三维零件

2024-07-06

三维零件（精选六篇）

三维零件篇1

关键词：光学测量,三维曲面,薄壁零件,点云

0 引言

近年来,三维扫描技术作为一种新兴技术,在逆向工程中应用越来越广,但在某些领域仍存在一定问题。譬如在薄壁类零件的三维数据测量中,360°翻转扫描是一个技术难点[1]。以发动机叶片为例,在进行整体轮廓扫描时,因壁厚不超过2 mm且中间无过渡面,因此正反面的标记点无法拼合,获取该类零件的完整点云数据比较困难。本文利用拍照式三维扫描系统,对光滑、反光类金属薄壁件的数据测量方法和技巧进行探索。

1 薄壁零件点云数据的获取

发动机叶片作为典型的薄壁类零件,数据测量过程具有代表性。下面对如何获取发动机叶片的点云数据进行探索。

1. 1 零件表面预处理

物体的表面品质对测量结果有一定的影响。零件最理想的表面状况是不反光、不粗糙的亚光白色。发动机叶片属于光滑、反光类金属薄壁件,因此需做表面处理。

1) 利用蓝墨水对叶片进行浸泡观察效果,发现叶片依旧反光严重且表面颜色接近黑色,更不利于进行扫描操作,所以此法不可取。2) 在叶片表面喷一薄层白色显像剂,鉴于金属表面光滑,喷涂的显像剂不易附着,故喷涂完成之后,尽量不要触碰叶片表面,以免显像剂脱落,为后续扫描带来困难。

1. 2 拼接面的标识

为了实现多视角扫描数据的拼合运算,需将不同视角下的点云转换到同一坐标系下,标记点就是用来协助坐标转换的。因此,需在叶片表面均匀地粘贴标记点。标记点粘贴之前,需找准叶片的翻转基准面。叶片底座属于较规则六面体结构,在翻转过程中,可借其进行点云拼接,本例中选择底座为辅助基准。

喷涂显像剂的叶片,标记点不易粘牢,采用先粘贴标记点,再喷显像剂的方法; 完成显像剂喷涂后,对于附着显像剂的标记点用湿棉签擦干净即可。在底座处粘贴标记点时,应在棱线特征点处多贴,且排列尽量错开,避免在一条直线上,不能呈等边或等腰分布。

1. 3 点云扫描方法与技巧

扫描时,首先平置叶片,完成正面点云获取; 将叶片底座尽可能多地放置在扫描视角中,在保证与之前所识别标记点至少有四个重合的前提下,进行一次扫描操作,识别底座棱线的标记点; 垫起叶片底座至一定高度,完成底座表面点云获取; 通过底座表面识别另一侧棱线的标记点;最后将另一侧棱线和叶片反面标记点拼合,获取点云数据。

鉴于叶片底座是多视角扫描的翻转基准面,翻转过程中,需找准基准面在左右相机下的位置,实现底座表面尽可能多的标记点识别,为拼接奠定基础。选择恰当的位置,合适的方向,通过不停变换视角实现点云的获取。扫描过程中,某一视角下摄像机采集到的图像如图1所示。

2 点云数据处理

2. 1 Stereo - 3D 软件中的点云数据处理

为了从测量数据中提取零件原形的几何特征,以达到零件原形CAD模型的重建,需对三维点云进行整合、拼接,得到完整的三维数据,最后将文件以* . asc格式输出。Stereo - 3D可以快速的获取叶片表面的点云数据,但无法得到零件的面和体,缺乏真实感。本例采用Stereo - 3D软件处理三维扫描系统扫描得到数据,再利用Geomagic -studio软件进行除杂点、封装、面片处理等[2,3,4],重构零件的三维曲面。发动机叶片的点云如图2所示。

2. 2 Geomagic Studio 软件中的三维曲面模型处理

经过数据预处理后获得的点云数据如图3( a) 所示,不能完美地表现叶片的三维实体效果。为满足可视化的需要,更好地逼近实物的表面,使其具有良好的几何准确性,需对几何模型进行修复、拟合,完成由点云数据向三角面片形式的转换,结果如图3( b) 所示。在Geomagic Studio软件中利用网格划分和矩形域参数曲面重构的方式将三角面片转换为三维曲面模型,如图3( c) 所示。采用双三次多项式进行三维散乱数据点云的拟合。给定一组数据点 (xi,yi,zi),i = 0,1,2,. . . ,m,设双三次曲面方程为[5]:

即:

对式( 1) 和数据点求差的平方进行求和运算得:

据式( 3) 求得f* ( x,y) = c0* + c1* x + . . . + c15*x3y3的系数,得到曲面拟合函数。其中,a,b代表公式( 1)函数系数,c0~ c15代表公式( 2) 函数系数,c0* ~ c15* 代表函数f* ( x,y) 的系数。

