三维实体设计

三维实体设计（精选八篇）

三维实体设计 篇1

1 盲板阀的结构特点

盲板阀属于截止阀的一种,适用于无气动、液动驱动源而又需远距离自动控制的场合,广泛应用于冶金高炉系统的余热利用、余压发电、煤气清洗及除尘系统的煤气管路上,在防止煤气外泄、保护人员安全和减少环境污染上起到了重要的作用[2]。

盲板阀主要由左、右阀体、波纹管、丝杆、丝母、阀板、驱动装置等部件组成,其中阀板由通板和盲板组成以控制介质的流通和截断。盲板阀的右阀体与波纹管焊接在一起,右阀体通过底部的支撑轮以实现密封传动过程中的水平移动。驱动装置带动3根丝杆同时旋转,由丝母带动右阀体水平移动,使阀体密封面压紧阀板上的O形圈阀门实现密封。盲板阀采用平面密封结构,橡胶密封圈镶嵌在阀板上,密封面磨损小,密封性能好,更换方便。阀板旋转时阀体密封面与阀板上的O形圈完全脱离,通过驱动装置直接驱动阀板旋转,使阀板处于通孔或盲孔状态。在阀板处于压紧的情况下,不能启动阀板行走切换装置。盲板阀产品典型结构如图1所示。

盲板阀在设计过程中遵循一定的设计流程,它的结构比较复杂,在进行参数化驱动时难以整体驱动完成造型和自动装配。通过对盲板阀结构的研究分析和总结归纳,依据其设计过程中零部件的生成顺序,将其结构按装配和设计关联关系进行零部件层次结构划分,如图2所示。在构建的设计流程导航下,依据该层次结构将盲板阀设计的相关知识与三维模型相结合,通过调用不同的三维模型及其相关的驱动参数,可以完成不同类型盲板阀的结构设计[3]。

2 CAXA实体设计环境下的参数驱动设计

在CAXA实体设计环境下,基于Excel表格动态链接的参数化设计,采用基于二维轮廓图形或图素特征尺寸的参数化设计方法,构建三维参数模型并将其嵌入到Excel表格中,通过编辑零件参数表达式或智能图素包围盒尺寸建立模型和Excel相关单元格的关联关系,在Excel环境下通过修改或调用数据对几何模型进行参数驱动。此方法优点颇多,该表格数据易于管理和扩充,便于设计人员以最少的编程工作量甚至不需编程,构建所需要的参数化设计流程导航。

CAXA软件提供了多种构建零件三维模型的功能,如智能图素、三维球工具、编辑二维草图截面等,利用这些功能可以构建零件的三维模型。以启闭机构零件丝杆为例,首先构建其三维模型,添加零件级参数,将参数的表达式与Excel相关单元格对应,并进行驱动完成参数化模型。模型的构建及在Excel环境下的参数化驱动如图3所示。

3 盲板阀参数化设计实现

利用CAXA实体设计、Microsoft Excel作为最底层的开发平台,采用VB6.0构建了适用于公称通径DN350~DN1800,公称压力0.25MPa,介质类型主要为煤气、烟气等气体,介质工作温度通常≤400℃的盲板阀三维参数化设计专用系统,系统构建结合盲板阀的零部件生成顺序和结构层次划分,在设计流程的各个导航节点上,对盲板阀产品设计的零部件、专用件的设计流程进行规范,构建了系统的专用零部件库及其参数库。

在设计流程中以其零部件自身的关键设计参数引导设计人员,将与盲板阀相关的设计知识和经验构建于知识库中,并集成于设计流程向导工具中形成专用的零部件、专用件设计向导,使产品设计在设计流程向导的指引下,按顺序分步骤进行[4]。产品设计流程导航的系统主界面如图4所示。在进行盲板阀设计时,在设计流程向导的引导下,依次点击各个设计节点,打开Excel设计环境。零部件的相关参数由设计人员输入,右击Excel设计环境下的CAXA实体设计的图片,即完成零部件的参数驱动造型。所有零部件设计完成之后,由设计人员在CAXA实体设计的环境下完成零部件的装配及运动仿真。

4 零件造型验证

对完成参数化的零部件进行检查会发现,其特征造型的某一部分消失、结构尺寸存在误差甚至系统报警提示零件生成错误等诸多问题。这些问题给用户带来许多使用上的麻烦。因此对零件参数化过程中需要注意的事项进行了三点归纳:

1)对于需要使用“拉伸特征”———“除料”功能完成的零件需要特别注意。除料造型的拉伸方向有向前和双向之分但拉伸基点始终不变,此造型功能在实体边缘、内部甚至无实体的设计环境中均可成功实现,系统不会提示造型错误。例如:键在轴径变大、变小或轴变长、变短情况下都会消失不见,但实际上键的参数化造型已成功,只不过进入到了轴内部。究其原因就是“拉伸特征”———“除料”功能智能化不足造成的,拉伸基点与设计基点不重合致使拉伸方向不一致造成系统误操作。

2)在进行二维草图约束时,用户往往缺乏经验只对草图形状尺寸进行尺寸约束忽视对草图形状的定位约束,已经完全约束且加绿显示,但是在参数化驱动时草图形状可能任意变形造成模型生成错误。旋转实体不能生成的情况也常常出现。主要原因是二维草图上出现加亮红色断点或者是使用镜像功能时线形出现重叠覆盖的情况造成的。

3)结构尺寸与预想不同是由于当前用户单位与系统单位(米、弧度、千克)不匹配,外加表达式的显示值有可能不符合要求。

5 结束语

中国机械制造企业的计算机辅助设计技术应用,还基本处于初级阶段多以二维应用为主,工作量大效率不高。采用三维设计环境与Excel的动态链接进行零部件的参数化设计,是CAXA实体设计提供的一种实用和高效的参数化设计处理方式,这种方法减少了重复性的三维造型工作,规范了设计数据,提高了设计人员的设计效率。通过调整参数得到不同的设计结果或进行反复的校核运算,实现CAD/CAE/CAPP/CAM的真正集成,为设计、分析、制造的一体化、智能化过程铺平道路。

参考文献

[1]陆培文.实用阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]翟耀文.盲板阀结构的改进阀门[J].阀门,2006(3):41-42.

[3]余龙.阀门三维参数化建模与仿真分析[D].兰州:兰州理工大学,2005.

实体三维化平面设计拓展研究论文 篇2

关键词：平面设计；实体三维空间；拓展

在中国，“平面设计”是翻译于“graphicdesign”，“graphicdesign”是不带有维度概念的词，但中译后的“平面”一词，使我们对其的理解局限在二维上，使其平面设计概念也变得模糊化，含义变得狭隘。在一定程度上限制了我们对于“graphicdesign”的拓展[1]。加勒特埃克伯说：“人们生活在一个三维的空间中……人生最伟大的体验之一，就是置身在这个完美的三维体量之中”将“平面设计”融入三维，观者能更好地体验、感受、理解设计师所要表达的“平面设计”作品。所以平面设计的概念应该包括基于二维空间的平面设计、基于虚拟三维空间的平面设计和基于实体三维空间的平面设计。将平面设计向实体三维空间效果拓展，不仅可以提升作品的感官体验效果，同时还能增加与观者的互动性、融入性，增强观者的想象空间，拓展观者的思维。因此，本文结合三维空间的理论，以及应用于平面设计的“三维空间”实体案例进行分析，得出平面设计向三维设计拓展的必要。由此，研究二维、三维空间与平面设计的关系，能够更好地激发设计者创作的多样性，表达设计者所想表达的设计内容，也能够使观者能动地，带入性地了解作品，理解设计者的设计主题。

