《机械CAD/CAM》 机械CAD/CAM》 第六章
三 维 线 框 造 型
3D Wire Frame
几何造型系统
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由物体上的点、直线和曲线组成，表示的是物体的棱 边。 线框模型在计算机内部是以边表和点表表达和存储 的，实际物体是边表和点表相应的三维映象。
张 宇
Email: zhangyu@https://www.doczj.com/doc/4d4516452.html,
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张宇
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三 维 线 框 造 型
3D Wire Frame
P3 e2 e7 e1 e10 e9 P7 P2 e6 e3 e4 P1 e11 e5 e12 P5 P8 e8 P4
三维实体造型技术
60年代初，提出实体造型的概念。 60年代初，提出实体造型的概念。 70年代初，出现了简单的具有一定实用性的基于实体 70年代初，出现了简单的具有一定实用性的基于实体 造型的CAD/CAM系统，实体造型在理论研究方面也 造型的CAD/CAM系统，实体造型在理论研究方面也 相应取得了发展。 70年代后期，实体造型技术在理论、算法和应用方面 70年代后期，实体造型技术在理论、算法和应用方面 逐渐成熟。 进入80年代后，不断推出实用的实体造型系统，并在 进入80年代后，不断推出实用的实体造型系统，并在 各工程技术领域得到广泛的应用。 各工程技术领域得到广泛的应用。
线框模型的存储
顶点
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8
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X
Y
Z
P6
棱边 顶
e1 e2 e3 e4 e5 e6 P1 P2 P3 P4 P1 P2
点 棱边 顶
P2 P3 P4 P5 P5 P6
张宇
点
P7 P8 P6 P7 P8 P8
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e7 e8 e9 e10 e11 e12
P3 P4 P5 P6 P7 P5
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实体造型的基本原理
实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体 等多种基本体素（Primitives）为单位元素，通过集合 等多种基本体素（Primitives） 运算（拼合或布尔运算），生成所需要的几何形体。 实体造型包括两部分内容： 体素的定义和描述 体素之间的布尔运算（交、并、差） 布尔运算是构造复杂实体的有效工具。
布尔运算的过程模型
y z
D= (A∪ B)-C (A∪ B)2011-3-15 机电工程学院CIMS应用研究中心 张宇 5 2011-3-15 机电工程学院CIMS应用研究中心 张宇
x
6
1
三维模型的布尔运算
? Boolean Operation
(A∪ B)-C B)-
三维几何造型的基本体素
基本体素（Primitives）： 基本体素（Primitives）： 方体（Block） 方体（Block） 圆柱体（Cylinder） 圆柱体（Cylinder） 球体（Sphere） 球体（Sphere） 圆锥体（Cone） 圆锥体（Cone）
C
Block
Cylinder
A∪ B
A
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B
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Sphere
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Cone
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关联特征的造型
关联特征（Associative Feature）： 关联特征（ Feature） 特征的的存在依赖于它所依附的实体表面； 特征除了具有其自身的特征参数（Parameters）外， 特征除了具有其自身的特征参数（Parameters） 还具有与所依附实体的定位参数（Position）。 还具有与所依附实体的定位参数（Position）。
Hole Boss Pocket Groove
常用的实体造型表示方法
边界表示法（B-rep） 边界表示法（B rep） Boundary-representation Boundary构造实体几何法（CSG） 构造实体几何法（CSG） Constructed Solid Geometry 扫描表示法（Sweep） 扫描表示法（Sweep）
Slot
Pad
八叉树表示法
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边界表示法（B-rep）
边界表示法B-rep（Boundary-representation）： 边界表示法B rep（ Boundary- representation）： 以物体边界为基础，定义和描述几何形体，给出物 体完整、显式的边界描述。 边界表示法B-rep的原理是： 边界表示法B rep的原理是： 每个物体都是由有限个面构成。 每个面（平面或曲面）由有限条边围成的有限个封 闭域定义。 有效表面的条件： 封闭、有向、不自交、有限和相连接，并能区分实 体边界内、边界内和边界上的点。
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扫描表示法（Sweep）
Sweep Solid Sweep Vector
Y Z X
Distance
Base Curve
Sweep along a vector
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扫描表示法（Sweep）
Sweep Sheet
扫描表示法（Sweep）
Rotate Orientation Rotate Axes
Base Curve
Y Z X Y
Base Curve Sweep Solid Guide Curve
Z X
Sweep along a curve
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Revolve round a axes
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三维模型的八叉树表示法
三维模型的八叉树表示法
全空 全满 半空
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三维模型的表达
要完整地表达三维模型，需要两方面的信息描述： 几何信息（Geometric information）：形体各部分 几何信息（Geometric information）：形体各部分 的几何形状和空间位置 拓扑信息（Topologic information ）：形体各部分 拓扑信息（Topologic ）：形体各部分 的相互连接关系。
三维实体造型的目的
完整、全面地表达产品或零件的结构等设计信息。 全面评价产品或零件的外观造型设计。 为后续各种CAX技术（CAPP、CAE、CAM、CAT等） 为后续各种CAX技术（CAPP、CAE、 CAM、 CAT等） 的应用提供完整的产品或零件基础信息。
