机械CAD、CAM技术第4章课件.ppt

1、第第4 4章章 机械机械CAD/CAMCAD/CAM建模技术建模技术4.1 CAD/CAM4.1 CAD/CAM建模技术概述建模技术概述4.2 4.2 线框模型建模技术线框模型建模技术4.3 4.3 表面（曲面）模型建模技术表面（曲面）模型建模技术4.4 4.4 实体模型建模技术实体模型建模技术4.5 4.5 特征模型建模技术特征模型建模技术4.6 4.6 装配模型建模技术装配模型建模技术4.1 CAD/CAM4.1 CAD/CAM建模技术概述建模技术概述4.1.1 CAD/CAM4.1.1 CAD/CAM建模技术内涵建模技术内涵机械产品设计建模过程机械产品设计建模过程 CAD/CAM建模：建

2、模：是用合适的数据结构对产品结构形状进行描述，在计算机内部构建产品数字化模型的过程。 4.1.2 CAD/CAM4.1.2 CAD/CAM几何建模基本知识几何建模基本知识1、机械产品模型蕴含的信息、机械产品模型蕴含的信息 1 1）几何信息：）几何信息：指形体的形状、位置和大小等信息，如矩形体的长宽 高、顶点坐标等。几何信息可用数学表达式描述，如： 点：V= (x, y, z) 直线：(x-x0)/a = (y-y0)/b = (z-z0)/c 平面：ax + by + cz + d = 0 相同的几何信息不等于是相同的形体，如下图相同五个顶点，由于连接方式不同而构成不同的形体。 2）拓扑信息）

3、拓扑信息 反映形体各组成元素数量及其相互间的连接关系，如相交、 相邻、相切、垂直、平行等。 注意：几何信息相同拓扑关系不同，两形体可能完全不同。 拓扑关系相同几何信息不同，两形体也可能不同。 点(v)、边（e）、面（f）三种几何元素存在有九种拓扑关 系。3）非几何信息）非几何信息 是指除几何信息和拓扑信息之外的信息，包括产品的物理属性和工艺属性等，如产品质量、性能参数、尺寸公差、加工粗糙度和技术要求等。 拓扑关系相同几何信息不同拓扑关系相同几何信息不同点、边、面之间拓扑关系点、边、面之间拓扑关系2、结构形体的表示、结构形体的表示 三维形体通常是采用六层拓扑结构进行定义。体体 由封闭表面围成的有

4、效空间 ，是没有悬边、悬面的正则形体；壳壳 构成一个完整实体的封闭边界，是一组面的集合；面面 由一个外环和若干内环界定的有界、不连通的表面； 环环 是面的封闭边界，由有序、有向边的集合； 边边 是实体两个邻面的交界；顶点顶点 为边的端点，两条或两条以上边的交点。实体面、环、边的构成实体面、环、边的构成 3、正则集合运算、正则集合运算正则形体：正则形体：没有悬边、悬面以及一条边没有二个以上的邻面。 正则集：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内部，S集合）正则化集合算子正则化集合算子：集合运算后产生正则集。 U*（并）、*(交)、*(差)。AB运算得到的非正则点

5、集运算得到的非正则点集 闭包悬边正则形体与非正则形体正则形体与非正则形体 正则形体具有特征：正则形体具有特征：刚性刚性 正则形体的形状与其位置和方向无关，具有始终不变性。维数均匀性维数均匀性 各组成结构均为三维结构，不带悬点、悬边和悬面 等降维的结构成分。有界性有界性 正则形体必须占有一个有效空间。边界确定性边界确定性 边界可区分是实体内部还是实体外部。可运算性可运算性 正则形体经过任意序列的正则运算后仍为正则形体4、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：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

6、割成封闭多面体分割成B B个独立多面体：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) 4.1.3 CAD/CAM常用建模方法常用建模方法线框模型线框模型：采用结构形体的顶点和棱边构建的形体模型，存在不能消隐和 剖面生成等不足。表面模型表面模型：在线框模型的基础上增加了形体面信息，具有消隐、剖面功 能，但仍没有体的信息，不能进行物性计算和分析。实体模型实体模型： 应用简单体素经并、交、差集

