基于UG的产品三维设计实验

实验一 基于 UG 的产品三维设计实验一、实验目的1. 掌握三维建模技术的基本知识；2. 熟悉三维建模软件 Unigraphics（UG）的各个菜单和工具栏；3. 熟悉 UG的各种建模方法；4. 运用实例初步掌握 UG的草图建模、特征建模和实体建模技术。二、实验内容1. 学习并掌握三维建模技术的基本知识；2. 熟悉 UG软件的菜单、工具栏及各种三维建模技术；3. 学生在教师指导下完成典型零件的建模并提交实验报告和零件模型文件。三、实验设备1. 每两个学生一台 PC机，CPU：P4 D2.8G，硬盘：80G，内存：512MB，显示器：17LCD；2. UG软件；3. Word软件。四、实验原理1三维几何建模技术早期的 CAD 系统以二维图形作为产品的主要描述和定义手段，用于满足单纯输出产品设计图样的需要。从产品设计的角度看，通常在设计人员思维中首先建立起来的是产品的几何形状实物模型，依据这个三维模型进行设计、分析与计算，因而采用三维模型更有利于设计的进行。随着 CAD 技术的发展，三维 CAD 设计已逐渐成为 CAD 设计的主流。2三维建模的基本概念1）三维形体的几何信息与拓扑信息在几何建模中，对几何形体的描述与表达是建立在形体的几何信息与拓扑信息基础上的。几何信息一般是指形体在欧氏空间中的形状、位置和大小；而拓扑信息是指形体各分量的数量及相互间的关系。三维物体的几何信息包括相关的点、线、面、体信息，这些信息可以用几何分量方式来加以表示。拓扑信息具体来说就是形体各分量，如点、边、面之间相互的连接关系。各种几何元素相互间关系的总和构成了形体的拓扑信息。欧拉提出了关于描述形体的几何元素和拓扑关系的检验公式，这一公式可作为检验形体描述正确与否的准则。FVE2R2H式中，F 为面数，E 为边数，V 为顶点数，R 为面中的孔洞数，H 为体中的空穴数。2）形体的定义形体在计算机内通常采用 6 层拓扑结构进行定义，如图 1-1 所示。形体及其几何元素均定义在三维欧氏空间中，各层结构的含义如下：（1）体体是由封闭表面围成的有效空间，其边界是有限个面的集合，而外壳是形体的最大边界，是实体拓扑结构中的最高层。（2）壳壳由一组连续的面围成的封闭边界，实体的边界称为外壳，如果壳所包围的空间是个空集则为内壳。（3）面面是由一个外环和若干个内环界定的有界的、不连通的表面。面具有方向性，面的方向用垂直于面的法矢表示，法矢向外的面为正面、反之为反面。法矢的方向由外环的旋向按右手法则确定。（4）环环是由有序、有向的边组成的封闭边界。环中各条边不能相交，相邻两边共享一个端点。环的概念和面的概念密切相关，环有内环、外环之分，确定面的最大边界的环称为外环，而确定面内孔或者凸台边界的环称为内环。内环的方向与外环的方向相反，外环通常按逆时针方向，内环通常按顺时针方向。（5）边边是形体中两个相邻面的交界，一条边只能有两个相邻的面，且由两个端点定界，它们分别称为该边的起点和终点，边可以是空间直线，也可以是空间曲线。曲线边则由一系列型值点和控制点表示，也可用显式或隐式方程表示。（6）点点是边的端点，点不允许出现在边的内部，也不能孤立地存在于形体内、形体外或面内。点是几何造型中最基本的元素，它可以是形体的顶点，也可以是曲线曲面的控制点、型值点、插值点。另外，在三维几何建模中有两个关键的概念：（1）顶点顶点是指面中两条不共线线段的交点，顶点不能孤立存在于实体内、外或面和边的内部。（2）体素体素是指可由若干个参数描述的基本形体，如方块、圆柱、球、环等。体素也可以是由定义的轮廓沿指定迹线扫描生成的空间。