数字化设计与制造 第二章 产品数字化建模

《数字化设计与制造 第二章 产品数字化建模》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字化设计与制造 第二章 产品数字化建模（44页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、数字化设计与制造 第二章 产品数字化建模数字化设计与制造第二章 产品数字化建模内容提纲第一节 产品模型的描述与表示 第二节 数字样机第三节 产品建模的基本方法第四节 产品模型的显示第五节 产品模型数据的交换 第一节 产品模型的描述与表示 产品数字化模型是产品信息的载体，包含了产品功能信息、性能信息、结构信息、零件几何信息、装配信息、工艺和加工信息等。 信息的表现形式主要以几何信息和非几何信息为主。 产品模型不是一个单一模型，而是一组有相互关系、反映不同阶段操作的模型组。 设计过程的零件模型为主模型，其他模型均以主模型为基础，在此基础上进行新模型的构建。 第一节 产品模型的描述与表示 一、产品设

2、计阶段的模型描述与表示 概念设计结构设计分析仿真几何设计产品设计阶段第一节 产品模型的描述与表示 1概念设计阶段的模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 在产品概念设计阶段，主要从功能需求分析出发，初步提出产品的设计方案，此时并不涉及产品的精确形状和几何参数设计。概念设计模型包括产品的方案构图、创新设计等。 在这一阶段，概念设计主要依赖于设计者的设计知识、经验，突出创新性思维。方案设计的结果主要以技术报告、方案图、草图等形式给出。 第一节 产品模型的描述与表示 2零件几何模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 几何模型是产品详细设计的核心，是将概要设计进行细化的关键内容，是所有后续工作的基础，

3、也是最适合计算机表示的产品模型。产品几何模型确定了零部件的基本形状、材料、精确尺寸和加工方法。几何模型用二维或者三维模型表示。几何模型包含了零件的几何信息和非几何信息。概念第一节 产品模型的描述与表示 2零件几何模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 几何模型的非几何信息以属性表示。属性信息的定义以文本说明，并具有一定的结构，一般应至少包含BOM中（物料清单）所需的详细内容。常见的明细表和标题栏所需的信息都应当属于属性定义的范畴。常用的有产品代号、名称、材料、加工方法、设计者、零件说明、零件类型等。 非几何信息第一节 产品模型的描述与表示 2零件几何模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 零件

4、几何模型是详细设计阶段产生的信息模型，是其他各阶段设计的信息载体，通常作为主模型。所谓主模型是指以该模型为唯一数据源，其他模型以它为基础，派生出其他各种模型。派生的过程实现了模型的演变。如二维图形是主模型的直接投影，数控加工编程是在主模型基础上进行的刀具轨迹计算，有限元分析是在主模型基础上经过前置处理的简化和转换模型，以便进行有限元求解。 主模型第一节 产品模型的描述与表示 3产品仿真模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 产品功能与性能仿真一般不能直接在详细设计阶段产生的零件几何模型上进行，必须进行一定的转换或者处理，建立符合仿真分析的模型。几何模型是分析模型的数据源，分析的结果反过来还会影

5、响到几何模型的修改。产品仿真模型表达了仿真分析阶段的信息，对产品性能进行校验，阶段成果包括图形、表格、数据、文本说明等各种形式。第一节 产品模型的描述与表示 4产品装配模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 在装配模型中需要表示产品的结构关系、装配的物料清单、装配的约束关系、面向实际装配的顺序和路径规划等。结构关系一般用产品结构树表示；详细的非几何信息用属性表示；装配约束关系(包含面贴合、面对齐、角度定位等)由CAD系统提供的工具建立；装配顺序规划和路径规划则是建立规划模型。 第一节 产品模型的描述与表示 4产品装配模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 (1)装配结构树：装配结构模型反映产品

6、的总体结构，初始设计可以不涉及具体的几何信息，而仅仅表示产品的功能结构、层次结构以及设计的关键参数。装配体子装配体1零件1子装配体2零件2零件3零件4子装配体3零件5零件6第一节 产品模型的描述与表示 4产品装配模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 零件一旦进入装配结构，就与装配结构之间形成了引用关系。当一个产品初始设计时，可以不涉及它的几何模型而仅仅建立结构树，每个叶子节点中包含的几何信息可能为空，在逐步细化和设计的过程中零件的详细几何设计才进行，这种方法称为自顶向下的设计。自顶向下的设计同时符合PDM管理下的设计方法，直接在PDM下设计产品结构，并通过设计软件进行详细几何和装配设计。 自

7、顶向下的设计第一节 产品模型的描述与表示 4产品装配模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 产品结构模型除了提供结构层次外，还提供基本设计参数和设计基准。例如一辆汽车的设计需要几百或上千个参数定义，而实际在结构设计时只需要确定关键的几个甚至几十个参数。由这些参数建立汽车的总体架构，当这些参数改变时，汽车的总体架构随之改变。第一节 产品模型的描述与表示 4产品装配模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 第一节 产品模型的描述与表示 4产品装配模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 (2)属性信息表：属性信息用来表示产品的非几何信息，例如，产品名称、规格、零件材料、加工方法、重量、模型设计者等。其

