一、前言
在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造和全生命周期管理中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模處于龍頭地位。所謂"牽一發(fā)而動(dòng)全身",就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模重要性的真實(shí)寫照,對(duì)于復(fù)雜殼體而言更是如此。
復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造周期長(zhǎng),是燃油附件產(chǎn)品研制生產(chǎn)的一個(gè)老大難問題。深入研究和探索復(fù)雜殼體建模技術(shù)無(wú)疑具有緊迫的實(shí)際意義。
本文所討論的建模,是指三維實(shí)體幾何模型,不包含二維制圖的內(nèi)容。
二、模型質(zhì)量的基本要求
本文所指的復(fù)雜殼體,是指發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件中需要模具設(shè)計(jì)和數(shù)控加工的殼體類零件,它具有孔系特征多、鑄造表面形狀復(fù)雜的特點(diǎn)(圖1)。因此,對(duì)模型質(zhì)量的要求比一般簡(jiǎn)單零件更嚴(yán)格。
圖 1 典型殼體零件(局部)
復(fù)雜殼體模型質(zhì)量的基本要求:
* 正確性:模型應(yīng)準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)意圖,對(duì)其內(nèi)容的技術(shù)要求理解不能有任何歧義。要確立"面向制造"的新的設(shè)計(jì)理念,充分考慮模具設(shè)計(jì)、工藝制造等下游用戶的應(yīng)用要求,做到與實(shí)際的加工過程基本匹配。
* 相關(guān)性:應(yīng)用主模型原理和方法,進(jìn)行相關(guān)參數(shù)化建模,正確體現(xiàn)數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系,保證產(chǎn)品信息在產(chǎn)品數(shù)據(jù)鏈中的正確傳遞。
* 可編輯性:模型能編輯修改,整個(gè)建模過程可以回放(Playback)。模型可被重用和相互操作。重用性和相互操作性是由可編輯性派生出來(lái)的重要特性。
* 可靠性:模型通過了UG的幾何質(zhì)量檢查,拓?fù)潢P(guān)系正確,實(shí)體嚴(yán)格交接,內(nèi)部無(wú)空洞,外部無(wú)細(xì)縫,無(wú)細(xì)小臺(tái)階。模型文件大小得到有效控制,模型沒含有多余的特征、空的組和其他過期的特征,總能在任何情況下正確的打開。
三、建模的思路和策略
設(shè)計(jì)意圖決定建模的思路和策略。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師應(yīng)首先十分清楚理解自己的設(shè)計(jì)意圖,不能在沒有統(tǒng)一規(guī)劃的情況下就盲目的急于建模。
一個(gè)比較清晰完整的設(shè)計(jì)意圖至少應(yīng)包括:
* 殼體以及與之有關(guān)的零部件在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的功能和作用。
* 殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形輪廓、表面形狀、定位孔(面)和主要設(shè)計(jì)參數(shù)。
* 模具設(shè)計(jì)的有關(guān)信息:模具類型、結(jié)構(gòu)、分型面、型芯、拔模角等。
* 工藝設(shè)計(jì)的有關(guān)信息:工藝方案、工藝路線、工藝基準(zhǔn)、數(shù)控加工要求等。
* 模型中特征的相互關(guān)系。
* 模型潛在的改變區(qū)域,改變的幅度大小。
* 模型被另一項(xiàng)目拷貝和修改的可能性。
當(dāng)明確了設(shè)計(jì)意圖以后,就需要建立整體的建模思路,依次是:
1)進(jìn)行特征的分解:分析零件的形狀特點(diǎn),然后把它隔離成幾個(gè)主要的特征區(qū)域,接著對(duì)每個(gè)區(qū)域再進(jìn)行粗線條分解,在腦子里形成一個(gè)總的建模思路以及一個(gè)粗略的特征圖。同時(shí)要辨別出難點(diǎn)和容易出問題的地方。
2)基礎(chǔ)特征 - 根特征設(shè)計(jì):確立建模的起點(diǎn)。在選定好設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,通常情況下用草圖而不是用體素特征(UG的體素特征有長(zhǎng)方體、圓柱、圓錐、球)作為模型的根特征。
3)詳細(xì)設(shè)計(jì):
先粗后細(xì) -- 先作粗略的形狀,再逐步細(xì)化;
先大后小 -- 先作大尺寸形狀,再完成局部的細(xì)化;