经所得叶片曲面和点云进行误差比较,测量数据和发动机叶片的实际数据偏差为±0. 037 mm,偏差分析如图3( d) 所示。处理完成的点云形成了曲面几何特征,可在Geomagic Studio软件中保存为 * . STL格式,将其导入CAD三维软件中进行修改、误差拟合、参数化设计等[6],也可导入快速成型系统中进行发动机叶片的再生产,实现逆向工程的全过程。

3 结论

三维零件篇2

支架零件图如图15所示，下面将介绍支架零件在三维建模中是如何进行创建的。

图15 支架零件图图形分析支架零件图由主视图中可看出，它是由三个部分所组成，上面为夹头及夹紧装置构成；最下面是支架零件的安装座，其上有两个沉孔孔造型；中间为厚度6mm和8mm的T字形筋板构成，它是联接夹头与安装座的部分。综合以上分析，可采用以下方法进行创建。(1)分别绘制闭合图形；(2)将各闭合图形生成“面域”；(3)用“拉伸”命令将各闭合图形，按各部分尺寸的要求，只拉伸一半的值；(4)各孔可以轴线为中心绘制半个闭合图形后，生成面域。然后，利用“旋转”命令以中心线为放置轴旋转生成实体造型。(5)利用“求和”和“求差”命令，将物体合并为一个整体，完成支架零件的三维模型创建。具体创建操作方法如下：1．保存为支架零件的三维实体模型图。打开支架零件图，选择“文件”/“另存为”菜单命令，在打开的“圆形另存为”对话框中的名称栏内，重新命名如：图6-26-1的文件名，单击“确定”按钮，完成新文件的建立。2．保留相关图形。关闭相关图层或者删除多余的线。关闭除轮廓线图层以外的其它图层，或者删除除可见轮廓线以外的所有对象。结果如图16所示。提示：只留下主视图。图16 需保留的图形部分图17 绘制各自封闭图形3．修改图形。将各部分按绘制独自地封闭图形为原则进行绘制。孔的部分只绘制以中心线为旋转轴线的一半封闭图形，删除直径为18mm、高度为3mm的线段，绘制的结果如图17所示。提示：由图17所示，共绘制出各自封闭的图形9个，但因明确它们应创建支架实体的相关部位的实体。图18 创建拉伸实体4．生成面域。单击“绘图”工具条上的“面域”按钮，框选所有图形，回车后生成9个面域。 5．拉伸创建实体。单击“建模”工具条上的“拉伸”按钮，或者输入：EXT命令，选择图17中的图形1，拉伸值为41mm；选择图形3拉伸值为20mm；选择图形4拉伸值为4mm；选择图形5、图形6和图形8，拉伸值为25mm；选择图形9拉伸为13mm，拉伸后创建的实体如图18所示。 6．合并和切除实体。单击“建模”工具条上的“差集”按钮，先选择大圆柱体，按回车键后，选择小圆柱体，回车生成孔造型，如图19所示，图19 创建孔造型图20 创建切槽造型 7．合并实体。单击“建模”工具条上的“并集”按钮，选择除图形2、图形7和实体9以外的所有实体，将它们合并为一个整体。8．求差生成通槽造型。单击“建模”工具条上的“差集”按钮，先选择合并物体，按回车键后，选择实体8，按回车键后生成切槽造型，如图20所示。9．创建旋转实体造型。单击“建模”工具条上的“旋转”按钮，选择图形2，再选择图形的中心直线上的两个端点，按回车键创建的旋转实体如图21所示。图21 创建旋转实体图22 创建沉孔造型10．移动旋转实体与求差生成沉孔造型。按“M”键，选择旋转实体往右，距离为20mm，按回车键结束移动。再利用“差集”按钮，先选择合并的整体，按回车键后，再选择旋转实体，回车创建出沉孔造型如图22所示。11．镜像实体。单击“修改”工具条上的“镜像”按钮，或者直接输入：MI命令，选择创建的实体，再选择实体中心的垂直边线上的两点，按回车键后，创建镜像物体如图23所示。图23实体镜像图24 合并实体12．合并实体。用前述的方法，将镜像实体合并成一个整体，如图24所示。13．旋转实体。利用“旋转”命令，将图形7旋转生成实体。然后，用“差集”将其去除后，生成孔造型，如图25所示。图25 创建孔造型图26 边圆角造型14．边圆角。单击“修改”工具条上的“圆角”按钮，或者直接输入：F命令，设置圆角半径为13mm，选择夹紧装置的4条垂直边，进行倒圆角如果如图26所示。15．新建一个用户坐标系。在命令行中输入：UCS 按回车键，再输入：N 新建用户坐标系，再按回车键，输入：3 即用3点确定坐标原点。用鼠标捕孔的中心点，将坐标原点设置在圆心处，如图27所示。图27 建立用户坐标系坐标原点图28 绘制二个同心圆16．绘制二个圆。单击“绘图”工具条上“圆”按钮，或者直接输入：C，回车后，用鼠标单击坐标原点，输入：半径为9mm，用同样的方法，在绘制一个半径为5．5mm的同心圆。 17，拉伸圆生成圆柱凸台。输入拉伸距离为：3 mm，选择二个圆向上拉伸。然后，用大圆柱体减去小圆柱体。再将圆柱与整体合并。结果如图28所示。图28 创建圆柱体图29 创建支架零件的三维模型18．倒圆角。选择圆柱凸台与放置面间的交线、6mm厚的筋板、8mm的筋板垂直边圆角均为3mm。创建的支架零件的三维模型，如图29所示。