3. 几何建模的种类体壳面环边点表面顶点图 1-1 形体的表示层次根据描述方法、存储的几何信息和拓扑信息的不同，传统的三维几何造型系统主要有3 种类型：线框模型(Wire Frame Model)、实体模型(Solid Model)、表面模型(Surface Model)。通常，可根据工程设计和制造的难易程度来选择相应的模型和造型技术。近些年来，为适应 CAD/CAM 集成环境的需要，人们在实体模型的基础上，研究开发了特征建模技术，形成了新的 CAD 模型，即特征模型(Feature Model)。特征建模技术一直是 CAD/CAM 领域的研究热点，并取得了巨大的进展。目前，新一代的 CAD/CAM 系统(如 UG， Pro/E 等)都是基于特征的参数化实体造型系统。五、UG 的三维几何建模技术1.用户界面简要介绍1）窗口结构Unigraphics（简称 UG）在 Windows 中的用户界面如图 1-2 所示。图 1-2 UG 基本界面2）工具条工具条是一行使用者可以用来启动标准 UG 菜单项目的图标。如图 1-3 所示。用户可以利用【工具自定义】来消隐或显示工具条，也可以添加或移出工具条命令。图 1-3 自定义工具条3）建模操作步骤UG 的一般建模操作步骤包括：（1）建立一个新的 UG 部件文件或恢复一个已存在的 UG 部件：【文件新建】 ， 或【文件打开】 ；（2）选择一个应用：建模、装配、制图；（3）检查/预设置参数：【首选项对象/建模/草图】；（4）建立少数关键设计变量：【工具表达式】；（5）分析对象：【信息】或【分析】；（6）修改对象：【编辑】；（7）保存 UG部件文件：【文件保存】 。2. UG 建模方法1）建模方法简介（1）显示建模显示建模是非参数化建模。对一个或多个对象所做的改变不影响其他对象或最终模型。如过两个已存在的点建立一条线，或过三个已存在点建立一个圆弧，如果移动其中一个点，线/圆弧不会改变。（2）参数化建模参数化模型能进一步进行编辑，定义模型的参数值随模型存储。参数之间彼此可以引用，以建立模型及各个特征间的关系。（3）基于约束的建模在基于约束的建模中，模型的几何体是作用到定义模型几何体的一组设计规则称之为约束，用于驱动或求解。这些约束可以是尺寸约束(如草图尺寸或定位尺寸) 或几何约束（如平行度或相切） ，如一条线相切到一个弧，设计者的意图是线的角度改变时仍维持相切。 （4）复合建模复合建模是上述三种建模技术的发展和选择性组合。UG 复合建模支持传统的显示几何建模、基于约束的草绘和参数化特征建模，是多种建模方式无缝的集成。（5）基于特征的建模零件三维模型是带时间戳记的特征组成。零件三维模型特征（时间戳记）2）基于特征的建模过程Unigraphics 基于特征的建模过程是仿真零件的加工过程。（1）毛坯毛坯取自成形特征，用作毛坯的成形特征如图 1-4 所示。毛坯可以由体素特征或扫描特征形成。体素特征：简单的解析形状，如长方体、圆柱、圆锥、球体等。扫描特征：截面线串的拉伸、旋转、沿路径扫描等。图 2-4 体素特征（2）粗加工粗加工取自成形特征，用于仿真粗加工过程，如图 1-5 所示。 向毛坯添加材料（正特征）：凸台（圆柱、圆锥）和凸垫（矩形、通用形状） 。 由毛坯减去材料（负特征）：孔、腔、键槽、沟槽等等。 用户自定义特征：可添加或减去。图 1-5 粗加工特征（3）精加工特征操作用于仿真精加工过程，如图 1-6 所示。 布尔运算：求和、求差、求交。 边缘操作：边缘倒圆、面倒圆、倒角 面操作：拔模、补片体、简化体、偏置面、约束面等。 体操作：抽壳、螺纹、缝合。