基于UG的产品三维设计实验Word文档格式.doc
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面
环
边
点
表面
顶点
(2)壳
壳由一组连续的面围成的封闭边界,实体的边界称为外壳,如果壳所包围的空间是个空集则为内壳。
(3)面
面是由一个外环和若干个内环界定的有界的、不连通的表面。
面具有方向性,面的方向用垂直于面的法矢表示,法矢向外的面为正面、反之为反面。
法矢的方向由外环的旋向按右手法则确定。
(4)环
图1形体的表示层次
环是由有序、有向的边组成的封闭边界。
环中各条边不能相交,相邻两边共享一个端点。
环的概念和面的概念密切相关,环有内环、外环之分,确定面的最大边界的环称为外环,而确定面内孔或者凸台边界的环称为内环。
内环的方向与外环的方向相反,外环通常按逆时针方向,内环通常按顺时针方向。
(5)边
边是形体中两个相邻面的交界,一条边只能有两个相邻的面,且由两个端点定界,它们分别称为该边的起点和终点,边可以是空间直线,也可以是空间曲线。
曲线边则由一系列型值点和控制点表示,也可用显式或隐式方程表示。
(6)点
点是边的端点,点不允许出现在边的内部,也不能孤立地存在于形体内、形体外或面内。
点是几何造型中最基本的元素,它可以是形体的顶点,也可以是曲线曲面的控制点、型值点、插值点。
另外,在三维几何建模中有两个关键的概念:
(1)顶点
顶点是指面中两条不共线线段的交点,顶点不能孤立存在于实体内、外或面和边的内部。
(2)体素
体素是指可由若干个参数描述的基本形体,如方块、圆柱、球、环等。
体素也可以是由定义的轮廓沿指定迹线扫描生成的空间。
3.几何建模的种类
根据描述方法、存储的几何信息和拓扑信息的不同,传统的三维几何造型系统主要有3种类型:
线框模型(WireFrameModel)、实体模型(SolidModel)、表面模型(SurfaceModel)。
通常,可根据工程设计和制造的难易程度来选择相应的模型和造型技术。
近些年来,为适应CAD/CAM集成环境的需要,人们在实体模型的基础上,研究开发了特征建模技术,形成了新的CAD模型,即特征模型(FeatureModel)。
特征建模技术一直是CAD/CAM领域的研究热点,并取得了巨大的进展。
目前,新一代的CAD/CAM系统(如UG,Pro/E等)都是基于特征的参数化实体造型系统。
五、UG的三维几何建模技术
1.用户界面简要介绍
1)窗口结构
Unigraphics(简称UG)在Windows中的用户界面如图2所示。
图2UG基本界面
2)工具条
工具条是一行使用者可以用来启动标准UG菜单项目的图标。
如图3所示。
用户可以利用【工具→自定义】来消隐或显示工具条,也可以添加或移出工具条命令。
图3自定义工具条
3)建模操作步骤
UG的一般建模操作步骤包括:
1)建立一个新的UG部件文件或恢复一个已存在的UG部件:
【文件→新建…】,或【文件→打开…】;
2)选择一个应用:
建模、装配、制图…;
3)检查/预设置参数:
【首选项→对象/建模/草图】…;
4)建立少数关键设计变量:
【工具→表达式】…;
5)分析对象:
【信息】或【分析】→…;
6)修改对象:
【编辑】→…;
7)保存UG部件文件:
【文件→保存】。
2.UG建模方法
1)建模方法简介
(1)显示建模
显示建模是非参数化建模。
对一个或多个对象所做的改变不影响其他对象或最终模型。
如过两个已存在的点建立一条线,或过三个已存在点建立一个圆弧,如果移动其中一个点,线/圆弧不会改变。
(2)参数化建模
参数化模型能进一步进行编辑,定义模型的参数值随模型存储。
参数之间彼此可以引用,以建立模型及各个特征间的关系。
(3)基于约束的建模
在基于约束的建模中,模型的几何体是从作用到定义模型几何体的一组设计规则——称之为约束,用于驱动或求解。
这些约束可以是尺寸约束(如草图尺寸或定位尺寸)或几何约束(如平行度或相切),如一条线相切到一个弧,设计者的意图是线的角度改变时仍维持相切。
