数字化设计与制造 第二章 产品数字化建模.docx
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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
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，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（EngineeringBOM,EBOM）或设计BOM，它与制造BOM（ManufacturingBOM，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。
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（DigitalMockUp，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（VirtualPrototype，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，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，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，最常用的是Bezier方法、B样条方法、非均匀有理B样条（Non-UniformRationalB-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（BoundaryRepresentation，B-Rep）和构造性实体几何法（ComputedStructureGeometry，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、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（Dixon1988）”，“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、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CAD／CAM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MDT，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
升级会员 