包裹几何体、比例体、修剪体、分割体、提升体。图 1-6 精加工特征（4）模型导航器模型导航器可以用于识别模型的不同特征，模型导航器窗口被选择的特征将在图形区中高亮显示，反之图形区被选择的特征在模型导航器窗口中也会被高亮显示。开关模型导航器中与特征名关联的对号盒可以控制特征在图形区是否显示。模型导航器允许选中一特征，然后右键点击，进行各项相关的编辑功能。3. 制作曲线与绘制草图制作曲线功能主要包括制作简单曲线和复杂曲线。1）制作简单曲线简单曲线包括基本曲线（直线、圆弧、圆和圆角） 、倒角、矩形和多边形。执行【插入】|【 曲线 】| 【基本曲线 】命令，弹出 【基本曲线】对话框，如图 1-7 所示。通过该对话框可以实现绘制直线、圆弧、圆、倒圆角，以及裁减和编辑曲线参数等功能。图 1-7 基本曲线对话框【基本曲线】对话框中的选项及其功能如表 1-1 所示。表 1-1 【基本曲线】对话框中的选项及其功能选项 功能介绍【无限制】复选框 绘制的直线沿绘制方向延伸至图形窗口的边界处【增量】复选框 选中该复选框，代表给定的增量值相对于上一点，而非相对于工作坐标系的；反之亦然【点方式】列表框 该下拉列表中的选项可用于指定各位置点的方式【线串模式】复选框 以上一条曲线的终点作为下一条曲线的初始点，连续绘制曲线【打断线串】按钮 在线串模式时，单击该按钮可以终止线串模式（1) 绘制直线单击【基本曲线】对话框中的 按钮，或在默认状态下进入绘制直线模式。此时图形窗口下方会出现如图 1-8 所示的 【跟踪栏】工具栏。其中包括两部分内容，前半部分为XC、YC、ZC 所对应的文本框，用于跟踪点；后半部分为长度、角度和偏置对应的文本框，用于设置直线的参数。图 1-8 绘制直线跟踪栏（2）绘制圆弧单击【基本曲线】对话框中的 按钮，进入绘制圆弧模式。此时出现的【跟踪栏】工具栏前半部分与直线相同，后半部分为直径、圆弧起始角和圆弧终止角所对应的文本框，用于设置圆弧的参数。图 1-9 绘制圆弧跟踪栏（3）曲线倒圆角单击【基本曲线】对话框中的 按钮，弹出【曲线倒圆 】对话框，其中选项及其功能介绍如表 1-2 所示。表 1-2 【曲线倒圆】对话框中的选项及其功能介绍选项 功能介绍简单倒圆，对在同一平面内但不平行的两条直线倒圆角两曲线倒圆，对任意两天曲线倒圆角三曲线倒圆，对任意 3 条曲线倒圆角【半径】文本框 设定圆角的半径【继承】按钮 继承上一圆角的半径【裁剪第一条曲线】 对第一条曲线执行自动裁剪【裁剪第二条曲线】 对第二条曲线执行自动裁剪【裁剪第三条曲线】 对第三条曲线执行自动裁剪【点构造器】 进行 2 曲线倒圆和 3 曲线倒圆时，可以用指定点来代替曲线，即在点与曲线之间，甚至点与点之间倒圆角2）制作复杂曲线（1）绘制椭圆执行【插入】|【曲线】| 【椭圆 】命令，弹出【点构造器 】对话框。确定中心点，弹出如图 1-10 所示的【椭圆】对话框。输入各项参数，绘制出椭圆。图 1-10 椭圆对话框 图 1-11抛物线对话框（2）绘制抛物线执行【插入】|【曲线】| 【抛物线 】命令，弹出【点构造器 】对话框。确定顶点，弹出如图 1-11 所示的【抛物线】 对话框。输入各项参数，绘制出抛物线。（3）绘制双曲线执行【插入】|【曲线】| 【双曲线 】命令，弹出【点构造器 】对话框。确定中心点，弹出如图 1-12 所示的【双曲线 】对话框。输入各项参数，绘制出双曲线。图 1-12 双曲线对话框（4）绘制螺旋曲线螺旋曲线可以分为普通螺旋线和特殊螺旋线，具体操作见实验步骤中的例子。