UG教程-零件建模

的工艺信息，这些非几何信息也是加工该零件所需信息的有机组成部分。然而在实体建模 的数据结构中却难于像几何信息、拓扑信息那样，有效而充分地描述非几何信息。这样就 会影响计算机辅助工艺规程设计（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）系统直接使用 CAD 系统生成的产品信息，造成这些后续系统需重新输入产品设计信息，难以实现 CAD／CAM 的集成。因此如果能在实体建模的基础上，在已有几何信息上的基础上附加诸如形位公差、 尺寸公差、表面粗糙度、材料信息等制造信息从而建立特征模型则能很好地解决上面的问 题。而在实体建模的基础上，除了对几何造型的尺寸、形状加以描述外，还附加上工艺信 息，例如尺寸、公差、加工要求等，这就是特征（Feature）建模技术。
2.1.2 几何建模
几何建模 (Geometric Modeling) 就是以数字化的形式对产品的几何形状进行确切的定 义，并赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式在计算机内部存储，从而构造出一 个数字化产品的模型。
几何建模对产品的描述和表达，是建立在几何信息和拓扑信息处理的基础上。几何信 息一般是指产品在空间中的形状、位置和大小；而拓扑信息则是产品各几何分量的数目及 其相互间的连接关系。几何信息包括有关体、面、棱、顶点及其相互连接的信息。这些信 息可以以几何分量方式表示，如空间中的一点以其坐标值来 x, y, z 表示，空间中的一条直 线用方程式 Ax By Cz D 0 表示等。但是，只用几何信息表示产品并不充分，常会出 现产品表示上的二义性，即可能有不同的理解。这说明对几何建模系统来说，为了确保所 描述的产品的完整性和数学的严密性，必须同时给出几何信息和拓扑信息。 在 CAX 技术的发展过程中得到广泛运用的三维建模方法有：线框建模、曲面建模、实 体建模。
ug公司利用知识驱动开发出了知识驱动的自动化设计kda此技术能够记录重复使用和维护各种类型的用于工程设计的知识并用它来驱动建立选择和装配相应的几何实体利用这种技术用户只需输入产品的工作环境条件推理机自动搜索规则提出相应的设计建议大大提高了设计效率
第 2 章 机械 CAD－零件建模
【学习目标】 了解建模的概念、几何建模的方法及其缺陷、参数化特征建模的特点。 能正确地使用草图去建立二维轮廓。 能正确地使用各种特征。 能选择正确的建模策略去建立——基于相关参数化的特征零件模型。
实体建模
实体建模（Solid Modeling） ，是通过利用基本体素（如长方体、圆柱体、锥体、球体等） 和扫掠体（拉伸体、旋转体、沿导线扫掠体、软管等）及其布尔运算构造几何实体的建模 方法，其特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成，并且可以实现对可见边的判断， 具有消隐的功能。 实体建模的方法主要由体素法和扫掠法两种。其中体素法是通过基本体素及其布尔运 算构造几何实体的建模方法。而扫掠法针对某些比较复杂的形状先定义体素，并利用基本 的变形操作实现物体的建模。扫掠法又可分为平面轮廓扫掠（二维轮廓在空间中平移、旋 转所产生的新实体）和整体扫掠（一个刚体在空间中运动所产生的新实体）两种。 三维实体建模在计算机内部存储的信息不是简单的边线或顶点的信息，而是比较完整 地记录了生成物体的各个方面的数据。计算机内部表示三维实体模型的方法有边界表示法 （Boundary Representation） 、构造立体几何法(Constructive Solid Geometry)、混合表示法(即 边界表示法与构造立体几何法混合模式)。 1. 边界表示法（BRep 法）的思想是任何一个物体可以通过包容它的封闭的边界表面来表 示，而每一个面又可以用构成此面的边描述，边通过点，点通过三个坐标值来定义，在计 算机内部便形成了网状的数据结构。这种数据结构与生成实体的方法描述无关，因为它只 记录实体的表面及其相互关系的信息。这种方法的优点在于有较多的表面信息，曲面模型 还可以使用小平面模型近似表示。 2. 构造立体几何法（CSG 法）是一种用简单的体素拼合成复杂实体的描述方法。将复杂 实体由某些简单的体素加以组合，通过描述基本体素（如长方体、圆柱体、锥体、球体等） 和它们的布尔运算（交、并、差）构造实体，这种方法的数据结构是树状结构。实体的描 述与拼合过程密切相关。 上面介绍了 70 年代以来在 CAX 系统中得到广泛应用的三种建模技术。正如前所述， 线框模型结构简单，容易处理，但由于其不包含零件的表面信息，不能区分零件表面的里 边和外边，对零件描述不完整，存在不确定性。表面造型能处理较复杂表面的设计与加工， 适合表达自由曲面的产品，但只能表现零件几何形状的外壳，不能描述零件内部的信息。 实体造型能完整地描述产品的几何形状，数据结构简单，可以表示更高层次的几何信息和 拓扑信息，适合构造复杂的零件，但不能表达点、边、面的信息。而这些恰恰是 CAPP/CAM 描述产品精度等信息所必须的。
