毕业设计（论文）-基于CADCAM的机械制图模型库的建立.doc

2012届本科毕业论文（设计）论文题目： 基于CAD/CAM的机械制图 模型库的建立 学生姓名： 所在院（系）： 机电学院 所学专业： 机电技术教育 导师姓名： 完成时间：2012年5月18日摘 要本文主要论述了机械制图三维模型库的研究与开发；研究了典型零件的三维模型库、二维模型库和动画仿真库的建立,以及软件中如何由二维工程图打开三维模型，如何由三维模型调出工程图；探讨了教学中模型库的使用方法。三维模型库的建立，实现了在教学中学生可以多角度观看物体三维模型，配合二维三视图实现由三维到二维，二维到三维的转换,帮助学生加深对机械制图课的理解，培养他们的空间想象能力和空间思维能力，是实现机械制图教学改革及自主学习的有效途径。关键词：机械制图，三维模型库，动画仿真，工程图AbstractThis article focuses on the mechanical drawing of three-dimensional virtual model of library research and development, to study the foundation of three-dimensional model of library，two-dimensional model of library and animation simulation of library. Discussing the use of model library in the teaching.The foundation of three-dimensional model library, the students can watch three-dimensional model from the multiple perspectives in teaching, with three view from the transform 2d to 3d, 2d to 3d, to help the students to understand the mechanical drawing course, to raise the ability of spatial imagination and the space power, is the efficient path of realizing the teaching development and self-studying in mechanical drafting.Keywords：Mechanical drawing, Three-dimensional model of library, Animation simulation, procedure dwg24目 录1 引言12 国内外研究现状13 使用软件的选择及其特点23.1机械设计（CAD）23.2工程分析23.3数控加工（CAM）23.4.产品数据管理(PDM)33.5.产品交互动画(IAP)34 三维模型库的建立34.1 轴类零件模型的建立34.1.1镗床主轴模型的建立34.1.2纵轴模型的建立74.2 轮盘类零件模型的建立74.2.1旋转基体的建立74.2.2在旋转集体上建立螺钉孔84.3壳体类零件的建立94.3.1壳体模型的建立94.3.2阀体模型的建立104.4叉架类零件模型的建立114.5轴承座装配体的建立114.5.1装入轴承座底座114.5.2装入轴承座上盖124.5.3装入连接螺栓144.5.4装入其他零件完成轴承座的装配165二维图库的建立165.2完成剖视图175.3完成尺寸标注及其它注解176动画仿真库的建立187模型库在教学中的应用198 结论209 结束语20致谢20参考文献211 引言随着社会的发展和计算机技术的应用，特别是交互式尺寸驱动绘图软件不断推出，计算机辅助设计及绘图与工程图有机结合，则是社会发展的必然趋势，同时，也为工程图学的发展提供了前所未有的机遇。