第11講 三維cad系統(tǒng)及關鍵技術

1、11. 三維CAD系統(tǒng)及關鍵技術,系統(tǒng)功能需求2. 系統(tǒng)體系結構3. 部分關鍵技術4. 系統(tǒng)開發(fā)簡介,Solid Edge,CATIA,UG NX,Pro/E,Inventor,目前最流行的三維CAD系統(tǒng),美、法等國的CAD技術一直走在世界的前沿，它們擁有許多世界聞名的CAD/CAM系統(tǒng)，這些系統(tǒng)具備十分強大的功能。,國內：清華大學、北航、新舟、浙大、華工,1、系統(tǒng)功能需求,以國家863三維CAD系統(tǒng)評測要求為例,系統(tǒng)綜合功能

2、二維圖形功能 三維造型及零件設計功能 裝配功能 三維模型與二維圖形的關聯(lián)功能數(shù)據(jù)接口功能 系統(tǒng)性能需求,文字或圖符菜單、下拉式菜單、動態(tài)彈出式菜單、對話框、命令語言、數(shù)字化儀、鼠標器、功能鍵、快捷鍵、提示信息、出錯信息、動態(tài)導航功能等。,系統(tǒng)綜合功能,視像定義與修改、多視口顯示、動態(tài)顯示、視圖的管理、透明命令、圖形縮放（Z00M）、圖形曳移；曲面和線框圖顯示及輪廓圖顯示；實體及特征的真實圖與簡圖顯示（簡圖用于二維及三維布置

3、）；正投影圖、軸測圖、透視圖、剖切圖、 消隱圖；渲染圖（真實感圖）；圖像文件輸出（GIF等光柵文件格式）。,圖形顯示功能,用戶界面,驅動繪圖機、打印設備等。,視圖投影設置、二維視圖布局、標準視圖和自定義視圖輸出、剖視；圖層控制功能。,按比例輸出圖形及自動按圖紙設定輸出比例；輸出圖形預覽及終止預覽；對多張圖紙進行編輯打??；繪圖輸出控制線型及粗細；,繪圖輸出功能,設備驅動功能,圖形管理功能,二維圖形功能,基本繪圖功能,建立坐標

4、系統(tǒng)（直角坐標系、極坐標系）；點、中心標記（點的絕對坐標、點的相對坐標、點的絕對極坐標、點的相對極坐標）；繪制線段、直線、折線（多段連線、兩點連直線、水平線及垂直線、向已知直線作垂直線、作已知直線的平行線、作圓弧切線、作已知直線的垂直平分線、作曲線切線）；繪制圓弧、圓（給定圓心和半徑作圓、圓弧、作同心圓、作圓與直線相切、作圓與已知圓相切等）；繪制橢圓弧、二次曲線、樣條曲線、組合曲線、等距線等；繪制剖面線。,圖形編輯和操作功能,

5、圖形元素求交與打斷 （直線、圓弧、曲線兩兩求交）；相鄰兩圖形元素之間作倒圓與倒角；多個閉合圖形之間的布爾操作（并、差、交運算）；等分已知直線、分已知圓（?。?；多義線編輯；修改圖形元素的幾何與屬性（顏色，所屬層，線型，可見性）數(shù)據(jù)；圖形平移復制、旋轉復制、鏡象復制、陣列復制；圖形的平移、旋轉、拉伸、圖形縮放；圖塊之間消隱；圖形的捕捉與選取；圖形元素的剪裁。,標注功能,各種尺寸標注、粗糙度標注、形位公差標注、各種字符、字

6、體標注、工程符號標注。,圖紙幅面定義功能,定義圖幅格式類型、圖紙標題欄、明細表欄、其它表欄,繪圖輔助功能,初始化功能（圖形屏幕范圍的設定、光標捕捉精度、柵格顯示精度）用戶坐標系統(tǒng)、圖形定位、線型、顏色設定； 提示信息、回退（UNDO）、重作（REDO）操作 、公制與英制的換算等。,三維造型及零件設計功能,線框造型功能,基本幾何元素定義；曲線插值和逼近；NURBS曲線；線組合、曲線拆散、曲線光順、曲線延伸、曲線修整、曲線拼接、曲

