计算机三维设计及虚拟装配技术综述

计算机三维设计及虚拟装配技术

(SolidWorks)

东北大学机械工程与自动化学院

2007.5.1谢华龙计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第1页。主要内容基本知识草图绘制与尺寸标注特征建模(拉伸/旋转/扫描/放样/抽壳/筋/复制)曲线曲面造型及应用参考平面工程图装配体钣金、模具与焊接文件输入与输出渲染与动画机械仿真设计综合演练计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第2页。教学工具及方法参考教材(资料)

1.SolidWorks指导教程(软件自带)2.SolidWorks2006基础教程

3.SolidWorks2004入门与实例祥解学习方法

1.课堂授课(少理论,实例教学)2.上机练习

计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第3页。三维产品建模教学提示：主要介绍以下内容：三维几何造型技术特征建模技术参数化设计技术变量化设计技术计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第4页。三维产品建模三维几何造型技术几何造型

几何造型是指一种技术,它能将物体的形状及其属性(如颜色、纹理等)存储在计算机内,形成该物体的三维几何模型。这个模型是对原物体的确切的数学描述或是对原物体某种状态的真实模拟。这个模型将为各种不同的后续应用提供信息，例如由模型产生有限元网格，由模型编制数控加工刀具轨迹，由模型进行物体间碰撞、干涉检查等。通常把能够定义、描述、生成几何模型，并能交互地进行编辑的系统称为几何造型系统。市场上有很多这样的系统，AutoCAD，Pro/E，UG等。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第5页。三维几何造型技术三维几何造型的发展

线框模型（20世纪60年代末）研究用线框和多边形构造三维物体。用户需要逐点、逐线、逐曲线的构建模型，目的是用计算机代替手工绘图。优点：由于有了物体的三维数据，可以产生任意视图，视图间能保持正确的投影关系，还能生成任意视点或视向的透视图及轴测图，二维绘图系统中是做不到的。构造模型时操作简便，在CPU时间及存储方便开销低。用户容易掌握，系统就像是人工绘图的自然延伸。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第6页。三维几何造型技术缺点：因为所棱线全部都显示出来，物体的真实形状需要由人脑解释才能理解，容易出现二义性理解。此外，当形状复杂时，棱线过多，也会引起模糊理解。缺少曲面轮廓线，如图，这是因为线框模型中不包含这样的信息。由于在数据结构中缺少边与面、面与体之间关系的信息，即拓扑信息，因此不能构成实体，无法识别面与体，更谈不少区别体内与体外。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第7页。三维几何造型技术

线框模型的数据结构a.立方体b.顶点表c.棱线表计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第8页。三维几何造型技术有二义性的线框图缺少轮廓信息的线框图

计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第9页。三维几何造型技术尽管这种模型有许多缺点，但由于它仍能满足许多设计与制造要求，加上上面所说的优点，因此在实际中使用很广泛，而且许多CAD/CAM系统中仍将这种模型作为表面模型与实体模型的基础。线框模型系统一般具有丰富的交互功能，用于构图的图素是大家所熟知的点、线、圆、圆弧、二次曲线、样条曲线、Bezier曲线等。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第10页。三维几何造型技术表面模型（20世纪70年代以后）与线框模型相比，多了一个面表，记录了边与面之间的拓扑关系，但仍缺少面与体之间的拓扑关系，无法区分面的哪一侧是体内还是体外，仍然不是实体模型。

优点：能实现以下功能：消隐、着色、表面积计算、二个曲面求解、数控刀具轨迹生成、有限元网格划分等。此外擅长构造复杂的曲面物体，如模具、汽车、飞机等表面。

缺点：只能表示物体的表面及其边界，它还不是实体模型。因此，不能计算物性，不能检查物体间碰撞和干涉。

计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第11页。三维几何造型技术

表面模型的数据结构原理a.立方体b.顶点表c.棱线表d.表面表计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第12页。三维几何造型技术实体模型（20世纪70年代以后）与表面模型相比，不同在于确定了表面的哪一侧存在实体这个问题。常用办法如图所示，用有向棱边的右手法则确定所在面外法线的方向，例如正向指向体外。有向棱边决定外法线方向计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第13页。三维几何造型技术