8、中的一些信息可以作为物料信息表BOM，一般可以通过定义零件几何模型的属性完成，并利用一定的工具形成表格。这里的BOM一般称为工程BOM(Engineering BOM,EBOM)或设计BOM，它与制造BOM(Manufacturing BOM，MBOM)形成BOM链；EBOM>MBOM。各BOM之间需要进行映射或转换。第一节 产品模型的描述与表示 4产品装配模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 (3)装配约束模型：装配约束模型包括装配特征描述、装配关系描述、装配操作描述以及装配约束参数。装配特征定义零件的装配几何特征；装配关系定义装配特征之间的约束关系；装配操作定义装配约束的步骤；装配

9、参数定义装配约束的转换矩阵元素。 第一节 产品模型的描述与表示 4产品装配模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 (4)装配规划模型：装配规划模型用于装配顺序规划和路径规划。装配顺序规划给出一个实际可行的各零件装配顺序；路径规划者给出零件装配的可行路径，并对装配设计进行分析和评价。 第一节 产品模型的描述与表示 4产品装配模型 一、产品设计阶段的模型描述与表示 产品装配模型的作用 (1)装配结构的层次模型可以支持并行装配，从而提高装配效率。 (2)快速了解装配体的基本构成，定制产品的结构，实现面向客户化的产品配置。 (3)构造装配BOM。产品结构树为BOM表的生成提供了基本数据来源。 (4)是

10、产品预装配规划的信息来源，按照这些信息进行装配顺序规划。第一节 产品模型的描述与表示 工艺信息模型为CAPP提供基本信息，涉及工艺过程，数据繁杂、种类多。不同企业的工艺信息模型差别很大，具有不同的模型结构和内容。根据零件加工要求和尺寸、粗糙度、公差、基准、加工方法等信息，建立工艺信息模型。这些基本模型信息构成了编制工艺规划的基础数据。工艺设计的数据源来自于详细设计阶段产生的几何模型、装配模型，在此基础上，还需要设备资源、工装资源等来实现工序的编制。 二、产品制造阶段的模型描述与表示 1工艺信息模型 第一节 产品模型的描述与表示 工装设计包括刀具、夹具、模具、量具的设计以及产品零件在制造过程中的

11、不断演化产生的中间状态模型。在工装设计过程中，依据零件在加工过程中的变化，需要建立相应的模型以及模型之间的关系。工装模型包含了两大部分：工装设备模型：刀具、夹具、模具、量具的设计和制造模型。 产品过程模型：零件在制造过程演变的模型。包括几何形状和其他相关的工艺信息。 二、产品制造阶段的模型描述与表示 2工装模型 第一节 产品模型的描述与表示 数控加工模型是指数控加工涉及的模型和产生的相应NC程序。一个复杂零件的数控加工程序生成，按照加工方法，有数控车、数控铣等加工；按照工艺要求，有粗加工、精加工、清根等各种操作；程序内部还蕴含了工艺信息和加工方法，如粗糙度、公差选择、加工方式、加工路线、刀具等

12、。程序最后计算得出加工刀具轨迹，并经过后置处理产生机床代码。这些信息构成了加工模型。复杂产品的上述各种信息模型是非常庞大的，相关关系也非常复杂，通常在PDM平台上进行统一管理，在数字化定义中进行定义。 二、产品制造阶段的模型描述与表示 3数控加工模型 内容提纲第一节 产品模型的描述与表示 第二节 数字样机第三节 产品建模的基本方法第四节 产品模型的显示第五节 产品模型数据的交换 第二节 数字样机 一、物理样机与数字样机 物理样机 在复杂产品研制中，常使用各种模型来表达设计和制造中的产品信息。以航空产品为例，飞机设计初期为了验证飞机空气动力性能就需要制作飞机的风洞试验模型。这种用物质材料制作的产

13、品模型一般称为物理模型(或物理样机、实物样机)，它通常需要花费较大的制作成本和较长的制作时间，其功能是提供与实际物体1：l的模型进行功能或性能的试验。第二节 数字样机 一、物理样机与数字样机 数字样机 数字样机(Digital MockUp，DMU)的概念目前还没有统一的定义，它是相对于物理样机在计算机上表达的产品数字化模型。在计算机上与样机相关的产品数字化模型的名称有数字样机、电子样机、虚拟样机等，这些都是直接利用了模型的表达形式(电子化、数字化、虚拟模型)而得出的。第二节 数字样机 在CAD领域，虚拟样机的概念实际上是数字样机的含义，即利用计算机建立产品的三维几何模型，经过建立约束关系的装

14、配模型、功能和性能仿真，部分代替物理样机的试验，使得产品在真正生产之前，产品的性能大部分已通过了计算机模拟或验证，从而减少产品设计的返工、出错率，减少实际的试验成本。同时可及早发现物理样机在制造和装配中可能出现的问题。由于产品模型完全是电子化的模型，有时又称这类样机为“电子样机”。 一、物理样机与数字样机 数字样机与虚拟样机 第二节 数字样机 一、物理样机与数字样机 数字样机与虚拟样机 第二节 数字样机 在虚拟现实领域，虚拟样机(Virtual Prototype，VP)作为虚拟现实在CAD领域的典型应用，指的是在虚拟现实环境下模拟产品的设计、制造、装配等过程，使得设计者有如亲临现场，特别是在