几何建模的缺陷
产品的设计和制造过程实际上就是产品信息的处理过程。随着计算机硬件和软件的飞 速发展，产品的尺寸和工艺等信息都是用模型化的计算机语言来表达。上述以几何学为基 础的三维建模技术，都只较详细地描述了物体的几何信息和相互之间的拓扑信息，而这些 信息缺乏明显的工程含义，即从中提取和识别工程信息是相当困难的。工程技术人员在产 品设计、制造过程中，不仅关心产品的结构形状，公称尺寸，而且还关心其加工方法、特 征以及公差、精度、表面粗糙度和材பைடு நூலகம்热处理等一系列对实现产品功能极为重要的非几何
意模型，然后通过特征建模。UG 为设计者提供的这种符合人们思维的设计环境，设计人员 不必关注组成特征的几何细节，而是用熟悉的工程术语阐述设计意图的方式来进行设计。 因此基于特征建模越来越广泛地应用于实际的设计中。 特征之间的相互依赖关系通常采用约束关系来描述，约束决定了模型如何变化。设计 过程可视为约束满足的过程，设计活动本质上是通过提取产品有效的约束来建立其约束模 型并进行约束求解。设计活动中的约束主要来自功能、结构和制造三个方面。功能约束是 对产品所能完成的功能的描述；结构约束是对产品结构强度、刚度等的表示；制造约束是 对制造资源环境和加工方法的表达。在产品设计过程中将这些约束综合成设计目标，并将 它们映射成为特定的拓扑结构，从而转化为几何约束和尺寸约束。 基于特征设计方法与参数化技术有机地结合起来，可以实现多种设计方式（自顶向下 和自底而上） ；多种设计形式（初始设计、相似设计和变异设计等） 。目前，参数化特征建 模已成为 CAD 中最热门的应用技术之一，能否实现参数化特征建模，也成为评价 CAD 系 统优劣的重要技术指标。 这是因为它更符合和贴近现代 CAD 中概念设计以及并行设计思想， 工程设计人员首先进行草图设计，勾画出设计轮廓；然后通过对产品形状及大小的约束最 后精确成图。同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计来实现，设计参数不 但可以驱动设计结果，而且影响产品的整个开发周期，设计参数甚至可来自于其他系统。 参数化设计是变量化设计的前提，借助变量化设计思想可实现动态设计。机构设计的运动 仿真模拟等。除此之外，参数化设计还能够使设计人员在设计的同时实现参数化建库，极 大地方便后续设计工作。困此，参数化设计以及建库工具的研究对进一步提高设计和绘图 效率以及柔性化设计具有十分重要的意义。
线框建模
线框建模是指在计算机内部以边、点来描述和表达产品，表示的是产品的棱边。早期 的二维线框模型的基本元素仅仅是点、直线、圆弧和某些二次曲线。用户需要逐点、逐线 的构造模型。即使是后来在二维线框模型的基础上发展起来的三维线框模型虽然有了一定 的深度，可以做三维的平移、旋转，且能产生立体感，但仍限于二维的点、直线和曲线。 其主要是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分从而构成的立体框架图。 数据结构采用表结构。线框模型在计算机内部是以边表、点表来表达和存储的，将产 品的几何信息和拓扑信息清楚地记录在边表、点表中。产品是边表、点表的三维映像，计 算机可以自动实现视图变换和空间尺寸协调。 它的特点是描述方法所需信息最少，数据结构简单，所占的存储空间也比较小，对硬 件的要求不高，易于掌握，处理时间较短，对由平面构成的物体由于轮廓线与棱线一致所 以能比较清楚地反映物体的真实形状。缺点是对于曲面体而言，仅能表示物体的棱边是远 远不够的，而且所构造的实体模型只有离散的边，而没有边与边的关系，即没有构成面的 信息，无法识别可见边，不存在内、外表面的区别，不能自动进行可见性检验及消隐。所 以会对物体形状的判断产生多义性。由此时见，线框模型不适用于对物体需要进行完整信 息描述的场合。
曲面建模
