机械CADCAM建模技术及辅助设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 机械,CAD/CAM,建模技术,5.1,几何建模概念,5.2,三维几何建模技术,5.3,特征建模技术,5.4,三维造型实例,5.1,几何建摸概述,几何建模：,用合适的数据结构对三维形体的几何形状及其属性进行描述，建立便于信息转换与处理的计算机内部模型的过程。,几何建模作用意义,：,是,CAD/CAM,核心技术，为工程分析、工艺设计、物性计算、运动仿真、数控编程等后续作业提供了方便，是实现,CAD/CAM,技术的集成基础。,CADCAM,建模技术的发展：,线框模型,表面模型,曲面模型,实体造型,特征建模,CAD/CAM,几何建模基本知识,几何信息：,是指形体的形状、位置和大小的信息。,如：直线描述方程，矩形体的长宽高等。,拓扑信息,：,反映形体各组成元素数量及其相互间关系。,如：相交、相邻、相切、垂直、平行等。,注意：,两形体几何信息相同，若拓扑信息不同，则两形体可能完全不同。,形体基本元素：,点、边、面,基本元素的拓扑关系：,面面、面边、面点,边边、边点、边面,点点、点边、点面,形体六层拓朴结构,体,(Object),壳,(Shell),面,(Face),环,(Loop),边,(Edge),点,(Vertex),体,由封闭表面围成的有效空间；,壳,构成一个完整实体的封闭边界，是一组面的集合；,面,由一个外环和若干内环界定的有界、不连通的表面；,环,是面的封闭边界，由有序、有向边的集合；,边,是实体两个邻面的交界；,顶点,为,边的端点，两条或两条以上边的交点,。,正则集与正则集合运算,正则集：,一集合,S,的内部闭包与原来的集合相等。,S=kiS,（,k,闭包，,i,内部，,S,集合）,正则化集合算子,：,集合运算后仍产生正则集。,U*,（并）、*,(,交,),、*,(,差,),。,AB,运算得到的非正则点集,闭包,悬边,欧拉公式：,欧拉公式用来检验形体的合法性和一致性。,正则形体欧拉公式：,V E+F=2,如：长方体,V=8,、,E=12,、,F=6,，则,8,12+6=2,。,封闭多面体分割成,B,个独立多面体：,V,E+F,B=1,如,B=6,、,V=9,、,E=20,、,F=18,，则,9,20+18,6=1,。,有孔洞形体：,G,为穿透孔数，,L,为所有面上内环数,V,E+F,L=2,（,B,G,）,如下图,c,，则：,16-24+11-1=2(1-0),5.2,三维几何建模技术,1,、线框建模,2,、表面（曲面）建模,3,、实体模型,1,）构造体素几何表示法,2,）边界表示法：,3,）扫描表示法,4,）单元表示法,1,、线框模型,（,Wireframe Model,）,原理：,通过顶点和棱边来描述形体的几何形状,。,数据结构：,顶点表、棱边表二表结构。,特点：,数据结构简单、信息量少、占用内存空间小、操作速度快，,可生成三视图、透视图和轴侧图。,不足：,缺少面、体信息，易产生多义性，不能消隐、不能剖视、,不能进行物性计算和求交计算等,.,线框建模的数据结构,2.,表面（曲面）建模,原理：,通过对物体各个面的描述进行三维建模的方法。,数据结构：,顶点表、棱边表、面表三表结构。,特点：,可消隐、剖面图生成、渲染、求交、刀轨生成等作业。,不足：,缺少体信息，不便进行物性计算和分析。,表面模型的数据结构,曲面建模,a),平面,:,三个点定义；,b),线性拉伸面,:,一条平面曲线沿直线方向移动扫成；,c),直纹面,一直线两端点在两曲线对应等参数点上移动形成；,d),回转面,平面线框图绕某一轴线旋转产生；,e),扫成面,一剖面线沿一条导线移动构成；,一剖面线沿导线光滑过渡到另一剖面线；,一剖面线沿两条给定等参数边界移动形成。,f),圆角面,圆角过渡面；,g),等距面,沿原始曲面法线方向移动一个固定的距离。,3.,实体建模,实体建模概念：,描述了实体全部几何信息，且定义了实体所有点、线、面、体拓扑信息。,特点：,实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工，物性计算等操作。,实体模型表示方法：,构造体素几何表示法,（,CSG,，,Constructive Solid Geometry,）,扫描表示法,（,Sweeping Representation,）,边界表示法（,B-Rep,，,Boundary Representation,）,单元表示法,1,、,构造体素几何表示法（,CSG,）,通过基本体素交、并、差正则集合运算构造各种复杂实体。