教学材料《CAD概述》-第3 章

3.1零件设计人类社会从事设计工作的发展进程大致经历了从直觉设计、经验设计、半理论半经验设计到现代设计四个阶段。在现代设计阶段，CAD技术的应用使获得设计计算结果及生产图纸更加方便快捷；CAD技术通过虚拟样机和CAE技术对设计对象进行分析计算，对产品进行全面的评估，并提出可行的、更优的设计方案，为产品的优化提供依据，同时可以根据分析结果自动修改原始设计方案等得到更优的设计结果。下面基于CREO软件说明机械产品的CAD设计。CREO是美国PTC公司推出的CAD设计软件包，整合了PTC公司的三个软件，即Pro/ENGINEER的参数化技术、CoCreate的直接建模技术及ProductView的三维可视化技术的新型CAD设计软件，针对不同的任务应用采用了更为简单化的子应用方式，所有子应用采用统一的文件格式。CREO的目的在于解决目前CAD系统难用及多CAD系统数据共用等问题。下一页返回3.1零件设计

CREO是一个灵活的套件，集成了多个可互操作的应用程序，功能覆盖整个产品开发领域。CREO的产品设计程序使企业中的每个人都能使用最适合自己的工具参与产品开发过程。其中CREOParametric的前身是Pro/ENGINEER，是当今流行的三维实体建模软件之一，其内容丰富、功能强大，是一款参数化、基于特征的实体造型系统，广泛应用于产品设计、零件装配、模具设计、工程图设计、运动仿真、钣金设计等过程，能使工程设计人员在第一时间设计出完美的产品。因此，在电子、通信、航空航天、汽车、家电和玩具等工业领域得到广泛应用。上一页下一页返回3.1零件设计

机械零件是机械产品或系统的基础，机械产品由若干零件和部件组成。按照零件的应用范围，可将零件分为通用零件和专用零件两类。通用的机械零件包括齿轮、弹簧、轴、滚动轴承、滑动轴承、联轴器、离合器等。零件设计就是确定零件的材料、结构和尺寸参数，使零件满足有关设计和性能方面的要求。机械零件除一般要满足强度、刚度、寿命、稳定性、公差等级等方面的设计性能要求，还要满足材料成本、加工费用等方面的经济性要求。零件设计首先是零件形体的设计，在基于特征技术的零件设计中，它主要是通过形状特征的定义和组合实现。1.零件设计过程采用基于特征的方法来构造零件，过程与实际加工流程具有相似性（图3−1），一般需要经过如下几个基本步骤：上一页下一页返回3.1零件设计

（1）确定基础特征明确基础特征的形状是什么，是拉伸的、旋转的、扫描的还是混合的？是实体还是壳体？（2）确定标注方案标注控制设计或用于加工的尺寸，方便设计的修改。还可以添加参考尺寸、设置公差。（3）确定其他构造特征确定其他构造特征的种类、顺序和相似性，然后依次建立各个特征。在建立构造特征时，要注意标注方案和各种关系。2.特征（1）基准特征（Datum）主要是在建立三维模型时作参考用的，分为基准面（Datumplane）、轴线（Datumaxis）、曲线（Datumcurve）、点（Datumpoint）、坐标系（Datumcoordinatesystem）上一页下一页返回3.1零件设计

1）基准面的建立方法有：Through——基准面穿过某轴、平面的边、参考点、顶点或圆柱面轴线；Normal——基准面与某一轴、平面的边或平面垂直；Parallel——基准面与某一平面平行；Offset——基准面与某一平面或坐标系相距一段距离；Angle——基准面与某一平面成一夹角；Tangent——基准面与某一圆弧或圆锥面相切；BlendSection——基准面通过Blend特征中的任一截面。上一页下一页返回3.1零件设计

2）轴线的建立方法有：ThruEdge——通过一直线建立轴线；NormalPln——垂直于一平面，并给定定位尺寸建立轴线；PntNormPln——通过一个点且垂直于一平面建立轴线；ThruCyl——以圆柱体的中心线作为轴线；TwoPlanes——以两平面的交线作为轴线；TwoPnt/Vtx——通过两点作一轴线；PntonSurf——通过曲面上的一点，且在此点垂直于此曲面建立轴线；TanCurve——以曲线端点的切线作为轴线。上一页下一页返回3.1零件设计