如何将计算机绘图与工程制图有机地结合起来，提高教学质量，成为摆在每一位图学工作者面前的重要课题。机械制图课程是工科院校普遍开设的专业基础课程。课程定位在培养学生的空间想象能力、识图能力和图形表达能力。制图教学的关键是投影概念的建立，在长期的工程制图教学工作中，发现学生对机械制图的学习有两个突出的难点：一是立体图形转化为平面图形，二是平面图形转化为立体图形。解决这个问题需要较好的空间想象能力。传统的教学模式是借助于实物模型或挂图，学生仍难以突破难点，且学习兴趣不高。本设计采用了三维CAD软件Solidworks2010来建立机械制图模型库，利用三维软件和计算机辅助教学技术CAI相结合，使得整个制图教学过程生动形象，教学内容直观，并增强交互性，同时也为课程的教学改革提供了技术手段。2 国内外研究现状计算机辅助设计技术在工程设计中的应用，特别是计算机三维CAD/CAM软件的应用与普及，使得现代的机械设计和制造已经实现了直接进行三维零部件的结构设计，产品设计过程直接采用三维实体来表达设计对象，并预先在计算机上做装配、检查、修改等工作，就可以省去从三维转化为二维，再从二维恢复为三维的过程，同时对设计好的零部件和装配体，计算机自动生成各种工程图，使设计过程更加形象、直观、全面、精确、快速，提高设计效率，即“数字化无纸设计”。作为表达产品设计思想的工程图已不再只是一个由三维实体投影为多个二维视图和载有制造要求的技术图样，但这并不能取代设计者对产品用图形正确表达和正确理解产品的图示内容，而是将这一问题融入到了产品的设计过程之中，并且应使视图的表达过程与设计思维过程的一致，即三维设计技术对工程图赋予了新的内涵。这就要求新的图学教育理念要适合现代设计方法，只有改变教学模式，制图学科教师参与到现代工程设计的后续专业教育中，才能使制图学教育与专业教育自然地联系起来。上世纪末，在国外工程制图教育中各高校为了使教学内容不至于滞后企业发展的需要而采用了模型库，由于模型库能随着企业的发展而得到及时的更新，同时模型库有利于学生的学习，到目前已经取得了良好的效果。目前在我国军事行业为了培养军事设备维护人员，在没有实际设备或没有接触到实际设备的情况下，使用模型库帮助设备维护人员理解设备原理，从而降低了培养费用取得了较好的成果。在某些高校和企业也意识到建立模型库的重要性，也开始利用CAD软件建立机械制图模型库用于辅助教学和培训，也取得了较好的成果。3 使用软件的选择及其特点查阅资料经过对比发现Solidworks在企业应用较广，它功能强大易学好用，能满足本设计的要求。Solidworks具有如下优点：3.1机械设计（CAD）机械设计主要由三大模块构成，即零件设计模块、装配设计模块和工程图绘制模块。零件设计模块用于设计单个零件的三维模型。系统采用了特征造型技术和参数化驱动技术。每个零件由拉伸、旋转、扫描、倒角、抽壳等基本特征组合而成，任何一个特征都是接体现了设计者的意图。先绘制二维草图，然后执行拉伸、旋转等实体特征造型命令而生成。通过改变尺寸可以实时的改变三维实体的大小。装配设计模块用于设计含有多个零件的装配体，支持自底向上、自顶向下和混合式的装配方式。在装配环境下组装零件有如搭积木一样方便。工程图绘制模块采用了三维与二维关联技术。用户选定己有的零件，通过视图布局调整尺寸位置、填写标题栏等就能完成零件工程图的绘制。3.2工程分析CosmoSworks工程师设计分析工具为设计工程师在So1idWorks环境下，提供比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元分析技术，工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。