数字化设计与制造技术教学大纲

数字化设计与制造技术教学大纲
1.概述（两个学时）
1、CAD/CAM的基本含义及其特点（重点）
2、CAD/CAM技术发展简介
3、CAD/CAM系统的组成及基本类型
4、CAD/CAM作业过程
5、CAD/CAM系统应具备的基本功能（重点）
6、当前CAD/CAM系统常用软件
以上六点可参照2000年的讲义。

7、CAD/CAM关键技术简介（重点）
实体造型、特征技术、参数化变量化方法、曲面造型、工程制图、装配技术、有限元网格剖分方法、产品数据管理、CAM。

2.实体造型（六个学时）
1、形体在计算机内的表示
表示形体的坐标系
几何元素的定义（重点，尤其是定义形体的层次结构）
表示形体的线框、表面、实体模型（重点）
常用的形体表示方法（重点，尤其是CSG和Brep表示）2、边界表示的数据结构与欧拉操作
翼边结构（重点）
欧拉操作
3、求交算法
点与各几何元素的求交算法
线与各几何元素的求交算法
面与各几何元素的求交算法
4、集合运算
一维几何元素的集合运算（重点）
二维几何元素的集合运算
三维几何元素的集合运算
5、常用的其他造型方法
分数维造型
从二维正投影图构造三维形体
从二维图象信息够三维形体
3.特征造型（两个学时）
3.1.特征技术产生的背景
特征技术是CAD/CAM技术发展中的一个新里程碑，它是在CAD/CAM技术的发展和应用达到一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化、自动化程度的历史进程中孕育成长起来的。

现代设计制造系统的发展趋势是集成化、智能化，目的是达到高度的自动化。

实现上述目标的基础是给系统的各个环节提供能够共享的产品定义。

现有的CAD/CAM系统，因不能用一个完整的产品模型来支持各工程应用活动，在设计、制造及检验的各个环节中，使用者需要重复地输入和识别一些信息，定义一些新模型，以满足各工程应用子系统的具体需要，各子系统的概念信息也必须依靠人工来识别和综合处理，从而导致产品自动设计和制造中信息处理的中断，人为干预量大，数据大量重复处理的后果。

其主要原因是作为当代CAD系统的核心实体造型存在下列不足：
⑴产品定义信息不完备。

实体造型主要用来定义产品公称几何形状，而许多反映设计意图和工艺要求的信息，如公差、材料性质等难以在数据库中一起表达。

这里由于工艺信息的表达既与高级的形状特征有关，又与低级的点、线、面几何要素有关，而实体造型难以提供这些信息。

⑵数据的抽象层次低。

实体造型只能以低级的几何/拓扑信息来描述几何形状，而工程师进行思想交流，以及CIMS智能化处理过程中涉及的信息往往是高层的概念实体。

⑶支持产品设计的环境较差。

传统的几何造型不利于进行创造性设计，这是因为它不能方便地修改设计模型，并且，即使实体零件的参数已被定义，在每次零件再生时，也必须重新显示输入所有参数。

因此，必须开发取代现有实体造型的支撑系统，为CAD/CAM系统提供完备的和多层次的产品信息。

这些信息能在无人干预的条件下，为设计、分析、制造所接受，且能在各应用子系统间自动变换，使CAD/CAM集成，以至CIMS的实现走向现实，由此产生了特征技术。

特征技术是人工智能应用于实体模型的结果，它表达的产品信息完备且含有丰富的语义信息，为CAD/CAM集成提供了有力基础。

3.2.特征造型的特点和作用
特征造型方法与前一代的几何造型方法相比较，有以下特点和作用：
⑴过去的CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，都是着眼于完善产品的几何描述能力；而特征造型则是着眼于更好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。

它的目的是用计算机可以理解和处理的统一产品模型，替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备各环节可以并行展开，信息流畅通。

⑵它使产品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，而是产品的功能要素，象螺纹孔、定位孔、键槽等。

特征的引用直接体现设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样更容易修改。

设计人员可以将更多精力用在创造性构思上。

⑶它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各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造前提。

⑷它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，使得产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构有更好的工艺性。