7、線求交；過渡曲線、等距曲線和線性變距曲線；線變換（平移、旋轉、鏡像、陣列等）；曲線分析與計算（切矢、曲率、坐標值反求參數(shù)值等）,曲面造型功能,曲面求交、延伸；直紋面、旋轉面；掃成曲面、點陣曲面、由給定邊界定義曲面、NURBS曲面；曲面等距和曲面變距；曲面過渡、拼接、光順、剪裁、修型；曲面分析與計算（切矢、法矢、各種曲率、坐標值反求U，V參數(shù)值）；取子曲面片、曲面的輪廓線、曲線在曲面上的投影線；測量造型（散亂點插值、數(shù)

8、據(jù)預處理、特征點提取及光順）。,實體造型功能,基本體素、用戶定義體素、體素庫（體素庫的建立、查詢、刪除和維護）；實體生成方法（平掃、旋轉掃、廣義掃等生成方法，非均勻有理B樣條法（NURBS）及其它生成方法）；幾何體間的并交差布爾運算；局部操作（剖切、圓角、倒角、局部拉伸）；實體的編輯（拷貝、鏡像、陣列、刪除、回退（Undo）與重作（Redo）、平移、旋轉、縮放、幾何元素查詢、幾何信息的修改）；實體抽殼、曲面轉實體；三維實體向

9、二維的轉換（生成輪廓圖及消隱）。,特征造型功能,基準特征，拉伸、旋轉、掃成、放樣特征，增料、減料特征，過渡、倒角、拔模、抽殼特征,零件庫功能,常用標準件庫、零件庫的建立與維護,布爾運算功能,實體間的交、并、差運算,參數(shù)化草圖功能,圖形生成、圖形編輯、約束、圖形繪制約束導航,物性分析功能,體積、重量、重心、慣性矩等計算,裝配功能,基本規(guī)模裝配（零部件數(shù)量100以上）；裝配約束（裝配約束定義、裝配約束求解）；干涉檢查；爆炸圖；裝配結

10、構樹；生成零件BOM表,三維模型與二維圖形的關聯(lián)功能,數(shù)據(jù)接口功能,三維模型生成二維圖形；三維模型的變化則二維圖形自動變化；二維圖形參數(shù)變化則三維模型自動變化；裝配、零件、工程圖的全關聯(lián)。,具有某種國際標準接口（如IGES、STEP等）；具有某種工業(yè)標準接口（如DXF、X_T、SAT、STL、VRML等）。,性能需求,軟件的可靠性,可以屏蔽用戶操作錯誤；運行操作錯誤不會導致系統(tǒng)異常退出；軟件應提供數(shù)據(jù)、圖形備份和恢復手段；

11、軟件能進行有效性檢查；無損壞數(shù)據(jù)、圖形和軟件的現(xiàn)象；具有容錯性，當CAD軟件發(fā)生故障或規(guī)定界面被破壞時，仍能保持規(guī)定性能；易恢復，在失效情況下，可重建恢復數(shù)據(jù)；安裝運行后對其它程序不產生破環(huán)性的影響。,軟件的易用性,易安裝維護；界面友好、布局合理、風格一致；界面所用術語規(guī)范、準確；操作提示易于理解，引導準確；有聯(lián)機幫助。,軟件可擴展性,用戶可進行系統(tǒng)的功能擴充，例如：用戶定義的圖形庫、線型庫、符號庫；對話框開發(fā)；二