（5）绘制规律曲线执行【插入】|【曲线】| 【规律曲线 】命令，弹出【规律函数 】对话框，定义了如表 1-3 所示 7 种规律曲线的方式。表 1-3 规律曲线的 7 种方式选项 功能介绍【恒定的】 绘制曲线时，设定为该规律的坐标保持常数【线性】 绘制曲线时，设定为该规律的坐标在某个数值范围内呈线性变化【三次】 绘制曲线时，设定为该规律的坐标在某个数值范围内呈三次曲线变化【沿着脊线的值线性】绘制曲线时，设定为该规律的坐标在沿一条脊线设置的两点或多点所对应的规律值范围内呈线性变化【沿着脊线的值三次】绘制曲线时，设定为该规律的坐标在沿一条脊线设置的两点或多点所对应的规律值范围内呈三次曲线变化【根据公式】 绘制曲线时，设定为该规律的坐标根据表达式变化【根据规律曲线】 绘制曲线时，设定为该规律的坐标按已存的另一条规律曲线的规律变化4. 实体建模1）体素特征一个体素是基本解析形状的一个实体，它可以用作在实体建模过程启动时的基本形状，当建立一个体素时，必须规定它的类型与尺寸以及在模型空间的位置与方位。基本的体素特征包括：长方体、圆柱体、圆锥体和球体等。注意：体素是参数化的，但特征间互不关联，每个体素都是相对于模型空间建立的。2）由曲线生成实体模型由曲线生成实体模型，包括拉伸、回转和沿引导线扫描曲线生成实体。5.特征建模特征建模是 UG CAD 功能的核心建模工具，UG 的基于特征和约束的建模技术功能强大、操作简便，并具有交互建立和编辑复杂实体模型的能力。1）创建基准特征实体建模相对简单，它在系统默认的基准平面和基准下完成。若要创建较复杂的实体模型，仅仅依靠系统提供的基准面和基准轴是不够的，还需要用户根据实际情况构建新的基准面和基准轴。（1）基准面执行【插入】【基准/点】【 基准平面】命令，弹出【基准平面】对话框。其中提供了 10 种建立基准平面的方式，即自动判断、点和方向、点在曲线上、偏置和成一角度、等分面、曲线和点、两行、到目标点、线或面以及对象平面。（2）基准轴执行【插入】【基准/点】【 基准轴】命令，弹出【基准轴】对话框。基准面有 4种约束方式，即自动判断（推理约束） 、重合、平行和垂直。 【基准轴】对话框提供了 5 种建立基准平面的方式，即自动判断、点和方向、两点、点在曲线上和固定基准。（3）基准坐标系执行【插入】【基准/点】【 基准 CSYS】命令，弹出【基准 CSYS】对话框。其中提供了 6 种建立基准坐标系的方法，即自动判断、原点与 X 点 Y 点、三平面、原点与X 轴 Y 轴、ACS，以及当前视图的 CSYS、CSYS to CSYS。利用该对话框可构造基准坐标系，其方法与构造坐标系相同。2）设计特征操作创建实体模型后可通过设计特征操作，在实体上创建特征，包括孔、圆台、腔体、凸垫、键槽和沟槽等。（1）孔执行【插入】【设计特征】【孔】命令，弹出【孔】对话框。其中提供了 3 种孔的方法，即简单孔、沉头孔和埋头孔。（2）圆台执行【插入】【设计特征】【圆台】命令，弹出【圆台】对话框。（3）腔体执行【插入】【设计特征】【腔体】命令，弹出【腔体】对话框。其中提供了 3种腔体的建立方法，即圆柱形腔体、矩形腔体和一般腔体。它们的建立方式类似。（4）凸垫执行【插入】【设计特征】【凸垫】命令，弹出【凸垫】对话框。其中提供了 2种凸垫的建立方式，即直角坐标凸垫和一般凸垫。（5）键槽执行【插入】【设计特征】【键槽】命令，弹出【键槽】对话框。其中提供了 5种类型键槽的建立方法，即矩形键槽、球形键槽、U 形键槽、T 形键槽和燕尾槽。（6）沟槽执行【插入】【设计特征】【沟槽】命令，弹出【沟槽】对话框。其中提供了 3种沟槽的建立方法，即矩形沟槽、球形沟槽和