7、合运算来构建各种复杂形体的建 模方法，有较完整的几何信息和拓扑信息。特征模型特征模型：线框模型、表面模型、实体均为形体的几何模型，没有零件工 艺、精度等信息。为此用具有工程语义的各类特征构建的模型，称为特 征模型。装配模型：装配模型：能够处理零件之间相互连接和装配关系的模型为装配模型。 4.2.1 线框模型建模原理线框模型建模原理原理：原理：通过顶点和棱边来描述形体的几何形状。数据结构：数据结构：顶点表、棱边表二表结构。 4.2 4.2 线框模型建模技术线框模型建模技术特点：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：不足：缺少面、体信息，易

8、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模型存在多义性线框模型存在多义性 4.2.2 线框模型特点线框模型特点4.3.1 4.3.1 表面模型建模原理表面模型建模原理原理：原理：通过对形体的表面、棱边、顶点构建的三维形体模型。数据结构：数据结构：顶点表、棱边表、面表三表结构。4.3 4.3 表面（曲面）模型建模技术表面（曲面）模型建模技术4.3.2 表面模型特点表面模型特点特点：特点：增加了面信息，可实现消隐、剖面图生成、渲染、求交、刀轨生成等作业。不足：不足：仍缺少体信息，不便进行物性计算和分析。a)平面平面 三个点定义；b)线性拉伸面线性拉伸面 一条平面曲线沿直线

9、方向移动扫成；c)直纹面直纹面 一直线两端点在两曲线对应等参数点上移动形成；d)回转面回转面 平面线框图绕某一轴线旋转产生；e)扫成面扫成面 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)圆角面圆角面 圆角过渡面；g)等距面等距面 沿原始曲面法线方向移动一个固定的距离。4.3.3 曲面模型建模方法曲面模型建模方法 4.4 实体建模实体建模4.4.1 实体模型建模原理实体模型建模原理实体模型：实体模型：通过基本体素经并、交、差正则集合运算构建的形体几何模型。实体建模包含两因素：基本体素定义和正则集合运算。基本体素的定义：基本体素的定

10、义：1）参数体素法：通过少量几个参数定义一些简单基本体素。2）扫描体素法：通过二维有界形面沿给定的轨迹扫描生成基本体素。 参数定义基本体素参数定义基本体素扫描生成基本体素扫描生成基本体素 正则集合运算：正则集合运算：并、交、差集合运算。实体模型特点：实体模型特点：包含了形体点、边、面、体所有几何信息和拓扑信息；形体表面有界、有方向性，可确定实体在面的那一侧；可实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工、物性计算等操作。 B-Rep包含形体完整的几何信息和拓扑信息： 几何信息：几何信息：形体位置、大小，顶点坐标、表面方程数等； 拓扑信息：拓扑信息：形体拥有面、边和顶点数量以及相互间的邻接关系等。 4.

11、4.3 实体模型的表示方法实体模型的表示方法1 1、边界表示法、边界表示法(B-rep) (B-rep) 是以物体边界为基础定义和描述实体模型的方 法，即将任意形体是由若干封闭边界面围成，每个面又以边线为边 界，而边线则以两端点为边界。 B-rep翼边结构及其拓扑关系翼边结构及其拓扑关系B-rep数据结构：数据结构：常用以边为中心的翼边结构，通过任意一条边，可 以遍历整个形体所有几何元素。B-rep优点：优点： 包含形体所有几何信息和拓扑信息； 支持对形体所有几何元素的操作和访问； 内部数据结构与三维实体生成方法和过程无关； 支持如公差、热处理、粗糙度等非几何信息的表示。B-rep不足：不足：