三维零件篇3

摘要：使用Kinect采集的深度数据，进行了轴类零件三维重建算法的研究。首先借助Kinect获取深度和彩色数据，通过坐标转换将深度信息转换成三维点云数据；其次提取出感兴趣目标的点云数据，根据点云数据的噪声特点，并对其进行滤波降噪处理；然后进行点云分割获得点云集，最后对各点云集进行结构参数化分析。实验结果表明，本文算法能够精确、高效地实现轴类零件的重建。

关键词：Kinect；三维重建；三维点云；点云分割

中图分类号：TP391文献标识码：A

1引言

三维重建技术是指通过计算机数字化手段，对客观世界中的三维实体建立数学模型的过程，它是计算机视觉、人工智能、虚拟现实等前沿领域的热点和难点。随着立体视觉技术的发展，激光雷达和三维扫描仪等设备逐渐出现，常见有手持激光系统和TOF相机，手持激光系统发射激光感测距离值，需多次扫描获取数据，且通常需要搭配额外装置。TOF相机通过时间换算得到深度数据，但价格昂贵、数据计算量过大。

微软推出的Kinect[1]深度传感器采用光编码技术通过红外定位获取物体的RGBD信息，由于其拥有广泛的应用潜力而在近两年备受人们关注，许多学者利用Kinect对三维重建技术展开了深入研究。2011年微软官方驱动Kinect for Windows SDK1.7[2]中引入了Kinect Fusion[3-4]功能，在支持GPU加速的开发环境中，该技术可以对物体进行三维建模，实时性强。通过手持Kinect对物体环绕一周扫描，几秒钟后就能创建足够平滑的重建的静态场景，产生点阵云以及3D表面模型。Chatterjee[5]创建了一个基于Kinect的几何一致的三维模型系统，首先利用双边滤波器平滑深度图，采用ICP全局配准实现对视角数据的拼接，最后求解符号距离函数完成完整的三维模型。2013年，Daniela[6]提出了重建3D数字化模型的解决方案，利用Kinect获取数据，基于HIS的颜色分析算法分割数据，基于数据的形状特征与组件库里的虚拟元件比较识别3D对象，从而创建一个可靠地3D模型。在国内，刘鑫[7]等人提出了一种基于Kinect并借助GPU的全自动快速物体重建方法。叶日藏[8]利用Kinect对数据获取、预处理、多视角配准、点云融合进行了理论分析，完成了对日常生活物品的数字化重建。然而，由于Kinect本身获取数据的精度不高，噪声大，质量低，其数据的不完整性和二义性往往不能满足机械类零件重建的要求。

本文通过 Kinect 深度传感器采集深度信息，并将其应用于机械轴类零件扫描重建，针对过程中出现的数据噪声问题，本文采用一种快速双边滤波器将其对二维图像处理扩展到对三维点云数据进行去噪操作。针对聚类分割不适于具有相似形状的轴类零件，点云分割误差大这一不足，本文通过计算点云数据的法向矢量及曲率，对聚类分割算法进行改进，将轴类零件点云数据分割成不同点云集，提高了算法性能并使结果更加精确。针对Kinect的精度问题，本文对分割后的各个点云集进行结构参数化分析与识别，从而重建出完整的三维模型。

2总体设计方案

本文利用Kinect深度传感器作为输入设备，对三维重建流程中的数据获取、预处理、点云分割、结构分析进行了研究及理论分析，提出了一个基于Kinect深度传感器的三维重建方案：首先，借助 Kinect 获取深度和彩色数据，通过坐标转换获得目标物体表面每个点的三维空间坐标，以此形成一个点的集合—点云。其次，根据图像内容的属性和特点，将图像分割成各个区域，并提取出感兴趣目标的点云数据。并根据深度数据的噪声特点，分析比较几种滤波算法，优化选择一种双边滤波算法对三维点云数据进行降噪平滑处理。然后，估计过滤后点云的表面法线并计算每个点云的曲率，进而实现基于法线和曲率的点云分割。最后对轴类零件的各个点云集进行结构参数化分析并显示。三维重建流程如下图：

