第五章 几何建模及特征建模
第一节
第二节
基本概念
线框模型
第三节 第四节 第五节
曲面建模 实体建模 特征建模
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第一节 基本概念
一 基本概念
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，他为产品设计分析、工程图生成、
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。
1) 基本特征：指构成零件主要形状的特征 2) 二次特征：是指用来修改基本特征的特征
（1）正特征：正特征对应于材料添加的形状,如凸台等
（2）负特征：负特征则是从零件实体中减去的形状，如孔、槽等
如下图为特征分类：
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轴盘类零件的基本特征
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孔槽类零件的基本特征
数控编程、数字化加工与装配中的碰撞干涉检查、加工仿真、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。
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二.几何建模
1.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。
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。
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2.复杂曲面的生成
四．曲面建模的特点
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”。 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。
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第三节 曲面建模
一、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。
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二、数据结构
三、曲面生成方法
计算机存储的信息：1，顶点信息；2，棱边信息； 3，面素信息：面号、组成面素的线号及线数。
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。
第五节 特征建模
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。
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第四节 实体建模
一、基本原理
实体模型是在表面模型的基础上，再定义物体存在于面的哪一侧
而建立的。
实体建模不仅定义了形体表面，还定义了形体的内部形状，使形 体的实体物质特性得到了正确的描述，是三维CAD/CAM软件系统普遍 采用的建模形式。
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二．数据结构（边界表示法数据结构）
实体建模采用表结构存储数据，其中棱线表和面表与曲面造型有很大
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几何建模的局限性
1）几何模型难以修改，不能适应产品开发的动态过程
2）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。 3）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，不能满足设 计、制造对构形的需要。因为设计工程师和制造工程师在设计一个零件
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b.面向过程的特征： 不实际参与零件几何形状的构造，又可以细分为： 精度特征 技术要求特征 材料特征 管理特征 分析特征
夹具特征
制造特征 装配特征
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拉伸特征
扫描特征
旋转特征
混合特征
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一．特征的定义
1、概念
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2．特征应满足条件： 在CAD/CAM领域的特征必须满足如下条件 1）特征必须是一个实体或零件中的具体构成之一； 2）特征能对应到某一种形状； 3）特征应该具有工程上的意义； 4）特征的性质是可以预料的。
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3、特征的含义 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。
example 1
由于建模后生成的物体所有的边都显示在图形中，而大多数的三维线 框建模系统尚不具备自动消隐的功能，因此无法判断哪些是不可见边，哪 些是可见边；对于同一种线框模型，难以确定实体的真实形状，这不仅不 能完整、准确、唯一地表达几何实体，也给物体的几何特性、物理特性的 计算带来困难。
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example 2
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。
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几何信息
拓扑关系
拓扑属性：一个点在一个弧段的端点；一个简单弧段不会自相交；一个点在 一个区域的边界上；一个点在一个区域的内部；一个点在一个区域的外部； 一个点在一个环的内部；一个简单面是一个连续的面；
不同，从表中可以看出，棱线表记录的内容更加丰富，可以从面表找到构
成面的棱线，从棱线表中可以找到两个构成的棱线的面。与曲面建模相比， 实体模型不仅记录了全部几何信息，而且记录了全部点、线、面、体的信
息。
三、实体建模的常见方法
1. 体素法
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。根据设计需要，对基本几何形体的 尺寸参数进行赋值即可得到对应的几何形体。下图为常见的大多数实体 造型系统所支持的常见体素。
非拓扑属性：两点之间的距离；一个点指向另一个点的方向；弧段的长度；
一个区域的周长；一个区域的面积
2.几何建模分类
线框模型
表面模型
实体模型
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第二节
一、建模原理
线框建模
由一系列的点、直线、圆弧及某些二次曲线组成，描述的是产品的
轮廓外形，线框模型是表面模型和实体模型的基础。
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二、特点
1 优点：信息量少，数据运算简单，占据的存储空间比较小，对硬件要求不 高。 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。
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二．特征的分类
1、根据制造方法不同： 铸、锻、焊、机加工和注塑成型特征
2、按零件类型不同：
轴类零件、盘类零件，箱体类零件等。 3、按照零件的复杂程度分：
简单特征：简单特征为独立的形状特征。
复合特征：复合特征为简单特征的组合结构，如周向均布的孔。 矩形阵列的孔等。
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4、一般分类 a.造型特征：
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2.扫描法 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。
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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。