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基于特征的机械零件参数化建模技术研究

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传统的CAD系统以实体造型为核心,因其所使用的为抽象级别较低的点、线、面、体,与设计制造过程中所用的信息抽象等级不匹配,不能满足CAD/CAPP/CAM系统集成的需求。特征建模和参数化设计是目前CAD系统发展的两个主流方向,参数化特征建模技术即将二者密切结合,优势互补,对零件的特征采用参数化造型,用变量设计(或尺寸驱动)法定义特征并操作,是解决机械零件3D设计与建模的有效途径和方法 。

1 参数化设计技术参数化设计的核心是基于对图形数据操作的参数驱动机制,它通过修改图形参数或改变部分尺寸,自动实现相关部分的改动,完成图形几何尺寸满足约束条件的参数化设计L2 J。该方法能综合协调和优化模型,有效支持拈化、系列化和变型化设计,提高设计效率和质量。

结构参数化和尺寸参数化是目前主要的二种参数化设计方法,尺寸参数化即零件的形状不变而尺寸可变,结构参数化则零件的大型形状均可改变〃模过程中根据实际需要可选择尺寸参数化或结构参数化造型,这两种方法主要用于结构建模中的基本体素和简单形体针对复杂形体参数化建模的需求,提出了几何模型的参数化造型方法,它由四部分构成,如图1所示。其中(1)基本体素,是构成几何模型的基本形状,如各种回转体(柱体、球体等)、六面体及其组合;(2)几何形体算法;(3)尺寸和结构关联约束,其中尺寸关联约束是图形单元的属性,用于确定几何模型中各单元图形的尺寸和相互之间的位置;结构关联约束是图形单元之间隐含关系的集合,主要有位置关收稿日期:2012-04。23作者简介:张兰挺(1965~),女 ,副教授。研究方向为计算机辅助设计。

第4期 张兰挺等 基于特征的机械零件参数化建模技术研究 49系、顺序关系、连接关系和主次关系等 。

2 特征建模技术图1 复杂形体参数化造型的实现原理Fig.1 Realizing principle of parametric modeling for complex part特征是-系列具有特定关系的几何或拓扑元素。它表达-定的功能语义,是产品非几何信息的载体,隐含-定的工程知识,供设计者使用以表达设计意图和思想。

特征可分为形状特征、精度特征、材料特征和装配特征等。其中,形状特征是主体和非几何特征信息的载体,非几何特征信息作为属性或约束附加在形状特征的组成要素上 。以STEP标准为参照,突出加工工艺信息,形状特征的分类如图2所示。

图2 形状特征分类Fig.2 Classifcation of form feature零件或产品的几何模型由-组特征实例构成,它们之间同时存在着约束关系和形状关系。其中约束关系是特征的外部约束,主要描述特征间的位置关系,通常通过定位尺寸约束隐含于模型中,主要包括定性约束(平行、垂直、共线、共面等)、定量约束(距离参数、角度参数、参数参数)以及尺寸间的线性和非线性工程关系;而形状关系则用来描述特征间的相互干涉关系 。

基于特征的设计即直接用特征来定义零件的几何结构,它是几何造型环境下特征建模的主要方式。

3 基于特征的参数化建模技术基于特征的参数化建模就是将基于特征的建模与参数化有机结合起来,使特征本身包含参数化设计所需的成员变量和成员函数,采用带有语义的特征描述方式,通过改变参数,随时调整产品的结构和尺寸,驱动特征随之变化。其关键是参数化特征的形成及约束。

3.1 参数化特征的形成基于特征的参数化造型可把特征分为几何特征和结构特征两种类型 。

50 内蒙古工业大学学报/ 2012正(1)几何特征几何特征包含设计特征和标准特征,用于表达零件特定的几何形状。

设计特征是三维实体,其形状和位置由-组约束确定。规则特征(如拉伸体、旋转体和扫描体)的形成是封闭的二维图形沿着某-路径运动而产生的,其形状描述通过断面图形的形状和位置约束、运动过程或起止位置的约束来实现。

标准特征(孔、倒角和倒圆)是从属特征,不具有独立性,依赖于零件的面或边。不同标准特征的形状和位置约束如表 1所示。

表1 标准特征的形状和位置约束Table 1 Shape and location constraint of standard feature(2)结构特征和几何特征相同,结构特征也被视作为零件的几何元素,是零件的重要组成部分,用于约束特征的形状和位置。

结构特征主要包含工作点、工作轴和工作平面特征。其中:工作点属于参数化的结构特征,用于孔的精确定位。

工作轴是零件上圆柱面特征的中心线,用于定义绘图平面的轴、放置工作平面或作为回转体特征的旋转轴等。

工作平面主要起到绘图平面、约束断面图形的结构几何、定义特征的起止位置等作用,有参数化和非参数化工作平面两类。其中,前者建立在零件的几何元素上的,通过零件不同几何元素的组合来指定工作平面,其位置随几何元素的变化而改变,如零件的某-平面、等距面或-个顶点与不通过该顶点的- 条边等;后者则不依赖于任何几何元素,位置固定、具有独立性,如UCS的XY平面等。

3.2 约束图形的形状及位置是决定设计特征形状的主要因素,设置约束的目的就是控制特征的形状。约束分为尺寸约束和几何约束两类。其中,前者用来确定图形元素的大型位置,相应元素随约束尺寸值的变化而改变,尺寸约束的形式包括线性尺寸、平行尺寸、角度尺寸和圆弧尺寸,尺寸的大猩以是实际值,也可以是参数方程;后者用来定义绘图平面某-元素的方向或某两个元素间的关系,如线段的水平、圆与圆讳的同心等。

4 轴类零件的参数化特征建模轴类零件在几何外形上具有很强的规律性和相似性,都是由具有确定工程语义和特定功能的若干轴元构成的。由于这些基本图形元素与-定的加工方法相对应,为此将它们视为特征。

根据轴类零件特别是阶梯轴的结构,提取其相似结构的共性部分,将其划分为若干个轴段,每个轴段又包含几个形状特征。在设计-个复杂的轴类零件时,根据其结构特点,按照-定的方式选择组成该轴类零件的基本轴段,记录各个轴段的先后顺序和连接关系,绘制出各个基本轴段,最后按照其顺序和连接关系进行组合拼装就可以构成所要求的轴类零件结构 。

以图3所示的传动轴为例,可将该传动轴看成由5个轴段拼接而成,每个轴段上又有倒角、圆角、键52 内蒙古工业大学学报 2012拄Research on Parameterized Modeling Technologyof Mechanical Part Based on FeatureZHANG Lanting ZHANG Yicheng(1.Colege ofMechanical Engineering,Inner Mongolia University ofTechnology,Hohhot,010051;2.Bureau ofComplete Machinery&Equipment ofInner Mongolia,Hohhot,010020)Abstract:At present,parameterized design and feature modeling are the two main developing direction of CAD.Integratingfeature modeling with parameterized technology is the efective method and measure to 3D design and modeling,which productfeature is mod eled by parameter.Basic principle of parameterized design ,technology of feature modeling an d key realizingtechnology of parameterized modeling based on feature are studied.Shaft part is applied as an example.and parametefized featuremodeling module based on UG NX for shaft part is developed。

Key words:Feature modeling;Param eterized design ;Form feature;Shaft part

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