第5章 建模技术

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例如,在CAD系统中可以先画一个二维线框图,然后拉
伸成一个三维实体;
这种模型用于工厂或车间布局、管道铺设、运动机构的
模拟和干涉检查。
线框建模的缺点
线框模型结构简单,容易处理。但对零件的描述不完 整,使物体的形状可能出现多义性。 没有面的信息,不能区分零件表面的里边和外边,不能 解决平面相交、消隐、着色;对结构体的表面积、体 积、重量、惯性矩等的计算无法进行;
计算机辅助设计与制造
实体模型的表示方法
如何将三维实体在计算机内构造并表示出来,是 构造CAD系统时的一项首要任务。
常见的实体建模表示方法
扫描变换法 边界表示法 构造体素几何表示法 单元表示法
计算机辅助设计
扫描变换法(Sweeping Representation)
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
基本体素
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

Ⅳ Ⅴ Ⅵ
[8]、[7]、 [6]、[5]
[6]、[11]、[2]、10] [7]、[11]、[3]、12] [5]、[9]、 [1]、[10]
4
4 4 4
常见的曲面构造方法:
平面 可用三点定义一个平面。
线性拉伸面 成的曲面。 直纹面 一条直线的两个端点在两条空间曲线的对 将一条平面曲线沿一个方向移动而扫
第五章 建模技术
计算机辅助设计
学习内容

几何建模概述 特征建模技术
重点:各种建模方式基本原理和特点
计算机辅助设计
第一节
几何建模概述

对于现实世界中的物体,从人们的想象出发,到完成它的计算
机内部表示的这一过程称之为建模;建模技术将现实世界中的 产品及相关信息转换为计算机内部能够处理、存储和管理的数
字化表达方法。

现实存在的物体是三维的、连续的,而计算机内部是一维的、 离散的,所以计算机内部表示要解决采用什么数据模型来描述、 存储、表达现实世界的物体及相关属性;

建模是产品信息化的源头,为产品设计、分析、数控加工、干
涉检查、生产管理等提供有关产品的信息描述与表达方法,是
实现CAD/CAM的前提条件;


计算机辅助设计与制造
第二节
三维几何建模技术

根据描述方法及存储的几何信息、拓扑信息的不 同,三维几何建模系统可分为三种不同层次的建 模类型: 线框建模、表面建模、实体建模。
a)线框建模
b)表面建模 三种几何建模方法
c)实体建模
常用建模方法的比较与应用
几何建模中表示物体形态常用方法: 建模方式 线框建模 表面建模 实体建模 局限性 不能表示实体; 画二、三维线框图 图形会有二义性 艺术图形;形体表面显 不能表示实体 示; 数控加工 物性计算;有限元分析;只能产生正则实体; 用集合运算构造形体 抽象形体的层次较低 在实体建模基础上加入 对于简单的或典型的 实体的精度信息、材料 特征能识别,复杂的 信息、技术信息、动态 特征信息不能识别。 信息… 应用范围
Rapid Prototyping Graphics Analysis Doc. Manual Mfg. Suppliers
百度文库
Parts CMM Robotics DMU/Vis.
CAM
计算机辅助设计
几何建模基础知识: • • • • • • 几何信息 拓扑信息 非几何信息 形体的表示 正则集合运算 欧拉公式

曲线(Curve)

边(Edge)
点(Point) 顶点(Vertex)
顶点 边的端点,为两 条或两条以上边的交点。 顶点不能孤立存在于实 体内、实体外或面和边 的内部 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
计算机辅助设计与制造
特征建模
1. 线框建模
线框建模是计算机图形学和CAD 领域中最早用来表示形体的建模 方法。虽存在着很多不足而且有 逐步被表面模型和实体模型取代 的趋势,但它是表面模型和实体 模型的基础,并具有数据结构简 单的优点,故仍有应用意义
线框建模的概念 线框建模的特点

线框建模的概念
线框建模是利用基本线素来定义设计目标的棱线部 分而构成的立体框架图
应等参数点上移动形成的曲面。
回转面 平面线框图绕某一轴线旋转而构成的曲面。
扫成面


有三种构造方法
1 用一条剖面线沿一条导线平行移动而构成的曲面;
2 用两条剖面线和一条导线,使一条剖面线沿导线光滑 过渡到另一条剖面线所形成的曲面; 3 用一条剖面线沿两条给定的边界曲线移动,剖面线的 首末始终在两条边界曲线对应的等参数点上,剖面形状 保持相似的变化。

圆角面
等距面
即圆角过渡面,可以是等半径也可以变半径。
形状相同但尺寸不同 由空间一组离散点控制的曲面.
Bezier曲面和B样条曲面
表面建模的特点

表面建模能实现消隐、着色、表面积计算、二曲面求
交、数控刀具轨迹生成、有限元网格划分。但它缺乏
面、体间的拓补关系,无法区别面的里外,不能描述 零件的内部信息。
计算机辅助设计与制造
构造体素几何表示法(Constructive Solid Geometry)
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,通过有序的二叉树进行记录。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 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最终详细信息,如 边界、顶点的信息…
计算机辅助设计与制造
2. 表面建模
表面建模是通过对物体各个表面或曲面进行描述的一 种三维建模方法。建模时,先将复杂的外表面分解成 若干个组成面,这些组成面可以构成一个个基本的曲 面元素。然后通过这 些面素的拼接就构成 了所要的曲面。如图 就是一个曲面的拼接 过程。 在线框模型的基础 上增加了面的信息。
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表面建模的数据结构
表面建模是将物体分解为组成物体的表面、边、顶 点,用顶点、边、面的几何来表示和建立物体的计算机 内部模型。在表面建模中,数据结构由顶点表、棱线表、 表面表组成。
立方体的表面表
面号 Ⅰ Ⅱ 面上线号 [4]、[3]、 [2]、[1] [8]、[12]、[4]、[9] 线数 4 4