(4)复合建模
复合建模是上述三种建模技术的发展和选择性组合。
UG复合建模支持传统的显示几何建模、基于约束的草绘和参数化特征建模,是多种建模方式无缝的集成。
(5)基于特征的建模
零件三维模型是带时间戳记的特征组成。
零件三维模型=∑特征(时间戳记)
2)基于特征的建模过程
Unigraphics基于特征的建模过程是仿真零件的加工过程。
(1)毛坯
毛坯取自成形特征,用作毛坯的成形特征如图4所示。
毛坯可以由体素特征或扫描特征形成。
体素特征:
简单的解析形状,如长方体、圆柱、圆锥、球体等。
扫描特征:
截面线串的拉伸、旋转、沿路径扫描等。
图4体素特征
(2)粗加工
粗加工取自成形特征,用于仿真粗加工过程,如图5所示。
o向毛坯添加材料(正特征):
凸台(圆柱、圆锥)和凸垫(矩形、通用形状)。
o由毛坯减去材料(负特征):
孔、腔、键槽、沟槽等等。
o用户自定义特征:
可添加或减去。
图5粗加工特征
(3)精加工
特征操作用于仿真精加工过程,如图6所示。
o布尔运算:
求和、求差、求交。
o边缘操作:
边缘倒圆、面倒圆、倒角
o面操作:
拔模、补片体、简化体、偏置面、约束面等。
o体操作:
抽壳、螺纹、缝合。
包裹几何体、比例体、修剪体、分割体、提升体。
图6精加工特征
(4)模型导航器
模型导航器可以用于识别模型的不同特征,模型导航器窗口被选择的特征将在图形区中高亮显示,反之图形区被选择的特征在模型导航器窗口中也会被高亮显示。
开关模型导航器中与特征名关联的对号盒可以控制特征在图形区是否显示。
模型导航器允许选中一特征,然后右键点击,进行各项相关的编辑功能。
3.制作曲线与绘制草图
制作曲线功能主要包括制作简单曲线和复杂曲线。
1)制作简单曲线
简单曲线包括基本曲线(直线、圆弧、圆和圆角)、倒角、矩形和多边形。
执行【插入】|【曲线】|【基本曲线】命令,弹出【基本曲线】对话框,如图7所示。
通过该对话框可以实现绘制直线、圆弧、圆、倒圆角,以及裁减和编辑曲线参数等功能。
图7基本曲线对话框
【基本曲线】对话框中的选项及其功能如表1所示。
表1【基本曲线】对话框中的选项及其功能
选项
功能介绍
【无限制】复选框
绘制的直线沿绘制方向延伸至图形窗口的边界处
【增量】复选框
选中该复选框,代表给定的增量值相对于上一点,而非相对于工作坐标系的;
反之亦然
【点方式】列表框
该下拉列表中的选项可用于指定各位置点的方式
【线串模式】复选框
以上一条曲线的终点作为下一条曲线的初始点,连续绘制曲线
【打断线串】按钮
在线串模式时,单击该按钮可以终止线串模式
(1)绘制直线
单击【基本曲线】对话框中的按钮,或在默认状态下进入绘制直线模式。
此时图形窗口下方会出现如图所示的【跟踪栏】工具栏,如图8所示。
其中包括两部分内容,前半部分为XC、YC、ZC所对应的文本框,用于跟踪点;
后半部分为长度、角度和偏置对应的文本框,用于设置直线的参数。
图8绘制直线跟踪栏
(2)绘制圆弧
单击【基本曲线】对话框中的按钮,进入绘制圆弧模式。
此时出现的【跟踪栏】工具栏前半部分与直线相同,后半部分为直径、圆弧起始角和圆弧终止角所对应的文本框,用于设置圆弧的参数。
图9绘制圆弧跟踪栏
(3)曲线倒圆角
单击【基本曲线】对话框中的按钮,弹出【曲线倒圆】对话框,其中选项及其功能介绍如表2所示。
表2【曲线倒圆】对话框中的选项及其功能介绍
简单倒圆,对在同一平面内但不平行的两条直线倒圆角
两曲线倒圆,对任意两天曲线倒圆角
三曲线倒圆,对任意3条曲线倒圆角
【半径】文本框
设定圆角的半径
【继承】按钮
继承上一圆角的半径
【裁剪第一条曲线】
对第一条曲线执行自动裁剪
【裁剪第二条曲线】
对第二条曲线执行自动裁剪
【裁剪第三条曲线】
对第三条曲线执行自动裁剪
【点构造器】
进行2曲线倒圆和3曲线倒圆时,可以用指定点来代替曲线,即在点与曲线之间,甚至点与点之间倒圆角
2)制作复杂曲线
(1)绘制椭圆
执行【插入】|【曲线】|【椭圆】命令,弹出【点构造器】对话框。
确定中心点,弹出如图10所示的【椭圆】对话框。