曲面建模又叫表面建模（Surface Modeling） ，是对产品的各个表面或曲面进行描述，从 而构造成产品模型的一种建模方法。它实际上是仅在线框模型的基础上添加了面的信息， 先将复杂的外表面分解成若干个组成面，然后定义出一块块的基本面素。基本面素可以是 平面或二次曲面，例如圆柱面、圆锥面、圆环面、回转面等，通过各面素的连接构成了组 成面，各组成面的拼接就是所构造的模型。 表面建模的数据结构仍是表结构，除了给出边线及顶点的信息之外还提供了构成三维 立体各组成面素的信息，即在计算机内部，除顶点表和边表之外，还提供了面表。 特点是利用表面造型就可以对物体做剖面、消隐、获得 NC 加工所需的表面信息等。但 对于一些复杂表面，将会产生一定的拼接误差或计算工作量太大。
2.1.3 参数化特征建模
特征概念的首次提出可以追溯到 1978 年麻省理工学院机械工程系的一篇学士论文 《CAD 零件的特征表示》 ，然而直至十年之后的 80 年代后期，这一概念及其技术才为人们 广泛接受，并被公认为是解决 CAD/CAE/CAPP /CAM 的集成问题的最为有效手段。 特征是指零件上具有某种特定的功能并能被基本的加工方式加工成形的几何实体，它 是工程环境中能运用几何和功能信息进行产品零件造型的关键要素，是集成环境中高层语 义信息的载体和基本传输。 特征建模与几何建模相比，是在更高层次上表达产品功能和形状信息，它本身就是基 于并行工程的策略，即在设计阶段就充分考虑加工的要求，因此它是面向整个设计、制造 过程的，不仅支持 CAD 系统、CAPP 系统、CAM 系统，还要支持数控编程、仿真模拟等多 个环节。它彻底地改变了传统 CAD 系统完全靠设计者指出零件几何图素（点、线）的位置 这一限制，将零件几何体的多个图素结合在一起，形成一个以特征为操作单位的新的语义 实体，对零件描述要比仅包含几何图素要多得多的信息，例如加工方法以及装配要求。对 于一个特征来说，其构成的几何图素之间的拓扑关系是不变的，特征形状的变化只能通过 给特征指定不同的参数值来实现。对零件的修改就可以转化为对构成零件的特征的参数值 进行修改，不用直接修改几何图素，大大方便了零件的设计、修改过程，提高了设计的效 率和准确性。目前的研究水平已从原有的特征模型发展到以支持概念设计和变量特征为标 志的产品模型，例如特征精炼模型、基于变动特征的模型等。可以有效地支持 CAX 系统的 集成。 特征建模根据产品数据转换标准(STEP,Standard for the exchange of Product model Data）组成零件的特征分成以下三大类： 1. 基准特征：主要有基准点、基准线、基准面和工作坐标系，用以辅助生成某些特征。 2. 基本形状特征：它的存在及其空间位置不受其他形状特征是否存在的影响。 3. 辅助形状特征：依附在一个或几个基本形状特征之上的其它形状特征，它们不能独立存 在。 特征建模的思想是：零件模型在原材料模型上经过特征的布尔差运算建立起来，因此用 户应先定义毛坯，然后仿真加工零件。在 UG 中，毛坯可以由二维轮廓经扫掠而形成的任
2.1 建模综述
2.1.1 建模的概念及意义
在产品的设计与制造过程中，涉及许多有关产品的工程信息，如几何造型信息、加工 工艺信息等。在传统的机械设计与机械加工中，设计人员是通过二维工程图纸来交换产品 的工程信息。随着计算机介入生产制造，产品的所有工程信息都是以数字形式存取和交换 的。在计算机辅助设计 CAD 中主要完成产品的建模，所谓的建模就是将产品的工程信息的 数字化，即产品的几何造型的描述、加工工艺信息的描述和在计算机内部构成数字化产品。 随着计算机技术的高速发展，计算机集成制造系统（CIMS）应运而生。在 CIMS 系统 中 CAX（即 CAD/CAE/CAPP /CAM）的集成是实现 CIMS 的关键技术之一，得到了广泛的 关注和研究。正是由于将产品的工程信息数字化，才使得计算机辅助技术的各个环节：产 品设计、计算、结构分析、运动分析、工艺规划、仿真、数控加工、生产管理、检测等， 即在 CAX 系统中使用同一个产品数据模型，共享数据信息，从而实现 CAX 系统的集成。 因此，建模技术是 CIMS 系统中的关键技术，是 CIMS 的核心和基础，CIMS 的水平很大程 度上取决于 CAD 建模系统的功能。 为了实现 CAD 系统与其下游的 CAPP 与 CAM 系统在较高层次上的集成，利用特征模 型能够提供完整的产品几何造型信息和工艺信息的特点， 可以在 CAX 系统中更好地实现数 据交换与共享。