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1、 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计2.5 三维造型三维造型(zoxng)技术技术2.5.1 概述2.5.2 线框建模2.5.3 曲面(qmin)建模2.5.4 实体建模2.5.5 特征建模第一页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计2.5.1 概 述1. 几何建模对于(duy)现实世界中的物体，通过某种描述、处理、存储等方法，将它转换成为计算机的内部表示的过程称为建模。在计算机辅助机械产品设计与制造中，将零部件的几何形状用计算机内部表示就是几何建模。第二页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计几何建模技术
2、是CAD/CAM系统中的关键技术。几何建模技术是以计算机能够理解的方式，对几何实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的模型。几何建模技术研究的是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。该模型是对几何实体的确切的数学描述或是对几何实体某种状态的真实模拟，它将为CAD/CAM系统的各种不同的后续应用提供信息，如由模型产生有限元网格，根据模型编制数控加工程序，由模型进行机器装配、干涉检查等。通常将能够定义、描述、生成几何模型，并能交互编辑(binj)的系统称为几何造型系统。第三页，共一百零一页。
3、2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计2. 几何建模技术的发展产品(chnpn)设计的过程实际上是信息处理的过程。设计过程中产生信息的表达方式与当时的生产发展水平紧密相关。20世纪 60年代末，随着 CAD和 CAM概念的逐步形成及计算机硬件和软件的飞速发展，产品(chnpn)的表达方式发生了显著的变化，主要采用模型化计算机语言表达，相继出现了几何模型、线框模型、表面模型、实体模型以及20世纪80年代末期的特征模型。第四页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计二维绘图阶段，主要是在计算机上表达二维几何图素。由于图素之间缺乏联系，因此很难保持各阶
4、段设计的一致性。故此时的CAD仅仅(jnjn)是手工绘图板的替代工具。第五页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计在三维造型阶段，几何建模技术经历了三次技术革命。20世纪60年代，在二维造型基础上引入三维造型，CAD系统只是极为简单的线框造型系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，由于缺乏形体的表面信息，CAE及CAM均无法实现。进入20世纪70年代，飞机和汽车工业中遇到了大量的自由曲面问题，法国人提出了贝塞尔算法，使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行。由于线框系统已经不能满足(mnz)人们的实际需求，法国的达索飞机制造公司在二维绘图系统CAD
5、AM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现为人类带来了第一次CAD技术革命。第六页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计由于线框和曲面建模不能表示出形体内部的状况，不能支持形体的优化设计等应用，因此，在20世纪60年代末，美国和英国都分别进行了实体造型技术与系统的研发。美国罗切斯特大学于1972年开始PADL实体造型系统的研究，并于1976年和1982年分别推出PADL1版及PADL2版；英国ShapeData公司也在20世纪70年代初推出了Romulus实体造型系统。实体造型常用的表示形式有构造的实体几
6、何(CSG)表示、边界表示(BRep)和扫描(somio)表示。实体造型技术能够准确表达零件的大部分属性，从CAD系统获得的设计数据可用于CAM、CAE等系统，给设计、分析、制造带来了较大的方便。实体造型技术的普及和应用是CAD发展史上的第二次技术革命。第七页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计20世纪80年代末，兴起特征造型技术。两方面的因素导致了它的出现与应用。一方面，传统的实体造型技术是建立在几何表示和操作(cozu)之上的，低层次、无应用含义的几何操作(cozu)与设计人员高层次的设计要求产生了矛盾。另一方面，近10年间，CIMS技术得到了长足发展，
7、这就要求传统的造型系统除了满足自身信息的完备性之外，还必须为其他系统(包括CAPP、CAM等)提供反映设计人员意愿的非几何信息，如公差、材料等。 第八页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计从CADCAM集成(j chn)的角度出发，要求从产品整个生命周期各阶段的不同需求来描述产品，才能够完整、全面地描述产品的信息，即重构零件模型，使得各应用系统可以直接从该零件模型中抽取所需的信息。人们把这种模型称为特征模型，这样的建模技术称为产品建模或特征建模，这是目前被认为最适合于CADCAM集成系统的产品表达方法。第九页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化
