青科大几何建模和特征建模.ppt

1,第四章 几何建模及特征建模,第一节 基本概念,第二节 线框模型,第四节 实体建模,第三节 曲面建模,第五节 特征建模,2,第一节 基本概念,1、建模： 将现实世界中的物体及属性转化为计算机内部数字化表达的原理和方法。这是一个抽象的过程。 2、建模的过程 如下图所示,一基本概念,3,4,3数据模型的组成 一般由数据、数据结构、算法三个部分组成。 4. CAD/CAM建模技术 是指产品数据模型在计算机内部的建立方法、过程及采用的数据结构和算法。 建模技术是CAD/CAM系统的核心技术.计算机集成制造系统(CIMS)的水平与集成在很大程度上取决于三维几何建模软件的系统的功能与水平。,5,二.几何建模,含义 几何建模就是形体的描述和表达，是建立在几何信息和拓扑信息基础的建模。其主要处理零件的几何信息和拓扑信息。,几何信息： 指物体在欧氏空间中的形状、位置和大小，最基本的几何元素是点、直线、面。 拓扑信息： 指拓扑元素(顶点、边棱线和表面)的数量及其相互间的连接关系。,6,几何建模分类,线框模型、,表面模型,实体模型,7,商品化的几何造型系统,国外： SolidWorks、CATIA、Pro/Engineer、 Unigraphics NX、AutoCAD等。 国内： CAXA、金银花、开目CAD、 制造工程师 （ME）、NPU-CAD/CAM系统,8,第二节 线框建模,1.定义: 利用基本线素(空间直线、圆弧和点 )来定义物体的框架线段信息（物体各个外表面之间交线）。这种实体模型由一系列直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述的是产品的轮廓外形。,一建模原理,9,二数据结构,10,11,1、优点 这种描述方法信息量少，计算速度快，对硬件要求低。数据结构简单，所占的存储空间少，数据处理容易，绘图显示速度快。,三特点,12,2、缺点 1）存在二异性，即使用一种数据表示的一种图形，有时也可能看成另外一种图形。 2）由于没有面的信息，不能解决两个平面交线问题。 3）由于缺少面的信息，不能消除隐藏线和隐藏面 4）由于没有面和体的信息，不能对立体图进行着色和特征处理，不能进行物性计算。 5）构造的物体表面是无效的，没有方向性，不能进行数控编程。,13,14,线框结构的几何模型是在CAD刚刚起步时惯用的几何模型，它也是一种比较广泛被采用的模型。 三维线框模型不适用于对物体需要进行完整性信息描述的场合。但在评价物体外部形状、位置或绘制图纸，线框模型提供信息是足够的，同时它具有较好的时间响应性，对于适时仿真技术或中间结果的显示是适用的。,四应用,15,曲面建模是通过对物体的各个表面或曲面进行描述而构成曲面的一种建模方法。建模时，先将复杂的外表面分解成若干个组成面，这些组成面可以构成一个个基本的曲面元素。然后通过这些面素的拼接就构成了所要的曲面。如图就是一个曲面的拼接过程。,曲面建模原理,第三节 曲面建模,16,17,采用表结构，除了边线表和顶点表以外，还提供了描述各个组成面素的信息的面表。即曲面是由哪些基本曲线构成。,18,19,贝赛尔曲线： n P(t) = Bn,i(t)× Vi i=0 n! Bn,i(t) = (1 t)n-i×ti (n-i)!i! Bn,i(t)为Bernstein基函数,曲线生成方法,20,Bernstein多项式的性质： (1) 混合性 (2) 对称性 Bezier曲线的性质： (1) Bezier曲线自首顶点V1开始，到末顶点Vn结束。 (2) Bezier曲线和特征多边形的首边和尾边相切。,21,1.对于一般常用的曲面，可以采用几种简化曲面生成的方法。 1)线性拉伸面(平移表面) 这是一种将某曲线，沿固定方向拉伸，而产生的曲面的方法。,曲面生成方法,22,2）直纹面 给定两条相似的NURBS曲线或其它曲线，它们具有相等的次数，和相等的节点个数，将两条曲线上的对应的节点用直线连接，就形成了直纹曲面。,23,3）旋转面 将指定的曲线，绕旋转轴，旋转一个角度，所生成的曲面就是旋转曲面。,24,4）扫描面 扫描面构造方法很多，其中应用最多、最有效的方法是沿导向曲线（也有称它为控制线）扫描而形成曲面，它适用于创建有相同构形规律的表面。,25,5）边界曲面 在4条连接直线或多义线间建立一个三维表面,26,2.复杂曲面的生成, Bezier曲面 B样条曲面,27,Bezier曲面：是一组空间输入点的近似曲面。但不通过给定的点，不具备局部控制功能。,B样条曲面：是一组空间输入点的近似曲面，具有局部控制功能。,28,孔斯(Coons)曲面：由封闭的边界曲线构成。,29,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。,3.组合曲面,30,目前，CAD领域中应用最广泛的是NURBS参数曲面。STEP（产品数据表达和交换国际标准）选用了非均匀有理B样条参数曲面NURBS作为几何描述的主要方法。因为NURBS曲面不仅可以表示标准的解析曲面，如圆锥曲面、一般二次曲面和旋转曲面等，而且可以表示复杂的自由曲面。,31,1）它克服了线框模型的许多缺点，能够完整地定义三维物体的表面，可以在屏幕上生成逼真的彩色图像，可以消除隐藏线和隐藏面。 2）曲面建模实际上采用的蒙面的方式构造零件的形体，因此很容易在零件建模中漏掉某个甚至某些面的处理，这就是常说的“丢面”。