第6章 基于特征参数化的机械设计

计算机辅助设计与制造基于特征参数化的机械设计制作：彭浩舸计算机辅助设计与制造本章学习目标•通过实例了解PRO/E特征参数建模•学习标准件库建立方法•掌握自顶向下设计思想•理解虚拟装配技术和图形渲染•学习工程图设计重点：参数化设计概念理解和应用计算机辅助设计与制造学习内容1.特征参数化设计概述2.标准件库设计3.虚拟装配技术4.图形渲染5.工程图设计计算机辅助设计与制造1.特征参数化设计概述•齿轮减速器特征建模分析•基于Pro/E的参数化特征设计基础•基于Pro/E的参数化特征造型实现基于特征参数化设计技术是面向产品制造全过程的信息描述和信息关系的产品数字建模方法Pro/E、I-DEAS…都一定程度上以参数化、变量化、特征设计为特点参数化建模指在参数化造型过程中记录建模过程和其中的变量(即捕捉设计意图)以及用户执行的CAD/CAM/CAE功能操作利用参数化技术进行设计、修改非常方便，用户构造几何模型时集中于概念和整体设计，可充分发挥设计者的创造性，提高设计效率计算机辅助设计与制造齿轮减速器的特征建模分析齿轮减速器是广泛应用的机械装置齿轮减速器盘类主特征辅特征轴类轮类箱体类标准件类精度特征类表格类轴承盖类轴套轴承类附件类联接件类密封件类联轴件类标题栏类明细表类齿轮减速器包含多种通用零件：如：齿轮、轴、轴承、螺纹紧固件、润滑装置、密封元件…计算机辅助设计与制造齿轮减速器的特征建模分析轴　　类圆柱面圆锥面花键成型面蜗杆主　特　征辅　特　征齿轮轴键槽过渡圆角退刀槽越程槽倒圆角中心孔轮　　类带轮类锥齿轮类链轴类柱齿轮类实心式孔板式轮辐式组合式整体式蜗轮类实心式孔板式组合式直齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮实心式孔板式组合式铰制孔螺栓联接过盈配合联接浇铸式腹板式精度特征配合公差零件公差尺寸公差特征粗糙度特征形状公差位置公差形位公差特征基孔制基轴制孔公差轴公差形状类轮廓类定位类跳动类定向类计算机辅助设计与制造基于SolidWorks的参数化特征设计基础SolidWorks三维特征造型包括虚拟特征和实特征虚拟特征：即基准特征，是建立模型的参考实特征：实体特征：拉伸、钻孔、倒圆角…曲面特征：拉伸、旋转、扫描、混成…设计特征：基本特征之上的加工特征计算机辅助设计与制造SolidWorks建立参数化特征模型一般流程计算机辅助设计与制造基于SolidWorks的参数化特征造型实现(1)构造基体根据初步设计方案，生成减速箱箱体的雏形(2)建立用户自定义特征库调用基本特征（如加凸台、挖孔、开槽…）建立特征库，形成所需的零件信息模型箱体零件参数化特征造型(3)构建箱体的形状特征模型从特征库中选择所需设计特征，输入设计参数，通过实体造型产生特征的几何模型，共同构成箱体的形状特征模型(4)编辑箱体特征对特征定形参数和定位参数进行编辑操作(5)真实感处理对箱体进行色彩设计、材质纹理处理，构建真实感数字模拟箱体计算机辅助设计与制造齿轮参数化特征设计SolidWorks具有强大的实体造型功能，而且能使用编程的方法通过公式精确控制轮齿的齿廓曲面形状以及对齿轮实现整体尺寸驱动基准设计阵列基准镜像基准造型基准编集程序文本文件编辑器齿轮坯设计加入关系Protrusion特征齿廓面设计镜像复制曲面加入关系编截面扫描创建曲面齿槽设计Group群组用UseQuilt切齿用Merge集成阵列齿槽加入关系设计特征开始结束添加其他特征计算机辅助设计与制造2.标准件库设计•三维标准件库构建方法•三维标准件库的建立•三维标准件库的使用机械产品中包含大量的标准件，建立标准件图形数据库，便于装配图的设计，节省大量的绘图时间，大大提高设计效率，减少不必要的重要劳动计算机辅助设计与制造三维标准件库构建方法任何零件均可看成是一基体与一些特征形体进行布尔运算形成的，基体及各特征体均为参数化特征体将标准图形特征分解并参数化，把标准中与参变量相对应的实际数据建成标准数据文件(数据库)，通过确定标准件参数绘制装配图上的标准件图形标准图形库包括：滚动轴承、联结件、紧固件、密封件…基于特征的设计是解决产品开发与过程设计信息集成问题的有效手段标准件库技术关键：三维参数化标准件图库标准件参数库特征模型在几何模型的基础上集成了高层工程信息，通过特征描述、管理和操作，用一般的点、线、面确定特征间的几何或拓扑关系，方便了工程语义的表达与交流计算机辅助设计与制造三维标准件库的建立三维参数化标准件图库参照国际标准(ISO)以及国家标准(GB)，利用特征造型技术建立尺寸驱动的参数模型建立参数模型根据标准件的特点确保证原型拥有最简的特征，并利用几何约束和拓扑约束定义标准件的几何形状，得到标准件的几何约束关系描述计算机辅助设计与制造三维标准件库的建立三维参数化标准件图库参照国际标准(ISO)以及国家标准(GB)，利用特征造型技术建立尺寸驱动的参数模型建立参数模型确定标准件的尺寸、特征参数名尺寸、特征参数名是构成几何体的几何要素，在整个使用过程中应该前后保持一致，保证标准件参数库的准确性计算机辅助设计与制造三维标准件库的建立三维参数