材料加工CADCAECAM技术基础-第二章
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材料加工CADCAECAM技术基础-第二章
实体造型的方法
按照物体生成的方法不同，实体建模的方法可分为构造实体几何 法（CSG）、扫描法（Sweep）、边界表示法B-Rep、CSG与B-Rep混合 造型法、分割法（D-Rep）等几种。 1）构造实体几何法CSG（Constructive Solid Geometry）
是通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。每一基本 体素具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体．体素法包含两 部分内容；一是基本体素的定义与描述，二是体素之间的集合运 算．常用的基本体素有长方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等．如 图所示．
C.数据库 把手册和资料中的数表、线图数据事先存放在数据库 中，要求具有图形和非图形数据处理的能力。
D.应用软件 面向用户（如某一企业、某一类产品或某一个工程）， 如开目CAD、大恒CAD、华正CAD、圆方CAD、大方CAD。
2.1.2 CAD系统的分类
对CAD而言，按系统运行时设计人员介入的程度，以及系统 的工作方式，可以将应用软件分为以下几种类型： ✓自动型 ✓检索型 ✓交互型 ✓智能型
空间运动，运动可以是沿某方向的移动．也可以是绕某一轴线转动．或 绕一面的摆动，运动方式不同．生成的实体形状也不同，如图所示．整 体扫描法对于生产过程的于涉 验，运动分析等有很大的实用价值．尤其 在数控加工中对于刀具轨迹的生成与检验方面更具有二要意义。
概括地说，扫描变换需要两个分量，一个是被移动的基体．另一个是 移动的路径。
加的技术委员会于1980年编制出的初始图形信息交换技术规范。它开创了 国际性的CAD／CAM技术的数据交换文件格式标准化工作。我国于 1993 年 9月将 IGES 3.0作为国家推荐标准。
平坦表面 Planar Surface 由封闭的二维线框构成的表面。
机械CADCAM技术第2章
第二章 CAD/CAM支撑技术2.1 常用数据结构2.2 数据管理技术2.3 计算机网络技术2.4 成组技术2.1 CAD/CAM系统常用的数据结构2.1.1 数据结构的概念数据结构：是按某种逻辑结构组织起来，按一定的存储表示方式把组织好的数据存储到计算机中，并对之定义一系列操作运算的数据的集合。
数据结构非线性结构数据存储结构数据运算数据逻辑结构线性结构线性表队列栈网状结构树结构链式存储顺序存储插入，删除，更新，检索，排序2.1.2 线性表逻辑结构：相同数据元素组成的有限序列，除表头和表尾之外， 每 个数据元素仅有一个前驱和后继。
如工资表、学生名册。
存储结构： 有顺序存储和链式存储两种结构1）顺序存储－相邻的存储单元存储逻辑上的顺序数据元素。
特点：•有序性，存储顺序与逻辑顺序一致；•均匀性，每个数据元素所占存储单元长度相同。
地址计算：设首址为b ，则数据元素a i 存储地址为Loc（a）= b+（i-1）•L如线性表（a 1, a 2, …, a i , …, a n ）顺序存储结构为：线性表插入运算：2）链式存储结构：用任意的存储单元存放线性表的各个数据元素，用指针指示各元素的前驱和后继。
链表结点结构：数据域和指针域。
指针域有单向指针和双向指针，可构成单向链表和双向链表。
链表插入操作运算步骤：①申请新结点存储空间；②将待插入元素M存放在新增结点数据域；③新增结点指针链接。
线性表顺序存储与链式存储结构比较•顺序存储：优点：结构均匀，便于数据元素访问和修改操作；不足：删除插入大量数据元素需移动，运算效率低。
应用：多用于查找频繁、很少增删的场合。
•链式存储：优点：删除插入效率高，不需数据元素移动，不需事先分配存储空间，存储空间利用充分。
不足：搜索效率低，需从头结点顺次搜寻。
应用－多用于事先难以确定容量，频繁增、删场合。
2.1.3 栈和队列栈（Stack）：限定在表尾进行插入或删除操作，且为“后进先出”的线性表。
武汉理工大学材料加工CADCAECAMT第2章
CAD/CAM涉及大量图形信息，需要工程数据库支持，但这 类软件尚不够、文件服务器软件、通信软件等。
6. NC编程软件
供CAD/CAM系统自动转换和输出NC加工指令之用。 另外，有些CAD软件的功能涵盖了设计、建模、工程分析等 方面的功能，例如UG软件。
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页码: 16