先外后里 -- 先作外表面形狀,再細(xì)化內(nèi)部形狀。
4)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì):最后進(jìn)行倒圓角、斜角、各類孔系,各類溝槽…
UG軟件功能十分強(qiáng)大,實(shí)現(xiàn)同一功能往往有多種途徑和方法,可謂"條條大路通羅馬"。不同的命令選擇,雖然可能實(shí)現(xiàn)同一目的,其方法卻有優(yōu)劣之分,這就需要找出最合適的建模方法來(lái)。
* 建模策略重點(diǎn)考慮的具體方面是:
1)如何選擇特征類型(成型特征、特征操作、草圖);
2)如何建立特征關(guān)系(尺寸、附著性、位置、時(shí)序);
3)定義草圖約束;
4)創(chuàng)建表達(dá)式。
四、建模的一般步驟
復(fù)雜殼體通常為測(cè)繪設(shè)計(jì)或改進(jìn)改型設(shè)計(jì),建模的步驟一般是:
* 梳理設(shè)計(jì)意圖,規(guī)劃特征框架。
* 打開種子文件,搭建建模環(huán)境。
* 確定零件的原點(diǎn)和方向。
* 建立最初始的基準(zhǔn)。
* 創(chuàng)建草圖作為建模的根特征。
* 在特征創(chuàng)建過程中,優(yōu)先添加增加材料的特征,再添加減少材料的特征。
* 按加工過程進(jìn)行特征操作。
* 堅(jiān)持邊建模邊分析檢查的原則。進(jìn)行過程檢查的目的,是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,及時(shí)糾正,以免造成因問題累積而導(dǎo)致后續(xù)大量返工,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)推倒重來(lái)。
* 養(yǎng)成邊建模邊保存的良好習(xí)慣,防止意外事故(如停電)而丟失數(shù)據(jù)。
* 輸入部件屬性。
* 創(chuàng)建引用集。
* 清理模型數(shù)據(jù)。File -〉Utilities -〉Part Cleanup,可以刪除不用的對(duì)象、不用的表達(dá)式、"撤銷"數(shù)據(jù)和清理特征數(shù)據(jù)。
* 進(jìn)行模型總體檢查,提交模型。
五、建模技術(shù)(一):實(shí)現(xiàn)相關(guān)性的方法和技巧
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,零件不單單是孤立的幾何元素設(shè)計(jì),從設(shè)計(jì)到制圖、數(shù)控加工、分析、裝配,都存在著相關(guān)性。相關(guān)性設(shè)計(jì)為我們提供了非常方便的修改產(chǎn)品的方法,減少了重復(fù)性工作,保持了信息的一致性,是UG三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)技術(shù)之一。相關(guān)性體現(xiàn)在:
* 對(duì)象之間的相關(guān)性:例如,一條直線可能是一個(gè)實(shí)體的一條棱邊,一條曲線可能是一個(gè)曲面的一個(gè)邊界曲線。
* 繪圖對(duì)象與幾何或位置的相關(guān)性:在制圖中,有視圖、尺寸、符號(hào)等,這些對(duì)象與模型中的幾何是相關(guān)的,例如尺寸與模型中的幾何相關(guān),幾何模型的修改使得尺寸可以自動(dòng)刷新;制圖對(duì)象與位置相關(guān),例如文字說(shuō)明、剖面線符號(hào)等與視圖位置相關(guān),當(dāng)視圖位置移動(dòng)時(shí),這些對(duì)象隨之移動(dòng)。
* 對(duì)象與零件或視圖的相關(guān)性:對(duì)象是模型的一部分,或者與一個(gè)視圖有關(guān)。
* 非幾何信息與零件的相關(guān)性:例如可以把屬性與零件、對(duì)象相關(guān),如一個(gè)零件的材料、規(guī)格等信息作為屬性連接到零件上。
* 零件與零件之間特征的相關(guān)性:一個(gè)零件的某個(gè)特征尺寸與另一個(gè)零件的特征尺寸具有相關(guān)性,例如一個(gè)銷釘?shù)闹睆脚c一個(gè)銷孔的直徑保持相關(guān),當(dāng)孔的直徑改變,銷釘?shù)闹睆诫S之跟著變化。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模的目標(biāo),是應(yīng)用UG主模型原理和方法,創(chuàng)建一個(gè)參數(shù)化的具有相關(guān)性和可編輯性的模型。
參數(shù)化與相關(guān)性密不可分,相關(guān)性是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的基本技術(shù)和條件。從本質(zhì)上來(lái)理解,相關(guān)性有兩個(gè)層次:設(shè)計(jì)意圖的相關(guān)性與UG軟件使用技術(shù)的相關(guān)性。