在几何模型上，可以直接定义载荷和边界条件，如果生成几何特征，设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果也可以直观精确地显示在Solidworks的设计模型上1。3.3数控加工（CAM）CAMWorkS实体数控加工使设计和加工完全在SolidWorks的环境中进行，高效地完成高质量的零件加工任务，更及时地把产品投入市场、可以在 So1idWorks菜单中选取二轴和三轴加工的模拟功能:刀具库和切削参数库的选择对话框也直接在SolidworkS环境中调用;所有的功能经实际的车间加工验证，算法和专业的数控加工一致;直接对设计的实体模型进行切削，实体模型仍然是完全可编辑的。3.4.产品数据管理(PDM)Smart Experss(PDM for Solidworks）是专门为Solidworks的用户提供的完全集成的、使用方便的工程文档管理工具。 SmartExPerss同SmartTeam完全兼容，因此企业很容易升档成为企业级的产品数据管理和企业协同工作解决方案。Smart Experss能实现如下功能:管理装配结构，管理零件、装配体和工程图，查询功能，存储以前的设计结构、并行工程，提取和映射制造信息，方便地进行生命周期管理。3.5.产品交互动画(IAP)产品设计和工程项目的信息交换，传统的方式是静态的图纸或几何模型。产品交互动画将Solidworks的三维设计实现动态的可视化，摄制产品装配的模拟装配、模拟拆卸过程和产品的摸拟运行过程，从而实现动态的设计，标准的动画图像格式输出，可在所有的计算机和网络上浏览2。4 三维模型库的建立4.1 轴类零件模型的建立4.1.1镗床主轴模型的建立由于镗床主轴是旋转类零件，在旋转的基体上进行钻孔、切槽等动作即可得到所需零件。4.1.1.1建立旋转基体打开Solidworks2010软件，新建零件，在特征面板中点击旋转凸台/基体，选择前视平面为基准平面， 在草绘平面上绘制镗床主轴的旋转截面， 草图绘制完毕，点击退出草图，退出草绘环境。在旋转参数面板中，设置旋转轴为中心轴线，旋转类型为单向，旋转角度为360。旋转参数设置如图1示。图1 旋转参数面板旋转参数设置完毕，单击确定按钮，完成旋转基体操作。如图2所示：图2 旋转基体4.1.1.2对轴端及台阶处倒角选择倒角命令，在倒角参数面板中选择需要倒角的边线，选择角度距离单选项，在距离选框中输入需要倒角的距离2，在角度选框中输入45，然后点击确定按钮，完成轴端及台阶处的倒角，倒角面板设置如图3所示。图3 倒角参数设置4.1.1.3切除轴端垂直于轴线的的两个腰形槽选择拉伸切除按钮 ，选择前视平面为基准平面进行草图绘制，草图形状及其尺寸如图4所示。图4 键槽草图点击退出草图按钮，退出草绘。在拉伸切除面板中，方向1的终止条件选择完全够贯穿，点击方向2，方向2的终止条件选择完全贯穿。点击确定按钮，完成腰形槽的建立。如图5所示。图5 腰形槽4.1.1.4切除轴上长键槽单击拉伸切除按钮，选择前视平面为基准平面，绘制键槽的形状，绘制完毕单击退出草图按钮，拉伸终止条件设置为两侧对称，拉伸长度设置为12，单击确定按钮完成长键槽的建立。4.1.1.5镜像轴上对称的长键槽单击镜像按钮，点击镜像面板上的镜像面/基准面选框，选择上视基准面为镜像基准面，在要镜像的特征中选择上步建立的长键槽为要镜像的特征，单击确定按钮完成镜像操作3。镜像参数面板设置如图6所示。图6 镜像参数面板4.1.1.6利用拉伸切除建立轴端键槽点击拉伸切除按钮，选择上视基准面为草绘基准面，绘制拉伸截面，绘制完毕退出草绘截面，在拉伸切除面板中的开始条件选项栏中选择等距，在下面的输入等距栏中输入26.5，在终止条件选项栏中中选择完全贯穿，拉伸切除面板设置如图7所示。点击确定按钮完成键槽的绘制。效果如图8所示。 