基于ug的无图设计与制造技术.doc

聊城大学东昌学院聊城大学东昌学院 本科生本科生毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 题题 目：目： 基于基于 UG 的无的无图设计图设计与制造技与制造技 术术 -草草图图建模、建模、实实体建模体建模 专业专业代代码码： ： 080251 作者姓名：作者姓名： 柳柳 君君 平平 学学 号：号： 20080020327 单单 位：位： 聊城大学聊城大学东东昌学院昌学院 指指导导教教师师： ： 崔崔 传传 辉辉 2012 年年 5 月月 20 日日 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 1 目目 录录 前前 言言1 1 1.UG1.UG NX6NX6 基础知识基础知识 1 1 1.1 UG NX6.0 简介 .1 1.1.1UG NX6.0 概况1 1.1.2 产品设计与制造技术回顾2 1.2 实施无图设计与无图制造技术的必要性 5 1.2.1 实施无图设计与无图制造技术的必要性5 1.2.2 实施无图设计与制造技术在工程上的意义6 2.2.草图建模草图建模9 9 2.1 草图建模9 2.1.1 草图的定义9 2.1.2 使用草图的目的与时间9 2.1.3 使用草图的一般步骤.10 2.1.4 草图的特征.10 2.2 二维截面草图.11 2.2.1 草图创建 11 2.2.2 草图约束 15 2.2.2 草图操作 18 3.3.实体建模实体建模1919 3.1 实体建模综述.19 3.1.1 实体建模的优点.19 3.1.2 体素特征.20 4.UG4.UG NX6.0NX6.0 产品设计技巧与实例产品设计技巧与实例 2525 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 2 4.1 前端盖产品设计（压铸产品）.25 4.2MP4 手表造型设计39 4.3 清洁精瓶造型设计（吹塑产品）.40 4.4 进气管造型设计（浇注产品）.40 结结 论论4141 参参 考考 文文 献献4242 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 1 摘摘 要要 深入研究草图建模、实体建模的基础理论方法及其在产品设计中的应用，提 出无图设计与制造技术在未来制造业中的重要性，主要内容如下： （1） 系统的介绍了无图设计与制造技术的发展历史与未来发展前景。 （2） 介绍了草图建模的方法和创建草图前的预设值问题。 （3） 提出了体素的概念及利用体素来完成产品的设计。 （4） 在实例中通过草图建模与实体建模的结合来实现对产品的设计制造。 关键词关键词：无图设计；草图建模；实体建模；体素 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 2 Abstract product design, the importance of the proposed Figure-free design and manufacturing technology in the future manufacturing, the main contents are as follows: (1)the history of map design and manufacturing technology development and the future prospects for the development. (2)The default value sketch modeling methods and create a sketch. (3)voxel concept and use of the body has always been to complete the product design. (4) In the instance on product design and manufacturing through a combination of sketch modeling and solid modeling. Keywords: drawing design; sketch modeling; solid modeling; voxel 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 1 基于基于 UGUG 的无图设计与制造技术的无图设计与制造技术 - -草图建模、实体建模草图建模、实体建模 前前 言言 21 世纪的今天，传统的 CAD/CAM/CAE 建模模式和模拟加工模式已经不能满 足产品更新换代的快速需求，随着先进制造技术的发展伴生着许多新的制造理念 制造模式。先进制造技术集成化、智能化、可视化、网络化的方向发展，而这些 发展就需要功能强大的集成化软件平台的支持。 UG 是美国 unigraphics Solution 公司（UGS）推出的集 CAD/CAM/CAE 于一身 的三维参数化设计软件。它是一个全方位 3D 设计软件，集成了零件设计、曲面 造型、模具设计、钣金设计、逆向工程、机构运动、和仿真等功能，其产品设计 功能尤其强大。现在被广泛应用于机械、汽车、家电、数码通讯和玩具等设计制 造领域。 本课题从职业应用角度出发，通过产品设计技法与典型实例相结合的形式， 详细讲解 UG NX6.0 产品设计的草图建模、实体建模和使用计巧，应用案例多， 专业性、实用性、技术性强。