实用三维造型方法

《实用三维造型方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实用三维造型方法（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、4 . 5 实用三维造型方法4 . 5 . 1 数据的来源初始数据的来源主要有数学模型、工程图样和物理模型。数学模型经常以一定格式的文 件形式存在，是通过各种 CAD 系统建立的。几何元素主要包括线框、表面、实体等。由于 不同的 CAD 系统描述几何元素的数据结构不尽相同，直接进行数据传递是不太可能的.通常 借助一些公开的行业或国际图形标准，如 IGES ( Initial Graph , cs Exchange Specification )、STEP ( STandard for the Exchange of Product model data )提供的 数据表达作为中间交换格式，也称

2、为数据交换接口。不同系统通过相应的接口进行数据格式 转换操作，从而在一定程度上实现了不同系统之间的数据共享。但是这种情况下引起数据丢 失或数据转换出错是无法完全避免的，所以对数学模型进行检查验证和适当修补是造型过程 中的常事。随着 CAD 技术应用的日益广泛，越来越多的工程设计直接在计算机上完成，数 学模型正逐渐成为主要的数据来源。工程图样是传统的数据来源，工程制图是工程界对客观 物体的一种通用的抽象表达形式，由于其二维表达的局限性，使得很多细节无法清楚给出(甚 至表达出错)，特别是对于不规则物体的表达能力十分有限，因此在造型时必须先充分理解 工程图样，具有较好的空间想象能力和对形体概念的表达

3、能力也是非常关键的，然后才有可 能在 CAD 系统上加以实现。利用物理模型，如产品式样、主模型等来完成造型在反向工程 中十分常见，对于比较规则的形体部分，通常用人工测绘获取产品数据信息;对于比较复杂 的物体，现在一般采用三坐标测量机扫描获得相应的物体离散点数据，然后选择合适的CAD 系统完成相应的造型工作。4 . 5 . 2 几何驱动与尺寸驱动这是当前 CAD 系统提供的两种比较流行的造型方法，可以通过造型过程中所产生的几 何元素之间的表达是否存在关联性来区分。传统(早期)CAD系统的造型方法一般都是几何驱 动的。所谓几何驱动，就是利用最基本的几何元素如点、直线、圆弧等构造出物体的几何形 状，

4、这些几何元素之间并不存在一定的关系，或者说计算机无法将这些几何元素集上升为更 加高级的组合概念来加以理解，如三角形、四边形等等。因此，我们在造型时总是不得不从 最基本的几何元素开始，一点点的设计变动都有可能导致大量几何元素的修改，工作量特别 大，也不能和一般的工程概念吻合。尺寸驱动方法也叫参数化设计方法，就是为解决这一问题而提出的.我们知道，所有的 高级形体概念实质上都是通过在基本几何元素之间施以一定的约束条件而实现的，如满足三 边两两相交，任意两边之和大于第三边的条件总可以组成一个三角形，也就是说，给定一些 约束条件后就可以得到某一类几何体的集合，我们把这些约束条件称为拓扑关系，由这些拓 扑

5、关系决定的集合称为拓扑结构。当然，同一种拓扑结构可以有多种表达即拓扑关系不是唯 一的。某类拓扑结构的拓扑关系在CAD系统中的显式表达，就是把这些约束关系转化成一 个个有一定取值范围的参数变坚，这样在造型时只要给出相关参数变量的有效值，就可以驱 动一组相关联的几何元素一起变动，给设计过程提供尽可能多的方便。从实际应用的角度看，这两种方法在造型效率上各有千秋。几何驱动方法虽然在修改的 时候比较麻烦，但对于那些设计已经相对定型的任务，其实修改量并不大，只要在造型时注 意规划好相关的原始数据信息，修改速度还是很快的。尺寸驱动方法虽然比较先进，但目前 的 CAD 系统一般要求用户自己定义几何形体的约束关

6、系，这是一个富有挑战性的工程，如 果施加的约束条件不合适或存在干涉，工作就很难快速进展。特别是对于比较复杂的几何体， 制定一个合理的约束方案是很不容易的，在这个阶段耗费的时间也不会很少。一般来说，对于初次接触某类产品，造型时采用几何驱动方法是合适的（所谓的快刀斩 乱麻），工作的进展较快;对于自己熟悉的产品，则应该在工作过程中总结出一套好的约束方 案（所谓的慢工出细活），采用尺寸驱动方法确实可以节省不少时间。4 . 5 . 3 面向工程应用的造型方法1 .造型方法与工具软件工程应用中有各种各样的造型任务，完成这些工作绝对不仅仅是掌握几个CAD软件系 统就足够的，而应该把这项任务归结为一门技术，甚