8、设计汽车产品数字化设计在新产品的研制过程(guchng)中，大约7080的成本耗费于设计阶段。因此，如何开发和研究先进的设计方法与工具以提高产品设计的效率，就显得至关重要。人工智能学研究认为，设计问题是约束满足问题，即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得设计对象的细节。第十页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。20世纪70年代末、80年代初，英国剑桥大学的R.C.Hillyard和美国MIT大学的D.C.Gossard等率先将参数化设计用于CAD中。1985年，美
9、国PTC公司首先推出参数化CAD系统Pro/Engineer，第一次实现了尺寸(ch cun)驱动零件设计修改。到了20世纪90年代，参数化技术逐步走向成熟，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上简便易行的优势。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。第十一页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计但是，参数化技术并没有完全解决所有问题，例如，全尺寸约束这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。然而，变量化技术既保持了参数化技术的原有优点(yudin)，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的
10、空间和机遇，驱动了CAD发展的第四次技术革命。总的说来，如今的CAD系统采用了统一的数据结构和公用数据库，采用实体造型技术、参数化技术和特征造型技术，给设计人员带来了前所未有的便利。第十二页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计 2.5.2 线 框 建 模1. 线框建模原理线框建模是CAD/CAM发展中应用最早的三维建模方法(fngf)。线框模型通过点、线(直线、曲线)描述物体的外形、交线和棱线，并在计算机内生成二维和三维图像，如图2-1所示。线框模型用几何体的棱线表示几何体的外形，利用表结构来存储产品设计信息。线框模型在计算机内存储的数据结构共有两个表：一为
11、顶点表(如表2-1所示)，记录各点坐标值；另一个为棱线表(如表2-2所示)，记录每条棱线所连接的两顶点。由此可见，三维物体可以用它的全部顶点及边的集合来描述，线框一词由此而得名。第十三页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-1 物体(wt)的线框模型第十四页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计 表2-1 顶 点 表 第十五页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计 表2-2 边 表 第十六页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计2. 线框建模的优缺点三维
12、线框建模在计算机内部以边表、点表来描述和表达物体，因而线框模型的数据量较少，数据结构简单，CPU时间及存储方面开销低；同时构造模型时操作简便，用户几乎(jh)无需培训，系统的使用犹如人工绘图的延伸。第十七页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计由于线框建模缺少面的信息，因而有以下缺点：(1) 存在二义性(如图2-3所示)，即使是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，因而不能消除隐藏线和隐藏面。(3) 线框模型给出的不是连续的几何信息(只有顶点和棱边)，不能明确地定义给定的点与形体之间的关系(点在形体内部、外部和表面上)
13、。因此，不能用线框模型处理计算机图形学和CAD中的多数问题，如剖切、消隐、渲染、物性分析、干涉检查、加工处理等。因此，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，一般仅使用在实时仿真技术或中间(zhngjin)结果的显示上。第十八页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-3 线框模型(mxng)的二义性第十九页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计2.5.3 曲 面 建 模曲面造型是计算机辅助几何设计和计算机图形学的一项重要内容，主要研究在计算机图形系统环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、
14、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由Coons、Bzier等大师于20世纪60年代奠定其理论基础。经过30多年的发展，曲面造型形成了以有理B样条曲面参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值、拟合、逼近这三种手段(shudun)为骨架的几何理论体系。第二十页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计1. 曲面建模原理曲面建模原理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(guchng)曲面的一种建模方法。如果说线框模型是用“铁丝”构造物体的话，则曲面建模就是拿一张张的表皮对这些“铁丝”进行蒙皮。建模时，先将复杂的外表面分解成若干个基本曲面元素，通过