输入各项参数,绘制出椭圆。
图10椭圆对话框图11抛物线对话框
(2)绘制抛物线
执行【插入】|【曲线】|【抛物线】命令,弹出【点构造器】对话框。
确定顶点,弹出如图11所示的【抛物线】对话框。
输入各项参数,绘制出抛物线。
(3)绘制双曲线
执行【插入】|【曲线】|【双曲线】命令,弹出【点构造器】对话框。
确定中心点,弹出如图12所示的【双曲线】对话框。
输入各项参数,绘制出双曲线。
图12双曲线对话框
(4)绘制螺旋曲线
螺旋曲线可以分为普通螺旋线和特殊螺旋线,具体操作见实验步骤中的例子。
(5)绘制规律曲线
执行【插入】|【曲线】|【规律曲线】命令,弹出【规律函数】对话框,定义了如表3所示7种规律曲线的方式。
表3规律曲线的7种方式
【恒定的】
绘制曲线时,设定为该规律的坐标保持常数
【线性】
绘制曲线时,设定为该规律的坐标在某个数值范围内呈线性变化
【三次】
绘制曲线时,设定为该规律的坐标在某个数值范围内呈三次曲线变化
【沿着脊线的值-线性】
绘制曲线时,设定为该规律的坐标在沿一条脊线设置的两点或多点所对应的规律值范围内呈线性变化
【沿着脊线的值-三次】
绘制曲线时,设定为该规律的坐标在沿一条脊线设置的两点或多点所对应的规律值范围内呈三次曲线变化
【根据公式】
绘制曲线时,设定为该规律的坐标根据表达式变化
【根据规律曲线】
绘制曲线时,设定为该规律的坐标按已存的另一条规律曲线的规律变化
4.实体建模
1)体素特征
一个体素是基本解析形状的一个实体,它可以用作在实体建模过程启动时的基本形状,当建立一个体素时,必须规定它的类型与尺寸以及在模型空间的位置与方位。
基本的体素特征包括:
长方体、圆柱体、圆锥体和球体等。
注意:
体素是参数化的,但特征间互不关联,每个体素都是相对于模型空间建立的。
2)由曲线生成实体模型
由曲线生成实体模型,包括拉伸、回转和沿引导线扫描曲线生成实体。
5.特征建模
特征建模是UGCAD功能的核心建模工具,UG的基于特征和约束的建模技术功能强大、操作简便,并具有交互建立和编辑复杂实体模型的能力。
1)创建基准特征
实体建模相对简单,它在系统默认的基准平面和基准下完成。
若要创建较复杂的实体模型,仅仅依靠系统提供的基准面和基准轴是不够的,还需要用户根据实际情况构建新的基准面和基准轴。
(1)基准面
执行【插入】→【基准/点】→【基准平面】命令,弹出【基准平面】对话框。
其中提供了10种建立基准平面的方式,即自动判断、点和方向、点在曲线上、偏置和成一角度、等分面、曲线和点、两行、到目标点、线或面以及对象平面。
(2)基准轴
执行【插入】→【基准/点】→【基准轴】命令,弹出【基准轴】对话框。
基准面有4种约束方式,即自动判断(推理约束)、重合、平行和垂直。
【基准轴】对话框提供了5种建立基准平面的方式,即自动判断、点和方向、两点、点在曲线上和固定基准。
(3)基准坐标系
执行【插入】→【基准/点】→【基准CSYS】命令,弹出【基准CSYS】对话框。
其中提供了6种建立基准坐标系的方法,即自动判断、原点与X点Y点、三平面、原点与X轴Y轴、ACS,以及当前视图的CSYS、CSYStoCSYS。
利用该对话框可构造基准坐标系,其方法与构造坐标系相同。
2)设计特征操作
创建实体模型后可通过设计特征操作,在实体上创建特征,包括孔、圆台、腔体、凸垫、键槽和沟槽等。
(1)孔
执行【插入】→【设计特征】→【孔】命令,弹出【孔】对话框。
其中提供了3种孔的方法,即简单孔、沉头孔和埋头孔。
(2)圆台
执行【插入】→【设计特征】→【圆台】命令,弹出【圆台】对话框。
(3)腔体
执行【插入】→【设计特征】→【腔体】命令,弹出【腔体】对话框。
其中提供了3种腔体的建立方法,即圆柱形腔体、矩形腔体和一般腔体。
它们的建立方式类似。
(4)凸垫
执行【插入】→【设计特征】→【凸垫】命令,弹出【凸垫】对话框。
其中提供了2种凸垫的建立方式,即直角坐标凸垫和一般凸垫。
(5)键槽
执行【插入】→【设计特征】→【键槽】命令,弹出【键槽】对话框。