7、至是一门艺术，而很多技术人员往往认 识不到这一点。可以打个比方，像打太极拳一样，学会用某个CAD软件就像学会了某一派 太极拳（当然这派别不只一个）的套路，套路仅仅能用来强身健体;学会造型方法就像学习太 极推手，使人在拆招过程中慢慢悟出一招一式的竞技要点，倘若能够融会贯通，就可以用来 防卫竞技了。可惜的是，当前书市上介绍前者的书铺天盖地，而介绍后者的书则寥寥无几。造型方法的讨论是有价值的，因为在讨论（研究）一些有用的造型方法后，我们就可以用 一些规律性的东西去分析五花八门的产品，按照一定的模式去尝试解决一些问题（包括难 题）。本节将就这一方面的内容作些总结.（ 1 ）希望较好地掌握计算机辅助造型

8、技术应具备的条件：1 ）知己空间想象能力、对几何形体分解组合能力是不可欠缺的，此外，工程背景经验 也十分重要，当然这些能力可以靠学习和训练得以提高。从主观上，意识到这些问题的存在， 那么只有高低之分;意识不到这些问题，那么就是能与不能之分了。2 ）知彼清楚当前计算机辅助造型技术能解决哪些问题，还不能解决哪些问题，并且熟 悉市面上各种各样的造型软件工具及其功能与技术特点。这是从客观条件出发应具备的条 件。（ 2 ）接下来讨论的是如何改善提高的策略：1）你想干什么?这是一个貌似废话的问题，而实际工作中确确实实有许多人忘记了自己 最想要解决的问题是什么，或者甚至没搞清楚自己想解决什么问题。没有目的性

9、的工作显然 是得不到好的结果的。比如说，面向产品设计的造型往往会考虑很多的细节（倒角、孔等等）， 而面向模具制造的造型则更关心的是一个工步要完成的工作模型（包括电极、抽芯等等），这 些结果显然不能置换，当然它们存在着某些相关性，如果从全局考虑，则可达事半功倍的效 果。2）你想怎么做?这是一个常令人困惑的问题，但非解决不可，否则会走许多弯路，甚至 达不到想要的效果。从思维方式上，宜在“沙里淘金”、不宜“泥沙俱下”，意思是在面对 任务时，应先发现并解决关键问题，如用工程图样的数据造型，选择一个最能反映工件特征的视图作为切人点就是明智之举，切不可把所有的线框都抄 进去后才开始考虑如何造型。从分析方式

10、上，宜“厄丁解牛”、不宜“天女散花”，意思是 分析工件结构应从框架到细节，如可以先去掉各种倒角，这对于采用尺寸驱动方法很重要， 因为增加一个倒角意味着增加了好几个约束条件，无形中加大了制定约束方案的难度。从组 织方式上，宜“捷足先登”、不宜“按部就班”，意思是在造型过程中应先集中精力解决最 困难的部分，这部分内容切不可想当然了事，一定要达到水落石出的程度，否则很难保证进 度，当按部就班地做了许多工作忽然卡壳，苦思冥想后恍然大悟，经常发现前头的工作白做 了，其实没有必要，那将是一次沉重的心理打击。当把这些问题都很好地解决了，就可以腾出点时间去关心关心造型软件，它不过是一个 工具而已，犯不着花太多

11、的时间去倾听软件供应商的推介报告，俗话说“黑猫白猫能抓老鼠 就是好猫”，只要这个软件的功能恰好可以很好解决你的问题，那么它就是当之无愧的好软 件啦。2 .利用 CAD 软件造型的规划问题如上所述，该考虑的问题都考虑清楚了，坐在电脑前启动某个 CAD 软件，这时还是别 急着就往里敲各种几何元素，而是应该先考虑一下怎样来规划这些几何元素。谋篇布局的工 作相当重要，像一个厨师一样，前面的工作就是准备好了做菜的料，考验的是刀功;规划过 程就是开始炒莱，先放什么料以及怎么个放法如何掌握火候是很影响口味的。我们知道，对 于一项比较复杂的几何造型任务，从中分解出来或造型过程中添加的几何元紊非常之多，显 示屏