1平面设计中的“三维空间”与实体三维空间

在“平面设计”中，三维空间可以简单地分为虚拟三维空间和实体三维空间。虚拟三维空间是指依旧在二维的平面设计范畴内，利用错视觉的引导，所产生具有明确的轮廓的虚幻空间。换句话说，就是二维的平面设计里的“视觉”三维。

1.1二维设计里的“视觉”三维

“视觉”三维指的是视觉感官上平面内的“立体”空间。点线面、明暗、色彩作为平面设计的基本要素，它的变化往往能使平面设计具有律动感和空间感，使画面具有“立体”空间效果。图1是由KurtWenner（美国）通过透视原理在同个水平面内利用人的视错觉关系描绘了这幅立体街头绘画（3-DStreetPainting）——三维立体画《Reections》。它是利用人眼立体视觉的特点产生描绘的作品，利用人眼视觉空间的延续性，将二维作品以伪三维的形式展现，使作品的表现力丰富，意境深远。但是依旧没有脱离二维空间的局限，以一种平面的、单一的面的空间形式存在，并不是真正意义上的，真实的三维空间，“立体”的平面设计。平面设计师乔尔森泰说过“设计师在不断通过明暗手法、矛盾空间、色彩色调、叙事结合的手段来强化三维效果时，其实都被手法欺骗了眼睛”。也就是说，在“平面”二维空间内的制造出来的“视觉”感官的三维效果，是基于虚拟三维空间的平面设计。

1.2实体三维空间与平面设计

三维空间的概念是：日常生活中可指由长、宽、高三个维度所构成的空间[2]。三维设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础，它是建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更立体化，更形象化的一种新兴设计方法[3]。平面设计向三维空间拓展既需要设计者突破“平面设计”的字面含义，更需要设计者不拘于既定思维，突破球星。与印刷形式的平面设计相比较，包括实体三维化的平面设计给我们带来更多的拓展空间，以书籍为例，书籍即是二维也是三维。就页面来说，每一页都是两个二维面的贴合，但翻阅的过程则是一个三维过程。1.2.1立体书籍封面单以页面来说，通常可见的书籍设计属于印刷作品，惯性在于无法摆脱传统的二维平面的束缚，通过印刷文字、图形对视觉感官的刺激来传达信息。而将二维的设计作品与实体三维空间中的真实元素相融合，如图2是来自拉脱维亚设计师艺术家MandarinDuck的书籍封面设计，除了增强视觉效果，也可以更全方位，多角度传递设计信息。图2设计师通过增加二维平面设计中没有的触觉体验，来增加作品的真实感与吸引力。1.2.2书籍内容立体化强化阅读的三维空间感，使阅读过程中的思维想象转变为一个观感过程，则在书籍中融入三维设计元素，例如图3Sabuda,Robert创作的立体书《绿野仙踪》的表现手法，给故事书建造了一个可看，可触碰的具体空间，使静态的书，具有动态的“趣味”效果。不管是表现形式，还是传达功能上也拓展了平面设计的领域。实体三维化的平面设计能够打破传统束缚，增强感官体验；融入观者参与，更好传达信息；增强趣味性，吸引观者目光。实体三维设计能够更好地将以人为本的设计思想进行贯彻，通过与观者的互动过程中，使作品更好地被了解，也更好地了解观者的需求[4]。传统的二维平面设计对观者来说只是以“局外人”的视角，看设计作品，因此不能很好地融入设计作品，甚至去影响设计作品。但是在遵循互动行为时，利用现代新型媒体手段或者融入观者的行为动作使平面设计完整等，来实现必要的互动性设计。总之，突破传统的印刷形式，空间束缚，使平面设计形成多方位可见，互动性强的实体三维化的平面设计。

2平面设计向实体三维设计拓展的方式

本身存在的空间（平面）＋媒介＝实体空间（三维）。本身存在的空间指的是通过印刷形式的二维平面设计作品。二维平面只是平面设计中的形式之一，对细致刻画作品的内在含义，是难以做到“完美”的。因此，设计者必须通过对引入媒介来探索平面设计的“实体三维”空间建设。通过“实体三维”建设的研究手法打破印刷形式的品面局限，从二维走向三维，从平面走向立体，从立体空间的多角度重新认识印刷形式的二维设计和实体媒介相结合的多样性表现，从真正意义上突破二维空间的传达设计，达到实体三维化设计[4]。陈逸飞先生在创立逸飞集团时说过：“我们致力于打破视觉局限，颠覆视觉惯性，创造一种全新的、“大视觉”的视觉文化。这是一个颠覆的时代，视觉艺术已经突破了传统平面美术的束缚，它的外延正在无限地扩展。”由此看来，平面设计突破印刷形式需要引入媒介[5]。对于媒介的映入我们可以通过以下的手法：运用材料本身的特性、手工艺的技法技巧，光与影与人的关系，突破二维平面设计的限制，真正实现三维视觉空间的立体设计。简单地将“媒介”分为以下3种：

2.1材料的运用

利用材料本身所属的三维空间在平面上设计，突破了传统、二维的印刷设计的范畴，平面设计师利用各种材料、工艺形成新的平面设计，即实体三维化的平面设计，在保留材料、工艺自身属性的基础上，改变了印刷形式的平面设计的视觉观感，创造出实体三维效果。图4原研哉设计的梅田医院视觉指示系统，巧妙地将印刷作品和实物进行结合，将作品中的印刷主体物或重点表达处用实物代替，能更直接、更有效地表达设计作品所要表达的重点、主题，也更具创意。将印刷与实物结合，拓宽平面设计领域。

2.2工艺技术

工，巧饰；艺，艺术。工艺可以理解为“巧饰的艺术”，那么工艺技术就是将原材料或半成品加工成产品、艺术品的方法、技术。用“工艺”的方式，结合材料的特性，来寻求生活和艺术相结合，使平面设计脱离全印刷的平面形式。在技术发展的今天，工艺技术不再那么复杂，图5是爱沙尼亚设计师EikoOjala的剪纸作品，就是依靠剪纸这种工艺技术完成的作品，使平面的山水画破纸而出，光影效果强烈的三维视觉感官，使作品的既视感更为强烈。

2.3媒体运用

“技术启发艺术，艺术挑战技术”当平面设计遇见光时，通过光艺术，使平面设计的表现形式丰富，视觉效果新颖，光的可变性也是平面设计变为具有动态效果的独创性设计，媒介也从实体材料扩展到了光学。开启了平面设计创作的新“空间”。图6是EMart的3DQRCode创意，利用正午时光的照射与长短不一的code的阴影形成一个完整的二维码。正是这种三维的效果使EMart中午时段的销售额大大提升，而且也带来了更大的曝光率。实体三维化的平面设计拓展方向在于打破印刷形式的二维束缚，但是印刷形式的二维设计也是推动平面设计由二维向实体三维设计拓展的有利因素，传统设计中在乎运用明暗颜色、虚实对比等并非是落后的手段，如果将其与真实效果结合，就能够完整地凸显三维效果[6]。

3结束语

设计无定式[7]。纸和印刷相结合的“平面”设计确实在平面设计领域中取得了很好的成绩，但是技术的发展，对平面设计师的要求在发生着变化。用空间的眼光看待“平面设计”，打破平面设计“平面”化的既定思维，将平面设计从二维空间向实体三维化空间拓展。实体三维化平面设计讲的是二、三维，虚实的结合。将实体材料放置于印刷作品中，形成一种新的视觉感官的平面设计。平面设计突破空间限制，突破单一的印刷形式，赋予更多的真实效果，实体视觉刺激，如此才能为其拓展更广泛的领域。

