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第五章 产品建模技术基础


第五章 产品建模技术 基础
何乃军

本章主要内容:介绍CAD建模基 本概念和主要的图形表示方法。这 是计算机辅助设计系统构造的关键 技术和核心理论。

第一节 概述
? 产品建模技术是随着计算机技术、计算机 图形学等学科的发展和工业发展的需要逐 步发展起来的。在近40年的发展过程中, 大致可分为三个阶段:

>– 几何建模 – 产品建模 – 产品结构建模

? 这三个阶段实质上反映了CAD的发展: ? 几何建模发展初期:CAD技术主要是绘图; ? 曲面和实体建模的出现,使的描述单一零件的基 本信息有了基础,使的基于统一的产品数字化模 型可进行分析和数控加工,从而实现了CADCAM 集成; ? 产品结构建模是面向产品装配结构,在更高层次 上提供了产品所需的完整信息,成为企业信息化 中产品信息的构造基础。

产品建模技术的发展历程
技术水平

混合建模

产品结构建模

特征加工
特征建模 参数建模

三维加工 二维加工 曲面建模

体素建模

线框建模 70年代

80年代

90年代

第二节 几何建模
? 几何建模技术是CADCAM的技术核心。 ? 几何建模(Geometry Modeling)是将真 实世界的三维物体的几何形状用一套合适 的数据结构来描述,供计算机识别和处理 的信息数据模型。

一、 概述
二、线框模型 三、表面模型 四、实体模型

一、 概述
1、几何造型是CAD系统的核心
产品设计: 用户设计所需要的几何产品。 几何造型:在计算机内生成所需要的几何形状。 计算机图形学:在输出设备上显示所生成的图形。

2. 三维几何形体的计算机表示

两种信息:几何信息和拓扑信息
? 线框模型、表面模型和实体模型

? 1)几何信息

–几何信息是指构成几何实体的各几何元 素在欧氏空间中的位置和大小。这通常 用一定的数学表达式和边界条件来表示。 –如: 点 P=( x, y, z) –面 A x2+B y2 +C z2 +D x y+…

几何信息中的内在关系
? 面与面之交构成边线; ? 三张面的交构成点; ? 两条线的交构成点; ? 两条线可定义一张面; ? 三个点可定义一张面; ? 两个点可定义一条线。

Face F1?F2 ?F3 V1?V2 ?V3 Vertex F1?F2 E1?E2 Edge

E1?E2
V1?V2

? 在几何建模中,基本的几何元素有三种: 面F、边E和顶点V。这三种元素有多种可能 的连接关系; ? 元素的连接关系有:面的相邻性、面-顶 点包含性、面-边包含性、顶点-面相邻 性、顶点相邻性、顶点-边相邻性、边- 面相邻性、边-顶点包含性、边相邻性; ? 三种元素若按几何信息术语称为平面或曲 面、直线或曲线和点。

? 2)拓扑信息
–拓扑信息只考虑构成几何实体的各几何 元素的数目和它们的连接关系。 –因此拓扑关系允许三维实体做弹性变形 运动,但在三维实体上的不同点不可合 并为一个点。如立方体和圆柱体。

拓扑等价的两个几何实体

2 1 6 5 8 4

3

2 1 4

3

7
5

6 8

7

3. 几何造型技术的发展
? 线框模型 ? 表面摸型 ? 实体模型 ? 特征造型 ? 网络CAD

4. 商品化的几何造型系统
国外:

AUTOCAD、CATIA、I - DEAS 、 Pro/Engineer、UnigraphicsⅡ、 ACIS、 Parasolid等。 国内:
高华、金银花、管道CAD、 制造工程师 (ME)、NPU-CAD/CAM系统

二、线框模型 (Wireframe Model)
? 1. 线框模型的概念 ? 由构成物体的一组顶点和边来表示物体的 几何形状,其中边可以是直线,也可以是 曲线,如园弧、二次曲线、B 样条曲线和 Bezier曲线。

例. 立方体的线框模型及其计算机表示

线框模型

顶点表

棱线表

提供了定义形体的点、线的几何信息,以及点 与边之间连接关系的拓扑信息。

2. 线框模型的优缺点 1)优点:
?

