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三維參數(shù)化造型及設(shè)計(jì),第五講 特征技術(shù)應(yīng)用與零件設(shè)計(jì),1,一、特征技術(shù)的應(yīng)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(qiáng)大的控制能力利用得好，可以使模型維護(hù)與更改方便。而運(yùn)用不當(dāng)，缺乏良好規(guī)劃的特征關(guān)系會(huì)使設(shè)計(jì)中點(diǎn)滴之處的微小修改導(dǎo)致整個(gè)模型意想不到的結(jié)果。 了解特征的層次性和時(shí)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(shí)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。,2,1、基于特征的CAD系統(tǒng)的建模層次 如下圖所示，基于特征的產(chǎn)品造型分為四個(gè)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,3,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(fù)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(shí)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(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)關(guān)系。在產(chǎn)品總體層次體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，如產(chǎn)品中零件的相互空間位置等。,4,2、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?fù)潢P(guān)系和時(shí)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(shè)定，幾何關(guān)系包括特征草圖實(shí)體之間的相切、等距等幾何關(guān)聯(lián)方式。尺寸關(guān)系設(shè)定特征草圖實(shí)體之間的距離和角度關(guān)聯(lián)。,5,拓?fù)潢P(guān)系指的是幾何實(shí)體在空間中的相互位置關(guān)系。例如孔對于實(shí)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?fù)潢P(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?fù)潢P(guān)系。這種拓?fù)潢P(guān)系不會(huì)因?yàn)樘卣鞑輬D尺寸的變化而發(fā)生改變。,6,特征建立時(shí)序是特征技術(shù)的重要特點(diǎn)，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(shí)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?fù)潢P(guān)系是在已有特征的環(huán)境下設(shè)定的，而不會(huì)影響到其后的特征。,7,3、父特征與子特征，父子關(guān)系 如果一個(gè)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(dāng)某些特征生成于其他特征之上時(shí)，則以前生成特征的存在決定了它們的存在。此新的特征稱為子特征。例如，一個(gè)實(shí)體上有一個(gè)孔，孔便是這個(gè)實(shí)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(tái)是其邊線圓角特征的父特征。,8,父子關(guān)系的這種解釋方法重點(diǎn)放在了特征的建立次序方面，實(shí)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(zhǔn)關(guān)系、幾何與尺寸關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系、派生關(guān)系、數(shù)學(xué)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(dòng)到父特征之前。 刪除父特征會(huì)同時(shí)刪除子特征，而刪除子特征不會(huì)影響父特征。,表 父子關(guān)系的類型,9,4、特征技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵 設(shè)計(jì)的控制是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，三維設(shè)計(jì)不僅在效率和造型方法方面改變了傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)的基本方法，更為主要的是三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)由于應(yīng)用特征技術(shù)、數(shù)據(jù)一致性和設(shè)計(jì)信息的全局化應(yīng)用等特點(diǎn)，導(dǎo)致其控制的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于造型本身。打個(gè)形象的比方，在傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)圖紙中的錯(cuò)誤可以采用同等的工作量去進(jìn)行修正。,10,而在利用基于特征技術(shù)的CAD系統(tǒng)時(shí)，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(huì)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(yīng)用場合，努力做到設(shè)計(jì)意圖與產(chǎn)品造型方法選擇的一致性。如果沒有做到這點(diǎn)，修正模型需要花費(fèi)巨大的工作量去理清幾何模型中的各種關(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(biāo)之一。,11,5、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(shí)序的交織，不同的建模方式不僅在速度上有所差異，更會(huì)影響到后續(xù)的模型維護(hù)與修改等方面。 特征建模中需要遵循的幾種基本的原則： ①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。 ②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。 ③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。,12,二、零件設(shè)計(jì)的基本步驟和原則,1、零件設(shè)計(jì)的地位和基本任務(wù) 零件設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本組成部分，就企業(yè)而言，零件設(shè)計(jì)的功能包括如下幾個(gè)方面： ① 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：將產(chǎn)品決策階段的產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)方案轉(zhuǎn)換為具體的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。確定產(chǎn)品各部分的幾何形狀和精確尺寸。 ② 工程屬性定義：按照產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)要求、材料的力學(xué)屬性等指定產(chǎn)品的工程屬性，如運(yùn)動(dòng)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。,13,③ 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(shè)計(jì)中指定相應(yīng)的零件規(guī)格系列和產(chǎn)品裝配配置方式。 ④ 產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與制造都是連續(xù)性的行為，因此繼承以往的設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)具有極其重要的意義。