机械CAD/CAM技术ppt课件第5章.ppt

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1、第五章 机械CAD/CAM建模技术,5.1 几何建模概念5.2 三维几何建模技术5.3 特征建模技术5.4 三维造型实例,5.1 几何建摸概述,几何建模:用合适的数据结构对三维形体的几何形状及其属性进行描述,建立便于信息转换与处理的计算机内部模型的过程。几何建模作用意义:是CAD/CAM核心技术,为工程分析、工艺设计、物性计算、运动仿真、数控编程等后续作业提供了方便,是实现CAD/CAM技术的集成基础。 CADCAM建模技术的发展:线框模型表面模型曲面模型实体造型特征建模,CAD/CAM几何建模基本知识几何信息:是指形体的形状、位置和大小的信息。 如:直线描述方程,矩形体的长宽高等。拓扑信息:

2、反映形体各组成元素数量及其相互间关系。 如:相交、相邻、相切、垂直、平行等。 注意:两形体几何信息相同,若拓扑信息不同,则两形体可能完全不同。 形体基本元素:点、边、面,基本元素的拓扑关系: 面面、面边、面点 边边、边点、边面 点点、点边、点面,形体六层拓朴结构,体 由封闭表面围成的有效空间 ;壳 构成一个完整实体的封闭边界,是一组面的集合;面 由一个外环和若干内环界定的有界、不连通的表面; 环 是面的封闭边界,由有序、有向边的集合; 边 是实体两个邻面的交界;顶点 为边的端点,两条或两条以上边的交点。,正则集与正则集合运算正则集:一集合S的内部闭包与原来的集合相等。 S=kiS (k闭包,i

3、内部,S集合)正则化集合算子:集合运算后仍产生正则集。 U*(并)、*(交)、*(差)。,AB运算得到的非正则点集,闭包,悬边,欧拉公式:欧拉公式用来检验形体的合法性和一致性。正则形体欧拉公式: V E + F = 2 如:长方体V=8、E=12、F=6,则812+6=2。封闭多面体分割成B个独立多面体: V E + F B= 1 如B=6、V=9、E=20、F=18,则9 20 + 18 6=1。 有孔洞形体: G为穿透孔数,L为所有面上内环数 V E + F L=2(B G) 如下图c ,则:16-24+11-1=2 (1-0),5.2 三维几何建模技术 1、线框建模 2、表面(曲面)建模

4、 3、实体模型 1)构造体素几何表示法 2)边界表示法: 3)扫描表示法 4)单元表示法,1、线框模型(Wireframe Model)原理:通过顶点和棱边来描述形体的几何形状。数据结构:顶点表、棱边表二表结构。 特点:数据结构简单、信息量少、占用内存空间小、操作速度快, 可生成三视图、透视图和轴侧图。 不足:缺少面、体信息,易产生多义性,不能消隐、不能剖视、 不能进行物性计算和求交计算等,线框建模的数据结构,2.表面(曲面)建模 原理:通过对物体各个面的描述进行三维建模的方法。数据结构:顶点表、棱边表、面表三表结构。特点:可消隐、剖面图生成、渲染、求交、刀轨生成等作业。不足:缺少体信息,不便

5、进行物性计算和分析。,表面模型的数据结构,曲面建模a)平面: 三个点定义;b)线性拉伸面: 一条平面曲线沿直线方向移动扫成;c)直纹面 一直线两端点在两曲线对应等参数点上移动形成;d)回转面 平面线框图绕某一轴线旋转产生;e)扫成面 一剖面线沿一条导线移动构成; 一剖面线沿导线光滑过渡到另一剖面线; 一剖面线沿两条给定等参数边界移动形成。f)圆角面 圆角过渡面;g)等距面 沿原始曲面法线方向移动一个固定的距离。,3.实体建模实体建模概念:描述了实体全部几何信息,且定义了实体所有点、线、面、体拓扑信息。特点:实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工,物性计算等操作。 实体模型表示方法:构造体素几何表

6、示法(CSG,Constructive Solid Geometry) 扫描表示法(Sweeping Representation) 边界表示法(B-Rep,Boundary Representation) 单元表示法,1、构造体素几何表示法(CSG) 通过基本体素交、并、差正则集合运算构造各种复杂实体。 基本体素: 矩形块、圆柱、圆锥、球、锲、环等。,实体CSG表示的二叉树结构,数据结构:二叉树结构,记录了实体所有基本体素的组成、正则集合运算和相关的几何变换。 特点:无二义性,最终实体与基本体素先后拼合顺序无关,造型简单,易于实现,可方便转换成其它表示方法。 缺点:没有详细几何信息,必须转化