本次设计是对所学机械 CAD/CAM 技术UG NX56.0 实用教程中知识的升华。 在此表示忠心的感谢！ 1.UG1.UG NX6NX6 基础知识基础知识 1.1 UG NX6.0 简介简介 1.1.1UG NX6.0 概况 Unigraphics(UG)是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的 CAID/CAD/ CAM/CAE 高端软件。作为一个集成的全面产品工程解决方案，UG 软件 家族使得用户能够数字化地创建和获取三维产品的定义。UG 软件被当今许多世 界领先的制造商用于概念设计、工业设计、详细的机械设计、工程仿真和数字化 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 2 制造等各个领域。它已成为世界上最优秀的公司广泛使用的系统，这些公司包括 通用汽车、波音飞机、通用电气、惠普、飞利浦、松下、精工和柯达等。 UG NX 6.0 是 Siemens PLM Software 又一更新版本，它在 UG NX 5.0 的基础上进行了 多处改进。包括以下几个方面：整个系统的创新，工程过程管理，工业设计和造 型，模型设计，装配设计，钣金设计，设计验证，图纸和三维注释，产品模板工 作室，数字化仿真，塑料模设计，级进模设计，NX CAM；等等。 1.1.2 产品设计与制造技术回顾 基于 CAD/CAM 集成技术的无图纸设计与制造技术，代表了当前设计与制造技 术领域的最新趋势和最高水平。在详细介绍无图纸设计与制造技术之前，先来回 顾一下产品设计与制造经历的三个阶段： (1)第一个阶段有图纸设计与制造 这一阶段属于典型的传统设计与制造方法。设计者首先需要构思产品的三维 实体概念，然后将实体概念用手工绘制成二维工程图；工艺人员和车间操作人员 使用二维工程图时，需再将二维图纸还原为三维实体概念。这种三维二维三 维的思维方式在产品开发过程中存在诸多弊端： 设计过程是一个不断修改和完善的创作过程。在传统设计方法中，修改意 味着从头再来，设计人员大部分时间都花在了重复手工绘图上。而设计不仅仅是 绘图，更是体现设计者意图的创造过程。 在产品开发的过程中，构思的原始冲动是三维概念，设计实施的结果是三 维实体。但是在传统设计与制造方法中，这两者之间的信息传递却是二维工程图。 由于二维工程图表达的不完整性和不直观性，给上下游的技术交流带来诸多不便。 二维工程图对产品的性能分析、零部件的装配、结构的优化等帮助不大。 以纸质介质作为信息载体易造成数据丢失、检索与维护困难和技术信息安 全保密性差等问题。 (2)第二个阶段基于计算机辅助的有图纸设计与制造 随着计算机图形处理技术特别是计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM） 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 3 技术的迅速发展，这一阶段的产品开发过程开始在相当大的程度上依赖于计算机 的辅助。 CAD 技术起步于 20 世纪 50 年代后期。随着在计算机上绘图变为可行而开始 迅速发展。人们希望借此技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘图。 此时 CAD 技术的出发点是用传统的三视图来表达零件，CAD 的含义仅仅是图板的 替代品，这就是二维计算机绘图技术。二维 CAD 可快速、准确的把设计信息转换 成可用于车间生产的工程图，减轻了设计人员沉重的手工绘图负担，从而使设计 人员可以把更多的精力投入到产品的创造性设计中去。CAD 技术以二维绘图为主 要目标的算法研究一直持续到 70 年代末期，以后作为 CAD 技术的一个分支而相 对独立、平稳地发展。早期应用较为广泛的是洛克希德飞机公司的 CADAM 软件， 近十年来占据绘图市场主导地位的是 Autodesk 公司的 AutoCAD 软件。 与此同时，CAM 技术也在计算机和数控技术的带动下开始发展，由手工编程 逐步向数控编程转变。麻省理工学院（MIT）于 1952 年试制成功了世界上第一台 数控机床，推动了数控编程技术的发展。到 50 年代中期，MIT 研制开发了自动 编程语言 APT（Automatically Programmed Tool） 。 编程人员首先依据零件图样 以 APT 语言的形式描述加工的全部内容，然后将 APT 语言编写的程序经 APT 语言 编程系统编译产生刀轨文件（Cutter Location） ，再通过后处理（Post Process）生成数控系统能够接受的 NC 程序。APT 数控语言自动编程可代替手工 编程繁琐的数值计算工作，因而提高了编程效率，同时解决了手工编程中无法解 决的复杂零件编程难题，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”上升到 “面向几何元素”的高度。经过多年的修改和完善，APT 已经发展了 APTII、APTIII（立体切削） 、APTAC（Advanced Contouring，增加切削数据库管 理系统）和 APT/SS（Sculptured Surface，增加雕塑曲面加工编程功能）等版 本，这被称为 APT 数控语言自动编程。 在较长一段时间内，由于技术等方面的原因，CAD 和 CAM 的发展都是相互独 立的。在发展初期，CAD 的初衷只是代替手工绘图，虽然甩掉了图版，但并没有 甩掉图纸；APT 时代的 CAM 只能利用 CAD 中的低层次几何元素作为数控编程的依 据，CAD 与 CAM 之间是相互独立的系统，两者之间依然需通过二维工程图来联系。 