《计算机辅助制造》上机指导-2-12

第二章三维CAD/CAM零件造型设计零件造型设计是三维CAD/CAM的基础，基于特征的参数化三维零件设计是目前流行的商品化CAD/CAM系统所采用的主要零件造型设计方式。

本章以UG 软件为背景，介绍基于特征的参数化三维零件的设计方法与过程。

2.1 基于特征的参数化三维零件设计概述基于特征的参数化三维零件设计是目前CAD/CAM系统所采用的主要零件几何造型设计方式，国际、国内流行的商品化系统无一例外地采用这种方式。

从三维造型操作风格的角度做一个比较粗略的分类，目前的软件大致分为两类：第一类采用基于特征的参数化实体建模技术。

这类系统以特征为基础，特别是以二维草图轮廓为基础，通过加减材料的拉伸、扫掠操作实现三维零件的造型设计。

这类系统的典型代表是Pro/E、Solidworks等，他们的操作方法基本相似，追求操作的简介与方便性：其设计过程步骤统一、规范，比较适合于大多数通用零件的造型设计。

相对而言，他们的曲面造型功能不是很强。

另一类采用混合建模技术。

这类系统将特征建模、实体造型和参数化技术加以结合来实现基于特征的参数化三维造型设计。

他们以特征为基础，不仅采用二维草图轮廓通过加减材料的拉伸、扫掠操作实现三维零件的造型，还保留了实体体素特征、布尔运算的造型功能，特别是融合了强大的非参数化的点、线、面造型功能，使这类系统更适用于对零件曲面造型要求较高的场合。

这类系统的典型代表是UG、CATIA、Cimatron等。

它们的操作方法基本相似，注重功能的完善和工具的多样性，设计过程步骤灵活、多样，适合于较为复杂的零件的造型设计。

相对而言，这类软件的学习过程要复杂一些。

但是，这类软件近年来在操作的易用性和方便性方面做了大量的改进，使得它们的使用更加得心应手。

特别应指出的是，从近期的趋势看，两类软件在界面风格和操作方式上正在逐渐靠近。

基于特征的参数化三维零件设计的一般过程如图2.1所示。

图2-1 基于特征的参数化三维零件设计的一般过程2.2 参数化草图设计2.2.1 参数化草图的概念草图是在特定的二维平面上快速绘制的轮廓曲线。

该轮廓曲线通过尺寸约束和几何约束操作，易于精确地控制其尺寸、形状及位置等参数，建立的草图可以用于拉伸、旋转和扫掠等产生三维实体的操作。

1.草图的特点草图具有以下特点：1）草图是参数化的二维特征，因而具有特征参数的可操作和可修改特性。

2）草图特征由定位在指定平面上的一组点和曲线组成，并可指定特征名。

3）草图设计时，只需粗略勾出零件轮廓的大致形状，精确的形状和尺寸要由约束来控制。

4）几何约束和尺寸约束是得到精确二维草图轮廓的基本手段。

2. 约束约束分为尺寸约束和几何约束。

1）尺寸约束：定义零件截面形状和尺寸，例如矩形的尺寸可以用长、宽参数约束。

2）几何约束：定义几何元素之间的关系，例如两条直线平行、垂直，直线与圆弧相切等。

3. 草图的设计流程草图的设计流程如图2.2所示。

图2.2 草图的设计流程2.2.2 UG参数化草图设计草图绘制具有参数设计的特点，在主菜单中选择【插入】-【草图】命令或在工具栏上单击图标，即可进入草图设计环境，如图2.3所示。

图2.3 草图设计环境1. 建立草图和激活草图1）建立草图在制作模型特征之前绘制草图，一般使用【直接草图】工具条；选择创建模型特征的命令后再创建草图，一般使用【草图工具】工具条，两者都可以直接绘制出各种草图对象。

（1）选择“插入”→“任务环境中的草图”命令，也可单击工具栏中的“草图”图标，系统将进入草图环境，并弹出“创建草图”对话框如图2.4所示。

（2）利用对话框中的【类型】和【草图原点】栏可指定草图的放置面，或用鼠标在图形界面中直接选取草图的放置面。

草图放置面可以是坐标平面、基准面和实体表面等。

（3）在系自动统弹出的“草图”工具栏中，可以修改草图名称或接受系统默认的名称，如图2.5所示。

系统默认的草图名称为“SKETCH_xxx”，x为数字序号，该序号随着新草图的建立而自动增加。

可以对当前的草图修改名称，自定义的草图名称必须以字母开头。

（4）选定草图放置面，单击“确定”按钮，进入绘图环境。

2）激活草图当建立多个草图之后，只能对其中的一个草图进行编辑，因此需要选择并激活要编辑的草图，或在各草图之间进行切换并激活，其方法有多种。

（1）在建模环境中，选择主菜单中的【编辑】-【草图】命令，进入草图环境，此时点击工具栏中的草图名称下拉框，如图2.6所示，可以根据需要点击所需的草图名将其激活。

（2）在建模环境中，选择主菜单中的【插入】-【任务环境中的草图】命令，或单击图标，进入草图环境，此时点击“草图”工具栏中的下拉框，如图2.5所示，可在下拉了表中直接选择并激活要编辑的草图。

图2.4 创建草图对话框图2.5 修改草图的名称图2.6 “打开草图“对话框图2.7草图名称下拉列表（3）在建模环境中，在部件导航器中右键单击要编辑的草图，然后在弹出的快捷菜单中选择【草图编辑】命令。

