特征建模cadcam

3.由毛坯可添加或减去材料用户定义特征 3.由毛坯可添加或减去材料用户定义特征(User Defined 由毛坯可添加或减去材料用户定义特征(User Feature) 。 •
精加工 _特征操作 (Feature Operation) 用于仿真精加 工过程 ∶
基于特征的建模过程可仿真零件的创建过程
3、部分原先未做定位处理的成性特征， 部分原先未做定位处理的成性特征，
定位尺寸s→ Expression →
表达式可以建立起模型中各尺寸之间的关系，实现尺寸变更时的联动。 表达式可以建立起模型中各尺寸之间的关系，实现尺寸变更时的联动。
参考特征
基准面 基准轴 基准坐标系 基准点
UG零件建模特征类型 UG零件建模特征类型
1、基准特征
2、体素特征
3、扫掠特征（用于草图特征后续操作） 扫掠特征（用于草图特征后续操作） 4、成型特征
5、细节特征
综 述∶特征建模= ∑ Feature (timestamp) 模拟加工过程 Model __模拟加工过程 •毛 坯 _毛坯取自成形特征(Form Feature) ∶ 毛坯取自成形特征(Form
UG NX
特征建模（1）
—— CAD/CAM ——
实体建模综述
UG软件是基于特征的实体造型软件。 基于特征” UG软件是基于特征的实体造型软件。“基于特征”的意思 软件是基于特征的实体造型软件 是指零件模型是由各种特征生成的，特征是零件建模的基础， 是指零件模型是由各种特征生成的，特征是零件建模的基础， 是组成零件的基本单元。换句话说： 是组成零件的基本单元。换句话说：零件模型的设计就是特征 的累积过程。 的累积过程。 Model = ∑ Feature (timestamp)

几何建模技术是CAD/CAM的核心技术，是实现 CAD/CAE/CAPP/CAM集成的基础。
第 四 章 C A D C A M 建 Xv Xw 模 技 术
11
20世纪60年代出现的三维CAD系统只是极为 简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统用 三维形体的顶点和棱边来表达基本的几何信息， 不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏 形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。 到了70年代，在线框模型的基础上增加了面 的信息，用面的集合来表示物体，而用环来定义 面的边界，能够满足面面求交、线面消隐、明暗 色彩图、数控加工等需要。这也即是表面模型， 后来又出现了曲面模型。但在该模型中，只有一 张张面的信息，物体究竟存在于表面的哪一侧， 并没有给出明确的定义，无法计算和分析物体的 整体性质，如物体的表面积、体积、重心、惯性
CAD/CAM技术
第 四 章 C A D C A M 建 模 技 术
矩等，也不能将这个物体作为一个整体去考察它 与其它物体相互关联的性质，如是否相交等。 70年代末，实体造型技术成熟并实用化。实 体模型是最高级的三维物体模型，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。 随着技术的发展，CAD/CAM系统开始向面向 产品的更广泛的集成，80年代末出现了特征建模技 术，参数化设计得到广泛应用，直到目前走向成 熟。现在又出现意义更加广泛的变量化设计技术。 总之，实体造型技术是当前几何造型的主流技术， 其发展正一步一步走向成熟。
CAD/CAM技术
第 四 章 C A D C A M 建 模 技 术
CAD/CAM技术
第 四 章 C A D C A M 建 模 技 术

第一章绪论1、什么是CAD、CAM、CAPP？什么是CAD/CAM集成？答：CAD (Computer Aided Design System)是指以计算机为辅助手段来完成整个产品的设计过程、分析和绘图等工作。

CAD的功能包括：概念设计、结构设计、装配设计、曲面设计、工程图样绘制、工程分析、真实感和渲染、产品数据接口。

CAM( Computer Aided Manufacturing System) 通过计算机与生产设备直接的或间接的联系，完成从生产准备到成品制造整个过程的活动。

狭义的CAM指NC数控程序编制，包括：刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成。

CAPP（Computer Aided Process Planning）借助计算机根据设计阶段的信息，人机交互的或自动完成产品加工方法的选择和工艺过程的设计，称为CAPP。

