零件三维建模实验

目 录 实验一 零件的三维建模实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 实验二 从零件的CAD数据模型自动生成数控加工代码和加工仿真实验„„„„„„„„„7 实验三 集成化CAD/CAPP系统实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 1 实验一 零件三维建模实验 一、实验目的 1、了解特征设计在CAD/CAM集成中的意义； 2、熟悉特征的种类的划分及特征拼合的基本方法，了解参数化设计方法。 3、了解各种计算机绘图软件的同时，掌握计算机绘图的系统知识，培养独立上机绘制二维、三维图形的能力， 二、实验原理 图形是人类传递信息的一种方法，从二维平面图到三维立体图，人类经常要绘制各式各样的图纸。零件特征是零件们某一部分形状和属性的信息集合，如孔、槽台和基准等，一方面它能方便地描述零件的几何形状；另一方面，它能为加工、分析及其它工程应用提供必要和充分的信息。基于特征的设计是CAD技术的发展，它克服了传统CAD的缺陷。传统CAD只能表达底层的零件几何定义信息，如线架、边界表示（B-rep）和实体结构几何（CSG）的信息，点、线、面、体等，无法表达高层语义和功能信息，也不能对整个产品的外形进行抽象描述，更无法表达产品非几何信息，如工艺信息（公差 装配等）、精度信息、材料信息、功能信息等。特征是完整描述产品信息的方法，也是系统的灵活性和产品间数据交换的实现途径，特征已成为设计、制造、分析等各种应用之间传递信息的媒体。 特征设计是在设计阶段捕捉除几何信息以外的设计与加工信息，从而避免了特征提取与识别。基于特征的设计系统使用参数化特征，并通过各类属性来描述零件的几何形状以及它们之间的功能关系，系统通常提供特征库，通过布尔运算等操作来生成零件的特征表示，但特征是孤立的信息，只有约束才能把它串联起来，形成产品。因而把约束定义为产品生命周期内各环节对产品模型的类型、属性、语义和行为的限制，它是维持产品模型有效性的手段，它决定着产品的有效性和可实现性，具有一定的定义、识别、分类。 特征的分类方法很多，其严格依赖于特征定义，兼顾抽象、语义和形状因素。形状特征的分类具有严格的教学形式，并符合已有实践和认识，对于特征库的建立，具有指导意义。从应用观点出发，特征分类有： 1、 按对待特征技术的研究划分：特征识别、特征造型、特征映射。 2、 按产品设计—制造过程划分：设计特征、分析特征、公差特征、制造特征、检验特征、机器特征等。 3、 按特征性质：形状特征、精度特征、材料特征、工艺特征及装配特征。 2

4、 按制造特点划分：毛坯特征、过渡特征、基本特征、表面特征和拼装特征等。 有人把特征只分为两类：形状特征和工艺特征。形状特征用于构造零件的形状；工艺特征具有零部件加工、装配过程中应用的实际意义。形状特征又可进一步分为两类：基本特征和辅助特征。基本特征构造零件模型的主要形状；辅助特征是依赖于基本特征而又具有某一特殊功能的特征。 特征造型是按对特征技术的研究划分中的一种类型。特征造型将几何、拓扑信息及其相关属性参数化，考虑设计与制造意图的高层描述。 使用特征进行设计具有很多优点，其总体设计过程如下： 1、使用参数变量设计方法构造轮廓； 2、根据已有参数进行工程分析； 3、根据形成轮廓构造体素； 4、定义特征； 5、建立特征库 6、从特征库调用特征，构造零件模型。 一个特征造型系统至少应由三部分组成： 1、特征单元及拼合运算模块； 2、特征库； 3、显示处理模块。 需要特别进行两方面的工作：1）、实现特征的参数化；2）、提供一种适合特征造型的数据结构，以满足特征信息的存储要求，同时实现快速灵活的查询。 该系统的信息模式设计必须考虑到：1）、具有完备的数据定义 ；2）、CAD和CAM两方面的要求；3）、具有数据唯一性。 基于上面的条件，我们选用Pro/ENGINEER系统作为上机实验的特征造型系统，利用该系统对CAD/CAM进行特征建模。实现参数化设计，零件和装配件的物理形状特征属性值（主要尺寸）来驱动，用户可以随意修改特征尺寸或其它属性。 数控加工在制造业中占有非常重要的地位，数控机床是一种高效的自动化设备，它可以按照预先编制好的零件数控加工程序自动地对工件进行加工。理想的加工程序不仅应能加工出符合图纸要求的合格零件，同时还应使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥。以使数控机床安全可靠且高效地工作。对于几何形状不太复杂的零件加工，可使用手工编程，但对于几何形状复杂的空间曲面或 3

