（航空宇航制造工程专业论文）冰箱模具cadcam系统的研究与应用.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 y 3 7 , 1 8 3 摘要 本文首先介绍了冰箱模具的一般设计理论；其次探讨了基于u g i i 软件的冰箱 模具c a d 三维真实性产品设计技术，对参数化建模技术、装配设计技术以及绘制工 程图作了详细的论述；然后，探讨了从三维产品模型直接生成刀位源文件进行数控 加工的c a m 技术；最后，论述了针对冰箱模具的二次开发技术，通过定制和用户 化u g i i 环境，将大量的专业设计人员的经验融进了u g i i 软件，同时利用g r i p 语 言开发了文本传输程序。 全文自始至终将提高冰箱模具的设计质量和效率，降低成本，缩短开发周期作 为目标，以满足冰箱模具实际生产的需要。 关键词：c a d c a m参数化设计二次开发冰箱模具 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e sg e n e r a ld e s i g nt h e o r ya b o u tr e f r i g e r a t o rm o u l d a n di td i s c u s s e s c a dr e a l i s t i cp r o d u c t i o nd e s i g nt e c h n o l o g yo ft h r e ed i m e n s i o n sb a s e do nu g i is o f t w a r e a b o u tr e f r i g e r a t o rm o u l d ，i n c l u d i n gp a r a m e t r i cm o d e l i n g ，a s s e m b l i n gd e s i g na n dd r a w i n g t e c t m o l o 百e s ，a n dc a mt e c h n o l o g y t oc r e a t ed i r e c t i o n a l l yc u t = t e rl o c a t i o ns o u r c e sf i l e sf r o m t h r e ed i m e n s i o n sp r o d u c t i o nm o d e l l a s td i s c u s s e st h es e c o n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , a g r e a td e a lo fe x p e r i e n c e so fp r o f e s s i o n a ld e s i g n e r sa r ed i s s o l v e di n t ot h eu g i is o f t w a r e ， a n d d e v e l o p s t e x tt r a n s f e r ”p r o g r a mu s i n g t h eg r i p l a n g u a g e 7 t h e p a p e rt e n d st op r o v i d ea s s i s t a n c ef o ri m p r o v i n gt h ed e s i g nq u a l i t ya n de f f i c i e n c y , a n d r e d u c i n g t h e c o s t s ，a n ds h o r t e n i n g t h e d e v e l o p i n gp e r i o d d u r i n g t h ec o u r s eo f d e s i g n i n gr e f r i g e r a t o rm o u l d f r o m b e g i n n i n g t oe n d k e y w o r d s ：c a d c a m p a r a m e t r i cd e s i g ns e c o n d d e v e l o p m e n tr e f r i g e r a t o rm o u l d 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 塑料是具有许多优异性能的高分子材料，也是当今世界最万能的材料之一，广 泛应用于现代工业和日常生活。 在现代塑料制品的生产中，高效的设备、先进的模具和合理的加工工艺是必不 可少的三项重要因素，尤其是塑料模具对实现塑料加工工艺要求、塑料制件使用要 求和造型设计起着重要作用。高效的全自动的设备也只有装上能自动化生产的模具 才有可能发挥其效能，产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提川。采用 模具成型塑料制品，实质上是一种少切削、无切削、多工序重合的方法。由于工业 塑料制品的品种和产品需求量很大，对塑料模具也提出了越来越高的要求，因此促 使塑料模具不断向前发展。 