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青岛科技大学 作为数据库,根据其具体容纳的数据结构之 不同,数据关联关系之不同,分成许多专用...此时在法国人Bézier1962提出的Bézier算法的基础上,使用计算机处理曲线及曲面... 数据结构,算法 专题技术 牛档搜索（Niudown.COM） 三维参数化造型及 邱龙辉 本文系牛档搜索（Niudown.COM）根据用户的指令自动搜索的结果，文中内涉及到的资料均 来自互联网，用于学习交流经验，作品其著作权 Niudown.COM）归原作者所有。不代表牛档搜索（ 赞成本文的内容或立场，牛档搜索 Niudown.COM）不对其付相应的法律责任！ （ 2 青岛科技大学 三维参数化造型及设计 （讲义） 邱龙辉 2003.9 目 录 第一讲 产品创新设计与CAD的应用 ................................................................................................ - 1 - 一、从设计说起 ...................................................................................................................................... - 1 - 二、关于现代设计方法 .......................................................................................................................... - 3 - 三、创新设计理论 .................................................................................................................................. - 3 - 四、CAD的应用 .................................................................................................................................... - 6 - 第二讲 三维造型基础及SolidWorks概貌 ....................................................................................... - 15 - 一、CAD发展历程 .............................................................................................................................. - 15 - 二、三维造型基础技术 ........................................................................................................................ - 18 - 三、SolidWorks概貌 ............................................................................................................................ - 23 - 第三讲 参数设计约束与草图绘制 .................................................................................................... - 24 - 一、设计约束 ........................................................................................................................................ - 24 - 二、SolidWorks草图绘制（Sketching） ............................................................................................ - 24 - 第四讲 特征建模技术与特征造型 .................................................................................................... - 27 - 一、特征建模技术 ................................................................................................................................ - 27 - 二、SolidWorks特征造型 .................................................................................................................... - 30 - 第五讲 特征技术应用与零件设计 .................................................................................................... - 31 - 一、特征技术的应用 ............................................................................................................................ - 31 - 二、零件设计的基本步骤和原则 ........................................................................................................ - 34 - 三、零件设计中设计意图的表达 ........................................................................................................ - 35 - 四、零件设计实例 ................................................................................................................................ - 35 - 第六讲 装配设计 ................................................................................................................................ - 36 - 一、装配设计在产品设计中的作用 .................................................................................................... - 36 - 二、三维CAD中装配的基本概念 ...................................................................................................... - 36 - 三、零件装配的基本步骤 .................................................................................................................... - 36 - 四、零件装配方法 ................................................................................................................................ - 37 - 五、SolidWorks中装配的操作 ............................................................................................................ - 37 - 六、自顶向下设计 ................................................................................................................................ - 38 - 第七讲 工程图生成 ............................................................................................................................ - 39 - 一、视图的建立 .................................................................................................................................... - 39 - 二、工程图尺寸标注 ............................................................................................................................ - 39 - 三、零件序号和明细表 ........................................................................................................................ - 39 - 第八讲 综合应用设计实例 三维参数化造型及设计 邱龙辉 CAD 1、设计的概念 设计是人类的一种重要创造活动，而且任何人类的创造活动必然包含设计。机械设计、建筑设计、 服装设计等都有十分悠久的历史，也创造出了人类引以自豪的丰富而又伟大的物质文明。 通过技术上的有意识引进和实施而产生的我们生活时代的变革，是建立在人类特有的创造性能力 的基础上的。这种能力使我们能找到满足所要求的各种功能的解决办法。当然这种创造性的求解过程 是相当复杂的，它与艺术造型、思维和想像思维有某些相似之处。在人类的想象中，功能的 形成往往是图像化的。对于复杂形体的形成可系统地分步骤地进行，其想象的连接可以按空间或时间 上的联系实现。 这种根据功能要求按步骤地、创造性地求解针对总体功能的各个方案的过程可定义为设计。 设计也是一种描述子功能形成及它们组装成整体功能的过程。设计的描述预示了物质生产要实现 的东西，亦即表明了我们称之为建造、制造、加工或生产的东西。从这一意义上讲，设计也包括产品 加工规划在内。这以开发计算机辅助的NC机床编程系统为标志，这种编程系统早已表明了设计与制 造集成的可能性。 2、设计的重要性 决定一个产品在市场上成功与否的产品总体特征和产品特性都是在设计中确定的。