参考文献

[1]牛玉慧,刘方林.平面设计的空间性研究[J].包装工程.2007.11.192-194

[2]百度百科

[3]百度百科

[4]孙斐.二维平面设计中的三维视觉空间表现[J].美术大观.2010.11.206

[5]黄婷.平面设计向三维空间拓展研究[J].包装工程.2011.05.18-21

[6]姜昕.平面设计向三维空间拓展研究[J].艺术科技.2014.12.172

三维实体造型描述方法比较研究 篇3

几何造型技术是三维产品造型和设计的核心, 经过半个世纪的研究和探索, 三维形体的表示方法已经经历了线框模型、几何造型、曲面造型和实体造型三个阶段。实体造型技术是通过把各种基本的体素经过交、并、差等集合运算和几何变换来生成复杂的形体, 在这一技术上如何检查形体的合法性 (即封闭、维数一致、无悬点、悬边、悬面的正则几何形体) 以及如何通过正则集合运算来保证产生形体的正则性, 是实体造型技术的关键问题。

1 实体造型表示方法

1.1 基本实体举例

基本实体举例是一个三维实体形状的集合, 它们与应用领域有关, 这些基本实体用典型的参数形式表示, 并利用群组技术将各种相类似的实体组织成为一个实体类。基本实体举例法常用于一些相对复杂或常用的实体。尽管利用基本实体举例的各个对象建立了复杂模型的层次结构, 但是其中的每个叶结点仍然是一个单独定义的基本实体对象。在基本实体举例法中, 不能通过基本实体的组合来生成更高层次的基本实体, 而生成新的基本实体的惟一方法是通过编写代码来定义, 即绘制每一个基本实体必须对每一个基本实体单独编写, 而不能通过更低层级的基本实体通过正则运算而得到。

1.2 扫掠表示法

一个形体沿运动轨迹完成一种定义的运动而得到一个新的实体, 这一过程称为扫掠 (sweep) , 最简单的扫掠是由一个二维区域沿区域所在平面垂直的线性路径, 扫掠生成一个体来定义的, 这种体被称为平移扫掠体或者拉伸;旋转扫掠是一个区域绕轴旋转生成的形体。当扫掠体在扫掠过程中的面积、体积、形状或扫掠方向的一个或几个方面进行改变时, 这种扫掠称为一般扫。对于扫掠所得到的实体, 进行正则运算一般是困难的, 这主要是由于生成扫掠体的不封闭性无法满足正则运算的封闭性要求。在实际应用中, 许多实体造型系统允许用户构造扫掠体, 但存储时会转换为其他的表示形式。

1.3 边界表示法

边界表示法 (也称B-reps) 是利用实体表面边界的顶点、边、面来表示实体。通过刻画实体的边界范围来刻画实体的形状, 它能够利用曲线或曲面逼近来生成实体边界, 但在实际应用中一般难以确定表面的构成, 不利于系统在CADCAM系统中的应用。

翼边表示法是在简单边界表示法的基础上发展起来的, 它提出了新的翼边数据结构。翼边数据结构的每条边用指针来表示, 以指向它的顶点, 指向共享这条边的两个面, 也指向另外与它的顶点相连的所有边中的4条边。每个顶点由一个向后指针, 指向与它相连的边中的一条, 同时每个面指向它的边中的一条。边界表示法可以用来查找与每一个面、边或顶点相邻的面、边或顶点。这些查找对应于9种邻接关系。翼边结构可以同时确定顶点或面与一条边相关, 但需要较长时间来计算另外的邻接关系。在翼边结构的基础上发展了许多改进的新的边界表示数据结构, 在不同领域的三维实体造型应用中发挥了积极的作用。

1.4 空间划分表示法

空间划分表示法中, 实体被分解成相连的但不相交的实体组合, 它比原来的实体具有更多的基本实体, 其中, 基本实体可以在类型、大小、位置、参数化或方向等方面各不相同, 对形体的分解依赖于实体需要怎样的基础实体以有效地完成具体的运算。空间划分包括单元分解法、空间位置枚举法、八叉树表示法和二元空间划分树等方法。单元分解法作为最简单的划分方法, 是基本实体的并操作, 且其中的基本实体不存在相交部分。尽管该方法对于简单组合实体有效, 但是在具体应用中具有较大的难度;空间位置枚举是单元分解的特殊形式, 实体被分解成相同的体素单元, 并以固定的、正则的网格排列, 立方体是最常见的体素;八叉树表示法在表示层次上改进了空间位置枚举, 借用了平面图像表示中的四叉树思路对于体素位置关系进行存储, 以满足存储要求;二元空间划分树 (BSP) 递归地把空间分为两个子空间, 分割的平面可以是任意朝向和任意位置的, 利用BSP可以有效地区分点在实体的内部、外部或上面的问题。

1.5 构造实体几何 (CSG) 表示法

在CSG中, 简单的基本实体通过集合运算进行组合, 其中包括基本实体的直接表示。在CSG表示中, 实体以树的形式进行存储, 集合运算对中间结点和作为叶子的简单基本实体进行相应的集合运算, 树中的一些节点表示布尔算子, 而另一些则表示平移、旋转和缩放等操作, 但布尔运算一般不满足交换律, 在实际应用中树的边是有次序的。从单元分解和空间枚举表示的本质来看, 它们都是CSG表示方法的特殊情形, 在这两种方法中惟一的操作符是两个体的并, 这两个形体是可以接触的, 但内部一定不能相交。CSG模型具有相对紧凑的存储格式, 使得CSG成为主导的实体造型表示方法之一。

2 实体造型表示方法分析与比较

针对上述5种实体造型方法, 我们主要从实体描述的精确性、表示域的完整有效性、模型结构的封闭性以及存储结构的紧凑性和效率等几个方面对上述方法进行比较和分析。

从实体描述的精确性来说, 空间划分方法和边界表示法只产生近似表示, 它们针对只要求近似解的问题是合适的, 但对于精度要求较高的计算形体的交互操作, 会产生很大的计算量并且不实用, 针对这样的问题, 往往结合CSG表示法和边界表示法, 对实体从拓扑结构和几何两个方面进行描述, 以便于更加有效地完成相关操作。

对于实体的表示域, 基本实体举例法和扫掠法表示的形体的域是有限的, 而空间划分表示法可以近似地表示任何实体, 边界表示可以广泛地表示简单的曲面类型和拓扑结构, CSG方法和基本实体举例相结合可以更加有效地表示更多的实体。

对于实体表示的惟一性, 只有八叉树法和空间位置枚举法能够保证实体表示的惟一性, 而对于其他的各种方法, 都会因为各种不同的布尔运算或具体的描述思路而存在多种不同的表示方法。而对实体表示的有效性, 边界表示由于顶点、线、面的数据结构都有可能不一致, 且面或边之间也可能相交而难以保证实体的有效性;BSP树可以表示一个有效的空间集合, 但不能保证是有界实体;对于CSG树或八叉树, 我们可以利用简单的局部语法检查来保证描述的有效性, 只有空间枚举法的有效性不需要进行任何检查。对实体的封闭性, 不能通过基本实体举例法来描述, 而简单的扫掠在布尔运算中总是不封闭的, 因此在造型系统中不能将其作为内部表示方式, 因此, 在具体的应用中会因为应用中对封闭性的要求而在实际设计中加以避免。

针对实体的紧凑性和效率, CSG方法在实体表示和布尔运算中均有其独特的优势, 它表示的是未经估值的模型, 在布尔运算中的每一次都必须对CSG树遍历, 对表达式求值, 并且可以快速地变换, 也可以快速地撤销相关操作。而八叉树和BSP树在进行布尔运算时, 对于实体的结构能够进行快速反应, 对于实体的几何特征在描述的过程中会由于本身的逼近相似而对其准确性产生一定的影响。在基本实体举例描述中, 由于实体本身的整体性, 具有简单的物理描述, 而对于灵活的布尔运算等基本操作则很难实现, 不具有实体造型系统应有的灵活性。