构造模型时操作简便,处理速度快且占 用内存少。 特别适用于设计构思、建立 设计图的总体空间位置关系及图形的动态 交互显示。 利用投影变换,从三维线框模型可方便 地生成各种正投影图、轴测图和任意观 察方向的透视投影图。

?

2)缺点: – 易出现二义性理解; – 缺少曲面边缘侧影轮廓线; – 缺少边与面、面与体之间关系的信息,不能描 述产品。

3)线框模型的特点
? 线框模型可以生成物体的工程视图; ? 不能生成剖切图,不能做隐藏线消隐处理; ? 线框模型缺少物体面的信息,因此在表示 模具型腔复杂造型上无能为力; ? 仅能支持二维CAM加工轨迹的生成; ? 由于没有物体内部信息,不可能支持对物 体的计算分析。

三、表面模型 (Surface Model)
? 表面模型是以物体的各个表面为单位来表示其形 体特征的,在线框模型的基础上增加了有关面和 边的信息、拓扑信息。

? 表面模型提供了定义形体的点、线、面的几何信 息,以及点与边、边与面之间连接关系的拓扑信 息。
? 面模型的描述有两种:一是基于线框模型扩充为 表面模型,另一为基于曲线曲面的描述方法构成 曲面模型。

? (一)基于线框模型扩充为表面模型 ? 表面模型的数据结构是在线框模型数据结 构的基础上增加面的有关信息。 ? 例. 立方体的表面模型

? (二)基于曲线曲面的描述方法构成曲面 模型 ? 常用的曲面类型:
– 表面模型中的几何形体表面可以由若干块面片 组成,这些面片可以是平面、解析曲面(如球 面、柱面、锥面等)、参数曲面(Bezier、B 样条曲面片等)。

? 曲面可通过以下的生成方式产生:

1、 通过一条或多条曲线构造曲面
?

线性拉伸面或柱状面

?

直纹面

?

旋转面

?

扫成面

Coons曲 面
?

旋转曲面

轨迹曲面

直纹曲面

2、由位于矩形网格上的一组输入点(称 为控制顶点)构造曲面。
? Bezier曲面 ?

B样条曲面

3、通过插值其他曲面构造曲面
?

1)圆角曲面(Fillet Surface):它为两个

曲面间的过渡曲面,性质为B样条曲面 说明:尽管定义曲 面的方式多种多样, 但它们都可以由 NURBS曲面统一表 示。

2)组合曲面
组合曲面(Composite Surfaces)是由曲面片拼合 成的复杂曲面。 现实中,复杂的几何产品很难用一张简单的曲 面进行表示。 将整张复杂曲面分解为若干曲面片,每张曲面 片由满足给定边界约束的方程表示。理论上,采用 这种分片技术,任何复杂曲面都可以由定义完善的 曲面片拼合而成。

(三)表面模型的优点与不足:
1、优点 利用曲面造型能够构造诸如汽车、飞机、船 舶、模具等非常复杂的物体。 并且,由于表面模型比线框模型提供了形体 更多的几何信息,因而还可实现消隐、生成 明暗图、计算表面积、生成表面数控刀具轨 迹及有限元网格等。

2、缺点
? 操作复杂,需具备一定的曲面造型知识。

?由于缺乏面与体的关系,不能区别体内与体
外,不能指出哪里是物体的内部与外部信息,

因此,表面模型仅适用于描述物体的外壳。

3、曲面建模的特点
? 曲面建模可适合复杂型腔模具的造型,但与实体 建模相比,造型复杂度高,操作步骤较繁; ? 由于具备表面信息,加工轨迹可以计算,所以大 多数CAM系统基于曲面造型技术; ? 表面模型可以产生具有真实感的物体图像; ? 物体表面边界互相不存在联系,因此无法区分物 体的内外,无法对物体进行分析计算。

4、在CAM中曲面信息的补充
? 通过增加法矢量,说明表面的哪一面向外; ? 通过法矢量的位置,提供加工轨迹计算的起 点; ? 通过法矢量的箭头方向,定义刀具轨迹的方 向; ? 通过法矢量,确定圆弧过渡曲面的象限。

曲面法矢量
曲面1

圆弧过渡曲面
曲面2

四、实体模型 (Solid Model)
? 基本概念 ? 几何实体构造法(Constructive Solid Geometry) ? 边界表示法(Boundary Representation) ? 扫描生成法(Sweep Representation)