（2）构造特征是用来创建零件实体的。CREO提供了如下基本构造特征：Hole——打孔；Round——倒圆角；EdgeChamfer——倒角；RemoveMaterial——切除；Protrusion——凸起；Rib——加筋；Shell——抽壳；Pipe——管道；Tweak——表面变形特征；Intersect——裁剪零件几何。上一页下一页返回3.1零件设计

（3）创建构造特征的方法CREO中创建构造特征的方法主要有拉伸、旋转、扫描、混合。1）拉伸（图3−2）：由草绘截面向一定方向整体伸展创建特征，适合创建等截面实体。2）旋转（图3−3）：由特征截面绕旋转中心线旋转形成特征，适合构造回转体模型。3）扫描（图3−4）：由特征截面沿空间轨迹线扫掠形成特征。4）混合（图3−5）：由两个或两个以上截面通过曲面过渡形成一个连续的形体。在创建构造特征时，除了需要定义尺寸参数外，还要定义其他属性。Depth——厚度属性，如果不是通孔特征的厚度值，就可以被修改；Direction——方向属性；上一页下一页返回3.1零件设计

Placement——定位方式，如：Linear——参考两个面/边来定位；Radial——参考一根轴和一个面来定位；Coaxial——参考一根公共轴来定位；OnPoint——过基准面上的一点来定位。3.创建零件的基本技术（1）使用基准面合理地使用基准面可以辅助其他特征的建立，基准面的作用有：①用作尺寸标注的参考；②决定视图（View）的方向；③作为绘图平面（Sketchingplane）；④作为装配时零件互相配合的参考面；⑤作为剖视面等。上一页下一页返回3.1零件设计

（2）父子关系在建立特征的过程中，如果后建立的特征是以前面建立的特征为基准的，则这两个特征之间就建立了父子关系。父特征的某些改变将会对子特征产生影响。（3）修改特征特征可以通过“Edit”命令来修改尺寸或通过“EditDefinition”命令来重新定义某些属性或参数。（4）确定特征的相似性零件上如有相似的特征，可以通过复制或阵列快速生成。如果截面形状具有相似性，可以存储截面用于其他特征。上一页下一页返回3.1零件设计