几何元素虽不复杂但程序量很大的零件，手工编程比较困难，可采用自动编程的方法。 自动编程是用计算机来帮助人们解决复杂零件的数控加工编程问题。自动编程又可按编程方式的不同分为APT（Automatical Programmed Tools）语言及图象编程两种方式。 APT语言：APT语言是对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动进行定义时所用的一种接近于英语的符号语言，把用该语言书写的零件程序输入计算机，经计算机APT编译系统编译，产生数控加工程序。 图象编程方式：其主要特点是以图形要素为输入方式，而不需要使用数控语言。从编程数据的来源，零件及刀具几何形状的输入、显示和修改，刀具相对于工件的运动方式的定义，走刀轨迹的生成，加工过程的动态仿真显示，刀位验证到数控加工程序的产生等都是在图形交互方式下利用屏幕菜单和命令驱动进行的，具有形象、直观和效率高等优点。 PRO/ENGINEER系统采用统一数据库管理技术及参数化特征描述方法。其制造模块（PRO/M）能产生生产过程规划，具有钻孔、车削、多坐标铣削、电火花线切割等加工编程能力。基于此系统，产生零件的NC代码。 三、实验仪器 微机 5台 配置如下： 硬件：1）三键鼠标； 2）17吋以上显示器； 3）CPU至少为400MHZ以上； 4）RAM至少为128MB以上； 5）显卡至少支持OPEN GL； 软件：操作系统为WindowsNT4.0、Windows2000或者Windows XP。 四、实验内容及步骤 Pro/E有零件设计、加工模拟、装配、工程图、有限元分析等几个功能模块。我们首先设计一个零件，采用逆向设计，生成一个立体零件，也可利用CAD工程图。Pro/E是先设计零件的实体，而后经对应的投影生成对应的三视图、剖面和局部视图等。我们先设计一个实体零件，三维图形状及尺寸如图1所示：Pro/E进行实体设计时先设计2D平面图，然后进行拉伸、挖剪、扫描、旋转、混合等 4

操作而生成三维立体图。 图1 加工零件 那么，我们先进行2D设计，进入二维状态。 1、进入Pro/E系统后，在主菜单的File / NEW 选Part / name 命名 OK 2、建立坐标系 在浮动菜单Menu Manager 中 Feature / Create / Datum / plan / Default 生成三维坐标系。如图所示，首先生成长方体然后再挖剪P字。 3、拉伸创建实体  Create / Solid / Protrusion / Extrude / Solid / Done  One side / Done  Setup plan / plan / Pick 选 DTM3(箭头指向外，即要拉伸的方向) / OK  Top / 选DTM2(进入2D模式) 4、设计平面图  Sketch / rectangle (用鼠标左键拖动对角线生成)  标注尺寸：Dimension (用鼠标中键选定放置位置，可用左键+shift键合用代替。)  尺寸修改 Modify 选尺寸进行修改。如下图2：Regenerate / Done  Blind / Done 拉伸厚度为 5 OK 5、挖剪实体 P 字 我们要在所设计的立方体的前面挖一个P字，那么要选定前面为基面画一个P字，或写一个P字进行CUT操作。  Feature / Create / Solid / Cut / Extrude / Solid / Done  One side / Done 5

 Plane / Pick 选实体的前面，红箭头向内，否则选 Flid / okey  Top 选顶面。

 Sketch / Line / 2 point (画图直线) / Arc / 3 point (画半圆，选两点，画半圆，系统默认相切，如不相切，可将图缩小比例在分辨率低的时认为相切，其它作图也如此。) 标注尺寸：  Dimension / (尺寸要标注全)  Modify / 选尺寸进行修改。如下图3所示：

图3 尺寸选择  Regeneration / Done / Done (红箭头指向p字的内侧)

图2 尺寸选择 6

 Blind / Done / 2 / OK  选视图的Default 视图  保存，或另存， 命名。 生成三维实体零件后，进入Drawing模块很容易得到三视图、剖视图、局部视图等。由于是尺寸驱动，修改任意视图的尺寸，其余各视图都对应同时改变。 6、CAD图形输出  在drawing模块下进行CAD设计或编辑二维视图。  Open/ New 选drawing模模式命名  在弹出窗口下选图纸大小  Wives/Add wive/general/done  将视图放在合适的位置，在对话框中选择适当参考面定作为主视图的视图  Add wive/half wive/done，加侧视图和俯视图  show/erase在对话框中选标注尺寸形式而后点击show all后接受  在file/export/model/  在选DXF或DWG文件格式，此格式是AutoCAD可以读出的格式

五、思考题 1、特征建模和实体造型的特点？ 2、参数化设计和单一数据库有何优点？