实体模型的数据结构不仅记录了全部几何信息，而且记录了全部点、线、面、体的拓扑信息，这是实体模型与线框模型或表面模型的根本区别。实体模型的缺点是尚不能与线框模型及表面模型间进行双向转化。实体模型的构型方法常用计算机内存储的体素，经集合论中的交、并、差运算构成复杂形体。所谓体素是一些简单的基本几何体，如长方体、圆柱、圆锥和球等。

计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第14页。三维几何造型技术常见体素种类计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第15页。三维几何造型技术

并、交、差操作结果a.二维并、交、差b.三维并、交、差

计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第16页。三维几何造型技术三维实体表示方法

实体几何构造法：用体素拼合构成物体。边界表示方法：物体可以表达为它的有限数量的边界表面的集合。扫描表示法：一个集合在空间运动就能“扫”成一体。通常用二维物体及它的运动轨迹来表示扫描生成的物体。a.平移扫描b.旋转扫描计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第17页。特征建模技术特征建模技术（80年代以后）引言实体造型缺点：只存储了形体的几何形状信息，缺乏产品开发全命周期所需的信息，诸如材料、加工特征信息、尺寸公差、形位公差、表面粗造度、装配要求等信息，不能构成STEP标准的产品模型，导致CAD/CAPP/CAM集成的困难。此外实体造型系统在零、部件造型设计时，只能提供无工程语义的简单体素的拼合，不能满足设计、制造对构型的需要。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第18页。特征建模技术特征建模的特点针对实体造型的缺点，从20世纪80年代开始，做为实体造型的发展，提出了特征建模的思想。主要思想为：从构型角度来说，不再将抽象的基本几何体（如圆柱、圆锥、球体等）作为拼合零件的对象，而是选用那些对设计制造有意义的特殊形体作为基本单元拼合成零件，例如：槽、凹腔、凸台、孔、壳、壁等特征。从信息角度来说，特征做为产品开发过程中各种信息的载体，不仅包含了几何、拓扑信息，还包含了设计制造所需要的一些非几何信息，如材料信息、尺寸、形状公差信息、热处理及表面粗糙度信息、刀具信息、管理信息等，这样的特征就包含了丰富的工程语义，可以在更高的层次上形成零、部件完整的信息模型。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第19页。特征建模技术由上述思想所形成的特征建模有以下特点：建立的零、部件模型不仅包括了几何信息，还包括了下游活动（计算机辅助工艺过程设计、数控编程等）所需的信息，形成了符合STEP标准的产品信息模型，从而为CIMS及并行工程（CE）环境下的CAx与DFx等集成打下了良好基础。能以工程师所熟悉的方式进行设计，比实体造型有更高的设计效率。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第20页。特征建模技术

特征的定义由于从不同的应用领域来认识特征和提取特征，因此出现了特征的不同定义。从设计角度：“具有一定形状的实体，与一个或多个设计功能相关，可以作为基本单元进行设计和处理”。从制造角度：“对应一定基本加工操作的几何形状”。在实践中，应尽可能的将设计特征和制造特征统一起来。因此，关于特征的下述表述为大多数人所接受：特征是零件或部件上一组相关联的具有特定形状和属性的几何实体，有着特定的设计或制造意义。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第21页。特征建模技术

特征定义的实现方式预定义方式：称为基于特征的设计系统，即在造型系统中将经过分类的特征图谱建在系统内，以菜单或图标方式提供给用户进行零部件拼合，由此设计零部件，并获得相应的基于特征的数字化产品模型。后定义方式：即在原实体造型系统获得的几何模型上进行特征识别与提取，有交互和自动识别两种方式，但复杂零件的特征识别非常困难。因此，采用特征直接进行设计已成为当前主流。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第22页。特征建模技术