15、虚拟装配方面，能够真实地模拟装配过程，及时发现装配中的问题。以数字样机为基础的虚拟样机大部分是以计算机和CAD技术、仿真技术实现其功能，并不过分强调设计、装配环境的真实模拟；而虚拟现实环境下的虚拟样机则更强调虚拟的真实环境，具有现场沉浸感。 一、物理样机与数字样机 数字样机与虚拟样机 第二节 数字样机 一、物理样机与数字样机 数字样机与虚拟样机 虚拟手术中的场景显示虚拟病人脑组织剖面的放大显示第二节 数字样机 一、物理样机与数字样机 数字样机与虚拟样机 汽车虚拟装配第二节 数字样机 二、数字样机的主要内容 1数字样机中的几何模型 数字样机中的几何模型能够清晰表达产品的外观形状和产品的装配结构，

16、一般按照结构分为装配、组件和零件等层次，结构可以用产品结构树表达，零组件之间的相互关系由装配约束条件确定，可以对产品模型进行干涉检查和简单的运动分析，以及产品的重量计算和其他物理性能计算。 第二节 数字样机 二、数字样机的主要内容 1数字样机中的几何模型 零件级的几何模型不仅含有零件的几何形状，它还作为设计过程后续的模型数据来源和信息载体。零件的几何模型体现了“主模型”的思想，其他专用模型(装配、制图、加工、分析)作为下游应用模型。当“主模型”发生变化时，所有的下游模型应保持同步更新，同时保持数据源的唯一性。第二节 数字样机 二、数字样机的主要内容 2数字样机中的性能分析 建立数字样机的目的是

17、希望以仿真分析模型代替或减少实际物理模型的试验。仿真分析一般是对样机的某些性能进行仿真，例如用有限元分析对结构和强度进行验证，用运动机构分析飞机起落架的运动，检验其是否符合运动要求，以及是否出现动态干涉和锁死现象。又例如汽车碰撞仿真，在物理的汽车碰撞试验中，需要配备汽车物理样机、虚拟人和大量的传感器，并进行真实的撞击试验，获得试验数据并加以改进。采用计算机仿真技术，可以建立汽车的碰撞模型，通过计算机分析碰撞的结果来改进设计。 第二节 数字样机 三、数字样机的特点 (1)数字样机用数学方法和数据结构描述产品，所以 成本低，建模周期短，可重用性好。 (2)对于一种产品可方便地建立满足不同需求的多种

18、 计算机模型，便于产品的优化设计和改型设计。 (3)数字样机可以方便而快速地完成各种工程分析所需的计算工作，并加速产品的工艺规划等后续工作的进行。 第二节 数字样机 三、数字样机的特点 (4)数字样机可以方便地模拟产品的各种运动状态，甚至达到动态仿真的程度。想要用物理模型来实现上述效果往往需要付出很大代价。对于某些特殊的研究对象，物理模型很难甚至无法实现模拟和动态仿真。 (5)数字样机原则上不受尺寸大小的限制，可方便地对它实施比例变换。 (6)数字样机便于人们观察它的内部(内腔)，而物理模型很难做到这一点。内容提纲第一节 产品模型的描述与表示 第二节 数字样机第三节 产品建模的基本方法第四节

19、产品模型的显示第五节 产品模型数据的交换 第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 三维几何建模是数字样机的核心技术，它为数字样机的形状表达提供建模工具和方法。三维几何建模技术以CAD技术为代表，目前已相当成熟，但其内容仍在不断外延。参数化特征建模是目前最常用的几何建模方法，它采用面向工程实际应用的特征设计方法，零件具备可修改性的参数化功能。第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 几何建模指在计算机上描述和构造对象的方法，其构造的模型表达类型分为：线框模型、表面模型、实体模型。1几何模型类型 第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 线框模型是一种具有简单数据结构的三维模型

20、，在三维模型中按照一定的拓扑关系将点和棱边有序连接起来。在计算机内描述一个三维线框模型必须给出两类信息：顶点表存储模型中各顶点的三维坐标；边表存储模型中的各棱边，由指针指向各棱边的顶点。1几何模型类型 (1)线框模型第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 1几何模型类型 (1)线框模型例. 立方体的线框模型及其计算机表示 提供了定义形体的点、线的几何信息，以及点与边之间连接关系的拓扑信息。第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 优点：描述方法简单，所需数据信息量少，显示速度快，特别适合于特别适用于设计构思、建立 设计图的总体空间位置关系及图形的动态交互显示。 利用投影变换，从三

21、维线框模型可方便地生成各种正投影图、轴测图和任意观察方向的透视投影图。1几何模型类型 (1)线框模型第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 1几何模型类型 (1)线框模型中间打孔的长方体缺点：(i) 没有面信息，不能进行消隐处理；(ii)模型在显示时理解上存在二义性；(iii)不便于描述含有曲面的物体；(iv)无法应用于工程分析和数控加工刀具轨迹的自动计算。第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 数据结构是以“面棱边点”三层信息表示的，表面由有界棱边围成，棱边由点构成，它们形成了一种拓扑关系。表面模型用的曲面可以是简单的解析曲面，也可以是自由曲面，构造自由曲面的方法有很多，最常

22、用的是Bezier方法、B样条方法、非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline，NURBS)方法等。1几何模型类型 (2)表面模型第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 1几何模型类型 (2)表面模型例. 立方体的表面模型表面模型的数据结构是在线框模型数据结构的基础上增加面的有关信息。第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 表面模型避免了线框模型的二义性；可以根据不同的观察方向消除隐藏线和隐藏面；可以对面着色，显示逼真的色调图形；还可以利用面的信息进行数控加工程序计算。1几何模型类型 (2)表面模型优点：第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特

