模具CAD与CAM第五章 建模技术2

5.4.1 特征技术
◆ 特征建模定义 ◆ 特征的图例 特征建模是一种建立 在实体建模的基础上， 利用特征的概念面向 整个产品设计和生产 制造过程进行设计的 建模方法，它不仅包 含与生产有关的信息， 而且还能描述这些信 图5-13 特征的图例及约束关系 息之间的关系。
5.4.2 特征分类
由于特征反映了具体的工程语义信息，因而对 于不同的产品、不同的应用（如设计、分析、 加工、检测、装配等）和不同的生产工艺（如 切削加工、铸造、冲压、锻造、注塑等）都会 有不同的特征表现形式。因此，对它进行一定 的分类是必要的。
5.4.2 特征分类
◆几何形状特征（Form Feature） 几何形状特征（ Feature） 几何形状特征 形状特征表示产品的几何信息、拓扑信息。形 状特征通过参数描述，都在产品中实现各自的 功能，并对应各自的加工方法、加工设备和刀 具、量具、辅具。 数据结构是以实体建模中B-Reps法为基础，数 据结点包括特征类型、序号、尺寸及公差等。 通常它包含两个层次，一个是低层次的点、线、 面、环组成的B-Reps法结构，另一个是高层次 的由特征信息组成的结构。
图5-10 同一物体的第一种CSG结构
5.3.2 构造实体几何法（CSG）
◆优点 优点
方法简洁，生成速度快，处理方便，无冗余信息，而且 能够详细地记录构成实体的原始特征参数，甚至在必要 时可修改体素参数或附加体素进行重新拼合。
◆局限性
由于信息简单，这种数据结构无法存贮物体最终的详细 信息，例如边界、顶点的信息等。 现在CAD系统都是用CSG/B-Reps混合起来表示的。 两者表示优缺点比较见表5－1。 表
CSG/B-reps混合表示法（ CSG/B-reps混合表示法（Hybird Model） 混合表示法 ）
混合模式是在CSG基础上的逻辑扩展，起主导作用 的是CSG结构，B-Reps的存在，减少了中间环节中 的数学计算量，可以完整的表达物体的几何、拓 扑信息，便于构造产品模型。
5.4 特征建模简介
5.4.1 特征技术 5.4.2 特征分类 5.4.3 特征建模系统及功能特点
5.4 特征建模简介
特征建模（ Modeling） 特征建模（Feature Modeling）
1.几何模型的缺陷 1.几何模型的缺陷 只是物体几何数据及拓扑关系的描述，无明显的 功能、结构和工程含义。 缺少面向生产过程的信息特征，使信息传递、资 源共享和CIMS的实现较为困难，于是特征建模技 术应运而生。
5.4.3 特征建模系统及功能特点
◆ 精度和材料特征模型 精度模型用来表达零件的精度信息，包括尺寸 公差、形状公差、位置公差、表面粗糙度。材 料特征包括材料的种类、性能、热处理要求等。 特征建模除了实体建模中已有的几何、拓扑信 息之外，还要包含特征信息、精度信息、材料 信息、技术要求和其它有关信息。除静态信息 之外，还应当支持设计、制造过程中的动态信 息。
5.4.3 特征建模系统及功能特点
◆ 特点
特征建模技术使产品的设计工作不停留在底层的几何信 息基础上，而是依据产品的功能要素，产品设计工作在 更高的层次上展开，特征的引用直接体现设计意图。 特征建模技术可以建立在二维或三维平台上，同时针对 某些专业应用领域的需要，建立特征库就可实现特征建 模技术，快速生成需要的形体。 特征建模技术有利于推动行业内的产品设计和工艺方法 的标准化、系列化、规范化，使得产品在设计时就考虑 加工、制造要求，有利于降低产品的成本。
5.3.1 边界表示法（B-Reps）
◆ 数据结构
边界表示法的数据 结构是网状的数据 结构。如右图所示 的物体，将其按照 实体、面、边、顶 点描述，在计算机 内部按网状的数据 结构进行存贮。
图5－9 四棱锥的边界表示
5.3.1 边界表示法（B-Reps）
◆ 优点
有较多的关于面、边、点及其相互关系的信息。 有利于生成和绘制线框图、投影图，有利于计算几 何特性，易于同二维绘图软件衔接和同曲面建模软 件相关联。
5.4.2 特征分类
◆ 加工特征（Machine Feature） 加工特征（ Feature） 又称为工艺特征或制造特征，表示工艺能力、约束 与加工参数等。 ◆ 有限元(分析)特征(Finite-element Feature) 有限元(分析)特征(Finite (Finite用来表示与有限元分析相关的信息，包括节点、单 元和边界条件。 ◆ 精度特征（Precision Feature） 精度特征（ Feature） 精度特征用来表达零件的尺寸公差、形状公差、位 置公差、表面粗糙度。
5.3 实体建模中的形体表示模型及数据结构
5.3.1 边界表示法 5.3.2 构造实体实体建模中的形体表示模型及数据结构
与表面建模不同，三维实体建模在计算机内 部存贮的信息不是简单的边线或顶点的信息， 而是准确、完整、统一地记录了生成物体的 各个方面的数据。 常见的实体建模表示方法有：边界表示法、 边界表示法、 边界表示法 构造实体几何法、混合表示法。 构造实体几何法、混合表示法。