15、这些基本曲面元素的拼接，构成(guchng)所要的曲面。图2-4所示为曲面的拼接过程。第二十一页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-4 曲面的拼接(pn ji)过程第二十二页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计构成曲面模型的面可以(ky)是平面，但用得比较多的是曲面。根据构造方法的不同，曲面模型中常用曲面生成方法可以(ky)分为以下几种类型：(1) 基本曲面。常见的基本曲面有圆柱面、圆锥面、球面、环面等，有些造型系统提供这些基本曲面，有些造型系统则不提供，而是通过拉伸、回转、扫描等造型方法生成这些基本曲面。第二十三页
16、，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计(2) 规则曲面。常见的规则曲面有平面、直纹面、回转面、柱状面等。平面常用(chn yn)三点定义，用它作剖切平面。直纹面如图2-5所示，它的导线是两条不同的空间曲线，母线是直线，其端点必须沿着导线移动，可表示非扭曲的曲面，造型系统中用专门的命令生成直纹面。回转面如图2-6所示，先绘制一平面线框图，再绕一轴线旋转生成。柱状面如图2-7所示，先绘制一平面曲线，然后沿垂直于该面的方向拉伸而成，柱状曲面具有相同的截面。第二十四页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-5 直纹面 第二十五页，
17、共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-6 回转(huzhun)面 第二十六页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-7 柱状面第二十七页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计(3) 自由曲面。常见(chn jin)的自由曲面有Bzier曲面、B样条曲面、Coons曲面等。Bzier曲面如图2-8所示，它是一组空间输入点的近似曲面，但并不通过给定的点，不具备局部控制功能。B样条曲面如图2-9所示，它也是一组输入点的近似曲面，但可局部控制。Coons曲面如图2-10所示，它由封闭的边界曲线
18、构成。在造型系统中，上述自由曲面的生成通常用所谓“蒙皮”的方法生成，其本质就是数据点的插值与拟合。可针对一组给定的曲线族进行蒙皮，也可对两组相互交错的曲线族进行蒙皮。第二十八页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-8 Bzier曲面(qmin) 第二十九页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-9 B样条曲面(qmin) 第三十页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-10 Coons曲面(qmin)第三十一页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设
19、计(4) 派生曲面。派生曲面包括圆角曲面(如图2-11所示)、等距曲面(如图2-12所示)、过渡曲面等。派生曲面是在已经存在的曲面或实体上生成的曲面，在造型系统中有专门的命令(mng lng)来生成这些曲面。第三十二页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-11 圆角曲面(qmin) 第三十三页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-12 等距曲面(qmin) 第三十四页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计各种曲面图素在生成以后，可以在造型系统的曲面编辑环境下采用并(对两个(lin
20、)相邻曲面作拼接)、交(交线外的部分被剪掉)、修剪(切除多余部分)、延伸(向某一方向扩展)等方法形成曲面立体。第三十五页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计2. 曲面建模特点曲面建模特点(tdin)曲面建模是研究曲面的计算机表示、求交、光顺和显示的技术。它采用表面模型表示三维形体。表面(surface)模型是用有向棱边围成的部分来定义形体表面，由面的集合来定义形体。表面模型是在线框模型的基础上，增加有关面边(环边)信息以及表面特征、棱边的连接方向等内容，从而可以满足面面相交，线、面消隐，明暗色彩图，数控加工等应用问题的需要。表面建模可用于二维工程图的表达形式
21、，三维实体或曲面的草图输入记录，或者作为某些线框网格的输出记录。图2-13所示为表面模型的一个例子。第三十六页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-13 表面模型(mxng)应用举例第三十七页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计曲面模型与线框模型相比，多了一个面表，记录了边与面之间的拓扑关系，但仍缺乏面与体之间的拓扑关系，无法区别面的哪一侧是体内还是体外。它的缺点是只能表示物体的表面(biomin)及其边界，还不是实体模型。因此，曲面模型不能实行剖切，不能计算物性，不能检查物体间的碰撞和干涉等。第三十八页，共一百零一页