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 4 (3)第三个阶段无图纸设计与制造 随着计算机图形学技术进一步发展及 CAD/CAM 向一体化方向发展的趋势， CAD 开始由二维向三维设计过渡，数控编程也由 APT 向一种更直观的交互式数控 编程方向发展。 60 年代开始出现的三维线框造型技术能表达基本的三维几何信息，但不能 有效表达几何数据间的拓扑关系，由于缺乏形体的表面信息，CAM 及 CAE 均无法 实现。进入 70 年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期，在飞机及汽车制造 过程中遇到了大量的自由曲线及曲面问题，此时法国人贝赛尔提出了贝赛尔算法， 可方便的利用计算机对曲线及曲面问题进行处理。法国达索飞机制造公司开发出 以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统 CATIA，标志 着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图的三视图模式中解放出来，同时也使得 CAM 技术的开发有了现实的基础。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息， 难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心和惯性矩等，对 CAE 分析十分不利。 基于 CAD/CAE 一体化技术的发展趋势，SDRC 公司于 1979 年发布了世界上第一个 完全基于实体造型技术的 CAD/CAE 软件I-DEAS。由于实体造型技术能够精确 表达零件的全部属性，在理论上有助于统一 CAD、CAE、CAM 的模型表达，给设计 带来了惊人的方便性，代表着 CAD 技术的发展方向一直延续到现在。 在 CAM 方面，基于 APT 数控语言自动编程烦琐、不宜掌握和缺乏图形的支持 等缺陷以及 CAD 在几何造型上取得的巨大进展和 CAD/CAM 向一体化方向的发展趋 势，在 70 年代后期一种图形交互式自动编程方法孕育而生。这种方法能利用 CAD 生成的三维曲面或实体模型，采用人机交互方式，在计算机屏幕上指定加工 表面，并制订工艺方案、选择切削用量和设定刀具及其参数等，系统就可自动计 算并生成刀轨文件，然后通过后处理生成指定数控系统的数控加工程序。这种自 动编程方法称为图形交互式自动编程。该方法是一种 CAD/CAM 集成的自动编程系 统。相对于 APT 数控语言自动编程系统，具有直观性好、速度快、使用简便、便 于检查等优点，已成为当前数控编程的主要手段。 到了 80 年代后期，CAD/CAM 集成技术初步形成。CAD/CAM 集成技术在很大程 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 5 度上实现了无图纸设计与制造，但是由于质量检测环节缺乏数字化测量技术的支 持，设计部门只好将三维模型重新生成二维工程图，提供给这些部门作为检测的 依据，制造环节没有完全脱离图纸的指导。 进入 90 年代，随着计算机、信息和网络技术的进一步发展，一种面向产品 全生命周期（Product Life Cycle，PLC） 、基于产品数据管理（Product Data Management，PDM）和以实现并行工程（Concurrent Engineering，CE）为目的 的无图纸设计与制造技术开始形成。这是继 CAD/CAM 集成技术之后的又一次飞跃， 给产品开发提供了一个更具生命力和竞争力的平台。 波音 777 飞机的设计制造过程是行业内最具典型的应用范例，至今仍是不同 行业应用无图纸设计与制造技术进行产品创新设计的一个成功范例。波音 777 采 用了全数字化设计，包括整机设计、零部件测试和整机装配。所有的开发和测试 都采用并行工程的方法，在不同的地点、不同的部门同时展开。利用虚拟现实技 术进行各种条件下的模拟试飞。工程师们在工作站上实时采集和处理数据并及时 解决设计问题。最终制造的波音 777 飞机与设计方案相比误差小于 0.001 英寸， 保证了机身和机翼一次对接成功和飞机一次试飞成功，整个设计制造周期从 8 年 缩短到 5 年，成本也相应地降低 20-30%，而且质量大大提高，出错率和返工率 减少达 75%以上。 1.2 实施无图设计与无图制造技术的必要性实施无图设计与无图制造技术的必要性 1.2.1 实施无图设计与无图制造技术的必要性 (1)市场竞争的需要 无图设计与制造技术最早在波音公司使用，航空企业为提高产品竞争力力争 在最短时间内生产出最能满足客户需求的产品。随着数字化技术的发展，产品研 制周期明显缩短，但在设计和制造过程中仍有较大的改进余地。要达到最大限度 缩短产品研制周期、提高产品质量的目的，就必须在产品设计与制造技术上进行 重大改进，实施无图设计与制造技术就是最有效的途径。 在我们的军机市场，之所以无图设计制造技术没有引起足够重视，就是因为 我们的竞争还不是很激烈。无图设计制造技术在汽车行业应用很广泛，很大程度 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 6 是由激烈的市场竞争造成的。随着各种企业市场化运作，我国制造业面临国内外 市场的激烈竞争。大力实施技术创新，采用无图设计与制造技术，将可大幅度缩 短研制周期，提高产品质量降低研究成本，提高企业核心竞争力。 (2)产品创新的需要 产品创新体现在企业在最短时间内提供全新的具有竞争力的产品，无图设计、 制造技术是创新的一种手段，而采用原有设计与制造模式很难达到这个目标。相 信随着市场竞争的逐渐白热化，无图设计制造会在国内制造业领域都得到越来越 广泛的应用。 1.2.2 实施无图设计与制造技术在工程上的意义 （1）工程设计阶段 设计的初衷是为了更好地进行工程表达。无论是二维工程图还是三维信息模 型。归根结底都是工程表达的方法是进行工程交流的语言。传统的二维设计是我 们在缺乏技术手段的前提下迫不得已采用的方法，而我们现实的产品都是三维的， 用二维图方式并不能充分地表达零件信息，这也是制造业中飞机制造最先运用三 维设计技术的原因。 现阶段，在制造业中，我们一般采用三维模型与二维图样共存的设计方式， 用二维图样表达尺寸和工程信息，三维模型主要起辅助制造的作用，二者互为补 充，互为依据。二维图样和三维数据共存的结果是造成二者间大量的技术矛盾， 使设计依据不唯一。再有，通过实践证明，无论是技术上还是在软件上，使二维 图样和三维数模的几何信息达到完全一致是非常困难的，二者存在技术矛盾是必 然的。在飞机制造也中，沈飞公司承担的国外转包生产项目如塞斯纳项目、Q400 项目、B737 项目，外方提供了二维图样和部分三维数据，工作中发现其二维图 样和三维数模间大量的技术矛盾，这是波音公司取消二维设计，全部应用无图设 计的主要原因。 同时，应用无图设计技术后，由于省去二维设计环节，设计师把精力全部放 在提高三维模型的几何品质和三维工程标注的优化上，增加了有效设计时间，三 维信息模型的品质将有极大的提高，省去了由于二维图样和三维模型矛盾带来的 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 7 大量反复的技术更改的时间。因此采用无图设计，将可保证数据源的唯一有效性， 极大地缩短产品设计、更改和发图的周期，使工程更改和贯彻能更迅速地实施， 降低设计成本。三维设计的工程表达更加直观明了，零件几何信息和制造信息的 可视化便于设计和制造人员按美学和功能方面理解零件的结构与制造信息，与传 统的二维图样相比，零、组、部件的工程信息能被更快速、准确地解读。 （2）工程制造阶段 由于三维模型是高度面向制造的信息模型，直接应用三维信息模型，不必花 大量时间解读零件的几何形状、装配关系及制造信息，直接应用三维信息模型和 相关文档便可开展相关工作，可节约 90%以上的找图、查图时间，便于工艺审查 工作及生产准备工作的开展，大幅度提高劳动身产率，缩短制造周期。 同时，由于略去了打图、晒印分发等环节，工厂将大幅度降低管理成本，节 约工作场地。能充分利用网络资源，使工程信息快速、准确到达工厂生产一线的 各个环节，最大程度地实现设计与制造的并行，可望达到设计周期与制造交付周 期的高度并行。再有从国内外设计发展的趋势来看，无图设计是大势所趋。因此， 无论为了提高我们产品的整体制造能力或是后期被动地应付生产，工厂都应做好 应对无图制造的准备。 （3） 难点分析 实施无图设计、制造技术将推动制造业的发展，但实施过程中无疑也将对设 计、制造各个环节产生重大冲击。 一是我国应用三维数字化技术的时间还较短，对国外的新技术研究还不够， 还没有完善的支撑我们实现无设计、制造的标准与规范，数字化的基础体系还不 健全。 我国企业厂所分离的体制也会影响无图设计的实施。厂所间协同工作平台的 开发，同一数据管理系通的应用，这些我们都没有达到。数据到工厂后，还必须 进行大量的二次工艺设计，重新申城产品的 BOM（注：Bill of materil，计算 机可以识别的产品结构文件也是 ERP 的主导文件，也是联系与沟通企业各项业务 的纽带）树是并行工程打了折扣。再有，我们生产现场工人和检验人员长期习惯 了按二维图进行产品的加工和检验，対无图技术要有个较长的适应过程，需要大 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 8 量的引导与技术培训。对于生产现场还要进行大量的技术改造。引进相关软硬件 设备，需要有较大的奖金投入。 应用无图设计技术后，对企业的技术生产管理体系，对技工、制造和管理人 员的素质提出了全新的更高的要求，因此必须从根本上变革现有的管理方式，推 行以产品为核心的项目团队式管理，而不是以职能为核心的管理方式。如果设计、 制造、管理的意识和手段不能跟上，仍然沿袭原有的一套管理方法的话，无图设 计制造这种先进的方式返回成为阻碍高科技项目的不利因素，形成项目瓶颈，拖 延项目进度。 （4）可行性分析 在技术上，经过数字化设计，已有了一定的三维设计技术基础和经验，进行 无图设计，是在原三维设计的基础上，增加了尺寸，公差和相关信息的标注。三 维设计更多的是关注三维模型的几何品质和相关信息的可读性，在软件和技术上 不从在问题。 在工厂，通过与国外企业的合作，我国已有了一定的实施无图制造的人员及 技术积累，很多企业都已经培养起来一批懂技术、能管理的人才队伍，他们是企 业实施无图设计、制造的基础。对于生产现场的工人和检验人员，可通过各种手 段加强培训，加大引导力度，使他们克服畏难情绪，能让他们看到采用无图技术 带来生产效率提高的好处，逐步习惯这种工作方式。同时，在过渡阶段，在工艺 人员编制的工艺规程中，可多增加工艺草图，辅助工人及检验人员进行加工和检 验。再有，为长远考虑，企业要招收、培养高技术的技能工人和检验人员，提高 生产一线人员的基本素质。 对于软件、硬件资源，通过高新工程，公企业都有一定量的资源储备，通过 局部技改，就能满足无图制造的要求。 