形状特征的分类零部件可以用以下几种特征类型来描述：形状特征、装配特征、精度特征、性能分析特征、补充特征（如成组编码）等。其中，形状特征是最基本的特征。特征分类与特征定义一样，也依赖于应用领域及零部件类型。按几何构型的形状特征分类计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第23页。特征建模技术按“类特征”的形状特征分类计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第24页。特征建模技术面向CAPP的回转类零件形状特征分类计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第25页。特征建模技术Pro/E是典型的特征制造系统，其中形状特征分类面向较宽的应用领域，有一定通用性。分为以下几类特征。Pro/E中的实体特征计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第26页。特征建模技术曲面特征：主要指曲面造型的各种曲面特征，包括基本曲面、派生曲面以及自由曲面特征。基准特征：指在造型过程中起辅助作用的非实体的几何体，如点、线、面等基准。修饰特征：如喷印，螺纹等。用户定义的特征。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第27页。特征建模技术

基于特征的零件信息模型

基于特征的零件信息模型如图所示。显式描述：特征形状参速隐式描述：形状特征点、线、面的几何与拓扑数据结构。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第28页。参数化与变量化设计技术参数化与变量化设计技术引言早期的CAD系统存在两个主要缺点：所构造的几何模型只是点、线、面等几何因素的堆积，仅给出了模型的可视化形状，而不包含几何图素间的约束关系，不具备模型间的尺寸驱动功能。如有改动，图形必须重绘。几何模型不能与工程计算建立联系。例如，传动轴的直径和长度尺寸是由轴的强度和刚度计算公式所决定的，即这些尺寸是由强度和刚度所表示的工程约束所驱动。在传统几何建模中，设计者必须反复计算，直到几何建模中的各尺寸参数满足工程约束为止。80年代开始，基于约束的参数化与变量化的CAD系统产生。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第29页。参数化与变量化设计技术参数化设计参数化设计是一种设计方法，采用尺寸驱动的方式改变几何约束构成的几何模型，在求解几何约束模型时，采用顺序求解的方法。

上面所说的几何约束是指：结构约束：指构成图形各元素间相对位置和连接方式，其属性值在参数化设计中保持不变。如平行，垂直，相切，对称等。尺寸约束：指图中标注的尺寸，如距离、角度等。参数约束：指尺寸参数之间的关系，用表达式表示。

计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第30页。参数化与变量化设计技术顺序求解最常用的方式：随作图过程顺序记录约束，每一次作图操作都对应着一类约束，所记录的约束顺序反映了完整的作图过程，参数改变后，只需对这个顺序进行再扫描，求解新参数值，就可以改变整个图形或者局部图形的大小。变量化设计变量化设计是一种设计方法，采用约束驱动方式改变由几何约束和工程约束混合构成的几何模型，在求解几何约束时，常采用图理论和稳定的数值求解技术。将尺寸约束扩展为包括工程约束在内的范围更加广泛的约束驱动方式，给设计增加了更大的自由度。例如可以根据功率或扭矩来驱动轴直径的修改。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第31页。SolidWorks基础教学提示：主要介绍以下内容：功能特点用户界面主要特征基本操作计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第32页。SolidWorks基础功能特点SolidWorks是由美国SolidWorks公司开发研制的，基于Windows平台的优秀三维设计软件，是一款中端CAD软件。采用参数化和特征造型技术能方便、快捷地创建任何复杂形状的实体。主要内容包括草图绘制、曲面设计、装配设计、工程图、渲染设计、动画设计、模具设计、钣金和焊接设计等。它的主要功能特点：SolidWorks基于PARASOLID几何造型核心。用VC++编程和面向对象的数据库来开发。SolidWorks具有基于特征的参数化实体造型、NURBS复杂曲面造型、实体与曲面融合、基于约束的装配造型以及IGES、STEP、VDA-FS、DWG数据交换及世界独有的特征识别器(featureworks)等一系列先进的三维设计功能及工具，将二维绘图与三维造型技术融为一体。