CAPP的功能包括：毛坯设计、加工方法选择、工艺路线制定、工序设计、刀夹量具设计等。

CAD产生的图纸直接被CAPP，CAM 以及以后的CIMS所利用，这就是CAD/CAM集成。

2、一般所说的CAD/CAM过程链主要包括哪些内容？答：CAD/CAM过程链是一个串行的过程链，在此过程链中包括从市场需求到产品整个的产品生产过程，具体包括：1）市场需求2）产品设计（任务规划、概念设计、结构设计、施工设计）3）工艺设计（毛坯设计、工艺路线设计、工序设计、刀夹量具设计）4）加工装配（NC编程、加工仿真、NC加工、检测、装配、调试）3、CAD/CAM集成方案有哪几种？答：1）通过专用数据接口实现集成2）利用标准格式接口文件实现集成3）基于统一产品模型和数据库4）基于产品数据管理（PDM）的系统集成4、CAD/CAM的发展趋势如何？答：1）CAD/CAM系统的集成化方向发展（CIM）2）并行工程3）智能化CAD/CAM系统4）虚拟产品开发5）网络化CAD/CAM第二章CAD/CAM系统的支撑环境1、CAD/CAM系统应具备哪些基本功能答：1）交互图形输入及输出功能。

的性质，其表面具有连通性、有界性、非自交性、可定向 性和闭合性等性质。
(4)边界确定性。 (5)维数一致性，即没有悬面和悬边。
实体模型在机械产品的设计和制造中得到了 广泛的应用，主要表现在四个方面:
• 首先，在设计中能随时显示零件形状，并能利用剖切来检查壁
的厚薄情况如何、孔是否相交等，能进行物体的物理特性(如
点分为端点、交点、切点、孤立点等。（一般不允许孤立点的存在。）
二维坐标系中的点可用(x,y)或［x(t),y(t)］表示; 三维空间中的点可用(x,y,z)或［x(t),y(t) , z(t)］来表示。 以此类推, N维空间中的点可用坐标(x1,，x2，x3，…，xn)或(x1(t),， x2(t)，x3(t)，…，xn(t))来表示。
有限面的并集。 为保证几何模型的可靠性和可加工性，要求形体上任 意一点的足够小的邻域在拓扑上应是一个等价的封闭 圆，即围绕该点的形体的邻域在二维空间中可构成一 个连通域。 满足这一定义的形体称为正则形体。 不满足上述要求，这类形体称为非正则形体。
(a)表面
(b)悬线
(c)一条边有 两个以上的 邻面
计算体积、面积、质心、惯性矩等的计算„简称物性计算)， 能栓查装配中的干涉，能进行运动机构的模拟，等等，这样就
使设计者能及时发现问题修改设计，从而提高设计质量;
• 其次，能产生二维工程图，包括零件图、装配图，还能进行工 艺规程设计等;
• 再次，制造中能利用生成的三维几何模型进行数控自动编程和
刀具轨迹的仿真，还能进行工艺规程设计等; • 最后，在机器人及柔性制造中已利用三维几何模型进行装配规 划、机器人视觉识别、机器人运动学及动力学的分析等
(c) 棱线表
线框模型的特点
线框建模的优点------ 所需信息最少，数据运算简单，所占