在实际的CADCAMCAE应用中, 由于系统本身对三维实体造型分析过程中的几何结构和拓扑结构均有严格的要求, 在具体应用中常将实体造型的几种方法进行组合定义和操作, 利用基本实体举例将三维造型系统中最常用的实体造型通过参数化设计方法而产生基本实体。在具体的设计中, 经常利用设计的二维草图的扫掠等方法得到简单的三维实体, 并在此基础上针对需要利用和操作的部分和结构进行演绎和重组, 通过BSP、CSG等结构对实体进行布尔运算等一系列操作, 得到符合实际应用要求的三维实体模型。

3 结束语

三维实体造型在CADCAECAM等方面具有广泛的应用, 无论是建筑设计、机械设计与加工, 还是动画设计等各个方面, 都需要通过合适三维实体造型方法得到实体模型。针对具体的应用环境和要求, 我们在实体的表现上需要综合考虑各种表示方法的优点和缺点, 灵活利用布尔运算、旋转、扫掠等方法, 实现三维实体造型的有效应用。

摘要：对比分析了三维实体造型的各种描述方法, 并结合其在CADCAECAM等方面的应用, 对各种方法进行了比较, 论述了各种不同的方法在具体应用环境中的利弊。

关键词：三维实体,描述方法,边界表示法,空间划分法,CSG法

参考文献

[1]Requicha, A.A.G..representations for Rigidystems[J].ACM Computing Surveys, 1980 (4) .

[2]Jansen.F.W..A CSG List Priority Hidden Surface Algorithm, in C.Vandoni, ed[M].Peoceedings of Eurographics85.North-Holland, Amsterdam, 1985.

基于三维实体的系统布线应用研究 篇4

Pro/E的Cabling三维布线模块具有操作简捷、自动布线及布线调整效率高的特点, 近年已在很多企业的模块、分机类单元设备的“导线”布线方面进行了应用, 技术已比较成熟。而在由众多单元设备集成而成的上一级系统级产品中, 设备之间的电气互联一般不直接用“导线”, 而以“导线束” (系统电缆) 为主, 因此在系统级产品的三维布线中我们更关注的是“导线束”而不是“导线”的相关信息。

如何将Pro/E三维布线模块的“导线”布线方法进行相应的转变而应用在系统级产品的“导线束”布线上, 从而实现系统工艺设计与结构/电气设计并行进而提高设计质量及效率?

本文以某系统电子产品—X产品的三维布线为例, 阐述了我们在系统级产品三维布线方面探索使用的一种布线转化方法, 探讨基于三维实体的系统布线应用的可行性以及布线产出的效果。

2 X产品的布线特点

X产品由几十个分机、天线等单元设备系统集成在某一车载平台上, 从三维布线应用的角度来看, 具有单元设备数量多、相互之间的互联电缆数量大、信号互联关系复杂的特点。

根据Pro/E布线模块的应用特点, 布线主要依托导线数据、接线关系表、器件端子以及布线路径的设置。而在系统类产品中, 布线所需的“导线”信息是“系统电缆”的信息, “器件”接线端子是“单元设备”的连接器, 因此, 若要在系统类产品中应用三维布线, 需要解决“系统电缆”向“导线”的转化, “单元设备”向“器件”的转化。

3 布线过程

3.1 布线基本流程

基于Pro/E的Cabling模块的布线流程如图1。

首先是三维模型结构树的二次工艺设计及预设导线参数、接线关系及布线环境, 然后制定合理的布线路径, 经软件自动布线及手动调整后提取所需的参数, 并将模型或导线信息进行完善。

3.2 布线模型的二次设计

X产品的初始三维模型是基于Pro/E的Top-down的设计方法进行设计的, 其中使用了大量的模型简化及复制处理等手段, 架构层次较多。为了进行系统级三维布线, 需要将模型树进行二次设计, 将其中直接参与系统布线的“单元设备”简化成“器件”。具体做法是:通过重构手段将所有参与系统布线的单元设备统一构建到同一父节点下, 并将每个单元设备的电连接器作为一个器件端子建立端子坐标;同时进行模型简化, 保留布线相关的设备外形、装配位置、连接器等信息, 忽略其它特征。

3.3 电缆的表达思路

X产品中的系统电缆包含端到端的单根电缆和一端到多端的分叉电缆, 针对Pro/E布线模块的应用要求, 需要将“系统电缆”向“导线”转化, 经过分析, 采用以下简化方法:对于单根电缆, 直接将其简化为一根已知参数的“导线”进行处理;对于分叉电缆, 将其简化为若干导线的组合。

3.4 电缆参数的预设

(1) 线缆数据库。首先应建立电缆参数库, 将即将使用的系统电缆的外径、颜色、允许的最小折弯半径等数据建立电缆数据库供后续调用。由于系统电缆是“导线”的集合, 因此系统电缆的外径信息需根据其包含的导线的外径及数量进行计算结合模拟方式确定。

(2) 系统接线关系。将系统的接线关系表通过定置的Pro/E转换程序转换成逻辑关系文件 (.output) , 文件包含位号与单元设备的对应关系以及电缆各端的连接关系、电缆的线型信息。

3.5 布线路径的设置

布线路径是由布线设计人员确定的系统电缆敷设的主通路, 通过规划路径通过的节点及节点之间的走线方式来确定, 如图2。

3.6 自动布线后的调整

布线路径设置完成后即可导入逻辑关系文件进行自动布线, 其布线原理是:接线端子搜索最近的布线路径网络通过点, 并通过布线路径走线。但有时候网络通过点的设置不能兼顾周围的所有电缆端头时, 自动布线会出错或布出走线不理想的线。若出现此种情况, 可通过调整布线网络或手动设置特定导线的走线路径等方式进行调整。布线完成后如图3、图4。

4 系统布线的产出

4.1 电缆参数信息

布线完成后可在二维图环境下通过定置输出电缆的接线关系、电缆种类, 并可自动提取电缆的长度信息, 用于完善设计图纸和指导生产。X产品输出的部分电缆信息如表1。

4.2 电缆展平图

将所有系统电缆按1∶1的比例进行展平, 可得到展平图, 进而生成钉板图, 可应用于系统电缆网络的绑扎组合, 并据此进行系统电缆的提前投产, 缩短整个生产周期。电缆展平后如图5。

4.3 确定走线路径与系统骨架的位置关系

在提取电缆特性参数及制作钉板图之外, 还可以通过测量定位等手段确定布线路径上的节点在系统骨架中的位置信息, 通过提取此信息并反馈给结构设计, 以辅助进行电缆固定装置的设置, 如图6。

4.4 便于方案优化

X产品中供电设备负责向多个功能设备供电, 按照原设计方案, 需要多根供电电缆, 每根电缆在供电设备面板上都需要设置一个输出口, 这样造成供电设备面板上的插座很多, 分布密集。考虑到可能还要在面板上布置一些开关等器件, 其面板上的空间会不足。

通过三维布线分析, 我们将电源电缆根据负载及使用特性进行了分组。并建议将其中5根电源电缆合并成1根分叉电缆, 在供电设备端用1个芯数较多的插座输出, 在走线过程中分叉, 输入到5个功能设备。这样减少了供电设备面板上的插座数量, 实现了设计方案的优化。分叉电源电缆如图7、图8。

4.5 产出物综述

用Pro/E布线模块进行系统三维布线前需进行预设的参数及环境有:电缆外径、颜色、最小折弯半径、接线关系、单元设备位号、走线的主路径;布线完成后可提取的数据除上述预设的外, 还可以提取实际走线路径、电缆的长度、分叉电缆的每个分叉点及分叉段的尺寸信息、电缆展平图等。其中电缆的长度尺寸可反馈在电缆设计图上, 对后续的电缆生产进行指导;电缆展平图或钉板图用于系统电缆的绑扎及并行制造方面;走线路径信息的提取便于进行结构设计的优化。