3三维点云数据获取与预处理

3.1深度图像与彩色图像的获取

Kinect传感器通过发射红外光利用彩色和深度摄像头采集原始数据，两种数据结合生成三维数据。由于Kinect内部已对深度摄像头和彩色摄像头进行了径向畸变的矫正处理，则可以将捕捉的深度数据和彩色信息直接应用于生成三维点云数据。从深度摄像头获取的红外数据，分别代表深度图像坐标系统的 X、Y、Z 坐标，Z坐标值表示某点到镜头的深度值。图2显示由 Kinect 获取的彩色图像和原始深度图像。

由于深度摄像头和彩色摄像头在Kinect中的位置不同，两者采集数据的角度不同，得到的原始数据的坐标在水平方向存在一定的偏差。通过 OpenNI 的校正函数可修正两个相机产生的视差问题，使得目标物两种图像对齐到相同的位置，为后续的点云处理提供可靠数据。校准后的两图像视角一致，如图3所示：

通过与之前未校准的结果相比，可以发现校准后的结果周围的黑边明显比较大，同时也有一些几何上的修正（四边有稍微内凹），这是因为将深度摄像头的视角调整为彩色摄像头的视角，这样两幅图像的内容就完全一致，没有偏差。

6实验结果与分析

本文使用c++编程对聚类分割进行了改进，实现了基于法线和曲率特征的分割算法，比较两种算法的实验结果图9和图11可知，在处理具有相似特征的大数据时，聚类分割算法粗糙，分割结果误差大。本文算法通过对点云数据的法线估计与曲率计算，将轴类零件精确分割成四部分如图11（a）（b）（c）（d），本文算法在分割性能与精度上远远优于原始聚类分割算法。针对分割后的零件各点云集，本文对其分别进行结构参数分析，结果如下：

由表1结果看出，与轴类零件实际测量结果相比，本文算法得到的实验结果误差在毫米级，与实际偏差很小，尚在允许范围内，满足工业需求。至此本文将轴类零件分割成4个点云集，并识别其模型类型和参数计算，准确进行了结构分析，将最初采集的单视角、噪声大、误差大的不完整数据转化为平滑且高质量的完整的点云数据，为后续三维重建提供可靠保证的点云集。

7结论

本文利用kinect实现了轴类零件的三维重建技术。由于kinect自身技术原因，采集的三维点云数据精度低噪声大且不完整。首先利用双边滤波算法对数据进行降噪平滑处理，然后针对现有的聚类分割，提出了一种改进的分割算法。新算法分析了点云的法线和曲率特征，结合聚类思想将零件数据精确分割为4个点云集。实验表明新算法的分割性能远远优于原始聚类分割算法。最后本文对各部件进行结构参数化分析与识别，提高了数据质量和精度，从而重建出完整可靠地轴类零件。

参考文献

[1]Microsoft Kinect[EB/OL].http：//www.xbox.com /en-us/kinect.

[2]Introducing Kinect for Windows[EB/OL]. （2013）[2013-8-20].http：// www.k4w.cn/.

[3]Newcombe R A，Izadi S，Hilliges O，et al. KinectFusion： Real-time dense surface mapping and tracking：Proceedings of the 2011 10th IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality，2011[C].IEEE Computer Society.

[4]余涛.Kinect应用开发实战用最自然的方式与机器对话[M].北京：机械工业出版社， 2013.

[5]Chatterjee A，Jain S，Govindu V M.A pipeline for building 3D models using depth cameras：Proceedings of the Eighth Indian Conference on Computer Vision，Graphics and Image Processing，Mumbai，India，2012[C].ACM.

[6]Daniela Alexandra，Esteves Gil Borges.3D Object Reconstruction Using Kinect[J].2013.

[7]刘鑫，许华荣，胡占义.基于GPU和Kinect的快速物体重建[J].自动化学报，2012（08）；1288-1297.

[8]叶日藏.基于Kinect深度传感器的三维重建技术应用研究[D].广州：华南理工大学， 2013.

[9]TOMASIC，MANDUCHI R.Bilateral filtering for gray and color image[C]//Proc of the 6th International Conference on Computer Vision.1998：839-846.

[10]Rusu R.Semantic 3D Object Maps for Everyday Manipulation in Human Living Environments[J].KI-Kunstliche Intelligenz，2010，24（4）：345-348.