计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第33页。功能特点基于特征的参数化实体建模。SolidWorks的特点是基于特征的参数化实体造型，不仅在产品设计开发效率上远远强于二维CAD软件，更为重要的是，SolidWorks的数据可以和高端CAD软件进行转换与共享。装配设计和工程分析。SolidWorks的装配设计工具能够采用“自顶向下”或是“自低而上”的方法创建和管理包含成百上千个零部件的装配和子装配，利用SolidWorks分析工具能进行动态/静态干涉检查、计算质量特征，如质心、惯性矩等。图样的全相关性。SolidWorks通过零部件与零部件之间和三维零部件与二维图样之间的关联，智能地连接三维模型和二维图样，能自动地生成零部件尺寸、材料明细表(BOM)、具有指引线的零部件编号等技术资料，简化了工程图样的生成过程。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第34页。功能特点具有多种加速产品设计的功能特点，如支持在零件上进行特征的动态变化和复制等。拥有最为丰富的第三方支持软件。SolidWorks作为中端CAD软件的领先者，同时提供了方便的二次开发环境和开放数据结构，因此SolidWorks逐渐成为中端工程应用的通用CAD平台。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第35页。基本概念基本概念基于特征所谓基于特征就是在零件的创建的整个过程，都是以特征为单位进行描述的。从设计角度来看，特征是功能与结构的对应几何描述；从工艺角度看，特征是结构与加工工艺的对应方法描述。由此表明，特征不是体素，不是某个或某几个加工面，也不是完整的零件，特征是零件各种单个的加工形状，当将它们组合起来时就形成了各种各样的不同零件。

参数化创建特征所使用的尺寸或值被保存在整个设计过程当中，当需要对其进行修改时，这些值或参数可以很容易地加以改变，在改变的同时模型的几何大小或形状也随着发生改变。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第36页。基本概念全关联

SolidWorks造型与参考它的装配体和工程图是全关联的，当改变其造型会自动的反映到与其相关的装配体和工程图中。同样，你也可以在装配体或工程图中对造型的零件进行修改，这种修改也将反映到零件的造型当中。

约束约束是指构成图形的各个元素之间的特殊关系，如平行、垂直、水平、竖直、相切、共线、同心等。约束保证了图形元素尺寸改变后图形能大致保持原来的形状，以及保证了尺寸链的完整性。约束是重要的参数类型之一。

计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第37页。基本概念基准面基准面是创建零件特征的重要参考之一。SolidWorks系统提供三个默认基准面（前视基准面、上视基准面、右视基准面）构成一个空间坐标系，如图所示。用户可以直接利用默认基准面在其上进行草图绘制等操作，也可以利用现有的点、线、面，另外创建基准面作为参考。在创建特征时，无论选取哪个面，都是以系统默认的三个基准面的交点为坐标系原点，除非使用“坐标系”功能改变了坐标系。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第38页。N创建主特征创建基本特征创建辅助特征是否创建其它特征？结束Y图6-2零件造型的基本过程基于特征的零件造型过程基于特征的零件造型过程在基于特征的造型系统中，零件是由特征组成的，特征是SolidWorks零件模型中的最小组成部件，因此零件的造型过程就是不断地生成特征的过程。在开始一个新的零件造型时，习惯上用户一般都是在自动生成三个默认正交平面上创建零件的主特征，然后添加其它特征直到完成所需要的形状，其零件创建的基本过程如图所示。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第39页。基于特征的零件造型过程主特征所谓零件的主特征（MainFeature）用于构造零件的主体形状，通常指的是零件的“毛坯”，以后的特征就是在“毛坯”上“加工”，直到生成所需要的零件。在SolidWorks中，零件的主特征可以是基本特征或用户定义的特征。在主特征基础上建立的特征称为子特征。它们呈父子关系。在渐进创建零件的过程中，可使用各种类型的SolidWorks特征。基本特征也称草绘特征。这些特征是创建各种复杂零件的基础特征，而且在创建这些特征时必须要绘制草图，通过草图绘制给出其剖面轮廓的描述，这些特征是拉伸、旋转、放样和扫描特征。另外用户也可以从特征库中获取用户自定义的特征作为基础特征，只要这个用户定义的特征没有参考其他的特征。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第40页。基于特征的零件造型过程辅助特征辅助特征用于对基础特征的局部进行修饰，它依附在基本特征之上，与其依附的特征构成父子关系。常用的辅助特征有孔、筋、拔模、圆角、倒角、抽壳等。基准特征无论在哪种三维建模系统中，基准都是建模、装配的重要参考。在SolidWorks中，这些基准特征包括基准平面、基准轴、基准点和坐标系。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第41页。基于特征的零件造型过程此外，创建同一个零件过程中还可以使用多个单独的基本特征，在SolidWorks中称为“多实体”。例如，当设计辐条轮时，你知道轮缘和轮轴的要求，但不知道如何设计辐条。这时你可使用多实体零件生成轮缘和轮轴，然后生成连接实体的辐条，如图所示。多实体特征彼此之间不存在父子关系，当删除其中一个基本特征时，随之仅将依附在该基本特征之上的辅助特征删除。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第42页。SolidWorks用户界面