12、 缺乏实体生成过程信息； 数据存储量大； 难以直接构造。 2、构造体素几何表示法（、构造体素几何表示法（CSG） 通过记录对基本体素的集合运算及几何变换生成形体模型的过程来描述实体模型的方法。 CSG数据结构：数据结构：应用二叉树结构记录形体所有基本体素的组成以及正则集合运算和相关的几何变换。 优点：优点：造型简单，易于实现，可方便转换成其它表示方法。不足：不足：不包含详细几何信息，必须转化为其它形式才能对点、边、面等几何元素进行查询和编辑。3、综合法表示法、综合法表示法 以CSG表示法为系统外部模型，作为输入方法；以 B-Rep为内部模型，作为信息存储，可充分利用两者特点，实现功能 互补。4

13、.5 4.5 特征模型建模技术特征模型建模技术 4.5.1 4.5.1 特征建模的概念特征建模的概念 实体模型不足实体模型不足：仅含形体几何信息，缺少功能、工艺、管理等信息。 特征：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工程语义的功能要素。 特征建模：特征建模：通过特征及其集合来定义、描述零件模型的过程。特征建模是弥补实体建模存在不足而产生的建模新方法，易于理解和后续设计过程的调用，是实现CAD/CAM集成的关键技术。4.5.2 4.5.2 特征的分类特征的分类1 1、从零件信息模型的特征分类从零件信息模型的特征分类 基于特征的零件信息模型基于特征的零件信息模型零件信息模型特征

14、层包含如下特征：零件信息模型特征层包含如下特征：1）管理特征）管理特征 描述管理信息，如零件名、批量、设计者、日期等。 2）技术特征）技术特征 描述零件的有关性能和技术要求； 3）形状特征）形状特征 是构造几何实体的基本要素，包含形体几何信息和拓扑信息，是零件精度特征和材料特征的载体。 4）材料特征）材料特征 如材料型号、性能、硬度、表面处理、检验方式等。 5）精度特征）精度特征 包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。 6）装配特征）装配特征 描述装配过程中配合关系、装配顺序、装配方法等。2、从零件结构形状的特征分类、从零件结构形状的特征分类轴类零件常用的基本性质特征：轴类零件常用的基本性质特

15、征：根据零件结构组成作用，形状特征又可分为主特征和辅特征。根据零件结构组成作用，形状特征又可分为主特征和辅特征。 从几何形状角度看，又有如下特征之分：从几何形状角度看，又有如下特征之分： 通道特征通道特征：与已存在的形状特征两端相交的被减体。 凹陷特征凹陷特征：与已存在的形状特征一端相交的被减体。 凸起特征凸起特征：与已存在的形状特征一端相交的附加体。特征建模系统特征建模系统：拉伸特征、旋转特征、扫描特征、 混成特征、孔特征、倒角特征、抽壳特征等。STEPSTEP将形状特征分为体特征、过渡特征和分布特征将形状特征分为体特征、过渡特征和分布特征： 体特征体特征：构造零件主体形状特征，如凸台、孔、

16、圆柱、矩形体等。 过渡特征过渡特征：如倒角、圆角、退刀槽、键槽等，一般附属于主特征之上。 分布特征分布特征：如圆周均布孔、阵列分布孔等。4.5.3 特征间的关系特征间的关系邻接关系邻接关系 反映形状特征间相互位置关系；从属关系从属关系 反映形状特征间存在的主从关系，从属特征依赖于主特征 而存在，如主特征上附属的键槽、退刀槽、倒角等；分布关系分布关系 某特征在空间位置上按特定形式排列；引用关系引用关系 某特征与另一特征间存在的引用联系，如精度、热处理等。 凸台和凹槽与主体间凸台和凹槽与主体间的邻接形式的邻接形式发兰圆周孔发兰圆周孔均布关系均布关系倒角、键槽从属于倒角、键槽从属于圆柱主特征圆柱主特

17、征4.5.4 4.5.4 特征建模基本方法特征建模基本方法1）交互特征定义建模）交互特征定义建模 通过人机交互对实体模型中各几何要素逐一进行 特征定义，以此将实体模型交互定义为特征模型。此法简单易行，但 建模效率较低。 2）特征自动识别建模）特征自动识别建模 按照预先定义的模板对实体模型中几何要素进行 匹配，自动识别出特征类型，由此来建立特征模型 。此法建模效率 高，但实现难度大。3）基于特征设计建模）基于特征设计建模 应用特征建模系统，通过调用各类结构特征，经 并、交、差集合运算完成产品数字化特征模型的建立。特点：特点： 模型中几何信息与特征信息密切集合，便于信息的集成。 模型信息丰富全面，