School of Materials Science and engineering, WHUT
材料成形CAD/CAE/CAM基础
第2章 CAD/CAM系统的组成
2.2.3 应用软件
应用软件是用户为解决实际应用问题而自行开发或委托开 发的程序系统。它是在系统软件的基础上，或用高级语言编程 ，或基于某种支撑软件，针对特定的问题设计研制，既可为一 个用户使用，也可为多个用户使用的软件。
第2章 CAD/CAM系统的组成
3. 工程分析和计算软件
满足各种工程分析和计算的需要。主要包括： 1) 常用数学方法库 用于解决各类数学问题，如提供解微分方程、线性方程组、 数值积分、有限差分、曲线(面)拟合等的计算机程序。 2) 有限元分析软件 常见的有限元分析软件有SAP、SKA、NASTRAN、ANSYS 等。 3) 优化方法软件 4) 模拟仿真软件 如机械系统动力学自动分析软件ADAMS。
2.1.3 输入/输出设备
输入设备泛指用于向计算机输入信息的设备。可分为图形输 入设备、图形输出设备和图形显示设备。
1. 图形输入设备
常见的输入设备有鼠标、键盘、数字化仪、图形扫描仪等。 1) 键盘 键盘是最常用的输入设备，计算机通过不断的扫描键盘各节 点的状态来判断按键的状态并进行相应处理。 2) 鼠标 鼠标属于定位输入设备，可很方便的完成定位、拾取和选择 功能。
6. NC编程软件
供CAD/CAM系统自动转换和输出NC加工指令之用。 另外，有些CAD软件的功能涵盖了设计、建模、工程分析等 方面的功能，例如UG软件。
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材料成形CAD/CAE/CAM基础
第2章 CAD/CAM系统的组成
2.2.3 应用软件
应用软件是用户为解决实际应用问题而自行开发或委托开 发的程序系统。它是在系统软件的基础上，或用高级语言编程 ，或基于某种支撑软件，针对特定的问题设计研制，既可为一 个用户使用，也可为多个用户使用的软件。
第2章 CAD/CAM系统的组成
3. 工程分析和计算软件
满足各种工程分析和计算的需要。主要包括： 1) 常用数学方法库 用于解决各类数学问题，如提供解微分方程、线性方程组、 数值积分、有限差分、曲线(面)拟合等的计算机程序。 2) 有限元分析软件 常见的有限元分析软件有SAP、SKA、NASTRAN、ANSYS 等。 3) 优化方法软件 4) 模拟仿真软件 如机械系统动力学自动分析软件ADAMS。
2.1.3 输入/输出设备
输入设备泛指用于向计算机输入信息的设备。可分为图形输 入设备、图形输出设备和图形显示设备。
1. 图形输入设备
常见的输入设备有鼠标、键盘、数字化仪、图形扫描仪等。 1) 键盘 键盘是最常用的输入设备，计算机通过不断的扫描键盘各节 点的状态来判断按键的状态并进行相应处理。 2) 鼠标 鼠标属于定位输入设备，可很方便的完成定位、拾取和选择 功能。
材料加工CAD_CAM基础及应用第02章 零件造型
2.2.1 边界表示法(B-Rep法)
边界表示法（B-Rep, Boundary Representation）定义： 是以形体表面的细节，即以顶点、边、面等几何元素及其相互间 的连接关系来表示形体。
图2-4 形体的边界表示
2.2.1 边界表示法(B-Rep法)
边界表示法的特点：
详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息及其拓扑关系。
外环。
(3) 环(Loop)：是由若干条有向边组成的面的封闭边界，环中各 条边顺序相连不能自交。 (4) 边(Edge)：是形体两个相邻面的交界，一条边只能有两个相 邻的面。 (5) 顶点(Vertex)：是边的端点，顶点不允许出现在边的内部， 也不允许孤立地存在在面内和物体内部或外部。
1.形体的信息结构
第2章 零件造型
2.1 2.2 2.3 基本概念 形体的表示模式 参数曲线与曲面建模
2.4
2.5 2.6 2.7 2.8
参数化设计技术
特征造型技术 同步建模技术 混合造型 应用实例：基于NX的覆盖件模具设计
2.1 基本概念
1.形体的信息结构 2.布尔运算 3.欧拉公式
1.形体的信息结构
(1) 体（Block/Boundary Object)：由封闭表面围成的有效空间。 (2) 面(Face)：是形体表面的一部分，具有方向性，它由一个外 环和若干内环界定其有效范围，一个面可以无内环，但必须有
几何信息：形体的大小、尺寸、位置、形状等。 拓扑信息：形体上所有的顶点、棱边、环、表面之间的相互连接关系。
造型系统中几何、拓扑信息的存储：
通过适当的数据结构实现； 通常将几何、拓扑信息分开表示；
2.2.1 边界表示法(B-Rep法)
CADCAM第二章PPT课件
(b) 线框模型的三维线段表
.