,基本体素：,矩形块、圆柱、圆锥、球、锲、环等。,实体,CSG,表示的二叉树结构,数据结构：,二叉树结构，记录了实体所有基本体素的组成、正则集合运算和相关的几何变换。,特点：,无二义性，最终实体与基本体素先后拼合顺序无关，造型简单，易于实现，可方便转换成其它表示方法。,缺点：,没有详细几何信息，必须转化为其它形式才能对点、边、面等信息进行查询和编辑。,2,、边界表示法（,B-rep,）,通过面、环、边、顶点的几何和拓扑 参数来表示实体。,矩形体,B-Rep,表示法,B-rep,翼边存储结构,数据结构：,是以边为中心的翼边结构，,通过任意一条边，可以,遍历整个实体所有几何元素。,优点：,记录有实体所有几何信息和拓扑信息。,不足：,缺乏实体生成过程信息，数据存储量大，难以直接构造。,3,、扫描表示法,(Sweeping),形体沿某一方向平移或绕某轴线旋转进行实体定义的方法,平面轮廓扫描法构造实体,复杂实体扫描构造,扫描构造实例,B-rep,转换,Sweeping,CSG,B-rep,、,CSG,、,Sweeping,三种表示方法的应用,：,CSG,、,Sweeping,常用于输入；,B-rep,常作为三维实体计算机内部信息的描述；,三者之间关系如下：,4,、单元表示法,：,用一系列空间单元来表示实体的一种方法。,数据结构：,八叉树结构。,特点：,算法简单，易于集合运算和干涉检查，便于消隐和显示。,缺陷：,单元大小决定分解精度，需要大量存储空间，不能表达实体各元素间拓扑关系，没有点、边、面等形体单元的概念,。,三维实体单元表示的八叉树结构,5.3,特征建模技术,特征建模的概念,实体模型不足,：,仅含实体几何信息，缺少功能、工艺、管理等信息,。,特征：,从工程对象概括和抽象出来的具有,工程语义的功能要素,。,特征建模：,通过特征及其集合来定义、描述零件模型的过程。,特征建模对设计对象具有更高的定义层次，易于理解和使用，能为设计和制造过程各环节提供充分的工程和工艺信息。,特征建模是实现,CAD/CAM,集成化和智能化的关键技术。,特征的分类,1,）形状特征,具有一定工程语义的几何形体。,STEP,标准分类,：,体特征,：,构造主体形状的特征,，如凸台、孔、圆柱体、矩形体等；,过渡特征,：如倒角、圆角、键槽、中心孔、退刀槽、螺纹等；,分布特征,：如圆周均布孔、齿轮的齿形轮廓等。,凹陷,：与已存在的形状特征一端相交的被减体；,凸起,：与已存在的形状特征一端相交的附加体。,从形状角度分,：,通道,：与已存在的形状特征两端相交的被减体；,2,）精度特征,包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。,3,）材料特征,如材料型号、性能、硬度、表面处理、检验方式等。,4,）技术特征,描述零件的有关性能和技术要求；,5,）装配特征,描述装配过程中配合关系、装配顺序、装配方法等。,6,）管理特征,描述管理信息，如零件名、批量、设计者、日期等。,形状特征间的关系,相邻关系,特征在空间位置相互间的关系,；,从属关系,主,/,辅特征间主从关系，如附着于回转体轴段,主特征的键槽、退刀槽、倒角等。,分布关系,某特征在空间位置上按某种形式排列。,常见的特征建模方式,1,）特征识别,在已有几何模型基础上，按照给定的模板进行匹配，,识别出相应的形状特征。,2,）基于特征的设计,借助于特征造型系统来建立产品特征模型。,3,）特征映射,特征具有多视域性，视域不同造型特征也可能不同。,如下图：从力学考虑可认为是筋，从机械加工考虑则认为是槽，,因而须将设计特征,映射,为后续所需要特征。,特征的多视域性,a),力学角度,b),机械加工角度,第六章 计算机辅助工艺过程设计,6.1 CAPP,系统的结构组成,6.2,零件信息的描述与输入,6.3 CAPP,系统的基本原理和方法,6.4 CAPP,专家系统,毛坯,设计,工艺,路线,工序,设计,工时,定额,工装,设计,余量,分配,切削,用量,工时,定额,机床刀,具选用,工序图,绘制,6.1 CAPP,系统的结构组成,工艺设计：,生产准备工作第一步，是连接设计与制造的桥梁，,工艺设计的结果是完成加工工艺规程。,工艺规程：,决定零件加工方法、加工路线，是工装设计,制造的主要依据。,CAPP,CAPP,技术的发展：,交互式,CAPP,派生式,CAPP,创成式,CAPP,智能型,CAPP,面向零件,CAPP,面向产品,CAPP,面向企业,CAPP,PP,：,加工工艺过程编制（,Process Planning,）,生产过程编制（,Production Planning,）,CAPP,系统结构组成,零件信息获取模块,有人机交互、由,CAD,模型转换等方法。