(一)基本概念

1、实体模型的概念
实体模型的核心问题是采用什么方法来表示实体。 与线框模型和表面模型的根本区别在于:实体模型不 仅记录了全部几何信息,而且记录了全部点、线、面、 体的信息。 为了确定表面的哪一侧存在实体,常用的方法是用 有向棱边的右手法则确定所在面的外法线方向,例如 规定正向指向体外。
表面F
1 2 3 4 5 6 1

棱线号
2 3 4

-5 -6 -7 -8
-1 -10 -5 -9 2 11 3 12 6 7 10 11

表 面 表

-4 -9 -8 -12

? 2、形体的信息结构定义 ? 在计算机内通常采用五个层次的拓扑来定 义,如果考虑到壳,则为六层结构。

? 体 封闭表面围成的有效空间; ? 壳 一组连续的面围成,有内外 壳之分; ? 面 几何表面一部分,有方向; ? 环 有序、有向边组成的面的封 闭边界。有内外环之分; ? 边 实体两个相邻面的交界; ? 顶点 边的端点。

形体Object 外壳Shell 面Face 环Loop 边Edge

点Vertex

? 3、集合(布尔)运算 ? 几何建模中的集合运算类似于集合论 中的并、交、差运算。是将简单形体构成 复杂形体的工具。 ? 交集:C=A ? B = B ? A ? 并集:C=A ? B = B ? A ? 差集:C=A - B (但 C? B - A)

集合运算实例

如果将零件的背后抽壳(求差运算),则 可得到两个不同结果。请思考其原因?

4、有效实体和正则化集合运算
1)有效实体(正则形体,简称实体)经 过集合运算生成的形体也应具有边界良 好的有效几何形体,并保持初始形状的 维数。 如:两个三维形体经过交运算后,产生 一个退化的结果-悬面。
悬面

有效实体(正则形体,简称实体)
形象地说,有效实体(正则形体)是由实 体内部的点及紧紧包着这些点的表皮组成。 一个有效的实体应具有如下的性质:
? ? 点 ? ? 刚性 三维一致性:即实体没有悬面、悬边及孤立的 有限性 封闭性

? 2)正则化集合运算 ? 如果基本形体或称之为体素是有效的,再用正则 化集合运算,则产生有效的复杂形体。 ? 实际CAD的并、交、差运算,需要辅助一定的检 测手段,以保证运算结果的正确有效。 ? A ∩* B ? A ∪* B ? A –*B ? 以上带有<op>*的运算表示正则化集合运算。

5、欧拉检验公式
? 欧拉公式用于检验建模过程中的每一步所产生的 中间形体的拓扑关系都是正确的。 ? 欧拉公式的扩展为: ? V - E + F = 2 (S - H) + R ? V为顶点数目 ? E为边的数目 ? F为面的数目 ? S为不连续的形体数目 ? H为穿过形体的孔洞数目 ? R为实体面上的环数目

欧拉公式举例
? 如果在立方体上没有一个孔,则V=8、 E=12、F=6、S=1、H=0、R=0。所以 8-12+6=2(1-0)+0。 ? 如果在立方体上有一个孔,在孔的上下边 分别设有两个节点,则V=12、E=18、 F=8、S=1、H=1、R=2。所以1218+8=2(1-1)+2。

(二)几何实体构造法(CSG法)
? 构造体素法 Constructive Solid Geometry ? 简称: CSG ? 基本思想: CSG模型 是用简单实体(称为体 素)通过集合运算交、 并、差构造复杂实体 的方法。

1、 简单实体的构造

以上说明了几何实体构造法构造实 体的基本方法。但需要指出的是, 体素经集合论中的交、并、差运算 后可能产生客观上并不存在的实体。 因此需用欧拉公式检验。

2、 CSG树 CSG法所构造的实体可以用一棵二叉树来描述。 扳手的构造过程:

CSG的二杈树:

Root: Final Object NonTerminal Nodes: Boolean Operators or Motions Leaf Nodes: Primitives or Transformation Data