16
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2.1
☆ 线框模型的优点及缺陷
1.优点： （1）只有离散的空间线段没有实在的面，容易自动实现图形
的各种变换； （2）数据的结构简单，存储量小，各种几何元素可按体、边、
点的层次关系进行组合排列，在计算机内部只需建立三 维线段表，易于理解； （3）对硬件系统要求不高。计算过程简单，不需要进行复杂 的图形处理，易于操作。 2.缺陷： （1）构成的图形含义不明确，具有多义性； （2）不能进行物体几何特性计算（包括体积、面积、重量等）； （3）不便于消除隐藏线。
一个复杂物体视为由若干简单基本体素相加、相减、相交构成的。
CSG法的数据结构大部分是树状结构(称为CSG树)。CSG法对零 件的修改容易，缺点是信息表示不完整。
图2-2 CSG法
.
9
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2.1
☆ 空间单元表示法
采用B-REP法和CSG法组合的空间单元表示法，是通过具有 一定大小的立方体(单元)组合起来表示物体的一种方法。它通过定 义各单元的位置是否被占用来表达物体，因此是一种近似表示法。
a）
b）
图2-010 线框几何模型
.
c）
13
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2.1
☆ 曲线构造曲面的基本形式
由曲线构造曲面的基本形式包括： (1)旋转曲面 一轮廓曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的曲面。 (2)线性拉伸面 一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。 (3)直纹面 在两曲线间，将参数值相同的点用直线段连接而成的曲面。 (4)扫描面 截面发生曲线沿方向控制曲线运动而生成的曲面。根据发生 曲线与脊骨曲线的运动关系，扫描面可分为平行扫描曲面、法向扫描曲面 和放射状扫描曲面。 (5)网格曲面 由一系列曲线构成的曲面。根据构造曲面的曲线分布规律， 网格曲面可分为单方向网格曲面和双方向网格曲面。单方向网格曲面由一 组平行或近似平行的曲线构成；而双方向网格曲面由一组横向曲线和另一 组与之相交的纵向曲线构成。 (6)拟合曲面 由一系列有序点拟合而成的曲面。 (7)平面轮廓面 由一条封闭的平面曲线所构成的曲面。 (8)二次曲面 椭圆面、抛物面、双曲面等。
材料加工CADCAECAM技术基础
材料加工CAD/CAE/CAM技术基础
《计算机在材料工程中的应用》
2019年12月18日
1
学习本门课的要求
–熟悉CAD/CAE/CAM的基本概念和基本组成，了解其发展 动向。
–掌握CAD/CAE/CAM技术的基本原理和基本方法，以及在 材料成型加工领域中的应用实例。
–基本达到能运用CAD/CAE/CAM软件进行工程设计、分析 与制造加工。
是对制造过程进行设计、管理和控制。包括工艺设计、 数控编程和机器人编程等。
零 件 数 控 铣 仿 真
2019年12月18日
17
1.1 CAD/CAE/CAM 基本概念
1.1.4 CAD/CAE/CAM系统的组成
软
系统软件
件
系
支撑软件
统
应用软件
2019年12月18日
18
1.2 CAD/CAE/CAM 系统集成
信息交换
CAD之间、CAD与CAM之间、CAD与CAE之间、 CAD与 CAPP之间、CAD与RPM之间以及通过internet进行远程、异地 的信息沟通与资源共享 。它基于数据交换标准 ，如IGES、 STEP、SAT等；CAD技术应研究如何更合理、更高效、更准 确地交换数据。
2019年12月18日
2019年12月18日
9
1.1 CAD/CAE/CAM 基本概念
CAD主要研究内容
造型技术
即图形处理，是CAD技术的基础，用以表达设计方案，从二 维到三维。如曲面造型、实体造型、特征造型、特征化造型、 参数化设计等。
优化分析
在设计的同时进行分析、优化所设计的方案，使设计达到 最优。 如：结构应力应变计算优化（强度计算）；传热和流动 分析（模具冷却系统、挤出定型模优化设计、热流道浇注系统 的热平衡计算、运用流动分析优化模具成型方案）；求解系统 的动态性能。e.g.三维造型软件（PRO/E、UG和I-DEAS）和专用 软件（HSC、Z-MOLD…）在CAD系统中引入“并行工程”的思想， 已成为发展趋势。
《计算机在材料工程中的应用》
2019年12月18日
1
学习本门课的要求
–熟悉CAD/CAE/CAM的基本概念和基本组成，了解其发展 动向。
–掌握CAD/CAE/CAM技术的基本原理和基本方法，以及在 材料成型加工领域中的应用实例。
–基本达到能运用CAD/CAE/CAM软件进行工程设计、分析 与制造加工。
是对制造过程进行设计、管理和控制。包括工艺设计、 数控编程和机器人编程等。
零 件 数 控 铣 仿 真
2019年12月18日
17
1.1 CAD/CAE/CAM 基本概念
1.1.4 CAD/CAE/CAM系统的组成
软
系统软件
件
系
支撑软件
统
应用软件
2019年12月18日
18
1.2 CAD/CAE/CAM 系统集成
信息交换