UG軟件能實(shí)現(xiàn)單一零件內(nèi)部的相關(guān),也能實(shí)現(xiàn)部件間的相關(guān)(用Wave技術(shù))。本文不討論部件間的相關(guān)性。而部件內(nèi)部的相關(guān)性,可以用表達(dá)式的相互引用、草圖的幾何約束、特征的定位等許多技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1)曲線(Curve)的相關(guān)性
* 注意曲線(Curve)與曲線操作(Curve Operation)命令的區(qū)別。
一般的曲線相互之間不具有相關(guān)性,只有用曲線操作 -〉偏置(Offset)、投射(Project)、連接(Join)、交線(Intersect)、纏繞(Wrap)命令生成的曲線和添加抽取的曲線至草圖、偏置抽取的曲線才具有相關(guān)性。但必須記住在其對(duì)話框里將"關(guān)聯(lián)輸出"(一般為"Associative Output" )選項(xiàng)設(shè)置為ON。
* 盡量不使用沒有相關(guān)性的曲線。
* 不要用Edit -〉Transform(變換),而要用Feature Operation(特征操作)-〉Instance(引用)。
* 不要用Curve Operation -〉Extract(抽取)-〉Edge Curve(邊界曲線),而要用Form Feature(成形特征)-〉Extract(抽?。?〉Curve(曲線)。
* 通過Curve -〉Plane(平面)生成的平面對(duì)象,不保持與其他對(duì)象的相關(guān)性。原則上,應(yīng)在使用平面對(duì)象的場(chǎng)合使用相對(duì)基準(zhǔn)面代替。鼓勵(lì)使用與已有的相關(guān)面,如偏置的面來(lái)達(dá)到目的。
2)草圖(Sketch)
草圖是可以用于創(chuàng)建關(guān)聯(lián)到部件的二維輪廓特征的工具,是參數(shù)化建模的核心基礎(chǔ)。草圖具有自相關(guān)性,也與任何一個(gè)從它上面創(chuàng)建的特征相關(guān)。
* 草圖應(yīng)用的場(chǎng)合
- 通常情況下,復(fù)雜殼體建模的根特征使用草圖。
- 對(duì)于復(fù)雜的幾何形狀,應(yīng)使用草圖,不要用一系列特征去綜合實(shí)現(xiàn)它。
- 不要用草圖建立鍵槽、退刀槽、倒圓、倒角等,應(yīng)在隨后的體上附加這些特征。
- 不要用草圖創(chuàng)建油路孔。
- 不要用草圖去生成螺紋表面,否則創(chuàng)建螺紋時(shí)會(huì)遇見麻煩。用草圖特征拉伸的圓柱體不能用螺紋表單提供的默認(rèn)Metric,因?yàn)槔祗w與旋轉(zhuǎn)體基于不同的數(shù)學(xué)模型(公式)。
* 草圖的工作平面
作為根特征的草圖,其工作平面應(yīng)放在預(yù)先定義的基準(zhǔn)上,最好是種子文件的基準(zhǔn)上。其他草圖的工作平面根據(jù)設(shè)計(jì)意圖而定。
* 草圖的定位
創(chuàng)建草圖時(shí),先建立主要的幾何對(duì)象,并立即進(jìn)行草圖的定位。定位時(shí),注意目標(biāo)對(duì)象不能是本草圖中的草圖對(duì)象。
* 草圖的約束
- 草圖約束追求的理想目標(biāo),是完整表達(dá)設(shè)計(jì)者意圖,并可進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。
- 草圖要進(jìn)行全約束。
- 對(duì)于比較復(fù)雜的草圖,盡量"避免構(gòu)造完所有的曲線然后再加約束",這會(huì)增加全約束的難度。
- 草圖應(yīng)先進(jìn)行幾何約束,再進(jìn)行尺寸約束。
- 一般不用修剪(Trim)操作,而是在創(chuàng)建期間用線串方法(Curve String),或在修訂期間用同心(Concentric)、點(diǎn)在線上(Point On Curve )等約束來(lái)代替。
3)表達(dá)式
表達(dá)式是一個(gè)功能強(qiáng)大的工具,可以使UG實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。表達(dá)式可分為三種類型:數(shù)學(xué)表達(dá)式、條件表達(dá)式、幾何表達(dá)式。
復(fù)雜殼體的表達(dá)式既可用手工創(chuàng)建,也可由系統(tǒng)自動(dòng)建立。要注意對(duì)重要的表達(dá)式進(jìn)行注釋。
4)基準(zhǔn)的使用策略
* 在種子文件里,一般可預(yù)設(shè)3個(gè)固定基準(zhǔn)面和3個(gè)由之派生的固定基準(zhǔn)軸。不要?jiǎng)?chuàng)建更多的固定基準(zhǔn),因?yàn)樗驍嗔颂卣髦g的相關(guān)性,由于不是相互定位,所以無(wú)法進(jìn)行參數(shù)化編輯。
