第五章-CADCAM建模技术课件.ppt
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- 第五 CADCAM 建模 技术 课件
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1、2023年5月13日星期六第五章第五章 CADCAM建模技建模技术术NoImage NoImage1.概述 2.线框建模 3.表面建模 4.实体建模 5.特征建模 NoImage1.概述 l l建模技术发展概况 l建模技术的基础知识 l常用建模方法的比较与应用 建模技术建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部可数字化表示、分析、控制和输出的几何形体的方法 建模技术是产品信息化的源头,是定义产品在计算机内部表示的数字模型、数字信息及图形信息的工具,它为产品设计设计分析分析、工程图生成工程图生成、数控编程数控编程、数字化加工与装配中的碰撞干碰撞干涉检查涉检查、加工仿真加工仿真、生产过程
2、管理生产过程管理等提供有关产品的信息描述与表达方法,是实现计算机辅助设计与制造的前提条件,也是实现CAD/CAM一体化的核心内容 NoImage建模技术发展概况l早期早期CAD系统只能处理二维信息,设计人员通过投影图表达零系统只能处理二维信息,设计人员通过投影图表达零件的形状及尺寸;件的形状及尺寸;l建模技术发展重要事件建模技术发展重要事件:1973年剑桥大学年剑桥大学I.C.Braid等建成等建成系统;系统;1972年年1976年罗彻斯特大学年罗彻斯特大学H.B.Voelcker主持建成主持建成系统;系统;1968年年1972年北海道大学冲野年北海道大学冲野教授等建成教授等建成 系统系统 l
3、近年来,近年来,CAD/CAM集成化系统普遍采用集成化系统普遍采用作为产品造作为产品造型系统,成为从微机到工作站上各种图形系统的核心;型系统,成为从微机到工作站上各种图形系统的核心;l为满足设计到制造各个环节的信息统一要求,建立统一的产品为满足设计到制造各个环节的信息统一要求,建立统一的产品信息模型,推出了信息模型,推出了系统;系统;l正在研究全新建模方式正在研究全新建模方式,将,将CAE技术与技术与CAD建模融为一体,理性确定产品形状、结构、材料等各种细节建模融为一体,理性确定产品形状、结构、材料等各种细节 常见几何建模模式:、和 产品建模技术的发展历程NoImage建模技术的基础知识形体的
4、表达建立在形体的表达建立在几何信息几何信息和和拓扑信息拓扑信息的处理基础上的处理基础上 几何信息几何信息一般是指形体在欧氏空间中的形状、位置和大小一般是指形体在欧氏空间中的形状、位置和大小 拓扑信息拓扑信息表达形体各分量间的联接关系表达形体各分量间的联接关系几何建模基础知识:几何建模基础知识:几何信息 拓扑信息 非几何信息 形体的表示 正则集合运算 欧拉检验公式 建模建模是以计算机能够理解的方式,对实体进行确切定义,赋予一定的数学描述,并以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述,在计算机内部构造实体的模型 NoImage几何信息几何信息几何信息几何信息是指物体在空间的形状、尺寸及位置的描
5、述 几何信息包括、的信息五个顶点用两种不同方式连接,表达两种不同的理解只用几何信息表示物体并不充分,常会出现物体表示的二义性 NoImage拓扑信息拓扑信息拓扑信息拓扑信息反映三维形体中各几何元素的数量及其相互之间连接关系拓扑关系允许三维实体随意拓扑关系允许三维实体随意地伸张扭曲,两个形状和大地伸张扭曲,两个形状和大小不一样的实体的拓扑关系小不一样的实体的拓扑关系可能是等价的可能是等价的 拓扑特性等价的立方体和圆柱体拓扑特性等价的立方体和圆柱体拓扑信息不同,即使几何信息相同,最终构造的实体可能完全不同 几何信息中的内在关系 NoImage非几何信息非几何信息 指产品除描述实体几何、拓扑信息以外
