产品造型与设计II 向辉 山东大学软件学院 工程硕士－2003年秋季

本讲内容 形体的定义 形体表示形式 特征造型技术 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

造型发展的几个阶段 线框模型 曲面模型 实体造型 特征造型 参数化 变量设计 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

线框模型 Wire frame 基本思想 立方体 用三维空间的线条表达模型的棱边 12 边lines 8 顶点vertices 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

线框模型 二维绘图系统的自然扩展 可以产生任意视图，并保证正确的投影关系 工程图绘制 比二维绘图系统大大前进了一步 增加了Z坐标 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

线框模型－讨论 问题 当前应用 二义性 只能以线框的形式加以显示 很多模型属性无法计算 实体造型系统中的辅助手段 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

曲面模型 Surface Model 基本思想 采用空间的曲面来表示物体的外表面 计算机辅助设计技术－产品造型与设计 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

曲面模型－讨论 优势 问题 应用 能够以线框、消隐、真实感绘制等方式显示设计模型，具有很好的显示特性 在图形仿真等领域仍然被广泛采用 诸如体积、重心等几何特性不易表达 应用 实体造型系统中采用曲面模型技术协助完成复杂实体表面的造型 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

实体模型 Solid Model 显示类型丰富 能够表示形体的各种几何、拓扑信息 现代设计系统中的主要表达形式 进一步分析的基础 区分模型与模型的显示方式 能够表示形体的各种几何、拓扑信息 现代设计系统中的主要表达形式 进一步分析的基础 有限元分析等 机械设计自动化（MDA）的基础 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

三维模型的转化 相应的产品信息表达层次不断提高 不同模型在需要的情况下可以进行转化 逆向转化困难 实体模型曲面模型 曲面模型线框模型 包含的产品信息量 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

三维数字化产品建模 工程设计的重要环节 早期以几何建模为主 完整产品信息模型 产品信息模型包括 产品整个生命周期中各个过程所需要的信息，如设计过程、工艺规划、加工过程等 产品数据的集合＋各类数据的表达方式以及相互间的关系 产品信息模型包括 零件模型底层的几何拓扑信息 产品的加工和非加工特征信息, 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

几何造型系统产品信息模型不足 产品数据不完备 数据的抽象层次低 只涉及产品的几何形状数据 而反映设计意图和工艺要求的信息没有表达 如公差、粗糙度、材料、热处理等 难以满足产品数据交换和信息集成的需要 数据的抽象层次低 只用低层次的几何、拓扑信息来表达零件信息 不能提供高层次的概念实体 不利于工程设计的数据表达 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

几何造型系统产品信息模型不足 Shah & Mäntylä, 1995 Microscopic Data most engineering tasks deal with macroscopic entities (e.g., holes, slots)，not microscopic data (e.g., edges, faces, curves) Lack of Design Intent this makes it difficult to edit geometry (not knowing what it is there for.) Single Level Structure there is only one level of detail: ALL the detail! Tedious Construction 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

基于特征的零件信息建模技术 采用具有工程意义的特征作为基本构造单元 使整个信息模型具有丰富的语义 并提供高层次的产品信息, 完整、全面地描述产品信息模型 是现代CAD系统普遍采用的技术 特征建模既继承了几何建模的优点 又弥补了其存在的种种缺陷 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征建模与几何建模 相互联系 特征向下细分需要几何建模提供产品的几何形状信息 向上则反映工程语义的高层次信息 几何建模提供了面向几何的产品信息的表现形式 特征建模提供了连接工程知识和几何信息的工具 特征向下细分需要几何建模提供产品的几何形状信息 向上则反映工程语义的高层次信息 基于特征造型的产品设计方法是随着 CAD/CAM一体化要求而产生的，是建立在实体造型方法基础之上，更适合于计算机集成制造系统的产品设计方法 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征建模的信息模型 着重表达产品的完整技术和生产管理信息 不单纯注重产品几何描述问题 保留各功能形素的原始定义和相互依赖关系 避免设计和制造信息不连贯 特征造型用统一产品模型替代传统设计中的成套图纸和技术文档，使产品设计和生产准备各环节得以并行展开 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征建模的形体要求 基准特征 引入非流形和非规则集合 扩展欧拉操作范围 基准点、中心线、局部坐标系 配合面、支撑面、定位面和基准面等 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征建模的操作对象 操作对象是产品的功能形素 需要采用局部操作和尺寸驱动技术 使用新的数据结构和新的特征组合算法 如螺纹孔、定位孔、键槽和凸台等 不再是实体造型采用的原始的线条和体素 需要采用局部操作和尺寸驱动技术 使用新的数据结构和新的特征组合算法 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征建模与设计意图 特征的引用直接体现了设计意图 推动产品设计与工艺设计规范化 产品模型易于理解 节省产品设计时间 加强了产品设计与后续部门如分析、工艺准备、加工、检验各部门的联系 及时进行反馈 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征的定义 Feature  Factura “making，formation” 描述产品信息的集合 不同行业、不同条件下定义差别很大 不断发展的一个概念 特征是有一定拓扑关系的一组实体体素构成的特定型体，它还包括附加在型体之上的工程信息，对应于零件上的一个或多个功能，能够被固定的方法加工成型 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征的定义 Shah et al., 1988 A Features represents the engineering meaning or significance of the geometry of a part or assembly. 特点 physical constituent of a part. mappable to a generic shape. has engineering significance. has predictable properties. 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征的分类 形状特征－Form Feature 装配特征－Assembly Feature 精度特征－Precision Feature 材料特征－Material Feature 分析特征－Analysis Feature 补充特征－Additional Feature 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