小结小结 拥有无图设计、制造能力是未来高素质工业企业生存的必要条件，谁先掌握 了这一技术，谁就将在提高企业核心竞争力、加速制造业的更新换代方面占得先 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 9 机。所以我们必须从现在开始通过自主创新并通过与国外先进企业的合作，跟踪 和掌握消化设计制造先进技术的精髓，使这项先进的技术尽早得到普遍应用，尽 快形成生产力，以全面提升我国产品的竞争能力。 2.2.草图建模草图建模 2.1 草图建模草图建模 2.1.1 草图的定义 草图是组成一个轮廓曲线的集合，它可以被命名和指定放置平面。绘制草图 曲线时，用户可以根据设计意图粗略地绘制曲线轮廓，然后再对草图曲线施加约 束（几何约束和尺寸约束）和定位，从而精确地控制其尺寸、形状和位置，以完 整地表达设计意图。草图是与实体模型相关联的二维图形，使用 UG 实体建模一 般从草图开始。用户可以先绘出草图的曲线轮廓并标注尺寸，然后对其进行拉伸、 旋转或沿导引线扫描等操作，生成与草图相关联的实体，如图 2.1、图 2.2 和图 2.3 所示。 图 2.1 拉伸草图图 2.2 旋转草图图 2.3 沿导引线扫描草图 草图创建的一般步骤是：首先明确设计意图，设置当前草图的工作图层；再 指定草图放置平面，并根据需要对草图命名；然后绘制草图并施加约束；完成草 图。 2.1.2 使用草图的目的与时间 （1）使用草图的目的 当明确一个设计意图时，约束可以快速实现该意图。 当需要迭代许多解决方案去验证某一设计意图时。 （2）使用草图的时间 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 10 需要参数化地控制曲线时。 建立用标准成型设计特征无法建立的形状时。 使用一组标准设计特征来建立模型会使该形状编辑困难时。 从部件到部件尺寸改变但有一共同的形状时，草图应考虑作为用户定义 特征的一部分。 如果形状本身适于拉升或旋转，草图可以用作一个模型的一个基础特征。 考虑草图用作扫描特征的引导路径或用作自由形状特征的生成母线。 2.1.3 使用草图的一般步骤 （1）为要建模的特征或部件建立设计意图。 （2）使用公司标准去设置计划建立的草图的层与类目。 （3）检查和修改草图参数预设置。 （4）按用户的设计意图约束草图。 （5）使用草图建立在用户的模型上的特征。 注意：对建立约束的次序有如下建议。 加几何约束：固定一个特征点。 按设计意图加充分的几何约束。 按设计意图加少量尺寸约束（要频繁更改的尺寸） 。 2.1.4 草图的特征 （1）草图与部件导航树 草图是一种二维设计特征，是构成实体模型的组成特征之一，所以它们被列 于部件导航树中，又部件导航树支持的任何编辑功能对草图也是有效的。 （2）草图和层 草图模块中自动的层管理功能被设计来确保用户不会随机在激活草图中跨越多个 层构造对象。 （3）草图界面 进入草图环境中，草图界面如图 2.4 所示 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 11 图 2.4 草图界面 2.2 二维截面草图二维截面草图 2.2.1 草图创建 建立和编辑草图必须先进入草图工作环境。当用户首次进入草图环境时，会 要求用户选择或建立草图的工作平面，如果已存在草图，则可在草图名称列边框 中选择某草图，激活所选草图进行相关的操作；如果当前部件中还 没有草图，则需先确定草图工作平面并在草图中绘制几何对象。 （1）参数预设值 建立或编辑草图之前，应检查或修改草图参数预设置。主要包括草图尺寸类 型、尺寸标记和默认名称前缀等。 为了更准确有效的创建草图，需要对草图文本的高度、原点、尺寸和默认前 缀等基本参数进行编辑设置。 【首选项】【草图】命令，打开【草图首选项】对话框，该对话框包括 【草图样式】 、 【会话设置】和【部件设置】三个选项卡，分别如图 2.5、图 2.6、图 2.7 所示。 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 12 图 2.5 草图样式图 2.6 会话设置图 2.7 部件设置 草图样式 该选项卡主要用于设置尺寸文本内容、文本高度和草图原点。下面介绍如图 2.5 示【草图样式】选项卡中个选项的含义及用法。 【尺寸标签】：用于设置尺寸的文本内容。其下拉列表框包括【表达式】 、 【名称】和【值】三个选项。如果选择【表达式】选项，则以表达式的 形式显示尺寸，如 pl=P3*6.如果选择【名称】选项，则只显示尺寸名称 如 Pl。如果选择【值】选项，则只显示尺寸的值。 【屏幕上固定文本高度】：是指在缩放草图时，使尺寸文本维持恒定的 大小。如果不勾选该选项，则在缩放草图几何图形的时候，软件会同时 缩放尺寸文本高度。 【文本高度】：用于指定草图尺寸中显示的文本大小高度，其默认值为 0.125. 【创建自动判断的约束】：用于确定在创建或编辑草图曲线过程中是否 生成自动判断的约束。 【显示对象颜色】：用于控制是否以真实颜色显示草图对象。如果勾选 该选项，系统会根据草图对象的颜色显示属性显示草图对象。否则，系 统会用草图颜色首选项中的规定颜色显示草图对象。 【从平面选择自动判断】：是指从在创建草图时所指定的平面或平的面 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 13 判断草图的原点，通常使用该选项方式。 【投影工作部件原点】：是指从工作部件的原点判断草图的原点。主要 用于在绝对坐标系中使用该选项创建草图。 