,工艺决策,按预定的决策逻辑，进行比较、推理和决策加工工艺规程。,工艺数据库与知识库,包含工艺设计所要求的工艺数据和规则。,工艺数据：加工方法、加工余量、切削用量、刀夹量具等；,规则：决策规则、加工方法选择、工序工步归并规则等、,人机交互界面,是用户的操作环境。,工艺文件管理与输出,包括工艺文件格式化显示和打印输出等。,CAPP,系统结构组成,零件信息描述要求,：,描述应准确、完整，与实际生产要求相一致，适合计算机处理；,应简洁易懂，易于理解和掌握，便于输入操作；,数据结构要合理，利于提高处理效率，便于信息集成。,零件信息描述内容,：,零件几何信息,：包括零件几何形状、尺寸、以及各几何元素间的拓扑关系。方法：可从零件三维模型进行描述；也可将结构分解，对分解的形体或型面单元分别进行描述。,零件工艺信息,：加工精度、表面粗糙度、零件材料、毛坯特征、热处理等。,生产管理信息,：加工批量、生产周期等。,6.2,零件信息的描述与输入,CAPP,零件信息描述基本方法,1,）零件分类编码描述法,原理：,基于成组技术原理，制订或选用一套编码系统，对零件进行编码，通过编码实现对零件几何信息和工艺信息进行描述的目的。,特点：,简单易行，但零件描述粗糙，无法对零件形状、尺寸、精度进行详细描述，没有足够信息进行决策。,应用：,适用于派生式,CAPP,系统。,目前,CAPP,系统很少单独使用该方法。,2,）形状特征描述法,原理：,将零件形状特征按顺序输入计算机，按设定的数据结构进,行组织，形成供,CAPP,调用的零件信息模型。,优点：,零件特征与加工方法相对应，便于推导加工工艺；,零件特征包括尺寸、公差、粗糙度等信息，为工序设计、尺,寸链计算、工艺路线的安排提供了方便。,应用：,在众多,CAPP,系统中得到了应用。,回转体零件加工,二叉树结构表示,3,）语言描述法,用计算机能够识别的语言对零件形状和工艺特征进行描述，需要用户学习掌握所选用语言的词法和语法，描述过程比较繁琐。,4,）知识表示描述法,用人工智能中的知识表示方法来描述零件信息，包括人工智能框架表示法、产生式规则法和谓词逻辑表示法等。,5,）直接将,CAD,作业结果作为,CAPP,的输入,将,CAPP,系统与,CAD,系统直接相连，使,CAPP,操作所需的各种工艺信息直接来源于,CAD,系统，避免繁杂和枯燥的手工信息输入。,在众多零件信息描述中，适合轴类零件的方法较多，箱体类等复杂零件信息描述仍是一个薄弱环节,。,6.3,CAPP,系统的基本原理和方法,1,、派生式,CAPP,工作原理：,利用零件相似性检索现有工艺的一种软件系统。要求先对零件编码，根据编码确定所属零件族，调用该族零件标准工艺，经过编辑修改，最终获得零件工艺规程。,派,生,式,CAPP,工,作,原,理,零件族特征矩阵库,派生式,CAPP,开发过程,1),根据产品特点与生产情况，确定编码系统；,2),进行零件编码；,3),对零件分类，形成若干零件族，建立零件族特征矩阵库；,4),对各,零件族构造“典型零件”；,5),编制“典型零件”标准工艺和相应的工序内容；,6),建立工艺数据库，存储常用工艺数据和规范；,7),编制系统程序，实现各功能模块。,派生式,CAPP,特点,1),以成组技术为基础，理论上比较成熟；,2),应用范围比较广泛，有较好的实用性；,3),适用于结构比较简单的零件，尤其回转类零件；,4),继承企业较成熟的传统工艺，但系统柔性度较差；,5),对于相似性较差的复杂零件，难以编码描述。,派生式,CAPP,举例,CAM,I,派生式,CAPP,系统工作流程,（美国计算机辅助制造公司）,2,、创成式,CAPP,工作原理：,根据零件模型和工艺信息，应用决策逻辑，模拟工艺人员决策过程，自动创成加工工艺规程，完成机床刀具选择和工艺过程优化。,创成式,CAPP,系统工作原理,创成式,CAPP,开发过程,1),确定系统对象范围，是针对回转体零件还是非回转体零件；,2),确定零件描述方法，是型面单元描述还是体素组合语言描述；,3),确定和建立工艺决策模型，用决策表还是决策树；,4),建立加工资源数据库，包括机床、夹具、刀具、切削用量等；,5),设计系统主控模块、人机接口模块、工艺文件生成和输出模块。,创成式,CAPP,特点,1),通过逻辑推理，自动决策生成零件工艺规程，无需人为干预；,2),具有较高的柔性，适应范围广；,3),便于与,CAD,和,CAM,系统的集成；,4),系统实现较为困难，目前只能处理特定环境下的特定零件。