A Wrench

CSG Binary Tree

3、

CSG法的优点与缺点 优点:
? 用CSG法表示复杂实体非常简明,可惟一

地定义物体。 ? CSG法所表示的实体的有效性是由体素的 有效性和集合运算的正则性自动得到保证。 ? CSG树描述物体非常紧凑,体素种类越多, CSG法所能定义的实体的覆盖域越宽。 ? 在大多数实体造型系统中作为用户输入手 段。

4、缺点:
CSG树只定义了物体的构成体素及构 造方式,没有反映物体的面、边、 顶点等有关信息,因此这种数据结 构称为“不可计算的”。 当真正进行物体的拼合运算并最终 显示物体时,还需将CSG树数据结构 转换为边界表示的数据结构。

5、CSG的特点:
? 清晰表示了形体构造方式和过程; ? 不显示说明三维点集与所表示物体在E3空 间的一一对应关系(不反映面、边、点信 息),故称之为隐式模型; ? 表示方法不唯一; ? 物体有效性通过体素有效性和规则化运算 来保证; ? 显示物体必须借助于其它表示法。

(三)边界表示法 (B-rep)
? 边界表示法 Boundary Representation
– 简称:B-Rep

? 基本思想:
– 实体的边界是面,即由“面”或“片”的子集 表示; – 表面的边界是边,可用“边”的子集表示; – 边的边界是顶点,即由顶点的子集表示。

? 边界表示法示意:

1. B-rep法及其与表面模型的区别 (1) B-rep法
边界表示法是用物体封闭的边界表面描述物体的 方法,这一封闭的边界表面是由一组面的并集组 成的。

(2)B-Rep的层表示:
Body Face 面的定义

B-Rep
B-Rep定义还需要有约束 条件,反映BOX的有效性。 约束条件可加在Face,或 Loop、Edge上,根据需 要确定。

Loop
Edge Vertex

环的定义
边的定义 顶点的定义

例子
Cube V4 E4 F1 F2 F3 F4 F5 F6 V1 F3 V3 E3 F2 F1 E2 E1 V2

六个面

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10 E11 E12
12条边

V1

V2

V3

V4

V5

V6

V7

V8

八个顶点

(3)与表面模型的区别
边界表示法的表面必须封闭、有向,各张表面 间有严格的拓扑关系,形成一个整体;
而表面模型的面可以不封闭,面的上下表面都 可以有效,不能判定面的哪一侧是体内与体外; 此外,表面模型没有提供各张表面之间相互连 接的信息。

2. 优点与缺点
(1)优点 详细记录了三维形体所有几何元素的 几何信息和拓扑信息,这在图像生成 和模型表面积计算等应用中表现出明 显的优点;所表示的实体不存在二义 性。 (2)缺点 存储量大; 不能反映形体的构造过程

3、B-Rep的特点:
? 可以进行形状的唯一性定义; ? 对边界处理、形体显示方便; ? 需要用其它方法去保证形体的有效性,如 欧拉公式; ? 数据量较大,结构繁琐。

(四)扫描表示法
? 基本方法是通过一个二维形体沿一给定轨 迹方向运动而形成实体。

? 空间中的二维形体沿着某一路径扫描时的 运动轨迹将定义一个二维或三维物体。
– 两个要素:
? 被运动的对象,称为基体,可以为曲线、面。 ? 扫描运动的轨迹,称为扫描轨迹。

在以B-rep表示为主的实体系统中,扫

描表示法经常作为一种输入形体的 手段

设计二维图形

调用扫描命令 生成三维实体

由扫描技术构成的刀具切削验证系统

扫描表示法的特点:
? 简单、明快; ? 表示的域有一定的限制,如任意形状的实 体。 ? 在CAM的刀具运动轨迹的仿真中采用,即 刀具截面沿运动切削方向所扫描的路径, 构成加工切除的材料。 ? 辅助其它表示法,在CADCAM中使用较为 广泛。