18、既包含完整几何信息，又包含大量工艺信息和管理 信息，便于将设计意图贯彻到后续生产环节。 建模过程灵活方便，便于模型修改，体现设计意图，便于生产组织。 该法已成为当前特征建模的主要手段。4.5.5 特征建模基本步骤特征建模基本步骤建模思路：建模思路：先构建基础特征，经不断增减辅助特征，最终完成特征模型。建模步骤：建模步骤：进行特征分析，规划建模方案进行特征分析，规划建模方案。分析零件特征组成及尺寸形状，进行 特征分解，确定基础特征，排列特征构建顺序，规划特征建模方案。创建基础特征创建基础特征。基础特征应最能反映零件体积和结构形状，一般是体 积最大、结构最为复杂的特征。创建辅助特征创建辅助特征。逐

19、一创建其它辅助特征，充分运用拉伸、旋转、阵列、 镜像等成形方法，倒圆、倒角等修饰性特征放在建模最后阶段进行。特征编辑修改特征编辑修改。随时修改特征形状、尺寸、位置以及邻接关系。生成工程图生成工程图。利用创建的三维特征模型，自动转换零件二维工程图。4.5.6 特征建模技术实现特征建模技术实现1、SolidWorks系统建模环境系统建模环境 Solidworks是基于草图的特征建模系统，需先 编辑二维草图，再由草图经拉伸、旋转、扫掠等来创建特征实体。 (1)草图编辑。草图编辑。为满足草图绘制要求，Solidworks提供了丰富的草图绘制和 编辑工具。草图绘制实体草图绘制实体常用草图编辑工具常用草图

20、编辑工具 草图绘制步骤：草图绘制步骤：1）选择草图绘制平面）选择草图绘制平面 可以是系统提供的坐标平面，也可以是用户 创建的参考平面，或选择已有特征的某特征表面。2）绘制二维草图轮廓）绘制二维草图轮廓 要求草图轮廓为首尾相接的闭环轮廓，可由 直线、圆弧、样条曲线等构成。3）规范草图形状）规范草图形状 通过尺寸标注进行参数约束，通过添加几何约束 规范图形，以获得准确的草图轮廓。(2)创建特征实体创建特征实体 由已绘制的二维草图，经拉伸、旋转、扫掠、放样等方 法创建生成特征实体。 拉伸拉伸 是特征建模最常用方法，可单向拉伸也可双向拉伸。 旋转旋转 是由封闭的二维轮廓图形绕一轴线旋转扫掠创建而成。

21、放样放样 是在多个封闭轮廓间实现光滑表面过渡的实体。 扫掠扫掠 是将一个二维轮廓图形沿一路径移动所生成的特征实体。由五个不同截面轮廓由五个不同截面轮廓经放样生成的特征实体经放样生成的特征实体沿给定路径生成的沿给定路径生成的扫掠特征实体扫掠特征实体 Solidworks常用建模特征常用建模特征2、特征建模实例、特征建模实例例例4.1 应用Solidworks创建轴承端盖零件特征模型。建模步骤：建模步骤： 1）特征分析）特征分析 零件包含有1个回转体、4个端面均布槽、6个法兰孔等特 征，将回转体特征作为基础特征。 建模顺序：建模顺序：基础特征矩形槽法兰孔倒圆、倒角特征。2）创建基础特征）创建基础特

