三维参数化造型及设计

1. 三维参数化造型及设计 • 第五讲 特征技术应用与零件设计

2. 一、特征技术的应用 • 特征技术具有鲜明的工程性和层次性，加上参数化技术的支持，可以方便地编辑模型，在产品模型的控制和更改方面提供了广泛的潜力。 • 但是特征技术强大的控制能力利用得好，可以使模型维护与更改方便。而运用不当，缺乏良好规划的特征关系会使设计中点滴之处的微小修改导致整个模型意想不到的结果。 • 了解特征的层次性和时序性，在特征的各层次之间合理规划建模的策略，逐步完成实体模型的建立。特征造型的优势并非造型的速度，而是通过对特征关系的调整迅速完成模型的调整。

3. 草图 构建参数 特征 时序关系 特征关系 父子关系 零件 装配关系 产品 • 1、基于特征的CAD系统的建模层次如下图所示，基于特征的产品造型分为四个层次: 草图、特征、零件和产品。其中特征是三维造型的基本单元。 图 基于特征的产品造型

4. 草图提供生成特征的基本信息，如拉伸特征的截面等，草图中存在着几何约束与尺寸约束。从草图生成特征需要追加特征构建参数，如拉伸特征中的深度等。草图提供生成特征的基本信息，如拉伸特征的截面等，草图中存在着几何约束与尺寸约束。从草图生成特征需要追加特征构建参数，如拉伸特征中的深度等。 • 在特征层次中，特征之间的关系十分复杂，既包括类似于草图中的尺寸约束和几何约束，还有特征之间的父子关系和时序关系。 • 一系列的特征经过组合、剪裁、阵列、镜向等操作形成零件模型，零件模型中需要体现设计意图，反映产品的基本特性。 • 零件按照装配要求生成产品的整体模型，CAD软件不仅支持静态装配，还可以演示产品中零件的相互运动关系。在产品总体层次体现设计意图，如产品中零件的相互空间位置等。

5. 2、特征关系的类别和影响 • 在特征之间有如下几种关系：几何与尺寸关系、拓扑关系和时序关系。 • 特征之间的几何和尺寸关系主要在特征草图中设定，几何关系包括特征草图实体之间的相切、等距等几何关联方式。尺寸关系设定特征草图实体之间的距离和角度关联。

6. 拓扑关系指的是几何实体在空间中的相互位置关系。例如孔对于实体模型的贯穿关系，面之间的相切或者等距关系等。对于特征而言，拓扑关系主要体现在特征定义的终止条件中，如完全贯穿、到离指定面指定的距离等终止条件方式决定了特征之间的拓扑关系。这种拓扑关系不会因为特征草图尺寸的变化而发生改变。拓扑关系指的是几何实体在空间中的相互位置关系。例如孔对于实体模型的贯穿关系，面之间的相切或者等距关系等。对于特征而言，拓扑关系主要体现在特征定义的终止条件中，如完全贯穿、到离指定面指定的距离等终止条件方式决定了特征之间的拓扑关系。这种拓扑关系不会因为特征草图尺寸的变化而发生改变。

7. 特征建立时序是特征技术的重要特点，对于特征技术而言，由于特征关系的问题，使得特征建立的次序成为重要因素。首先后期的特征需要借用前面特征的有关要素，例如定义草图时借用己有特征的轮廓建立几何和尺寸关系等。其次，特征的拓扑关系是在已有特征的环境下设定的，而不会影响到其后的特征。特征建立时序是特征技术的重要特点，对于特征技术而言，由于特征关系的问题，使得特征建立的次序成为重要因素。首先后期的特征需要借用前面特征的有关要素，例如定义草图时借用己有特征的轮廓建立几何和尺寸关系等。其次，特征的拓扑关系是在已有特征的环境下设定的，而不会影响到其后的特征。

8. 3、父特征与子特征，父子关系如果一个特征的建立参照了其他特征的元素，则被参照特征成为该特征的父特征，而该特征称为父特征的子特征。父特征与子特征之间形成父子关系，在SolidWorks的帮助文件中这样解释父子关系：♂当某些特征生成于其他特征之上时，则以前生成特征的存在决定了它们的存在。此新的特征称为子特征。例如，一个实体上有一个孔，孔便是这个实体的子特征。♂父特征是其他特征所依赖的现有特征。例如，凸台是其边线圆角特征的父特征。3、父特征与子特征，父子关系如果一个特征的建立参照了其他特征的元素，则被参照特征成为该特征的父特征，而该特征称为父特征的子特征。父特征与子特征之间形成父子关系，在SolidWorks的帮助文件中这样解释父子关系：♂当某些特征生成于其他特征之上时，则以前生成特征的存在决定了它们的存在。此新的特征称为子特征。例如，一个实体上有一个孔，孔便是这个实体的子特征。♂父特征是其他特征所依赖的现有特征。例如，凸台是其边线圆角特征的父特征。