* 盡量使用相對(duì)基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸,因?yàn)橄鄬?duì)基準(zhǔn)是與已有的實(shí)體或基準(zhǔn)相關(guān),可以隨時(shí)編輯。
5)其他注意事項(xiàng)
* 特征操作時(shí)禁止使用分割實(shí)體命令(Split Body),此操作會(huì)使分割后的實(shí)體參數(shù)全部消失。
* 復(fù)雜殼體建模一般不使用自由形狀特征(Free Form Features)。如果使用,請(qǐng)注意:
- 避免使用非參數(shù)化命令構(gòu)造曲面(Through Point, From Pole, From Point Cloud, Foreign)。
- 構(gòu)造曲面的曲線盡可能采用草圖方法生成。
- 編輯曲面時(shí)盡可能采用參數(shù)化的編輯方法,即使用Edit -〉Feature -〉Parameters,而不使用Edit -〉Free Form Feature非參數(shù)化方法。
- 曲面的階次(Degree)盡可能采用三次片體。
六、建模技術(shù)(二):實(shí)現(xiàn)可編輯性的方法和技巧
復(fù)雜殼體由于特征多、文件大,還要滿足模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工等下游用戶的建模需求,其可編輯性成為至關(guān)重要的指標(biāo)。一個(gè)理想的模型,可以編輯修改各種參數(shù)和表達(dá)式,可以進(jìn)行重排特征時(shí)序,插入特征等操作??傊瑓?shù)化模型里的每一項(xiàng)內(nèi)容都可以進(jìn)行修改。
因?yàn)橄嚓P(guān)參數(shù)化是可編輯性的基礎(chǔ),所以前面討論相關(guān)性時(shí)已涉及到不少可編輯性的內(nèi)容。下面就可編輯性問題再作進(jìn)一步探討,相同的地方不再重復(fù)。
* 重視特征的先后依附關(guān)系
在UG中,實(shí)體里各種特征的先后依附關(guān)系十分重要,時(shí)間戳計(jì)的概念必須十分清晰。后面特征的定位,只能同時(shí)引用比它出現(xiàn)早的特征。同時(shí),刪除一個(gè)子特征時(shí),其子特征往往也會(huì)被刪除,或變?yōu)檫^期的無(wú)效特征。
* 模型中不得有多余的特征,也不要掩蓋以前實(shí)體的特征。如不要在原開孔的地方再覆蓋一個(gè)更大的孔以修訂圓孔的尺寸和位置。
* 模型中不應(yīng)出現(xiàn)重復(fù)的未進(jìn)行布爾加操作的特征,例如實(shí)體的體積相重復(fù)。
* 注意布爾操作的合理性,要將布爾操作的次數(shù)控制到最少,因?yàn)椴紶柌僮魇窃黾游募笮〉闹匾颉?BR>
* 當(dāng)創(chuàng)建或編輯特征失敗或系統(tǒng)出現(xiàn)提示性警告時(shí),一定要查清原因(例如精度問題)后對(duì)癥下藥,不要用重復(fù)的多個(gè)相同特征操作(例如Offset Face)去實(shí)現(xiàn)而造成不良后果。
* 禁止采用移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的方法來(lái)進(jìn)行定位和創(chuàng)建各種特征,否則會(huì)給以后的編輯帶來(lái)極大困難。
* 以下技術(shù)對(duì)于創(chuàng)建可編輯的模型會(huì)有很好的幫助:
- 在建模的初期就創(chuàng)建一組基準(zhǔn)平面,用它們來(lái)做為安放平面或是定位。這將最小化特征依附的級(jí)數(shù)。
- 當(dāng)定位特征時(shí),如果能滿足設(shè)計(jì)意圖,就采用正交尺寸(perpendicular dimensions )代替水平(horizontal)或垂直(vertical)。正交尺寸不需要水平參考,水平參考也是將來(lái)編輯失敗的原因。
- 試著參考穩(wěn)定的邊緣。有些邊緣是由屬于不同特征的面的交線構(gòu)成,在之后編輯時(shí)很可能被移去斷開,這也是將來(lái)編輯失敗的原因。
- 盡可能晚的進(jìn)行倒圓。
- 如果要改變一個(gè)倒圓,編輯半徑以確認(rèn)半徑的改變?cè)谝粋€(gè)允許的區(qū)間范圍內(nèi)。
- 如果有拓?fù)涓淖兊念A(yù)期,考慮使用草圖及拉伸特征(或通用凸墊及通用腔)代替成型特征,這樣在改變特征外形或是修剪面時(shí)就會(huì)更靈活。
- 當(dāng)定義拉伸及旋轉(zhuǎn)特征時(shí),考慮選擇建立(Create)作為最初方式,然后再執(zhí)行布爾運(yùn)算,之后布爾運(yùn)算可以單獨(dú)被抑制,也可以替換目標(biāo)或工具體(如果被抑制的工具體在它當(dāng)初的創(chuàng)建層上)。
- 考慮使用修剪(trim)而不是求減(subtract)操作。用作修剪的曲面可被替換,不丟失其依附特征(如倒圓挖空),修剪操作還可同時(shí)保留原來(lái)的片體。
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