三维零件篇4

关键词：零件三维建筑与制造,课程,教学改革,课程特色

近年来, 我院着重对《零件三维建模与制造》课程的教学内容进行了整合, 将数控、模具专业教学计划中原有的主干课程《CAD软件应用》、《CAM软件应用》两门课程内容整合。并跟踪CAD/CAM技术发展, 增设反求工程技术内容, 开展基于CAD/CAM的反求工程案例教学和项目驱动教学, 以培养学生对CAD/CAM软件以及新技术的应用能力。具体改革措施包括:与企业行家共同制定课程标准、教学大纲, 确定教学内容;实施理论与实践相交融的模块课程教学;与企业行家共同编写教材, 制定课程评价 (考核标准) ;由学校教师和浙大旭日公司等合作企业的兼职教师共同承担教学指导任务。

课程背景与性质

《零件三维建模与制造》课程是数控技术专业的核心课程, 是国家示范性高职院校建设项目中央财政支持的重点建设课程。

我院的数控技术专业是浙江省高职高专重点建设专业、国家中央财政支持的重点建设专业。近年来, 我院每年都坚持对区域行业企业、用人单位及毕业生的跟踪调研, 并针对浙江省制造业中小企业对数控高技能人才的需求以及学生职业生涯发展需要, 及时进行数控专业教学改革 (见图1) , 并形成符合高技能人才培养目标和数控专业相关技术领域职业岗位群任职要求的课程体系。 (见图2)

本课程作为专业核心课程, 以《机械图样基础》、《数控切削加工》等机械类课程为前序课程, 是进一步学习《典型型腔模具制造》等课程的基础。

课程教学内容的设计与安排

(一) 教学内容的设计

基于对以上相关岗位 (群) 的工作过程、工作任务与职业能力的分析, 归纳本课程培养的主要职业能力为产品建模能力、产品装配能力、精密数据测量能力、反求曲面建模能力、数控自动编程能力及数控机床操作能力等。

教学内容按照相应的职业岗位工作流程进行选择, 针对主要职业能力, 采取项目 (任务) 驱动情境教学, 精心选择了来自企业的12个项目作为载体, 将职业能力对应的理论知识、实践技能、态度、评价标准等内容有机地融入项目 (任务) 设计中, 加强教学内容的生动性、真实性、实践性 (见图3) 。

1. 教学内容的设计符合浙江省先进制造业发展对数控高技能人才职业素养、专业技能要求的实际, 紧跟先进制造业的发展趋势。例如, 加强了工件仿真试切及程序优化、反求数据处理及建模等教学内容。

2. 教学内容的设计兼顾教学对象的特点。针对高职学生的基础和特征, 打破以知识传授为主的传统学科体系, 转变为以工作任务为中心组织课程内容, 课程内容突出对学生职业能力的训练, 将知识与技能的培养有机地融入工作任务过程中。

3. 教学内容的设计紧密衔接职业资格标准。教学内容有机融合了《UG NX设计师应用技术》单证考核标准及数控、模具工种鉴定相关职业标准对知识、技能和态度的要求。

(二) 教学内容的组织与安排

1. 教学内容由浅入深, 教学案例由简单至复杂, 形成教学内容序列。设计12个子学习情境, 典型三维建模载体为1~5, 反求零件设计为6~8, 复杂类零件制造 (加工中心) 案例为9~12, 载体由简单至复杂, 力求覆盖各种三维建模方式的典型情况 (见图4、图5、图6) , 教学内容由浅入深, 案例5、8、12为较复杂的综合题, 较全面地体现了零件三维建模与制造对相关知识和技能的要求。

2. 内容有机整合, 体现“双证”思想。12个子学习情境都是基于工作过程的, 分解每个工作环节的工作任务和能力要求, 融入理论知识和实践技能, 综合工艺分析与工艺路线设计、工夹具选择、程序编制与校核、零件加工与检测等工作要求, 将原来相互割裂在《CAD软件应用》、《CAM软件应用》、《数控程序编制》、《CAD/M软件课程设计》等多门课程中的知识点、技能点融入案例中。由于本课程教师团队主要负责完成了浙江省数控各工种从中级工、高级工到技师全系列职业技能鉴定标准的制定, 因而本课程的设计自然融入了“双证”思想。

课程特色与创新点

通过《零件三维建模与制造》课程的改革实施, 可以得出以下特色与创新点: (1) 以职业岗位的生产与工作过程为导向, 设计理论与实践密切结合、教学做一体化的课程内容, 突出对实践能力的培养;结合生产典型案例和项目, 由浅入深, 引导学生掌握扎实的技术基础理论和工艺分析、综合加工技能, 加强职业能力的提升。 (2) 教学过程以教师为主导、以学生为中心, 充分利用生产实景、实物、实例、课件、视频资料、多媒体网络手段, 采用自学、小组讨论、边讲边练边总结等形象化、启发式、互动式的学习方法, 加强学生自我学习和自我发展能力。 (3) 教学中注意加强素质教育, 创造工厂实际环境 (如上班打卡、按生产要求考核成绩) , 培养学生勤奋敬业的工作作风;用分组学习方法创新思路, 互相激励和培养团队合作精神, 将思想素质和职业素质的提高贯彻于教学的全过程。 (4) 课程辐射能力较强。课程是学院国家示范性高等职业院校建设项目中的重点建设课程, 具有较强的硬件平台, 其校内实训基地是国家示范性数控职业教育基地, 设备先进, 设施齐全, 满足生产性实训要求, 拥有一大批紧密合作的校外实训基地。

参考文献

[1]姜大源.职业教育专业教学论初探[J].教育研究, 2004, (5) .