（4）在草图环境中，在图2.7所示的下拉列表中选择要编辑的草图，可以在草图之间进行切换。

3）退出草图在草图环境中，单击工具栏中的图标即可退出草图模式。

2.“草图工具”工具条“草图工具”工具条如图2.8所示。

该工具条中包括草图曲线工具条、尺寸约束工具和几何约束工具条等。

利用该工具条中的草图工具图标可以在草图中建立轮廓线，直线、圆弧、圆角、矩形和样条曲线等。

工具条中部分图标的功能如表2.1所示。

图2.8 “草图工具”工具条3. 草图约束工具条草图对象建立后，需要对草图对象进行约束和定位（主要包括几何约束和尺寸约束两种）。

草图约束工具条也包括在【草图工具】工具条内如图2.8所示。

其中的草图约束工具可由下拉列表获得，如图2.9所示。

图2.9 草图约束工具条1）几何约束几何约束用于定义建立的草图对象的几何特性（如直线的水平和竖直）及两个或两个以上对象间的相互关系（如两直线垂直、批评性，直线与圆弧相切等）。

单击图标可以对草图对象进行几何约束，单击图标可以设定自动约束的类型。

UG中常用的几何约束如图2.10所示。

详见本章后面附表1。

图2.10 UG中常用的几何约束图2.11 尺寸约束2）尺寸约束尺寸约束用于定义草图对象的大小和形状等。

UG的尺寸约束菜单如图2.11所示，其含义如表2.3所示。

3）显示所有约束单击图标可以显示草图对象的所有约束。

4）显示和删除约束单击图标，可以查看所选对象或所有对象的约束，移动约束的顺序及删除约束。

5）捕捉工具栏捕捉工具栏提供了开关型的捕捉工具，供用户快速捕捉有关几何元素，如图2.12所示。

单击其中的某个图标可以将其激活或关闭。

图2.12 捕捉工具栏2.2.3UG草图设计操作实例本例介绍图2.13所示草图的设计过程。

图2.13 草图（1）单击【新建】图标，弹出新部件文件对话框。

在文件名栏中输入caotu_1，在单位选项中选择【毫米】，单击OK（确定）按钮，进入UG NX系统用户界面。

（2）在工具栏中单击【开始】下拉框，选择建模图标，进入建模模块。

（3）单击【直接草图】工具栏上的图标或在主功能菜单中选择【插入】-【草图】命令，系统将弹出如图2.14所示的【创建草图】对话框。

在对话框中“平面选项”栏的下拉列表中选择“创建平面”选项；点击“指定平面”的可选按钮，弹出下拉菜单，可以用多种方法选择或创建绘制草图平面（系统默认为X-Y平面），单击“确定”完成创建草图平面。

（4）单击“直线”图标，绘制两条按一定角度（大约40°）相交的直线，单击“转换至/自参考对象”图标，弹出如图2.15所示的对话框，单击“参考”按钮，然后分别单击两条直线，单击“确定”按钮完成两中心线的绘制。

图2.14 创建草图对话框图2.15 “转换至/自参考对象（5）单击“圆”图标，画出4个圆，分别输入4个圆的直径为Ф52、Ф22、Ф16、Ф30，使4个圆的圆心在同一条直线上。

单击“几何约束”图标，同时分别单击2组同心圆，系统弹出如图2.16所示的约束选择对话框，单击“同心”图标，完成同心圆设置。

图2.16约束选择对话框图2.17圆弧类型对话框（6）标注尺寸。

单击“自动判断”图标，分别单击两组圆的圆心，输入数值70。

单击“自动判断”图标，同时单击两条点划线，输入角度值40。

（7）单击“直线”图标，在两个外圆上选两个点完成直线绘制，单击“约束”图标，单击外圆和直线出现约束对话框，选择“相切”图标，使圆与直线相切。

对另一个外圆也用同样方法使其与直线相切。

（8）单击“圆弧”图标，系统弹出图2.17所示的圆弧类型对话框，单击“三点定圆”图标，在绘图工作区分别点击两个外圆的外侧确定圆弧的大致位置，第三个点确定圆弧的凹向。

与步骤（7）的方法相同，单击“约束”图标，分别单击圆弧和相邻的外圆，使圆弧与两个外圆相切。

单击“自动判断”图标，单击圆弧，输入尺寸值100。

此时草图变成绿色，说明草图已经完全约束。

完成后的草图如图2.18所示。

（9）单击【草图工具】栏中的“快速修剪”图标，对草图进行修剪，如图2.19所示。

点击“完成草图”图标，完成并退出草图。

图2.18 添加尺寸图2.19 修剪草图（10）单击“拉伸”图标，或者选择【插入】-【设计特征】-【拉伸】命令，系统弹出如图2.20所示的【拉伸】对话框，在“起始”栏中输入0，在“结束”栏中输入20，默认拉伸方向。

单击草图轮廓，生成预览，点击“确认”按钮完成拉伸特征的创建，如图2.21所示。

图2.20 拉伸对话框图2.21完成拉伸机械CAD-CAM 上机指导11第二章 三维CAD/CAM 零件造型设计 草图绘制实训：练习一：按照下图绘制草图。

题图2.22练习二：轴的三维设计，按照下图绘制草图，再生成轴并尝试进行细节设计。

题图2.23。