7、为其它形式才能对点、边、面等信息进行查询和编辑。,2、边界表示法(B-rep)通过面、环、边、顶点的几何和拓扑 参数来表示实体。,矩形体B-Rep表示法,B-rep翼边存储结构,数据结构:是以边为中心的翼边结构,通过任意一条边,可以 遍历整个实体所有几何元素。优点:记录有实体所有几何信息和拓扑信息。不足:缺乏实体生成过程信息,数据存储量大,难以直接构造。,3、扫描表示法 (Sweeping) 形体沿某一方向平移或绕某轴线旋转进行实体定义的方法,平面轮廓扫描法构造实体,复杂实体扫描构造,扫描构造实例,B-rep,转换,Sweeping,CSG,B-rep、CSG、Sweeping 三种表示方法的

8、应用: CSG、Sweeping常用于输入; B-rep 常作为三维实体计算机内部信息的描述;三者之间关系如下:,4、单元表示法:用一系列空间单元来表示实体的一种方法。数据结构:八叉树结构。特点:算法简单,易于集合运算和干涉检查,便于消隐和显示。缺陷:单元大小决定分解精度,需要大量存储空间,不能表达实体各元素间拓扑关系,没有点、边、面等形体单元的概念。,三维实体单元表示的八叉树结构,5.3 特征建模技术 特征建模的概念 实体模型不足:仅含实体几何信息,缺少功能、工艺、管理等信息。 特征:从工程对象概括和抽象出来的具有工程语义的功能要素。 特征建模:通过特征及其集合来定义、描述零件模型的过程。

9、特征建模对设计对象具有更高的定义层次,易于理解和使用,能为设计和制造过程各环节提供充分的工程和工艺信息。 特征建模是实现CAD/CAM集成化和智能化的关键技术。,特征的分类1)形状特征 具有一定工程语义的几何形体。STEP标准分类: 体特征:构造主体形状的特征,如凸台、孔、圆柱体、矩形体等; 过渡特征:如倒角、圆角、键槽、中心孔、退刀槽、螺纹等; 分布特征:如圆周均布孔、齿轮的齿形轮廓等。,凹陷:与已存在的形状特征一端相交的被减体;凸起:与已存在的形状特征一端相交的附加体。,从形状角度分:通道:与已存在的形状特征两端相交的被减体;,2)精度特征 包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。3)材料特

10、征 如材料型号、性能、硬度、表面处理、检验方式等。4)技术特征 描述零件的有关性能和技术要求;5)装配特征 描述装配过程中配合关系、装配顺序、装配方法等。6)管理特征 描述管理信息,如零件名、批量、设计者、日期等。,形状特征间的关系 相邻关系 特征在空间位置相互间的关系; 从属关系 主/辅特征间主从关系,如附着于回转体轴段 主特征的键槽、退刀槽、倒角等。 分布关系 某特征在空间位置上按某种形式排列。,常见的特征建模方式1)特征识别 在已有几何模型基础上,按照给定的模板进行匹配, 识别出相应的形状特征。2)基于特征的设计 借助于特征造型系统来建立产品特征模型。3)特征映射 特征具有多视域性,视域

11、不同造型特征也可能不同。 如下图:从力学考虑可认为是筋,从机械加工考虑则认为是槽, 因而须将设计特征映射为后续所需要特征。,特征的多视域性a)力学角度 b)机械加工角度,5.4 几何造型应用实例,AutoCAD几何造型实例 AutoCAD系统的造型功能包括实体造型、曲面造型以及实体的编辑修改功能。 实体造型输入主要采用构造体素几何(CSG)和扫描(Sweeping)两种方式,通过基本体素集合运算生成各种新的实体。 实体的存储采用CSG二叉树和B-rep两种模式,即将用户的输入用CSG树加以记录,然后再转换为B-rep表示。,AutoCAD扫描造型功能,实体的拉伸扫描,实体的旋转扫描,体素的拼合

12、,a)并运算 b)差运算 c)交运算,轴承端盖造型实例,旋转扫描生成的实体,通过差运算形成均布孔,通过差运算形成端面槽,Solidworks几何造型实例Solidworks包括CAD模块、CAM加工模块以及Design work分析模块等。该系统智能化程度高,参数化功能强,操作简便,是最容易学习三维CAD系统之一。下面以零件“盖”介绍建模过程。,Solidworks工作界面,2)单击基准面l ,单击草图绘制图标,绘制拉伸体草图。,1)单击新建图标,系统显示如图所示对话框 。,4)指定基体拉伸高度, 形成拉伸体,3)标注尺寸、倒圆角,5)指定工作平面 ,单击草图绘制图标,绘制凸台草图,6)拉伸凸台,7)构造凸台 圆角特征,8)构造抽壳特征,9)选择上表面,单击孔图标后,指定圆心位置,打开孔特征对话框,建立孔特征。,

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