【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 . 模具 CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理 模具 CAD是一個(gè)信息分析、處理和傳遞的過(guò)程。設(shè)計(jì)對(duì)象都是用數(shù)據(jù)來(lái)表示的。 根據(jù)數(shù)據(jù)狀 態(tài) ， 數(shù)據(jù)可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)： 靜態(tài)數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（工藝數(shù)表、模具結(jié)構(gòu)和零件標(biāo)準(zhǔn)） 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)：描述設(shè)計(jì)結(jié)果，用于模塊間的信息交換。 根據(jù)描述對(duì)象，數(shù)據(jù)也可分為圖形數(shù)據(jù)和非圖形數(shù)據(jù)： 圖形數(shù)據(jù)：表示形體的幾何模型和二維工程圖信息。 非圖形數(shù)據(jù)：標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和管理信息1) 用文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù) 直接利用操作系統(tǒng)的文件管理功能，實(shí)現(xiàn)目錄管理、文件管理和文件傳輸。程序語(yǔ)言提供文件操作語(yǔ)句，用于編程。特點(diǎn)： 簡(jiǎn)單易行；邏輯關(guān)系靈活。 數(shù)據(jù)文件根據(jù)應(yīng)用程序的需要而建立，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)適應(yīng)于應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)缺乏對(duì)程序的獨(dú)立性。2) 數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫(kù)：是所存儲(chǔ)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的集合。 數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息按一定的數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ) 根據(jù)數(shù)據(jù)模型的不同，數(shù)據(jù)庫(kù)可分為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、層次型數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)型數(shù)據(jù)庫(kù)。關(guān)系模型：若干 “ 關(guān)系框架 ” 組成的集合，一個(gè)關(guān)系是由 行和列組成的矩形表，行稱(chēng)為記錄，列稱(chēng)為字段。 見(jiàn) P36/圖 310所示圓凸模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。層次模型：以記錄類(lèi)型為結(jié)點(diǎn)的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)模型：以記錄類(lèi)型為結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 見(jiàn) P31/圖 37長(zhǎng)方體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)： ① 數(shù)據(jù)共享、減少了數(shù)據(jù)的冗余。 ② 數(shù)據(jù)獨(dú)立于應(yīng)用程序，程序改變不影響數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改變也不會(huì)影響程序。 ③ 可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、控制。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（ DBMS） 是管理數(shù)據(jù)庫(kù)的軟件，提供了對(duì)數(shù)據(jù)的定義、建立、查詢(xún)和修改等功能。是應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的接口。用戶(hù)可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不必了解數(shù)據(jù)庫(kù)的物理結(jié)構(gòu)。