八叉树用于三维物体描述 八叉树最大优点是便于作出局 部修改及进行集合运算
计算机辅助设计与制造
空间单元表示法
算法比较简单，便于进行几何 运算及做出局部修改，常用来描 述比较复杂，尤其是内部有孔， 或具有凸凹等不规则表面的实体
要求有大量的存储空间，没有
关于点、线、面的概念，不能表 达一个物体两部分之间的关系
基本实体构造是定义和描述基本的 实体模型，包括体素法和扫描法。
计算机辅助设计与制造
体素法
用CAD系统内部构造的基本体素的实体信息（如长方体、 球、圆柱、圆环…）直接产生相应实体模型的方法
基本体素的实体信息包括基本体素 的几何参数（如长、宽、高、半径 等）及体素的基准点
计算机辅助设计与制造
扫描法
将平面内的封闭曲线沿某一路径“扫描”(平移、旋转、 放样等)形成实体模型 扫描法可形成较为复杂的实体模型
计算机辅助设计与制造
扫描变换法
扫描变换以沿着某种轨迹移 动点、曲线或曲面的概念为 基础，它要求定义移 动的形体和轨迹
形体可以是曲线、曲面或实体 轨迹应是可分析、可定义的
在扫描表示中，只要二维集合无二义性， 实体就不会有二义性
链接
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几何建模技术比较
线框
数据结构 工程图 剖面图 消隐 真实感图形 物性计算 干涉检查 有限元 计算机要求 内存 点和边 较好 不可能 不可能 不可能 有限制 不行 人机交互 低 1
• 曲面建模理论严谨复杂，所以建模系统使用较复杂，并需一 定的曲面建模的数学理论及应用方面的知识 • 此种建模虽然有了面的信息，但缺乏实体内部信息，所以有 时产生对实体二义性的理解。
计算机辅助设计与制造
4. 实体建模

利用空间单元表示圆环
第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型
特点
空间单元表示法要求有大量的存储空间， 同时它的算法比较简单，可作为物理特性 计算和有限元网格划分的基础。 空间单元表示法不能表达一个物体任意 两部分之间的关系，也没有关于点、线、 面的概念。
第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型
第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型
（3）实体建模
实体建模的优点 1. 可以提供实体完整的信息； 2. 可以实现对可见边的判断，具有消 隐的功能； 3. 能顺利实现剖切、有限元网格划分、 直到NC刀具轨迹的生成。
第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型
实体建模（Solid Modelling）技术是20世纪70年 代后期、80年代初期逐渐完善并推向市场的CAD建 模系统。已成为CAD/CAM技术发展的主流。 实体建模主要包括两部分内容:体素的定义及描 述和体素之间的布尔运算（交、并、差）。 实体建模是利用一些基本体素，如长方体、圆柱 体、球体、锥体、圆环体等通过集合运算（布尔运 算）生成复杂形体的一种建模技术。另一类是扫描 体素，又可分为平面轮廓扫描体素和整体扫描体素。
第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型
构造立体几何法(Constructive Solid Geometry)
• 构造立体几何法简称CSG法，是一种通 过布尔运算将简单的基本体素拼合成复 杂实体的描述方法。 • 存储的主要是物体的生成过程。
பைடு நூலகம்
第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型
通过附加体倒圆
第四章cadcam建模技术及产品数据模型形状特征根据制造方法不同分为铸锻焊机加工和注塑成型等特征按零件类型不同分为轴盘类内外圆柱体端面槽键槽螺纹齿形倒角等特征内外圆柱体端面槽键槽螺纹齿形倒角等特征板块类槽孔凹腔突起台阶过渡边等特征槽孔凹腔突起台阶过渡边等特征箱体类自由曲面类等特征基特征表示毛坯的初始形状形状特征的分类形状特征按其在设计过程中的作用分为按其在设计过程中的作用分为正特征负特征正特征负特征零件添加的形状如凸台筋板等

•如果在立方体上没有孔，则V=8、E=12、F=6、H=0、R=0。所 以8-12+6=2+0+0。 •如果在立方体上有一个孔，在孔的上下边分别设有一个节 点，,则V=10、E=15、F=7、H=1、R=2。所以10-15+7=2+2-2X1。 •如果在立方体上有一个孔，在孔的上下边分别设有两个节点， 则V=12、E=18、F=8、H=1、R=2。 所以12-18+8=2+2-2X1。


二维几何建模系统 三维几何建模系统
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。 计算机辅助绘图、回转体零件数控编程

适用范围：

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。

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
2、布尔运算 •两个或两个以上的体素经过集合运算得到 实体的表示——布尔模型（Boolean Model)
布尔运算实例
WZ WY WX
这个看似复杂的模型，实际上是一 个立方体与一个空心球体进行求交（ intersect）布尔操作的结果
3. 实体建模(Solid Modelling)

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。 基本体素及空间位臵及方向 平面轮廓扫描体 平扫体、旋转体 整体扫描 布尔运算：并、交、差 过程模型，可以二叉树结构表示