,曲面建模的特点,32,3）依靠蒙面的方法把零件的各个面粘贴上去，往往会在面与面的连接处出现重叠或者间隙，不能保证建模精度。 4）由于曲面模型中没有各个表面的相互关系，不能描述物体的内部结构，很难说明这个物体是一个实心的还是一个薄壳，不能计算其质量特性。,33,表面建模主要适用于其表面不能用简单数学模型进行描述的物体，如飞机、汽车、船舶等的一些外表面。表面建模的重点是曲面建模，用于构造复杂曲面的物体。,应用,34,实体建模认为，实体除了具备面的信息之外，还具有空间信息。因而实体模型需要对这些空间信息进行描述。,基本原理,第四节 实体建模,35,边界合成法认为所有的实体都是由边界合成，每一个边界都存在着一定的方向，以此来判断实体空间应该在面的哪一侧。,边界合成法,36,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。,37,体素生成法,基本体素 利用一些基本的体素（如长方体、圆柱、圆环、圆球等）通过集合运算（布尔运算）组合成产品模型。,38,39,1）平面轮廓扫描 平面轮廓扫描法是一种将二维封闭的轮廓，沿指定的路线平移或绕任意一个轴线旋转得到的扫描体，一般使用在棱柱体或回转体上。,2.扫描体素,40,41,2)三维实体扫描 实体扫描法是用一个三维实体作为扫描体，让它作为基体在空间运动，运动可以是沿某个曲线移动，也可以是绕某个轴的转动，或绕某一个点的摆动。运动的方式不同产生的结果也就不同。,42,43,1边界表示法（B-Rep Boundary Representation 1）与表面造型的区别 （1）概念 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。,三维实体建模的计算机内部表示(数据结构,44,45,（2）边界表示法层次结构,46,47,48,2）特点： （1）边界表示法强调的是形体的外表细节，详细记录了形体的所有几何和拓扑信息。 （2）面的边线存储一般是按照逆时针存储，因此边在计算机内部存储都是两次，这样边的数据存储有冗余。,49,3）应用： 采用边界表示法建立实体的三维模型，有利于生成和绘制线框图、投影图，有利于与二维绘图功能衔接，生成工程图。,50,1）基本思想： 物体都是一些基本体素按照一定的顺序拼合而成的。通过记录基本体素及它们的集合运算表示物体的生成过程。 2) 数据结构： 一个物体的CSG表示是一个有序的二叉数，树的非终端结点表示各种运算（包括一些变换矩阵）。树的终端结点表示体素。,2构造立体几何法 （CSG ）,51,3）集合的交、并、差运算,52,53,54,4) 特点 （1）数据结构非常简单，每个基本体素不必再分，而是将体素直接存储在数据结构中。 （2）对于物体结构的修改非常方便，只需要修改拼合的过程或编辑基本体素。 （3）能够记录物体结构生成的过程。也便于修改。 （4）有比较多的中间计算。 （5）生成曲面比较复杂的实体比较困难。,55,从CSG模型通过计算可直接转换成边界表示模型，但反之不然。尚没有从边界表示模型到CSG模型的一般转换算法，因此两种表示法不可交换。,56,1）B-Rep法强调的是形体的外表细节，详细记录了形体的所有几何和拓扑信息，具有显示速度快等优点，缺点在于不能记录产生模型的过程。 2）CSG法具有记录产生实体的过程的优点，便于交、并、差运算等优点，缺点在于对物体的记录不详细。,3混合模型,57,在实用造型系统中，由于CSG法构造复杂的实体存在局限性，边界表示法已逐渐成为实体的主要表示形式。,58,1）基本思想：通过一系列空间单元构成的图形来表示物体的一种表示方法。这些单元是有一定大小的空间立方体。在计算机内部通过定义各个单元的位置是否填充来建立整个实体的数据结构。,5空间单元表示法（分割法）,59,2）数据结构： 数据结构通常是四叉树或八叉树，四叉树常用作二维物体描述，对三维实体需采用八叉树， 3）判定方法： 首先定义三维实体的外接立方体，并将其分割成八个子立方体，依次判断每个子立方体，若为空，则表示无实体;若为满表示有实体充满;若判断结果为部分有实体填充，将该子立方体继续分解，直到所有的子立方体或为空，或为满，直到达到给定的精度。,60,61,4）特点 采用八叉树表示后，物体之间的集合运算变得十分简单，八叉树的数据结构也大大简化了消隐算法，同时极利于作局部修改。 缺点是数据存储量大，且不能表示物体各部分之间的关系，也没有点、线、面的概念。 优点是算法简单，便于物性计算和有限元分析。,62,1) 采用混合模式 2) 以精确表示形式存储曲面实体模型 3) 引入参量化、变量化建模方法，便于设计修改 4) 采用特征建模技术，实现系统集成。,实体建模的发展趋势,63,实体建模系统对物体的几何和拓扑信息的表达克服了线框建模存在二义性以及曲面建模容易丢失面的信息等缺陷。可以生成真实感的图像和进行干涉检查，特别是在机械有限元分析、机器人编程、五坐标铣削过程模拟、空间技术、运动学分析上成为不可缺少的工具.,三维实体建模的特点,64,65,几何建模的局限性： 1）只能详细的描述物体的几何信息和拓扑信息，但是缺乏明显的工程含义。产品设计中的一些非几何信息如定位基准、公差、表面粗糙度、加工和装配精度及材料信息等也是加工该零件所需信息的有机组成部分，但是在几何建模中不能有机而充分的描述。