几何建模技术比较
线框 曲面 实体

数据结构
工程图 剖面图

点和边
较好 不可能

点边面、参数方程
局限 有交线

点边面体
较好 可行

消隐
真实感图形 物性计算 干涉检查 有限元 计算机要求 内存

不可能
不可能 有限制 不行 人机交互 低 1

有限制
可行 有限制 局限 壳单元 一般 4

可行
可行 可行 可行 实体单元 高 10

NC数控

2轴半

2-5轴

2-5轴

第三节 参数化特征造型技术
? 一、概述
? 二、参数化设计 ? 三、特征造型

一、概述 1、实体造型系统的不足
? 着眼于完善产品的几何描述能力。它只存储了物体

? 几何模型难以修改,不能适应产品开发的动态过程。

的几何形状信息,缺乏产品在开发和生产整个生命 周期所需的全部信息,如材料、尺寸公差、加工特 征信息、表面光洁度和装配要求等,因此不能符合 数据交换规范的产品模型,导致CAD/ CAPP /CAM集成的先天困难。

? 所提供的造型手段不符合工程师的设计习惯。

它只提供了点、线、面或体素拼合这些初级 构形手段,不能满足设计、制造对构形的需 要。因为设计工程师和制造工程师在设计一 个零件时,总是从那些对设计或制造有意义 的基本特征出发进行构思以形成所需的零件。 其中的特征包括各种槽(如方形槽、V形槽、 燕尾槽、盲槽)、凹坑、圆孔、螺纹孔、顶 尖孔、退刀槽、倒角等。

2、 参数化几何造型

?

这种方法使用拓扑约束和尺寸约束来定义和 修改几何模型。将尺寸用变量表示,作为设 计的几何参数,以建立通用的几何模型。
优点

?

可快速设计出形状相似仅尺寸不同的一 组零件。具有动态修改几何模型的能力。 ? 局限性
一般不能改变图形的拓扑结构。

3、 基于特征的实体造型

特征造型是以实体造型为基础用具 有一定设计或加工功能的特征作为造型 的基本单元建立零部件的几何模型。

特征造型的优点:
(1) 在更高的层次上从事产品设计工作:

? 使设计人员将更多的精力用在创造性构思上;
? 使产品设计更易为别人所理解; ? 使设计的图样更容易修改。 (2) 有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加 工、检验各部门之间的联系。

(3) 促进产品的集成信息模型的实现, 因为特征造型能够很好地表达产品 的完整的技术和生产管理信息。 (4) 有助于推动行业内的产品设计和工 艺方法的规范化、标准化和系列化。 (5) 促进智能CAD系统和智能制造系统 的逐步实现。

4、 参数化特征造型系统

将参数化造型的思想用到特征造型中来, 对产品的特征进行参数化造型,就形成了参 数化特征造型,目前许多主流的实体造型系 统如

I - DEAS 、Pro/Engineer、 UnigraphicsⅡ等均提供了有关功能。

5、 发展趋势

? CAD/CAPP /CAM集成 ?反向工程(Reverse Engineering) ?面向网络的CAD应用

二、参数化设计
? 设计过程的复杂性、多样性和灵活性要求设计自动 化必须走参数化的路子。
? 所谓参数化就是将设计要求、设计原则、设计方法 和设计结果用灵活可变的参数来表示,以便在人机 交互过程中根据实际情况随时加以更改。

? 要实现参数化设计,仅仅将设计要求参数化是远远 不够的,如果设计原则、方法和结果形式不能在设 计过程中根据实际情况进行变更,这样的设计自动 化软件是很难在实践中应用的。参数化技术是全相 关和系列化设计的技术基础。

? 自从以PTC公司的Pro/Engineer为代表 的基于特征造型的参数化设计(Parametric Design)系统问世以来,在此基础上实现设 计的自动化已经变得切实可行。 ? 参数化设计技术是计算机辅助设计技术的 一次巨大的飞跃,目前先进的CAD软件大 部分实现了参数化。

? 参数化技术出现的时间还不太长,目前正 处于不断发展和完善的时期,新的思想和 方法还在实线中不断出现。 ? 参数化设计系统中所涉及到的一些技术和 思想,如轮廓、草绘、尺寸驱动、变量驱 动、设计合理性检查、动态导航等;

1、轮廓
? 参数化设计系统引入了轮廓的概念,轮廓 由若干首尾相接的直线或曲线组成,用来 表达实体模型的截面形状或扫描路径。轮 廓上的线段(直线或曲线)不能断开、错位或 者交叉。整个轮廓可以是封闭的,但也可 以不封闭。如图所示。