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参数化设计技术
参数化设计（Parametric Design）一般指设计对象的 参数化设计（Parametric Design） 结构比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系。参 数与设计对象的尺寸有明显的对应关系，设计结果的 修改受到尺寸的驱动。 变量化设计（Variation Design）是指设计对象的修改 变量化设计（Variation Design） 需要更大的自由度，通过求解一组约束方程组来确定 产品的尺寸和形状。 Parametric Technology公司的Pro/Engineering是最早 Technology公司的Pro/Engineering是最早 采用参数化、变量化设计思想的CAD/CAM系统。目 采用参数化、变量化设计思想的CAD/CAM系统。目 前各种商品化CAD/CAM系统已广泛应用参数化和变 前各种商品化CAD/CAM系统已广泛应用参数化和变 量化技术，如I-DEAS、Unigraphics、CATIA等。 量化技术，如I DEAS、 Unigraphics、 CATIA等。 参数化设计是特征应用的一个重要前提。
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参数化设计技术
参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、约 束求解以及参数化几何模型的构造。 它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相 关、尺寸驱动设计修改。 约束（Constraint）指利用一些法则或限制条件来 约束（Constraint） 规定构成实体的元素之间的关系，约束的种类可分 为三种：数值约束、几何约束、代数约束； 全数据相关，指整个系统建立在统一的数据库上， 具有完整而统一的模型，能将整个设计至生产过程 集成在一起； 尺寸驱动指参数与设计对象的控制尺寸有显式对应 关系，设计结果的修改受尺寸驱动。
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参数化设计技术的要求
能够检查出约束条件的不一致性（过约束和欠约束）。 算法稳定可靠。当给定一组约束和物体的拓扑描述后能够解出存 在的一个解，并可根据需要给出所有可行解。 求解速度快，响应及时。 在构造物体的过程中允许修改约束，且修改的效果应与先期的约 束设定次序无关。 约束类型广泛，且容易增加新的约束类型。 通用于二维和三维。 能处理常规CAD数据库中的模型，必要时允许人工干预。 能处理常规CAD数据库中的模型，必要时允许人工干预。
三维造型中的布尔操作
Unite
Boolean Operation Unite Subtract Intersect
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三维造型中的布尔操作
Subtract
三维造型中的布尔操作
Intersct
或
Boolean Operation Unite Subtract Intersect
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Boolean Operation Unite Subtract Intersect
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三维实体特征造型
Feature Modeling
特征：产品描述的信息的集合，并可按一定的规则分 类。 特征造型：实体+特征 特征造型：实体+ 使创建的几何实体具有工程意义，并可局部修改其 尺寸和位置。 常用的特征信息： 形状特征：与公称几何相关的概念。 精度特征：可接受公称形状和大小的偏移量。 技术特征：性能参数。 材料特征：材料、热处理和条件等。 装配特征：零件相关方向、相互作用面和配合关系。
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三维实体特征造型的特点
特征造型着眼于更好地表达产品的完整的技术和生产 管理信息，为建立产品的集成信息服务。 使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操 作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要 素。特征的引用体现了设计意图。 有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验 各环节的联系为开发基于统一产品信息模型的 CAD/CAPP/CAM集成系统创造前提。 CAD/CAPP/CAM集成系统创造前提。
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张宇
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三维实体特征信息的提取
直接使用特征进行设计。 从现有的几何模型提供的数据中提取特征。
50
三维实体特征造型
Feature Modeling
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孔特征与之关联的面
10 R20 30
R10
阶梯孔特征
120° 120°
? 孔的结构尺寸（Parameters） 孔的结构尺寸（Parameters） ? 孔的位置尺寸（Positioning Dimension） 孔的位置尺寸（Positioning Dimension）
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三维实体特征造型
Feature Modeling
Sweep Solid f e c d a b
on cti ire D eep Sw z
三维实体特征造型
安装用沉头孔
Base Curve
x y
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筋板
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三维实体特征造型
用于增加强 度的覆板
实例：发动机连杆造型设计
草图的使用 拉伸实体的生成 关联特征 特征的分析 实体模型的布尔运算
用于安装定 位的凸缘
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实例：发动机连杆造型设计
实例：发动机连杆造型设计
拉伸（Extrude） 拉伸（Extrude） 草图（Sketch） 草图（Sketch）
增加约束(Constraints): 增加约束(Constraints): ?尺寸约束 ?尺寸约束 ?几何约束 ?几何约束
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剖面
增加其他特征
机电工程学院CIMS应用研究中心 张宇 33 2011-3-15 机电工程学院CIMS应用研究中心 张宇 34
主模型（Master Model）技术 主模型（Master Model）
虚拟装配 虚拟装配 Assembly Assembly 各种仿真 各种仿真 Simulation Simulation
虚拟装配的设计方法
自下而上的设计（Bottom-up） 自下而上的设计（ Bottom- up） 将已设计好的现有零件一个一个安装成装配体的设 计过程，是最常见的构造装配体的方法。 自上而下的设计（Top-down） 自上而下的设计（Top-down） 从装配体的设计方案出发，设计人员从零开始分头 设计零件，直至最后完成装配体的设计过程。 设计是从一个概念化的设计目标出发，分头进行的。