5.4.3 特征建模系统及功能特点
1．特征建模系统 特征建模通常由形状特征模型、精度特征模型、 形状特征模型、 形状特征模型 精度特征模型、 材料特征模型组成，而形状特征模型是特征建 材料特征模型 模的核心和基础。 特征建模系统的框架如下图5-14所示：
图5-14 特征建模系统的框架
5.4.3 特征建模系统及功能特点
5.4.1 特征技术
◆ 特征定义 特征是产品上经常出现的，具有一定的语义信 孔 息，能实现特定功能的一组几何实体如孔、槽、 凸台、倒角等及其相关信息的集合，它能用 凸台、倒角等及其相关信息 于设计、制造、检测、分析等目的。 特征是构造零件的最基本的单元要素，它既反 映零件的几何信息，同时又反映零件的加工工 艺特征信息。为系统的集成提供了条件。
5.2.3 实体建模 Solid Modelling
◆ 体素法生成实体 下图所示是采用体素法，从定义基本体素到生成实体模 型的全过程，通过定义4个基本体素，经过三次集合运 算，完成三维实体的建模。
5.2.3 实体建模 Solid Modelling
5.2.3 实体建模 Solid Modelling
1．特征建模系统 ◆ 形状特征模型 形状特征模型主要包括几何信息、拓扑信息。 形状特征通过参数描述，都在产品中实现各自 的功能，并对应各自的加工方法、加工设备和 刀具、量具、辅具。 数据结构是以实体建模中B-Reps法为基础， 数据结点包括特征类型、序号、尺寸及公差等。 通常它包含两个层次，一个是低层次的点、线、 面、环组成的B-Reps法结构，另一个是高层次 的由特征信息组成的结构。
5.2.3 实体建模 Solid Modelling
线框建模、表面建模、实体建模的比较：
5.2.4 特征建模 Feature Modelling
几何建模技术推动了CAD/CAM技术的发展，但几何 模型只是物体几何数据及拓扑关系的描述，无明显 无明显 工艺信息、结构和工程含义，因而促进了特征建 的工艺信息、结构和工程含义 模技术的发展。 在建模技术中，特征的概念源于对零件几何要素的 归纳，以零部件的设计自动化为目的，将产品的零 部件设计中常用的几何体的几何定义为特征；进一 步的发展使得特征技术着眼于从制造领域着手，将 特征与工艺过程设计、数控加工自动编程相结合， 从而提出了面向制造的设计(DFM)概念。
◆ 局限性
由于它的核心信息是面，因而对几何物体的整体描 述能力相对较差，无法提供关于实体生成过程的信 息，也无法记录组成几何体的基本体素的元素的原 始数据，同时描述物体所需信息量较多，边界表达 法的表达形式不唯一。
5.3.2 构造实体几何法（CSG）
◆ 定义 Construct Solid Geometry
5.2.3 实体建模 Solid Modelling
◆ 扫描体素法 定义 利用基体的变形操作实现表面形状较为复杂的物体的建 模方法称为扫描法，扫描法又分为平面轮廓扫描和整体 扫描两种方法。 基本原理 用曲线、曲面或形体沿某一路径运动后生成2D或3D的 物体。扫描变换需要两个分量，一是给出一个运动形体， 称为基体；另一个是指定形体运动的路径。
5.2.3 实体建模 Solid Modelling
1）平面轮廓扫描法 ） 这种方法的基本设想是由任一平面轮廓在空间平移一个 距离或绕一固定的轴旋转就会扫描出一个实体。
5.2.3 实体建模 Solid Modelling
2）整体扫描法 ） 三维实体扫描法就是首先定义一个三维实体作为扫描基 体，让此基体在空间运动，运动可以是沿某一方向移动， 也可以是绕某一轴线转动，或绕某一点摆动，如图所示。 。
5.4.3 特征建模系统及功能特点
2．特征建模功能特点 ◆功能 1. 预定义特征，建立特征库； 2. 特征库的智能化应用，实现基于特征的零件设计； 3. 为特征附加注释，并为用户例举参考特征； 4. 支持用户定义特征以及管理、操作特征库； 5. 特征消隐、移动； 6. 零件设计中，跟踪和提取有关几何属性。
5.4.2 特征分类
按产品定义数据的性质可分为如下几大类： 几何形状特征（Form Feature） ◆几何形状特征 加工特征（Machine Feature） ◆加工特征 有限元(分析)特征（Finite-element Feature） ◆有限元(分析)特征 精度特征（Precision Feature） ◆精度特征 材料特征（Material Feature） ◆材料特征
5.4.2 特征分类
◆材料特征（Material Feature） 材料特征（ Feature） 材料特征 材料特征用来表达材料的种类、性能、热处理 和表面处理要求等。 特征建模除了实体建模中已有的几何、拓扑信 息之外，还要包含特征信息、精度信息、材料 信息、技术要求和其它有关信息。除静态信息 之外，还应当支持设计、制造过程中的动态信 息。
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。 用二叉树表示物体的构成，其中叶节点表示体素， 内节点表示布尔运算符。