12、幕再大终归位置是有限的，因此东西多了就很容易变成一团乱麻，眼力再好也无济于事。 良好的习惯是提高工作效率的开端，下面总结一下造型伊始的规划问题：1 )设定存储路径和文件名起个好文件名便于以后查找，这不仅要考虑近期，还应该考 虑较长时间后查找是否方便，一般采用零件编号，但一串数字并不太适合于记忆，如果采用 分类名加零件编号则更好一些。2) 几何单位设定大多数情况采用米制，有时也采用英制。这是一个容易被忽略的问题， 但切不可忽略，否则可能导致严重后果。3 )造型空间设定许多 CAD 系统都把当前工作坐标的 XY 平面设定为工作平面，因此在 构造二维线框时首先需定义工作坐标系，这往往是开始工作的第一

13、步。接下来要设定即将构 造的几何元素的属性，包括层、颜色、线型、线宽等，特别是工作层的设置，一般应该把相 关的几何元素归结成类，并放在相同的一个或几个层里。许多人开始工作时忽略了这一步， 越往后还是不得不停下来整理，既然终归要做，还是先做了更加妥当。4) 显示空间设定这并不影响最终的造型结果，但影响工作者对造型结果的观察与判断。 有了图形用户界面，我们都追求“所见即所得”，那么对显示空间进行合理设置也很重要。 几何造型所得的结果是三维模型，要让二维的屏幕很好地反映出一个较为真实的三维空间， 许多CAD软件开发商都做了大量的工作，一般都会提供缩放(Zoom )、旋转(Rotate )、平 移(P

14、an)、渲染(Shade)、消隐以及显示精度控制等功能。和工程制图相对应，CAD系统还 提供我们在工程图常用的主要视角观察到的视图，如顶视图、左视图、前视图和轴测图等等。 灵活操作这些功能，对及时发现错误或不理想的结果是很有好处的。从此以后，则是各显神通啦，当然别忘了及时存盘，三维造型是很耗费资源的，系统稍 不稳定崩溃了，这种切肤之痛相信许多人都体会过。3 .线框/曲面造型的技巧线框造型常被不少初学者忽略，觉得不就画几条线嘛!殊不知万丈高楼拔地起靠的还是 一砖一瓦。特别是构造曲面时用的特征参数线几乎都是空间曲线，而曲面的插值运算靠的就 是这些线框，如果线框都画不好，怎么能得到好的曲面呢!对于线

15、框造型的建议只有两个字一 “精到”。一张高质量的曲面，通常要经过数次反复，综合利用各方面的知识和经验，并掌握一定 的造型方法和技巧才可能得到。在实际操作过程中，我们在掌握各种CAD / CAM软件所提 供的工具的前提下，还要善于发现问题和总结经验，下面提及的就是一些案例：1 ）从曲面所要满足的功能角度去构造曲面所有的产品都是为满足一定的功能而设计 的，从功能的角度出发，造型步骤有时可以得到很大的简化。典型的例子是叶片的造型，叶 片为了保证进气和排气通畅、降低噪声，曲面大多采用可展曲面，这样在造型时，只要选择 适当的方向，就可以用直纹面（如图4 一34所示）构成，既方便又能提高造型质量。当前有

16、许多反向工程项目，造型者忽略了产品本身的特点，盲目地用点云数据拟合，实际上是事倍 功半。2 ）从加工角度去构造曲面由于客观条件的限制，在工程图样上要将自由的曲面表示清 楚是有一定难度的。因此导致造型依据模糊，线条混杂，影响造型的准确性。但每个零件（确 切地说是零件的模具）主要是由机加工完成的。这样在造型时，我们可以按照加工工艺顺序， 逐步去除多余的材料，最终总可以得到要求的形状。特别是利用曲面造型，几乎没有什么东 西是表达不出来的。如图4 一35所示为右曲柄轴终挤上模，虚线圆指示的四处在图样上无 法获得完整的几何信息，因此只能凭经验来完成模具型腔的造型。根据这个思路，假设先用 一把100的成形刀（底部带450倒角）铣出深14 .4mm 型腔部分，再用一把17 . 5。的成 形刀（底部带200倒角）铳出深13. omm型腔部分，按传统加工方法，剩余部分则由钳修光 整过渡，故虚线圆圈所示部分除了轮廓限制（如转角处的R6）外，就是要保证与两端光顺连 接。因此构造出如