⑸它将推动各行业实践经验的归纳总结，从中提炼更多规律性知识，以丰富各领域专家的规则库和知识库，促进智能CAD系统和智能制造系统的逐步实现。

3.3.特征技术的研究概况
特征技术研究的萌芽产生于八十年代初，并于八十年代的中后期蓬勃发展起来。

STEP 标准中将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使特征获得了国际标准的法定地位。

国外许多研究单位和学者对特征技术的发展和应用做出了贡献。

例如，英国Cranfield 理工学院的Pratt和Wilson为CAM-I提出了一个按形状和构造特点对形状特征分类的模式；美国Arizona州立大学的Shah探讨了特征表达和解释问题，开发出ASU特征试验台；芬兰赫尔辛基技术大学的Mantyla教授研制了特征造型系统EXTDesign；意大利热亚那应用数学研究所的Falcidieno等人提出了边界模型表示特征对象的描述方法，特征识别方法，并开发了相应的系统；德国柏林技术大学的Beitz开发了基于特征的造型系统GEKO；Douglas等人研究了用凸多面体分解法进行加工特征几何推理技术；Turner等人研究了公差特征模型建立的问题；Roy等人研究了尺寸及公差表示处理的问题；Jaroslaw等人研究了特征编辑与查询技术；美国Purdue大学的Anderson等人研究了基于特征设计工艺规程的几何推理问题。

在国内，北京航空航天大学、清华大学、华中理工大学、浙江大学、上海交通大学、西北工业大学等，以及其他一些单位也发表了一些关于特征技术研究的论著，并开发了一些特征造型系统。

近年来，商业CAD软件及工具基本都融入了特征的思想和方法。

例如，PTC公司的产品Pro/Engineer，SDRC的产品I-DEAS Master Series、UGS公司的产品Unigraphics、IBM 公司的产品CA TIA/CADAM、Autodesk公司的产品MDT，中国广州红地技术有限公司的产品“金银花(LONICERA)”系统，等等。

3.4.特征的定义
客观事物都是由事物本身的特性体及其相互关系构成。

一般地讲，特征是客观事物特点的征象或标志。

目前人们对于CAD中特征的定义尚没有达到完全统一。

在研究特征技术的过程中，国内外学者从不同的侧面、不同的角度，根据需要给特征赋予了不同的含义。

在机械行业中，特征源于使用在各种设计、分析和加工活动的推理过程，并且经常紧密地联系到特定的应用领域，因而产生了不同的特征定义。

当我们提到特征时，通常是指形状特征。

形状特征的一种定义是面向规划的，例如，工件特征定义为：在工件的表面、边或角上形成的特定的几何构型。

另一种涉及工艺规划的形状特征定义为: 工件上一个有一定特性的几何形状，其对于一种机械加工过程是特定的，或者用于装夹和/或测量目的。

随着特征技术由工艺规划向设计、检验和工程分析方面的拓展，特征定义趋向于更一般化，下面是一些特征定义的例子:
(1)用于描述零件和装配体的语义组，它将功能、设计和制造信息组合在一起；
(2)一个几何形状或形体要素，它至少具有一种CIM功能；
(3) 产品信息的载体，它可以在设计和制造或者其他工程任务之间辅助设计或进行通
讯；
(4) 任何用于设计、工程分析和制造的推理的客观对象；
(5) 设计人员感兴趣的区域。

研究人员提出了许多不同的特征，例如，功能性的特征有: 装配特征，配合特征，结构特征和抽象特征。

抽象特征可用于设计过程，这是由于许多特征的细节在设计完成前并不清楚。

抽象特征的定义为: 直到所有的变量被确定才能被具体化或实现的客观对象。

不论特征的定义如何，但有一点似乎是共同的，即特征最终要联系到某个几何形状。

Shah明确了一个特征至少满足的要求: 零件的一个结构组元；可影射到某个形状类；有工程意义；有可预测的性质。

总之，特征是产品信息的集合，它不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状，且反映特定的工程语义，适宜在设计、分析和制造中使用。

我们应该将特征理解为一个专业术语，它兼有形状和功能两种属性，从它的名称和语义足以联想其特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。

3.5.特征的表示方法
目前，常用的特征的表示方法主要有以下三种：
⑴基于B-rep的方法: 在B-rep 方法中，特征被定义为一个零件的相互联系的面的集合(面集)。

这些特征也被称为“面特征”。

B-rep 模型是基于图的，所有的几何/拓扑信息显式地表达在面棗边棗顶点图中，因此，B-rep模型常被称为赋值的模型。

B-rep 表示特征的方法受到许多研究者的喜欢，这是因为可以得到充足的信息以及它是基于图的表示方法(许多特征识别系统是基于图表示的)。

B-rep模型可以与属性值(如，表面粗糙度，材料等)、尺寸和公差联系在一起，B-rep 方法的缺点是它与特征体素和体积特征没有直接的联系，特征操作(如，删除特征)难于进行。