22、。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计3 曲面造型的现状与发展趋势曲面造型的现状与发展趋势 随着计算机图形显示对于真实性、实时性和交互性要求的日益增强，几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢这一趋势的日益明显，图形工业和制造工业迈向一体化、集成化和网络化步伐的日益加快，激光测距扫描等三维数据采样技术(jsh)和硬件设备的日益完善，曲面造型近几年得到了长足的发展，这主要表现在研究领域的急剧扩展和表示方法的开拓创新上。第三十九页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计从研究(ynji)领域来看，曲面造型技术已从传统的研究(ynji)曲
23、面表示、曲面求交和曲面拼接，拓展到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面等距性等方面。从表示方法来看，以网格细分(Subdivision)为特征的离散造型与传统的连续造型相比，大有后来居上之势。第四十页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计2.5.4 实 体 建 模实体建模主要研究如何通过简单体素的拼合来构造复杂形体，这样的模型被称为实体模型。与曲面建模相比(xin b)，它能完整地表示物体的所有形状信息，可以无歧义地确定一个点是在物体外部、内部或表面上，这种模型能够进一步满足物性计算、有限元分析等应用的要求。第四十一页，共一百零一页。 2.5三维造型技
24、术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计1. 实体建模原理实体建模原理(yunl)实体建模技术是 20世纪 70年代后期、80年代初期逐渐发展、完善并推向市场的。实体建模是利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及扫描体、放样体、旋转体、拉伸体等，通过集合运算(拼合或布尔运算，如求和、求差、求交)生成复杂形体的一种建模技术。实体建模主要包括两部分内容：体素的定义与描述，体素之间的布尔运算。体素是一些简单的几何形体，它们可以通过少量参数进行描述，例如长方体可以通过长、宽、高定义其形状。 第四十二页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计实体建模存在许
25、多不同的数据结构，在这些数据结构中有一个共同点，即数据结构不仅记录了全部的几何信息，而且还记录了所有的点、线、面、体的拓扑信息。这就是实体建模与线框建模或表面建模的根本(gnbn)区别。第四十三页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计2. 三维实体表示方法三维实体表示方法(fngf)三维实体表示法主要研究如何表达及构造一个实体模型，用得最多的是实体几何构造法实体几何构造法、边界表示法边界表示法及扫描表扫描表示法示法。第四十四页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计1) 实体几何构造法(Constructive Solid Ge
26、ometry, CSG)CSG是一种(y zhn)用体素拼合构成物体的方法，是目前最常见、最重要的方法之一。用CSG表示一个物体时可用二叉树的形式加以表达。图2-17中，CSG树的树叶分为两种：一种(y zhn)是基本体素，如长方体、圆柱等；另一种(y zhn)是体素作运动变换时的参数，如平移参数x等。图中结点表示某种运算，有两类运算子：一类是运动运算子，如平移、旋转等；另一类是集合运算子，指并、交及差，分别用记号*、*、-*表示。第四十五页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-17 定义(dngy)形体的CSG树第四十六页，共一百零一页。 2.5三维造
27、型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计CSG树中的每个子树都代表部分体素的组合，树根(sh n)代表最终拼合成的物体。CSG树可能是一棵不完全的二叉树，这取决于用户拼合物体时所设计的步骤。CSG树代表了CSG方法的数据结构，可以采用遍历算法进行拼合运算。CSG树无二义性，但并不唯一，它的定义域取决于所用体素以及所允许的几何变换和正则集合运算算子。若体素是正则集，则只要体素叶子是合法的，正则集的性质就保证了任何CSG树都是合法的正则集。第四十七页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计CSG表示的优点有：(1) 数据结构比较简单，数据量比较小，内部数据的管理比
28、较容易。(2) CSG表示可方便(fngbin)地转换成边界(Brep)表示。(3) CSG方法表示的形体的形状比较容易修改。第四十八页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计CSG表示的缺点有：(1) 对形体的表示受体素的种类和对体素操作种类的限制，也就是说，CSG方法表示形体的覆盖域有较大的局限性。(2) 对形体的局部操作不易实现，例如，不能对基本体素的交线倒圆角。(3) 由于形体的边界几何(j h)元素(点、边、面)是隐含地表示在CSG中，因此显示与绘制CSG表示的形体需要较长的时间。第四十九页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品