形状特征－Form Feature 描述某一个具有一定工程意义的几何形状信息 主特征 辅特征 其他非几何信息的载体 非几何信息作为属性或约束附加状于形状特征 主特征 构造零件的主要形状结构 辅特征 对主特征的局部进行修饰 正特征、负特征、修饰特征 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

装配特征－Assembly Feature 用于表达零件的装配关系以及装配过程中所需的信息 模型替代、包封、边界盒 装配过程中生成的形状特征：如配钻等 与形状特征合称为造型特征 实际构造产品外型的特征 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

面向过程的特征 精度特征 材料特征 用于描述几何形状和尺寸的许可变动量或误差 尺寸公差、形状公差、表面粗糙度等 描述材料的类型与性能以及材料处理等信息 机械物理化学等特性及热处理方式与条件等 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

面向过程的特征 分析特征、技术特征 补充特征、管理特征 用于表达零件在性能分析时所使用的信息 有限元网格划分 表达与以上无关的一些产品信息 描述零件设计的编码等管理信息 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

形状特征－几何形状 过渡 面域 变形 通道 凹陷 凸起 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

形状特征－几何形状 通道 凹陷 凸起 与已存在形状特征在两端处的被减体 与已存在形状特征交与一端的被减体 与已存在形状特征交与一端的被加体 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

形状特征－几何形状 过渡 面域 变形 相交部分的平滑过渡区域 定义已存在形状面上的二维要素 折弯等变形操作 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征表示 显示与隐式 总体表示形式 特征标识 特征名 位置与方向 几何要素 轮廓线 主参数 计算机辅助设计技术－产品造型与设计 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征形成规则 形状特征 局部生成特征 全局定位特征 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

局部生成特征 抽象的特征隐式表示方法 规定了某一特征的具体生成方法 包括 拉伸规则 过渡规则 形变规则 组合规则 复合规则 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

局部生成特征 拉伸规则 过渡规则 特征的局部形状通过空间一轮廓线沿空间一曲线扫描而成 分为线性拉伸、环形拉伸、广义拉伸与形变因子拉伸 为了实现两个面的光滑连接形成的形状 包括面过渡、边过渡、顶点过渡 光滑过渡、平面过渡 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

局部生成特征 形变规则 组合规则 复合规则 反映形体局部形变而形成的特有局部形状 弯曲、扭曲 同一特征按一定组合关系多处出现在原有形体的表面 线性组合、阵列组合、环形组合 复合规则 不同特征按一定复合关系组成高层复杂形状 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

全局规则 用于确定特征的局部形状在整个形体中的相对位置 组合通过局部规则生成的孤立局部形状 过渡规则与形变规则 拉伸规则 通过需要过渡的体素以及发生形变的区域来定位 拉伸规则 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

全局规则－拉伸规则定位 拉伸体正负规则 边界融合规则 特征生成后新形体相对于原形体体积是否增加和减少 拉伸体端面与原形体的融合条件 自由融合：拉伸结束后简单粘合 合并融合：继续作形体延伸 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

全局规则－拉伸规则定位 拉伸终止 规定拉伸终止条件 内定终止规则 外定终止规则 由用户规定拉伸度量，如孔的长度 通过规定于原形体有关的条件来确定拉伸的终止条件 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

Two Ways of Using Features (Shah & Mäntylä, 1995) 1. Geometry from Features (GfF) e.g., for Part Design 2. Features from Geometry (FfG) e.g., for Manufacturing Planning 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

使用特征的两种途径 Shah & Mäntylä, 1995 Geometry from Features (GfF) e.g., for Part Design Features from Geometry (FfG) e.g., for Manufacturing Planning 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

使用特征的两种途径 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征互作用问题 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征互作用问题 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

特征识别 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

典型系统－Pro/E 特征树 基特征（Base） 所有零件（part）都是特征的集合 记录组成零件的所有特征的类型及其相互关系 最早建立的特征，其余均为子特征 可以是主特征和基准特征 区分主、辅特征以及基特征与子特征 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

典型系统－Pro/E 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

典型系统－Pro/E 基本关系 邻接关系 父子关系 依附于共同的父特征 存在依附关系 删除父特征同时删除子特征 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

典型系统－Pro/E 基准特征，虚体特征 几何特性分类 Datum 虚平面 虚轴线 虚点 虚线 坐标系 计算机辅助设计技术－产品造型与设计 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

扫描特征 原理：点动成线、线动成面、面动成体 所有系统中主要的造型方法之一 直线扫描：extrude 回转扫描：revolve 路径扫描：sweep 混合扫描：blend 薄壁扫描：thin：壁厚参数 安装复杂程度，尽可能使用简单的扫描方式 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计

辅特征 槽：slot 切削：cut 孔：hole 轴：Shaft 倒角:Chamfer 倒圆角:Round 颈:Neck 法兰:Flange 筋：Ribs 2019年2月15日星期五 计算机辅助设计技术－产品造型与设计