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1、文庫專用,1,三維參數(shù)化造型及設計,第五講 特征技術(shù)應用與零件設計,文庫專用,2,一、特征技術(shù)的應用,特征技術(shù)具有鮮明的工程性和層次性，加上參數(shù)化技術(shù)的支持，可以方便地編輯模型，在產(chǎn)品模型的控制和更改方面提供了廣泛的潛力。 但是特征技術(shù)強大的控制能力利用得好，可以使模型維護與更改方便。而運用不當，缺乏良好規(guī)劃的特征關(guān)系會使設計中點滴之處的微小修改導致整個模型意想不到的結(jié)果。 了解特征的層次性和時序性，在特征的各層次之間合理規(guī)劃建模的策略，逐步完成實體模型的建立。特征造型的優(yōu)勢并非造型的速度，而是通過對特征關(guān)系的調(diào)整迅速完成模型的調(diào)整。,文庫專用,3,1、基于特征的CAD系統(tǒng)的建模層次如下圖所示
2、，基于特征的產(chǎn)品造型分為四個層次: 草圖、特征、零件和產(chǎn)品。其中特征是三維造型的基本單元。 圖 基于特征的產(chǎn)品造型,文庫專用,4,草圖提供生成特征的基本信息，如拉伸特征的截面等，草圖中存在著幾何約束與尺寸約束。從草圖生成特征需要追加特征構(gòu)建參數(shù)，如拉伸特征中的深度等。 在特征層次中，特征之間的關(guān)系十分復雜，既包括類似于草圖中的尺寸約束和幾何約束，還有特征之間的父子關(guān)系和時序關(guān)系。 一系列的特征經(jīng)過組合、剪裁、陣列、鏡向等操作形成零件模型，零件模型中需要體現(xiàn)設計意圖，反映產(chǎn)品的基本特性。 零件按照裝配要求生成產(chǎn)品的整體模型，CAD軟件不僅支持靜態(tài)裝配，還可以演示產(chǎn)品中零件的相互運動關(guān)系。在產(chǎn)品
3、總體層次體現(xiàn)設計意圖，如產(chǎn)品中零件的相互空間位置等。,文庫專用,5,2、特征關(guān)系的類別和影響 在特征之間有如下幾種關(guān)系：幾何與尺寸關(guān)系、拓撲關(guān)系和時序關(guān)系。 特征之間的幾何和尺寸關(guān)系主要在特征草圖中設定，幾何關(guān)系包括特征草圖實體之間的相切、等距等幾何關(guān)聯(lián)方式。尺寸關(guān)系設定特征草圖實體之間的距離和角度關(guān)聯(lián)。,文庫專用,6,拓撲關(guān)系指的是幾何實體在空間中的相互位置關(guān)系。例如孔對于實體模型的貫穿關(guān)系，面之間的相切或者等距關(guān)系等。對于特征而言，拓撲關(guān)系主要體現(xiàn)在特征定義的終止條件中，如完全貫穿、到離指定面指定的距離等終止條件方式?jīng)Q定了特征之間的拓撲關(guān)系。這種拓撲關(guān)系不會因為特征草圖尺寸的變化而發(fā)生改變
4、。,文庫專用,7,特征建立時序是特征技術(shù)的重要特點，對于特征技術(shù)而言，由于特征關(guān)系的問題，使得特征建立的次序成為重要因素。首先后期的特征需要借用前面特征的有關(guān)要素，例如定義草圖時借用己有特征的輪廓建立幾何和尺寸關(guān)系等。其次，特征的拓撲關(guān)系是在已有特征的環(huán)境下設定的，而不會影響到其后的特征。,文庫專用,8,3、父特征與子特征，父子關(guān)系如果一個特征的建立參照了其他特征的元素，則被參照特征成為該特征的父特征，而該特征稱為父特征的子特征。父特征與子特征之間形成父子關(guān)系，在SolidWorks的幫助文件中這樣解釋父子關(guān)系：當某些特征生成于其他特征之上時，則以前生成特征的存在決定了它們的存在。此新的特征稱
5、為子特征。例如，一個實體上有一個孔，孔便是這個實體的子特征。父特征是其他特征所依賴的現(xiàn)有特征。例如，凸臺是其邊線圓角特征的父特征。,文庫專用,9,父子關(guān)系的這種解釋方法重點放在了特征的建立次序方面，實際上并沒有包含父子關(guān)系的所有方面。這里將父子特征關(guān)系區(qū)分為如下幾種類型： 基準關(guān)系、幾何與尺寸關(guān)系、拓撲關(guān)系、派生關(guān)系、數(shù)學關(guān)系 在特征管理樹中，子特征肯定位于父特征之后，不要試圖將子特征移動到父特征之前。刪除父特征會同時刪除子特征，而刪除子特征不會影響父特征。,表 父子關(guān)系的類型,文庫專用,10,4、特征技術(shù)應用的關(guān)鍵 設計的控制是產(chǎn)品設計中的關(guān)鍵問題，三維設計不僅在效率和造型方法方面改變了傳統(tǒng)