29、数字化设计2) 边界表示法(Boundary Representation，B-Rep)边界表示也称为BR表示，是几何造型中最成熟、无二义的表示法。一个物体可以表达为它的有限数量的边界表面(biomin)的集合，表面(biomin)可能是平面，也可能是曲面，每个表面(biomin)又可用它边界的边及顶点加以表示，如图2-18所示。第五十页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-18 边界(binji)表示法模型第五十一页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计B-Rep中要表达的信息分为两类。一类是几何数据，它反映物体的大小
30、及位置，例如顶点的坐标值，面的数学表达式中的具体系数等。另一类是拓扑信息。拓扑是研究图形在形变与伸缩下保持不变的空间性质(xngzh)的一个数学分支，拓扑只关心图形内的相对位置关系而不涉及它的大小与形状，用来说明体、面、边及顶点之间连接关系的这一类信息。在边界表示法中，边界表示按照体面环边体面环边点点的层次，详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息及其相互连接的拓扑关系，在进行各种运算和操作中，可以直接取得这些信息。第五十二页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计B-Rep的主要优点是：(1) 表示形体的点、边、面等几何元素是显式表示的，使得绘制B-Rep表
31、示的形体的速度较快，而且比较容易确定几何元素间的连接关系。(2) 容易支持对物体的各种局部操作，比如进行(jnxng)倒角时，不必修改形体的整体数据结构，而只需提取被倒角的边和与它相邻两面的有关信息，即可进行(jnxng)倒角运算。(3) 便于在数据结构上附加各种非几何信息，如精度、表面粗糙度等。第五十三页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计B-Rep的缺点是：(1) B-Rep数据结构复杂，需要大量的存储空间，维护内部数据结构的程序比较复杂。(2) 修改形体的操作与CSG表示法相比难以实现。(3) B-Rep表示不一定对应一个有效形体，需要有专门的程序来保
32、证B-Rep形体的有效和正则性。由于B-Rep表示覆盖(fgi)域大，原则上能表示所有的形体，而且易于支持形体的特征表示等，因此它已成为当前CAD/CAM系统的主要表示方法。第五十四页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计3) CSG与B-Rep混合表示模型通过上面的介绍可知，上述实体构造方法各有优缺点：形体表示以特征(tzhng)表示和构造的实体几何表示(CSG)最为方便，但是从计算机对形体的管理和操作运算角度看，以边界表示(B-Rep)最为实用。所以，近年来大型CAD系统都采用多种模型表示的方法。图2-19所示为一混合模型的典型架构。第五十五页，共一百零一
33、页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-19 混合(hnh)表示模型的典型架构第五十六页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计CSG模型(mxng)中只定义了它所表示物体的构造方式，既不存储顶点、棱边、表面等物体有关的边界信息，也未显式定义三维点集与所表示物体在空间的一一对应关系，所以CSG树又被称为物体的隐式模型(mxng)和算法模型(mxng)。CSG树表示一个复杂实体时，常常比较简洁，它所表示物体的有效性是由基于物体(体素)的有效性和集合运算的正则性而自动得到保证的。CSG树的缺点是不适合对集合物体形状作局部的修改，而且在生成工
34、程设计中常用的线框图时效率很低。在实际应用中，常常把CSG树与B-Rep表示结合起来使用，相互补充。 第五十七页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计在混合造型系统中，模型(mxng)首先以CSG方法存储，在显示时同时生成B-Rep模型(mxng)。CSG模型(mxng)可以很容易转换为B-Rep模型(mxng)，但B-Rep模型(mxng)转换为CSG模型(mxng)却比较困难。第五十八页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计4) 扫描表示法扫描表示法是基于一个基体(一般是一个封闭的平面(pngmin)轮廓)沿某一路径运动而
35、产生形体。可见，扫描表示法需要两个分量，一个是运动的基体，另一个是基体运动的路径；如果是变截面的扫描，则还要给出截面的变化规律。通常有三种扫描方式：平移、旋转和广义扫描。第五十九页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-20给出了用平移扫描产生实体的例子，图2-20(a)所示是一圆环，通过平移操作(cozu)产生如图2-20(b)所示的空心管。使用这种方法，用户在建立任意的二维图形以后，可用平移扫描产生各种等截面的物体。第六十页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-21所示是用旋转扫描产生一实体的例子，可以先定义一个
