現代CAD基礎與應用第三章

1、機械類專業(yè)基礎核心課程主講主講: :劉子建劉子建 教授教授汽車樓汽車樓322322，8882308088823080，助教：周晉超等助教：周晉超等綜合實驗樓綜合實驗樓468468，8882172688821726 精品課程網站：精品課程網站：http:/ 課程中心網站：課程中心網站：http:/ 2022-4-20本章學習要求與學習方法本章學習要求與學習方法了解了解 CADCAD特征建模技術的基本概念和方法特征建模技術的基本概念和方法。第第3 3章章 CAD特征建模技術特征建模技術了解了解 CADCAD技術的發(fā)展前沿和發(fā)展趨勢技術的發(fā)展前沿和發(fā)展趨勢。學習要點：學習要點：理解工程需求、質疑現有

2、技術、思考理解工程需求、質疑現有技術、思考模型作用、關注研究方法、參與思想交流。模型作用、關注研究方法、參與思想交流。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述 CADCAD實體建模技術存在的不足實體建模技術存在的不足產品定義不完整。產品定義不完整。模型僅僅定義了產品的三維幾何形狀和模型僅僅定義了產品的三維幾何形狀和拓撲關系，許多其它重要信息如精度、材料、工藝、裝配拓撲關系，許多其它重要信息如精度、材料、工藝、裝配等都不包括在模型中；等都不包括在模型中； 數據的抽象層次低。數據的抽象層次低。實體（如體素等）主要是幾何概念，實體（如體素等）主要是幾何概念，設計制

3、造中的工程語義，如鍵槽、中心孔、加強筋等均不設計制造中的工程語義，如鍵槽、中心孔、加強筋等均不能直接表達；能直接表達； 支持產品設計、制造的程度不高。支持產品設計、制造的程度不高。模型技術只面向設計模型技術只面向設計的最終結果，不支持產品設計、分析和優(yōu)化的過程。的最終結果，不支持產品設計、分析和優(yōu)化的過程。 2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述特征建模技術的基本概念特征建模技術的基本概念 特征（特征（feature）是是客觀事物特點的表征客觀事物特點的表征, ,是是 具有具有特定語義特定語義的信息單元的信息單元； 特征建模特征建模具有工程語義的具有工程語

4、義的幾何模型建造技術幾何模型建造技術； 特征模型特征模型以特征為結構單元以特征為結構單元定義的定義的CADCAD模型模型；特征技術特征技術支持特征模型的支持特征模型的CADCAD軟件技術軟件技術。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述特征建模技術的特點特征建模技術的特點 是一種從工程語義出發(fā)構建產品三維是一種從工程語義出發(fā)構建產品三維CADCAD模型的模型的方法方法，能，能更好地更好地適用于產品結構設適用于產品結構設計計； 以抽象層次更高的工程語義元素作為以抽象層次更高的工程語義元素作為操作對象操作對象，如中心，如中心孔、鍵槽、加強筋等，可以明顯孔、鍵槽、

5、加強筋等，可以明顯提高結構設計建模效率提高結構設計建模效率； 與幾何造型技術相結合，將更多的產品設計意圖與幾何造型技術相結合，將更多的產品設計意圖以特征以特征作為載體作為載體，傳遞給產品生命周期的后續(xù)階段。，傳遞給產品生命周期的后續(xù)階段。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述特征的分類特征的分類 Pratt,Wilson的分類：顯式特征、隱式特征（的分類：顯式特征、隱式特征（P64） J.J.Shan分為形狀、精度、技術、材料、裝配五大特征分為形狀、精度、技術、材料、裝配五大特征 Lee等將特征分為：設計特征、制造特征等將特征分為：設計特征、制造特征 Lu