6、手工設計的基本方法，更為主要的是三維產(chǎn)品設計由于應用特征技術(shù)、數(shù)據(jù)一致性和設計信息的全局化應用等特點，導致其控制的重要性遠遠大于造型本身。打個形象的比方，在傳統(tǒng)的手工設計階段，我們采用的是效率低下的圖板，雖然速度緩慢但是安全，設計圖紙中的錯誤可以采用同等的工作量去進行修正。,文庫專用,11,而在利用基于特征技術(shù)的CAD系統(tǒng)時，雖然可以方便地利用其中的父子關(guān)系、變更參數(shù)等高效率的建模方法，但是如果在特征關(guān)系處理上方法失策，就會為后續(xù)的工作積累無窮的隱患，因此要深入了解各種特征技術(shù)的功能和應用場合，努力做到設計意圖與產(chǎn)品造型方法選擇的一致性。如果沒有做到這點，修正模型需要花費巨大的工作量去理清幾何
7、模型中的各種關(guān)系，甚至重新來過。所以了解并掌握特征關(guān)系是使用三維CAD軟件的終極目標之一。,文庫專用,12,5、特征建模的一些基本規(guī)則 在特征造型中，由于層次性和建模時序的交織，不同的建模方式不僅在速度上有所差異，更會影響到后續(xù)的模型維護與修改等方面。 特征建模中需要遵循的幾種基本的原則：合理規(guī)劃關(guān)系出現(xiàn)的層次，定義關(guān)系所處的層次需注意：比較固定的關(guān)系封裝在較低層次，需要經(jīng)常調(diào)整的關(guān)系放在較高層次。先建立構(gòu)成零件基本形態(tài)的主要特征和較大尺度的特征，然后再添加輔助的圓角、倒角等輔助特征。先確立特征的幾何形狀，然后再確定特征尺寸，在必要的情況下添加特征之間的尺寸和幾何關(guān)系。,文庫專用,13,二、零
8、件設計的基本步驟和原則,1、零件設計的地位和基本任務 零件設計是產(chǎn)品設計的基本組成部分，就企業(yè)而言，零件設計的功能包括如下幾個方面： 結(jié)構(gòu)設計：將產(chǎn)品決策階段的產(chǎn)品功能實現(xiàn)方案轉(zhuǎn)換為具體的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。確定產(chǎn)品各部分的幾何形狀和精確尺寸。 工程屬性定義：按照產(chǎn)品的運動要求、材料的力學屬性等指定產(chǎn)品的工程屬性，如運動配合與靜態(tài)配合的公差，零件金屬材料的選用和熱處理方式等。,文庫專用,14, 產(chǎn)品系列化：為了滿足市場需求的多樣性，企業(yè)往往推出規(guī)格與配置有所差別的產(chǎn)品系列。這需要在設計中指定相應的零件規(guī)格系列和產(chǎn)品裝配配置方式。 產(chǎn)品設計規(guī)范和信息存檔：對于初具規(guī)模的企業(yè)而言，產(chǎn)品的設計與制造都是連續(xù)性
9、的行為，因此繼承以往的設計與制造經(jīng)驗具有極其重要的意義。在產(chǎn)品設計中既需要利用已有的規(guī)范，也需要考慮將典型的新設計方案上升為企業(yè)設計規(guī)范。,文庫專用,15, 設計展示：企業(yè)面向客戶需求展開相應的產(chǎn)品開發(fā)活動，因此產(chǎn)品的設計需要采用生動直觀的方式展現(xiàn)給客戶，產(chǎn)品的展示設計方案是產(chǎn)品設計的重要組成部分。 CAD需要在各個方面支持零件設計的任務實現(xiàn)，由于時間關(guān)系，本講主要介紹CAD的零件設計中結(jié)構(gòu)設計。而由于特征技術(shù)的特殊性，CAD的零件設計需要深入結(jié)合特征技術(shù)的功能。,文庫專用,16,2、零件設計的基本步驟 從設計的起點和依據(jù)劃分，產(chǎn)品設計分為自底向上設計與自頂向下設計兩種。自頂向下設計方式需要采
