1、模具CAD與CAM建模技術(shù) 實(shí)體建模 Solid Modelling 體素法生成實(shí)體 下圖所示是采用體素法，從定義基本體素到生成實(shí)體模型的全過程，通過定義4個(gè)基本體素，經(jīng)過三次集合運(yùn)算，完成三維實(shí)體的建模。 實(shí)體建模 Solid Modelling 實(shí)體建模 Solid Modelling 實(shí)體建模 Solid Modelling 掃描體素法定義 利用基體的變形操作實(shí)現(xiàn)表面形狀較為復(fù)雜的物體的建模方法稱為掃描法，掃描法又分為平面輪廓掃描和整體掃描兩種方法?；驹?用曲線、曲面或形體沿某一路徑運(yùn)動后生成2D或3D的物體。掃描變換需要兩個(gè)分量，一是給出一個(gè)運(yùn)動形體，稱為基體；另一個(gè)是指定形體運(yùn)動

2、的路徑。 實(shí)體建模 Solid Modelling 掃描體素法優(yōu)點(diǎn) 由于三維實(shí)體建模能唯一、準(zhǔn)確、完整地表達(dá)物體的形狀，且容易理解和實(shí)現(xiàn)，因而被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)和制造中。 掃描體素法是對在某一方向具有固定剖面產(chǎn)品形狀造型的一種實(shí)用而有效的方法，可對產(chǎn)品進(jìn)行描述、特性分析、運(yùn)動分析、干涉檢驗(yàn)以及有限元分析、加工過程的模擬仿真等。 實(shí)體建模 Solid Modelling 1）平面輪廓掃描法 這種方法的基本設(shè)想是由任一平面輪廓在空間平移一個(gè)距離或繞一固定的軸旋轉(zhuǎn)就會掃描出一個(gè)實(shí)體。 實(shí)體建模 Solid Modelling 2）整體掃描法 三維實(shí)體掃描法就是首先定義一個(gè)三維實(shí)體作為掃描基體，讓此基體

3、在空間運(yùn)動，運(yùn)動可以是沿某一方向移動，也可以是繞某一軸線轉(zhuǎn)動，或繞某一點(diǎn)擺動，如圖所示。 實(shí)體建模 Solid Modelling 線框建模、表面建模、實(shí)體建模的比較： 特征建模 Feature Modelling 幾何建模技術(shù)推動了CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，但幾何模型只是物體幾何數(shù)據(jù)及拓?fù)潢P(guān)系的描述，無明顯的工藝信息、結(jié)構(gòu)和工程含義，因而促進(jìn)了特征建模技術(shù)的發(fā)展。 在建模技術(shù)中，特征的概念源于對零件幾何要素的歸納，以零部件的設(shè)計(jì)自動化為目的，將產(chǎn)品的零部件設(shè)計(jì)中常用的幾何體的幾何定義為特征；進(jìn)一步的發(fā)展使得特征技術(shù)著眼于從制造領(lǐng)域著手，將特征與工藝過程設(shè)計(jì)、數(shù)控加工自動編程相結(jié)合，從而提出了

4、面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)概念。 特征建模 Feature Modelling 隨著特征的概念引伸至產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需要的知識、零件設(shè)計(jì)所應(yīng)具有的功能、加工過程中的工藝過程等，并且在商品化的CAD/CAM軟件中幾乎都提供了由于產(chǎn)品開發(fā)者定義特征的模塊，并試圖以積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、自動定義零件的受力分析、物理性能驗(yàn)算、幾何造型、工藝可行性評價(jià)、裝配性分析等知識為基礎(chǔ)的綜合特征用于產(chǎn)品或零部件的設(shè)計(jì)。5.3 實(shí)體建模中的形體表示模型及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 5.3.1 邊界表示法 5.3.2 構(gòu)造實(shí)體幾何法 5.3.3 三維形體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 5.3 實(shí)體建模中的形體表示模型及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 與表面建模不同，三維實(shí)體建模在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存

5、貯的信息不是簡單的邊線或頂點(diǎn)的信息，而是準(zhǔn)確、完整、統(tǒng)一地記錄了生成物體的各個(gè)方面的數(shù)據(jù)。 常見的實(shí)體建模表示方法有：邊界表示法、構(gòu)造實(shí)體幾何法、混合表示法。 邊界表示法（B-Reps） 定義 用物體的邊界，如面、邊、點(diǎn)等低層的幾何元素描述物體的形狀。即一個(gè)實(shí)體可以通過它的面的集合來表示，而每一個(gè)面又可以用邊來描述，邊通過點(diǎn)，點(diǎn)通過三個(gè)坐標(biāo)值來定義。 邊界表示法強(qiáng)調(diào)實(shí)體外表的細(xì)節(jié)，詳細(xì)記錄了構(gòu)成物體的所有幾何信息和拓?fù)湫畔?，將面、邊、頂點(diǎn)的信息分層記錄，建立層與層之間的聯(lián)系。 邊界表示法（B-Reps） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)邊界表示法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如右圖所示的物體，將其按照實(shí)體、面、邊、頂點(diǎn)