图7 拉伸切除面板图8 轴端键槽4.1.1.7建立腰形槽槽口倒角4点击倒角命令，选择槽口边线，点击确定按钮完成腰形槽口倒角特征的建立。点击保存按钮，将零件命名为镗床主轴，到此镗床主轴模型建立完成。4.1.2纵轴模型的建立由于纵轴和镗床主轴都是轴类零件，其建立过程都是先建立旋转基体然后在旋转基体上进行切槽钻孔等操作，最终完成轴类零件的建立。在此对纵轴模型的建立过程不再赘述。其模型建立完成后效果如图9所示：图9 纵轴4.2 轮盘类零件模型的建立轮盘类零件选择了三轮车后制动轮毂为模型，它的建立过程为首先建立旋转基体，然后在旋转基体上进行拉伸切除键槽、拉伸螺钉孔、阵列螺钉孔、对零件尖角处进行倒角。4.2.1旋转基体的建立打开Solidworks2010软件，新建零件，在特征面板中点击旋转凸台/基体按钮，选择前视平面为基准平面，在前视平面上按三轮车后制动轮毂旋转截面尺寸绘制草图，绘制完毕点击退出草绘按钮，完成草图的绘制，然后在旋转参数设置参数如图所示，点击确定按钮完成旋转基体的建立5，其特征如图10所示。图10 旋转面板4.2.2在旋转集体上建立螺钉孔首先选择拉伸切除按钮，选择轮毂的端面为草绘平面，绘制草图。绘制完毕后退出草图，在拉伸切除参数面板中设置相应的参数建立一个螺钉孔特征。然后选择镜像按钮，在圆周阵列参数面板中选择轮毂的轴线为阵列的参照轴线，阵列个数为等间距4个，要阵列的特征为拉伸切除建立的螺钉孔，设置完毕点击确定按钮完成阵列特征，阵列面板设置如图11所示。图11 阵列面板接着拉伸切除键槽，对各需要倒角的边线进行倒角，即可完成三轮车后制动轮毂的建立，特征建立完成后如图12、13所示。 图12制动轮毂正面 图13 制动轮毂反面 4.3壳体类零件的建立4.3.1壳体模型的建立4.3.1.1建立壳体的基本外形打开Solidworks2010，新建零件，点击拉伸凸台/基体按钮选择前视平面为基准平面绘制草图，绘制完毕退出草图在拉伸凸台/基体参数面板中设置合适的参数完成凸台1。点击基准平面按钮，在基准平面设置面板的第一参照选择凸台的上表面；两平面间的关系设置为距离，值为60mm；单击确定按钮完成基准面1的创建6。单击拉伸凸台/基体按钮，建立凸台2和凸台3。点击抽壳按钮，在参数面板中设置厚度为15mm，选着零件顶面为要移除的面，点击确定按钮完成抽壳命令。然后单击拉伸凸台/基体按钮，选择零件的顶面为草绘基准面绘制草图，单击确定按钮完成草图绘制，在拉伸参数中设置相应的参数完成顶面螺钉孔凸台的建立，其效果如图14所示。点击镜像按钮，选择上视平面为基准平面，选择上步拉伸的螺钉孔凸台为要镜像的特征，单击确定按钮完成镜像操作。 图14 单面螺钉孔凸台4.3.1.2建立法兰特征使用拉伸命令建立法兰基体，使用拉伸切除命令建立法兰单个螺钉槽，使用圆周阵列命令阵列法兰体上其余螺钉槽；使用拉伸切除命令建立法兰体上的通孔；点击异型孔向导命令。在参数面板中孔类型选择直螺纹孔，标准选择GB（国标件），类型选择底部螺纹孔，大小选择M6，设置直孔深度为15mm，设置螺纹深度为12mm，其面板设置如图15所示。点击选择位置面板，在法兰面上任意点单击然后选择智能尺寸按钮，根据孔的实际尺寸标注尺寸以改变孔的位置，所有参数设置完毕后点击确定按钮完成螺纹孔的建立。使用圆周阵列命令阵列4个螺纹孔。操作完成后其效果如图16所示。 图15 异形孔向导面板图 16 壳体法兰特征 4.3.1.3完成壳体其余特征的建立其建立过程为：使用拉伸命令建立连接筋板；使用异形孔向导建立底座螺钉孔，使用线性阵列命令建立其余几个螺钉孔；使用拉伸切除命令建立壳体中部螺纹孔；最后使用倒角命令对需要倒角部分进行倒角，完成壳体模型的建立。其剖开结构如图17所示：图17 壳体剖开结构4.3.2阀体模型的建立由于阀体模型与壳体模型都属于壳体类零件，其模型特点与建立过程都极为类似，在此对其建立过程不再赘述，其模型建立完成后如图18所示。