CAD之间、CAD与CAM之间、CAD与CAE之间、 CAD与 CAPP之间、CAD与RPM之间以及通过internet进行远程、异地 的信息沟通与资源共享 。它基于数据交换标准 ，如IGES、 STEP、SAT等；CAD技术应研究如何更合理、更高效、更准 确地交换数据。
2019年12月18日
2019年12月18日
9
1.1 CAD/CAE/CAM 基本概念
CAD主要研究内容
造型技术
即图形处理，是CAD技术的基础，用以表达设计方案，从二 维到三维。如曲面造型、实体造型、特征造型、特征化造型、 参数化设计等。
优化分析
在设计的同时进行分析、优化所设计的方案，使设计达到 最优。 如：结构应力应变计算优化（强度计算）；传热和流动 分析（模具冷却系统、挤出定型模优化设计、热流道浇注系统 的热平衡计算、运用流动分析优化模具成型方案）；求解系统 的动态性能。e.g.三维造型软件（PRO/E、UG和I-DEAS）和专用 软件（HSC、Z-MOLD…）在CAD系统中引入“并行工程”的思想， 已成为发展趋势。
《CADCAM技术》第1,2章
第1章CAD/CAM技术概述随着人们生活水平的提高，消费者的价值观正在发生结构性的变化，呈现出多样化和个性化。
用户对各类产品的质量、产品更新换代的速度，以及产品从设计制造到投放市场的周期都提出了越来越高的要求。
为了适应这种变化，企业的产品也向着多品种、中小批量方向发展。
要适应这种市场需求，企业的生产必须具有柔性。
CAD/CAM技术是近20多年来迅速发展、广泛应用的一门新兴综合性计算机和自动化应用技术，这项技术从根本上改变了过去从设计到产品的整个生产过程中的技术管理和工作方式，给设计和制造领域带来了深刻变革。
因此，许多国家都把发展CAD/CAM技术作为战略目标。
CAD/CAM技术的发展与应用程度已成为衡量一个国家科技进步和工业现代化水平的重要标志之一。
1.1CAD/CAM技术基本概念计算机辅助设计和计算机辅助制造（Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing，简称CAD/CAM）技术作为传统技术与计算机技术的结合，以不同的方式广泛应用于各项工程实践中，例如:绘图和设计、生成着色图和动画显示、应用几何模型完成有限元等工程分析、生成工艺规划及零件数控加工程序等。
随着计算机技术与现代设计制造技术的发展，CAD/CAM技术作为现代产品设计制造方法及手段的综合体现，在产品生产过程中发挥了重要的作用。
然而，关于CAD/CAM技术相关概念的解释至今没有统一的规定，本章结合现代产品的生产过程对CAD/CAM技术的基本概念作一概述。
1.1.1 现代产品生产过程产品的生产过程是基于消费用户和市场的需求而开始的。
从抽象的产品概念到生成具体的产品，主要经过两个过程，即产品设计和制造。
如图1-1所示，现代产品的生产过程包括产品设计、工艺设计、生产实施等阶段。
图1-1 现代产品的生产过程现代产品设计是一个多学科相交融的综合性学科。
所谓产品设计，是指根据使用要求确定产品应具备的功能，构思产品的工作原理、总体布局、运动方式、力和能量的传递、结构形式、产品形状以及色彩、材质、工艺、人机工程等，并转化为工程描述（工程图纸、设计文件等），以此作为产品制造的依据。
压铸模CADCAECAM第2章 模具CADCAECAM基础
第2章 模具CAD/CAE/CAM基础
2.1 模具CAD/CAE/CAM概述 2.2 模具CAD/CAE/CAM系统构成 2.3 图形处理技术 2.4 数据处理技术 2.5 数值模拟理论基础 2.6 模具CAD/CAE/CAM数据交换技术 2.7 思考题
2.1 模具CAD/CAE/CAM概述
2.1.1 CAD/CAE/CAM技术定义
2.CAE技术
CAE是指求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、 热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化 设计等问题的一种近似数值分析方法。其基本思想是将一个形状复杂的连续 体的求解区域分解为有限的形式简单的子区域，即将一个连续体简化为有限 个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场量（应 力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限的单元节点的场变量值。实 际结构的物理性能可以用通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似 结果来代替对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论 分析又无法解决的复杂问题。CAE技术可以对工程和产品进行性能与安全可靠 性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并 证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。
分析模拟软件
工程数据库
应用软件
专业模具软件
2.3 图形处理技术
2.3.1 图形变换
1.二维图形变换
3.模具CAD/CAE/CAM技术发展趋势
1） 模具软件功能集成化。 2） 模具设计、分析及制造的三维化。 3） 模具软件的智能化趋势。 4）模具软件应用的网络化趋势。 5）并行工程技术在模具中应用。
