研究生课程CADCAM讲稿ChCADCAM的技术基础s.ppt
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1、实体模型的表达方法,构造实体几何法(Constructive Solid Geometry,CSG法),目前实体模型在计算机内部进行组织存在四种主流方式:,边界表示法(Boundary Representation,B-rep),扫描表示法,空间分割表示法,3.2.2 实体模型的表达,构造实体几何法(CSG法),构造实体几何法是一种用基本体素经过交、并、差运算构造实体的方法,基本定义,基本原理,CSG法用二叉树来构造一个物体,即通过对二叉树节点的交、并、差操作以及定义几何元素的尺寸、位置(坐标)和方向来表示一个物体,二叉树上的节点可以是体素,也可以是体素运动变换(如平移、旋转等)的参数,而树根
2、表示最终的实体,3.2.2 实体模型的表达,构造实体几何法(CSG法)(续1),基本原理(续),3.2.2 实体模型的表达,构造实体几何法(CSG法)(续2),基本体素,3.2.2 实体模型的表达,构造实体几何法(CSG法)(续3),优缺点,优点,模型紧凑,具有较强的参数化造型功能,缺点,纯粹的CSG模型不能提供物体的坐标与有关边、面的信息,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B-rep法),基本定义,边界表示法是用形体的边界来描述形体的一种方法,目前在计算机辅助设计领域广为应用,主流商用CAD软件(包括Catia,UG,Pro/E,SolidWorks,AutoCAD等)都采用该方法进行
3、底层CAD模型表达,基本原理,把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间,该形体可通过其边界,即面的子集来表示。而每一个面又通过边、边通过点、点通过三个坐标值来定义,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B-rep法)(续1),基本原理(续1),该表示法强调的是形体的外表细节,详细记录了构成几何形体的所有的几何、拓扑信息,边界表示法的数据结构,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B-rep法)(续2),基本原理(续2),模型内部数据结构和关系与物体生成描述方法无关,如下图中的零件,其可采用不同的生成方法和生成顺序,但其内部数据结构总是由9个面构成,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B
4、-rep法)(续3),基本原理(续3),3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B-rep法)(续4),基本原理(续4),3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B-rep法)(续5),基本原理(续5),3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B-rep法)(续6),基本原理(续6),边界表示法的核心信息是平面,因为边总是附属于某一个平面的。由于两个相邻平面的交线也是边,因此边构成了平面之间的关联,在大多数系统当中,边在计算机内 部需进行两次存储,一次涉及平面 n,一次则为平面m。通过边的指向 可标识平面的法向方向,从而判断 出某一平面是在体内还是体外,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(
5、B-rep法)(续7),优缺点,优点,模型具有拓扑信息及几何信息,对于复杂图形的显示很方便,缺点,难以表达物体生成的原始信息和过程信息,且描述所需信息量较大,存在信息冗余,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B-rep法)(续7),边界表示法与构造实体几何法的比较,CSG法计算机内部表示与物体的描述和拼合运算过程密切相关,即存储的是物体的生成过程,也称为过程模型;而B-rep法则与过 程无关,只保存生成的最终结果,因此,也称为结果模型,CSG法强调的是记录各体素进入拼合时的原始状态,而B-rep法则强调记录拼合后的结果,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B-rep法)(续8),边界表
6、示法与构造实体几何法的比较(续),3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B-rep法)(续9),边界表示法与构造实体几何法的比较(续2),在CSG法中,采用直接修改CSG树上的基本体素达到整体修改目标,3.2.2 实体模型的表达,边界表示法(B-rep法)(续10),边界表示法与构造实体几何法混合模式,指在一个系统中将CSG法和B-rep法混合,其出发点是在原来CSG树的结点上再扩充一级边界数据结构,以实现图形的快速显示,3.2.2 实体模型的表达,扫描表示法,指用形体(一般是二维图形)与其运动轨迹来表示所生成的物体的一种方法,二维图形可采用多种扫描方式生成实体,如平移、旋转、沿任意扫描路线
7、按约定的扫描规则进行扫描等,采用边界表达模型进行表示,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法,是将空间实体划分成若干个大小相等的立方体,然后用这些立方体近似表示该实体的一种方法,基本概念,在计算机内部主要定义各个立方体中心的坐标是否存在来描述空间实体,因此立方体中心的坐标是空间分割法的主要参数,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法(续1),该表示法为一种数字化的近似表示法,单元的大小直接影响模型的分辨率,基本概念(续),实体被立方体分割的数量越多,得到的结果就与原实体越接近,近似度就越好,模型的分辨率就越高,但是当分割数量很多时,需要较大的存储开销,不能表达出一个物体任意两部分之间的