6、描述，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部按網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存貯。圖59 四棱錐的邊界表示 邊界表示法（B-Reps） 優(yōu)點(diǎn) 有較多的關(guān)于面、邊、點(diǎn)及其相互關(guān)系的信息。 有利于生成和繪制線框圖、投影圖，有利于計(jì)算幾何特性，易于同二維繪圖軟件銜接和同曲面建模軟件相關(guān)聯(lián)。 局限性 由于它的核心信息是面，因而對幾何物體的整體描述能力相對較差，無法提供關(guān)于實(shí)體生成過程的信息，也無法記錄組成幾何體的基本體素的元素的原始數(shù)據(jù)，同時(shí)描述物體所需信息量較多，邊界表達(dá)法的表達(dá)形式不唯一。 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） 定義 Construct Solid Geometry 構(gòu)造立體幾何法簡稱CSG法，是一種通過布爾運(yùn)算將簡單的基本體素拼

7、合成復(fù)雜實(shí)體的描述方法。 用二叉樹表示物體的構(gòu)成，其中葉節(jié)點(diǎn)表示體素，內(nèi)節(jié)點(diǎn)表示布爾運(yùn)算符。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為樹狀結(jié)構(gòu)。樹葉為基本體素或變換矩陣，結(jié)點(diǎn)為運(yùn)算，最上面的結(jié)點(diǎn)對應(yīng)著被建模的物體。如下圖所示。 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） 圖5-10 同一物體的第一種CSG結(jié)構(gòu) 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） 優(yōu)點(diǎn) 方法簡潔，生成速度快，處理方便，無冗余信息，而且 能夠詳細(xì)地記錄構(gòu)成實(shí)體的原始特征參數(shù)，甚至在必要 時(shí)可修改體素參數(shù)或附加體素進(jìn)行重新拼合。 局限性 由于信息簡單，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無法存貯物體最終的詳細(xì) 信息，例如邊界、頂點(diǎn)的信息等。 現(xiàn)在CAD系統(tǒng)都是用CSG/B-Reps混合起來表示的。 兩者

8、表示優(yōu)缺點(diǎn)比較見表51。 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） CSG/B-reps混合表示法（Hybird Model） 定義 混合模式是建立在邊界表示法與構(gòu)造立體幾何法的 基礎(chǔ)上，在同一系統(tǒng)中，將兩者結(jié)合起來，共同表示 實(shí)體的方法。 原理 以CSG法為系統(tǒng)外部模型，以B-Reps法為內(nèi)部模型， CSG法適于做用戶接口，而在計(jì)算機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)化為 B-Reps的數(shù)據(jù)模型。 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 相當(dāng)于在CSG樹結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)上擴(kuò)充邊界法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 如圖所示。 圖5-11 混合模式結(jié)構(gòu) 構(gòu)造實(shí)體幾何法（CSG） CSG/B-reps混合表示法（Hybird Model） 混合模式是在CSG基礎(chǔ)上的邏

9、輯擴(kuò)展，起主導(dǎo)作用 的是CSG結(jié)構(gòu)，B-Reps的存在，減少了中間環(huán)節(jié)中 的數(shù)學(xué)計(jì)算量，可以完整的表達(dá)物體的幾何、拓 撲信息，便于構(gòu)造產(chǎn)品模型。 5.4 特征建模簡介 特征技術(shù) 特征分類 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 5.4 特征建模簡介 特征建模（Feature Modeling） 1.幾何模型的缺陷 只是物體幾何數(shù)據(jù)及拓?fù)潢P(guān)系的描述，無明顯的 功能、結(jié)構(gòu)和工程含義。 缺少面向生產(chǎn)過程的信息特征，使信息傳遞、資 源共享和CIMS的實(shí)現(xiàn)較為困難，于是特征建模技 術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 特征技術(shù) 特征定義 特征是產(chǎn)品上經(jīng)常出現(xiàn)的，具有一定的語義信 息，能實(shí)現(xiàn)特定功能的一組幾何實(shí)體如孔、槽、 凸臺、倒角等及其相關(guān)

10、信息的集合，它能用 于設(shè)計(jì)、制造、檢測、分析等目的。 特征是構(gòu)造零件的最基本的單元要素，它既反 映零件的幾何信息，同時(shí)又反映零件的加工工 藝特征信息。為系統(tǒng)的集成提供了條件。 特征技術(shù) 特征建模定義 特征的圖例 特征建模是一種建立在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，利用特征的概念面向整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過程進(jìn)行設(shè)計(jì)的建模方法，它不僅包含與生產(chǎn)有關(guān)的信息，而且還能描述這些信息之間的關(guān)系。圖5-13 特征的圖例及約束關(guān)系 特征分類 由于特征反映了具體的工程語義信息，因而對 于不同的產(chǎn)品、不同的應(yīng)用（如設(shè)計(jì)、分析、 加工、檢測、裝配等）和不同的生產(chǎn)工藝（如 切削加工、鑄造、沖壓、鍛造、注塑等）都會 有不同的特征表