23、征建模 表面模型虽然克服了线框模型的一些不足，但是曲面模型表示的是零件几何形状的外壳。所以曲面模型实质上不具备零件的实体特征，这就限制了它在工程分析方面的应用，不能进行物理特性计算，例如转动惯量、体积等。 1几何模型类型 缺点：(2)表面模型第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 一般是以“体一面一环一棱边一点”的五层结构信息表示模型。体是由表面围成的封闭空间，表面是由棱边围成的区域，其内部可能存在环，例如一个孔在一个表面上形成了一个环，这些环也是由棱边组成。实体建模最常用的是边界描述法(Boundary Representation，B-Rep)和构造性实体几何法(Computed

24、Structure Geometry，CSG)。 1几何模型类型 (3)实体模型第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 实体模型的信息丰富，除了能实现表面模型的功能外，还能够满足物理性能计算，例如质量与质心计算、重力以及工程分析的需求。在产品设计中，实体建模技术更符合人们对真实产品的理解和习惯。1几何模型类型 (3)实体模型优点：第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 实体建模方法在表示物体形状和几何特性方面是完整有效的，能够满足对物体的描述和工程的需要，但是从工程应用和系统集成的角度来看，还存在一些问题。例如，实体建模中的操作是面向几何的(点、线、面)，而非工程描述(如槽、孔

25、、凸台的构造特征)，信息集成困难，因而需要有一个既适用于产品设计和工程分析又适用于制造计划的统一的产品信息模型，满足制造过程中各环节对产品数据的需求。特征造型方法的出现弥补了实体造型的这一不足。 2特征建模 第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 特征一般有如下的定义说法：“任何既有形式又有功能属性的有名实体(Dixon 1988)”，“产品信息的集合”等。这些定义从特征几何的形式上描述了特征的定义，将非几何信息与几何实体结合起来，并提供与加工有关的额外信息。2特征建模 定义：第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 形状特征：与公称几何相关的零件形状表示，例如孔、槽、凸台等。材

26、料特征：零件的材料、热处理和加工条件等，它隶属于零件的属性和加工方法，材料特征表示的信息经常反映在BOM表中，是CAPP和CAM所需的工艺信息。精度特征：可接受的工程形状和大小的偏移量，例如公差尺寸可以认为是精度特征的内容之一。装配特征：反映装配时的零件之间的约束配合关系以及相互作用面，例如孔与轴的装配。 2特征建模 特征分类：第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 着眼于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模型服务。使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，而是产品的功能要求，如螺纹孔、定位孔、键槽等。有助于加强产品设计、分析、工艺、

27、准备、加工、检验各部门间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到后续环节并且及时得到后者的意见反馈。有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化。2特征建模 特征造型特点：第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 2特征建模 在SolidWorks中特征造型的方法包括：基础特征：拉伸、旋转、扫描、放样、拉伸切除、旋转切除、扫描切除、放样切除等；附加特征：圆角、倒角、钻孔（简单直孔和异型孔向导）、拔模、抽壳、筋（Rib）、圆顶、特型等；特征操作：线性阵列、圆周阵列、镜向、比例缩放、特征复制、特征移动等；参考特征（参考几何体）：基准面、基准轴、坐标系。例：SolidWorks中的

28、特征造型方法第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 集成化CADCAM系统需要一个统一完整的零件信息模型。它包括零件的设计、工艺规划和数控加工编程等各阶段的产品数据。在零件的描述方面，不仅包括几何信息，如形状实体、拓扑几何，还包括形状特征信息和尺寸公差信息及其他零件总体信息。3特征造型系统的基本要求第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 基本要求(1)所建立的产品零件模型应包括下列5种数据类型： (i)几何数据：建立零件的基本几何元素。 (ii)拓扑数据：将几何元素连接成零件的规则。 (iii)形状特征数据：零件模型上具有特定功能和几何形状语义的某一部位的数据实体，如孔、槽、凸

29、台等。 (iv)精度数据：零件设计与制造所允许的误差。 (v)技术数据：包括材料、零件号、工艺规程、分类编码等零件上的非几何属性。 3特征造型系统的基本要求第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 (2)特征造型方式必须灵活多变，应当允许设计者以任何形式、任一级别和任意组合的方式定义特征，以满足各应用领域的需要。为了利用若干标准特征，应针对应用特性建立相应的参数化特征库和模式引用结构。 3特征造型系统的基本要求基本要求第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 (3)造型系统应能方便地实现特征和零件模型的建立、修改、删除、更新，应能单独定义和分别引用产品模型中的各个层次数据对象，并对

30、其进行关联，相互作用，构成新的特征与零件模型。 3特征造型系统的基本要求基本要求 (4)应建立与应用相关的映像模型，支持产品模型的应用特征分解与释义。同时产品模型具有不同层次的抽象级别，既可以定义和引用高级的特征形式，也可以引用低层次的几何元素形式，它们之间必须保持一致性和有效性。 第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 一个特征造型系统是很复杂的，不同的CAD系统，即使底层几何核心平台是相同的，开发的CAD系统还是有很大的不同。例如，基于Parasoild几何核心的UG 和Solidworks系统，它们的功能、特点、风格各不相同。同样，基于ACIS几何核心的CAD系统有CATIA和M