5 相对二维设计的优势

(1) 设计更精确。现在基于二维软件的系统电缆设计, 其长度的确定是在结构尺寸要素的基础上加上经验值人工估算的。为了确保电缆不会短, 其设计余量较大, 且电缆大部分需要在系统装配时配加工, 这样对生产成本及生产周期都会有影响。

基于实体的系统三维电缆布线, 考虑了更多电缆自身的信息, 如直径、最小折弯半径等, 三维的实体模型较精确, 空间感更好, 这样计算出的电缆长度更精确。特别是在分叉电缆的设计上, 优势更加明显, 设计中可以对分叉节点进行精确定位, 这样的设计更准确。

(2) 设计效率更高。电缆信息确定后, 通过设置布线路径, 可以实施自动布线。自动布线完成后, 经过少量调整, 软件就可以准确计算出电缆长度等信息。这样就减少了人工计算的工作量, 特别适合系统电缆数量较多的情况。

(3) 便于设计更改。由于软件的三维实体和二维图是关联的, 因此若更改了电缆三维模型的某些信息, 电缆长度、工序图等图纸可以进行同步关联更改。

(4) 方便进行方案优化。在三维虚拟环境中, 评估、优化和修改设计方案是比较便利的。这对于我们优化结构设计及设备布局都非常便利。

6 结论

通过应用系统三维布线技术, 可以使得系统电缆的设计更加精确;可以提供电缆布线路径与系统骨架之间的精确位置信息, 从而优化结构设计;可以进行方案的评估及优化等。总之, 应用基于三维实体的系统布线技术可以高效地进行系统工艺设计及辅助进行系统结构/电气设计。

摘要：介绍了基于三维实体的系统布线应用研究, 该项技术适合系统产品的布线应用, 可以使设计更精确、设计效率更高, 且便于进行设计方案优化及设计更改。

关键词：系统电缆,三维实体,布线

参考文献

[1]曹永新.机载电子设备机柜布线工艺设计[J].现代电子技术, 2003 (23) :25-27.

布林运算在复杂三维实体建模中应用 篇5

Master CAM是当今广泛使用的CAD/CAM软件。它是美国CNC Software公司开发的CAD/CAM系统,具有功能强大、定位精确、易学易用的特点,集二维几何图形设计、三维曲面设计、实体建模、刀具路径模拟、实体加工模拟等功能于一身,是目前广泛使用计算机辅助设计和辅助制造的软件。其实体建模的方法除了五种基本实体造型方法,还提供了挤出、举升、旋转、扫掠等便于生成较复杂实体的造型方法,并可对实体进行编辑,通过倒角、倒圆角、、抽壳、布林运算等方法生成更加复杂的实体。这其中尤以布林运算功能最为强大。合理利用布林运算,可以大幅提高三维设计的工作质量和效率。

本文以三个具体的实体建模过程为例,就如何灵活运用Master CAM的布林运算功能进行三维建模设计进行了初步探讨。

2 布林运算在复杂三维实体建模中的应用

布林运算就是对两个或两个以上的实体进行结合(Add)、切割(Remove)和交集(Common)的运算,从而生成一个新实体的过程。

2.1 布林结合

布林结合运算(Add)就是将工件主体叠加到目标主体上,作并集运算,构建一个新实体。这个新的实体包括目标主体和工件主体的所有特征。下面以图1为例解析其具体用法。

该零件为类似凸模的一个零件,从工艺角度分析,先生成一个长方体的块,然后再在其上表面分别生成另两个凸台实体,然后以长方体作为目标主体,其他两个凸台作为工件主体,利用布林结合得到所要的实体。具体步骤如下:

(1)长方体的建模

先绘制二维轮廓外形,如图2,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到长方体,如图3。

(2)凸台1的建模

改变工作深度至长方体的上表面,将构图面设置为俯视图,绘制如图4的轮廓线,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到如图5凸台1的实体。

(3)凸台2的建模

为防止凸台1的轮廓线对凸台2产生影响,在进行建模前先将凸台1隐藏,将构图面设置为俯视图,绘制如图6的轮廓线,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到如图7凸台2的实体。

(4)布林结合

恢复隐藏的凸台1,结果如图8,选择:实体/布林运算/结合,选择“实体主体”是Yes,其余都是No,选择长方体作为目标主体,凸台1、2实体分别作为工件主体,执行,即得到所要求的实体。

2.2 布林切割

布林切割(Remove)运算是在目标实体中减去与各工件实体公共部分的材料后构建一个新实体。一般常用于模具凹模的设计及复杂型腔的生成。下面以图9为例解析其具体用法。

该零件为类似凹模的一个零件,从加工工艺角度分析,先加工一个长方体的块,然后通过挖槽成型,所以在三维建模时先建一个长方体作为目标主体,然后再一个外形如凹槽的斜锲形实体作为工件主体,利用布林切割得到所要的实体。具体步骤如下:

(1)长方体的建模

先绘制二维轮廓外形,如图10,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到长方体,如图11。

(2)斜锲形实体的建模

改变工作深度至长方体的上表面,为防止长方体的轮廓线对其产生影响,在进行建模前先将长方体隐藏,绘制如图12的轮廓线,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到如图13实体,然后再通过改变构图面及工作深度,绘制如图14的三角形的轮廓,利用实体/挤出/串连/切割主体,得到如图15的斜锲形实体。

(3)布林切割

恢复隐藏的回转体,结果如图16,选择:实体/布林运算/切割,选择“实体主体”是Yes,其余都是No,选择长方体作为目标主体,斜锲形实体作为工件主体,执行,得到所要求的实体,结果如图17。

2.3 布林交集

布林交集(Common)运算是将目标实体与各工具实体的公共部分组合成新实体。在布林运算(Boolean)子菜单中选取角集(Common)命令,可以对实体进行布林求交运算。下面以图18为例解析其具体用法。

该零件从加工工艺角度分析属于一个回转体零件,然后通过三等分外形切割及打孔成型,所以三维建模时先建一个回转体作为目标主体,然后外形切割主体作为工件主体,利用布林交集得到所要的实体。具体步骤如下:

(1)回转体的建模

先绘制二维轮廓外形,如图19,然后利用实体/旋转/串连/建立主体,得到回转体,如图20。

(2)切割主体的建模

为便于绘图,隐藏回转体。先绘制二维轮廓外形,如图21,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到切割主体外形,如图22。这时“实体管理员”中应显示两个实体。

接着再在该实体表面绘制如图23的9个圆,结果如图24,然后利用实体/挤出/串连/切割主体/全部贯穿,结果如图25。

(3)布林交集

恢复隐藏的回转体,结果如图26,选择:实体/布林运算/交集,选择“实体主体”是Yes,其余都是No,选择回转体作为目标主体,外形切割主体作为工件主体,执行,得到所要求的实体,结果如图27。

3 结语

本文以实例的形式具体介绍了布林运算功能在复杂实体建模中的运用,在实际生产过程中要灵活运用,从工艺的角度出发,合理应用该功能,可以达到事半功倍的效果。

摘要：合理利用MasterCAM软件的布林运算功能,可以大幅提高复杂三维实体建模设计的工作质量和效率。本文通过具体实例对布林运算三种具体运算形式的的适用范围及具体操作作了详细的介绍。

关键词：MasterCAM,布林运算,复杂实体建模

参考文献

三维实体设计 篇6

关键词：AutoCAD VBA,三维实体,二维图形

近年来,计算机三维辅助设计技术发展较快,在工程设计方面得到了较广的应用,尽管在机械和工民建方面应用的较为完善,但在水工建筑物设计方面仅仅是利用三维辅助设计技术进行模拟仿真和计算,直接用带有标注的三维图形指导施工还没有[1,2,3]。基于CAD二次开发也有不少的相关研究,但有关三维辅助设计大多仅仅涉及三维实体图形的绘制,在指导工程施工方面还是依据二维图形,即设计过程中缺少三维实体标注以及三维实体转二维图形方面的研究[4,5,6]。