12、次開發(fā)接口。,11. 三維CAD系統(tǒng)及關鍵技術,系統(tǒng)功能需求2. 系統(tǒng)體系結構3. 部分關鍵技術4. 系統(tǒng)開發(fā)簡介,以天喻公司等六家單位聯(lián)合申請項目為例,系統(tǒng)支持大型集團企業(yè)產品協(xié)同創(chuàng)新設計，包括：基礎核心層：提供共性基礎構件，幾何與拓撲核心數(shù)據(jù)結構，內存管理機制、基礎算法引擎及方法；通用平臺層：提供通用設計、分析工具構件, 支撐用戶進行產品結構設計、裝配設計、工程繪圖、工藝設計、數(shù)控代碼生成；專業(yè)應用層：提供面向航空制造應

13、用設計分析工具，支持快速產品開發(fā)；接口工具集：提供系統(tǒng)內部各層間訪問接口、外部數(shù)據(jù)交換接口、系統(tǒng)集成接口、用戶二次開發(fā)接口。,核心層,幾何引擎：支持零件造型、裝配造型、高級曲面造型等三維數(shù)字化設計功能，應具有接口兼容、功能齊全、計算穩(wěn)定、幾何覆蓋域寬、多種造型統(tǒng)一表示、可擴展性等特點2D尺寸約束管理：即變量化草圖設計，能夠支持2D設計、工程圖和2D輪廓草圖，2D輪廓草圖能夠有效地支持3D參數(shù)化實體模型；支持欠約束和過約束設計。3D

14、尺寸約束管理：即裝配件和機構件的約束管理，能夠支持3D草圖、零件設計和裝配設計。并提供沖突檢測管理，支持實時動態(tài)裝配和機構運動仿真。通用函數(shù)庫：提高共享的常用數(shù)學運算方法。圖形管理：該模塊包括線框顯示、隱藏線消除、快速真實感圖形顯示和高度真實感圖形顯示等三種不同層次的子模塊，以滿足多種形式的用戶需求。,通用平臺層,特征設計工具：是基于參數(shù)化的實體造型。特征包含產品的特定幾何拓撲關系﹑技術公差要求，使產品設計工作在更高層次上。包括：草

15、圖設計、特征生成兩個方面。曲面造型：是復雜形體型面造型的最有力的工具。包括： 基本曲面——直紋面、旋轉面、掃描面、裁剪平面等； 功能曲面——等距面、橢球面、雙曲面、拋物面等； 曲面編輯——裁剪面、過渡面、曲面拼接、曲面縫合、 曲面延伸、曲面求交等。零件設計：提供以特征為基礎的零件設計和管理工具，與裝配和工程圖設計共同構成一個設計平

16、臺。裝配設計：支持復雜產品裝配設計、干涉檢查。提供面向設計群體的裝配設計環(huán)境，支持參數(shù)化自動裝配功能，能容易地完成大型結構、復雜零件的裝配和子裝配。,工程圖設計：主要包括圖紙生成、圖紙設計、圖紙管理及打印輸出等。三維零件或裝配模型能自動生成各種視圖，例如主視圖、左視圖、俯視圖、向視圖、剖面圖，系統(tǒng)自動填充剖面線等；實現(xiàn)自動國標尺寸標注和工程標注，生成符合國標的標題欄，創(chuàng)建各種表格和明細表等。逆向工程工具：包括數(shù)據(jù)獲取、噪聲點過濾、殘

17、缺數(shù)據(jù)恢復、區(qū)域分割、特征提取、三角網格化、參數(shù)曲面擬合重建等功能，實現(xiàn)產品的快速原型設計。鈑金設計工具：針對鈑金零件的特點專門設計供處理鈑金零件造型用的模塊，它根據(jù)鈑金零件的幾何特征進行鈑金零件設計，鈑金零件自動展開、自動排樣計算。動畫與仿真：提供機構運動仿真、運動協(xié)調關系、運動范圍設計、運動干涉檢查；機械產品可裝配性檢查；提供產品真實效果顯示，機器內部的漫游。其它設計工具集：包括標準件庫工具，材料庫工具，設計圖表工具，計算工具