⑵基于CSG 的方法: 基于CSG 的特征表达方法将特征定义为体积元素，体积元素通过布尔操作构造零件。

使用CSG 表示方法简捷、有效、易于编辑和操作体素，并提供CSG 和特征体素之间有意义的联系，而且二叉树可用于特征模型的构造。

对于特征提取，CSG 模型的主要问题是其表示的不唯一性，以及缺少对低层的构形元素的显式表达。

然而，给CSG 模型赋值，推导出其相应的边界表示，就可以克服这些问题。

⑶基于混合CSG/B-rep的方法: 由于CSG 和B-rep表示方法都各有优缺点，因此，汲取二者优点的混合表示方法便产生了。

Nnaji和Liu开发了一个工艺规划系统，可以提取基于CSG 的信息(B-rep信息是由CSG 模型导出的)。

重新构造CSG 树和B-rep信息，使其成为以一种混合形式来表示特征的另一种CSG 树。

Roy和Liu提出一种混合CSG/B-rep方法表示特征及尺寸和公差。

特征的层次结构提供物体组件关系的多级表示，并在每级的细节保持有边界表示。

Gossard等人提出一种在几何造型中显式地表示尺寸公差和几何特征的方法，此方法将CSG 和B-rep表示结合在一个被称为形体图的图结构中。

混合CSG/B-rep方法是设计系统中表示特征的较好方法，这是因为它同时兼有CSG 模型及B-rep模型的优点: CSG 模型易于对高层元素操作，B-rep模型易于与低层元素(点、线、面)附加尺寸、公差和其他属性。

3.6.特征模型的建立方法
以特征来表示零件的方式即为零件的特征模型。

由于特征的定义常依赖于应用，因而对不同的应用就有不同的特征模型，例如，有设计特征模型，制造特征模型，形状特征模型等。

在几何造型环境下建立特征模型主要有两种方法。

一种方法是特征识别: 首先建立一个几何模型，然后用程序处理这个几何模型，自动地发现并提取特征。

另一种方法是基于特征的设计：直接用特征来定义零件的几何结构，几何模型可以由特征生成。

图1为两种方法的示意图。

近年来，又产生了一种混合特征建模方法，即特征设计与识别的集成建模方法。

(1) 特征识别
许多应用程序，象工艺规划、NC编程、成组技术编码等所要求的输入信息包含几何构造和特征两方面。

现已开发出各种技术方法，可以直接从几何模型数据库中获得这些输入信息。

这些方法常被看作特征识别，它将几何模型的某部分与预定义的特征型相比较，进而识别出相匹配的特征例。

特征识别常包含以下几个过程:
(i) 搜寻特征库，以匹配拓扑/几何模式;
(ii) 自数据库中提取已识别的特征;
(iii) 确定特征参数(如，孔直径，槽深度等);
(iv) 完成特征的几何模型(边/面延展，封闭等);
(v) 将简单的特征组合，以获得高层特征。

特征识别中的关键技术主要有：匹配、构形元素(点、线、面等)生长、体积分解、自CSG树中识别特征等等。

匹配: 首先按照几何/拓扑特点定义特征型，然后搜寻算法确定哪一种特征型存在于几何模型(或其重构模型)中。

由于实体模型的数据结构通常是图结构，因此图匹配是特征识别常见的方法。

单纯的图匹配相当于拓扑匹配，其特点是依据构形元素的数目、拓扑类型、连通性和邻接性。

如果进行这种匹配，语义很不相同的特征将被分成为相同的，因此，使用几何关系进行细分类是必要的。

Kypianou基于邻接面相交的角度大小，将边分为凸边、凹边和平滑边，进而设计了一种分类系统。

边分类的概念被广泛地用于增广图模型中。

Joshi和Chang将Kypianou的分类概念用于增广邻接图(AAG),特征型被定义为AAG图，图的结点表示面，弧表示面集的公共边，弧被赋予标识凸边和凹边的属性值。

