第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型
实体建模
定义：
实体建模是利用基本体素，如长方体、圆柱体等 通过集合运算生成复杂形体的建模技术。
体素的定义及描述
基本体素及空间位置及方向 平面轮廓扫描体 平扫体、旋转体 整体扫描
布尔运算
布尔运算：并、交、差 过程模型，可以二叉树结构表示
基本体素
决定在计算机内部采用什么样的数字化模 型来描述、存储和表达现实世界中的物体。
CAD/CAM建模技术：
研究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。
建模过程：想象模型、信息模型、存储模 型
第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型
二、 建模的方法及其发展
建模方法：
由给出的离散点数据构成光滑过渡的曲面，使曲 面通过或逼近离散点。
复杂物体型面
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第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型
曲面建模/表面建模（2）
常用的参数曲线、曲面有：
Bezier， B-spline， Coons， NUEBS
简化曲面生成方法：
特征识别
首先进行几何设计，然后在建立的几何模型上， 通过人工交互或自动识别算法进行特征的搜索、 匹配。
特点：特征信息的提取和识别困难，仅适于简单 加工特征识别，且形状特征之间的关系无法表达。
基于特征设计/特征建模
直接采用特征建立产品模型，而不是事后再识别。 建立在三维实体建模系统的基础上，增加特征的
CAD/CAM建模技术及产品数据模型
➢基本概念 ➢几何建模技术 ➢特征建模技术 ➢集成产品数据模型及数据交换接口
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第1节 基本概念
计算机内部表示及建模技术 建模的方法及其发展
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一、计算机内部表示及建模技术
计算机内部表示：
参数描述，基准点
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平面轮廓扫描体
前提：封闭的平面轮廓
整体扫描
实用：
生产过程的模拟及 干涉检验，特别是 NC加工中刀具轨迹 生成和检验方面
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几何信息
物体在欧氏空间中的形状、位置和大小；
拓朴信息
物体各分量的数目及其相互间的连接关系。
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几何信息的二义性
必须同时给出几何信息和拓扑信息
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拓扑信息的描述
视具体要求不同选择不同的拓扑描述方法。
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空间单元表示法计算机内部表示
四叉树（二维），八叉树（三维）
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半空间法（以CSG为基础）
数学意义：
一个平面半空间可 通过一个无限平面 和法向向量来定义。
特点
可实现局部修改 容易引进自由曲面 使CSG数据结构在
第3节 特征建模技术
特征建模的概念 特征的表示及数据结构 特征建模技术的实现和发展
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一、特征建模的概念
1． 特征的定义 2．形状特征的分类
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1． 特征的定义
特征：
产品开发过程中各种信息的载体，包含零件的几 何拓朴信息，设计制造等过程所需要的非几何信 息，如材料信息、尺寸、形状公差信息、表面粗 糙度信息和刀具信息等。
线框建模 曲面建模 实体建模
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三维线框模型的几何元素及存储结构
基本几何元素：
点、直线、圆弧和某些二次曲线
计算机内部描述：
边表、点表
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三维线框模型
特点：
数据结构简单、对硬件要求不高、显示响 应速度快等优点
性的基础。
结构：
特征体素层 特征体素的定义与几何建模中的 CSG中的实体单元对应。
特征面关系层 特征面的组成、面的邻接关系以及 面的作用和属性等
特征几何元素定义层
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特征面数据结构示意图
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三、 特征建模技术的实现和发展
几何建模技术研究内容
主要研究课题：
现实世界中物体的描述方法 三维实体建模中的各种计算机内部表达模
式 发展一些关键算法 几何建模系统的某些重要应用
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2、特征建模的概念的提出