36、平面图形，然后令此图形绕旋转轴旋转形成(xngchng)一个新的物体。用旋转扫描可以产生旋转对称体。图2-21 旋转(xunzhun)扫描 第六十一页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计广义扫描将一个平面区域(该区域可以在运动过程中按一定的规则变化)沿任意的空间轨迹线移动，生成一个三维物体，如图2-22所示。广义扫描的造型能力很强，它完全包含平移(pn y)扫描和旋转扫描。但由于广义扫描的集合构造算法非常复杂，因此，仍把平移(pn y)扫描和旋转扫描从广义扫描中独立出来，单独处理。第六十二页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化
37、设计2.5.5 特征建模特征建模是CAD建模方法的一个新里程碑，是在CAD/CAM技术发展和应用达到一定的水平，要求进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的历史进程中孕育、成长起来的。过去的CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，都是着眼于完善产品的几何(j h)描述能力，即只描述产品的几何(j h)信息。特征建模则是着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。 第六十三页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计特征在这里作为一个专业术语，兼有形状形状和功能功能两种属性，具体包括产品的特定几何形状、拓扑关
38、系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。特征造型技术使得产品的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(xintio)和体素，而是产品的功能要素。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造了条件。第六十四页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计1. 特征建模的特点特征建模的特点特征包括了产品的定义信息、与产品设计和制造有关的各种信息。特征概念的引入使得设计意图体现的更加直接，使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产。与传统(c
39、huntng)的几何造型相比，它有着十分显著的优点优点：第六十五页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计(1) 特征造型着眼于更好地表达产品的完整技术和生产信息，为建立产品的集成信息模型服务。(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是产品的功能要素，可以将更多的精力用于创造性构思上。(3) 特征造型有助于加强产品设计、分析(fnx)、工艺准备、加工、检验各部门之间的联系，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造条件。第六十六页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计2. 特征
40、定义特征定义目前，对于CAD中特征的定义尚没有达到完全统一。在研究特征技术的过程中，国内外学者从不同的侧面、不同的角度，根据需要给特征赋予了不同的含义。最初的特征定义仅包含了几何意义，即主要是它的形状特征，但实际上特征应该包含更多、更广泛的含义和信息。由于特征源于设计、分析和制造等生产过程的不同阶段，因此对特征的认识也不尽相同，至今尚无统一的定义。目前较为通用的定义是1992年Brown所给出的：特征就是任何已被接受的某一个对象的特征就是任何已被接受的某一个对象的几何、功能元素和属性几何、功能元素和属性(shxng)，通过它们可以很好地理解该对象的功能、行为和操作。第六十七页，共一百零一页。
41、2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计随着特征技术由工艺规划向设计、检验和工程分析方面的拓展，特征定义趋向于更一般化，如：用于描述零件和装配体的语义组，它将功能、设计和制造信息组合在一起；一个几何形状(xngzhun)或形体要素，它至少具有一种CIM功能；产品信息的载体，它可以在设计和制造或者其他工程任务之间辅助设计或进行通信；任何用于设计、工程分析和制造的推理的客观对象等。第六十八页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计总之，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
42、(w men)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等。第六十九页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计3. 特征的构成体系特征的构成体系目前特征的分类还没有统一的体制，一般来说，特征可分为造型特征造型特征和面向过程的特征面向过程的特征。造型特征(又称为形状特征)是指那些实际构造出零件的特征，而面向过程的特征并不实际参与零件几何形状的构造。面向过程的特征可细分为精度(jn d)特征、管理特征、技术要求特征、材料特征和装配特征等。
43、第七十页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计(1) 造型特征：零件上有一定拓扑关系的一组几何元素所构成的一个特定形状(xngzhun)，具有特定的功能及特定的加工方法集。形状(xngzhun)特征可以分为基本特征和附加特征。其中基本特征用于构造零件的主体形状(xngzhun)(如圆柱体、圆锥体等)，附加特征用于对基本特征的局部修饰(如倒角、键槽、退刀槽、中心孔等)。附加特征附加于基本特征之上，任何零件均由一个基本特征和若干个附加特征组合而成。第七十一页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计(2) 精度特征：用于表达零件各要素
