滑表面過渡的實體。掃掠是將一個二維輪廓圖形沿一路徑移動所生成的特征實體。由五個不同截面輪廓經(jīng)放樣生成的特征實體沿給定路徑生成的掃掠特征實體Solidworks常用建模特征2、特征建模實例例4.1

應(yīng)用Solidworks創(chuàng)建軸承端蓋零件特征模型。建模步驟：1）特征分析零件包含有1個回轉(zhuǎn)體、4個端面均布槽、6個法蘭孔等特征，將回轉(zhuǎn)體特征作為基礎(chǔ)特征。

建模順序：基礎(chǔ)特征→矩形槽→法蘭孔→倒圓、倒角特征。2）創(chuàng)建基礎(chǔ)特征

①進入“草圖”頁，選擇前視基準面繪制回轉(zhuǎn)體截面草圖；

②切換至“特征”頁，應(yīng)用“旋轉(zhuǎn)”特征生成實體。

回轉(zhuǎn)體截面草圖旋轉(zhuǎn)特征對話框軸承端蓋回轉(zhuǎn)體特征3）拉伸切除矩形槽切換至“草圖”頁，在前視基準面繪制矩形槽草圖；切換至“特征”頁，應(yīng)用拉伸切除特征切除兩個對稱矩形槽；同樣方法切除另外兩個矩形槽。

繪制端面槽草圖端面槽切除

4）切除法蘭孔

在“草圖”頁，在法蘭邊表面繪制直徑8mm小圓；應(yīng)用圓周陣列特征復制圓周均布6個小圓；切換“特征”頁，應(yīng)用拉伸切除特征切除生成6個法蘭孔。

繪制法蘭孔草圖法蘭孔切除5）倒圓、倒角在“特征”頁，應(yīng)用倒圓、倒角特征，對零件外圓、端面、內(nèi)壁進行倒角、倒圓。6）編輯修改零件屬性右擊設(shè)計特征樹材料屬性，修改零件材料。7）最終建立完成軸承端蓋特征模型。

模型特征樹軸承端蓋實體4.6裝配模型建模技術(shù)4.6.1裝配模型基本概念裝配模型：包含產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成、組成件幾何結(jié)構(gòu)以及各組成件間相互連接、配合、約束等裝配關(guān)系的產(chǎn)品模型。裝配模型主要信息：產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品裝配關(guān)系。產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系產(chǎn)品裝配關(guān)系：反映產(chǎn)品零部件間的相對位置和相互配合的約束關(guān)系。1）配合關(guān)系零件間的空間位置和定位關(guān)系，如貼合、對齊、相切等。2）連接關(guān)系零件間的連接方式，如螺釘連接、鍵連接等。3）運動關(guān)系零件間相對運動或傳動關(guān)系，如齒輪傳動、帶傳動等。轉(zhuǎn)柄軸的裝配關(guān)系齒輪的裝配關(guān)系機械產(chǎn)品的裝配關(guān)系4.6.2裝配模型中的約束配合關(guān)系

1）貼合約束平面的貼合約束圓柱面的貼合約束2）對齊約束

面面對齊與面面距離約束

3）距離約束4）角度約束

5）相切約束4.6.3裝配模型建模方法1、自底向上的裝配建模

先設(shè)計零件，然后再定義零件間裝配關(guān)系。優(yōu)點：思路簡單、操作方便，易于理解，零部件獨立設(shè)計。不足：沒有裝配規(guī)劃，易產(chǎn)生不滿足裝配要求等問題，設(shè)計反復多。

自底向上裝配建模2、自頂向下的裝配建模先確定產(chǎn)品各組成件裝配關(guān)系，再逐個完成零部件的詳細設(shè)計。特點：

①建模過程由抽象到具體，逐步求精，符合產(chǎn)品設(shè)計過程；

②可減少不必要的設(shè)計重復；

③便于并行設(shè)計和協(xié)調(diào)設(shè)計；

④對設(shè)計人員和建模系統(tǒng)要求較高。

自頂向下裝配建模3、裝配建模方法的選用

自底向上裝配建模：適合于系列產(chǎn)品以及產(chǎn)品改進型設(shè)計，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)清晰，零部件的組成及其相互間的裝配關(guān)系基本確定。自頂向下的建模：適合于新產(chǎn)品設(shè)計，產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)不太清晰，零部件組成不確定，零部件結(jié)構(gòu)細節(jié)不可能具體，產(chǎn)品設(shè)計時需要從較為抽象、籠統(tǒng)的裝配模型開始，逐步細分、逐步求精。4.6.4裝配模型建模實例1、自底向上裝配建模實例例4.2

應(yīng)用Solidworks自底向上裝配建模功能，建立聯(lián)軸節(jié)裝配模型。建模思路：先創(chuàng)建各組成零件的特征模型，然后逐個裝配各個零件。建模步驟：1)分別創(chuàng)建各組成零件特征模型。

2)新建裝配體文件，將主動頭作為基礎(chǔ)件插入裝配文件。

聯(lián)軸節(jié)組成零件插入主動頭零件3)插入十字塊零件，并與主動頭裝配，使十字塊銷軸孔與主動頭銷孔“同軸心”和孔端“面面重合”配合。

主動頭與十字塊零件配合定義十字塊裝配4)插入銷軸零件，并與子裝配體裝配，使銷軸圓柱面與子裝配體銷孔面“同軸心”及銷軸端面與子裝配體外輪廓線“面線重合”配合。

銷軸與子裝配體配合定義銷軸裝配完成5)插入從動頭和另一銷軸零件，分別完成這兩個零件的裝配。聯(lián)軸節(jié)完整裝配模型2、自頂向下裝配建模實例例4.3

應(yīng)用Solidworks自頂向下裝配建模功能，建立萬向輪裝配模型。建模思路：在裝配體文件的整體框架下，從固定板開始創(chuàng)建各零件特征模型，最終構(gòu)建為一個裝配體。

萬向輪及其零件組成具體建模步驟如下：（1）新建裝配體文件，名為“萬向輪”，進入系統(tǒng)裝配環(huán)境。（2）創(chuàng)建固定板零件。①插入新零件，命名“固定板”；②以前視基準面作為草圖平面，