其中提供了5种类型键槽的建立方法,即矩形键槽、球形键槽、U形键槽、T形键槽和燕尾槽。
(6)沟槽
执行【插入】→【设计特征】→【沟槽】命令,弹出【沟槽】对话框。
其中提供了3种沟槽的建立方法,即矩形沟槽、球形沟槽和U形沟槽。
(7)浮雕体
执行【插入】→【设计特征】→【Emboss】命令,弹出【Emboss】对话框。
在其中可以生成类似浮雕体的凸起和凹陷特征。
(8)螺纹
执行【插入】→【设计特征】→【螺纹】命令,弹出【螺纹】对话框。
提供了2种螺纹建立方法,即符号螺纹和详细螺纹。
3)细节特征操作
创建实体模型后,还需对实体进行局部细化,如倒角、倒圆、拔模和抽壳等。
边倒圆
执行【插入】→【细节特征】→【边倒圆】命令,弹出【边倒圆】对话框,在其中可对实体模型进行边倒圆操作。
(1)倒角
执行【插入】→【细节特征】→【倒角】命令,弹出【倒角】对话框,提示用户选择要倒角的线。
(2)拔模
执行【插入】→【细节特征】→【拔模角】命令,弹出【拔模角】对话框。
其中提供4种拔模的方法,即面拔模、边拔模、相切拔模和分割线拔模。
(3)抽壳
执行【插入】→【偏置/比例】→【偏置】命令,弹出【偏置曲面】对话框。
(4)偏置面
执行【插入】→【偏置/比例】→【偏置面】命令,弹出【偏置面】对话框。
有两种情况不能执行偏置面操作,一是偏置后实体模型的拓扑结构发生编号,如增加或减少了实体面;
而是偏置后实体可能产生自交现象。
(5)比例
执行【插入】→【偏置/比例】→【比例】命令,弹出【比例】对话框。
其中提供了3种比例缩放的方法,即均匀的、轴对称的和一般的比例缩放。
4)编辑特征
建立模型特征后,有时需要对其进行修改,即编辑特征。
(1)复制模型特征
执行【插入】→【关联复制】→【引用】命令,弹出【引用】对话框。
其中提供了5种复制模型特征的方法,即矩形阵列、环形阵列、镜像体、镜像特征和图样面。
(2)参数编辑
执行【编辑】→【特征】→【编辑参数】命令或右击要编辑的特征,在弹出的快捷菜单中选择【编辑参数】,弹出【编辑参数】对话框。
其中提供了3种编辑参数操作的方法,即特征对话、重新附着和改变类型。
(3)定位编辑
执行【编辑】→【特征】→【编辑定位】命令或右击要编辑的特征,在弹出的快捷菜单中选择【编辑参数】,弹出【编辑定位】对话框。
其中提供了3种编辑参数操作的方法,即添加尺寸、编辑尺寸值和删除尺寸。
(4)特征抑制和释放
执行【编辑】→【特征】→【抑制】命令或右击要编辑的特征,在弹出的快捷菜单中选择【抑制】,弹出【抑制特征】对话框。
在列表中选择或直接在图形窗口选择要抑制的特征,单击【确定】,所选特征及与所选特征相关联的其它特征被抑制。
执行【编辑】→【特征】→【取消抑制】命令,弹出【取消抑制特征】对话框。
在列表中选择选择要释放的特征,单击【确定】,所选特征被释放。
(5)实体布尔运算
实体布尔运算包括并运算、差运算和相交运算。
六、实验步骤
实验分成3个部分,分别为曲线建模、草图建模和特征建模练习。
其中练习1、2是曲线建模技术,练习3为草图建模技术,练习4为特征建模技术。
练习1:
绘制一条普通螺旋线,螺距为5mm,半径为20mm,转数为10,右旋。
步骤:
1)执行【插入】|【曲线】|【螺旋】命令,弹出如图13所示的【螺旋线】对话框。
2)输入螺旋线的各项参数,在【转数】中输入10,在【螺距】中输入5,选择【输入半径】单选按钮,并在半径中输入20,在【旋转方向】选项组中选择【右手】。
3)单击【确定】,绘制需要的螺旋线,结果如图14所示。
图13螺旋线对话框图14右旋螺旋线
练习2:
绘制一条盘形螺旋线,螺距为1mm,半径从1mm到20mm变化,转数为10,左旋。
1)执行【插入】|【曲线】|【螺旋】命令,弹出【螺旋线】对话框。
2)输入螺旋线的各项参数,在【转数】中输入10,在【螺距】中输入1,选择【使用准则线】单选按钮,弹出如图15所示的【规律函数】对话框。
3)单击【线性】按钮,弹出如图16所示【规律控制的】对话框,在相应的文本框中输入起始值1,终止值20。