44、尺寸公差、形状公差、位置公差和表面粗糙度等精度要求信息。需特别指出的是，一般形位公差除公差项目名、公差值、基准外，还应包含公差检测原则(如包容原则、最大实体(sht)原则等)。精度特征是形成零件质量指标的主要依据。(3) 管理特征：用于描述零件的管理信息，如标题栏中的设计者、批量、件数、零件编码及与其它产品的借用与通用关系、日期、零件生产管理中MRP所需信息，设计过程管理(包括版本管理，使用者权限设定与管理，审定等)，并为PDM提供所需的信息。第七十二页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计(4) 技术要求特征：用于描述零件的性能、功能等相关信息，说明外观要求
45、、搬运要求等无法在图纸上标注的要求，零件运行过程中的工况条件(常规、极限)，载荷与约束条件，为CAE提供模拟信息，为性能实验、分析(fnx)计算、优化、有限元前处理提供条件。(5) 材料特征：与零件材料和热处理有关的信息集合，如零件所用的材料牌号与规格、毛坯状态、热处理方式、表面处理方式、硬度值等。第七十三页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计(6) 装配特征：用于表达零件在装配过程中所需的信息，如与其它零件之配合、配作等关系，装配尺寸链信息、父项子项的信息，为装配工艺提供必要的信息。例如，组成产品的零部件之间在装配中的关系可分为层次关系和装配关系。层次关系
46、：机械产品是由具有层次关系的零部件组成的系统(xtng)。装配关系：包括描述实体模型几何元素之间直接关系的几何关系，比如平面贴合、点面接触相切；描述零部件之间高于几何层次的机械关系，如螺纹联接、键联接等；描述零部件之间的运动关系(相对运动或传递运动)，如相对转动，齿轮传动等。第七十四页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计4. 特征造型系统实现模式特征造型系统实现模式常用的特征建模方法有三种： 交互特征标定； 特征识别； 基于特征设计。其中交互特征标定需要设计者输入大量的信息，自动化程度低，当零件形状非常复杂时，这种方法几乎难以实现零件的特征造型。目前，在几何
47、造型环境下建立特征模型主要采用后两种方法。特征识别：首先建立一个几何模型，然后用程序处理这个几何模型，自动地发现并提取特征。基于特征的设计：直接(zhji)用特征来定义零件的几何结构，几何模型可以由特征生成。图2-23所示为两种方法的示意图。第七十五页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计图2-23 特征(tzhng)建模方法示意图(a) 特征识别；(b) 基于特征的设计第七十六页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计1) 特征识别 许多应用程序(如工艺(gngy)规划、NC编程、成组技术编码等)所要求的输入信息包含几何构造和
48、特征两方面。现已开发出各种技术方法，可以直接从几何模型数据库中获得这些输入信息。这些方法常被看做特征识别，它将几何模型的某部分与预定义的特征相比较，进而识别出相匹配的特征实例。第七十七页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计特征识别常包含以下几个过程：(1) 搜寻特征库，以匹配拓扑/几何模式。(2) 从数据库中提取已识别的特征。(3) 确定特征参数(如孔直径，槽深度等)。(4) 完成特征的几何模型(边/面延展，封闭等)。(5) 将简单的特征组合，以获得高层特征。特征识别中的关键技术有匹配、构形元素(yun s)(点、线、面等)生长、体积分解、从CSG树中识别特
49、征等。第七十八页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计2) 基于特征的设计在基于特征的设计方法中，特征从一开始就加入到产品模型中，特征的定义被放入一个库中，通过定义尺寸、位置参数和各种属性值可以建立特征实例。两种主要(zhyo)的基于特征的设计方法是特征分割造型和特征合成法。特征分割造型：零件模型是通过毛坯材料与特征的布尔运算创建的。利用移去毛坯材料的操作，将毛坯模型转变为最终的零件模型，设计和加工规划可以同时生成。第七十九页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计特征合成(hchng)法：系统允许设计人员通过加减特征要素进行设
50、计。首先通过一定的规划和过程预定义一般特征，建立一般特征库，然后对一般特征实例化，并对特征实例进行修改、拷贝、删除以生成实体模型，导出特定的参数值等操作，建立产品模型。7. PrO/E第八十页，共一百零一页。 2.5三维造型技术汽车产品数字化设计汽车产品数字化设计5. 基于特征的参数化造型系统参数化设计(Parametric，也叫尺寸驱动)是CAD技术在实际应用中提出的课题，其主体思想是用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇在形状或功能(gngnng)上具有相似性的设计方案。目前能处理的几何约束类型基本上是组成产品形体的几何实体公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系，因