（5）压缩特征使用“Suppress”可以使特征暂时消去，以简化和加速零件的生成。压缩过的特征可以用“Resume”恢复。（6）使用图层图层可以用于特征的组织管理，用户将相同性质的特征置于一个图层上后，就可对图层中的对象进行整体操作（如显示控制等）。上一页返回3.2装配设计1.装配设计过程产品装配设计主要有自底向上（BOTTOM−UP）和自顶向下（TOP−DOWN）两种典型模式。（1）自底向上在实际工程产品开发过程中，通常是用已定义好的零件进行装配部件及产品的设计过程。其主要步骤包括添加零件或部件、建立零件和部件间的装配关系，即自底向上的设计方法。这种方法的优点是便于思考，将需要设计的产品分割成基本的单元体，再对单元体进行设计，简化了设计的强度，零部件设计相对独立，设计人员可以专注于某个零件的设计。下一页返回3.2装配设计由于进行零件结构设计要占用较多时间，目前商用三维CAD系统软件对零件结构设计的方法和工具支持也较多，可以提高设计效率。对于结构简单、无须过多考虑零部件之间的配合关系，或只有很少设计人员参与的产品而言，自底向上的设计模式还能满足开发需求。当产品装配结构复杂、设计人员众多时，这种模式就存在很多缺点。由于每个零件是用特征单独定义的，缺乏相互联系，当某些设计条件改变时，产品模型不能实现相关零部间的联动修改。并且过早进行零件的设计容易造成零件间关系的不一致性、过分约束和零件冗余，在装配时才能检查零件之间的配合是否合理、产品设计是否满足预期目标，由此引起返工及使产品装配出现问题。上一页下一页返回3.2装配设计（2）自顶向下产品的创新设计往往是一个复杂的创造过程。先要设计出初步方案及装配草图，建立约束驱动的产品模型，然后确定设计参数，进行详细结构设计，再通过装配建模进行装配，最后对设计方案进行分析、修改及验证，直到得到满足功能要求的产品，该过程即是自顶向下的设计过程。由于是先建立装配体，再在装配体中进行零件的造型和编辑，优点是可以参考一个零部件的几何尺寸生成或修改其他相关的零部件，从而确保零件之间存在准确的尺寸及装配关系，当被参考零件的尺寸发生改变时，相关联的零件尺寸会自动发生改变，从而保证零件之间的配合关系不发生改变。这种关联设计能实现方案布局设计、零件设计、装配建模的互动设计，即方案设计可驱动装配设计和零件设计，反之，零件的修改也能自适应地反馈到装配模型，甚至总体布局。上一页下一页返回3.2装配设计2.创建装配（1）固定约束方式在装配时，如果要组装进来的零部件相对于装配体是固定件，则采取固定约束装配。CREO软件提供了包括“自动”“距离”“角度偏移”“平行”“重合”“法向”及“默认”等多种约束类型选项，可进行固定约束装配，限制元件的所有自由度，模拟螺栓连接、焊接、铆接及过盈配合等机械结构的固定连接方式。基本装配约束见表3−1。（2）连接装配如果要组装进来的零部件相对于装配体是活动件，则要采取连接装配。CREO软件提供了一系列预定义约束集，包括“刚性”“销钉”“滑动杆”“圆柱”等选项，用于定义元件在装配中的运动，模拟机构构件的可动连接。各种连接的约束数和自由度数见表3−2。上一页下一页返回3.2装配设计（3）自动装配使用接口界面可以实现元件放置的自动化。元件接口是指原件界面中包含用于快速放置元件的已存储约束或连接。在界面的定义过程中，可以指定装配条件或装配规则等附加界面信息，这样可以有效地确保根据设计意图放置元件。拖动式自动放置也是一种实现元件自动放置的方式，当装配带有界面的元件时，系统会自动将原件放置在满足界面定义的第一个位置处。使用拖动式自动放置的方式装配螺栓、螺钉等元件是非常方便的。（4）柔性体装配柔性零件在产品实际中经常应用，如弹簧零件等，柔性零件的形状会随受力变化发生相应变化，通过定义柔性零件可以实现它们在组件中的不同状态。有效地控制可变项是实现柔性体装配的关键。上一页下一页返回3.2装配设计3.在装配环境下创建元件在装配环境下可以创建零件、子组件、骨架模型、主体项及包络等。（1）装配中的布尔运算装配环境下可以完成零件间的布尔运算。包括合并、切除和相交，见表3−3。（2）骨架模型骨架模型是由基准点、基准轴、基准坐标系、基准曲线曲面组成的，用于捕捉并定义设计意图及产品结构。借助骨架模型，设计者可传递设计信息，如产品结构、元件间界面位置、空间声明、连接与机构等。骨架模型主要包括标准骨架模型和运动骨架模型。可以使用骨架模型装配元件，也可以参考骨架模型创建元件。上一页返回3.3曲面设计在CREO中，曲面是一种没有厚度的几何特征，由曲面创建零件的主要过程包括：创建单个曲面，在对曲面进行修剪和偏移等操作的基础上，将曲面合并为一个整体面组，再将面组转化为实体零件。用拉伸、旋转、扫描和混合的方式创建曲面与创建实体基本相同。此外，还可以创建边界曲面、自由形状曲面，以及通过曲面扭曲、环形折弯、面组展开等方法创建曲面。在CREO中，可以构建参数化曲面模型，也可以构建自由曲面模型。CREO的ISDX（InteractiveSurfaceDesignExtension）曲面模块，以具有很强编辑能力的3D曲线为骨架来构造外观曲面，得到了广泛应用。造型曲面模块可以方便、迅速地创建自由造型的曲线和曲面，造型曲面以样条曲线为基础，通过曲率分布图，可直观地编辑曲线，得到所需的光滑、高质量的造型曲线，进而产生高质量造型曲面。下一页返回3.3曲面设计1.曲线生成方法（1）在“造型”模式中创建自由曲线造型曲面模块中，曲线的类型包括自由曲线、平面曲线、COS（CurveOnSurface）曲线及下落曲线。可以在绘图区域指定两个以上的自由点来绘制自由曲线，也可使用控制点创建自由曲线。COS曲线是指在曲面上创建曲线，在创建时需选曲面为参