可是这种方法不能获得特征的细节，例如，方槽与燕尾槽被看作是同种特征。

另一种用于匹配的方法是句法模式识别。

在这样的系统中，几何模式由一系列的直线、圆弧或其他的曲线段描述。

简单的模式可以组成复合模式。

已开发出描述和操作这些模式的语言。

通过对描述形体的语法分析可以识别出特征。

Kypianou和Choi采用了句法模式识别方法。

形体构形元素生长: 在许多特征识别算法中，通过加/减一个相应于此特征的体积形状移去已被识别出的特征。

由于已被识别出的特征并不总是构成一个封闭体，因此，可能需要
加入特征面以封闭此特征。

这常常被看作是形体构形元素生长。

有些方法使用面扩展，有些方法使用边延伸，两类方法中，新的拓扑元素通过相交形成。

如图2，在Falcidieno的方法中，面的边被延伸形成一体积,这也形成新边和新顶点。

体积分解: 体积分解的目的是由毛坯中识别出将要被去除的材料体，然后将这个体积分解为与机械加工操作相对应的单元体。

将要被移去的总体积是通过毛坯与成品体作布尔差运算得到的。

随后这个总体积被分解成与实际的机械加工操作相对应的单元体。

见图3所示的一个例子。

General/Dynamics为CAM-I作了关于体积分解的工作，其目的是要提高零件NC 编程的自动化程度。

自CSG树中识别: 由于CSG树表示形体的不唯一性，自CSG模型中提取特征并不太容易。

一个零件模型可以用许多CSG树表示，这就需要许多形状语法或者模板来匹配这些树。

为了解决这些问题，Lee和Fu，Herbert等将任意CSG树重新构造，形成唯一的计算机可理解的树，然后重构树的结点，即可被识别器所识别。

Li和Y u，Perng等人将CSG树转变为DSG(Destructive Solid Geometry)树，然后由DSG树中识别出特征。

(2) 基于特征的设计
在基于特征的设计方法中，特征从一开始就加入在产品模型中，特征型的定义被放入一个库中，通过定义尺寸、位置参数和各种属性值可以建立特征实例。

下面讨论两种主要的基于特征的设计方法。

特征分割造型: 这种方法最初是由Arbab在他的博士论文中提出的。

零件模型是通过毛坯材料与特征的布尔运算创建的。

利用移去毛坯材料的操作，将毛坯模型转变为最终的零件模型，设计和加工规划可以同时生成。

使用这种方法的原形系统已在Stanford和Purdue展示过，商品化系统Pro/Engineer也支持这种系统。

Purdue系统中的毛坯是一个方形块，Stanford 系统中的毛坯是一个凸起的形状(由平移扫掠形成)。

Pro/Engineer系统中，毛坯可以是由平移扫掠或者旋转扫掠而成的任意形状。

这些系统使用预定义的特征集，在Purdue和Stanford 系统中，工艺规划随每次设计改动而生成并检测。

特征合成法：系统允许设计人员通过加或减特征进行设计。

首先通过一定的规划和过程预定义一般特征，建立一般特征库，然后对一般特征实例化，并对特征实例进行修改、拷贝、删除生成实体模型，导出特定的参数值等操作，建立产品模型。

ASU特征试验台使用了这种方法。

(3) 特征设计与识别的集成建模方法
零件的特征模型可以以两种不同的方法创建：基于特征的设计和特征识别。

使用这两种方法的问题是它们通常工作在一个顺序工程的环境中。

利用第一种方法，特征模型是在设计阶段创建的，这样设计人员所得到的信息就会立即包含在模型中，可是用户在面向一个特定的应用之前就需要特征的定义。

这种方式，用于设计的特征集是有限的，而且生成的特征模
型是严格地依赖于某一个应用场合的，它不能在不同的应用场合之间共享。

在特征识别方法中，特征是从零件的几何模型中提取的。

设计人员可以较自由地利用几何体素定义物体形状，但已知的功能信息就丢失了。

几何描述可以适应不同的场合，然而仅可以识别出数据库中已存储的特征。

由此看来，基于特征的设计以及特征识别方法，如果单独使用，或者以严格的顺序方式使用，并不能完美地支持产品零件特征模型的构建。

在并行工程环境中，进行有效的基于特征的建模方法似乎应当是以上两种方法的结合。

基于集成方法的系统应该提供以下功能：利用特征和几何体素生成产品的特征模型，创建特定应用的特征类别，在不同的应用场合之间对特征集进行映射。

这样，用户可以直接使用特征，设计零件的一部分；同时还可以使用底层的实体造型器，设计零件的其他部分。

下面举一个例子。

假如我们要定义如图4a所示的一个简单零件。

怎样以特征对这个零件建模，因不同的应用场合而有所不同。

例如，这个零件可以被解释成含有一个槽、一个台阶和四个通孔的阵列模式(图4b)；或者含有两个肋及四个通孔的阵列模式(图4c)。

如果用基于特征的设计方法对这个零件建模，那么应用的具体场合必须是既定的，这样可以使用通孔的阵列、槽和台阶等特征建模(图5a)；或者使用通孔的阵列、两个肋等特征建模(图5b)。