化标准件图库参照国际标准(ISO)以及国家标准(GB)，利用特征造型技术建立尺寸驱动的参数模型建立参数模型确定标准件的尺寸、特征参数名确定标准件尺寸关系用代数表达式定义标准件基本尺寸间参数关系，将尺寸参数与尺寸之间的对应关系生成一个与标准件图素相联系的外部参数文件，通过改变参数文件中的有关变量，以尺寸驱动处理生成所需尺寸的标准件计算机辅助设计与制造三维标准件库的建立建立参数模型确定标准件的尺寸、特征参数名确定标准件尺寸关系建立三维参数化标准件图库用定义的标准件尺寸、特征参数名与尺寸关系描述生成一个不带具体几何数据的实体模型，形成三维标准件图库三维参数化标准件图库参照国际标准(ISO)以及国家标准(GB)，利用特征造型技术建立尺寸驱动的参数模型计算机辅助设计与制造三维标准件库的建立三维标准件特征参数库按原型零件确定的尺寸、特征参数名，将每种标准件按类型分类，然后将其所有规格全部录入到标准件参数库中，形成三维标准件特征参数库。三维标准件特征参数库存储标准件的几何特性参数，通过查询主参数从数据库中调出相关的特性参数，再传递给三维标准件图库建立参数模型确定标准件的尺寸、特征参数名确定标准件尺寸关系建立三维参数化标准件图库三维参数化标准件图库参照国际标准(ISO)以及国家标准(GB)，利用特征造型技术建立尺寸驱动的参数模型计算机辅助设计与制造三维标准件库的使用在FileOpen对话框中直接选择打开零件调用标准件库中的标准件，弹出SelectInstance(选择子零件)对话框，默认以ByName(按名称)方式打开零件。在此方式下，对话框列出了原型文件及全部子零件，可以按标准件规格打开相应的零件也可单击ByParameter选项卡打开相应的零件，使用方便简洁计算机辅助设计与制造3.虚拟装配技术•基本装配方法•装配结果显示•自顶向下的设计零件造型完成以后，根据设计意图将不同零件组装在一起，形成与实际产品相一致的装配结构供设计者分析评估的方法称为装配造型大型的复杂装配不仅是零件的简单组合，它需要提供特殊的技术来提高工作效率，包括简化表达、模型替换、自上而下的设计…计算机辅助设计与制造基本装配方法部件是组成装配的单元一个装配由一系列的部件按照一定的约束关系组合在一起基部件是放到装配中的第一个部件基部件不能被删除或者禁止，不能被阵列，也不能变成附加部件装配造型一般步骤：1）生成基部件或基特征2）添加部件或特征计算机辅助设计与制造装配树：所有部件添加在基部件上形成的一个树状结构计算机辅助设计与制造装配结果显示单个部件显示类型包括：•线框类型•消隐类型•虚隐藏线类型•平滑明暗类型•不显示平滑明暗线框虚隐藏线消隐计算机辅助设计与制造爆炸图为清楚的表达一个装配，还可以将部件沿着装配路线拉开，形成爆炸图爆炸图多用作产品说明插图计算机辅助设计与制造自顶向下的设计自顶向下的设计方法：首先进行总体的原则设计，然后将总体原则贯穿到所有的子装配或者部件中自下而上的设计方法：先设计零件然后搭积木式地进行装配设计自顶向下的设计中首先申明各个子装配或零件的空间位置和体积，设定全局性的关键参数。当总体参数在设计中逐步确定并发生改变时，各个零件和子装配将随之改变，充分发挥参数化设计的优越性自顶向下的设计使各个装配件之间的关系变得更加密切，一个零件尺寸发生变化，对应的零件也将自动发生变化自顶向下的设计方法有利于不同的设计人员共同设计自顶向下的设计方法适合复杂的大型装配：计算机辅助设计与制造自顶向下的设计步骤：把各个子装配勾画出来，形成装配树。每个子装配可能来自一个已有的设计，或者仅包括定位虚平面甚至为空部件，随后再细化每个子装配。装配结构由产品总设计师设计并维护，公布给所有其他参加设计人员确定设计要求定义大致装配结构骨架模型设计将设计意图贯穿到装配结构部件设计传递设计条件每一个子装配都有一个骨架模型，用来在三维设计空间确定装配的空间位置和大小，部件与部件之间的关系以及简单的机构运动模型。骨架模型是装配设计的核心部件设计可在装配中直接进行，也可以装配已经完成的部件造型计算机辅助设计与制造4.图形渲染Pro/E中图形渲染主要包括：颜色和外观、灯光、透视以及照片着色…在计算机屏幕上逼真再现物体的外观造型可以吸引订购商，这一过程是计算机仿真产品设计实现的关键环节计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造5.工程图设计现代CAD系统的一个重要标志就是用三维实体模型代替二维绘图表达产品设计的所有信息理想目标:实现无纸化制造目前完全的无纸化制造对大多数企业还不够成熟，需要将基于三维实体模型的零件造型和装配造型转化为二维工程图纸，适应当前企业的生产现状计算机辅助设计与制造三维实体模型转化二维工程图优势：三维实体模型转化的二维工程图所表达的设计信息是三维实体造型的一个映射，零件设计、装配设计和工程图纸全相关基于三维实体模型的工程图几乎无需考虑投影变换、隐藏线、曲面相贯、轴测图、明细表等工程制图中颇为复杂的问题对于一个新设计而言，不可能所有的工作完全自动化，如何组织视图，利用软件提供的手段生成符合国家标注的、美观的工程图纸需要一定的知识和经验