二维绘图 二维绘图 Drafting Drafting
三维模型 三维模型 Master Model Master Model
机构运动分析 机构运动分析 Mechanism Mechanism Analysis Analysis
有限元分析 有限元分析 FEM Analysis FEM Analysis
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数控加工编程 数控加工编程 Manufacturing Manufacturing
张宇 35 2011-3-15 机电工程学院CIMS应用研究中心 张宇 36
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装配、子装配和部件的关系
Assembly Component 1 Component 1 used in assembly used in assembly Component 2 Component 2 used in assembly used in assembly Sub-assembly Sub-assembly used in assembly used in assembly Sub-assembly Component Part 3 Component Part 3 Component Part 4 Component Part 4
基于主模型技术的虚拟装配
Component Part 2 （Master Geometry） Component Part 1 （Master Geometry）
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Component Part 3 （Master Geometry） Component Part 4 （Master Geometry）
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零 件 装 配 模 型
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装 配 爆 炸 图
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虚拟装配的装配关系
零件的装配过程（Assembling Process） 零件的装配过程（Assembling Process） 确定装配体中各组成零件相互连接关系的过程。 装配关系（Mating Relationship） 装配关系（Mating Relationship） 组成装配体的零件之间的连接关系。
虚拟装配中的装配关系
固定关系 一般由系统自动赋予调入装配环境的第一个零件， 即用于装配的基体。 贴合关系 不同零件的两个面相向共面（贴合在一起）。 面对齐关系 两个零件的表面同向共面。 轴对齐关系 两个回转体的轴线重合。
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虚拟装配中的装配关系
插入关系 可分解为轴对齐关系和面贴合关系，特别适用于螺 栓和螺纹孔、螺母和螺栓的装配。 连接关系 可以定义点对点、点对线和点对面的连接。 如关节轴承的装配（球心重合）。 角度关系 使两个零件的两个面或两条边保持一定角度。 相切关系 定义圆柱面与平面或圆柱面之间的相切关系，如圆 柱面与V型块之间的装配。 柱面与V
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实例：阀的虚拟装配
以Solidedge CAD系统为平台，基于三维实体造型技术 CAD系统为平台，基于三维实体造型技术 进行阀的虚拟装配。
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实例：球阀的虚拟装配
5.压盖 5.压盖 3.阀芯 3.阀芯 4.端盖 4.端盖 7.转动杆 7.转动杆
实例：球阀的虚拟装配
4.端盖 4.端盖 3.阀芯 3.阀芯 2.阀杆 2.阀杆 1.阀体 1.阀体
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6.固定螺栓 6.固定螺栓
张宇
9.压紧螺母 9.压紧螺母
8.手柄 8.手柄
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实例：阀虚拟装配干涉检查
基于主模型技术的虚拟装配
某发动机配气机构装配爆炸图
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柴油发动机的虚拟大装配
大型复杂装配
装配零部件2914个； 装配零部件2914个； 零部件模型来自不同CAD 零部件模型来自不同CAD 系统（JT格式）； 系统（JT格式）； 零部件涉及很多曲面。 零部件涉及很多曲面。
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大型复杂装配
大型复杂装配
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大型复杂装配
复杂零件的三维设计与造型
铁路机械用油缸体
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复杂零件的三维设计与造型
复杂零件的三维设计与造型
铁路机械用差动外油缸体 铁路机械用复杂箱体
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复杂零件的三维设计与造型
复杂零件的三维设计与造型
铁路机械用叉形油缸体 铁路机械用溜板箱体
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复杂零件的三维设计与造型
复杂零件的三维设计与造型
铁路机械用单耳内油缸体
铁路机械用变速箱下箱体
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复杂零件的三维设计与造型
烟机接受鼓轮
铁路机械用变速箱上箱体
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烟机送烟鼓轮
烟机分烟轮和加速轮
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烟机风阀
烟机钢筋架
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烟机包装机六角轮
卷烟机旋转槽轮
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康巴斯包装机烟盒
烟机抬纸凸轮
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阳台 工人 房 厨房 卧室 卧室
昆明理工大学莲华校区 新建商品房 D型户（138m2） 型户（138m
商品房房屋布局模型
电梯间
餐厅
储藏室
卫生 间 卫生 间
更衣 间 客厅
书房
卧室
阳台
昆明理工大学莲华校区 新建商品房 D型户（138m2） 型户（138m
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商品房房屋布局模型
昆明理工大学莲华校区 新建商品房 D型户（138m2） 型户（138m
商品房房屋布局模型
昆明理工大学莲华校区 新建商品房 D型户（138m2） 型户（138m
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