计算机辅助设计与制造，简称c a d c a m ，指的是以计算机作为主要技术手段， 处理各种数字信息和图形信息，辅助完成产品设计与制造中的各项活动。c a d c a m 技术作为一高新技术，因其在提高生产率，缩短生产周期，改善产品质量，降低产 品成本，减轻劳动强度方面具有传统的设计方法所不能比似的巨大优越性，能够增 强企业竞争力，给企业带来巨大的经济效益，对我国的国民经济和国防建设有着极 其重大的意义，所以越来越得到国家和广大企业的重视，并在企业中得到广泛的应 用和迅速推广。 1 2 国内外模具c a d c a m 的发展应用状态 2 0 世纪6 0 年代，美国麻省理工学院的i e 萨瑟兰德( r e s u t h e r a n d ) 在他 发表的博士论文中，提出并实现了s 砌! t c h p a d 系统，该系统被认为对交互式图形 生成和显示技术的发展奠定了基础。7 0 年代末以后，3 2 位工作站和微型计算机的出 现对c a d 技术的发展起了极大的推动作用。8 0 年代中期后，以工作站为基础的c a d 系统发展很快，其功能达到甚至超过小型机的c a d 系统。 国外先进工业国家对模具c a d c a m 技术的开发非常重视，各大公司都先后建 立了自己的c a d c a m 系统，并将其应用于模具的设计与制造。如p t c 公司 p r o e n g i n e e r 系统，e d s 公司的u n i g r a p h i c s 系统，a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 系统， c o m p u t e r v is i o n 公司的c a d d s 系统，d a s s a u i t 公司的c a t i a 系统，h p 公司的p e 系 统，i n t e r g r a p h 公司的i e m s 系统，a p p l i c o n 公司的b r a v o 系统以及s d r c 公司的 i d e a s 系统”1 。 图1 一i 显示了c a d c a m 技术的发展过程口】。 l 南京航空航天大学硕士学位论文 c i m s - - c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ；n c - - n u m e r i c a lc o n t r o l ： c i m o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ；d n c d i r e c t n u m e r i c a lc o n t r o l ： c a d - - - c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ：c n c - - c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o c a m c o m p m e r a i d e dm a n u f a c t u r e ； a c - - a d a p t i v ec o n t r o ； c a p p - - - c o m p u t e r a i d e dp r o c e s s p l a n n i n g ：g h r o u pt e c h n o l o g y ； 图1 1c a d c a m 发展过程 我国c a d c a m 技术的研究始于7 0 年代初期，8 0 年代中期部分大中型企业和 研究院所开始引进c a d c a m 技术。进入9 0 年代后，p c 机性能价格比大幅度的提 高从而为c a d c a m 技术的普及奠定了坚实的基础。到目前为止，c a d c a m 技术 己在很多企业得到应用【9 1 。 目前，国内实际应用的c a d c a m 系统可以分为两大类：一类是国内自主版的 2 南京航空航天大学硕士学位论文 c a d c a m 系统，另一类是国外商品化的c a d c a m 系统。国内自主版权的c a d c a m 系 统近年来有了很大的进步和发展，涌现了一批符合我国基本国情的c a d c a m 系统， 如清华的g e m s 、武汉开目、北京华正软件公司的c a x a ，江苏杰必克公司的超人等， 但是，同国外商品化的c a d c a m 系统相比还存在较大的差距。由于国外商品化的 c a d c a m 系统功能齐全，性能优良，并完成了商品化及工程化，所以在国内占得很 大的市场份额。“九五”计划期间，机械行业要进行三大战役，以便振兴我国机械产 业。其中“开发能力提高战役”是重在提高机械工业企业产品的自主开发能力，甩 掉图板，进行三维真实性的产品款式设计和结构设计【9 1 。问题的关键是如何用好引进 的商品化的c a d c a m 软件系统，向它们要效益，乃是各企业的当务之急。 