[2]谢颂京.基于能力本位的汽车机械基础课程改革初探[J].科教文汇, 2008, (1) .

[3]陈解放.“产学研结合”与“工学结合”解读[J]中国高教研究, 2006, (12) .

[4]赵娅.面向应用的高职院校课程改革与实践[J]辽宁行政学院学报, 2008, (1) .

三维零件篇5

CAD是世界性的通用专业名词, 是“Computer Aided Design” (计算机辅助绘图) 的缩写, 是计算机技术的应用领域之一。Auto是美国Autodesk公司的简称, Auto CAD是美国Autodesk公司推出的通用计算机辅助绘图和设计软件。它在计算机绘图和设计领域已经领导潮流多年, 是迄今为止流行最广、普及最多的计算机绘图软件之一, 具有丰富而强大的绘图、图形编辑、显示控制、图形输出等功能, 现已广泛应用于机械、电子、建筑、汽车制造、航天、造船、医学等领域。[1]

二、绘制组合齿轮实例

齿轮是减速机的重要组成零件。如图1是型号JZQ200圆柱齿轮减速机的内部齿轮分布。

下面以绘制该减速机的内部齿轮为实例, 介绍绘制CAD机械三维图的操作和技巧。

首先, 利用测量工具 (如游标卡尺、量角器等) 分别测得如表1的数据:

测量出啮合齿轮的中心距a13、a24, 法面齿距Pn1、Pn2、端面齿距Pt1、Pt2:

根据标准斜齿轮的相关公式a=m (Z1+Z2) / (2cosβ) 和cosβ=Pn/Pt, 和标准渐开线齿轮的啮合条件: (1) m1=m2=m; (2) a1=a2=a (标准齿轮的压力角为20°) ; (3) 两齿轮截面的分度圆相切; (4) 分度圆直径d=mz/cosβ; (5) 齿厚s=1.5708m。准直齿圆柱齿轮, 齿顶高系数是1, 顶隙系数是0.25, 将数据带入相关的公式计算可计算出模数m1=m3=2.25, m2=m4=1.5;分度圆螺旋角β1=14, β2=15;获得的参数如表2所示。

1. 绘制齿轮截面。

为了节省齿轮截面图的绘制, 减少误差, 长期从事专业的机械CAD绘图员根据经验和齿轮的规律, 制定了专业的CAD绘图齿轮插件, 既方便又省时。[2]

下面以绘制齿轮的齿轮参数化绘制 (GEAR.VLX) 插件为例介绍使用方法。这种插件的使用方法很简单, 首先将GEAR插件安装在CAD的根目录中, 启动CAD后, 选择工具→载入应用程序, 选择GEAR插件, 即可为CAD添加绘制齿轮的命令———GEAR。

设置单位精度为毫米制, 建立图层如下图所示。

输入gear命令, 系统将提示指定模数、齿数、压力角、分度圆螺旋角、分度圆弧齿厚、齿顶圆直径和齿根圆直径参数, 并确定是否绘制齿根过度圆弧和指定圆心即可获得符合要求的齿轮截面。如图2所示。

注意:输入gear命令后, 只需输入法面模数2.25、齿数85和分度圆螺旋角14, 其他参数系统已自动计算出来, 如果有较大的误差再另行改动。[3]

按照上述方法绘制出齿轮1和齿轮3的截面图形, 再将中心线和虚线分别归属到对应的图层。根据齿轮啮合条件, 以分度圆与中心线的交点为基点将齿轮3移动到齿轮1的对应位置, 使两齿轮截面啮合, 如图3。

冻结齿轮3图层, 视图切换至东南等轴测, 接着将齿轮1沿着Z轴正向复制齿轮1, 高度为30, 并以圆心为基点在XY平面旋转14° (螺旋角) 。并绘制齿轮1的齿根圆, 用直线连接上下对应的齿条截面, 如图4。

采用修剪命令处理齿轮1, 并删除多余线条, 获得上下两个对应的轮齿截面如图5。

用直线连接上下两个齿轮截面, 获得齿轮1的齿条模样, 如图6。

关闭中心线图层, 向右侧复制齿条1模样, 采用edgesurf (边界网格) 命令, 将复制后的齿轮1模样上的每四条线围成的所有封闭区域转成边界网格, 如图7。

将该边界网格移动到齿轮1模样的对应位置, 按照该步骤将所有的封闭区域转换的边界网格移动到对应位置后。获得齿条如图8。将原齿轮1模样的线条删除, 只留边界网格围成的封闭齿条, 即为齿轮1的齿条。

注意:在转换边界网格时, 如果发现边界网格的边界与齿轮1模样的线条曲线重合度变差太大时, 可采增加网格数量来优化, 减小网格边界与齿轮模样的重合误差。输入surftab1, 设置suftab1和surftab2的值为10或者更高即可。