11、現(xiàn)形式。因此，對它進(jìn)行一定 的分類是必要的。 特征分類按產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的性質(zhì)可分為如下幾大類：幾何形狀特征（Form Feature） 加工特征（Machine Feature）有限元(分析)特征（Finite-element Feature）精度特征（Precision Feature）材料特征（Material Feature） 特征分類 幾何形狀特征（Form Feature） 形狀特征表示產(chǎn)品的幾何信息、拓?fù)湫畔ⅰＰ螤钐卣魍ㄟ^參數(shù)描述，都在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)各自的功能，并對應(yīng)各自的加工方法、加工設(shè)備和刀具、量具、輔具。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以實(shí)體建模中B-Reps法為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)包括特征類型、序號、尺寸

12、及公差等。通常它包含兩個(gè)層次，一個(gè)是低層次的點(diǎn)、線、面、環(huán)組成的B-Reps法結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是高層次的由特征信息組成的結(jié)構(gòu)。 特征分類 加工特征（Machine Feature） 又稱為工藝特征或制造特征，表示工藝能力、約束與加工參數(shù)等。 有限元(分析)特征(Finite-element Feature) 用來表示與有限元分析相關(guān)的信息，包括節(jié)點(diǎn)、單元和邊界條件。 精度特征（Precision Feature） 精度特征用來表達(dá)零件的尺寸公差、形狀公差、位置公差、表面粗糙度。 特征分類 材料特征（Material Feature） 材料特征用來表達(dá)材料的種類、性能、熱處理和表面處理要求等。 特征

13、建模除了實(shí)體建模中已有的幾何、拓?fù)湫畔⒅?，還要包含特征信息、精度信息、材料信息、技術(shù)要求和其它有關(guān)信息。除靜態(tài)信息之外，還應(yīng)當(dāng)支持設(shè)計(jì)、制造過程中的動態(tài)信息。 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 1特征建模系統(tǒng) 特征建模通常由形狀特征模型、精度特征模型、材料特征模型組成，而形狀特征模型是特征建模的核心和基礎(chǔ)。 特征建模系統(tǒng)的框架如下圖5-14所示： 圖5-14 特征建模系統(tǒng)的框架 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 1特征建模系統(tǒng) 形狀特征模型 形狀特征模型主要包括幾何信息、拓?fù)湫畔?。形狀特征通過參數(shù)描述，都在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)各自的功能，并對應(yīng)各自的加工方法、加工設(shè)備和刀具、量具、輔具。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以實(shí)體建模中B-Rep

14、s法為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)包括特征類型、序號、尺寸及公差等。通常它包含兩個(gè)層次，一個(gè)是低層次的點(diǎn)、線、面、環(huán)組成的B-Reps法結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是高層次的由特征信息組成的結(jié)構(gòu)。 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 精度和材料特征模型 精度模型用來表達(dá)零件的精度信息，包括尺寸公差、形狀公差、位置公差、表面粗糙度。材料特征包括材料的種類、性能、熱處理要求等。 特征建模除了實(shí)體建模中已有的幾何、拓?fù)湫畔⒅?，還要包含特征信息、精度信息、材料信息、技術(shù)要求和其它有關(guān)信息。除靜態(tài)信息之外，還應(yīng)當(dāng)支持設(shè)計(jì)、制造過程中的動態(tài)信息。 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 2特征建模功能特點(diǎn) 功能 1. 預(yù)定義特征，建立特征庫； 2. 特征庫的智

15、能化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于特征的零件設(shè)計(jì)； 3. 為特征附加注釋，并為用戶例舉參考特征； 4. 支持用戶定義特征以及管理、操作特征庫；5. 特征消隱、移動； 6. 零件設(shè)計(jì)中，跟蹤和提取有關(guān)幾何屬性。 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn) 特點(diǎn) 特征建模技術(shù)使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作不停留在底層的幾何信息基礎(chǔ)上，而是依據(jù)產(chǎn)品的功能要素，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作在更高的層次上展開，特征的引用直接體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。 特征建模技術(shù)可以建立在二維或三維平臺上，同時(shí)針對某些專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的需要，建立特征庫就可實(shí)現(xiàn)特征建模技術(shù)，快速生成需要的形體。 特征建模技術(shù)有利于推動行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝方法的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化，使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮加工、制造要求，有利于降低產(chǎn)品的成本。 特征建模系統(tǒng)及功能特點(diǎn)