1 三维设计的优点

在水利工程方面,三维设计有如下优点:能直观的表达工程各个部分之间的空间关系;能较好的做到设计参数之间的完美传递,减少同一工程构件的重复画图及计算;可利用三维模型空间关系,在模型空间通过构件移动来模拟施工的可行性。

如果能在三维图形上直接加以标注或者注释,将更有效的集成设计过程中的数据,更直观、明了的将水工结构各部分空间形状及数据展现在设计人员、施工人员以及业主方面前。传统上,设计人员一般仅仅设计出三维实体,然后将三维实体转换成二维图形,在二维图形的基础上进行标注,这在无形中增加了设计过程的工程量,同时不利于施工人员理解设计意图。对于三维实体模型,直接在三维实体上进行标注,然后投影,直接生成附有标注的二维平面。这将大大减少设计人员的设计工作量,更有效的指导施工。

2 三维空间的标注方法

三维实体标注要同时注意两点:CAD制图规则中的轴测图标注原则以及二维图形的标注原则。根据个人的CAD制图习惯,在标注前,首先要建立一个或者多个图层作为标注层。在进行三维实体的标注时,每个面都应当设置一个图层,在三维实体转化生成二维平面图形时,只打开该面标注的图层,这样就避免了不同视角标注的重叠或者交叉。在进行三维标注时主要采用的CAD二次开发工具为VBA。

2.1 新建图层

‘设置图层为当前图层

ThisDrawing.ActiveLayer = LayerObj

2.2进行标注样式的建立

Dim myDimStyle As AcadDimStyle

Set myDimStyle = ThisDrawing.DimStyles.Add("TestDimStyle")

ThisDrawing.ActiveDimStyle = myDimStyle '将TestDimStyle视为当前标注样式

标注样式的建立主要包括线性尺寸、直径、角度、文字大小、文字位置等属性的设置,根据属性选择设置相应的内容。

2.3 UCS的建立

在CAD三维模式下标注尺寸是件比较麻烦的事,Auto CAD中没有三维标注的功能,尺寸标注都是基于二维图形的平面标注。因此,要为三维图形标注,就要想办法把需要标注的尺寸转换到平面上处理,也就是把三维的标注问题转换成二维平面标注的问题。只要把坐标系转换到需要标注的二维平面就可以了。通常情况下标注只能在XOY平面上才能进行,在标注尺寸前必须先调整UCS坐标系,即将XOY平面转化到需要标注线段所在平面,这样标注尺寸才不会出现偏差。要想进行三维标注,首先要确定所需标注尺寸所在的平面,将UCS坐标系设置在该平面。

用VBA进行编写标注代码的时候,如果转换UCS,点的坐标是不需要进行转换的,用原来默认的世界坐标系的坐标即可,这是相当方便的。

2.4 标注

创建对齐标注,使用Add Dim Aligned方法。该方法要求用三个坐标值作为输入,即两个尺寸界线起点和文字位置。它的基本命令为:

创建旋转标注,使用AddDimRotated方法。该方法要求三个坐标值和尺寸线的角度作为输入,三个坐标分别为两个尺寸界线的起点和文字位置。角度必须提供弧度,并且要有描述尺寸线的旋转角度。它的基本命令为:

创建径向标注,使用AddDimRadial或AddDimDiametric方法。这些方法要求有三个坐标值作为输入:圆或圆弧的圆心坐标、引线附加点的坐标和引线的长度。它们的基本命令为:

角度标注是测量两条线或三个点之间的角度,尺寸线显示为圆弧。要创建角度标注,使用Add Dim Angular方法。该方法需要三个坐标值作为输入:角度顶点、尺寸界线起点和文字位置。它的基本命令为:

至此,所有的三维标注代码编辑完成,下面以实际工程案例讲解。

3 实例

每一个水利工程的建设都基于合理的设计图纸,只有做到结构外观最佳、尺寸最精确的设计,才能实现工程的完美建设,三维设计的优势就体现出来了,通过直接设计三维图形,可以直观的感受工程建设后的成果,同时避免了根据三维图形标注二维图型以及由二维图形合力构建三维图形框架时产生的错误。以挡土墙三维实体模型为例,进行三维标注,并实现带标注三维实体到带标注二维图形的转换。(如图1所示)

在三维空间进行标注完成以后,可以利用Solprof或者Soldraw命令由三维实体直接生产二维平面图形,并且带有准确的标注尺寸。这时要注意各个图层与视图之间的关系,比如正视图只显示正视图所在平面的标注图层,其余图层关闭。不过这种转换的方法在2007版之间的老版本CAD中只能在“布局”里转换,有很多不便之处,在Auto CAD2007版及以后的各个版本中,还可以用平面摄影(flatshot)命令来进行三维实体到三视图转换,这个转换过程是在“模型”里转换,这就给很多的后续操作带来了方便,如绘制剖视图、截面图、转向图等。(如图2、图3所示)

4 结语

三维实体设计 篇7

关键词：AtuoCAD,螺纹,螺栓,三维实体

Auto CAD软件是目前世界上应用最为广泛的计算机辅助设计软件之一[1,2,3], 是国际上广为流行的一种绘图工具, 虽然具有比较强大的二维绘图功能, 但并不是用来专门绘制机械行业零件实体的软件, 对于具有特殊或较复杂结构的机械零件, 在Auto CAD中并不能直接创建零件的实体, 比如在机械设备中经常用到的一种标准件—螺栓, 其螺纹段 的绘制在Auto CAD中就是一 个难点。

本文以六角螺栓GB/T 5782 M16×70的绘制为例, 如图1所示, 介绍一种在Auto CAD软件中绘制螺纹段的准确并且比较简单的方法。

1 创建螺栓螺纹段的两种常用方法

1. 1 使用软件进行二次开发

Auto CAD是一个开放型、交互性、通用性的绘图平台, 允许用户采用Active X Automation技术[4], 利用其他高级语言进行二次开发使用, 因此结合Auto CAD软件本来提供的一些条件, 利用VB语言对其进行二次开发来绘制零件三维立体图是目前常用的一种方法。

使用二次开发来绘制螺栓时首先要先设置VB语言编程环境, 即在VB语言环境中引用Auto CAD软件对象库, 其次是通过接口程序将VB语言与Auto CAD软件连接[5], 最主要的是要结合高等数学知识通过VB语言编程来绘制螺栓的螺杆圆柱体以及刀具路径实体[6], 并进行“差集”处理得到螺纹段。这种方法虽然对于标准螺纹件在后期使用时较为方便, 但在开发的过程当中要求用户不仅要有Auto CAD软件的二维、三维绘图知识, 而且还要有一定的高等数学知识及VB语言的编程知识, 同时如果是非标准螺纹还要重新编程绘图, 因此, 运用这种方法创建螺纹三维实体, 要求绘图者的素质高、知识面广, 并且学习、掌握的时间周期长, 这对许多工程技术人员来说有一定的难度。

1. 2 在Auto CAD中使用“旋转”、“阵列”命令绘制螺纹

相对于使用软件进行二次开发而言, 还有一种方法比较简单, 就是运用Auto CAD软件的二维、三维绘图方法直接绘制螺纹段。这种方法的一般步骤如下:

a) 以螺距p为边长绘制一个等边三角形[3], 作为螺纹截面, 再绘制出螺纹的中心线;

b) 以中心线为轴, 利用“旋转”命令把等边三角形旋转360°;

c) 利用“阵列”命令把上一步得到的图形进行阵列;

d) 把最后得到的图形进行“并集”处理, 得到螺纹段实体。

这种方法看似简单, 实际存在两个问题: 1) 螺纹截面的绘制不准确, 没有考虑螺纹大径、小径、中径、螺纹牙型以及牙型角等参数; 2) 实际加工中螺纹是沿螺旋线方向形成的, 运用“旋转”、“阵列”命令绘制螺纹段, 虽然方法简单但与实际不符, 绘出的图形并不是真正的螺纹, 这样创建的螺栓是无法与同参数的内螺纹件进行配合安装的。