接着按照绘制齿轮1的齿条的方法, 绘制齿轮2、齿轮3的齿条。

2. 绘制轮毂截面。

绘制如图9的轮毂截面, 绕X轴进行旋转, 并切换到三维隐藏视觉样式, 获得轮毂的三维模型。

绘制长30宽33高12的长方体, 并移动至轮毂的对应位置, 如图10。

用差集命令, 用轮毂减去长方体, 获得带键槽的轮廓, 如图11所示。

图11

以轮毂的底面圆圆心为移动基点, 移动至齿轮1底面截面的中心, 并沿着X轴旋转90度, 打开齿轮1图层, 显示齿条1, 获得图12。

以底面齿轮1截面的圆心为阵列中心, 对齿轮1的齿条进行数量为85的环形阵列, 获得齿轮1的完整模型, 如图13。

关闭齿轮1图层和齿轮3图层, 按以上方法, 绘制出齿轮2的完整模型和齿条4, 如图14。

3. 绘制齿轮1的轴———轴1。

分别绘制半径为28.69、高170;半径为22.42、高30;半径为20.1、高40.3的圆柱体, 并将这三个圆柱体归属于轴1图层。并对高度为170的圆柱体上下两个圆的边、高度为30和高度为40.3的圆柱体底圆的边进行半径2的圆角, 如图15。

以圆柱体的圆心为基点移动三个圆柱体, 成为一个三级轴, 并选择键槽, 以线段39.3的上端点为移动基点, 捕捉半径为28.69的圆柱体顶面圆心为最终移动点, 获得最终的轴1完整模型如图16。

将“键槽”置为当前图层, 以轴1的顶部圆圆心为基点, 90°旋转轴1, 并捕捉长度为39.3的线段的上端点移动至轴1的顶部圆心, 如图17。

捕捉长度为39.3的线段的下端点移动轴1至齿轮1的中心线的上端点, 获得完整的轴———齿轮模型, 如图18。

按绘制轴1的方法, 根据轴2、轴3的尺寸分别绘制出轴2和轴3, 为了方便观察, 将视觉样式切换到真实视觉样式, 如图19所示。

打开齿轮1、齿轮2、齿轮3、齿轮4和轴1图层, 将轴2和轴3分别移动到合适位置, 关闭多余图层, 获得最终的减速器内部齿轮组合模型显示, 如图20。

如果要提高模型的真实性, 可通过CAD的渲染设置后进行渲染。CAD的渲染属于三维的后期处理技术, 相对于其他专业渲染软件 (如Vray等) , CAD的渲染功能过于单薄[4], 在此不做进一步的示范和介绍。

三、绘图注意事项

1.绘图前, 根据绘制图形的不同, 设置好合适、明确的图层, 以达到绘图过程的清晰、准确。此外, 配合图层的冻结和开启可以提高绘图效率。

2.在实际绘制齿轮截面中, 应采用CAD插件来绘图, 提高绘图效率和绘图精确性。

3.在使用复制 (移动) 命令时, 多采用带基点复制 (移动) 的方法, 提高复制 (移动) 位置的准确性。

4.图层尽量采用随层 (bylayer) , 保持图元与图层的一致性, 有利于绘图界面的清晰。

5.CAD的三维绘图少不了视口的切换, 因此熟悉视口切换会提高绘图效率。此外, 当CAD自带的视口不能满足观察角度时, 可通过shift+鼠标中键来转动视口, 从而获得满意的观察角度。

6.键槽与键的位置要相对应、吻合。

8.在几种视觉样式模式中, 建议采用三维隐藏视觉样式, 该样式节省了计算机计算量, 提高运行速度, 而三维真实样式需要计算机计算量大, 容易出现卡机状态。[5]

参考文献

[1]张强华, 李小青.Auto CAD实用教程[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[2]王公元, 胡仁喜.精通Auto CAD2011机械设计[M].北京:化学工业出版社, 2011.

[3]郭建尊.机械制图与计算机绘图[M].北京:人民邮电出版社, 2009.

[4]邢玲.计算机辅助制图与设计[M].北京:清华大学出版社, 1999.