3) 工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) （ EDBMS） 商用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)已比較成熟，應(yīng)用比較廣泛，但并不完全適合工程數(shù)據(jù)管理的需要。商用數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)類(lèi)型簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)關(guān)系簡(jiǎn)單，基本上是靜態(tài)數(shù)據(jù)模式；工程數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜，數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，屬于動(dòng)態(tài)模式。 模具 CAD系統(tǒng)要求工程數(shù)據(jù)庫(kù)能夠管理多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)，包括圖形數(shù)據(jù)和非圖形數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。 工程數(shù)據(jù)庫(kù)尚不成熟。 CAD系統(tǒng)對(duì)工程數(shù)據(jù)的管理方法： ① 將商用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和文件系統(tǒng)相結(jié)合 由商用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)管理非圖形數(shù)據(jù)，利用文件系統(tǒng)管理圖形數(shù)據(jù)。集成為工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。 ② 擴(kuò)展已有的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) ③ 自行開(kāi)發(fā)新的 EDBMS， 用統(tǒng)一的方式管理各類(lèi)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)的工作量很大。 沖模 CAD系統(tǒng)采用方法 ① ，工程數(shù)據(jù)庫(kù)包含以下內(nèi)容：對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理 工藝數(shù)據(jù)庫(kù)：工藝設(shè)計(jì)資料 模具結(jié)構(gòu)庫(kù)：模具結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和裝配組合 模具零件庫(kù)：標(biāo)準(zhǔn)零件的參數(shù)庫(kù)和圖形庫(kù)對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的管理 CAD系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計(jì)結(jié)果和模塊之間的信 息傳遞，針對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的特點(diǎn)，建立合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型，以數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)和調(diào)用。二 . 圖形變換 主要指圖形的平移、比例、旋轉(zhuǎn)變換，是模具 CAD中幾何造型、圖形顯示處理的基礎(chǔ)。 圖形變換是對(duì)圖形幾何信息（點(diǎn)坐標(biāo)）的處理。1 變換原理 ① 平移變換 x’ = x + Tx y’ = y + Ty② 比例變換 x’ = x Sx y’ = y Sy Sx = Sy ： 縮放 Sx ≠ Sy ： 沿平行于坐標(biāo)軸的方向 拉伸或壓縮 Sx = 1 或 Sy = 1 ： 對(duì) y軸或 x軸的對(duì)稱(chēng)鏡向 Sx = Sy = 1 ： 以坐標(biāo)原點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)鏡向③ 旋轉(zhuǎn)變換 x’ = x cos ? + ysin ? y’ = x sin ? +y cos ?2 變換的矩陣表示 ① 齊次坐標(biāo) 點(diǎn)向量 [x y] 引入第三個(gè)分量，成為 [x y 1]， 即平面上的一個(gè)點(diǎn)（二維向量）用三個(gè)坐標(biāo)（三維向量）來(lái)表示。這種用 n+1維向量表示 n維向量的方法稱(chēng)為齊次坐標(biāo)表示法。 