18、，協(xié)同管理工具，知識管理工具等。,應用層,專業(yè)設計庫：結合企業(yè)實際需求構建。如飛機、家電、汽車、工程機械，……,接口層,同一類軟件不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換：如UG、CATIA、PRO/E，點對點交換，標準：IGES，STEP等；不同軟件系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口：如CAD、CAPP、CAM、CAE等；開放式二次開發(fā)接口：提供可供用戶開發(fā)的API接口。,11. 三維CAD系統(tǒng)及關鍵技術,系統(tǒng)功能需求2. 系統(tǒng)體系結構3. 部分關鍵技術4.

19、系統(tǒng)開發(fā)簡介,幾何引擎 技術（CAD的基石，本課程重點）,三維形體的表達曲線、曲面的數(shù)學基礎 NURBS數(shù)據(jù)的組織及內存管理 CSG＋BREP高精度的曲面求交計算 跟蹤迭代布爾運算與局部操作,上述內容是本課程的重點和核心，在此不再展開,幾何約束求解技術,為草圖設計、零件設計、裝配設計、標準件庫等應用提供算法支持，整體實現(xiàn)參數(shù)化設計。,在幾何約束研究中，首先要解決冗余約束分量的表

20、達、判定和管理，其次利用結構分解方法實現(xiàn)大規(guī)模幾何約束系統(tǒng)的有效分解，實現(xiàn)快速穩(wěn)定的求解。,二維、三維約束求解流程,提供完備的、多層次的統(tǒng)一產品信息模型，包括幾何、精度、技術特征和管理信息等，是CAD、CAPP、CAM、PDM系統(tǒng)集成的前提。,特征建模技術,,,,,,,形狀特征包括：基本體素特征、基于草圖的特征、成型特征、過渡特征和用戶自定義特征。 基本體素特征：包括長方體、圓柱體、球體、圓環(huán)體、圓臺體等特征。

21、 基于草圖的特征：由草圖或一般曲線通過平移、旋轉或者多截面路徑掃描而形成的形體。 成型特征包括：孔、凸臺、槽、臺階、筋、抽殼、特征陣列等。,過渡特征：包括圓角、倒角等。 過渡策略采用當前多數(shù)造型系統(tǒng)中采用滾動球策略。其基本思想是利用沿兩相鄰面的等距面交線滾動的球面包絡面作為過渡面，以嚴格保證過渡的連續(xù)性要求。,用戶自定義特征：可以是基于草圖的特征，也可以是成型特征與草圖特征的復合。,為了提高過渡的速度

22、，系統(tǒng)中盡量利用二次面作為過渡曲面，否則，利用基于NURBS的蒙皮過渡算法。另外，過渡時進行有效的合法性檢查。,,,,此外還包括：特征拷貝、鏡象、聯(lián)動、組合、重定義、隱藏、重排序、插入、修改、刪除等操作，特征管理，支持與設計歷史無關的并行設計等。,當前特征建模需要解決的問題： 缺乏產品制造信息定義的有效手段，目前制造特征的識別與提取仍需依賴人的交互來完成。 因此，從CAD到CAPP再到CAM的集成有待進一步研究。,二

23、維、三維模型的全關聯(lián)技術,所謂全關聯(lián)技術是指裝配設計、零件結構設計、工程圖設計過程中所有參數(shù)共用，如果在某種設計環(huán)境下（例如零件設計）修改其設計參數(shù)，則其它設計環(huán)境（如裝配設計、工程繪圖）下的設計參數(shù)及設計狀態(tài)也應自適應變化： 裝配設計??零件設計??工程圖設計 目前三維CAD系統(tǒng)均采用特征造型方法，三維裝配環(huán)境與零件設計環(huán)境實現(xiàn)了關聯(lián)設計（自適應設計），但對二維工程圖的生成不盡完善。 主