1 3 冰箱模具传统设计、制造方法与应用c a d c a m 技术的比较 模具c a d c a m 系统、三坐标测量机、计算机、网络系统、 外设、数控机床、电加工设备、真空泵和空压机 一 谁 田 念k 设l 计 l 【_ j 图1 2 冰箱模具c a d c a m 技术 绘图板、尺、计算器、车床、铣床、刨床、磨床等、l 电加工设备、真空泵和空压机、设计人员、钳工的经验技巧i 图1 3 冰箱模具传统的设计、制造技术 从图1 2 和图l 一3 可以看出，两种模具设计、制造方法所采用的设备和技术 具有较大差异：传统设计、制造方法主要依赖于设计人员和钳工的经验技巧，利用 传统的机械加工设备，是一种串行的设计、制造模具的方法；现代化的模具设计、 南京航空航天大学硕士学位论文 制造方法，主要依赖c a d c a m 技术、计算机网络和数控加工设备，利用工程分析模块 使设计的合理性及时得到验证，不必等到模具制造完成，试模时发现设计、制造中 有错误再返工【”。 1 4 选题依据及文本的主要内容 现代的产品设计是面向市场，面向用户的设计，企业制造出来的产品要面对激 烈的市场竞争。一个企业对市场的响应速度的快慢，产品开发一次成功率的高低， 不仅决定着企业产品在市场上所占份额的大小，更决定着一个企业的命运。 冰箱模具是我所的民品支柱产品之一，目前在冰箱模具的开发设计过程中，虽 然采用了二维c a d 技术，通过建立标准图样库和修改已有的工程图来设计模具，较 之以前手工绘图设计提高了生产效率，减轻了劳动强度。但是，二维设计有它的局 限性设计者在三维空间思考，把思想中的三维图象转变为二维图纸是比较困难 的。更进一步说，数控加工的程序员还必须将图纸转换为三维模型，以生产出零件。 产品设计在二维和三维之间转换不仅增加了设计过程，延长了产品的开发周期，也 增加了产品的出错率和重复制作的费用。因此，要想真正提高产品开发能力，就必 须掌握好c a d 三维参数化设计技术，充分利用c a d c a m 技术和数控加工设备。 由于商品化的c a d c a m 软件一般都是通用的软件，基本上可以覆盖整个机械 行业各个方面的工作，而用户在使用时都具有自身行业的特色。因此用户引进了商 品化的c a d c 处软件之后，都必须进行不同程度的二次开发，才能使c a d c a m 软件淋漓尽致地在本行业发挥作用。特别是机械行业的新产品开发及设计，针对本 行业特点的二次开发具有极其重要的实际意义。 为了提高我所在冰箱模具的设计质量和设计效率，减轻设计人员劳动强度，缩 短产品开发周期，我们针对冰箱模具的特点对u g i i 进行了二次开发建立参数化 特征库，生成标准件库，定制菜单杆和工具条，制作宏，创建图样库和符号库等； 同时，对于u g i i 模型或工程图中的大块汉字注释，使之能从事先作好的文本文件中 输入。 总之，没有c a d c a m 系统的二次开发，就没有真正意义上的c a d c a m 技术 的有效应用。二次开发的问题是广大c a d c a m 用户和科技工作者所面临的重要课 题之一，对它的研究具有很大的市场价值和应用价值。 本文的主要内容安排如下： 第一章绪论 简述了c a d c a m 技术，对冰箱模具的传统设计、制造方法与应用c a d c a m 挎 术进行了比较，说明了冰箱模具三维真实性设计及c a d c a m 软件二次开发的重要性， 以此来确定论文的选题依据。 第二章真空成型冰箱模具的设计理论 南京航空航天大学硕士学位论文 介绍了真空成型冰箱模具的一般设计理论，对影响模具设计的各种因素进行了 概括和总结。 第三章冰箱模具c a d c a m 的关键技术 论述了冰箱模具c a d c a m 的一般过程，重点探讨了c a d 参数化设计技术，上下 文设计技术，数控加工技术以及二次开发技术。 第四章u g i i 软件在冰箱模具开发中的应用 研究了在冰箱模具开发生产中u g i i 软件的应用技术，通过对冰箱箱体模型的设 计及部分零件的数控加工实例，系统地介绍了利用c a d c a m 技术高效地设计冰箱模 具的方法。针对冰箱模具的特点，建立了参数化特征库、常用标准件库、图样库和 符号库，制作了宏文件，定制了u g i i 的用户界面，以提高冰箱模具的设计质量和效 率，缩短开发周期。 第五章文本传输程序 介绍了利用u g i i 的高级集成开发环境( g r a d e ) 开发的文本传输程序，用于 将大块的汉字注释和技术说明从文本文件中导入u g 模型或工程图中。 第六章结论 总结全文的主要内容和应用冰箱模具c a d c a m 系统的成效。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章真空成型冰箱模具的设计理谢1 2 1 2 1 真空成型 真空成型是把热塑性塑料板、片固定在模具上，用辐射加热器进行加热，加热 到软化温度，用真空泵把板材和模具之间的空气抽掉，借大气的压力，使板材覆盖 在模具上而成型，冷却后塑件收缩，借助压缩空气使塑件从模具中脱出。 真空成型模具具有如下几个特点： ( 1 ) 能加工薄壁大尺寸的制件； ( 2 ) 生产效率高； ( 3 ) 设备简单，成本低廉： ( 4 ) 不宜加工不同壁厚和带嵌件的制件。 2 2 成型过程 常见的真空气动成型过程如下： ( i ) 将热塑性塑料板材置于真空成型模上； ( 2 ) 夹紧板材，并加热到软化温度； ( 3 ) 在真空成型模内抽真空或用压缩空气将板材压入模内，板材即被紧贴在模 腔内而成型： ( 4 ) 充分冷却： ( 5 ) 用压缩空气自模内吹出制件。 