10、用裝配環(huán)境的功能，所以只介紹其概念，具體的討論需要在講述SolidWorks裝配體操作后進行。本講所介紹的零件設計主要針對自底向上設計以及比較簡單的獨立零件設計。,文庫專用,17,自頂向下和自底向上設計的區(qū)別在于設計出發(fā)點和依據(jù)的不同，自底向上設計從單一的零件個體著手，在完成零件設計后進行裝配從而完成整個產(chǎn)品的設計。而自頂向下設計則是先確定產(chǎn)品總體的基本結(jié)構(gòu)，包括裝配接口尺寸和空間關(guān)系，以此為依據(jù)展開單一零件的設計工作。這兩種設計途徑各有所長和適用環(huán)境，并不能夠說明哪種設計方式具有絕對的優(yōu)勢。,文庫專用,18,自底向上設計由于設計目標明確，設計過程比較容易把握。在這種設計方式中一般需要確定一個
11、零件設計的次序，后續(xù)設計的零件參考前面已經(jīng)完成或者即將完成設計的零件尺寸和空間結(jié)構(gòu)，因此整個設計過程就像一個串聯(lián)電路，方向單一、關(guān)系簡明。 然而這種設計方式的缺點也很明顯，首先是工作效率的低下，在復雜產(chǎn)品設計中，必須嚴格制訂和遵守零件設計的次序，對小組設計支持性較差，一旦展開設計活動的并行，協(xié)調(diào)起來十分麻煩，而且容易出錯。如果零件的空間結(jié)構(gòu)和運動關(guān)系十分復雜，自底向上設計容易導致零件設計之間的沖突。,文庫專用,19,自頂向下設計方式首先進行裝配體的設計，零件間的裝配關(guān)系和尺寸關(guān)系得到基本確認，可以將零件設計任務進行劃分，分配給多個設計人員同時進行設計，有助于提高設計的效率。但在實際應用中，自頂
12、向下設計由于在設計初期零件的基本空間尺寸結(jié)構(gòu)還沒有確定，很難預知零件之間的相互關(guān)系，因此說單純的自頂向下設計方式就如同搭建一個空中樓閣，缺乏基礎。 在實際設計中，自頂向下設計方式的優(yōu)勢體現(xiàn)在解決具有復雜運動方式和空間結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品設計上，通過在裝配環(huán)境中定義與調(diào)整相關(guān)零件的尺寸和幾何形狀，可以有效地保證產(chǎn)品的運動要求。,文庫專用,20,在實際工作中，往往綜合兩種設計方式，從而在設計的效率、精確性等方面取得均衡。 一般的設計流程如下： （1）首先通過小組共同討論的方式確定產(chǎn)品的基本構(gòu)造，將產(chǎn)品分解為部件，并將分解的設計任務分配給對應的設計小組，這是設計過程的第一步分工。在討論中主要借助傳統(tǒng)的手工草圖
13、方式描述產(chǎn)品的框架結(jié)構(gòu)，也可以借助于3DSMAX、MAYA等快速造型工具進行產(chǎn)品的演示性設計。,文庫專用,21,（2）當部件設計任務分配到設計小組后，再次展開組內(nèi)的討論，確定部件中結(jié)構(gòu)最為復雜、性能最為重要的零件作為關(guān)鍵零件，圍繞此零件進行相應的設計，主要的設計職責由組內(nèi)的“技術(shù)權(quán)威”承擔，這屬于自底向上的設計方式，也是產(chǎn)品設計中的第二次分工。而在關(guān)鍵零件設計完成后，就可以將該關(guān)鍵零件進行裝配，在裝配環(huán)境下展開其他零件的設計，此時采用的是自頂向下的設計方式。,文庫專用,22,（3）在基本的結(jié)構(gòu)設計完成后，重新召開由各個設計小組的負責人參加的協(xié)調(diào)會，進行產(chǎn)品的裝配試驗和運動仿真，考查部件的配合性能，檢查其中是否存在干涉。如果存在問題，就需要進行討論和協(xié)調(diào)，制定出解決方案。各個設計小組按照解決方案進行零部件設計的調(diào)整和修正。經(jīng)過多次反復后，形成滿意的產(chǎn)品設計。,文庫專用,23,（4）產(chǎn)品設計完成后，需要進行系列化，這是滿足市場需求多樣性的有效方式。針對產(chǎn)品設計的結(jié)構(gòu)形式和尺寸進行系列化調(diào)整，從而形成產(chǎn)品族。 （5）最終的設計成果需要進入產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，進行保存，作為今后設計的參照。 分析設計的基本步驟，可以看出零件設計的結(jié)果要滿足易于調(diào)整和系列化的需要，因此在設計中需要采用特定的技術(shù)，這就是我們前面所說的設計控制問題。,
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