SolidWorks用户界面

启动SolidWorks后，单击“新建”图标，可出现如图所示界面。该界面有三个选择：“零件”、“装配体”和“工程图”。其中“零件”用于设计单一的零件；“装配体”用于零部件装配或在装配环境下设计零件；“工程图”用于为零件和装配体创建2D工程图。。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第43页。SolidWorks用户界面

当创建装配体时，出现如图6-5所示操作界面，创建零件和工程图的界面与此类似。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第44页。SolidWorks用户界面

在窗体的最上部是菜单栏，这里包含了SolidWorks中的所有操作命令。工具栏是以图标形式向用户提供的各种操作命令。工具栏的安排可以按用户要求，拖动到窗体四周的任意位置。在SolidWorks

窗口的下侧是状态拦，用于显示当前操作的状态信息。特征管理器位于SolidWorks

窗口的左侧，它有三个标签：特征管理设计树、属性管理器、配置管理器。其中特征管理设计树真实地记录了激活的零件、装配体或工程图在操作中所做的每一步，可以很方便地查看、编辑零件或装配体的造型特征、装配特征，或者查看、编辑工程图中的不同图纸和视图。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第45页。SolidWorks用户界面

在窗体的最上部是菜单栏，这里包含了SolidWorks中的所有操作打开SolidWorks

软件时，在窗体的右侧将会出现任务窗格，它包含三个标签：SolidWorks资源、设计库、文件探索器。其中“SolidWorks资源”包括开始、在线资源以及日积月累三个命令组，“开始”命令组中包括新建文档、打开文档、在线指导教程、新增功能。“在线资源”命令组包括探讨论坛、订购服务、解决方案、制造业网络、Print3D。“日积月累”给出使用SolidWorks

的有益提示；“设计库”包含三部分：DesignLibrary（设计库）、Toolbox（工具箱）、3DContentCentral（3D中心），其中DesignLibrary是设计库，它包含注解、装配体、特征、成形工具、零件等文件夹。Toolbox

包括标准零件库，与SolidWorks合为一体。计算机三维设计及虚拟装配技术综述全文共58页，当前为第46页。SolidWorks用户界面

你可以由此选择标准和想插入的零件类型，然后将零部件拖动到您的装配体。也可自定义SolidWorksToolbox

零件库，使之包括本公司的标准，或包括最常引用的零件。受支持的国际标准包括ANSI、BSI、CISC、DIN、ISO、以及JIS。3DContentCentral

用于访问零部件供应商和个人提供的所有主要CAD格式的3D模型。“文件探索器”类似