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
非几何信息指产品除描述实体几何、拓扑信息以外 的信息,包括零件的物理属性和工艺属性等,如零件的 质量、性能参数、公差、加工粗糙度和技术要求… 为满足CAD/CAPP/CAM集成的要求,非几何信息的描述 和表示越来越重要,是目前特征建模中特征分类的基础
形体的表示
形体在计算机内采用六层拓扑结构进行定义: 体(Object) 壳(Shell) 曲面(Surface) 面(Face) 环(Loop)

CAD/CAM建模技术包括几何建模和特征建模。
几何模型就是把三维实体的几何形状及其属性用合适的 数据结构进行描述和存储,供计算机进行信息转换与处理 的数据模型。
5
几何建模技术的发展
20世纪60年代 几何建模技术产生。初始阶段主要采 用线框结构,仅包含物体顶点和棱边的信息。线框建模 20世纪70年代 表面建模,增加面的信息。 20世纪70年代末 实体建模,包含完整的形体几何信息 和拓扑信息。 20世纪80年代 几何模型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。为满足设 计到制造各个环节的信息统一要求,推出了特征建模系 统; 目前,正在研究全新建模方式-行为特征建模,将CAE 技术与CAD建模融为一体,理性确定产品形状、结构、 材料等各种细节。

这种模型使用于描述如飞机、汽车、轮船等的一些外
表面,家用电器、轻工产品的工业造型设计,服装的 款式设计,自然景物模拟,地理资源的描述,以及科 学计算中的直观显示。
计算机辅助设计与制造
3.实体建模
实体建模技术是CAD/CAM中的主流建模方法。 实体建模是在计算机内部以实体的形式描述现实 世界的物体。 实体建模能够定义三维物体的内部结构形状,完 整地描述物体的所有几何信息和拓扑信息,包括物 体的体、面、边和顶点的信息。 实体模型已广泛应用于动力学分析、干涉检查、 机器人编程和五坐标数控铣削过程的模拟、空间技 术以及有限元方法的连接方面。
扫描变换两个分量: 1. 运动形体,称基体 2. 形体运动的路径
计算机辅助设计与制造
边界表示法(Boundary Representation)
边界表示法简称 B-Rep,边界表示法是以物体边界为基础 的定义和描述几何形体的方法。基本思想是:一个形体可 以通过它的边界表示,而每一个面又通过边,边通过点, 点通过三个坐标来定义。
F:{F} F F F F F
F:{V} V F
V
F:{E} E E F E
V
E
V
V:{F} F V F F
V:{V}
V
V:{E}
V
V
E
E V E
V E:{V1, V2} E:{F1, F2} V1 F1 E F2 E E3 V2 E:{E1, E2, E3, E4} E2 E
E1
E4
非几何信息
记录实体、面、边、 顶点等几何信息和连 接关系,计算机内部 按网状的数据结构进 行存贮
边界表示法的特点
边界表示法的优点是含有较多的几何元素信息及其相 互关系的信息,有利于图形显示和交互修改模型。
由于该法核心是面信息,对整体描述较弱,缺乏实体
的生成信息,实体是由哪些基本元素定义,如何进行 拼接的,这些信息无法表示,因此不便于设计。 边界表示法数据存储量大,用户难以直接构造,必须 具有方便的用户界面才能建立起实体的所有边界信息。
计算机辅助设计
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
几种常见的几何元素定义如下: 顶 直 平 点:V=(x,y,z) 线:(x-x0)/A=(y-y0)/B=(z-z0)/C 面:ax+by+cz+d=0 ax2+by2+cz2+dxy+exz+fyz+gx+hy+iz+j=0 曲面、NURBS曲面的参数方程表示。 几何信息作为形体几何的主要组成部分,可选择合适的数 据结构进行组织并存储在计算机内,以供CAD/CAM系统的处理 和转换。
几何建模 计算机辅助设计初期,人们普遍关心的是 产品外部结构,这些与零部件的尺寸、形状有关。用 计算机表示和构造形体的几何形状,建立计算机内部 模型的过程,其数据模型主要包括线框模型、表面模 型、实体模型。
特征建模
随着计算机辅助制造的深入,仅有几何形
状信息是不能满足CAD/CAM的要求的,还需将设计制造、管 理的信息集中管理,即特征建模。它面向整个产品设计过程 和生产制造过程,不仅包含了产品全生命期的信息,而且还 描述信息之间的关系。
二次曲面:
自由曲面: 可用Coons 曲面、 Bezier 曲面、B样条
拓扑信息
拓扑信息 各几何元素的数量及其相互之间连接关系 连接关系可能是相交、相邻、相切、垂直、平行等。
拓扑信息不同,即使几何信息相同,最终构造的 实体可能完全不同
九种拓扑关系
•顶点(Vertex)、边(Edge)、面(Face)。
线框建模生成的实体模型 由一系列的直线、圆弧、点 及自由曲线组成,描述产品 的轮廓外形
计算机辅助设计与制造
线框建模的数据结构
线框建模的数据结构是表结构 计算机内部存贮物体的顶点和棱线信息
线框建模的优点
线框模型结构简单,信息量少,容易处理; 方便地表示机械中各种投影图;
是建模的基础,成为CAD 系统中不可缺少的组成部分。

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