2 六角螺栓GB/T 5782 M16×70 的绘制

在上面提到的第二种方法中虽然绘图是直接运用Auto CAD软件完成的, 但由于没有充分考虑螺纹件的参数和实际加工过程, 所以作图不准确。要绘制出符合实际的、参数准确的螺纹件, 必须得到螺纹的相关参数值, 并考虑实际加工过程。

2. 1 螺纹的基本知识

螺纹的基本参数有5个, 分别是螺纹牙型、螺纹的直径、线数、螺距和导程以及旋向[7,8,9], 这5项基本要素中任何一个发生改变, 就会得到不同规格的螺纹。为了便于设计、制造与选用, 国家标准对螺纹的牙型、直径和螺距等作了规定, 在绘制螺纹联接件时, 根据机械制图国家标准先查出六角螺栓GB/T 5782 M16×70的基本参数: p=2mm, d= 16mm, d1= 13. 835mm, d2= 14. 701mm, l = 70mm ( 螺杆部分的长度) , 取b= 38mm[3] ( 螺纹段的长度) , 同时普通螺纹牙型为三角形, 牙型角为α = 60°[10], 如图2 ( a) 所示。六角头螺栓由三部分组成: 头部为六棱柱, 中间部分为圆柱体, 末端是螺纹段, 其中螺纹段是绘图的难点, 所以绘图时首先考虑如何绘制螺纹段。

2. 2 在Auto CAD中使用“扫掠”命令绘制螺纹段

1) 绘制螺纹的轴剖面图

根据螺纹参数p=2mm, d=16mm, d1= 13. 835mm, d2=14. 701mm, 以及牙型角α = 60°, 在Auto CAD中用多段线绘制出螺纹牙型图, 如图2 ( b) 所示。在绘制图2 ( b) 时, 要注意作图顺序, 先绘出大径线、中经线、确定牙型厚度的辅助线、小径线和牙侧线, 自然相交得到牙顶的宽度, 将图2 ( b) 顺时针旋转90°得到下一步通过扫掠形成螺纹段实体图形的轮廓, 如图2 ( c) 所示。

2) 用“扫掠”命令绘制螺纹段

因为螺纹是沿螺旋线方向加工形成的, 所以为了使绘制的螺纹与实际加工中刀具的走向相符, 先要绘制一段螺旋线。在绘制螺旋线时, 要根据螺纹参数计算螺旋线的顶面和底面半径, 以及螺旋线的圈数和高度。

根据机械制图国家标准对标记为GB/T5782 M16×70的螺栓取螺纹段的长度为38mm, 即b = 38mm, 螺距p= 2mm, 由此计算出构成螺纹段时需要螺旋线的圈数为19, 而螺旋线的底面和顶面半径相等均为4mm。注意, 这里半径不能取螺纹大径的一半而是四分之一, 否则扫掠得到的螺纹段不仅是空心的而且比实际的螺纹直径大一倍, 因为扫掠时被扫掠对象中间位置所走过的轨迹才是扫掠路径。在扫掠过程中扫掠对象 ( 螺纹轴剖面) 与扫掠路径 ( 螺旋线) 之间的相对位置关系如图3所示。

单击“绘图”, “螺旋线”, 在命令行输入底面半径和顶面半径均为4mm, 螺旋圈数19, 螺旋高度38mm, 绘制如图3所示的螺旋线。

单击“绘图”, “建模”, “扫掠”, 将图2 ( c) 中的螺纹牙型图沿螺旋线进行扫掠处理, 得到螺纹段, 经三维旋转, 消隐, 着色后得到图4所示图形, 将图形进行并集处理后即得到螺纹段实体。

2. 3 绘制圆柱体

根据螺栓的参数l=70mm, b = 38mm可以计算出圆柱体部分的长度为22mm。在西南等轴测方向下[11], 绘制一个底面半径为8mm, 高为22mm的圆柱体, 并将圆柱体移动, 使其底面圆心与图4后端面圆心重合, 消隐, 着色后如图5所示。

2. 4 绘制螺栓的头部

由制图国家标准可得螺栓的头部厚度约为10mm, 六边形的外接圆直径为26. 75mm, 在Auto CAD中绘制一个底面外接圆直径为26. 75mm, 高为10mm的六棱柱, 对六棱柱进行倒圆角处理, 圆角半径为2mm, 消隐, 着色后如图6所示。

将螺栓头部图形进行三维旋转并移动, 使其底面中心与图5所示图形的后端面圆心点重合, 单击“修改”, “实体编辑”, “并集”对图形进行并集处理, 消隐, 着色后得到螺栓实体图形, 如图1所示。

3 结语

在创建螺栓时, 如何准确绘制螺纹是绘图的关键所在, 实现螺纹绘制的方法有多种, 可以通过对Auto CAD软件的二次开发来绘制螺纹, 也可以在Auto CAD软件中直接进行绘制, 前者要求绘图人员具备一定的软件编程知识和数学知识, 这对广大工程技术人员来说有一定的难度, 而使用Auto CAD软件绘制螺纹时要避免简单化, 绘图时应结合螺纹基本参数, 考虑螺纹的加工过程, 才能创建出尺寸准确, 结构正确的螺纹件。

加工螺纹时刀具走过的路径是螺旋线, 切除材料以后形成螺纹的凸起与凹槽, 通过观察与分析, 不难发现凹槽正是刀具所走过的路径, 最后形成的凸起路径也是螺旋线。本文所采用的的方法是模拟螺纹的加工方法, 并结合螺纹参数, 沿螺旋线方向进行扫掠绘制螺纹段, 如果绘制实心螺杆则在绘制螺纹牙型图时最大尺寸取作螺纹大径的一半, 而螺旋线的底圆半径和顶圆半径取大径的四分之一。若要形成空心螺杆, 则只需再绘制一个圆柱体与螺纹段进行差集处理即可。本文介绍的方法对于机械行业的工程技术人员而言, 只要具有使用Auto CAD软件绘制二维、三维图形的基本知识, 都很容易掌握, 简单易学, 对其他螺纹件同样适用, 因而通用性强。

参考文献

[1]徐金娟, 姜勇, 周克媛.Auto CAD 2012机械绘图实例详解[M].北京:人民邮电出版社, 2012.

[2]北京兆迪科技有限公司.Auto CAD机械设计经典教程[M].北京:机械工业出版社, 2012.

[3]刘昌丽, 张日晶, 胡仁喜.Auto CAD 2012中文版三维造型实例教程[M].北京:机械工业出版社, 2012.

[4]张晋西.Visual Basic与Auto CAD二次开发[M].北京:清华大学出版社, 2002.

[5]张晋西.Visual Basic.NET二次开发Auto CAD范例精讲[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[6]冯岩.基于VB的Auto CAD二次开发标准件和常用件库[J].新技术新工艺, 2014 (1) :53-54.

[7]代礼前.机械基础[M].北京:北京邮电大学业出版社, 2013.

[8]徐亚娥.机械制图与计算机绘图 (第三版) [M].西安:西安电子科技大学出版社, 2013.

[9]王静.机械制图与公差测量实用手册[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[10]冯岩, 王美蓉.机械制图与CAD绘图[M].北京:北京邮电大学出版社, 2013.