2 ，3 成型方法 根据工艺过程不同，真空成型可以分为以下几种方法。 1 阴模真空成型 这是最早最简单的一种真空成型方法，如图2 1 所示，把板材固定在模腔的上 方，为防止空气进入扳材和型腔中间，固定部分要加密封圈，图a 是把加热移到夹 紧的塑料板的上方。图b 是板软化后移开加热器，把型腔内的空气抽走，塑料板就 覆盖在阴模上。图c 是冷却后取出塑件。 用阴模成型法成型的塑件外表面精度较高。般用于成型深度不大的塑件，如 果深度很大时，特别是小型塑件，其底部拐角处就会显著变薄。多型腔的阴模真空 成型比同个数的阳模真空成型经济，因为阴模与阴模之间彼此间距可以近些，用同 样面积的塑料板，可加工更多的塑件。 南京航空航天大学硕士学位论文 萃攀攀 抽真空压蘑空气 h 0 图2 l 阴模真空成型 零泽争 图2 2 阳阴真空成型 2 阳模真空成型 图2 2 所示是阳模真空成型示意图，图a 表示被夹紧的塑料板超出模面一定高 度，图b 为加热后移向阳模，图c 为抽真空，塑料板覆盖在阳模上面成型。这种成 型方法成型的塑件，壁厚不均塑料板同模具接触的那部分的厚度接近原来的板厚， 可是经弯曲部分后塑料板沿阳模的侧壁延伸，而上部的塑料板与阳模接触后不再移 动。对于聚丙烯和聚苯乙烯的板材容易沿模具的冷表面滑动，壁厚均匀性不受影响， 而聚乙烯板则易粘在模具接触表面上，因此出现壁厚不均的现象。由于塑料板在加 热时是悬空的，避免了热板和冷模过早地接触。塑料板如果过早地粘附在阳模上， 塑件壁厚的均匀性就会变差，因此阳模真空成型相对阴模真空成型，壁厚的均匀性 好。 阳模真空成型多用于有凸起形状的薄壁塑件。阳模可以避免收缩，所成型的塑 件内表面尺寸较为精确。 3 阴阳模先后抽真空的成型方法 图2 3 a 所示，把塑料板紧固在阴模上加热，达到温度后将加热器移开。然后 通过阳模吹入少量压缩空气，阴模微抽真空，使塑料板在模腔中呈图2 3 b 所示状 态，这时阳模插入吹鼓的塑料板中。常压后从阴模吹入少量压缩空气，最后阳模抽 真空，使塑料板附着在阳模的外表面，图2 3 c 所示，这种成型方法将软化的塑料 板吹鼓，使板延伸后再成型，因此壁厚比较均匀，可用于深腔塑件。 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 3阴阳模先后抽真空的成型法 4 吹泡真空成型 图2 4 a 所示，将塑料板紧固在阴模上，加热后移去加热器。图2 4 b 为通刊 阴模型腔将塑料板吹鼓后将凸模顶起，并停止吹气。图2 4 c 为凸模抽真空，塑料 板附着在凸模外表面上。此成型法与阴阳模先后抽真空的成型方法基本相似，也是 为了壁厚均匀。 雨昏国 b 图2 - 4吹泡真空成型 5 柱塞推下真空成型 图2 5 a 为塑料板加热。图2 5 b 是用柱塞将板推下，这时阴模腔里的空气被 压缩，软化的塑料板由于柱塞的推力和型腔内空气的移动而延伸。图2 5 c 是在阴 模内抽真空而成型。此种成型方法也是使塑料板在成型前首先延伸，达到壁厚均匀， 用于型腔更深的塑件。这种成型方法的缺点是在塑件上残留柱塞的痕迹。 幽幽 b o 图2 5柱塞推下真空成型 幽一 幽撇 皇审 南京航空航天大学硕士学位论文 6 带有气体缓冲装置的真空成型 如图2 6 所示，这是柱塞和压缩空气并用的形式，把塑料板加热后和框架一起 轻轻地压向阴模，然后向阴模型腔吹入压缩空气，把加热的塑料板吹鼓，多余的气 体从板材和阴模的缝隙中逸出，同时从板材的上面通过柱塞的孔吹出已加热的空气， 这时板材就处于两个空气缓冲层之间，柱塞逐渐下降，( 如图2 6 c 所示) 最后停吹 压缩空气在阴阳型腔建立真空度，使热塑料扳紧附在阴模的内表面上在真空度形成 的同时，柱塞升起。板的冷却是从塑料板和阴模表面接触时开始的。 1 一柱塞2 一阴模3 一空气管道4 一真空管道 图2 6 带有气体缓冲装置的真空成型 2 4 模具设计 在工业生产中，应用模具是为了保证产品质量，提高生产率和降低成本等，因 而模具设计质量好坏直接影响着产品质量、生产效率和成本。模具设计包括以下几 个方面内容： 恰当的选择真空成型的方法和设备 确定模具的形状和尺寸 了解成型塑料的性能和生产批量 选择合适的模具材料 考虑工艺因素 9 套寞。冀 寺 南京航空航天大学硕士学位论文 1 抽气孔的大小和位置 真空成型模具必须设计抽气孔，抽气孔的大小应适合成型塑件的需要，一般对 于流动性好、成型温度低的塑料，抽气孔要小些，板材厚度大时，抽气孔可以大些， 总之必须满足在很短的时间内将空气抽出而又不留下抽气孔痕迹的要求。般常用 的抽气孔直径是0 5 一l 毫米，最大不超过板厚的5 0 。 抽气孔的位置也是很重要的，一般应设置在板材最后与模具型面相接触的部位， 具体可参考表2 1 ，即模具型面的最低点及角隅或轮廓复杂处。在模具型面轮廓复 杂的地方，抽气孔更应该集中，而对于大的平面也应均布抽气孔，孔间距可根据塑 件的大小来决定，对于小型塑件，孔间距可在2 0 - - 3 0 毫米，大型塑件则应适当增加。 表2 1真空成型抽气孔直径 板厚 、j 。) 0 2 5 08o 8 l 1 22 33 5 塑料、 聚乙烯 0 3 03 50 4 o 50 5 o 7 5 0 8 08 聚苯乙烯03 05 05 0 60 ，6 0 9 l0l0 硬聚氯乙烯 0 4 0506 o808 1 0 1 0 1 51 o 15 1 0 10 a b s0 3 0 50 6 0 7 506 0 9 12 20l - 5 50 聚甲基雨烯酸甲酯1 0 1 2 2 型腔尺寸 真空成型模具的型腔尺寸要考虑塑料的收缩率。