24、要原因是：工程圖的國標化表達要求。,例：零件與裝配的關聯(lián)設計（自適應設計）,大規(guī)模裝配技術,解決復雜工程產品設計中大規(guī)模數(shù)據(jù)顯示、快速裝配規(guī)劃與求解的技術瓶頸問題，是實現(xiàn)數(shù)字化設計與預裝配評估的前提。,汽車含數(shù)萬個零部件，飛機則達到幾十萬個，這樣大型規(guī)模的裝配對計算機的軟硬件性能要求都很高。,機械零部件的原始模型數(shù)據(jù)經過三角化引擎而生成用于顯示大量的三角片數(shù)據(jù)，即顯示數(shù)據(jù)。 最直接顯示機械零部件模型的方法是逐一對這些三角

25、片進行渲染，算法簡單、顯示精細。然而顯示數(shù)據(jù)龐大，尤其汽車或飛機類大型模型，巨大的數(shù)據(jù)量圖形工作站也難堪重負。 此外網絡傳輸也是障礙，造成協(xié)同設計困難。,因此，需要一種優(yōu)化算法來減小顯示數(shù)據(jù)量的規(guī)模，同時又要盡量保證圖形不會失真。 這種優(yōu)化算法基于一種稱為多細節(jié)層次（Level of Detail， 簡稱LOD）技術。LOD技術是基于這樣一個思想：人眼對于各個模型或模型的各個部分有著不同程度的敏感度，

26、敏感度較大的部分采用較精細的渲染方式，即用較多的三角形去渲染，而敏感度較小的地方則采用較粗糙的渲染方式。,LOD算法思想,產品知識處理技術,解決設計中工程知識的處理技術（知識獲取、表達、推理、管理），采用知識處理工具將設計知識與產品設計造型融合，實現(xiàn)知識驅動的產品創(chuàng)新設計CAD工具平臺。,提供一種知識架構讓設計人員把設計知識作用于產品造型過程； 提供創(chuàng)建參數(shù)約束、設計規(guī)則等知識的能力，并對知識進行有效管理；

27、 提供方便的知識重用工具，最終形成嵌入到CAD系統(tǒng)中的知識管理引擎。 將知識編譯、知識工具以及知識庫推理機封裝為知識管理構件，供外部產品設計工具系統(tǒng)調用。,（a）,（b）,（c）,例如：多方案選擇1）輸入軸徑與輸出軸徑不等，用法蘭聯(lián)軸器(a)；2）如果扭矩<100，用無鍵壓縮聯(lián)軸器（c）；3）其它情況下用有鍵夾緊聯(lián)軸器（b）。,CAD數(shù)據(jù)交換技術,CAD接口技術與二次開發(fā),CAD、CAE、CAPP、CA

28、M、PLM的集成技術,不同CAD系統(tǒng)的幾何不兼容、拓撲不兼容、容差不兼容、語義語法不兼容，格式不兼容。,函數(shù)抽象歸類，接口對象封裝，組件（中間件）機制，滿足不同的程序語言與不同的應用開發(fā)。,共享的集成產品信息模型是關鍵，也是難點,11. 三維CAD系統(tǒng)及關鍵技術,系統(tǒng)功能需求2. 系統(tǒng)體系結構3. 部分關鍵技術4. 系統(tǒng)開發(fā)簡介,目前的三條思路：1）從底層平臺開始開發(fā)2）購買幾何引擎，進行通用平臺和專業(yè)應用開發(fā)3）基于成熟

29、商用系統(tǒng)進行專業(yè)化二次開發(fā),1、從底層平臺開始，所有版權自主,代表：CATIAUGPro/EGEMS,部分模塊和算法也需購買，降低風險和成本。,2、購買幾何引擎，進行通用平臺和專業(yè)應用開發(fā),目前幾何引擎：ACIS、Parasolid提供幾何造型功能： 曲線、曲面表達 基本幾何形體定義 曲面求交、裁剪 形體布爾運算 數(shù)據(jù)結構管理及內存管理