三维特征建模在机械设计与制造中的应用

三维特征建模在机械设计与制造中的应用

魏姜

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重庆川仪特种阀门修造有限公司

摘要：在传统的机械设计与制造过程中，机械产品的设计通过二维设计方法实现，比如，图纸设计。随着科技的发展，计算机技术的出现给机械设计与制造带来了机遇。计算机技术改变了机械产品的设计方法，通过计算机技术，设计师可以使用三维设计方法设计机械产品。目前，三维设计得到了许多设计师的青睐。三维设计，让设计师能够更直观的了解产品的情况。目前不论哪种CAD软件,它们的三维建模方法、设计思想及应用目的都有许多相同之处。下面着重介绍三维建模的方法。

关键词：三维特征建模；机械设计与制造；应用

引言

近年来,CAD技术以最初的平面辅助工具,迅速向智能化、集成化、标准化和网络化方向发展。其中,三维技术以其突出的优越性,迅速成为CAD业的主流。CAD技术的合理应用能够在一定程度上减轻设计人员的工作压力和设计的复杂程度，能够自主完成相关计算、存储以及制图动作，而且还能够对设计进行多样化处理，极大地提高了设计人员的工作效率。

1、机械设计与制造概述

顾名思义，机械设计制造主要包括设计和制造两部分。机械设计是在现有技术资源的基础上，为满足相关生产活动的需要，对机械系统进行合理设计的过程。机械设计不仅要设计基本的机械系统结构，还要设计相关的系统功能、运行模式和运行管理模式。而机械制造则是利用先进、成熟的工艺技术和资源，将机械设计图纸转化为实际机械系统的过程。机械制造工艺水平，将直接决定机械系统的整体质量和运行效果。在当代机械设计制造行业当中，数控自动化、虚拟化技术的应用尤为重要，而这些技术都要通过计算机辅助技术来实现，所以关于计算机辅助技术的研究，对机械设计制造行业十分重要。

2、三维建模的基本方式

线框建模(WirefiameModel)线框建模，顾名思义，就是利用线框建模。线框是主要建模对象，这种建模方式能够代替手工绘图，缩短设计时间，这种建模以点到线，操作比较简单。这种三维建模方式是一种基本的建模方式。表面建模(SurfaceModel)这种建模方式以点到面，覆盖范围广，在实际生活中，这种建模方式能够构建复杂的模型。提高了设计的精度。这种建模方式存在一个比较大的问题，就是设计师无法确定产品的表面是在体内还是体外，不利于机械产品的切割。实体建模(SolidModel)实体建模是目前最为完善的一种建模方式，也是大部分人使用的一种建模方式。这种建模方式构建的模型信息详细，精度比较高，为机械切割等提供了详细的信息。实体建模是三维建模中主要的建模技术。

3、机械设计与制造中三维特征建模技术的应用

3.1、参数化建模

参数化建模的主要思想是利用几何约束和工程关系来说明产品模型的形状特征，从而设计出一系列在形状或功能上具有相似性的设计方案。首先建立图形与尺寸参数之间的约束关系，每个变量尺寸参数由待标注的变量表示，并赋予默认值。绘图时，可以修改不同的尺寸参数，以获得不同规格的图纸。参数化建模采用约束来定义和修改几何建模。约束包括尺寸约束、拓扑约束和工程约束,这些约束反映了设计时要考虑的因素。实现参数化的参数与约束保持一定的关系,初始设计的形体自然满足这些约束,而当输入那组参数的新值时,也将保持这些约束关系并获得一个新的几何建模。因此,设计者可以动态地、创造性地进行新产品设计,这种系统称为动态系统。参数化建模可分为尺寸驱动和变量设计。前者不考虑工程约束,只考虑几何约束(尺寸及拓扑)。采用预定义的方法建立图形的几何约束集,指定一组尺寸作为参数与几何约束集之间的联系,改变尺寸值就能改变图形。而变量设计考虑了所有的约束,即不仅考虑图形变动而且考虑工程应用的有关约束,从而可涵盖更广泛的工程设计情况。该系统适合设计人员考虑更高一级的设计特征,作出不同设计方案对这些高级特征影响进行分析,故此变量设计是一种约束驱动的系统。

3.2、特征造型

几何模型的缺点是只存储了车身的几何形状信息，缺少CAD/CAPP/CAM生命周期中产品开发所需的所有信息，如材料、表面粗糙度、形位公差等。因此，它不能构成符合数据交换规范的产品模型。要解决这一问题,在CAD阶段需引入特征造型这一建模方法。特征是指在设计和制造阶段可识别的包含完整工程信息的结构单元,是一组与零件的描述相关的信息集合。特征信息可分为4大类:(1)总体特征信息。用于描述一个零件的总的信息,包括特征名、特征代码、材料、毛坯、质量等。(2)几何尺寸参数信息。包括组成实体的各个基本尺寸的几何参数信息。(3)技术参数信息。包括与特征相关的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度。(4)特征构造信息。包括构成特征实体的拓扑信息、基点位量和方向矢量。

3.3、逆向工程

逆向工程又称逆向技术，简单来说就是产品设计的一种复制技术。通过对目标产品的逆向分析，得出产品结构、功能、技术规格等相应的设计要点，并以此为基础设计出功能相似的不同机械产品。在实际逆向工程进行过程中，可借助相应计算机的辅助设计软件，例如CAD、CAM以及CAE等软件构建目标产品的虚拟模型，并通过对实际产品的测量扫描明确产品的尺寸信息，然后进行逐步分解和分析。以著名的逆向工程软件Imageware为例，在实际操作过程中，首先，需要将采集到的点阵数据导入到软件当中；其次，结合点阵数据确定曲线类型，然后创建曲线，并进行修改优化；再次，确定构建的曲面类型，并创建曲面进行优化；最后，实现模型构建。

3.4、数据库的构建

如今，机械系统已经成为与现代工业生产和人们日常生活密切相关的主体。机械系统的管理、运行、维护和更新是进一步挖掘机械系统价值的关键。为了实现这一点，对机械系统的原始数据和运行管理中的数据进行收集、整理、处理和分析是非常重要的。尤其是在信息化、大数据时代背景下，关于任何机械系统数据库的构建，都是确保系统稳定、高效、安全运行，并逐步提升系统实用性的主要方法。而如果在机械设计制造环节中充分应用了计算机辅助技术，那么将可以直接在设计制造阶段获取相应的机械数据，构成相应的数据库。这些数据包括机械系统的功能参数、零部件参数、制造参数，而将计算机系统植入到机械系统当中，还可以在实现机械自动化控制的同时自动收集机械系统运行数据。另外，机械系统的运行、维护、管理人员在执行相关工作时，也可以将涉及到的相关数据进行上传。该数据库的构建，有助于让管理维护人员明确系统状态，分析预测系统故障风险，并针对相关需求和技术发展趋势，对机械系统进行升级和优化。值得一提的是，基于计算机辅助技术的数据库，也是实现机械系统智能化控制、故障诊断的基础，对促进机械自动化水平的发展，有重要意义。

结束语

特征造型拓展了设计人员的创造性,比传统的实体造型有更好的设计效果,最重要的是真正符合数据交换规范的产品模型,实现了CAD/CAPP/CAM的真正集成。在新的社会环境之下，机械设计与制造要抓住时代发展的机遇，将三维特征建模技术应用与机械设计与制造中，提高机械设计与制造技术的水平。

参考文献：

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