9. 表 父子关系的类型 • 父子关系的这种解释方法重点放在了特征的建立次序方面，实际上并没有包含父子关系的所有方面。这里将父子特征关系区分为如下几种类型： • 基准关系、几何与尺寸关系、拓扑关系、派生关系、数学关系 • 在特征管理树中，子特征肯定位于父特征之后，不要试图将子特征移动到父特征之前。删除父特征会同时删除子特征，而删除子特征不会影响父特征。

10. 4、特征技术应用的关键 • 设计的控制是产品设计中的关键问题，三维设计不仅在效率和造型方法方面改变了传统手工设计的基本方法，更为主要的是三维产品设计由于应用特征技术、数据一致性和设计信息的全局化应用等特点，导致其控制的重要性远远大于造型本身。打个形象的比方，在传统的手工设计阶段，我们采用的是效率低下的图板，虽然速度缓慢但是安全，设计图纸中的错误可以采用同等的工作量去进行修正。

11. 而在利用基于特征技术的CAD系统时，虽然可以方便地利用其中的父子关系、变更参数等高效率的建模方法，但是如果在特征关系处理上方法失策，就会为后续的工作积累无穷的隐患，因此要深入了解各种特征技术的功能和应用场合，努力做到设计意图与产品造型方法选择的一致性。如果没有做到这点，修正模型需要花费巨大的工作量去理清几何模型中的各种关系，甚至重新来过。所以了解并掌握特征关系是使用三维CAD软件的终极目标之一。而在利用基于特征技术的CAD系统时，虽然可以方便地利用其中的父子关系、变更参数等高效率的建模方法，但是如果在特征关系处理上方法失策，就会为后续的工作积累无穷的隐患，因此要深入了解各种特征技术的功能和应用场合，努力做到设计意图与产品造型方法选择的一致性。如果没有做到这点，修正模型需要花费巨大的工作量去理清几何模型中的各种关系，甚至重新来过。所以了解并掌握特征关系是使用三维CAD软件的终极目标之一。

12. 5、特征建模的一些基本规则 • 在特征造型中，由于层次性和建模时序的交织，不同的建模方式不仅在速度上有所差异，更会影响到后续的模型维护与修改等方面。 • 特征建模中需要遵循的几种基本的原则：①合理规划关系出现的层次，定义关系所处的层次需注意：比较固定的关系封装在较低层次，需要经常调整的关系放在较高层次。②先建立构成零件基本形态的主要特征和较大尺度的特征，然后再添加辅助的圆角、倒角等辅助特征。③先确立特征的几何形状，然后再确定特征尺寸，在必要的情况下添加特征之间的尺寸和几何关系。

13. 二、零件设计的基本步骤和原则 • 1、零件设计的地位和基本任务 • 零件设计是产品设计的基本组成部分，就企业而言，零件设计的功能包括如下几个方面： • ① 结构设计：将产品决策阶段的产品功能实现方案转换为具体的结构实现。确定产品各部分的几何形状和精确尺寸。 • ② 工程属性定义：按照产品的运动要求、材料的力学属性等指定产品的工程属性，如运动配合与静态配合的公差，零件金属材料的选用和热处理方式等。

14. ③ 产品系列化：为了满足市场需求的多样性，企业往往推出规格与配置有所差别的产品系列。这需要在设计中指定相应的零件规格系列和产品装配配置方式。 • ④ 产品设计规范和信息存档：对于初具规模的企业而言，产品的设计与制造都是连续性的行为，因此继承以往的设计与制造经验具有极其重要的意义。在产品设计中既需要利用已有的规范，也需要考虑将典型的新设计方案上升为企业设计规范。

15. ⑤ 设计展示：企业面向客户需求展开相应的产品开发活动，因此产品的设计需要采用生动直观的方式展现给客户，产品的展示设计方案是产品设计的重要组成部分。 • CAD需要在各个方面支持零件设计的任务实现，由于时间关系，本讲主要介绍CAD的零件设计中结构设计。而由于特征技术的特殊性，CAD的零件设计需要深入结合特征技术的功能。

16. 2、零件设计的基本步骤 • 从设计的起点和依据划分，产品设计分为自底向上设计与自顶向下设计两种。自顶向下设计方式需要采用装配环境的功能，所以只介绍其概念，具体的讨论需要在讲述SolidWorks装配体操作后进行。本讲所介绍的零件设计主要针对自底向上设计以及比较简单的独立零件设计。

17. 自顶向下和自底向上设计的区别在于设计出发点和依据的不同，自底向上设计从单一的零件个体着手，在完成零件设计后进行装配从而完成整个产品的设计。而自顶向下设计则是先确定产品总体的基本结构，包括装配接口尺寸和空间关系，以此为依据展开单一零件的设计工作。这两种设计途径各有所长和适用环境，并不能够说明哪种设计方式具有绝对的优势。自顶向下和自底向上设计的区别在于设计出发点和依据的不同，自底向上设计从单一的零件个体着手，在完成零件设计后进行装配从而完成整个产品的设计。而自顶向下设计则是先确定产品总体的基本结构，包括装配接口尺寸和空间关系，以此为依据展开单一零件的设计工作。这两种设计途径各有所长和适用环境，并不能够说明哪种设计方式具有绝对的优势。