6、的信息,包括零件的物理属性和工艺属性等,如零件的质量、性能参数、公差、加工粗糙度和技术要求 为满足为满足CAD/CAPP/CAMCAD/CAPP/CAM集成的要求,非几何信息的描述和集成的要求,非几何信息的描述和表示越来越重要,是目前特征建模中特征分类的基础表示越来越重要,是目前特征建模中特征分类的基础NoImage形体的表示形体的表示 边的端点,为两条或两条以上边的交点。顶点不能孤立存在于实体内、实体外或面和边的内部 一维几何元素,形体相邻面的交界 有序、有向边组成的封闭边界外环的边按逆时针走向,内环的边按顺时外环的边按逆时针走向,内环的边按顺时针走向针走向故沿任一环的正向前进时,左侧总是在
7、面内,右侧总是在而外 二维几何元素,是形体上的一个有限、非零的单连通区域。面由一个外环和若干面由一个外环和若干内环包围而成,具有方向性,一般用外法内环包围而成,具有方向性,一般用外法矢方向作为正方向矢方向作为正方向形体在计算机内采用六层拓扑结构进行定义形体在计算机内采用六层拓扑结构进行定义:构成一个完整实体的封闭边界,是形成封闭的单一连通空间的一组面的结合。一个连通的物体有一个外壳和若干个内壳构成 三维几何元素,是由若干个面包围成的封闭空间。几何造型的最终结果就是各种形式的体体体(Object)外壳外壳(Shell)面面(Face)环环(Loop)边边(Edge)顶点顶点(Vertex)曲面曲
8、面(Surface)曲线曲线(Curve)点点(Point)集合运算实例 如果将零件的背后抽壳(求差运算)则壳得到两个不同结果。正则化集合运算 NoImage 正则形体 非正则形体正则集合运算正则集合运算 通过形体布尔运算布尔运算实现简单形体组合形成新的复杂形体是常用方法正则集合运算与普通集合运算关系:具有良好边界的形体定义称为正则形体正则形体。正则形体没有悬边、悬面或一条边有两个以上的邻面 式中 、分别为正则交正则交、正则并正则并和正则差正则差 K是封闭的意思,i是内部的意思 两个实体进行普通布尔运算产生的两个实体进行普通布尔运算产生的结果并不一定是实体结果并不一定是实体欧拉检验公式 欧拉公
9、式举例 NoImage常用建模方法的比较与应用建模方式建模方式应应 用用 范范 围围 局局 限限 性性线框建模线框建模 画二、三维线框图画二、三维线框图 不能表示实体;不能表示实体;图形会有二义性图形会有二义性 表面建模表面建模艺术图形;形体表面显示;艺术图形;形体表面显示;数控加工数控加工 不能表示实体不能表示实体实体建模实体建模物性计算;有限元分析;物性计算;有限元分析;用集合运算构造形体用集合运算构造形体 只能产生正则实体;只能产生正则实体;抽象形体的层次较低抽象形体的层次较低 特征建模特征建模在实体建模基础上加入实体在实体建模基础上加入实体的精度信息、材料信息、技的精度信息、材料信息、
10、技术信息、动态信息术信息、动态信息 还没有实用化系统问世;还没有实用化系统问世;目前主要集中在概念的提出和目前主要集中在概念的提出和特征的定义及描述上特征的定义及描述上几何建模中表示物体形态常用方法:建模技术在CAD中应用于、与 NoImage2.线框建模 l线框建模的概念 l线框建模的特点 线框建模线框建模是计算机图形学和CAD领域中最早用来表示形体的建模方法。虽存在着很多不足而且有逐步被表面模型和实体模型取代的趋势,但它是表面模型和实体模型的基础,并具有数据结构简单的优点,故仍有应用意义 NoImage线框建模的概念 线框建模线框建模是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架图
11、 线框建模生成的实体模型由线框建模生成的实体模型由一系列的直线、圆弧、点及自一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成,描述产品的轮廓由曲线组成,描述产品的轮廓外形外形NoImage线框建模的数据结构 点号 x y z 点号 x y z 1 0 0 1 5 0 0 0 2 0 1 1 6 0 1 0 3 1 1 1 7 1 1 0 4 1 0 1 8 1 0 0 立方体的边表 立方体的顶点表 线号 线上端点号 线号 线上端点号 线号 线上端点号 1 1 2 5 5 6 9 1 5 2 2 3 6 6 7 10 2 6 3 3 4 7 7 8 11 3 7 4 4 1 8 8 5 12 4 8 线框建