22、征 进入“草图”页，选择前视基准面绘制回转体 截面草图； 切换至“特征”页，应用“旋转”特征生成实体。 回转体截面草图回转体截面草图 旋转特征对话框旋转特征对话框 轴承端盖回转体特征轴承端盖回转体特征3）拉伸切除矩形槽）拉伸切除矩形槽 切换至“草图”页，在前视基准面绘制矩形槽草图；切换至“特征”页，应用拉伸切除特征切除两个对称矩形槽；同样方法切除另外两个矩形槽。 绘制端面槽草图绘制端面槽草图 端面槽切除端面槽切除 4）切除法兰孔）切除法兰孔 在“草图”页，在法兰边表面绘制直径8mm小圆；应用圆周阵列特征复制圆周均布6个小圆；切换“特征”页，应用拉伸切除特征切除生成6个法兰孔。 绘制法兰孔草图绘

23、制法兰孔草图 法兰孔切除法兰孔切除5）倒圆、倒角）倒圆、倒角 在“特征”页，应用倒圆、倒角特征，对零件外圆、端面、 内壁进行倒角、倒圆。6）编辑修改零件属性）编辑修改零件属性 右击设计特征树材料属性，修改零件材料。7）最终建立完成轴承端盖特征模型。）最终建立完成轴承端盖特征模型。 模型特征树模型特征树 轴承端盖实体轴承端盖实体4.6 4.6 装配模型建模技术装配模型建模技术4.6.1 装配模型基本概念装配模型基本概念装配模型：装配模型：包含产品的结构组成、组成件几何结构以及各组成件间相互 连接、配合、约束等装配关系的产品模型。装配模型主要信息：装配模型主要信息：产品组成结构及产品装配关系。产品

24、装配结构的层次关系产品装配结构的层次关系产品装配关系产品装配关系：反映产品零部件间的相对位置和相互配合的约束关系。1）配合关系）配合关系 零件间的空间位置和定位关系，如贴合、对齐、相切等。2）连接关系）连接关系 零件间的连接方式，如螺钉连接、键连接等。3）运动关系）运动关系 零件间相对运动或传动关系，如齿轮传动、带传动等。转柄轴的装配关系转柄轴的装配关系 齿轮的装配关系齿轮的装配关系机械产品的装配关系机械产品的装配关系4.6.2 装配模型中的约束配合关系装配模型中的约束配合关系 1）贴合约束）贴合约束 平面的贴合约束平面的贴合约束 圆柱面的贴合约束圆柱面的贴合约束2）对齐约束）对齐约束 面面对

25、齐与面面距离约束面面对齐与面面距离约束 3）距离约束）距离约束4）角度约束）角度约束 5）相切约束）相切约束4.6.3 装配模型建模方法装配模型建模方法1、自底向上的装配建模、自底向上的装配建模 先设计零件，然后再定义零件间装配关系。优点：优点：思路简单、操作方便， 易于理解，零部件独立设计。不足：不足：没有装配规划，易产生不满 足装配要求等问题，设计反复多。 自底向上装配建模自底向上装配建模 2、自顶向下的装配建模、自顶向下的装配建模 先确定产品各组成件装配关系，再逐个完 成零部件的详细设计。 特点：特点： 建模过程由抽象到具体，逐步求 精，符合产品设计过程； 可减少不必要的设计重复； 便于

26、并行设计和协调设计； 对设计人员和建模系统要求较高 。 自顶向下装配建模自顶向下装配建模 3、装配建模方法的选用、装配建模方法的选用 自底向上装配建模：自底向上装配建模：适合于系列产品以及产品改进型设计，产品结构 清晰，零部件的组成及其相互间的装配关系基本确定。 自顶向下的建模：自顶向下的建模：适合于新产品设计，产品具体结构不太清晰，零部 件组成不确定，零部件结构细节不可能具体，产品设计时需要从 较为抽象、笼统的装配模型开始，逐步细分、逐步求精。4.6.4 装配模型建模实例装配模型建模实例1 1、自底向上装配建模实例、自底向上装配建模实例例例4.2 应用Solidworks自底向上装配建模功能