31、DT，也存在这样的现象。开发一个CAD系统，除了实体造型的核心外，还需要融合先进的特征设计方法、参数化技术、图形学技术、交互式技术等。3特征造型系统的基本要求第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 设计人员经常碰到这样的情况：许多零件的形状具有相似性，区别仅是尺寸的不同；在原有零件的基础上做一些小的改动来产生新零件；设计经常需要修改。这些需求采用传统的造型方法是难以满足的，一般只能重新建模。参数化方法提供了设计修改的可能性。 4参数化与变量化设计 产生背景第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 参数化设计一般是指设计对象的结构形状基本不变，而用一组参数来约定尺寸关系。参数与设计

32、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，因此参数的求解较简单。 4参数化与变量化设计 (1) 参数化设计定义第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 (i)基于特征：将某些具有代表性的几何形状定义为特征，并将其所有尺寸设定为可修改参数，形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的创建。 (ii)全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点(全约束)，不能漏注尺寸(欠约束)，不能多注尺寸(过约束)。 4参数化与变量化设计 (1) 参数化设计主要特点第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 (iii)尺寸驱

33、动实现设计修改：通过编辑尺寸值来驱动几何形状的改变，它也是全数据相关的基础。 (iv)全数据相关：某个或某些尺寸参数的修改，导致与其相关的尺寸得以全部同时更新。全数据相关的修改功能体现了当需要零件形状改变时，只需编辑尺寸值重新刷新即可实现形状的改变。4参数化与变量化设计 (1) 参数化设计主要特点第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 基于约束的尺寸驱动是较为成熟的参数化方法，它的基本原理是：对几何模型中的一些基本图素施加一定的约束，模型一旦建好后，尺寸的修改立即会自动转变为对模型的修改。例如一个长方体，对其长L、宽W、高H赋予一定的尺寸值，它的大小就确定了。当改变L，W，H的值时，长

34、方体的大小随之改变。这里不但包含了尺寸的约束，而且包含了隐含的几何关系的约束，如相对的两个面互相平行，矩形的邻边互相垂直等。 4参数化与变量化设计 (1) 参数化设计基于约束的尺寸驱动第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 尺寸约束：包括线性尺寸、半(直)径尺寸、角度尺寸等一般尺寸标注中的尺寸约束，也称做显式约束。几何约束：指几何关系约束，包括水平约束、垂直约束、平行约束、相切约束、等长约束等，也称为隐式约束。 4参数化与变量化设计 (1) 参数化设计尺寸约束和几何约束第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 4参数化与变量化设计 (1) 参数化设计实例参数化驱动模型效果第三节

35、产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 变量化设计的具体处理方法是数值约束方法以及基于规则的推理方法。参数化设计和变量化设计在许多方面具有共同点，例如，二者都强调基于特征的设计、全数据相关，并可实现尺寸驱动设计修改等。4参数化与变量化设计 (2) 变量化设计定义第三节 产品建模的基本方法 一、参数化特征建模 在约束的处理方法上存在不同之处，参数化设计强调的是尺寸全约束，而变量化设计不严格要求尺寸全约束，可以是过约束，也可以是欠约束。参数化设计方法主要是利用尺寸约束，而变量化设计的约束种类比较广，包括几何、尺寸、工程约束，通过求解一组联立方程组来确定产品的尺寸和形状。4参数化与变量化设计 (2)

36、 变量化设计与参数化设计的区别参数化适用于一般系列化的机械零件设计，变量化在做概念设计方面有优势，适用于新产品的开发、老产品的创新等。 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 数字化定义是对产品模型进行详细定义，甚至包括数字化流程的定义。不同阶段的模型定义内容不同，所提供的功能和定义工具亦不同。在详细设计阶段的定义工具比较容易用计算机实现，而有些定义必须用规范和标准的形式确定。第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 数字化定义模板是将产品的数字化定义内容以模板的形式提供给设计者，以便提高设计效率和规范设计过程。数字化定义模板有如下类型：(1)建模标准模板：从数据共享和管理的需求出发，数

37、字化建模应当遵循一定的建模标准。由于详细的标准设定非常麻烦，每次使用设定时效率很低，因此可以建立标准模板。这些标准一般和平台的类型有关，将设定的参数与模板绑定在一起，使用时直接打开模板进行设计。模板包括三维建模模板、二维绘图模板、数控加工模板等。 1数字化定义模板 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 (2)标准件模板库：标准件模板建立了包含标准件驱动参数的几何模型，只要从数据库获取系列参数，并驱动模板，即获得标准件。(3)零件模板：对于设计时具有一定规律，且结构改动很小，主要修改某些参数的零件，可以建立这类零件的模板。零件模板包含了零件设计积累的知识，使得用户在设计时不再是从头设计，而

38、是在模板的基础上进行修改，快速建立零件模型。 1数字化定义模板 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 (4)自定义特征：上述的模板都是零件级的，从原理上讲，在特征级建立模板也是可行的，即自定义特征。对这些特征进行定义，建模时通过修改特征参数获得特征。例如定义一个法兰盘特征，将要修改的参数定义为可更改参数，建模时使用这个特征就建立了法兰盘零件。 1数字化定义模板 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 (5)NC编程模板：针对零件加工需求，定制各种NC加工模板，将常用的粗加工、精加工、清根、走刀路线、切削方式等各种工艺参数定制成各种模板，NC编程时只须指定零件的加工面，而其他参数继承模