在齊次坐標(biāo)表示法中， n維向量的變換是在 n+1維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。n+1維空間中的一個(gè)向量可看做是 n維空間中的向量多了一個(gè)比例因子 H。 通常平面坐標(biāo)系中二維點(diǎn) [x,y]的齊次表達(dá)式是 [Hx Hy H],其中 H≠0。 齊次坐標(biāo)不存在位置向量的唯一表示，如 [15 9 3]， [30 18 6]和 [5 3 1]都表示坐標(biāo)點(diǎn)（ 5， 3）。 在二維變換中，令 H=1， 二維點(diǎn) (x,y)的齊次坐標(biāo)表示為 [x y 1]，其中 x,y坐標(biāo)不變，相當(dāng)于把二維空間變換限制在 H=1的平面內(nèi)。② 變換矩陣 平移變換矩陣 比例變換矩陣 旋轉(zhuǎn)變換矩陣 平移變換 [x’ y’ 1] = [x y 1]T 比例變換 [x’ y’ 1] = [x y 1]S 旋轉(zhuǎn)變換 [x’ y’ 1] = [x y 1]R3 變換的級(jí)聯(lián) 圖形進(jìn)行復(fù)雜的變換時(shí)，可以通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。一系列簡(jiǎn)單變換（變換序列）通過(guò)級(jí)聯(lián)組合成一個(gè)變換。 變換序列級(jí)聯(lián)時(shí)的順序問(wèn)題。 右圖三角形旋轉(zhuǎn) 90176。 平移 Tx=80Ty=0。 順序不同，得到圖形不同。 級(jí)聯(lián)的目的： 將一個(gè)變換序列表示成一個(gè)變換。設(shè)一個(gè)點(diǎn) P經(jīng)過(guò) n 次變換T T T3 … Tn， 則總的 變換結(jié)果為： P’ = P T1 T2 … Tn1 Tn = PT 總的變換矩陣： T = T1 T2 … Tn1 Tn例 : 平面圖形繞任意點(diǎn) C 旋轉(zhuǎn)的組合變換： ① 平移 C到坐標(biāo)原點(diǎn) ② 圖形繞 C逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) ? ③ 平移圖形恢復(fù)原坐標(biāo)系通過(guò)以上三種變換的有序級(jí)聯(lián)，總的變換矩陣為 編寫(xiě)程序：總變換矩陣 每個(gè)點(diǎn)的變換： [x y 1] T = [x’ y’ 1] x’ = xT11 + yT21 + T31 y’ = xT12 + yT22 + T32Sub revol(xc,yc,af) cs=cos(af):sn = sin(af) T11=cs:T12=sn:T21=sn:T22=cs T31=xc*cs+yc*sn+xc T32=xc*snyc*cs+yc For i = 1 To np x=p(i,1):y=p(i,2) p(i,1)=x*T11+y*T21+T31 p(i,2)=x*T12+y*T22+T32 Next iEnd sub三 .幾何造型1. 幾何造型中的基本概念1）形體的信息結(jié)構(gòu) 體：封閉表面圍成的有效空間，其邊界是有限個(gè)面的并集。 面：形體表面的一部分，由一個(gè)外環(huán)和若干內(nèi)環(huán)界定其有效范圍 環(huán)：由若干條有向邊組成的面的封閉邊界 , 環(huán)中各條邊順序相連 不能自交。 邊：形體兩個(gè)相鄰面的交界。 頂點(diǎn)：邊的端點(diǎn)。 幾何信息：幾何元素的幾何性質(zhì)和度量關(guān)系 拓?fù)湫畔ⅲ簬缀卧亻g的連接關(guān)系 體素：有限個(gè)尺寸參數(shù)定義的基本形體，如長(zhǎng)方體、圓柱體等。2) 布爾運(yùn)算：一種正則化的集合運(yùn)算，它保證兩個(gè)基本體素經(jīng)過(guò)運(yùn)算后所得的結(jié)果是有意義的。3) 歐拉公式：檢驗(yàn)幾何造型中所產(chǎn)生形體的合法性。 多面體的歐拉公式： F＋ V－ E = 2＋ R－ 2H2. 幾何造型在模具 CAD系統(tǒng)中的作用 1) 輸入形體（用一組數(shù)據(jù)表示形體） 2) 形體的編輯、修改、顯示和輸出 3) 幾何模型的數(shù)據(jù)管理 工藝設(shè)計(jì)要以工件幾何形狀和工藝特征為依據(jù)； 模具結(jié)構(gòu)特別是工作零件設(shè)計(jì)，有賴(lài)于產(chǎn)品零件的形狀 支持模具裝配和零件圖的生成與繪制。 幾何造型技術(shù)經(jīng)歷了線(xiàn)框造型、表面造型、實(shí)體造型、特征造型四個(gè)發(fā)展階段（見(jiàn) P48/圖 51）信息描述逐漸完備。 1) 線(xiàn)框造型 利用形體的棱邊和頂點(diǎn)表示產(chǎn)品的幾何形狀。 線(xiàn)框模型見(jiàn) P49/圖 52，由頂點(diǎn)表和棱線(xiàn)表組成。 優(yōu)點(diǎn)：模型簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)量小、顯示速度快、易修改。