图18 阀体4.4叉架类零件模型的建立 对于叉架类零件，本模型库建立了连杆、气缸杆和支架三个模型。建立叉架类零件模型的过程所使用的命令也是Solidworks2010建模的基本命令。由于前面对Solidworks2010建模中所使用的基本命令有了详细的介绍，在此对叉架类零件模型的建模过程不再赘述。4.5轴承座装配体的建立建立装配体首先建立装配体的各个模型，然后定义各个模型之间的配合关系完成装配体模型的建立。由于轴承座装配体模型中所用到的模型比较简单，其建立过程中所使用的命令在前面都有叙述，在此对轴承座装配体所用的各个模型建立过程不再赘述，下面仅对轴承座的装配过程进行描述。4.5.1装入轴承座底座打开Solidworks2010，新建装配体零件，点击插入零部件按钮，在插入零部件面板中点击浏览按钮，在弹出的打开窗口中找到轴承座零件，点击打开，打开窗口如图19所示。将轴承座拖动到原点附近，Solidworks自动将零件原点与装配体原点对齐。点击确定按钮完成轴承座零件的装入，如图20所示。图19 打开窗口图20 装配入轴承座4.5.2装入轴承座上盖点击插入零部件按钮，在插入零部件面板中点击浏览按钮，在弹出的打开窗口中找到轴承座上盖零件，点击打开，拖动轴承座上盖到合适位置。点击配合按钮，在配合面板中选择轴承座和轴承座上盖相配合的螺钉孔为要配合的实体，在标准配合中选择同轴心，点击确定完成一处配合。其配合面板设置如图21所示，配合后的情况如图22所示。 图21 配合面板 图22 定义右侧孔同轴然后选择轴承座和轴承座上盖另一个相配合的孔，在标准配合中选择同轴心，配合后的情况如图23所示。然后选择轴承座和轴承座上盖相配合的两个平面，在标准配合中选择重合，配合后的情况如图24所示。 图23 定义左侧螺钉孔同轴图24 定义上下座同轴4.5.3装入连接螺栓展开设计库面板，展开国标件，再展开螺栓和螺钉选择六角头螺栓，展开的设计库面板如图25所示。图25 设计库面板然后将所需要的螺栓拖入屏幕，在参数面板中设置螺纹的大小为M10，螺栓杆的长度设置为85mm。然后定义螺栓和轴承座孔配合为同轴，配合后效果如图26所示；设置螺栓和轴承座结合面的配合为重合，配合后效果如图27所示。图26 定义螺钉孔与轴承座同轴图27 定义结合面重合在设计库中选择六角螺母，将其拖入屏幕定义螺母大小为M10。定义螺母和螺钉同轴，螺钉和轴承座上盖配合面重合完成第一个螺母的装配。按照同样的方法装入另一个螺母，完成后如图28所示。图28 装入螺母4.5.4装入其他零件完成轴承座的装配点击镜像零部件按钮，选择装配体的右视基准面为要镜像的基准面，选择螺栓和两个螺母为要镜像的零部件，点击确定完成镜像的操作，镜像面板设置如图29所示。到此轴承座装配体模型以建立完成，完成后效果如图30所示。 图29镜像面板 图30 完成后的轴承座装配体5二维图库的建立 二维图建立过程大致为：首先建立零件的三维模型；然后由三维模型生成三视图根据表达需要修改视图或生成新的视图；最后根据需要标注尺寸、形位公差、表面粗糙度、注释等完成工程图的建立。由于二维图库中工程图的建立过程极为类似，在此仅对轴承座上盖的二维图的建立过程进行详细叙述。5.1由三维模型生成三视图点击文件下的从零件图制作工程图选项，在图纸格式 /大小窗口中点击浏览按钮，选择自己创建的A3图纸格式，点击确定按钮完成图纸格式的定义。将调色板中前视图拖到视图的合适位置点击确定按钮。点击投影视图按钮，点击前视图键鼠标向右拖动，在前视图右侧自动生成右视图，拖动右视图到合适位置点击鼠标左键完成右视图的放置；将鼠标移动到前视图的下方，在前视图的下方将自动生成俯视图，将俯视图移动到合适位置点击鼠标左键完成俯视图的放置。点击模型视图按钮，点击浏览按钮在打开窗口中选择轴承座上盖-剖开结构，点击打开按钮。