三维实体设计 篇8

1 数控加工使用的刀具轨迹算法

1.1 插补离散算法

设计人员首要解决的问题便是如何对刀具以及工件的运动进行控制, 数控加工仿真系统设计人员在系统当中设计两个运动坐标, 并使两个坐标相互协调运动, 可形成平面曲线。而对空间曲线以及立体曲线, 则需要设计人员设计三个运动坐标, 并使其协调运动。生产人员使用设备在进行工件加工时, 只需按照流程将有关产品的信息录入设备当中即可对数控装置进行控制。所输入的信息也能够通过计算的方法计算, 但是随着曲线阶次的提高, 计算也更为复杂, 因此数控加工基本不将这种计算方式用作控制信息的输入。插补离散算法是较为常用的刀具轨迹算法, 具体有以下三方面内容:

第一, 直线插补。设存在刀具在空间内进行直线移动 (如图1 所示) , 该直线起点为点P0, 坐标为 (X0, Y0, Z0) , 终点为Pe, 坐标为 (Xe, Ye, Ze) , 刀具直线运动的速度表示为F, 插补周期用T标示, 直线插补的核心是计算各个插补周期之中轮廓步长在坐标轴之上的投影分量。系统会将插补直线作为空间向量, 则此时有以下公式:

由上述公式可知, F在在3 个轴上的投影分别为Fx=Fcosα、Fy=Fcosβ、Fz=Fcosγ。之后, 数控加工设备会计算周期与速度投影分量的乘积, 所得到的值即为各个坐标轴在某一生产周期当中的运动步长 (ΔX, ΔY, ΔZ) , 直线插补过程中, 各个周期内坐标轴变化的总是一个定量, 故而插补过程中, i+1 的动点坐标如下:

通常情况下, 插补最后一步与下一个轮廓步长之间存在差异, 因此设计人员可将终点坐标Pe (Xe, Ye, Ze) 直接选作最终的插补点坐标, 以便确保插补精度。

1.2 圆弧插补

数控加工设备在使用圆弧插补需以满足精度为前提, 利用数条切线、弦以及内外均差割线形成近似于圆弧的线。其中, 利用数条切线逼近圆弧可能会导致圆弧存在与计算存在偏差, 因此无法使用。就目前而言, 圆弧插补算法不断丰富, 其中有二阶梯递归算法、直接函数法以及角度逼近圆弧算法。以二阶梯递归算法为例。在递归函数中进行采样插补的实现形式便是通过递归计算轨迹曲线参数方程, 因为其依据之前已知的插补点进行插补, 故而称其为递归插补法。

2 三维实体的数控加工仿真系统建立与应用

2.1 时空仿真的基本流程与功能

三维NC加工仿真系统主要负责检测NC代码是否具有有效性, 同时检查代码是否正确。尤其需要注意加工过程当中所进行的碰撞检验, 其会向使用者以及设计人员直观准确地体现设计成果, 以便使用者对产品有所了解, 设计人员也能够观察设计成果当中的不足, 进而对部分零件进行修改或是替换。

数控方针模块具有以下功能。

第一, 能够使机床、工件、刀具以及夹具等生产用物品具象化, 建立其三维模型, 便于使用者以及设计人员观察。

第二, 运动仿真可由NC代码进行驱动。

第三, 及时向工作人员反映生产过程中, 各个部件的实际运行状态, 以便机械在发生故障之后, 生产人员能够及时排查问题。

第四, 数控加工仿真系统能够完成自动换刀。

第五, 系统可对碰撞检测过程进行干预。

2.2 零件实体模型的建立

数控三维加工的零件表面形状并不规则, 且较为复杂多变, 如部分零件的曲面呈不规则的形状。以车削加工类零件为例, 该类工件的表面以回转体居多, 定义于轴心方向上平面所做的投影, 其曲线也为对称的自由曲线。该类曲线一般可由插值方程、拟合方程以及参数方程等数学方程方式进行表达, 往往不能使用较为统一的数学方式表达与处理。设计人员可利用建立工件三维实体模型的表达方式进行表达, 该方法储存其零件实体特征构成中各种几何信息的方法是以节点为结构体类型的链表类。以便数控加工仿真系统能够完成与其他设备进行信息共享。

针对车削加工当中的零件来说, 工作人员可将零件按照各部分形状之间的差异分为圆柱面、球面以及圆台面, 为了数控加工便捷, 工作人员可认为零件整体便是由圆台以及圆周构成。针对成型曲面, 工作人员可通过离散, 将其分为圆柱以及圆台, 使得零件整体结构的描述相同。而针对柱面段, 工作人员只需确认柱面段的具体长度、内外直径以及一端的Z坐标位置, 便能够确认这一柱面段的具体形状。

工作人员将构成零件各个特征部分作为节点进行标注, 将属性相同的节点封存于同一个结构体中, 各节点都包含对该特征阶段的描述信息。之后建立一个链表将结构体内的节点串联, 各节点的储存顺序需自左端点起向沿Z轴方向呈升序排列。设计人员按照上述方式能够使不同特征对外拥有统一的接口。数控加工仿真系统将各节点信息统一储存于链表结构当中, 便能够获得较为完整的零件表面信息, 便于之后进行三维效果的呈现以及求交运算。

2.3 材料去除的算法

工作人员在对工件进行加工过程中, 可将工件分为几个部分, 即分为多个节点。之后只需检查刀具的运动所坐标, 便能够浏览链表内部的信息, 从而确定哪些节点加工已然结束, 对该节点进行修改。同时也可以增加或删减部分节点, 之后便能够得到整个工件。具体方法如下:第一, 生产人员将指针移动至表头, 此时观察指针是否从表头移动至表尾。第二, 若指针尚未到表尾, 生产人员观察节点长度是否等于零。第三, 若长度为零, 生产人员可将该节点删除, 之后将指针向下移动。第四, 若节点长度不为零, 生产人员可对节点进行修改, 或是添加刀具的位置信息, 插入新的节点, 之后继续将指针向下移动。第五, 经过上述步骤之后, 指针可以自表头移动至表尾, 此时生产人员可将工件具象化, 并建立该工件的三维模型, 将工件完成呈现出来。

2.4 干涉和碰撞的检查

NC代码的正确性需借由干涉以及碰撞的检查进行检验, 检查内容主要为夹具、机床非移动部件等非加工部位是否受到检测刀具以及机床等移动部件的影响。数控加工仿真系统是借由NC代码驱动刀具进行加工, 因此若移动部件对非加工部件产生影响与干涉, 则此处的NC代码会及时向使用者进行反馈, 使用者可通过反馈的信息进行修改。工作人员在检查过程中将以下几点作为依据进行判断:其一, 加工过程当中, 是否存在部分刀具为空走刀。其二, 刀具切削部分是否会干涉已然加工完成的工件, 出现过切的现象。其三, 刀具当中非切削部分是否与工件表面存在碰撞的现象。工作人员在使用数控加工仿真系统进行生产过程中, 需注意对NC代码正确性的检测, 不可忽视这一工作, 导致后续生产工作无法顺利进行。

3 结束语

如今, 数控加工技术已广泛运用于生产加工当中, 对我国工业生产也起到了促进作用。对工业生产企业而言, 数控技术仿真系统的应用为企业减少了大量的成本, 同时提高了企业的生产效率。就本文研究来看, 基于三维实体的数控加工仿真系统不仅具有重要使用价值, 且可以对数控代码生成和校验的各项数据进行仿真和计算, 进而避免出现干涉和碰撞等, 最终大力提升加工效率。所以, 这套系统对于实验、加工、生产以及教学研究都具有不可替代的重大意义。

参考文献

[1]彭健钧, 郭锐锋, 张世民.数控加工仿真系统的研究与应用[J].小型微型计算机系统, 2010 (06) :1240-1244.

[2]张玮, 郑力.数控加工仿真系统的研究现状与发展趋势[J].机械制造, 2010 (09) :7-8.