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海會(huì)

2008-07-08 15:44

基于Pro/E的三維機(jī)械設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

作者：鄭伯學(xué) 吳俊海

引言

面臨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),每個(gè)企業(yè)都將產(chǎn)品設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)作為企業(yè)的生命線,沒(méi)有適銷(xiāo)對(duì)路的創(chuàng)新產(chǎn)品,即使企業(yè)設(shè)備再先進(jìn),管理再科學(xué),也會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)中敗下陣來(lái)。創(chuàng)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與研制離不開(kāi)先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù),作為先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)核心的CAD技術(shù)正從傳統(tǒng)CAD技術(shù)向現(xiàn)代CAD技術(shù)發(fā)展。可以說(shuō),市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了CAD技術(shù)的發(fā)展。

現(xiàn)代CAD技術(shù)不再僅僅是代替手工繪圖的一種工具,而是包含了產(chǎn)品方案決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析、功能仿真,直至工藝設(shè)計(jì)的全部過(guò)程,由二維繪圖發(fā)展為今天基于特征的三維參數(shù)化和變量化造型技術(shù)。使用三維設(shè)計(jì)技術(shù)更能反映實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、構(gòu)造及制造過(guò)程,同時(shí)利用CAD軟件對(duì)機(jī)器或機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與分析,對(duì)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題做出預(yù)測(cè)和改進(jìn),有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì),加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度,提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 三維模型的創(chuàng)建

1.1 特征化造型的概念

特征造型是幾何造型技術(shù)的發(fā)展,它對(duì)諸如零件形狀、尺寸、工藝、功能等相關(guān)信息的綜合描述更直觀和更具工程含義。基于特征的造型系統(tǒng)一般先將大量的標(biāo)準(zhǔn)特征或用戶(hù)自定義特征存入數(shù)據(jù)庫(kù),在設(shè)計(jì)階段調(diào)用特征庫(kù)中的特征作為基本造型單元進(jìn)行建模,再逐步輸入幾何信息、工藝信息,建立零件的特征數(shù)據(jù)模型,并將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)。基于特征的造型方法大大地提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量,同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員可方便地進(jìn)行特征的合法性、相關(guān)性檢查,便于組織復(fù)雜的特征。特征建模過(guò)程實(shí)際上是一系列特征的累加過(guò)程。

在三維建模中主要有以下3種特征:

(1)實(shí)體特征它是構(gòu)建三維模型的基本單元和主要設(shè)計(jì)對(duì)象。實(shí)體特征可以是正空間特征(如實(shí)體的突出部分),也可以是負(fù)空間特征(如實(shí)體上的孔、槽等)。在Pro/E中,根據(jù)建模方式和原理的差異,把實(shí)體特征進(jìn)一步分為基礎(chǔ)特征和工程特征基礎(chǔ)特征是三維模型設(shè)計(jì)的起點(diǎn),包括拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃描特征和混合特征等。工程特征是在基礎(chǔ)特征上的附加特征,它的創(chuàng)建依賴(lài)于已存在的基礎(chǔ)特征,是有一定工程應(yīng)用價(jià)值的特征,包括孔特征、肋特征、倒角特征和拔模特征等。

(2)曲面特征它是一種沒(méi)有質(zhì)量和體積的幾何特征,對(duì)曲面的精確描述比較復(fù)雜,在目前三維造型中通常采用“B樣條曲線”為基礎(chǔ),通過(guò)曲率分布圖對(duì)曲線進(jìn)行編輯,進(jìn)而得到高質(zhì)量的曲面造型曲面特征主要用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)和逆向工程等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

(3)基準(zhǔn)特征指參數(shù)化設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)曲線、基準(zhǔn)平面和坐標(biāo)系等。一般來(lái)說(shuō),基準(zhǔn)特征主要用于輔助三維模型的創(chuàng)建。

1.2 Pro/E建模的一般過(guò)程

Pro/E是美國(guó)PTC(Parametric Technology Corporation)公司推出的CAD/CAM/CAE一體化軟件,該軟件集機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、加工制造、鈑金設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能于一體,是目前國(guó)際上專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員使用最為廣泛、功能強(qiáng)大的新一代產(chǎn)品造型和動(dòng)態(tài)仿真軟件。

利用Pro/E建模首先從整體研究將要建模的零件,分析其特征組成,明確不同特征之間的關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系,確定零件特征的創(chuàng)建順序,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模、添加工程特征等設(shè)計(jì)。通過(guò)二維平面草繪圖的旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描和混合等工具來(lái)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型的構(gòu)建。Pro/E三維模型將線框、曲面和實(shí)體三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái),形成一個(gè)整體,整個(gè)建模過(guò)程是基于特征為基本單位的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程。其中參數(shù)包括幾何參數(shù)和尺寸參數(shù)。幾何參數(shù)確定了實(shí)體特征基本位置的固定關(guān)系,尺寸參數(shù)決定了產(chǎn)品外觀尺寸和相對(duì)距離。利用參數(shù)可以準(zhǔn)確控制和修改所建立的三維模型。

Pro/E建模的一般過(guò)程如下:

(1)建立或選取基準(zhǔn)特征作為模型空間定位的基準(zhǔn):如基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)坐標(biāo)系等。建立每個(gè)實(shí)體特征時(shí),都要利用基準(zhǔn)特征作為參照;