另一方面，如果采用特征识别方法，那么应用场合可以以后再确定，两个肋、台阶和槽等特征采用不同的规则就可以被识别出来，但是当要识别复合特征“四个通孔的阵列”时，就会有很大的难度。

实际上，设计人员已经知道了这个特征。

在这种情况下，一个更有效的方法应当是一种“混合”的方法，如图6所示，它允许设计人员创建这个零件模型时，部分地使用底层的实体造型器中的扫掠造型功能，以及使用基于特征的设计的建模器中的“创建阵列模式”的功能，即可建造图4a所示的零件。

目前，虽然在特征识别和基于特征的设计方面，研究人员已经做了许多工作，但是关于二者的集成系统的研究尝试却很少。

可以预计，特征设计与识别的集成建模方法，是特征技术发展的一个新趋势，它可以以灵活、高效的方式为设计人员提供一种更完美的特征建模方法，但是关于它的许多重要的技术问题还没有解决。

4.曲面造型（十个学时）
4.1.概述
曲面造型(Surface Modeling)是计算机辅助几何设计(Computer Aided Geometric Design,CAGD)和计算机图形学(Computer Graphics)的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。

它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由Coons、Bezier等大师于二十世纪六十年代奠定其理论基础。

如今经过三十多年的发展，曲面造型现在已形成了以有理B样条曲面(Rational B-spline Surface)参数化特征设计和隐式代数曲面(Implicit Algebraic Surface)表示这两类方法为主体，以插值(Interpolation)、拟合(Fitting)、逼近(Approximation)这三种手段为骨架的几何理论体系。

对曲面造型的简要回顾
形状信息的核心问题是计算机表示，即要解决既适合计算机处理，且有效地满足形状表示与几何设计要求，又便于形状信息传递和产品数据交换的形状描述的数学方法。

1963年美国波音飞机公司的Ferguson首先提出将曲线曲面表示为参数的矢函数方法，并引入参数三次曲线。

从此曲线曲面的参数化形式成为形状数学描述的标准形式。

1964年美国麻省理工学院的Coons发表一种具有一般性的曲面描述方法，给定围成封闭曲线的四条边界就可定义一块曲面。

但这种方法存在形状控制与连接问题。

1971年法国雷诺汽车公司的Bezier 提出一种由控制多边形设计曲线的新方法。

这种方法不仅简单易用，而且漂亮地解决了整体形状控制问题，把曲线曲面的设计向前推进了一大步，为曲面造型的进一步发展奠定了坚实的基础。

但Bezier方法仍存在连接问题和局部修改问题。

到1972年，de-Boor总结、给出了关于B样条的一套标准算法，1974年Gordon和Riesenfeld又把B样条理论应用于形状描述，最终提出了B样条方法。

这种方法继承了Bezier方法的一切优点，克服了Bezier方法存在的缺点，较成功地解决了局部控制问题，又轻而易举地在参数连续性基础上解决了连接问题，从而使自由型曲线曲面形状的描述问题得到较好解决。

但随着生产的发展，B样条方法显示出明显不足棗不能精确表示圆锥截线及初等解析曲面，这就造成了产品几何定义的不唯一，使曲线曲面没有统一的数学描述形式，容易造成生产管理混乱。

为了满足工业界进一步的要求，1975年美国Syracuse大学的V ersprille首次提出有理B样条方法。

后来由于Piegl 和Tiller等人的功绩，终于使非均匀有理B样条(NURBS)方法成为现代曲面造型中最为广泛流行的技术。

NURBS方法的提出和广泛流行是生产发展的必然结果。

NURBS方法的突出优点是：可以精确地表示二次规则曲线曲面，从而能用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面，而其它非有理方法无法做到这一点；具有可影响曲线曲面形状的权因子，使形状更宜于控制和实现；NURBS方法是非有理B样条方法在四维空间的直接推广，多数非有理B样条曲线曲面的性质及其相应算法也适用于NURBS曲线曲面，便于继承和发展。

由于NURBS方法的这些突出优点，国际标准化组织(ISO)于1991年颁布了关于工业产品数据交换的STEP国际标准，将NURBS方法作为定义工业产品几何形状的唯一数学描述方法，从而使NURBS方法成为曲面造型技术发展趋势中最重要的基础。

曲面造型的现状与发展趋势
随着计算机图形显示对于真实性、实时性和交互性要求的日益增强，随着几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢这一趋势的日益明显，随着图形工业和制造工业。