6）模具高速测量及其逆向工程技术。
2.1.3 模具CAD/CAE/CAM技术的应用效果
2.1 模具CAD/CAE/CAM概述 2.2 模具CAD/CAE/CAM系统构成 2.3 图形处理技术 2.4 数据处理技术 2.5 数值模拟理论基础 2.6 模具CAD/CAE/CAM数据交换技术 2.7 思考题
2.1 模具CAD/CAE/CAM概述
2.1.1 CAD/CAE/CAM技术定义
2.CAE技术
CAE是指求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、 热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化 设计等问题的一种近似数值分析方法。其基本思想是将一个形状复杂的连续 体的求解区域分解为有限的形式简单的子区域，即将一个连续体简化为有限 个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场量（应 力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限的单元节点的场变量值。实 际结构的物理性能可以用通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似 结果来代替对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论 分析又无法解决的复杂问题。CAE技术可以对工程和产品进行性能与安全可靠 性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并 证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。
分析模拟软件
工程数据库
应用软件
专业模具软件
2.3 图形处理技术
2.3.1 图形变换
1.二维图形变换
3.模具CAD/CAE/CAM技术发展趋势
1） 模具软件功能集成化。 2） 模具设计、分析及制造的三维化。 3） 模具软件的智能化趋势。 4）模具软件应用的网络化趋势。 5）并行工程技术在模具中应用。
6）模具高速测量及其逆向工程技术。
2.1.3 模具CAD/CAE/CAM技术的应用效果
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NEUQ
Y
2013年7月4日
10
智能型
特点：利用知识库和推理机制完成设计工作。 适用范围：未来的CAD系统。
NEUQ
2013年7月4日
11
智能型
智能CAD系统工作原理
NEUQ
2013年7月4日 12
？简述CAD系统的软硬件组
成及其主要功能：p11-16
？检索型、人机交互型和智
能型三类CAD系统的工作
空间运动，运动可以是沿某方向的移动．也可以是绕某一轴线转动．或
绕一面的摆动，运动方式不同．生成的实体形状也不同，如图所示．整 体扫描法对于生产过程的于涉 验，运动分析等有很大的实用价值．尤其 在数控加工中对于刀具轨迹的生成与检验方面更具有二要意义。 概括地说，扫描变换需要两个分量，一个是被移动的基体．另一个是
2.2.2 新一代的实体造型技术——特征造型
A.传统造型的不足：数据库尚不完备；只含物体的几何信息和拓扑信息，没
有工程含义；设计环境欠佳。
B.特征造型：将特征作为产品描述的基本单元，并将产品描述成特征的集合。 每一个特征，通常又用若干属性来描述，以说明形成特征的制造工序类别及 特征的形状、长、宽、直径、角度等满足生产的要求。 除几何信息和拓扑信 息外，还包含能反映物体特点（属性）的非几何信息等，e.g 尺寸公差、工艺 （表面）处理、制造信息。 C.功能要求：# 参数化设计功能；# 基于特征设计思想；# 采用通用数据交换
路径可以有多条（如6, 7），截面曲线也可以有多条（如1～5）
NEUQ
2013年7月4日
21
蒙皮曲面 覆盖在一组线条上的曲面称为蒙皮 Skin。 规则表面 Ruled Surface 由两条互不相交的空间曲线扩展而成的规则表面。
NEUQ
2013年7月4日
22
平坦表面 Planar Surface 由封闭的二维线框构成的表面。
原理及特点: p17-18
2.2 CAD系统的三维造型技术 2.2.1 传统造型方法-几何造型和实体造型技术
几何造型－－利用计算机系统描述物体的几何形状，建立产品几何 模型的技术。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一 的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息， 或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息 几何造型的主要作用： • 为图形的显示和输出提供信息； • 为各种应用程序.（如，结构设计、受力分析、成型模拟、图形变换、 数控加工等）提供信息。
外围 设备
生产 设备
系统 软件
支撑 软件
数据 库
应用 软件
CAD/CAE/CAM系统组成
NEUQ
2013年7月4日 2
2.1.1 CAD系统的组成
搬运机械 NC机床 机器人 自动测试装置
TCP/IP
网络
扫描仪
数字相机 操作杆 主机 光笔 鼠标 键盘
NEUQ
绘图仪
打印机
磁盘机
存储器
显示器
………..