真空成型的塑件的收缩量，大 约有5 0 是塑件从模具中取出时产生的，2 5 是取出后在室温下l 小时内产生的， 其余的2 5 在以后的8 - - 2 4 小时里产生。 一般地说在凹模上成型的塑件，其收缩量比在凸模上成型的塑件大2 5 5 0 ， 因为在凹模上，成型塑料扳压贴在型腔表面不如在凸模上那样牢固，而且塑件在从 模具中取出以前就已经开始收缩了，而凸模可以阻止这一收缩，因此设计模具时要 考虑这一因素。 。 影响尺寸的因素很多，除了型腔尺寸外，还与成型温度、模具温度等有关系。 3 型腔光洁度 真空成型模具的表面光洁度影响塑料真空成型后的脱模，一般真空成型的模具 都没有顶出装置，靠压缩空气脱模，如果光洁度太高，塑料板粘附在模具的型腔表 面上不易脱模，即使顶出装置，脱模后也容易变形。因此，真空成型的模具光洁度 要求不高，其表面加工后，最好用磨料来打砂或进行喷砂处理。 4 边缘密封结构 为了使型腔外面的空气不进入真空室( 型腔与板材之间) ，在塑料板与模具接触 的边缘应设置密封装置。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 脱模斜度 真空成型模的阳模和阴模应具备足够的脱模斜度，斜度范围在o 5 3 度，阳模 斜度可取2 3 度，阴模斜度可取o 5 1 度，因为塑件的收缩量提供了附加的间隙。 6 园角半径 园角半径最小应为板材的厚度，不能太小，否则将会引起弯角处的应力集中， 甚至无法成型。 7 引深比与拉伸深度 塑料深度与宽度之比称为引深比。引深比在很大程度反映了塑件成型的难易程 度，引深比愈大，成型愈难，反之则容易。 拉伸深度和板材的成型方法有关，不同成型方法的拉伸深度也不同。拉伸深度 可按如下经验公式计算： h = ； ( 2 1 ) 式中h 拉伸深度； h _ 塑件高度； k 塑件宽度； 当采用反面成型时： h 面，lilllllj 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 冰箱模具的c a d 参数化设计技术1 6 1 7 1 8 | 随着工程设计和工程制图中计算机辅助技术应用的更加广泛和深入，工程技术 人员对图形的整体修改产生了强烈的兴趣和需求，强调如何在原图中以最少的操作 来形成新的设计方案，因而使得参数化设计技术成为c a d 图形软件的一大发展方 向。基于参数化设计能显著提高设计效率和质量，缩短产品开发周期。通过约束参 数的修改，能方便地创建出一系列功能和形状相似的设计模型。 3 2 1 造型方法 1 传统的几何造型 在c a d c a m 系统中用来表示物体三维模型的三种传统造型方法是【6 1 【8 】： 线框造型由一系列点、直线、园弧和益线组成物体模型。线框造型简单， 但表示的物体具有二义性。 表面造型用有向棱边围成的部分来定义形体表面，由面的集合来定义形 体。曲面造型是在线框造型的基础上，增加有关面、边( 环边) 信息以及表 面特征、棱边的连接方向等内容，从而满足面面求交、线和面的消隐、明暗 处理、着色等应用问题的需要。 实体造型用全封闭的三维实体表示，具有完整性，无二义性。它不仅定 义了立体的表面，而且还定义了立体的内部形状，使立体的实体物质特征得 到了正确的描述，是三维软件普遍采用的建模方法。 2 特征造型 传统的造型方法( 线框、表面和实体造型) 仅能表达产品的几何信息，不能表 达功能信息( 如中心孔等) ，也不能表达整个产品的抽象描述( 如回转体、壳体等) ， 更不能表达产品的非几何信息( 如工艺信息、精度信息、材料信息、表面粗糙度、 定位基准等) 。实体造型以体素为单位，将多个简单形体经过布尔操作构成复杂形体。 这种造型方法不符合设计人员的思维方式，设计人员所设计的是具有功能作用的形 状特征( 如塑件中螺纹孔、定位孔、加强筋等) ，而不是几何元素( 点、线、面) ， 也不是简单形体( 正方体、圆柱体等) 6 1 。 特征造型是一种全面表示零件特征的定义方法，利用特征描述零件，不仅可以 提供诸如几何、拓扑、功能、尺寸公差及制造工艺要求等信息，而且还可以同参数 设计、尺寸驱动等先进的设计思想相结合，提供全新的设计环境。 特征一般可以划分成以下几类【5 】： ( 1 ) 形状特征 描述一定工程意义的功能几何形状信息。形状特征分为主要形状特征和辅 助形状特征。主要形状特征用于构造零件的主要形状，辅助形状特征用于对主 要零件形状特征的局部修饰( 如倒角、键槽、中心孔等) 。 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 2 ) 精度特征 用于描述零件的形状位置、尺寸和表面粗糙度等信息。精度特征按其是否关联 可分为两类：一类为各几何元素本身要求，和其它几何元素没有关系，如尺寸公差、 表面粗糙度等；另一类是和其它几何元素有关的，即相对于基准的精度要求，如形 状及位置公差等。 ( 3 ) 管理特征 用于描述零件的管理信息( 如标题栏里的零件名称、图号、批量、设计者等) 。 ( 4 ) 技术特征 用于描述零件的性能、功能等。 ( 5 ) 材料特征 用于描述零件材料的组成和条件，如性能、规划、热处理方式、表面处理方式 和条件等。材料特征分为整体材料特征、表面处理材料特征及局部处理特征。整体 材料特征作为零件的属性，记录在零件整体信息数据结点上，它包括材料种类代号、 性能、整体热处理方法，如表面处理包括表面淬火、渗碳、氮化等。 ( 6 ) 装配特征 用于表达零件装配过程中需使用的信息。 在上述特征中，形状特征和精度特征是与零件建模直接相关的特征，而管理特 征、技术特征、材料特征和装配特征虽不直接参与零件的建模，但它们是实现 c a d c a p p c a m 系统集成必不可少的特征。 3 参数化造型 传统的建模方法使用几何体构造和编辑技术生成模型，系统对几何体之间的关 系不能了解：参数化的建模方法引进了概念建模技术，用来构造几何体之间的关系， 这些技术依赖于被用户定义来生成模型的约束和参数化表达式，这种方法构造了更 智能的模型。参数法造型在c a d 中带来的好处是： ( 1 ) 三维参数化造型通过记录几何体之间的相互依赖关系，可自动地捕捉到设 计者的设计意图。例如，当在一个矩形铁板的每个角处设计一个螺栓孔时， 若矩形铁板长度改变时，螺栓孔将会自动移到相应的位置。 ( 2 ) 通过约束管理，在一个产品构思的开发与改进过程中，可实现产品模型中 特定部件之间的关系或约束得以保持，而与对模型所进行的修改无关。 ( 3 ) 利用尺寸驱动编辑( 控制模型的设计参数) ，容易修改设计。 3 2 2 模型建立方法 用c a d c a m 软件进行模具设计、制造时，很重要的一个问题是如何利用软件 系统快速正确地建立模具的三维模型。一个详细而又复杂的设计模型的典型造型方 案是：首先生存一个基本形状，然后添加细部结构并进行必需的操作，最后将其添 加和合并到其它形状中去嘲。图3 1 显示了基于u g i i 的参数化特征建模的过程图。 南京航空航天大学硕士学位论文 零件图 零件总体属性： 1 零件模型 1 指派名称、型号、数 1l 量、材料等 编辑与修改模型： ( 1 ) 编辑s k e t c h 修改已存草图； ( 2 ) 编辑c u r v e 修改已存曲线； ( 3 ) 编辑f e a t u r p 一更改和操作已存实体和特征而维持相关性： ( 4 ) 编辑f 3 c 一更改己存实体表面，但会丢失相关的几何体： ( 5 ) 编辑f r e ef o r mf e a l u r e 一用建立方式编辑： ( 6 ) 编辑菜单一复制、粘贴、删除、变换等； ( 7 ) 编辑表达式一编辑与修改已存表达式。 l 操作： 执行交、并、差、偏置面、挖空、裁剪体、分割体、园角、倒角、 拨锥、阵列、缝合、抽取、从曲线生成片或体、螺纹、凸缘、比例 自由形式特征： 构造曲面片或者复杂实体 + 成型特征：生成孔、键槽、用户定义特征： 1 沟槽、腔、凸台、凸垫添加用户定义特征 i 1 十 基准特征： 生成基准平面和基准轴辅助建模 ；十 | j 扫描特征：用拉伸、旋转、li 基本体素：生成块、圆i f ：i 扫描方法生成基本特征ii 柱、锥体、球、管道l 草图工具：曲线工具： ( 1 ) 生成草图对象； ( 1 ) 生成曲线： ( 2 ) 约束草图：( 2 ) 编辑曲线。 ( 3 ) 编辑草图。 图3 1 基于u g i i 的参数化特征建模过程 南京航空航天大学硕士学位论文 1 初始形状的生成 用以生成初始形状的方法有如下四种： 单面构造法由一系列控制点生存数据文件，在设计时直接读入该数据 文件，生成控制曲线，然后生成曲面。 扫描法扫描表示法是二维图形在空间沿某一路径运动产生的实体。一 般有三种形式：平移扫描、旋转扫描、广义扫描。 模线构造法一是用一系列正交的二维截面曲线来定义和生成雕塑曲面。 基本体素法体素实体是基本的解析形状，通过改变参数可以很方便的 推导出相应的物体。 2 使用一个草图开始 利用草图模块徒手勾画和标注一个曲线的“外形”，扫描( 拉伸或旋转) 该草图 建立一实体，然后通过编辑尺寸和通过建立在几何体间的关系，该草图可以被修改 以精确地表示构思中的物体，编辑一个草图的尺寸，不仅仅修改了草图的几何体， 而且也将修改从该草图建立的实体。草图必须被充分约束，编辑草图才会改变草图 几何体或任一相关的物体。 3 参考特征 参考特征( 基准面或基准轴) 可以用作参考几何体，作为其它特征的约束装置。 参考特征用来辅助在要求的位置和方位建立特征和草图，利用一参考特征建立的任 一特征相关到那个参考特征，并且当编辑到该模型时保留那个相关性。例如：基准 平面可以辅助在圆柱体、球体和旋转体上建立特征，或者辅助建立相对目标实体表 面成一角度而非法向的特征。 4 定位特征 利用定位尺寸相对于已存模型上的几何体定位一个特征，该特征相关到那个参 数几何体，无论何时修改模型时，将维持那些相关性。也可以改变已存定位尺寸的 值，编辑特征的位置。 5 基于特征的建模和编辑 基于特征的建模允许在一模型上建立特征( 如孔、键槽、沟槽等) ，并通过直接 编辑特征尺寸来编辑这些特征，通过给定的位置尺寸定位这些特征。 6 ，用户定义特征 建立按任一要求设计的实体以后，利用u s e r sd e f i n e df e a t u r e s 定义成一个成形 特征。