几何模型
信息无明显的功能、结构及工程含义，提 取、识别工程信息困难。
特征（Feature）
实体建模应用场合：
运动学分析 干涉检验 机器人编程 五坐标NC铣削过程模拟 空间技术
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三维实体模型计算机内部表示法
边界表示法（BRep）
把物体定义为封闭的边界表面围成的有限 空间，形体可通过边界来表示，面通过边、 边通过点、点通过三个坐标值来定义。
几何建模、特征建模、全生命周期建模
产品信息数据模型：
几何模型（二维、三维线框、曲面、实体）、特 征模型、集成产品模型、智能模型及生物模型等
建模方法的发展
几何建模 特征建模概念的提出
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1、几何建模的定义
几何建模方法
物体的描述和表达是建立在几何信息和拓 朴信息处理基础上的。
(1) 线性拉伸面 (2) 直纹面 (3) 旋转面 (4) 扫描面
曲面模型可以为其它应用场合继续提供数据：
有限元网格的划分、三坐标或五坐标NC编程、计 算和确定刀具运动轨迹
为反求工程（RE）的CAD建模提供基础。
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三次Bezier曲线及双三次曲面
形状特征分类；
制造方法：铸、锻、焊、机加工等特征 零件类型：轴盘类、板块类、箱体类等特征 设计过程：基特征、正特征和负特征、主特征和
辅助特征 复杂程度：简单特征、复合特征
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二、 特征的表示及数据结构
特征需表示的信息：
特征体素 特征造型中进行布尔运算的单元， 特征面及拓朴信息 建立特征之间关系及工程属
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构造立体几何法（CSC）
基本思想
通过基本体素及它们的集合运算进行表示， 即通过布尔模型生成二叉树结构表示
CSG法与BRep法的主要区别
CSG法计算机存储过程模型，强调各体素 进入拼合时的原始状态。
BRep法强调拼合后的结果。
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特征表达如下：
产品特征 ＝ 形状特征＋工程语义信息 语义信息：
静态信息: 描述特征形状、位置属性数据； 规则和方法: 确定特征功能和行为； 特征关系: 描述特征间相互约束关系
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2．形状特征的分类
特征分类标准：
每一类特征都是零件设计的基本功能单元，同时 其方法和制造手段基本上一致。
计算机辅助绘图、回转体零件数控编程
弱点：
零件的各个视图是相互独立产生的，无整体信息 模型，当一个视图改变时，其它视图不可能自动 改变。
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三维几何建模系统
三维建模类型：
线框建模、表面建模、实体建模
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三维几何建模技术
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几何建模系统分类
二维几何建模系统 三维几何建模系统
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二维几何建模系统
类型
边式：只描述轮廓边，通过不同类型轮廓边的相 互顺序实现绘图目的。
面式：将封闭轮廓边包围的范围定义成平面，作 为整体来处理。
适用范围：
描述信息，建立特征库，并将几何信息与非几何 信息描述在一个统一的模型中，设计时将特征库 中预定义的特征实例化。
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特征建模技术的特点
从设计角度
扩大了建模体素的集合，方便设计，为设 计高效率、标准化、系列化提供条件；
从加工角度
特征对应着一定的加工方法，简化CAPP 决策逻辑，同时可将加工方法与特征封装 实现了程序的结构化、模块化、柔性化。
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边界表示法的特点
边界表示法的优点在于含有较多的关于 面、边、点 及其相互关系的信息，可 通过人机交互对物体模型进行局部修改
有关物体生成原始信息，基本体定义， 如何拼合等无法提取
描述所需信息量较大，信息冗余。
面边的两次存储
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第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型
4.4 集成产品数据模型及数据交换接口
CAD/CAM资源共享需：
统一的产品数据模型定义体系 统一的产品数据交换标准 集成产品数据模型 产品数据交换接品的标准
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一、 集成产品数据模型
定义：
与产品有关的所有信息构成逻辑单元，包 括产品的生命周期内有关的全部信息，且 在结构上能清楚表达信息的关联。
不存在内外表面的区别，信息不完整，存 在多义性。不能自动进行可见性检验及消 隐。