2013年7月4日 3
通过修改局部参数来达到自动修改几何模型的目的：改变尺寸即产生新 的零件。 通用性较差。适合于标准件、通用件和系列件的设计与绘图。 例如：
NEUQ
2013年7月4日
39
2.2.3 参数化造型技术
参数化设计的主要方法：
变动几何法（Variational Geometry）
二维参数化示意图
NEUQ
线部分而构成的立体构架图。
特点： 采用线框建模的描述方法 所需信息最少，数据运算简单，所 占的存贮空间也比较小。另外，这 种建模方法对硬件的要求不高，容 易掌握，处理时间较短。但存在缺 陷，如构造的图形含义不确切、不 能反映物体的几何特征等。
NEUQ
2013年7月4日 17
线框造型
NEUQ
2013年7月4日
自动型
检索型 交互型 智能型
2013年7月4日 6
NEUQ
自动型
特点：建立数学模型，根据输入的参数自动进行数学模 型求解，不需人的介入。
适用范围：事先能够用数学模型描述的一类设计问题
NEUQ
2013年7月4日
7
检索型
特点：以参数化设计技术
为基础。
适用范围：设计已定型的、 标准化的和系列化程度很
NEUQ
2013年7月4日
15
按照对这两方面信息的描述及存贮方法不同，三维几何建模系统可 划分线框建模、表面建模和实体建模三种主要类型.
三维建模系统类型 a) 线框造型
NEUQ
b) 曲面造型
c) 实体造型
2013年7月4日 16
线框造型
线框造型是利用基本线素(直线、 圆弧、点等)来定义设计目标的棱
法（CSG）、扫描法（Sweep）、边界表示法B-Rep、CSG与B-Rep混合
造型法、分割法（D-Rep）等几种。 1）构造实体几何法CSG（Constructive Solid Geometry）
是通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。每一基本
体素具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体．体素法包含两 部分内容；一是基本体素的定义与描述，二是体素之间的集合运
离或绕一固定的轴旋转都会扫描出一个实体，因此，对于具有相同截面的
零件实体来说，可预先定义一个封闭的截面轮廓．再定义该轮廓移动的轨 迹或旋转的中心线、旋转角度．就可得到所需的实体，如图所示。
NEUQ
2013年7月4日
30
NEUQ
2013年7月4日
31
整体扫描 所谓整体扫描就是首先定义一个三维实体作为扫描基体，让此基体在
移动的路径。
NEUQ
2013年7月4日
32
整体扫描法 a) 平移 b) 旋转
用扫描法生成的实体
• 优点：对各侧面有明确的定义（与法矢量方向一致为外侧面，相反为内侧 面）；能够唯一的表现物体；有利于物性分析和有限元分析。
• 缺点：数据量大，数据结构复杂，且缺乏明确的工程意义。
NEUQ
2013年7月4日 33
边的判断，具有消隐的功能。
实体建模是通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操
作实现的，其特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成．由于
实体建模能够定义三维物体的内部结构形状．因此，能完整地描述物 体的所有几何信息，是当前普遍采用的建模方法。
NEUQ
2013年7月4日 26
实体造型的方法
按照物体生成的方法不同，实体建模的方法可分为构造实体几何
算．常用的基本体素有长方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等．如
图所示．
NEUQ
2013年7月4日
27
NEUQ
2013年7月4日
28
描述体素时，除了定义体素的基本尺寸参数外，例如长方体的长、宽、高，圆柱的 直径、高等，为了准确地描述基本体素在空间的位置和方向，还需定义基准点，以便
正确地进行集合运算．体素间的集合运算有交、并、差三种．以两个三锥体素为
高的产品。
生产过程
NEUQ
2013年7月4日
8
检索型
例如：设计滚动轴承GB277-89
NEUQ
2013年7月4日
9
人机交互型
特点：人的主导作用贯穿整个设计过程。 适用范围：从产品概念设计到产品最终设计。
输入设计要求 建立产品模型 Байду номын сангаас据库 图形库 程序库 输出图样, 文档等
分析优化模型
细节与结构设计 N 评价 Y 到CAM系统
上，为零件加工提供统一的数学模型。
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•几何造型的基本概念和在
CAD中所起的作用。
• 常用的几何造型技术有哪些？ 各有何优缺点？
2.2.3 参数化造型技术
参数化设计的主要功能：
从几何参数化模型自动导出精确的几何模型 ：输入草图，标注几何元素 的约束，然后改变约束条件来自动导出精确的几何模型
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2.2.3 参数化造型技术
参数化设计的主要方法：
几何推理法（Geometric Reasoning）
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2.3 CAD系统的数据信息交换
CAD系统的软件组成
A.操作系统
具有下述功能：管理CPU；管理存储器；管理外部设备；管理文件；
网络通信功能；其它为用户开发应用软件服务的特定功能。
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2.1.1 CAD系统的组成
B.支撑软件 主要功能：图形处理；三维产品建模；有限元建模与 分析；机构运动分析；数据信息交换；工程数据管理； 二次开发工具。 C.数据库
例．运算结果如图所示．
体素拼合的集合运算
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2）扫描法
有些物体的表面形状较为复杂．难于通过定义基本体素加以描述．可以 定义基体，利用基本的变形操作实现物体的建模．这种构造实体的方法称
为扫描法．扫描法又可分为平面轮廓扫描和整体扫描两种。
平面轮廓扫描 一种与二维系统密切结合的方法．由于任一平面轮廓在空间平移一个距