体素的定义及描述

CAD/CAM建模技术及其发展1所谓CAD/CAM建模就是把人们想象出来的几何实体以计算机能够理解的方式进行确切的描述，从而在计算机内部构造成所想的实体。

在CAD/CAM系统中，产品或零部件的设计思想和工程信息是以具有一定结构的数字化模型方式存储在计算机内部的，并经过适当转换提供给生产过程各个环节，从而构成统一的产品数据模型。

模型一般由数据、数据结构、算法三部分组成。

所以CAD/CAM建模技术就是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。

2产品建模的方法及其发展：我们比较常用的方法有几何建模和特征建模。

几何建模技术推动了CAD/CAM技术的发展，而随着信息技术的发展及计算机应用领域的不断扩大，对CAD/CAM 系统的要求越来越高，又由于现有的CAD系统只是建立在对已存在对象的几何特征及拓扑关系描述的基础上，这些信息没有明显的功能，结构和工程定义，所以就推动了特征建模的发展。

特征建模是CAD/CAM的新里程碑，它除了包含零件的几何拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何因素，它是更高层次上对几何形体上的凹腔，孔，槽等的集成描述3对几何建模和特征建模的简单描述：几何建模是目前市场上CAD/CAM系统用的最多的。

它是物体的描绘和表达建立在几何信息和拓扑信息处理的基础上的。

具体的讲，几何信息是指物体在空间的形状、尺寸及位置的描述。

几何信息包括有点、线、面、体的信息，但只用几何信息表示物体并不充分，常会出现物体表示的二义性。

拓扑信息：指构成物体的各个分量的数目及相互之间的连接关系。

因此拓扑关系允许三维实体随意地伸张扭曲、做弹性变形运动，但在三维实体上的不同点不可合并为一个点。

对于两个形状和大小不一样的实体的拓扑关系却可能是等价的，如立方体和圆柱体。

几何建模分为二维几何建模和三维几何建模，其中用得最多的当属三维几何建模，三维几何建模通常有线框建模，曲面建模，实体建模这三种。

环有内外之分，确定面的最大外边界的环称之为外环
，通常其边按逆时针方向排序。而把确定面中内孔或凸 台边界的环称之为内环，其边相对外环排序方向相反， 通常按顺时针方向排序。基于这种定义，在面上沿一个 环前进，其左侧总是在面内，右侧总是面外。
（5）体。体是三维几何元素，由封闭的表面围成的空间， 也是欧式空间R3中非空、有界的封闭子集，其边界是有限面的 并集。 为了保证几何造型的可靠性和可加工性，要求形体上任意一 点的足够小的邻域在拓扑上应是一个等价的封闭圆，即围绕该 点的形体邻域在二维空间中可构成一个单连通域。把满足这个 定义的形体称之为正则形体。如图6-1所示几个例子均不满足 上述要求，故称这类形体为非正则形体。
一组）空间参数曲线作扫描运动而产生的形体。 ③用代数半空间定义的物体，在此半空间中点集可定义 为：{(x,y,z)|f(x,y,z)≤0}，此处的f应是不可约多项式，多项 式系数可以是形状参数，半空间的定义法只适用正则形体
。
从上述定义中我们知道几何元素间有两种重要信息：其
一是几何信息，用以表示几何元素性质和度量关系，如位
二维空间中的点用二元组（x，y）或{x（t），y（t）} 表示 三维空间中的点用三元组（x，y，z）或{x（t），y （t） ，z（t）}表示。 N维空间中的点在齐次坐标系下用n+1维表示。 点是几何造型中最基本的元素，自由曲线、曲面或其它 形体均可用有序的点集表示。用计算机存储、管理、输出 形体的实质就是对点集及其连接关系的处理。
在自由曲线和曲面的描述中常用到三种类型的点： ①控制点：用来确定曲线和曲面的位臵和形状， 而相应的曲线和曲面不一定经过的点。 ②型值点：用来确定曲线和曲面的位臵和形状， 而相应的曲线和曲面一定经过的点。 ③插值点：为提高曲线和曲面的输出精度，在型 值点之间插入一系列的点。