27、，建立联轴节装配模型 。建模思路：建模思路：先创建各组成零件的特征模型，然后逐个装配各个零件。建模步骤：建模步骤：1)分别创建各组成零件特征模型。 2)新建装配体文件，将主动头作为基础件插入装配文件。 联轴节组成零件联轴节组成零件 插入主动头零件插入主动头零件3)插入十字块零件，并与主动头装配，使十字块销轴孔与主动头销孔“同轴心同轴心” 和孔端“面面重合面面重合”配合。 主动头与十字块零件配合定义主动头与十字块零件配合定义 十字块装配十字块装配4)插入销轴零件，并与子装配体装配，使销轴圆柱面与子装配体销孔面“同轴心同轴心”及销轴端面与子装配体外轮廓线“面线重合面线重合”配合。 销轴与子装配体配

28、合定义销轴与子装配体配合定义 销轴装配完成销轴装配完成 5)插入从动头和另一销轴零件，分别完成这两个零件的装配。 联轴节完整装配模型联轴节完整装配模型 2、自顶向下装配建模实例、自顶向下装配建模实例例例4.3 应用Solidworks自顶向下装配建模功能，建立万向轮装配模型 。建模思路：建模思路：在装配体文件的整体框架下，从固定板开始创建各零件特征 模型，最终构建为一个装配体。 万向轮及其零件组成万向轮及其零件组成具体建模步骤如下具体建模步骤如下 ：（1）新建装配体文件）新建装配体文件，名为“万向轮”，进入系统装配环境 。（2）创建固定板零件）创建固定板零件。插入新零件新零件，命名“固定板”；

29、以前视基准面作为草图平面，绘制固定底板草图； 应用拉伸凸台特征，创建固定底板实体；在底板表面绘制圆凸台草图并拉伸圆凸台，完成固定板特征模型。 固定底板草图固定底板草图 固定板零件特征模型实体固定板零件特征模型实体（2）创建支承架零件）创建支承架零件 插入第2个新零件新零件，命名“支承架”；以固定板零 件表面为草图平面，绘制圆筒草图，经拉伸、抽壳，生成底部和侧壁为 3mm的圆筒实体。绘制草图并拉伸、抽壳，生成圆筒绘制草图并拉伸、抽壳，生成圆筒 仍以固定板表面为草图平面，绘制柱形体草图，等距拉伸，生成柱形体。绘制柱形体草图并拉伸绘制柱形体草图并拉伸 以上视基准面为草绘平面，绘制轮廓草图并拉伸切除，

30、得到新实体。 绘制草图并拉伸切除绘制草图并拉伸切除应用圆角特征将柱形体底部两侧倒圆角；应用拉伸切除特征切除柱形体两侧轮轴孔；以柱形体正面为草绘平面，绘制轮廓草图并拉伸切除，得到支承架零件特征模型。 支承架零件特征模型支承架零件特征模型 （3）创建塑胶轮零件）创建塑胶轮零件 插入第3个新零件新零件，命名“塑胶轮”；在支承架孔中心创建一个参考点，过参考点创建一个与右视基准面平行的参考基准面；以参考基准面为草绘平面，绘制塑胶轮截面草图，应用旋转扫描特征塑胶轮零件特征模型 。 绘制塑胶轮截面草图绘制塑胶轮截面草图 旋转生成塑胶轮实体旋转生成塑胶轮实体 （4）创建轮轴零件）创建轮轴零件 (略） 最终自顶

31、向下完成万向轮装配模型。创建完成的万向轮装配模型创建完成的万向轮装配模型3、两种建模方法比较、两种建模方法比较 1）设计顺序）设计顺序自底向上建模是先建零件模型，再将各零件进行装配；自顶向下建模是在建模环境下逐个设计新零件，确定参考基准， 进行新零件具体结构特征设计。 2）零件独立性）零件独立性自底向上建模各零件无设计关联，在装配时定义装配关系；自顶向下建模自动为新零件添加装配关系和结构尺寸的关联，当 所引用参考改变时，引用它的零件需自动重建和更新。 3）技术难度）技术难度自底向上建模思路简单、操作方便，对设计者要求不高；自顶向下建模不易把握，对设计者要求高，零件间关联需调用较 多系统资源，会降低运行速度。