39、板数据。 定义模板的方式，按照模型的不同，可以采用不同的方法，例如上述涉及几何模型的模板，一般采用在文件中设定参数，或者在系统启动文件中定制参数，也可以采用“宏”定义模板，但是宏容易受运行环境的影响，当环境改变时有时会失败。1数字化定义模板 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 在数字化定义中，参数化设计和相关性设计非常重要。其主要原因是：产品设计是一个复杂过程，不可能一次成功，需要反复修改，进行零件形状和尺寸的综合协调、优化；改型设计的产品，大部分可在原有模型的基础上修改后得到；模型的某个尺寸的修改能够自动影响相关的尺寸。这些都需要具有参数化和相关性设计功能的CAD系统的支持，同时也需

40、要设计知识的积累。2相关性设计 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 参数化设计可以采用两种方式： (1)交互式设计：直接利用CAD工具提供的参数化功能，采用交互式设计(利用草图和特征参数)，这是一种便利的交互式建模方法，直接输入模型尺寸，由系统完成尺寸对模型的驱动。其优点是简单、快速，能够把设计师头脑中的设计概念快速变成设计结果，模型中的参数具有可修改性。 2相关性设计 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 (2)相关性设计：将产品零件的一些相关尺寸以数学或几何约束的形式保留下来，并应用于设计。它具有参数化的内涵，但是包含了设计知识，这对于设计知识的积累和产品的可重用性非常重要。

41、优点是能够进行知识积累，修改效率高，重用性好。缺点是需要对产品有明确的了解和较深入的设计经验才能总结出设计知识，初始建模的效率低于交互式。2相关性设计 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 相关性内容包括: 1)模型之间的相关性 2)参数相关性 3)几何相关性 4)结构相关性 5)自由曲面的相关性 6)装配的相关性2相关性设计 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 1)模型之间的相关性 (i)三维模型与工程视图的相关性 (ii)视图相关性 (iii)尺寸与模型的相关性 (iv)三维模型与NC程序的相关性 (v)装配零件与主模型的相关性 (vi)模型操作后的相关性2相关性设计 第三节

42、 产品建模的基本方法 二、数字化定义 2)参数相关性：零件的各部分尺寸之间存在着关系和约束，尺寸之间不再是孤立的数据而是具有一定的关系，以保证尺寸的修改能够影响到相关部分，免去了逐个修改的麻烦。产品的设计者在数字化建模中应当尽可能利用这些相关性。 (i)零件内特征之间的相关性； (ii)零件之间的相关性。2相关性设计 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 3)几何相关性：采用其他具有约束效果的隐式相关性设计，利用几何关系建立相关约束，这些关系建立在几何元素之间，它们可以是零件内部之间的几何元素，也可以是零件之间的几何元素。2相关性设计 这种数字化设计方法的优点是，设计的零件的某一部分总是

43、被其他几何元素约束，当几何元素发生改变时，被约束的元素将随之变化。 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 4)结构相关性： (i)结构的相关性：结构的相关性指当产品的结构发生变化时，与其相关的结构将随之变化。结构的控制是利用关键参数控制产品的结构。2相关性设计 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 4)结构相关性： (ii)基准的相关性：结构相关性涉及总体结构，因此需要借用很多辅助线和辅助面。辅助线和辅助面不是零件形状的一部分，而是控制零件结构形状的关键元素。这些辅助线或辅助面作为约束的基准，具有可修改性。2相关性设计 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 5)自由曲面的相关

44、性：自由曲面无几何定义参数，它的参数实际上是数学自变量，例如曲面参数u和v(一般为01)，它们仅仅是确定了数学取值范围的定义域，不含有几何意义，因此，自由曲面的参数化修改是不能直接实现的，但是自由曲面是可修改的。自由曲面的建模形式根据输入数据的类型主要分为3种： (i)基于点的自由曲面； (ii)基于曲线的自由曲面； (iii)基于面的自由曲面。2相关性设计 第三节 产品建模的基本方法 二、数字化定义 6)装配的相关性：装配零件之间的相关性使参数化技术不仅在零件级而且在装配级实现。装配之间的关系可以通过几何约束和尺寸约束实现，修改这些约束就实现了可修改的目的。 2相关性设计 第三节 产品建模的

45、基本方法 二、数字化定义 产品数字化过程是模型渐进演变过程，设计模型直接给出产品的最终模型，而包括工艺设计和工装设计的各模型是从毛坯开始经过各阶段才达到最终模型，因此这些模型与设计模型不完全相同，需要从毛坯开始逐步演变。其中有些是在设计模型上添加必要的几何元素或特征，有些是改变原有模型的尺寸，以满足工艺和加工需求。 模型关系的定义一种是从内容相关性来表达的关系。另外一种就是在PDM的数据组织结构上的关系。3模型关系定义 第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 1装配信息 2装配结构3装配关系定义4大装配模型的简化5可装配性检查6装配顺序规划和装配路径规划第三节 产品建模的基本方法 三、装配模