18. 自底向上设计由于设计目标明确，设计过程比较容易把握。在这种设计方式中一般需要确定一个零件设计的次序，后续设计的零件参考前面已经完成或者即将完成设计的零件尺寸和空间结构，因此整个设计过程就像一个串联电路，方向单一、关系简明。自底向上设计由于设计目标明确，设计过程比较容易把握。在这种设计方式中一般需要确定一个零件设计的次序，后续设计的零件参考前面已经完成或者即将完成设计的零件尺寸和空间结构，因此整个设计过程就像一个串联电路，方向单一、关系简明。 • 然而这种设计方式的缺点也很明显，首先是工作效率的低下，在复杂产品设计中，必须严格制订和遵守零件设计的次序，对小组设计支持性较差，一旦展开设计活动的并行，协调起来十分麻烦，而且容易出错。如果零件的空间结构和运动关系十分复杂，自底向上设计容易导致零件设计之间的冲突。

19. 自顶向下设计方式首先进行装配体的设计，零件间的装配关系和尺寸关系得到基本确认，可以将零件设计任务进行划分，分配给多个设计人员同时进行设计，有助于提高设计的效率。但在实际应用中，自顶向下设计由于在设计初期零件的基本空间尺寸结构还没有确定，很难预知零件之间的相互关系，因此说单纯的自顶向下设计方式就如同搭建一个空中楼阁，缺乏基础。自顶向下设计方式首先进行装配体的设计，零件间的装配关系和尺寸关系得到基本确认，可以将零件设计任务进行划分，分配给多个设计人员同时进行设计，有助于提高设计的效率。但在实际应用中，自顶向下设计由于在设计初期零件的基本空间尺寸结构还没有确定，很难预知零件之间的相互关系，因此说单纯的自顶向下设计方式就如同搭建一个空中楼阁，缺乏基础。 • 在实际设计中，自顶向下设计方式的优势体现在解决具有复杂运动方式和空间结构的产品设计上，通过在装配环境中定义与调整相关零件的尺寸和几何形状，可以有效地保证产品的运动要求。

20. 在实际工作中，往往综合两种设计方式，从而在设计的效率、精确性等方面取得均衡。在实际工作中，往往综合两种设计方式，从而在设计的效率、精确性等方面取得均衡。 • 一般的设计流程如下： • （1）首先通过小组共同讨论的方式确定产品的基本构造，将产品分解为部件，并将分解的设计任务分配给对应的设计小组，这是设计过程的第一步分工。在讨论中主要借助传统的手工草图方式描述产品的框架结构，也可以借助于3DSMAX、MAYA等快速造型工具进行产品的演示性设计。

21. （2）当部件设计任务分配到设计小组后，再次展开组内的讨论，确定部件中结构最为复杂、性能最为重要的零件作为关键零件，围绕此零件进行相应的设计，主要的设计职责由组内的“技术权威”承担，这属于自底向上的设计方式，也是产品设计中的第二次分工。而在关键零件设计完成后，就可以将该关键零件进行装配，在装配环境下展开其他零件的设计，此时采用的是自顶向下的设计方式。（2）当部件设计任务分配到设计小组后，再次展开组内的讨论，确定部件中结构最为复杂、性能最为重要的零件作为关键零件，围绕此零件进行相应的设计，主要的设计职责由组内的“技术权威”承担，这属于自底向上的设计方式，也是产品设计中的第二次分工。而在关键零件设计完成后，就可以将该关键零件进行装配，在装配环境下展开其他零件的设计，此时采用的是自顶向下的设计方式。

22. （3）在基本的结构设计完成后，重新召开由各个设计小组的负责人参加的协调会，进行产品的装配试验和运动仿真，考查部件的配合性能，检查其中是否存在干涉。如果存在问题，就需要进行讨论和协调，制定出解决方案。各个设计小组按照解决方案进行零部件设计的调整和修正。经过多次反复后，形成满意的产品设计。（3）在基本的结构设计完成后，重新召开由各个设计小组的负责人参加的协调会，进行产品的装配试验和运动仿真，考查部件的配合性能，检查其中是否存在干涉。如果存在问题，就需要进行讨论和协调，制定出解决方案。各个设计小组按照解决方案进行零部件设计的调整和修正。经过多次反复后，形成满意的产品设计。

23. （4）产品设计完成后，需要进行系列化，这是满足市场需求多样性的有效方式。针对产品设计的结构形式和尺寸进行系列化调整，从而形成产品族。（4）产品设计完成后，需要进行系列化，这是满足市场需求多样性的有效方式。针对产品设计的结构形式和尺寸进行系列化调整，从而形成产品族。 • （5）最终的设计成果需要进入产品数据管理系统，进行保存，作为今后设计的参照。 • 分析设计的基本步骤，可以看出零件设计的结果要满足易于调整和系列化的需要，因此在设计中需要采用特定的技术，这就是我们前面所说的设计控制问题。