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曲面造型
基本曲面 能够用初等数学解析式描述的曲面。 例如：
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轨迹曲面 由二维曲线在三维空间运动的轨迹所构成的曲面。 拉伸表面 Extruded Surface（路径是直线）
旋转表面 Revolved Surface
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扫动曲面 Swept Surface 截面曲线沿由任意空间曲线代表的路径移动而构成的曲面。
第二章 材料加工CAD技术基础
CAD系统的组成与分类
Y
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智能型
特点：利用知识库和推理机制完成设计工作。 适用范围：未来的CAD系统。
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智能型
智能CAD系统工作原理
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？简述CAD系统的软硬件组
成及其主要功能：p11-16
？检索型、人机交互型和智
能型三类CAD系统的工作
空间运动，运动可以是沿某方向的移动．也可以是绕某一轴线转动．或
绕一面的摆动，运动方式不同．生成的实体形状也不同，如图所示．整 体扫描法对于生产过程的于涉 验，运动分析等有很大的实用价值．尤其 在数控加工中对于刀具轨迹的生成与检验方面更具有二要意义。 概括地说，扫描变换需要两个分量，一个是被移动的基体．另一个是
2.2.2 新一代的实体造型技术——特征造型
A.传统造型的不足：数据库尚不完备；只含物体的几何信息和拓扑信息，没
有工程含义；设计环境欠佳。
B.特征造型：将特征作为产品描述的基本单元，并将产品描述成特征的集合。 每一个特征，通常又用若干属性来描述，以说明形成特征的制造工序类别及 特征的形状、长、宽、直径、角度等满足生产的要求。 除几何信息和拓扑信 息外，还包含能反映物体特点（属性）的非几何信息等，e.g 尺寸公差、工艺 （表面）处理、制造信息。 C.功能要求：# 参数化设计功能；# 基于特征设计思想；# 采用通用数据交换
路径可以有多条（如6, 7），截面曲线也可以有多条（如1～5）
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蒙皮曲面 覆盖在一组线条上的曲面称为蒙皮 Skin。 规则表面 Ruled Surface 由两条互不相交的空间曲线扩展而成的规则表面。
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平坦表面 Planar Surface 由封闭的二维线框构成的表面。
原理及特点: p17-18
2.2 CAD系统的三维造型技术 2.2.1 传统造型方法-几何造型和实体造型技术
几何造型－－利用计算机系统描述物体的几何形状，建立产品几何 模型的技术。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一 的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息， 或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息 几何造型的主要作用： • 为图形的显示和输出提供信息； • 为各种应用程序.（如，结构设计、受力分析、成型模拟、图形变换、 数控加工等）提供信息。
外围 设备
生产 设备
系统 软件
支撑 软件
数据 库
应用 软件
CAD/CAE/CAM系统组成
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2.1.1 CAD系统的组成
搬运机械 NC机床 机器人 自动测试装置
TCP/IP
网络
扫描仪
数字相机 操作杆 主机 光笔 鼠标 键盘
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绘图仪
打印机
磁盘机
存储器
显示器
………..
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通过修改局部参数来达到自动修改几何模型的目的：改变尺寸即产生新 的零件。 通用性较差。适合于标准件、通用件和系列件的设计与绘图。 例如：
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2.2.3 参数化造型技术
参数化设计的主要方法：
变动几何法（Variational Geometry）
二维参数化示意图
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线部分而构成的立体构架图。
特点： 采用线框建模的描述方法 所需信息最少，数据运算简单，所 占的存贮空间也比较小。另外，这 种建模方法对硬件的要求不高，容 易掌握，处理时间较短。但存在缺 陷，如构造的图形含义不确切、不 能反映物体的几何特征等。
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线框造型
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自动型
检索型 交互型 智能型
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自动型
特点：建立数学模型，根据输入的参数自动进行数学模 型求解，不需人的介入。
适用范围：事先能够用数学模型描述的一类设计问题
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检索型
特点：以参数化设计技术
为基础。
适用范围：设计已定型的、 标准化的和系列化程度很
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按照对这两方面信息的描述及存贮方法不同，三维几何建模系统可 划分线框建模、表面建模和实体建模三种主要类型.