,SIP,系统结构组成,：,由制造资源模块、零件特征定义模块、工艺决策以及主控模块组成，其中工艺决策模块是,系统核心,，零件信息是,决策对象,，制造资源信息是,决策约束,。,创成式,CAPP,举例,（上海交大,SIP,系统）,制造资源的构成,车间层资源,包括粗加工、精加工、热处理、装配等生产车间。,设备层资源,包括不同的机床和工艺装备。,知识层资源,包括决策规则、切削参数、加工余量和工时定额等工艺数据,。,工艺决策知识的表示,决策表,决策树,3,、综合式,CAPP,原理：,综合派生式,CAPP,采取派生与创成相结合的方法生成工艺规程，即工艺设计采用派生法，工序设计则采用创成决策方法产生。,特点：,综合派生式与创成式,CAPP,两者优点，具有系统简洁、快捷、灵活、实用性强的特点。,7.4 CAPP,专家系统,专家系统,：,是一种求解问题的智能软件系统，它把人类专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理和控制策略，处理和解决只有专家才能解决的问题,。,通常软件系统 数据 算法,专 家 系 统 知识 推理,专家系统组成：,l,知识库,专家系统,核心,，包含,常识性,知识和启发性知识。,启发性知识是专家系统逻辑推理的主要知识源。,数据库,用于存储用户输入的原始数据（事实）和推理过程的动态数据。,推理机,是一种具有推理能力的计算机软件程序，用来控制和协调整个,系统运行的软件模块。,解释模块,对专家系统推理结果作出必要解释，使用户了解专家系统,推理过程，接受所推理的结果。,知识获取模块,将人类专家的专门知识提取出来，经整理转化为计算机,内部数据结构形式，是知识库建立和维护的工具和手段。,用户接口模块,将专家和用户输入的信息转换为系统可以接受的形式，,同时把系统的推理结论转换为人类易于理解的形式。,专家系统组成,专家系统特点,启发性,能使用判别性知识以及已确定的理论,知识进行推理；,透明性,能解释其推理过程；,灵活性,能把新知识不断加入已有知识库，使其,逐步完善和精练。,专家系统的知识表示,产生式规则法、语义网络法和框架表示法是目前较为流行的知识表示方法。,产生式规则法,是最常用的知识表示方法，其一般形式为：,IF ,AND/ORAND/ORAND/OR,THEN ,或,，,或,或,例：,IF AND,AND,THEN,优点：,产生式规则结构接近人类专家思考问题方式；,各条规则相互独立，易于查询、修改和扩充；,容易添加解释功能，以便观察系统如何进行推理；,具有描述不确定知识的能力。,1,）正向推理,从已知事实出发，按照给定控制策略，利用生产式规则,最终推断出结论。在,CAPP,系统中，由毛坯一步步推导出最终零件的整,个加工工艺过程。,正向推理机应具有的功能：,能够根据已知的事实，知道运用知识库中哪些知识；,能将推理后得到的结论存入数据库，并记录整个推理过程；,能够判断何时结束系统推理；,必要时向用户提问，要求用户补充输入所需的推理条件。,专家系统推理方式,正向推理不足,盲目推理，求解了许多与目标解无关的子目标；,2,）反向推理,先提出假设，然后反向寻找支持假设的证据。在,CAPP,系统中，由最终零件通过逐步加上加工余量，使之最终成为毛坯的推理过程。,反向推理机应具有的功能：,能够提出假设，并运用知识库中的知识判断假设的真假；,若为真，则记录使用了哪些知识（以备解释之用）；,若为假，则系统应重新提出新的假设，再进行判断；,能够判断何时结束推理；,必要时能够向用户提出补充条件要求。,反向推理不足,盲目选择目标，求解了许多假设的子目标。,3,）双向推理,：,综合利用正向推理和反向推理优点，克服其不足。,先根据事实库中一些原始数据，利用正向推理帮助人们选择假设，再利用反向推理进一步证明这些假设是否成立，如此反复，直至最后得出结论。,专家系统开发语言：,Lisp,、,Prolog,等智能型程序设计语言，,需逐个模块开发，开发效率很低。,专家系统开发工具,:,有骨架型、通用型、辅助型等。,EMYCIN,为最早、最常用专家系统开发典型工具，它是将,MYCIN,专家系统中有关传染病诊断知识和内容移走，剩下,专家系统,“,骨架,”,（,Shell,），包含不可缺少的推理机、知识获取、解释和控制功能模块,，被称之为基本,(Essential),的,MYCIN,，即,EMYCIN,。,这样开发者仅需完成相关应用知识库的建立，便完成专家系统的开发，大大缩短专家系统开发周期。,