6、by等將特征分為：宏特征、微特征等將特征分為：宏特征、微特征 Hoffmann和和Joan Arinyo：基準特征、生成和修改特征：基準特征、生成和修改特征 Laakko和和Mantyla將特征分為：特征類、特征實例將特征分為：特征類、特征實例上述特征分類的特點是上述特征分類的特點是需求主導需求主導，各取所需各取所需。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述特征類與特征對象特征類與特征對象 借助于面向對象方法，將特征相互之間的關系描述為特征類借助于面向對象方法，將特征相互之間的關系描述為特征類和特征對象之間的關系。和特征對象之間的關系。 特征類特征類：具有相

7、同屬性的特征對象的集合稱為特征類；：具有相同屬性的特征對象的集合稱為特征類； 特征對象特征對象：特征類中的一個具體的特征實例。：特征類中的一個具體的特征實例。面向對象技術面向對象技術特征技術特征技術技術技術特特 性性封裝性：對象間邊界分明，封裝性：對象間邊界分明，互互 相不可見相不可見 繼承性：子承父類繼承性：子承父類多態(tài)性：對用戶同一操作響多態(tài)性：對用戶同一操作響應應 不一不一 獨立性：特征之間定義明確，獨立性：特征之間定義明確，互不干涉互不干涉層次性：特征之間有明確的層層次性：特征之間有明確的層次關系次關系明確性：對操作的響應明確明確性：對操作的響應明確設設 計計過過 程程發(fā)現對象、發(fā)現對

8、象間關系、發(fā)現對象、發(fā)現對象間關系、發(fā)現類發(fā)現類定義特征、分析特征間的關系、定義特征、分析特征間的關系、建立特征庫建立特征庫單元單元之間之間聯系聯系方式方式通過消息的傳遞達到對象間通過消息的傳遞達到對象間通訊的目的，返回的是對象通訊的目的，返回的是對象的狀態(tài)和屬性。的狀態(tài)和屬性。特征間通過用戶的操作發(fā)生聯特征間通過用戶的操作發(fā)生聯系，主要的是幾何拓撲關系，系，主要的是幾何拓撲關系，返回的是特征結合在一起產生返回的是特征結合在一起產生的整體特征。的整體特征。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述特征之間的關系與特征模型特征之間的關系與特征模型零件層 零件特征

9、信息模型技術模型形狀模型管理模型材料模型精度模型特征層幾何與拓樸結構幾何層ISTISTISTISTREFREFREFREFREF幾種主要關系：幾種主要關系： AIO(An instance of) 邏輯聯系邏輯聯系關系關系CONT(Connect to) 位置鄰接位置鄰接關系關系REF(Reference) 屬性引用屬性引用關系關系IST(Is subordinated to) 結構從屬結構從屬關系關系2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述特征的三種表示方法特征的三種表示方法 基于基于B-rep的表示方法的表示方法適用于適用于特征識別和修改特征識別和修改

10、基于基于CSG的的表示方法表示方法適用于適用于特征建模和設計特征建模和設計 實際中常用實際中常用基于基于B-rep和和CSG的的混合表示方法混合表示方法2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述兩種主要的特征建模方法兩種主要的特征建模方法 方法一：方法一：特征識別特征識別先建立實體模型，用程序自動識別并提取特征，先建立實體模型，用程序自動識別并提取特征，再生成特征模型。再生成特征模型。特征的特征的不完整識別：不完整識別：凸殼算法、單元分解法、幾何凸殼算法、單元分解法、幾何 推理法等；推理法等； 特征的特征的完整識別：完整識別：將幾何模型與預先定義好的特征類將幾

11、何模型與預先定義好的特征類進行比較，確定相匹配的實體，定義為特征模型。進行比較，確定相匹配的實體，定義為特征模型。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述特征建模的兩種主要方法特征建模的兩種主要方法 方法二：方法二：基于特征的設計基于特征的設計直接用特征來定義零件的結構，生成特征模型。直接用特征來定義零件的結構，生成特征模型。參看教材參看教材P67P67包括基于包括基于特征分割特征分割的建模技術，基于的建模技術，基于特征合成特征合成的建模技術的建模技術等。等。 在實際應用中經常使用基于特征的設計和特征識別相在實際應用中經常使用基于特征的設計和特征識別相結合的