? 虽然轮廓与生成轮廓的原始线条看上去几乎—模一 样,但是它们有本质的区别。轮廓上的线段不能随 便被移到别处,而生成轮廓的原始线条可以随便地 被拆散和移走。这些原始线条与通常的二维绘图系 统中的线条本质上是一样的,如图所示。

2、参数化设计方法
? 参数化设计方法大致可分为参数驱动法和 变量几何法两类。

参数驱动法
? 所谓尺寸驱动就是指当设计人员改变了轮 廓尺寸数值的大小时,轮廓将随之发生相 应的变化,如图所示。

参数驱动法
? 实现尺寸驱动对设计人员来讲具有重要的意义, 尺才驱动把设计图形的直观性和设计尺寸的精确 性有机地统一起来。 ? 如果设计人员明确了设计尺寸,计算机就把这个 尺寸所体现的大小和位置信息直观地反馈给设计 人员,设计人员可以迅速地发现不合理的尺寸。 ? 只一方面,在结构设计中设计人员可以在屏幕上 大致勾勒设计要素的位置和大小,计算机自动将 位置和大小尺寸化,供设计人员参考,设计人员 可以在适当的时候修改这些尺寸。由此可以看出, 尺寸驱动可以大大提高设计的效率和质量。

变量几何法
? 变量驱动也叫做变量化建模技术。变量驱动将所 有的设计要素如尺寸、约束条件、工程计算条件 甚至名称都视为设计变量,同时允许用户定义这 些变量之间的关系式以及程序逻辑,从而使设计 的自动化程度大大提高。变量驱动进一步扩展了 尺寸驱动这一技术,给设计对象的修改增加了更 大的自由度。变量化建模技术为CAD软件带来了 空前的适应性和易用性。 ?

? 例如在部件的一个圆周上均匀分布着若干 紧因螺钉,变量化设计允许把螺钉的数目 当作设汁变量,当改变螺钉的数目时,螺 钉之间的夹角将通过一个预先输入的简单 表达式计算得到,计算机会正确处理这种 设计上的变化,如图所示。

三、特征造型
? 特征建模(Feature Modeling)是从工程 师应用角度提出的产品建模方法。 ? 1、特征的定义

? 可以将特征定义为:特征是由一定拓扑关 系的一组实体体素构成的特定型体,它还包 括附加在型体之上的工程信息,对应于零 件上的一个或多个功能,能够被固定的方 法加工成型。

2、特征的分类
? 从产品整个生命周期来看,可分为:
– 设计特征、分析特征、加工特征、公差及检测特 征、装配特征等。

? 从产品功能上,可分为:
– 形状特征、装配特征、精度特征、技术特征、材 料特征等

? 从复杂程度上分为:
– 基本特征、组合特征、复合特征。

? 1)形状特征 ? 形状特征用于描述某个有一定工程意义的 几何形状信息,是产品信息模型中最主要的特 征信息之一。它是其他非几何信息如精度特征、 材料特征等的载体。非几何信息作为属性或约 束附加在形状特征的组成要素上。

? 形状特征又分为主特征和辅特征。
–主特征用于构造零件的主体形状结构; –辅特征则用于对主特征的局部进行修饰,它 依附在主特征之上。 –辅特征又有正负之分。
?正特征向零件加材料,用来描述如凸台、筋板 等形状实体; ?负特征向零件减材料,用来描述孔、槽之类的 形状。

–在辅特征中还包括修饰特征,用来表示印记 和螺纹等。

形状特征的分类:
? 体特征 反映形体的增加或减少。
第1层 预先存在实体

第2层 正特征 负特征

形状特征的分类:
? 过渡特征 表达形体的各表面分离或结合 的性质,如倒圆等。

形状特征的分类:
? 分布特征 表达一组相同的特征,如齿轮、 阵列孔等。

? 2)装配特征 ? 装配特征用于表达零件的装配关系,以 及在装配过程中所需的信息,包括简化表 达、模型替换、包封、边界盒等等,有时 也包括在装配过程中生成的形状特征,如 配钻等。

? 3)精度特征 ? 精度特征用于描述几何形状和尺寸的许 可变动量或误差,如尺寸公差、形位公差、 表面粗糙度等。精度特征又可细分为形状 公差特征、位置公差特征、表面粗糙度等。