12、模的数据结构是表结构计算机内部存贮物体的顶点和棱线信息 NoImage线框建模的特点l 线框建模构造的实体模型只有线框建模构造的实体模型只有离散的边,没有边与边的关系。离散的边,没有边与边的关系。信息表达不完整,会使物体形状信息表达不完整,会使物体形状的判断产生多义性的判断产生多义性 l 复杂物体的线框模型生成需要复杂物体的线框模型生成需要输入大量初始数据,数据的统一输入大量初始数据,数据的统一性和有效性难以保证,加重输入性和有效性难以保证,加重输入负担负担 线框建模的优点线框建模的优点 只有离散的空间线段,处理起来比较容易,构造模型操作简便只有离散的空间线段,处理起来比较容易,构造模型操作简
13、便 所需信息最少,数据结构简单所需信息最少,数据结构简单,硬件的要求不高硬件的要求不高 系统的使用如同人工绘图的自然延伸,对用户的使用水平要求系统的使用如同人工绘图的自然延伸,对用户的使用水平要求低,用户容易掌握低,用户容易掌握线框建模的缺点线框建模的缺点 线框模型描述物体图形的不确定性 NoImage3.表面建模是将物体分解成组成物体的表面、边线和顶点,用顶点、边线和表面的有限集合表示和建立物体的计算机内部模型 NoImage表面建模的分类平面建模是将形体表面划分成一系列多边形网格,每一个网格构成一个小的平面平面,用一系列的小平面逼近逼近形体的实际表面表面建模分为平面建模和曲面建模平面建模平
14、面建模 曲面建模曲面建模曲面建模是把需要建模的曲面划分为一系列曲面片曲面片,用连接条件拼接拼接来生成整个曲面 CAD领域最活跃、应用最广泛的几何建模技术之一 常见曲面造型方法 旋转曲面 轨迹曲面 直纹曲面 复杂曲面 在CAM中曲面信息的补充 曲面法矢量 NoImage表面建模的特点l三维实体信息描述较线框建模严密、三维实体信息描述较线框建模严密、完整,能够构造出复杂的曲面,如完整,能够构造出复杂的曲面,如汽车车身、飞机表面、模具外型汽车车身、飞机表面、模具外型l曲面建模理论严谨复杂,所以建模系统使用较复杂,并需一曲面建模理论严谨复杂,所以建模系统使用较复杂,并需一定的曲面建模的数学理论及应用方
15、面的知识定的曲面建模的数学理论及应用方面的知识 l此种建模虽然有了面的信息,但缺乏实体内部信息,所以有此种建模虽然有了面的信息,但缺乏实体内部信息,所以有时产生对实体二义性的理解。时产生对实体二义性的理解。如一个圆柱曲面,就无法区别它是如一个圆柱曲面,就无法区别它是一个实体轴的面或是一个空心孔的面一个实体轴的面或是一个空心孔的面优点:缺点:l可以对实体表面进行消隐、着色显示可以对实体表面进行消隐、着色显示 l可以计算表面积,利用建模中的基本数据,进行有限元划分可以计算表面积,利用建模中的基本数据,进行有限元划分 l可以利用表面造型生成的实体数据产生数控加工刀具轨迹可以利用表面造型生成的实体数据
16、产生数控加工刀具轨迹 实体建模 基本实体构造是定义和描述基本的实体模型,它包括体素法和扫描法。NoImage扫描法 将平面内的封闭曲线封闭曲线沿某一路径“扫描”(平移、旋转、放样等)形成实体模型 扫描法可形成较为复杂的实体模型扫描法可形成较为复杂的实体模型 1.运动形体,称基体基体 2.形体运动的路径路径 扫描变换两个分量:(1)扫描表示法 旋转扫描实体 扫描表示法的特点 NoImage 将由体素法或扫描法产生的两个或两个以上的初始实体模型,经过集合运算得到 的新实体表示称为布尔模型,这种集合运算称为布尔运算。基本体间逻辑运算布尔运算 几何建模的集合运算理论依据集合论中的交(Intersect
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