46、型 1装配信息 装配顺序生成时所需的装配信息主要包括零件的几何信息、非几何信息以及零件之间的配合约束关系等信息。几何信息指零件的几何形状、相对位置和特定的装配特征(如孔、轴装配特征)；非几何信息指设计者的意图、装配环境以及特定的装配条件等客观要求；配合关系信息指零件装配为装配体时相互之间的表面配合特征信息。 第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 1装配信息 装配信息的获取有自动推理和人工输入两种方法。 (1)自动推理：从零件的CAD几何模型中，利用特征造型中配合面的配合特征或实体造型中的体素之间的配合信息，推理生成配合零件之间的配合面、配合方向、连接关系及阻碍关系。 (2)人工输入：利用交

47、互式用户界面输入装配顺序优先约束关系等几何信息和非几何信息。第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 2装配结构 在产品设计过程中，装配设计是在概念设计之后进行的。它可以将概念设计中模糊的、不确定的构思，通过产品结构的建立逐步精细化，设计成产品的整体装配结构，为详细设计提供一个基本框架。 装配结构一般用装配结构树表示。一个零件如果没有进入装配树，它是一个单一游离在装配之外的零件；一旦作为节点链接到装配树中，它就是产品模型中的一个装配成员，同时也是BOM表中的一个成员项。第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 3装配关系定义 装配结构树仅仅反映了产品的构成，零件之间的相对关系、位置、方向等需要

48、装配关系来确定。装配关系一般包括： (1)接触关系：为了实现某种装配功能，使得零件所具有的物理接触。 (2)紧固关系：有些零件间的接触需要进一步固定，从而使固接后的两个零件成为一体 。 (3)位置关系：描述在装配体中装配零件之间的几何安装位置和精度。 (4)传动关系：指在产品装配中装配零件间的传动关系 。第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 4大装配模型的简化 在装配建模中，信息量的大小是影响产品模型操作、浏览的一个重要因素。装配建模存在着这样一对矛盾：一方面要求装配信息尽可能完整，另一方面要求信息量尽可能少。解决信息量巨大的方法一个是减少每次装入的零件数目，另一个是减少每个零件的几何信息

49、量和模型信息量。从模型显示的角度，还存在减少显示数据的方法。第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 4大装配模型的简化 在装入零件数量和几何信息量确定的情况下，显示模型的处理至关重要。 (1)减少每次装入的零件数目。 (2)减少几何信息量。 (3)减少模型信息量。 (4)减少显示数据量。第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 5可装配性检查 数字样机是一种以驱动尺寸为公称尺寸的数字模型，不反映公差的作用，但是公差的客观存在对实际装配的成功与否有着重要影响，所以数字样机通过间隙分析判断装配的可行性。目前的装配间隙分析主要是从静态干涉的角度进行检查的，主要有5种干涉检查结果。 (1)无干涉。

50、(2)软干涉。 (3)接触干涉。 (4)硬干涉。 (5)包容。 第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 5可装配性检查 无干涉软干涉接触干涉硬干涉包容第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 6装配顺序规划和装配路径规划 在并行工程中，在产品的设计阶段就应当考虑装配和制造对设计的影响。装配工艺规划是连接装配设计和装配实施的桥梁。装配工艺规划的制订一般要考虑零件设计中几何及功能约束、装配顺序、装配路径、可拆卸性、装配模型表示方式，以及旨在提高产品制造效率的零件与子装配体的夹紧方式、装配工艺中各种各样的限制、总体经济性等。第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 6装配顺序规划和装配路径规划 装

51、配顺序规划主要研究装配顺序的生成与几何可行性分析。所谓装配顺序的几何可行性，从几何约束的角度来讲，是两个装配单元之间的装配操作或分解操作不存在几何干涉现象。第三节 产品建模的基本方法 三、装配模型 6装配顺序规划和装配路径规划 装配路径规划是DFA中的关键技术之一。它在装配建模和装配顺序规划的基础上，充分利用装配信息(包括一定的装配环境和装配零部件的空间姿态等)进行路径分析、求解和判断，并生成一条无碰撞的从装配起点到装配终点的装配路径，即无碰撞干涉的路径规划，从而达到优化设计的效果。内容提纲第一节 产品模型的描述与表示 第二节 数字样机第三节 产品建模的基本方法第四节 产品模型的显示第五节 产

52、品模型数据的交换 第四节 产品建模的显示 一、图形显示在数字化产品中的作用 1产品可视化 根据工程需要，产品模型的可视化可以采用不同的显示方法，这些方法都是利用图形学原理将几何模型变换成图像信息。（a）一般线框图（b）隐藏线淡化或为虚线第四节 产品建模的显示 一、图形显示在数字化产品中的作用 1产品可视化 （c）隐藏线不可见（d）着色图第四节 产品建模的显示 一、图形显示在数字化产品中的作用 2图形变换 几何模型在屏幕上显示需要经历一系列变换，典型的包括： (1)几何变换：将平移、旋转、比例、镜像等变换施加到模型上。例如装配体的各零件需要在一个统一的公共坐标系下装配，就要把每个零件变换到公共坐