三维零件篇6

SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统, 是美国SolidWorks公司在总结和继承了大型机械CAD软件的基础上, 在Windows环境下实现的第一个机械三维CAD软件, SolidWorks提供了几百个API函数, 这些API是SolidWorks的OLE或COM接口。用户可以使用高级语言对其进行二次开发, 建立适合用户需要的、专用的SolidWorks功能模块。SolidWorks是一个非常开放的系统, 提供了VB, VC++和其他支持OLE的开发语言接口。提供给用户必要的工具 (宏语言、库函数等) 以开发个性化的应用模块, 并且易于将它集成到系统中去。用VB或VC++调用SolidWorks的API函数, 可以完成:零件的建造、修改;零件各特征的建立、修改、删除、压缩等各项控制;零件特征信息的提取, 如特征尺寸的设置与提取, 特征所在面的信息提取及各种几何和拓扑信息;零件的装配信息;零件工程图纸中的各项信息;还可在SolidWorks主菜单上增加按钮, 将自己开发的应用模块嵌入到它的管理系统中[1]。

本研究采用VB编程语言对SolidWorks进行二次开发, 与其它开发语言相比, Visual Basic语言规则简单, 容易上手, 功能强大, 同时SolidWorks提供的宏录制功能为VBA环境, 与Visual Basic语法规则完全一致。

1 SolidWorks二次开发功能与参数化造型

SolidWorks的二次开发功能是针对VB和VC++程序设计语言, 它为VB和VC++提供了很多与SolidWorks接口的对象、集合, 如Body对象、Dimension对象、SolidWorks对象、Part对象、Face对象、Feature对象等。VB通过这些对象可以访问SolidWorks环境中所建实体的各种参数, 包括各种尺寸, 各实体表面、实体边界、实体特征等, 甚至可以创建、复制、修改实体特征, 在SolidWorks环境中能够执行的操作, 都可以通过SolidWorks提供的API (应用程序接口) 中的功能来实现[2]。

参数化造型方法是CAD技术中较为先进的造型方法, 也是提高CAD工作效率的有效手段, 为各零件的基本尺寸建立相应的参变量, 在实际的几何和拓扑基础上建立各零件要素之间的相互关系。随着计算机硬件和CAD技术的不断发展, 三维CAD系统正逐渐得到重视和普及。三维造型技术一般有线框造型、曲面造型和实体造型, 而特征造型是基于这3种技术之上的、以特征为基础的造型方法。与传统的布尔运算操作相比较, 基于特征的造型技术更加简单、易于操作和理解。

2 三维拼装式参数化设计

由于轴类零件的应用非常广泛, 而且种类繁多, 结构复杂, 因此很难用一种典型的结构来完全概括。但是不管结构如何, 任何一根轴类零件都是由若干个常用的基本图形元素 (即轴元) 所组成[3]。将这些轴元定义为特征, 又可以划分为主特征和辅特征。主特征用于构造轴类零件的基本形状结构 (如圆柱和圆锥) , 可以单独存在。辅特征用于对主特征或辅特征进行局部修饰 (如倒角、键槽、退刀槽和中心孔等) , 反映了轴类零件几何形状的细微结构。它依附在主特征或另一辅特征之上, 不能单独存在。一般轴的结构如图1所示, 轴主要由轴颈、轴头、轴身3部分组成。轴上被支承部分叫做轴颈;安装轮毂部分叫做轴头;连接轴颈和轴头的部分叫轴身。

轴的几个主要分解特征有圆柱体、倒角、键槽、退刀槽、砂轮越程槽等等, 只要将这些分解特征的开发完成后, 那么整个轴的建模就水到渠成了。

在设计轴类零件时, 以Visual Basic的窗体作为程序的人机交互界面和主控界面, 通过这些界面输入尺寸参数, 将这些参数通过SolidWorks的二次开发功能变成SolidWorks的实体尺寸。根据各个轴段的主辅特征, 按照先后顺序绘制出各个基本轴段, 直到完成整个轴的建模。这实际上是采用了人机交互参数化中的基于构造过程法, 它是参数化设计方法中的主要方法之一。采用基于构造过程法的优点是:①可以灵活自由地构建出结构不同的轴类零件;②轴段数不受限制 (理论上可以无数段) ;③可以简化各个基本轴段的绘制工作量;④降低编程难度。

3 参数化设计程序的开发

在VB6.0开发SolidWorks时, 一般是利用宏录制命令在SolidWorks环境中录制SolidWorks的相关操作来获得程序头部和应用程序的代码, 并将代码经过适当的修改后放到VB中使用[4,5,6]。下面以参数化绘制一般轴的实例来说明如何利用VB对SolidWorks进行二次开发。

本研究的开发思想是, 将轴分成一个一个轴段来建模[7,8], 这样无论什么样的轴段, 都可以通过这个方法来进行建模。用户在新建轴段时选择好草图基准面, 即下一轴段的起始端。总流程图如图2所示。

3.1参数化绘制轴的一些关键代码

(1) 轴段建模代码如下:

(2) 键槽建模代码如下:

(3) 退刀槽或砂轮越程槽建模代码如下:

3.2二次开发的用户界面

按照该方法的特点, 可以设计适合的界面。首先出现的初始界面简单明了, 如图3所示。

在“请选择”栏目下选择不同的类型, 会弹出不同的对话框, 如图4所示。

4 结束语

本研究通过对SolidWorks二次开发及三维拼装式参数化设计的研究, 得出了基于SolidWorks平台, 利用VB对轴类零件进行三维拼装式的参数化设计开发。