8、关系,也缺乏点、线、面的概念。但是其算法简单,较适合于物性计算和有限元网格划分,目前在加工过程仿真领域应用广泛,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法(续2),用于二维形体的表示。其原理是:将平面划分为四个区域(四个子平面),子平面可细分,通过定义这些子平面为“有图形”或“无图形”来描述不同形状的物体,基于四叉树的空间分割方法,在计算机内部,四叉树为一种特殊的树状结构,每一个结点具有三种可选状态,“满”,“空”,“半空”。“部分有”结点可细分,直到全部结点都是“有”或“无”来表示,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法(续3),基于四叉树的空间分割方法(续),3.2.2 实体模型的表达
9、,空间分割表示法(续4),基于八叉树的空间分割方法,是四叉树的扩展,用于三维形体的表示 其原理是:其将空间通过三个坐标平面XY、YZ、ZX划分为八个子空间。八叉树中的每一个结点对应着每一个子空间,结点的状态同样为:“满”,“空”,“半空”三种,3.2.2 实体模型的表达,空间分割表示法(续5),基于八叉树的空间分割方法(续),3.2.2 实体模型的表达,传统的几何造型技术的缺陷,在基于CAD/CAM的现代产品设计中,要求实现对产品整个生命周期各阶段的产品信息的描述与零件模型重构,使得各应用系统可直接从该零件模型中抽取所需的信息,零件信息不完整,只包含零件的几何数据,缺少表达工程语义的材料、公差
10、、粗糙度等信息,不能提供支持产品全生命周期的信息,数据提取困难,通常需借助人工干预实现,用点、线、面、体的操作来构成实体,难以在模型中表达特征,不符合设计者在产品构形时以产品特征为主的习惯,对创造性设计不利,3.2.3 基于特征的产品建模技术,特征的定义,特征是具有属性、与设计、制造活动有关,并含有工程意义和基本几何实体或信息的集合,特征包括几何形状、精度、材料、技术特征和管理等属性,特征是与设计活动和制造有关的几何实体,面向设计和制造,特征含有工程语义信息,反映设计者和制造者的意图,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品建模的定义,将特征作为产品描述的基本单元,将产品描述为特征的
11、集合。每个特征包含若干属性,这些属性由描述特征的长、宽、直径、角度等形状的属性,拓扑关系的属性(如特征的层次、特征之间的关系等)以及加工信息属性(如工序等)构成,3.2.3 基于特征的产品建模技术,特征建模的特点,从构型的角度看,不再将基本几何体(如圆柱、圆锥、球等)作为拼合零件的对象,而是选用对设计制造有意义的特征形体作为基本单元拼合成零件,如槽、凹腔、凸台、孔、壳、壁等,从信息的角度看,特征作为产品开发过程中的各种信息载体,不仅包括几何、拓扑信息,还包括设计制造所需的一些非几何信息,如材料信息、尺寸、形状公差信息、热处理及表面粗糙度信息、刀具信息、管理信息等,建立的零、部件模型不仅包括几何
12、信息,还包括下游(CAPP、CAM)所需的信息,形成了符合STEP标准的产品信息模型,为CIMS及DFX打下基础,3.2.3 基于特征的产品建模技术,特征建模技术的发展,交互式特征定义阶段,利用现有造型系统建立产品的几何模型,由用户直接通过图形交互拾取,手工将特征参数、精度、技术要求、材料热处理等信息作为特征的属性添加到特征模型中。这种方法自动化程度低,信息处理易产生人为错误,与后续系统的集成较困难,程序的开发工作量大,特征识别阶段,通过搜索产品几何数据库,提取产品的几何模型,将几何模型与预先定义的特征比较,匹配特征的拓扑模型,再通过从数据库中提取已识别的特征信息,来确定特征参数,完成特征几何
13、模型,该方法仅对简单形状有效,只能识别加工特征,缺乏公差、材料等信息,需研究专门的算法来识别特征,典型的算法有:特征匹配法、CSG树识别法、体积积分法、实体生成法等,3.2.3 基于特征的产品建模技术,特征建模技术的发展(续),基于特征的设计,直接采用特征建立产品模型,将特征库中预定义的特征实例化后,以实例特征为基本单元建立特征模型,完成产品的定义,而不是事后去识别特征来定义零件几何体。 由于特征库中的特征覆盖了产品生命周期中各应用系统所需要的信息,因此该方法目前被广泛采纳,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型,产品信息模型的定义,指在产品全生命周期中与产品相关的BOM信
14、息、功能信息、几何拓扑信息、形状信息、表面质量信息、尺寸精度信息、装配信息、工艺技术信息和材料信息等的集合。它覆盖产品生命周期的全过程,包括市场分析、工程设计、工艺设计、加工、装配、检验、销售及售后服务等,产品信息模型的作用,是企业信息集成的基础,是先进制造系统中所有技术人员信息交换的基础,产品信息模型的双向传送保证了数据的前后一致性,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型(续1),装配信息模型,产品装配模型为面向装配的产品设计提供信息来源和存取机制。其含义分为广义与狭义两种:,狭义:与某一具体的应用领域有关,如结构设计中产品的结构关系,装配过程中的装配工艺规划等,广义:产
15、品全生命周期中与装配有关的所有信息、活动和过程的总称,是一种集成化的信息模型。在集成产品开发中与装配有关的过程包括产品规划、方案设计、结构设计、详细设计、装配过程过 程仿真、装配系统规划、装配工艺规划等,装配信息模型的内容包括:管理信息、几何信息、拓扑信息、工程语义信息、装配工艺信息、装配资源信息等,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型(续2),装配信息模型(续1),管理信息:组成产品的零部件的宏观信息及产品结构关系(设计BOM)信息。零部件信息包括产品各构成元件的名称、代号、材料、件数、单位、设计版本、外购件标识、自制件标识、技术规范或标准、技术要求、设计者和供应商信息
16、。设计BOM信息描述零部件间的构成层次关系,是产品生命周期后续过程的信息基础,几何信息:与产品的几何实体构造相关的信息。其决定装配元件 和整个产品装配体的几何形状与尺寸大小,装配元件在最终装配体内的位置和姿态。现有商用CAD系统如ProE具备完善的几何建模功能,产品装配模型所需的几何构造信息可直接从内部数据库提取,3.2.3 基于特征的产品建模技术,基于特征的产品信息模型(续3),装配信息模型(续2),拓扑信息:指产品的装配视图(装配BOM)与装配件间的几何配合约束关系两类信息。装配BOM反映产品装配的层次结构关系,从产品的功能角色、装拆操作、机构运动等方面对设计BOM进行转化,形成装配层次结
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