12、結合的綜合建模方法綜合建模方法。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述特征樹特征樹 特征樹可以反映通過基本特征構造零件的過程特征樹可以反映通過基本特征構造零件的過程通過特征樹，可以遞歸地將零件分解為多個基本通過特征樹，可以遞歸地將零件分解為多個基本特征，然后在設計中創(chuàng)建這些基本特征，最后按分特征，然后在設計中創(chuàng)建這些基本特征，最后按分解的路徑組合成設計的零件。解的路徑組合成設計的零件。2022-4-20第3章 CAD特征建模特征建模技術技術第1節(jié) 特征技術概述特征技術的局限性特征技術的局限性 引入工程語義的目的是服務于零件的結構設計，引入工程語義的目的是服

13、務于零件的結構設計，本質上本質上屬于屬于CAD幾何建模技術范疇幾何建模技術范疇； 特征是附加于幾何結構上的一種解釋，在提高特征是附加于幾何結構上的一種解釋，在提高結構數據抽象的同時，產生了大量的結構數據抽象的同時，產生了大量的信息冗余信息冗余； 特征技術無法解決產品全設計流程的特征技術無法解決產品全設計流程的過程支持過程支持以及產品以及產品數據集成、重用數據集成、重用等關鍵問題。等關鍵問題。幾何建模為中心的幾何建模為中心的CADCAD技術存在如下弊端：技術存在如下弊端： 1、用、用分散、異構分散、異構的模式和軟件系統(tǒng)解決的模式和軟件系統(tǒng)解決一致性一致性要求高的產品設計問題；要求高的產品設計問題

14、； 2、用、用功能調用功能調用的方法解決的方法解決信息集成信息集成問題，使用效率低，可信性差；問題，使用效率低，可信性差； 3、產品設計知識、數據、過程和結果的、產品設計知識、數據、過程和結果的重用性重用性差，難以被差，難以被繼承和管理繼承和管理。造型設計造型設計曲面模型曲面模型結構設計結構設計碰撞安全設計碰撞安全設計力學性能設計力學性能設計ALIASUG,PRO/EUG,PRO/EADAMS,ANSYSDYNA,RADIOSS成形工藝與模具設計成形工藝與模具設計AUTOFORM,UG曲面加工設計曲面加工設計MASTERCAM,UG樣車制造樣車制造物理實驗物理實驗2022-4-20解決上述問題

15、必須回答的幾個問題：解決上述問題必須回答的幾個問題：如何認識如何認識CAD模型的本質模型的本質？制造業(yè)信息化制造業(yè)信息化需要需要什么樣的什么樣的（CAD）模型模型？如何如何驗證和評價驗證和評價CAD模型和建模技術的優(yōu)劣？模型和建模技術的優(yōu)劣？如何理解如何理解大型應用軟件系統(tǒng)的本質屬性大型應用軟件系統(tǒng)的本質屬性？這一領域的研究與這一領域的研究與諾貝爾獲獎成果諾貝爾獲獎成果有關嗎？有關嗎？分析宏觀、中觀、微觀三個需求問題分析宏觀、中觀、微觀三個需求問題2022-4-20先進制造技術先進制造技術對對CADCAD建模的建模的技術需求技術需求集成性：集成性：覆蓋產品的全生命周期覆蓋產品的全生命周期 產品

16、規(guī)劃產品規(guī)劃設計設計制造制造使用使用維護維護報廢報廢回收回收一致性：一致性：支持產品研發(fā)全過程支持產品研發(fā)全過程 設計設計-CAD，分析，分析-CAE，工藝，工藝-CAPP，虛擬樣機，虛擬樣機-VP等等 制造制造-CAM，測量，測量-CAT，質量控制，質量控制-CAQ，裝配，裝配-DFA等等統(tǒng)一性：統(tǒng)一性：用于企業(yè)管理用于企業(yè)管理 產品數據管理產品數據管理PDM 產品生命周期管理產品生命周期管理 PLM 生產、物流、銷售等管理生產、物流、銷售等管理 企業(yè)資源計劃企業(yè)資源計劃ERP先進制造技術中，產品先進制造技術中，產品CADCAD模型模型既是設計、制造的對象，也是生產既是設計、制造的對象，也是