三维建模系统类型 a) 线框造型
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b) 曲面造型
c) 实体造型
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线框造型
线框造型是利用基本线素(直线、 圆弧、点等)来定义设计目标的棱
法（CSG）、扫描法（Sweep）、边界表示法B-Rep、CSG与B-Rep混合
造型法、分割法（D-Rep）等几种。 1）构造实体几何法CSG（Constructive Solid Geometry）
是通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。每一基本
体素具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体．体素法包含两 部分内容；一是基本体素的定义与描述，二是体素之间的集合运
离或绕一固定的轴旋转都会扫描出一个实体，因此，对于具有相同截面的
零件实体来说，可预先定义一个封闭的截面轮廓．再定义该轮廓移动的轨 迹或旋转的中心线、旋转角度．就可得到所需的实体，如图所示。
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整体扫描 所谓整体扫描就是首先定义一个三维实体作为扫描基体，让此基体在
移动的路径。
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整体扫描法 a) 平移 b) 旋转
用扫描法生成的实体
• 优点：对各侧面有明确的定义（与法矢量方向一致为外侧面，相反为内侧 面）；能够唯一的表现物体；有利于物性分析和有限元分析。
• 缺点：数据量大，数据结构复杂，且缺乏明确的工程意义。
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边的判断，具有消隐的功能。
实体建模是通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操
作实现的，其特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成．由于
实体建模能够定义三维物体的内部结构形状．因此，能完整地描述物 体的所有几何信息，是当前普遍采用的建模方法。
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实体造型的方法
按照物体生成的方法不同，实体建模的方法可分为构造实体几何
算．常用的基本体素有长方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等．如
图所示．
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描述体素时，除了定义体素的基本尺寸参数外，例如长方体的长、宽、高，圆柱的 直径、高等，为了准确地描述基本体素在空间的位置和方向，还需定义基准点，以便
正确地进行集合运算．体素间的集合运算有交、并、差三种．以两个三锥体素为
高的产品。
生产过程
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检索型
例如：设计滚动轴承GB277-89
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人机交互型
特点：人的主导作用贯穿整个设计过程。 适用范围：从产品概念设计到产品最终设计。
输入设计要求 建立产品模型 Байду номын сангаас据库 图形库 程序库 输出图样, 文档等
分析优化模型
细节与结构设计 N 评价 Y 到CAM系统
上，为零件加工提供统一的数学模型。
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2013年7月4日 36
•几何造型的基本概念和在
CAD中所起的作用。
• 常用的几何造型技术有哪些？ 各有何优缺点？
2.2.3 参数化造型技术
参数化设计的主要功能：
从几何参数化模型自动导出精确的几何模型 ：输入草图，标注几何元素 的约束，然后改变约束条件来自动导出精确的几何模型
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2.2.3 参数化造型技术
参数化设计的主要方法：
几何推理法（Geometric Reasoning）
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2.3 CAD系统的数据信息交换
CAD系统的软件组成
A.操作系统
具有下述功能：管理CPU；管理存储器；管理外部设备；管理文件；
网络通信功能；其它为用户开发应用软件服务的特定功能。
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2013年7月4日 4
2.1.1 CAD系统的组成
B.支撑软件 主要功能：图形处理；三维产品建模；有限元建模与 分析；机构运动分析；数据信息交换；工程数据管理； 二次开发工具。 C.数据库
例．运算结果如图所示．
体素拼合的集合运算
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2013年7月4日 29
2）扫描法
有些物体的表面形状较为复杂．难于通过定义基本体素加以描述．可以 定义基体，利用基本的变形操作实现物体的建模．这种构造实体的方法称
为扫描法．扫描法又可分为平面轮廓扫描和整体扫描两种。
平面轮廓扫描 一种与二维系统密切结合的方法．由于任一平面轮廓在空间平移一个距
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曲面造型
基本曲面 能够用初等数学解析式描述的曲面。 例如：
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轨迹曲面 由二维曲线在三维空间运动的轨迹所构成的曲面。 拉伸表面 Extruded Surface（路径是直线）
旋转表面 Revolved Surface
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20
扫动曲面 Swept Surface 截面曲线沿由任意空间曲线代表的路径移动而构成的曲面。
第二章 材料加工CAD技术基础
CAD系统的组成与分类