会话设置 该选项卡主要捕捉角、视图方位和图层等，对图 2.6 示对话框中各选项的含 义说明如下。 【捕捉角】：用于设置捕捉角度。利用该选项可以指定水平、垂直平行 以及正交直线的默认捕捉角公差。如果相对于指定的水平或垂直参考直 线角度小于或等于捕捉角度值，则该直线将自动捕捉到垂直或水平位置。 如果不希望直线自动捕捉到水平或垂直位置，则可以将捕捉角设置为零。 系统允许其设置范围为 0-20。 【改变视图方位】：用于控制创建或退出草图时是否更改试图方位。如 果勾选该选项，则试图在激活时朝向草图平面。否则试图在激活时将回 到模型视图的方位。 【保持图层状态】：用于控制工作图层的状态。当激活一个草图时，其 所在的图层会自动变成当前工作图层。如果勾选该选项，则在退出草图 时，草图工作图层会回到激活前的工作图层。 【显示自由度箭头】：用于控制箭头自由度的显示。系统默认为开。当 该选项处于关闭状态时，软件会隐藏这些箭头。 【动态约束显示】：用于控制是否动态显示约束。 【默认名称前缀】：用于系统自动命名草图、顶点、直线、圆弧、二次 曲线、样条等时的固定前缀。如果指定一个新的前缀，则它会对创建的 下一个几何体生效。先前创建的几何图像名称不会改变。 部件设置 该选项主要用于设置各种草图对象的颜色。包括曲线、尺寸、参考尺寸、自 由度箭头等。在图 2.7 示对话框中单击各草图对象右边的颜色选项按钮，弹出 【颜色】选项卡。只需在【颜色】选项卡中选择所需颜色，单击【确定】按钮即 可完成草图对象的颜色设置。 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 14 （2）建立草图工作平面 建立草图工作平面，包括草图名称、草图放置面、草图参考方向，设置好后 单击图标，建立草图工作平面。 草图工作平面是草图的放置平面，在草图中创建的所有几何对象都是建立在 该平面上的。草图的工作平面可以建立在空间的任何一个平面内。在实际建模过 程中，为确保模型要素之间的关联性，尽量将草图工作平面放置在模型的表面或 基准平面上，避免由于草图建立在工作坐标平面而出现模型更新时的错误。 图 2.8 入草图工作环境时，系统将弹出如图 2.8 所示的建立草图工作平面对话框，利用 此工具条可在工作坐标平面、基准平面、实体表面或片体表面上建立草图平面。 如果用户选择的是坐标平面作为草图放置平面，则系统会自动调整方位，并 高亮显示相应的坐标平面，同时以坐标轴的方向作为草图的参考方向，双击任意 一轴则反向参考方向；如果用户选择的是实体表面、片体表面或基准平面，则建 立的草图工作平面与所选的平面相关联，工作坐标系移动到所选平面上，光标点 即为坐标原点，此时系统将建立两个绿色的基准轴分别代表 XC 轴和 YC 轴，其中 高亮显示的为 XC 轴，双击任意一轴则反向参考方向。另外用户也可根据需要手 工指定草图的参考方向（用鼠标单击选取的参考方向即为草图平面的 XC 轴） 。 建立草图对象 在草图工作平面上绘制所需的曲线轮廓，可用以下三种方法： 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 15 草图曲线工具条，如图 2.9 所示。 图 2.9 草图曲线工具条 添加对象到草图 选择“添加现有的曲线”图标，可将图形窗口中已存在的、不属于草图 对象的曲线或点添加到当前工作草图中。 投影对象到草图 选择“投影”图标，可以从实体或片体上抽取对象到当前草图中。 2.2.2 草图约束 （1）概述 建立草图几何对象后，需要对其进行准确约束和定位。草图约束包含几何约 束和尺寸约束两种，几何约束主要控制草图的形状，尺寸约束主要限制草图的大 小，一个草图的全约束是两种约束的混合使用。 草图对象由点来控制，这些点称为控制点。当草图对象没有被完全约束时， 控制点处将会出现自由度符号，说明当前哪些自由度还没有被限制。随着约束的 增加，自由度逐渐减少，当草图完全约束后，自由度符号全部消失。草图约束状 态如表 2.1 所示。 给草图添加约束是草图创建中非常重要的一个环节，合理运用会使用户快速 地建立满足要求的草图，在实际建模过程中建议按照以下顺序操作：先固定一个 草图点，作为以后草图定位的基准；然后添加几何约束；最后添加尺寸约束。 草图几何约束 几何约束用于建立草图对象的几何特性或确定草图对象间的相互关系。几何 约束的创建采用智能选择方法，当用户完成草图对象选择后，对于所选对象合理 的几何约束就会显示出来，用户选择所需约束类型，确定即可。 几何约束的种类 几何约束共有 20 种，根据不同需要进行选择。 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 16 表 2.1 草图约束状态 固定：将草图对象固定在某个位置。 重合：定义多个点之间相互重合。 同心：定义多个圆弧或椭圆弧同心。 共线：定义多条直线间共线。 点在曲线上：定义所选取的点在某曲线上。 点在抽取的线串上：定义所选取的点在抽取的线串上。 中点：定义点在直线的中点或圆弧的中点上。 水平：定义直线为水平线。 垂直：定义直线为垂直线。 平行：定义两条曲线相互平行。 正交：定义两条曲线相互垂直。 相切：定义选取的两个对象相切。 等长：定义选取的两条或多条曲线等长。 等半径：定义所选取的两个或多个圆弧等半径。 固定长度：定义所选取的曲线为固定的长度。 固定角度：定义所选取的直线为固定的角度。 镜像：定义对象间彼此成镜像关系。 曲线斜率：定义样条曲线过一点与另一曲线相切。 比例，均匀：定义样条曲线的两端点移动时，保持样条曲线的形状不变。 比例，非均匀：定义样条曲线的两端点移动时，样条曲线的形状改变。 (2)建立几何约束的方法 状态描述 欠约束约束少于自由度，草图上还存在自由度箭头。UG 允许使用欠约束草图 全约束草图已完全约束，自由度箭头消失 过约束包含比全约束多的约束，多余约束被添加 冲突约束包含相互矛盾的约束，在求解过程中无解 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 17 手工添加约束 手工添加几何约束是由用户对所选的对象指定某种约束的方法。单击 “约束”图标或选择【插入】/【约束】命令，这时，在图形窗口中选择一个或 多个草图对象，系统会根据所选对象的几何关系，将可添加的几何约束类型以可 选择图标的形式显示在图形窗口，选择合适的约束即可。 自动添加几何约束 图 2.10“自动创建约束”对话 框 约束类型 图 2.11“尺寸”对话框 此选项允许用户选择在草图中可以自动添加的几何约束类型，系统分析当前草图 中的几何对象间的关系，并在满足要求的地方应用所选的约束，自动创建约束对 话框如图 2.10 所示。 （3）草图尺寸约束 建立草图尺寸约束就是在草图上标注尺寸，从而限制草图几何对象的大小和 形状。草图尺寸约束对话框如图 2.11 所示，其中包含尺寸标注方式图标、尺寸 表达式列表框、引出线和尺寸标注位置等选项。对于已经标注的尺寸，也可以利 用此对话框修改其数值或位置，并且同时更新其他相关尺寸。 （4）其他 在草图约束中除了以上我们提到的应用外，还会用到其他的一些功能，这里 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 18 简单介绍一下： 动画草图：动画草图将会动态地显示尺寸在给定范围内的变化，同时动态 显示尺寸约束的对象及与其关联的几何对象。 转换对象：用于将草图中的曲线或草图尺寸由激活转换为参考或由参考转 换为激活。主要应用在添加约束过程中出现的冲突中。 替换求解：当对一个草图对象进行约束时，同一约束条件可能存在多种解 决方法，采用草图约束方式的替换求解可从一种解法更换到另一种解法。 2.2.2 草图操作 草图操作提供一组用于对草图曲线执行各种操作的工具。 （1）镜像 镜像是将草图几何对象以一条直线为对称中心线，复制成新的草图对象。镜 像的对象与原来对象形成一个整体，并且保持相关性。 （2）偏置抽取的曲线 该功能可以在草图中偏置抽取的曲线，生成相关联的等距线，并自动创建偏 置约束。修改原先的曲线，将会更新抽取的曲线和偏置曲线。 拖动草图 拖动草图是在图形窗口中拖动所选择的尺寸或草图对象（草图中的曲线或点） ，来动态改变草图的形状和大小。 编辑曲线 编辑曲线功能可修改已有的曲线。 （3）编辑定义线串 草图一般是用于拉伸、旋转生成扫描特征，因此大多数草图是作为扫描特征 的截面曲线，编辑定义线串用来编辑已经作为截面曲线的草图，更改的目的是修 改由草图生成的扫描特征的截面形状。 （4）延迟评估 约束草图时，如果单独地修改约束尺寸，出现的结果很可能不满足要求，这 时可以应用“延迟评估”功能，当所有的尺寸都修改好后，再整体求解草图，以 满足设计的要求。 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 19 （5）重新附着草图 重新附着草图可以改变草图的附着平面，将在一个表面上建立的草图移动到 另一个不同方位的基准平面、实体表面或片体表面上，也可以使用此选项更改草 图的参考方位。 另外，在操作过程中，可以单击“定向视图到模型”图标 ，将草图转到 当前的建模视图（进入草图环境之前显示的视图） ，也可以单击“定向视图到草 图图标 ，转到草图视图，以便直接查看草图的附着平面。 3.3.实体建模实体建模 3.1 实体建模综述实体建模综述 UG NX6 提供了特征建模模块、特征操作模块和特征编辑模块，特征操作模 块和特征编辑模块，具有强大的实体建模功能，并且在原有版本基础上进行了一 定的改进，提高了用户设计意图表的的能力。使用特征操作将更简便、更直观、 更实用，在建模和编辑的过程中能够获得更大的、更自由的创作空间，而且花费 的精力和时间相比之下更少了。 3.1.1 实体建模的优点 UG 实体建模通过拉伸、旋转、扫描等建模方法，并辅之以布尔运算，使用 户即可以进行参数化建模，又可以方便的使用非参数方法生成三维模型。另外还 可以对部分参数化或非参数化模型进行二次编辑，方便生成复杂机械零件的实体 模型，具体有以下优点。 实体建模充分继承了传统意义上的线、面、体造型特点及长处，能够方 便迅速地创建二维和三维线实体模型。而且还可以通过其他特征操作和 特征编辑模块对尸体进行各种操作和编辑。将复杂的实体造型过程大大 简化。 实体建模能够保持原有的关联性，可以引用到二维工程图、装配、加工、 机构分析和有限元分析中。 实体建模提供了概念设计和细节设计，提高创新设计能力。 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 20 实体建模具备对象显示和面向对象交互技术，不仅显示效果明晰而且可 以改进设计进度。 实体建模采用主模型设计方法，能够驱动后续应用，如工程制图、加工 等，实现并行工程。主模型修改后，其他应用会自动更新，避免重复。 实体建模可以进行测量和简单物理特征分析。 3.1.2 体素特征 实体建模是利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、球体、椎体、圆环体以 及扫描体等通过几何运算（布尔运算）生成复杂形体的一种建模技术。实体建模 主要包括两部分内容，即体素的定义及描述和提速之间的布尔运算（并、交、差） 。