17、生產過程的數據來源，更是產品信息最過程的數據來源，更是產品信息最直接的載體和企業(yè)管理的依據。目直接的載體和企業(yè)管理的依據。目前的前的CADCAD技術還遠遠不能滿足先進技術還遠遠不能滿足先進制造對建模技術的全方位需求。制造對建模技術的全方位需求。2022-4-20 產品模型產品模型可視可控可視可控（幾何信息、模型的控制與表達等）；（幾何信息、模型的控制與表達等）； 產品的產品的材料性能材料性能（材料種類、比重、模量等）；（材料種類、比重、模量等）； 零件零件精度設計精度設計（尺寸公差、形位公差、粗糙度等）；（尺寸公差、形位公差、粗糙度等）； 零部件零部件功能需求功能需求（運動副、自由度、結合面、

18、運動軌跡、（運動副、自由度、結合面、運動軌跡、動力學性能、誤差控制與補償、可靠性等）；動力學性能、誤差控制與補償、可靠性等）； 零部件零部件工況定義工況定義（載荷、沖擊、各種相互作用等）；（載荷、沖擊、各種相互作用等）； 零部件零部件工藝規(guī)劃工藝規(guī)劃（加工方法、工序、切削用量等）；（加工方法、工序、切削用量等）； 產品產品管理需求管理需求（BOM表、庫存、運輸、銷售、維護等）表、庫存、運輸、銷售、維護等） 目前的目前的CADCAD模型只能提供幾何拓撲的數據和控制功能，模型只能提供幾何拓撲的數據和控制功能， 不能滿足不能滿足數據完備性數據完備性的需求。的需求。機械機械產品研發(fā)產品研發(fā)對對CADC

19、AD模型的模型的數據需求數據需求2022-4-20人的創(chuàng)造性人的創(chuàng)造性對對CADCAD建模技術的建模技術的操作需求操作需求模型可感知性：模型可感知性：可視、可觸、可聽、可聞可視、可觸、可聽、可聞模型可控制性：模型可控制性：可操作、可變換、可復制、可保存可操作、可變換、可復制、可保存模型信息跟隨性：模型信息跟隨性：設計數據與可感知模型融為一體，是信設計數據與可感知模型融為一體，是信息動態(tài)完備的統(tǒng)一產品信息模型息動態(tài)完備的統(tǒng)一產品信息模型模型信息配送性：模型信息配送性：為產品設計提供引導、配送信息、處理為產品設計提供引導、配送信息、處理操作、驅動流程操作、驅動流程模型可迭代性：模型可迭代性：產品模

20、型是數據完備可以迭代求精的單元，產品模型是數據完備可以迭代求精的單元，支持新型的面向模型（支持新型的面向模型（O-M，Oriented Model）的優(yōu)化設）的優(yōu)化設計技術計技術模型智能性：模型智能性：模型在產品研發(fā)流程中可以自我生長與進化模型在產品研發(fā)流程中可以自我生長與進化 研究前沿：產品信息模型和全設計流程一致性研究研究前沿：產品信息模型和全設計流程一致性研究 攻克新型攻克新型CAD建模理論和技術的難題刻不容緩！建模理論和技術的難題刻不容緩！ 新型建模理論和技術是新型建模理論和技術是流程一致性研究的基礎流程一致性研究的基礎 符合信息一致性原理的新型產品建模理論和技術，是全設計流程一符合信息一致性原理的新型產品建模理論和技術，是全設計流程一致性研究的基礎。全設計流程一致性是大型設計軟件系統(tǒng)可信性的致性研究的基礎。全設計流程一致性是大型設計軟件系統(tǒng)可信性的重要組成部分。建立全設計流