用户定义特征功能允许用户建立自己的成形特征库，用户化u g i i 的环境，提 高产品开发设计效率。 7 操作 操作是生成和修改实体模型的种有效方法，是决定设计效率高低的关键。通 过对建立的模型进行各种操作，细化模型设计，以达到设计出构想中的产品模型的 目的。 1 8 南京航空航天大学硕士学位论文 8 相关性 相关性是用来表示一个模型的各部件间的几何关系的术语，这些关系是设计人 员在建立模型时利用各种函数建立的，系统自动地为设计人员捕捉约束和关系。例 如：孔与某一实体面相关，则当该面被修改时，孔自动跟随修改。 9 表达式 通过定义在设计的不同部位间的关系，加入设计要求和限制到模型。通过编辑 表达式的值，可以方便地更改设计模型。 3 3 冰箱模具的装配设计技术 工程设计人员进行产品开发设计时，总是先在脑海中构思出整个产品的大致结 构和形状，然后绘制装配图，再根据装配图拆分零件图，最后进行全面的调整和检 查。产品装配图既是表达设计者设计产品总体结构意图的图样，也是制造、装配及 测绘零件图的依据。 利用c a d c a m 技术进行冰箱模具三维真实性产品款式设计和结构设计时，上 下文设计技术使得设计人员能够按照他们的思维过程进行产品设计，将构思中的产 品逼真地呈现在眼前，从而大大提高设计效率和设计质量，缩短产品开发周期。同 时，在产品设计时装配中各零部件之间存在着相关性，利用装配可以很容易建立零 部件中的相关性。 3 3 1 装配类型和方法n 8 2 e 1 1 两种不同的类型 在大多数c a d c a m 系统中，有两种不同类型的装配： 多部件装配 多部件装配拷贝所有的零件数据到装配文件。装配中的零件与所调用的零件没 有关联性，零件修改不反映到装配中，因此是一种非智能性装配，同时，该装配模 型由于调用所有构成装配的零件需要占用大量的存贮空间，影响装配工作速度。 虚拟装配 虚拟装配利用链接部件文件构成装配。由于是链接部件文件而不是拷贝，因此 这种装配具有以下优势： ( 1 ) 装配要求的内存空间减少； ( 2 ) 装配显示能被简化而不需编辑下层组件： ( 3 ) 如果构成装配的主零件被修改，则装配自动更新； ( 4 ) 可以在装配中定义组件间的局部关系； ( 5 ) 其它应用( 如d r a f t i n g ，m a n u f a c t u r i n g 等) 能使用主模型数据，而没有能 力改变它。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 三种装配方法 ( 1 ) 自顶向下装配( t o p d o w n m o d e l i n g ) 自顶向下装配模型是在装配中产生一个与其它组件相关的新零件，正如名 称所说，是在装配的顶级向下产生子装配和组件，该装配模型类似于产品设计过程。 ( 2 ) 自底向上装配( b o t t o m u pm o d e l i n g ) 自底向上装配模型是先生成零件，然后将零件组合成组件或子装配，最后 生成装配部件，该模型类似于实际生产中的装配过程。 ( 3 ) 混合装配( m i x i n g a n dm a t c h i n g ) 混合装配是把以上两种装配方法结合在一起。实际应用时，常采用混合装 配的方法，例如我们可以首先工作在向底向上的装配模式，然后随着设计工件的进 行，转入自顶向下装配模式，根据要求在两种模式下来回转换。 3 3 2 上下文设计技术n 8 工作在装配的上下文，是指显示为装配件而工件部件是装配中的组件。在装配 中所做的任何工作都发生在工作部件上，如果工作部件是装配中的组件，那么几何 体的产生和编辑是在组件上，而不是在装配上。 当工作在装配的上下文中对，可以利用链接建立从一个组件到另一个组件的几 何关系，这意味着可以在装配中利用其它组件的几何体作为种子生成当前组件的几 何体。 1 上下文设计方法 有两种自上向下的装配方法： 方法一： ( 1 )生成空的组件对象； ( 2 )使个组件对象成为工作部件： ( 3 )在该组件部件中生成几何体。 方法二； ( 1 )在装配中生成几何体( 草图、曲线、实体) ； ( 2 )生成一个新的组件，并且向其中添加在装配中生成的几何体。 在装配中利用上下文设计技术时，几何体生成有如下几种方法： 方法一：直接利用s k e t c h 或c u r v e 工具生成几何体。 方法二：利用几何体链接器生成链接几何体。 方法三：使用几何体拷贝。 当不需要几何体链接时，直接在新组件中建立几何体或拷贝装配中的几何体； 如果要求新组件与装配中其它组件有几何关联性，则使用几何体链接器在组件间建 立链接关系。 南京航空航天丈学硕士学位论文 2 w a v e 功能 w a v e 的精华是其具有在零件间建立几何体关联性的能力，用于在上下文设计 中，如在一个零件上拷贝几何体到另一个零件上，使两个零件上的几何体建立关联， 同时还用于定义关键尺寸，控制产品结构。 3 3 3 装配中各零件问的相关性m 】 2 s 】 冰箱模具中活动零件与固定零件之间都存在着一定的间隙，或者说公差与配合， 这些配合尺寸是相关的。在利用c a d c a m 技术进行产品的三维真实性设计时，可 以使用零件间表达式及链接几何体建立装配中零件间的相关性。 l ，零件间表达式 零件间表达式用于建立装配中分离零件间的关系，个零件表达式的变化可引 起另一个独立零件中的表达式变化，因而更新那个部件的几何体。 