局限性：難以進(jìn)行形體表面的求交運(yùn)算、物性計(jì)算和消隱處 理。主要用于二維繪圖或其它造型方法的輔助工具。2）表面造型 在線(xiàn)框造型的基礎(chǔ)上，增加了形體表面信息。通過(guò)有向棱邊構(gòu)成形體表面，用面的集合來(lái)表達(dá)相應(yīng)的形體。 表面模型見(jiàn) P50/圖 54，在線(xiàn)框模型的基礎(chǔ)上增加了面表。幾何信息是完整的，可以進(jìn)行隱藏線(xiàn)、面的處理。局限性：沒(méi)有明確定義實(shí)體的存在側(cè)，沒(méi)有給出表面間 相互關(guān)系等拓?fù)湫畔?，難以直接進(jìn)行物性計(jì)算。 難以保證形體描述的有效性和一致性。3）實(shí)體造型 在表面模型的基礎(chǔ)上，增加了形體各部分之間的聯(lián)系信息以及表面的哪一側(cè)存在實(shí)體的信息。 形體用一個(gè)具有邊界子集和內(nèi)部子集的封閉點(diǎn)集來(lái)表示。 P50/圖 55為立方體的實(shí)體模型。優(yōu)點(diǎn)：可以完整全面地描述形體，具有完備的信息。 可進(jìn)行物性計(jì)算、檢測(cè)干涉、消除隱藏線(xiàn)（面） 和形體剖切等。 4）特征造型 引入特征概念，增加幾何實(shí)體的工程意義。線(xiàn)框、表面、實(shí)體造型都是從幾何角度定義物體形狀，不能描述物體的非幾何信息（材料、尺寸公差、熱處理等）。 從工程角度，對(duì)形體的各個(gè)組成部分及其特征進(jìn)行定義，特征造型是形狀和功能的組合。 特征是反映產(chǎn)品特點(diǎn)的，可按一定原則加以分類(lèi)的產(chǎn)品描述信息。 按產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的性質(zhì)，可將產(chǎn)品的特征分為形狀特征、精度特征、工藝特征、材料特征和裝配特征。其中形狀特征是其它特征的載體，非幾何信息一般作為屬性和約束附加在形狀特征上。 形狀特征：具有一定工程意義的形狀 精度特征：尺寸公差、表面精度等 工藝特征：加工方法、工藝要求等 材料特征：材料 類(lèi) 型、材料性能 特征造型方法： ① 人工輔助特征標(biāo)識(shí)：先建立幾何模型，然后交互檢取幾何要素，將特征信息作為屬性添加到特征模型中。 ② 自動(dòng)特征識(shí)別：建立幾何模型，啟動(dòng)專(zhuān)門(mén)的程序，自動(dòng)處理幾何數(shù)據(jù)庫(kù)，搜索并提取特征信息，產(chǎn)生特征模型。 ③ 基于特征的設(shè)計(jì)：將標(biāo)準(zhǔn)特征和用戶(hù)自定義特征存儲(chǔ)在特征庫(kù)中，以特征庫(kù)中的特征為基本造型單元，建立特征模型。4. 常用的形體表示模式 實(shí)體造型中，為描述形體的幾何信息和拓?fù)湫畔?。用抽象的幾何?shí)體來(lái)代表實(shí)際的形體。 1） 體素調(diào)用表示 2） 空間點(diǎn)列表示 3） 單元分解表示 4） 掃描變換表示 5） 構(gòu)造體素表示（ CSG） 6） 邊界表示 (BReps)1）體素調(diào)用表示 采用規(guī)范化的幾何形體及其形狀參數(shù)描述形體。規(guī)范化的幾何形體作變比變換和定義不同的參數(shù)值，可產(chǎn)生不同的形體（ P54/圖 58）特點(diǎn)： 由于初始形狀的限制，不能產(chǎn)生復(fù)雜的形體。在模具 CAD中用來(lái)描述標(biāo)準(zhǔn)零件。2）空間點(diǎn)列表示 將形體所在空間分割成具有固定形狀（如立方體），彼此相連的一系列單元，每個(gè)單元用其形心坐標(biāo)（ x,y,z） 表示。表示模式是坐標(biāo)參數(shù)的有序集合，即空間點(diǎn)列（ P54/圖 59）特點(diǎn)： 存儲(chǔ)量大，形體各部分之間關(guān)系不明確。近似表示物體的思想，可計(jì)算物性，搜索物體的邊界。 3）單元分解表示 先將形體分解為一系列容易描述的形狀單元，然后表示這些單元及其相互間的關(guān)系（ P55/圖 510）。特點(diǎn)：理論上可以描述任何物體，實(shí)際上存在困難，而 且表示不唯一。主要用于有限元的單元?jiǎng)澐帧?）掃描變換表示 一個(gè)二維圖形沿某一路徑掃描，產(chǎn)生新的形體。 表示模式：掃描的圖形（基體）和基體運(yùn)動(dòng)軌跡。 常用方式：（見(jiàn) P55/圖 511） 平移掃描： 運(yùn)動(dòng)軌跡為一直線(xiàn)， 描述 旋轉(zhuǎn)掃描： 運(yùn)動(dòng)軌跡為一圓或 圓弧，描述軸對(duì)稱(chēng) 形體。5）構(gòu)造體素表示（ CSG） 利用一些簡(jiǎn)單形狀的體素，經(jīng)變換和布爾運(yùn)算構(gòu)成復(fù)雜的形體。用二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述體素構(gòu)成復(fù)雜形體的關(guān)系（圖 512） 樹(shù)根表示定義的形體 葉表示體素