,第五节 特征建模,66,2）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，但设计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。,67,特征建模（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。,68,特征是产品信息的集合, 它不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状, 且反映特定的工程语义, 适宜在设计、分析和制造中使用。 我们应该将特征理解为一个专业术语, 它兼有形状和功能两种属性, 从它的名称和语义足以联想其特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。,特征的定义,69,70,71,特征的分类,精度特征 技术要求特征 形状特征 材料特征 管理特征 工艺特征 制造特征 装配特征,72,特征建模的框架结构,73,形状特征的分类 根据形状特征在构造零件中所起的作用不同，可分为主形状特征(主特征)和辅助形状特征(辅特征)。,形状特征,1. 主特征 主特征用来构造零件的基本几何形体，可分为简单主特征和宏特征两类。简单主特征主要指圆柱体、圆锥体、成形体、长方体、圆球球缺等简单的基本几何实体。宏特征指具有相对固定的结构形状和加工方法的形状特征，其几何形状比较复杂，而又不利于进一步细分为其他形状特征的组合。,74,2. 辅特征 辅特征是依附于主特征之上的几何特征，是对主特征的局部修饰，反映了零件几何形状的细微结构。辅特征附于主特征，也可依附于另一辅特征。 组合特征是指一些简单辅特征组合而成的特征。复制特征指由一些同类型附特征按一定的规律在空间的不同位置上复制而成的形状特征。,75,76,特征联系 特征类是关于特征类型的描述，是具有相同信息性质或属性的特征概括。特征实例是对特征属性赋值后的一个特定特征。,77,特征之间存在的关系： 1) 继承联系，构成了特征之间的层次联系，位于层次上级的叫超类特征，位于层次下级的叫亚类特征。这种继承联系称AKO(A-Kind-Of)联系。另一种继承联系是特征类与类特征实例之间的关系，这种联系称为INS(Instance)联系。 2) 领接联系，反映形状特征之间的相互位置关系，用CONT(Connect-To)表示。 3) 从属联系，描述形状特征之间的依从或附属关系，用IST(Is-Subordinate-To)表示。 4) 引用关系，描述形状特征之间作为关联属性而相互引用的联系，用REF (Reference)来表示,78,1. 基于特征的零件信息模型的总体结构 一个完成的产品模型不仅是产品数据的集合，还应反映出各类数据的表达方式以及相互间的关系。作为完整表达产品信息的零件模型应包括这几种特征模型：管理特征模型、形状特征模型、精度特征模型、材料热处理特征模型、技术特征模型。,零件信息模型,79,2. 零件信息模型的数据结构 1) 管理特征模型的数据结构,零件类型,零件名,图号,GT,码,E,S,S,S,件,数,材料名,设计者,设计日期,I,S,S,S,注：E 枚举型；S - 字符型；I- 整型,80,2) 形状特征模型的数据结构,81,3) 精度特征模型的数据结构,82,4) 材料热处理特征模型的数据结构,83,84,1、特征造型着眼于更好表达产品的完整的技术和生产管理信息, 为建立产品的集成信息模型服务。它的目的是用计算机可以理解和处理的统一产品模型, 替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档, 使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备各环节可以并行展开, 信息流畅通。,特征造型的特点和作用,85,2、它使产品设计工作在更高的层次上进行, 设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素, 而是产品的功能要素, 象螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用直接体现设计意图, 使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产, 设计的图样更容易修改。 设计人员可以将更多的精力用在创造性构思上。,86,3、它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系, 更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈, 为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造前提。 4、它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, 使得产品设计中及早考虑制造要求, 保证产品结构有更好的工艺性。 5、它将推动各行业实践经验的归纳总结, 从中提炼更多规律性知识, 以丰富各领域专家的规则库和知识库, 促进智能CAD系统和智能制造系统的逐步实现。,