例如：为了使螺栓与螺孔的直径保持定关系，就可使用零件交叉表达式。在 一个装配中可以建立一个这样的表达式： a ：d i a = b ：d i a + t o l 这样就建立了两个表达式的链接，其结果是当零件b 中的表达式d i a 或t o l 变化 时，零件a 的孔径在装配中自动改变。 零件间表达式有两种类型： ( 1 ) 占优势的表达式( o v e r r i d i n ge x p r e s s i o n ) 占优势的表达式是一个表达式的左边有一个交叉链接的表达式，如： p a r t a ：l e n g t h 2 i p a r t a ：h o l e d i a = p a r t - b s h a f t d i a ( 2 ) 引用表达式( r e f e r e n c i n ge x p r e s s i o n ) 引用表达式用于在一个零件的表达式中引用另一个零件的表达式，如： d i a = p a r tb ：d i a 2 链接几何体 在装配中使用链接几何体，能够在工作部件中产生与其它零件链接的几何体。因 链接几何体与其父几何体是关联的，所以能够使用链接几何体建立装配中零件间的 相关性。 链接几何体包括点、线、草图或线串、表面、区域和实体。 3 3 3 装配显示技术 大的装配可能由成千上万个组件组成，当装配越来越大时，查看组件和对工作 组件进行操作就越来越难。因此，必须对装配显示进行有效的管理与优化。 南京航空航天大学硕士学位论文 i 用装入选项为工具在大装配中进行工作 有三种基本的零件装入状态： ( 1 ) 完全装入( f u l ll o a d e d ) ：一个部件如果其所有信息完全调入内存称为 完全装入。 ( 2 ) 部分装入( p a r t i a l l yl o a d e d ) ：个部件如果仅调入要求显示的信息进卢、 内存则称部分装入。在装配中使用部分装入可以大大减少内存占用量。 ( 3 ) 不装入( u n l o a d e d ) ：当装配打开时，一个部件完全在装配中关闭则称 不装入。 用装入选项为工具在大装配中可进行如下工作： ( 1 ) 装入选项允许控制进行哪一类装入及从何处装入； ( 2 ) 指定搜索目录及目录查找顺序； ( 3 ) 指定没有组件被装入； ( 4 ) 如果组件不能够被装入，批定c a d c a m 软件应采取什么行动： ( 5 ) 基于用户指定的组件过滤器装入一个完整装配的指定组件： ( 6 ) 指定组件部分装入。 总之，装入选项主要用于大装配和复杂装配，使用它可得到装配结构而不必实 际装入几何体组件。使用装配导航工具，可以装入当前需要的组件部分。 2 引用集 在装配中，当显示组件或装配时，如果含有草图、曲线、参考基准、参考平面以 及其它辅助图形数据，则很容易混淆图形，而且占用计算机有限的内存资源，影响 组件或装配的显示速度。然而，使用引用集可以消除这类混淆，控制有用的图形势 据调入内存。 引用集是一个命名物体的集合。一个部件可以有多个引用集，它可以包含下列 数据： ( 1 ) 名称、原点、方向； ( 2 ) 几何体、坐标系、参考轴平面： ( 3 ) 组件对象的任何信息； ( 4 ) 属性。 引用集一旦产生，就可以单独调入到装配中，而不是装入整个零件，从而显著 减少装配件的图形表示，也就是减少了对计算机内存的占用。 引用集可以在组件或装配中生成。一般地在构造零件模型时，应该生成多个引 用集。例如：对于标准件模型，除了系统缺省的引用集( 整个零件和空集) 外，还 应该生成外形轮廓引用集：对于结构复杂的零件模型，除了系统缺省的引用集外， 还应该根据装配需要生成外形轮廓引用集，简化表示零件的引用集等。这样，当进 行装配时，可以根据实际需要选择调用恰当的引用集，从而加快装配显示速度，减 少对计算机内存的占用。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 3 组件过滤器 组件过滤器提供一种直接的方法控制装配显示，通过组件过滤器可以快速指定 装配中有用的组件集或区域在屏幕显示出来，而其它装配内容则不显示。这些组件 集或区域可能是物体上连接在一起，但属于不同的子装配。组件过滤器在装配的上 下文设计中是很有用的，如在装配中查看装配设计和文档，它可以大大提高设计人 员在装配中的工作效率。 组件集组件集是指向装配中设计组件的一组指针。在装配模型中可 能有多个单一命名的组件集，任何一个组件可以属于多个组件集。 区域区域可以被为一种划分装配模型有意义区域的方法，区域可以 是或者是平面，用于体积比较。 定义组件过滤器生成组件过滤器，用于在装配时调用组件和定制装 配显示，有两种方法定制组件过滤器：区域和属性。 生成组件脚本通过生成组件脚本程序，操作个或多个过滤器，从 而控制装配显示。 4 简化模型表示法 在大装配中进行间隙分析，着色处理，消除线移去及制作照片等的时候，使用 小平面模型代表相应的实体，从而简化装配的图形表示，加快装配显示速度，减少 内存占用量。 3 4 组织与管理模型 1 利用层组织与管理模型中的对象 当建立复杂模型( 如冷藏箱、冷冻箱) 时，模型中包含大量的相同类型或者不 同类型的对象，如草图对象、曲线对象、面对象、实体对象