实体建模技术是 20 世纪 80 年代初期逐渐发展完善并推向市场的，并已成为目 前 CAD/CAM 技术发展的主流。 图 3.1“自动创建约束”对话 框 图 3.2“尺寸”对话框 （1）体素的定义及描述 体素是现实生活中真实的三维实体。体素的定 义以及描述有两种方法：一种为基本体素，可通过少数参数进行描述，例如长方 体通过长、宽、高定义，以及定义基本体素在空间的位置和方向。在这里，基准 点的定义很重要。就长方体而论，它的基准点可位于它的一个顶点，也可位于一 个平面的中心。不同的实体建模系统，可提供不同的基本体类型。图 3.1 为常见 的基本体素。 另一种体素位平面轮廓扫描体，即内平面轮廓扫描法生成的体素。平面轮廓 扫描法是一种与二维系统密切结合的、并常用于诸如棱柱体或回转体等生成的一 种描述方法。这种方法的基本设想是一个二维轮廓在平面平移或旋转就会扫描出 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 21 一个实体。由此扫描的前提条件是要有一个封闭的平面轮廓。这一封闭的平面轮 廓沿着某一个坐标方向移动或绕某一给定的轴旋转，便形成了如图 3.2 所示的两 种扫描变换。 除了平面轮廓扫描外，还可以进行整体扫描。所谓整体扫描就是使一个刚体 在空间运动以产生新的物体形状。这种方法在生产过程的模拟及干涉检验方面具 有很大的实用价值。特别是在 NC 加工中刀具路径生成和检验方面具有重要意 义。 （2）布尔运算：两个或两个以上体素经过集合运算得到实体的表示称为布 尔模型（Boolean Model），这种集合运算称为布尔运算。例如 A、B 两个实体经 布尔运算生成 C 实体，那么布尔模型表示为：C=AB，符号是布尔算 子，它可以是“(并)”、“（交）”和“（差）”等。布尔模型是个过程 模型，它通常可以直接以二叉树结构表示。 由于实体建模具有一系列优点，所以在设计与制造中广为应用。尤其在运动 学分析、干涉检验、五坐标 NC 铣削仿真和空间技术等方面已成为不可缺少的工 具。可以说未来的无图设计与制造技术将全部拥有三维实体建模功能。 （3）三维实体模型的计算机内部表示方法：现实世界中的物体是三维的连 续实体，但计算机内部表示是一维的离散描述，如何利用一维离散来描述现实世 界的三维实体、并保证数据的准确性、完整性、统一性，是计算机内部表示方法 研究的内容。目前，常见的计算机内部表示三维实体模型的方法有边界表示法、 构造立体几何法、前两者的混合模式法、空间单元表示法和半空间法。 三维线框建模是最早应用的三维几何建模方法。线框模型在计算机内部是以 边表、点表来描述和表达物体的。物体在计算机内部是通过 12 个点和 18 条边来 表达线框模型的。这种描述方法所需信息量最少，因此具有数据结构简单、对硬 件要求不高、显示响应速度快等优点。边与边之间没有关系，即没有构成关于面 的信息，因此不存在内、外表面的区别，甚至存在多义性。另外由于没有面的概 念，无法识别可见边，也就不能自动进行可见性检验及消隐。由此可见，线框模 型不适用于对物体需要进行完整信息描述的场合。但是在有些情况下，例如评价 物体外部形状、布局、干涉检验或绘制图纸等，线框模型提供的信息己经足够； 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 22 同时由于它具有较好的时间响应特性，所以对于实时仿真技术或中间结果显示很 适用。在实体建模的 CAD 系统中常采用线框模型显示中间结果。 边界表示法（Boundary Representation，BRep）的基本思想是把物体定义 为封闭的边界表面围成的有限空间，这样一个形体可通过它的边界，即面的子集 来表示。而每一个面又通过边、边通过点、点又通过 3 个坐标值来定义。因此边 界表示法强调的是形体外表细节，详细记录了构成几何形体的所有几何、拓扑信 息，其模型中的数据结构呈如图 3.7 所示的网状关系。这种内部结构和关系是与 采用的物体生成描述方法无关的。 边界表示法的优点在于含有较多的关于面、边、点及其相互关系的信息，这 些信息对于工程图绘制及图形显示都是十分重要的，并且易于同二维绘图软件衔 接和同曲面建模软件联合应用。此外，这种方法便于通过人机交互方式对物体模 型进行局部修改。但是有关物体生成的原始信息，即它是由哪些基本体定义的， 是怎样拼合而成的，在边界表示法中无法提供，同时描述所需信息量较大，并有 信息冗余。 构造立体几何法（Constructive Solid Geometry，CSG）是通过基本体素及 它们的集合运算（如并、交、差）进行表示的，即通过布尔模型生成二叉树结构 进行表示，如图 3.8 所示生成过程，也成为过程模型 从图 3.8 可以看出，同一物体可通过两种完全不同的 CSG 结构描述。图 3.8（a）所示是由两个长方体相加，而图 3.8（b）所示是从大的长方体中减去小 的长方体，两者不仅应用的布尔运算不同，而且采用的基本体素也不同。CSG 法 强调的是记录各体素进入拼合时的原始状态，而 BRep 法则强调记录拼合后的结 图 3.7 边界表示法的数据结构 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计） 23 果。 CSG 法的数据结构大部分是树状结构，叶结点为基本体素或变换矩阵，中间 结点为布尔运算，根结点为物体的数字化模型。出于这种数据结构的特点，它不 可能存储最终物体更详细的几何信息，这是一种隐式模型。如果需要，必须根据 CSG 结构进行推算。这种推算过程是相当费时的，因此 CSG 模型几乎很少用到， 常用的是混合模型，它是在 CS