53、标系中。 第四节 产品建模的显示 一、图形显示在数字化产品中的作用 2图形变换 (2)投影变换：投影变换包括了透视投影和平行投影。前者的投影具有立体感和纵深感，后者投影根据不同类型，可以获得不同的效果。二维工程图中的主视图、俯视图、侧视图都是利用平行投影中的正交投影实现的，以获得真实的尺寸数据。投影变换利用了变换矩阵，视点位置、投影方向、投影类型都对图形的显示有影响。 第四节 产品建模的显示 一、图形显示在数字化产品中的作用 2图形变换 (3)窗口到视区变换：窗口是选择显示对象的一个空间，只有在窗口内的图形才可以显示出来，窗口外的图形被裁剪掉。视区是在屏幕上确定的一个显示区域，它将窗口内的图形

54、变换到这个区域中。第四节 产品建模的显示 一、图形显示在数字化产品中的作用 3工程分析 工程分析结果的显示比一般的几何模型显示复杂，它除了基于图形学原理外，还要根据分析的结果进行后置处理，而这些处理是和相关专业紧密相关的。例如热传导，可以用颜色代表温度把不同区域的温度区分出来。运动机构的分析要将运动学与图形学结合，采用动画模拟的方法仿真运动过程。 散热片的温度分布图第四节 产品建模的显示 二、轻量级显示 轻量级显示对于大装配(零件数多于500)显示来说，是减少显示负担的有效方法。在CAD系统中，轻量级显示方法主要有三角面逼近法、轮廓包容法等。此外，在网络环境下，已经出现用于网络显示的几何图形压

55、缩方法。 第四节 产品建模的显示 二、轻量级显示 如果大装配仅仅是为了显示，可以将实体模型的表面变换成三角面片处理，忽略模型的内部细节，显示信息将大为简化。三角面片的划分是将物体的表面用一定的算法分解成三角面，三角面的分解精度可以指定，以缓解信息量大小和表面逼近质量的矛盾。各种显示软件都支持三角面片的显示。1三角面逼近法 第四节 产品建模的显示 二、轻量级显示 如果大装配仅仅显示大致轮廓，可以采用轮廓包容法。轮廓包容法是将零件或者装配体用多面体包起来，形成一个大致的包容体空间，近似代替被包容的物体。2轮廓包容法 第四节 产品建模的显示 二、轻量级显示 CAD技术的发展正向着网络化发展，如何在网

56、络环境下浏览产品模型是产品可视化在网络环境下的延伸，也是支持协同设计的基本需求。网上浏览CAD模型的关键问题是：针对网络带宽的限制，如何对CAD模型进行压缩，使得其既能够在网上传输又能够快速显示。 网络化CAD模型轻量级显示使用的方法是定义模型文件的压缩格式，在发送端按照压缩格式对模型进行压缩，在接收端对接收的文件进行解压缩并用专用浏览器显示模型。3网络CAD模型的可视化 内容提纲第一节 产品模型的描述与表示 第二节 数字样机第三节 产品建模的基本方法第四节 产品模型的显示第五节 产品模型数据的交换 第五节 产品模型数据的交换 一、产品模型数据交换的意义 现代产品研制已经呈现出多企业和全球化协

57、同作业的趋势，不同企业或部门根据承担项目的不同，都配置了不同的软件环境，因此造成了环境异构，包括操作系统、CAD和CAM软件、分析软件等，甚至PDM系统。这些异构环境构成了部门、企业之间信息共享障碍，使得数字化设计制造的信息流中断。不同的CAD软件，其几何图形内部格式是不同的，它们中间需要一个中性文件完成模型的转换共享。中性文件和具体软件无关，其作用是在二者之间搭建桥梁。 第五节 产品模型数据的交换 一、产品模型数据交换的意义 20世纪80年代初以来，国外对数据交换标谁做了大量的研究、制定工作，也产生了许多标准，如美国的DXF，IGES，ESP，PDES，法国的SET，德国的VDAIS，VDA

58、FS及ISO的STEP等。这些标准都为CAD及CAM技术在各国的推广应用起到了极大的促进作用。随着标准化工作的开展，有些标准被淘汰，有些标准已很少使用。目前以图形数据交换为代表的标准成为产品数据交换的主流。 第五节 产品模型数据的交换 二、常用的文件交换类型 产品模型数据的交换标准是与硬件设备和软件系统无关的一种文件间的交换格式，产品模型数据中包括的模型几何、拓扑、公差、材料、表面处理、装配结构等各种信息需要借助于这种中性文件格式传递和转换。目前以图形数据交换为代表的标准较为成熟，它也是各CAD系统交换数据的主要形式。第五节 产品模型数据的交换 二、常用的文件交换类型 常用的标准包括： (1)

59、IGES(Initial Graphics Exchange Specification)：初始图形交换规范。 (2)STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)：产品模型数据交换标准。 (3)DXF(Data Exchange File)：数据交换文件。它是一种事实上的标准，由美国AUTODESK公司制定的面向二维CAD模型交换标准。第五节 产品模型数据的交换 二、常用的文件交换类型 1IGES 1980年，由美国国家标准局主持成立了由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会，制订了基本图形交换规范IGES 。 从1981年的IGES 1.0版本到1991年的IGES 5.1版本，和最近的IGES 5.3版本，IGES逐渐成熟，日益丰富，覆盖了CAD/CAM数据交换的越来越多的应用领域。作为较早颁布的标准，IGES被许多CAD/CAM系统接受，成为应用最广泛的数据交换标准。制订IGES标准的目的就是建立一种信息结构用来产品定义数据的数字化表示和通信，以及在不同的CAD/CAM系统间以兼容的方式交换产品定义数据。第五节 产品模型数据的交换