4)单击【确定】按钮,弹出【螺旋线】对话框,选择【左手】单选按钮。
5)单击【确定】按钮,绘制需要的螺旋线,结果如图17所示。
图15规律函数对话框图16规律控制的对话框
图17左旋螺旋线
练习3:
运用草图建模技术,对圆柱滚子轴承零件进行建模
1)设计要求
本例旨在通过创建一个圆锥滚子轴承的零件模型来熟悉UG草图建模操作的基本过程。
设计思路
(1)绘制草图曲线,然后拉伸成轴承内外圈;
(2)绘制草图曲线,然后拉伸成滚子沟槽;
(3)绘制草图曲线,然后拉伸成单个滚子;
(4)引用环形阵列,生成其他滚子;
(5)在需要的地方倒角。
2)设计步骤
(1)启动UG,新建一个名为“bearing.prt”的部件文件,并设置单位为毫米,如图18所示。
执行【应用】|【建模】命令,进入建模模块。
图18新建零件模型文件
(2)绘制草图
执行【插入】|【草图】命令,弹出创建草图工具栏,选择XC-YC坐标平面作为草图平面,单击工具栏中按钮进入草图绘制平面。
执行【插入】|【圆】命令,弹出绘制轮廓工具栏。
绘制直径分别为36mm、32mm、28mm、20mm的4个同心圆,如图19所示。
图19草图
执行【任务】|【完成草图】命令,或单击按钮完成草图,并退出草图编辑状态,回到建模模式。
(3)创建拉伸特征
执行【插入】|【设计特征】|【拉伸】命令,弹出拉伸工具栏,单击按钮,弹出【拉伸】对话框,如图20所示,选择刚做好的同心圆截面草图作为要拉伸的截面几何体。
选择下拉列表框中的ZC轴作为拉伸方向。
选择下拉列表框中的创建图标。
在【结束】文本框中输入10,单击【确定】,完成拉伸操作,如图21所示。
图20拉伸对话框图21拉伸后的模型
(4)绘制草图
执行【插入】|【草图】命令,弹出创建草图工具栏,单击创建基准平面按钮,在下拉列表框中选择平行图标,选择如图所示的参考面,输入偏置值-1.5,创建一个基准平面,如图22所示。
单击工具栏中的按钮,进入草图绘制平面。
图22偏置基准
执行【插入】|【圆】命令,弹出绘制轮廓工具栏,绘制直径分别为28mm和26mm的两个圆。
图23拉伸草图
执行【任务】|【完成草图】命令,退出草图编辑状态,返回建模模式。
(5)通过拉伸创建沟槽特征
执行【插入】|【设计特征】|【拉伸】命令,弹出拉伸工具栏。
单击按钮,弹出【拉伸】对话框,选择刚刚做好的同心圆截面草图作为要拉伸的截面几何体。
在下拉列表框中选择ZC轴作为拉伸方向。
在下拉列表框中选择图标,并选择新的拉伸体作为要扣除的目标体特征。
在【结束】文本框中输入7mm。
单击按钮,完成拉伸操作,结果如图23所示。
(6)绘制草图
执行【插入】|【草图】命令,弹出创建草图工具栏,并提示指定一个平面作为绘制草图的平面。
选择上一步中创建的基准面作为绘图平面。
进入草图绘制平面。
绘制直径为3mm圆。
执行【任务】|【完成草图命令】,或单击按钮完成草图,并退出草图编辑状态回到建模模式。
(7)通过拉伸创建滚子
在【拉伸】对话框中,选择刚刚做好的圆形截面草图作为要拉伸的截面几何体。
单击按钮,完成拉伸操作,结果如图24所示。
图24生成滚子图25实例对话框
(8)创建滚子阵列
执行【插入】|【关联复制】|【实例】命令,弹出如图25所示的【实例】对话框。
单击【圆周阵列】按钮,弹出【过滤器】对话框,提示用户选择要引用的特征。
图25生成实例
选中滚子圆柱特征,单击按钮,弹出如图24所示的【实例】对话框。
输入数字24,角度为15°
。
单击按钮,弹出如图26所示的【实例】对话框,要求用户选择一个回转轴。
单击【点和方向】,弹出【矢量构造器】对话框,选择ZC轴为回转轴。
在【矢量构造器】对话框,选择圆柱体中心作为环形阵列参考点。
完成引用操作,结果如图27所示。
图26实例引用方向图27完成环形阵列
(9)创建倒角特征
执行【插入】|【细节特征】|【倒角】命令,或单击工具栏中的按钮,弹出如图28所示的【倒角】对话框。
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