? 4)材料特征 ? 材料特征用于描述材料的类型与性能以 及热处理等信息。如性能/规范(机械特性、 物理特性、化学特性、导电特性等)和材料 处理方式与条件(如整体热处理、表面热处 理等)。

? 5)性能分析持征 ? 性能分析特征用于表达零件在性能分析时 所使用的信息,如有限元网格划分等,有 时也称技术特征。
? 6)补充特征 ? 补充特征用于表达一些与上述特征无关 的产品信息零件设计的GT(成组技术)码等 管理信息的特征,也可称之为管理特征。

? 一般把形状特征与装配特征叫做造型特征, 因为它们是实际构造出产品外形的特征。 造型特征是这一章重点研究的对象。
? 其他的特征称为面向过程的特征,因为它 们并不实际参与产品几何形状的构造。而 属于那些与生产环境有关的特征。

3、特征系统的实现模式
? 目前,特征造型系统的实现主要有特征交 互定义、特征自动识别、基于特征的设计 等3种途径。 ? 1)特征交互定义
? 2)特征自动识别 ? 3)基于特征的设计

基于几何建模的特征建模:
特征定义 形状: 参数:

用户接口

几何建模

4、基于特征的建模方法
? 零件基于特征的建模过程就是不断地生成 特征的过程。其基本步骤大致如下: ? 1)零件规划 ? 2)创造主特征 ? 3)创建其他附加特征 ? 4)编辑修改特征 ? 5)生成二维工程图

5、特征的种类及其生成方法
? 一般而言,高端的特征造型系统都提供以下 特征类型。 ? 草图特征
– 添加了约束条件的可参数化的二维图形

? 实体特征
– 直接构造实体的特征

? 曲面特征
– 用于构造自由形状的特征

? 板金特征
– 板金加工特有的特征

? 1)草图特征

? 2)参考特征 ? 基准面 ? 基准轴

? 3)体素特征 ? 常见的体素特征有方块、圆柱、圆锥、球 等
? 4)扫描特征

? 5)成形特征
? 圆台 ? 凸台 ?孔 ? 型腔 ? 键槽 ? 沟槽

? 6)曲面特征 ? 点构造 ? 线构造 ? 面构造 ? 修饰特征

? 7)板金特征 ? 弯曲 ? 翻边 ? 压筋 ? 压台 ? 孔、槽和切口

6、特征操作
? ? ? ? ? ? ? ? ? 1)倒圆 2)倒角 3)拔模 4)抽壳 5)阵列 6)修剪 7)补片 8)加料 9)布尔运算

7、特征管理
? 1)特征树 ? 在特征造型系统中,所有的零件都是特征 的集合。一个零件就有一个特征树,这个 特征树记录了组成零件的所有特征的类型 及其相互的关系。其中最早建立的特征叫 做基特征,其他的都是子特征。基特征可 以是零件的主特征,也可以是虚体特让。

? 特征树中有两种基本关系:邻接关系和父子关系。 ? 邻接关系表示两个特征是并列的,它们依附于共 同的父特征; ? 父子关系表示两个特征之间存在依附关系,一个 特征依附在另一个特征之上。被依附的特征叫做 父特征、修改父特征会对子特征有影响。如果删 除父特征,则子特征也将被删除。 ? 在进行零件造型时,要特别注意持征树的结构关 系,分清楚零件的特征结构,以利于后面的修改。

下图是一个典型的特征树。

? 2)特征树上可进行的操作 ? 选择特征 ? 删除特征 ? 重新命名 ? 移动特征 ? 抑制特征和非抑制特征 ? 特征复制 ? 编辑特征 ? 特征信息查询

特征建模的特点:
? 更贴近工程实际应用; ? 在产品信息上更加丰富; ? 为CADCAM的智能化技术发展提供了基础; ? 在表示域方面存在限制,如任意复杂的曲 面模型产品。

第四节 产品结构模型
? 产品结构模型(Product Structure Model)是将产品从概念设计到制造成最终 产品的整个过程在计算机上用数字和图形 模型给予全面描述。 ? 其集成零件、部件和装配的全部可用信息, 形成一个包括各种信息的电子化产品模型 EPD(Electronic Product Definition)。

装配结构树:


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