几何建模过程
CAD/CAM技术
几何建模的基础知识 几何信息
几何信息是指物体在空间的形状、尺寸及位置的描述 几何信息包括点、线、面、体的信息
只用几何信息表示物体并不充分，常会出现物体表示的 二义性
五个顶点用两种不同方式连接，表达两种不同的理解
几何信息必须与拓扑信息同时给出
CAD/CAM技术
拓扑信息
构造立体几何表示法简称 CSG 法，用布尔运算将简单的 基本体素拼合成复杂实体的描 述方法，通过有序的二叉树记 录
CSG 表示法只说明了形体怎样 构造，没有指出新实体的顶点坐 标、边、面的任何具体信息，故 形体的CSG表示只是一种过程性表 示，或称为非计算模型
CSG树
－
U
CSG 法简洁，生成速度快，处理方 便，无冗余信息。 信息简单，数据结构无法存贮物体
• 边 一维几何元素，形体相邻面的交界 • 环 有序、有向边组成的封闭边界 外环的边按逆时针走向，内环的边按顺 时针走向 • 面 二维几何元素，是形体上的一个有 限、非零的单连通区域。面由一个外环 和若干内环包围而成，具有方向性，一 般用外法矢方向作为正方向
•
壳 构成一个完整实体的封闭边界，是形成封闭的单一连通空间的一组 面的结合。一个连通的物体有一个外壳和若干个内壳构成 • 体 三维几何元素，是由若干个面包围成的封闭空间。几何造型的最终 结果就是各种形式的体
四面体面表
表面号 F1
组成棱线 E1 E2 E3
面循环链表前 指针 0
面循环链表后 指针 F2
F2
F3 F4
E2
E3 E1
E5
E4 E4
E6
E6 E5
F1
F2 F3
F3

第5章特征造型与装配建模技术5.1 特征造型技术20世纪80年代CAD/CAM技术得到了长足发展。

从最初的二维绘图、线框模型、曲面模型，发展到实体模型，这些模型提供了三维形体的几何信息和拓扑信息，因此称之为产品的几何建模。

而产品的几何建模不足以提供产品整个生命周期中所需要的全部信息。

例如计算机辅助工艺过程规划（CAPP），不仅需要被加工零件的几何信息和拓扑信息，还需要提供加工过程中涉及的工艺信息。

为提高生产组织的集成化和自动化程度，促使CAD、CAE、CAPP和CAM进一步集成化，产品的几何模型必须向产品模型发展。

产品模型不仅包含产品的几何信息和拓扑信息，还包含产品的非几何信息，如材料的密度、质量信息，热处理方面的信息以及加工工艺信息等。

产品模型为后续的CAX提供了产品的完整的原始信息，是CAD、CAE、CAPP和CAM等过程的集成介质。

而特征建模技术的研究是建立产品模型的一个重要途径。

产品特征可分为形状特征、尺寸公差特征和技术特征等。

为使读者从概念上理解特征建模，在此主要讨论与实体造型有密切关系的形状特征。

5.1.1 形状特征的概念形状特征指的是反映产品零件几何形状特点的、可按一定原则加以分类的产品描述信息。

将特征引入几何造型系统的目的是增加几何实体的工程意义，为各种工程应用提供更丰富的信息。

从严格意义上讲，目前对形状特征还没有统一的定义，各种定义之间仍存在一定的差异。

在STEP标准中，形状特征是指符合一定原型，并与特定应用有关的几何形状，即形状特征同时包括参数化标准的几何形状信息和相应的应用领域的信息。

特征可用于设计、工艺规程、NC数据生成、检测等领域。

不同的领域对特征的理解也有所差异，如设计人员感兴趣的是使用形状特征进行设计，而制造人员感兴趣的是基于特征的制造，设计特征和制造特征并不存在着一一对应的关系，而是取决于其应用的领域。

5.1.2 特征建模过程特征建模是一个过程，是将构成零件的特征依次加到形体上，后续特征依附于前面的特征，前面特征的变化将影响后续特征的变化。