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中既需要利用已有的規(guī)范，也需要考慮將典型的新設(shè)計(jì)方案上升為企業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范。,14,⑤ 設(shè)計(jì)展示：企業(yè)面向客戶需求展開相應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)，因此產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要采用生動(dòng)直觀的方式展現(xiàn)給客戶，產(chǎn)品的展示設(shè)計(jì)方案是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要組成部分。 CAD需要在各個(gè)方面支持零件設(shè)計(jì)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)，由于時(shí)間關(guān)系，本講主要介紹CAD的零件設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而由于特征技術(shù)的特殊性，CAD的零件設(shè)計(jì)需要深入結(jié)合特征技術(shù)的功能。,15,2、零件設(shè)計(jì)的基本步驟 從設(shè)計(jì)的起點(diǎn)和依據(jù)劃分，產(chǎn)品設(shè)計(jì)分為自底向上設(shè)計(jì)與自頂向下設(shè)計(jì)兩種。自頂向下設(shè)計(jì)方式需要采用裝配環(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(jìn)行。本講所介紹的零件設(shè)計(jì)主要針對自底向上設(shè)計(jì)以及比較簡單的獨(dú)立零件設(shè)計(jì)。,16,自頂向下和自底向上設(shè)計(jì)的區(qū)別在于設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)的不同，自底向上設(shè)計(jì)從單一的零件個(gè)體著手，在完成零件設(shè)計(jì)后進(jìn)行裝配從而完成整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。而自頂向下設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工作。這兩種設(shè)計(jì)途徑各有所長和適用環(huán)境，并不能夠說明哪種設(shè)計(jì)方式具有絕對的優(yōu)勢。,17,自底向上設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)目標(biāo)明確，設(shè)計(jì)過程比較容易把握。在這種設(shè)計(jì)方式中一般需要確定一個(gè)零件設(shè)計(jì)的次序，后續(xù)設(shè)計(jì)的零件參考前面已經(jīng)完成或者即將完成設(shè)計(jì)的零件尺寸和空間結(jié)構(gòu)，因此整個(gè)設(shè)計(jì)過程就像一個(gè)串聯(lián)電路，方向單一、關(guān)系簡明。 然而這種設(shè)計(jì)方式的缺點(diǎn)也很明顯，首先是工作效率的低下，在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，必須嚴(yán)格制訂和遵守零件設(shè)計(jì)的次序，對小組設(shè)計(jì)支持性較差，一旦展開設(shè)計(jì)活動(dòng)的并行，協(xié)調(diào)起來十分麻煩，而且容易出錯(cuò)。如果零件的空間結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系十分復(fù)雜，自底向上設(shè)計(jì)容易導(dǎo)致零件設(shè)計(jì)之間的沖突。,18,自頂向下設(shè)計(jì)方式首先進(jìn)行裝配體的設(shè)計(jì)，零件間的裝配關(guān)系和尺寸關(guān)系得到基本確認(rèn)，可以將零件設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行劃分，分配給多個(gè)設(shè)計(jì)人員同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，有助于提高設(shè)計(jì)的效率。但在實(shí)際應(yīng)用中，自頂向下設(shè)計(jì)由于在設(shè)計(jì)初期零件的基本空間尺寸結(jié)構(gòu)還沒有確定，很難預(yù)知零件之間的相互關(guān)系，因此說單純的自頂向下設(shè)計(jì)方式就如同搭建一個(gè)空中樓閣，缺乏基礎(chǔ)。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，自頂向下設(shè)計(jì)方式的優(yōu)勢體現(xiàn)在解決具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方式和空間結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)要求。,19,在實(shí)際工作中，往往綜合兩種設(shè)計(jì)方式，從而在設(shè)計(jì)的效率、精確性等方面取得均衡。 一般的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)任務(wù)分配給對應(yīng)的設(shè)計(jì)小組，這是設(shè)計(jì)過程的第一步分工。在討論中主要借助傳統(tǒng)的手工草圖方式描述產(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(jìn)行產(chǎn)品的演示性設(shè)計(jì)。,20,（2）當(dāng)部件設(shè)計(jì)任務(wù)分配到設(shè)計(jì)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(fù)雜、性能最為重要的零件作為關(guān)鍵零件，圍繞此零件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，主要的設(shè)計(jì)職責(zé)由組內(nèi)的“技術(shù)權(quán)威”承擔(dān)，這屬于自底向上的設(shè)計(jì)方式，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的第二次分工。而在關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)完成后，就可以將該關(guān)鍵零件進(jìn)行裝配，在裝配環(huán)境下展開其他零件的設(shè)計(jì)，此時(shí)采用的是自頂向下的設(shè)計(jì)方式。,21,（3）在基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，重新召開由各個(gè)設(shè)計(jì)小組的負(fù)責(zé)人參加的協(xié)調(diào)會(huì)，進(jìn)行產(chǎn)品的裝配試驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)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(jìn)行討論和協(xié)調(diào)，制定出解決方案。各個(gè)設(shè)計(jì)小組按照解決方案進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)的調(diào)整和修正。經(jīng)過多次反復(fù)后，形成滿意的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。,22,（4）產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)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(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式和尺寸進(jìn)行系列化調(diào)整，從而形成產(chǎn)品族。 （5）最終的設(shè)計(jì)成果需要進(jìn)入產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，進(jìn)行保存，作為今后設(shè)計(jì)的參照。 分析設(shè)計(jì)的基本步驟，可以看出零件設(shè)計(jì)的結(jié)果要滿足易于調(diào)整和系列化的需要，因此在設(shè)計(jì)中需要采用特定的技術(shù)，這就是我們前面所說的設(shè)計(jì)控制問題。,23,