在模型视图面板中方向中点击等轴测，在显示样式中点击上色，拖动视图到适当位置点击确定按钮完成剖开结构模型视图的插入。视图放置后效果如图31所示。图31 插入三视图及模型视图5.2完成剖视图从前视图中心向右绘制能覆盖视图的矩形，点击视图布局中的断开的剖视图按钮，在断开的剖视图面板中深度参考选框中选择侧投影边线为参照，点击预览复选框预览无误后点击确定按钮完成前视图的半剖视图。在右视图上绘制能覆盖全视图的矩形，点击断开的剖视图按钮，在断开的剖视图面板中深度参考中选择侧投影边线为参照，点击预览复选框预览无误后点击确定按钮完成右视图全剖视图。完成剖视图后效果如图32所示。图32 添加剖面视图5.3完成尺寸标注及其它注解点击注解中的智能尺寸按钮，选择需要标注线性尺寸的两边线，拖动鼠标到合适位置放置尺寸，点击圆或圆弧标注直径或半径尺寸。点击表面粗糙度符号按钮，在参数面板中设置符号为要使用切削加工，设置表面粗糙度的数值，拖动表面粗糙度符号到需要放置表面粗糙度符号的边线上。点击注释按钮，拖动文本框到合适位置注写技术要求。点击注解中的中性线按钮，点击需要添加中心线孔的两条边线完成中性线的添加。到此轴承座上盖的工程图基本上完成，完成后效果如图33所示。图33 轴承座上盖工程图6动画仿真库的建立动画仿真库的建立过程为：首先建立需要仿真的装配体模型，然后对装配体主动部件定义移动或旋转电机，最后生成动画视频。由于建立动画过程极为类似，在此只对万向节模型的动画仿真建立过程作详细介绍。建立万向节的各个零件，对万向节的零件模型进行装配。装配后点击左下方的运动算例1按钮，点击马达按钮，定义马达类型为旋转马达，选择马达的位置为连接销圆柱面。在运动选项卡中定义运动类型为等速，速度定义为10RPM,点击确定按钮完成旋转马达的定义。在 MotionManager 中，将时间键码拖动到15秒。点击播放按钮检查动画是否定义正确，若正确点击MotionManager上的保存按钮。在保存动画到文件窗口中命名保存的文件名为万向节，类型为Microsoft AVI 文件，其余选项为默认，其窗口如图34所示，点击确定按钮完成动画视频的建立。图34 保存动画窗口动画仿真模型库中建立了万向节、三元子液压泵、椭圆仪三个模型，其模型建立完效果如图35、36、37所示。 图35 万向节 图36 三元子液压泵 图37 椭圆仪 7模型库在教学中的应用在讲授二维图时教师可以打开二维图库进行讲解，在同学不懂之处教师可以在任一视图上点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中点击打开零件按钮，则软件自动打开与二维图相对应的三维模型。在讲授立体图时，对于型腔比较复杂的零件，同学们难以理解时教师可以点击视图前导中的剖面视图按钮，在剖面视图面板中选择剖面所平行的基准面，对其他参数进行设置，其面板设置如图38所示。点击确定按钮完成剖面设置。如图39所示是对阀体的一个剖面。 图38 剖面视图面板 图39 阀体的一个剖面8 结论该设计基本能完成教学需求，符合现代的设计和制造模式。该模型库便于携带、使用方便、动态效果好，在实际运用中能取得较好的效果。由于毕业设计时间有限，模型库所建立的模型还不够丰富，在实际运用中需要在模型库中补充更多的模型。9 结束语 经过为期将近两月的的毕业设计，我完成了基于CAD/CAM机械制图模型库的建立毕业设计及论文的写作。在完成毕业设计的过程中，从对Solidworks2010的基本命令的运用到模型的建立、二维工程图的生成、动画仿真模型的建立及模型库和实际教学相结合的过程中，使我熟悉了Solidworks2010的运用，开拓了我的思维，培养了我解决问题的能力。该设计基本能完成教学需求，符合现代的设计和制造模式。由于毕业设计时间有限，模型库所建立的模型还不够丰富，在实际运用中需要在模型库中补充更多的模型。致谢本论文实在我的指导老师杜家熙老师亲切关怀和指导下完成的，从