设计的结果， 即产品的几何和技术特征是以工程图样、零件明细表、几何模型等诸如此类形式的文档表达并提供给 后续部门。因此设计，亦即产品形态的确定在产品形成过程中占有核心的地位，同时作为信息源也具 有特别重要的意义。 设计是产品形成过程中所有后续工作的出发点。这表明设计过程中的修改只有在同时考虑设计部 门，以及其他与功能有关部门，尤其是加工部门的情况时，才能得到满意的理解和解释。 3、设计对人的要求 设计工作的重要改变都是由于设计和加工之间衔接不当，以及随之出现的这两部门之间信息流的 变化引起的。此时落在设计人员身上的重要任务是充当科学认识与实际制造之间的调解人。设计者必 须十分认真负责并尽可能考虑顾客所提出的要求，同时还要为经济性制造打下基础。因此设计师的工 作不仅对单个企业，而且对整个经济生活都有根本性的意义。 对于工程师的培训来说，尽可能早地参与设计实践具有重要意义。设计者必须想在前面。设计者 既要有理论和计算知识，又要熟悉车间和加工设备。一个设计师的工作将不断地接受实践的检验和修 正。因此设计者必须以极其认真负责的态度工作，直至每一个细节。设计的决策要从实际出发，经得 起考验，同时还要体现技术的最新发展。 设计创造要求一系列的能力，如：想像能力，推理、联想能力，逻辑思维能力，专心致志能力， 良好的记忆，认真细致的工作态度，责任感，决断力，坚忍不拔的毅力以及对美学的敏感性。 除此之外，设计创造性活动不仅是一种目标明确的智力活动，而且还要求创造力及直觉的灵感。 4、设计过程的 对于开发技术产品来说，有计划的行动在设计时可能是很有益的。在20世纪20年代，设计过程系统化以及透明的、有效的成型的想法已很成熟。40年代初通过对设计过程方法和方案寻找方法 的研究建立了科学的设计方法学。当时的目的是对技术思维过程和方案寻找过程进行分析，并有目标 地构造这些过程。 设计过程可以通过设计方法学系统地、因此也是透明地、高效地形成。设计方法学把操作指南提 - 1 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 供给技术系统的开发和设计者，其目的是为了系统地制定设计方案。它考虑了设计科学、心理学知识 以及在应用中得到的经验。设计科学的任务是借助科学的方法建立技术系统和分析设计活动中它们的 关系，这样可以从已知的关联推导出规律性的东西。另外通过设计过程的系统化，许多设计工作可以 较容易地利用计算机来完成。 有条不紊的工作方式是通过把设计过程分解成一个接一个的顺序段，即设计阶段来实现的。其目 的是将工作内容分配给每一个设计阶段，指明决策依据，并描述一个阶段的工作成果。各个步骤都是 一步步地实施，并且在每一步骤之后都要检查结果。当评价不满意时，不能执行下一步，而是返回前 面步骤重新进行。所以设计过程具有反复循环的特点。 5、设计过程的划分 （1）根据设计方法学的观点，设计过程可以划分为“规划”、“方案设计”、“结构设计”、“施工设 计”四个设计阶段，各设计阶段又可划分为若干个设计步骤。这些阶段和步骤的划分意味着设计从抽 象到具体；从定性到定量；从全局到局部；从系统的上层结构到下层结构。可将设计过程概括描述如 图1-1所示。任何产品的设计往往是从市场需求分析开始的，根据需求确定产品的性能，建立产品的 总体设计方案，进行综合分析论证；在此基础上，设计具体结构，包括结构方案的优化、评估，几何 参数、力学特性的分析计算；最后得到产品的设计结果。由此可以得出两点结论：第一，设计过程的 各个阶段事实上是客观存在的。正因为这个规律的存在，为程式化工作的计算机引入设计领域，实现 CAD提供了客观可能性。第二，人为地研究、分析、总结这个规律是为了更好地把握、运用这个规律， 科学地、有计划地、按步骤地实施设计，为实现CAD创造条件。 ÈÎÎñÈÎÎñÈÎÎñÈÎÎñ Ð?Çï?ÖÎöÓë?ÉÐÐÐÔÂÛÖ?Ð?Çï?ÖÎöÓë?ÉÐÐÐÔÂÛÖ?Ð?Çï?ÖÎöÓë?ÉÐÐÐÔÂÛÖ?Ð?Çï?ÖÎöÓë?ÉÐÐÐÔÂÛÖ? ?ð?ð?ð?ðÖÆ??É??ÆÈÎÎñÊ?ÖÆ??É??ÆÈÎÎñÊ?ÖÆ??É??ÆÈÎÎñÊ?ÖÆ??É??ÆÈÎÎñÊ?ÈÎÎñ?æº????ÈÎÎñ?æº????ÎÎ??????????ÔìÉ??ÆÄ?ÐÍ??ÔìÉ??ÆÄ?ÐÍÖ?Ö???ÔìÉ??ÆÄ?ÐÍ??ÔìÉ??ÆÄ?ÐÍÖ?Ö?µÄµÄµÄµÄÒºÒºÈ?????ÄÜ?µ??È?????ÄÜ?µ??ÒºÒºÈ?????ÄÜ?µ??È?????ÄÜ?µ???Î?Î?Î?ÎÈ???É??Æ????È???É??Æ????È???É??Æ????È???É??Æ????ºîºî????É??Æ???????É??Æ???Îκîºî?????????µ???ÝÍ?É??Æ?µ???ÝÍ?É??Æ?Î?Î?µ???ÝÍ?É??Æ?µ???ÝÍ?É??Æ?Î?ÎÑ?Ñ?Ñ?Ñ??úÆ??ÜÌåÉ??Æ?úÆ??ÜÌåÉ??Æ?úÆ??ÜÌåÉ??Æ?úÆ??ÜÌåÉ??ƺ?º?º?º??µ??É??Æ????µ??É??Æ???ÎÎ Äâ??ÖÆÔìÊ?ÓÃ˵ÃðÄâ??ÖÆÔìÊ?ÓÃ˵ÃðÄâ??ÖÆÔìÊ?ÓÃ˵ÃðÄâ??ÖÆÔìÊ?ÓÃ˵ÃðÊ???É??Æ???ÎÊ???É??Æ???Î ?ïÐøµÄ???ð?ïÐøµÄ???ð?ïÐøµÄ???ð?ïÐøµÄ???ð 图1-1 产品设计过程 （2）深入研究各个阶段的主要任务，可将设计划分为： (a)功能设计 确定产品功能和结构之间的对应关系。 (b)布局设计 完成技术实体部分(零部件)的排列组合。 (c)参数设计 定义零部件的几何形状及尺寸参数。 (d)公差设计 制定形状、位置及尺寸精度。 可见，设计任务不同，设计变量亦不同。 （3）针对整个设计过程中，各设计任务所占的比重又将设计划分为如下设计类型： (a)新设计 这是一种从无到有的开发性设计。或者从概念设计、功能设计开始，或者重新排列组 合现有的、或新的零部件来达到设计目的。新设计需要创造性的思维。 (b)适应性设计 其特点是保持总体布局不变，修改个别零部件的功能或形状以适应质和量方面的 - 2 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 附加要求。 (c)参数化设计 其特点是功能、布局、零件的几何拓扑关系均保持不变，仅改变零件的尺寸参数， 产生系列化的设计结果。 据统计，机械制造领域的设计工作有56%属于适应性设计，20%属于参数化设计，只有24%属于新设计。某些标准化程度高的领域，参数化设计达到50%左右。上述数据说明，工程技术人员的大部 分时间和精力是消耗在重复性工作或局部小修小改之中了，不可能有充沛精力去从事创造性劳动，也 不会有足够的时间去学习掌握新知识和新技能，久而久之，人的创造性思维能力也会随着日复一日， 年复一年的重复、繁琐的劳动而萎缩。尤其在市场竞争剧烈的条件下，很难适应发展的需要。因此， 使设计方法及设计手段科学化、系统化、现代化，实现CAD是非常必要的。 设计的思想和方法一方面不断地影响着人类的生活与生产，推动社会进步，另一方面又受社会发 展的反作用，不断变化和更新。 为了反映设计思想和方法随社会发展的变化，人们通常用“传统设计”和“现代设计”这两个术 语。不难理解“传统设计”和“现代设计”都只是相对概念。人们把当前认为先进的那部分系统称为 现代的，而其余的都自然成为传统的。若干年后目前的现代部分就可能被新发展了的东西所取代，而 成为传统的。 CAD/CAE的应用：二次世界大战后，世界科技与经济得到了迅猛发展，尤其是电子计算机技术 的发展和广泛应用带来了信息革命，使人们的设计思想和方法有了一次飞跃的变化。计算机技术及相 关技术的发展和成熟极大推动了CAD（Computer Aided Design——计算机辅助设计）及CAE（Computer Aided Engineering——计算机辅助工程）技术的发展和应用。CAD和CAE技术可以说是对应于传统设计方法的一种革新，即CAD技术取代手工绘图，CAE技术取代工程问题的解析求解等。 设计方法的发展：随着社会和经济的不断发展和科学技术的不断进步，人们对产品的功能要求也 越来越多，由此而产生的设计准则和方法也越来越多。有许多属于现代设计方法范畴的内容都是对应 于这些新的或者说是现代的设计思想的，如创新设计、虚拟设计、机电产品造型设计、可靠性设计、 优化设计、人机工程学设计方法，绿色设计、稳健设计、并行设计、模糊设计、智能设计和反求设计 等等。 创新是技术和经济发展的原动力，是国民经济发展的重要因素。当今世界各国之间在政治、经济、 军事和科学技术方面的剧烈竞争，实质上是人才的竞争，而人才竞争的关键是人才创造力的竞争。 作为机电工程技术方面的高级专业人才，无论具体从事哪项工作，都会以不同的方式不同程度地 涉及到产品设计与创新。实际上，很多从事管理工作的人员也会直接地或间接地与产品的设计与创新 发生联系。在现在市场激烈竞争的情况下，没有优秀的产品设计和创新是难以在竞争中取胜的。这就 要求设计人员了解创新设计方法及其在市场竞争中的作用，要求产品开发各个环节，尤其是设计与制 造环节的工程技术人员熟练地掌握创新设计方法，以创造出综合性能优良的生产和生活用品。 参考书： 《机械创新设计》 张春林主编 机械工业出版社 1999 《机械创新设计》 黄纯颖主编 高等教育出版社 2000 设计对于一个产品来说是万里长征的第一步，它不仅对产品的制造过程有重要影响，也对产品走 向市场和产品的整个使用周期有重要影响。把好产品设计关，不仅可降低制造成本，保证产品使用性 能和使用寿命，增强产品的市场竞争力，从而产生很好的经济效益，同时，优良的产品设计可降低制 造与使用能耗，减少制造与使用过程对环境的负面影响，便于资源回收和再利用，有利于人类的可持 - 3 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 续发展。此外，为了挖掘市场潜力，开拓新的消费市场，设计人员要以创新性思维发明新的产品或赋 予产品以新的功能，以开拓新的经济增长点，增强企业乃至一个国家在经济全球化进程中的竞争力。 1、概述 创新是设计的本质，也是设计活动的最终指标。没有创新就没有丰富多彩的世界。随着科学技术 突飞猛进的发展，大量科技成果转化为生产力，产品更新的周期大大缩短，产品的市场竞争也日益激 烈。在这种形势下创新设计是产品适应新的市场形势的最好途径，创新产品能满足甚至创造出新的需 求，因而必然有较强的市场竞争力。 产品创新是为企业利益服务的。除掉技术上的创新，当然还可以有管理上的创新，销售上的创新， 售后服务上的创新等等。 技术上的创新有两类： 第一类是原始性创新，是原理上的改变，是从无到有的创新，原理上发生改变，如科技发明； 第二类创新是积累性创新，是在第一类的基础上进行改进，这类改进更符合使用者的行为习惯和 个性需求，创新性的设计属于其中。换言之，我们常说的所谓产品的个性化，更多是体现在第二类创 新上，消费者直接享受的不是科技原理，而是从科技走向艺术的产品。不同的设计风格即代表不同于 价值取向，也就是个性化的产品。 2、创新及其设计思维 创造性思维具有两种形式：直觉思维与逻辑思维。 直觉思维是一种在下意识状态下，对事物内在复杂关系突发式的领悟过程，具有创造灵感忽然降 临的色彩。 在今天市场竞争十分激烈的情况下，企业必须根据市场上出现的需求，快速地创造开发全新的产 品去占领市场，单凭依靠天赋灵感的创造方式显然不能满足要求。人们必须根据所提出的创造目标， 进行逻辑推理式的思维，把目标展开、分解和综合，寻求各层分目标的解，然后找出最终整体解，用 主动的可按部就班的工作方式向目标逼近，这就是逻辑推理型创造思维方式。 实际上，大量的创造过程是这两种思维方式交叉和综合的结果。人们首先对自己提出一个创造目 标，这个目标本身可能就是一个创造灵感，但是为了实现这个目标，必须一步步地进行分析推理。在 此过程中会出现一些技术难关，人们就不得不进行反复的试验，经历一次又一次的失败，最后找到解 决问题的办法。 （1）创新思维法则 在对创造性思维的机理认识的基础上，人们自然会产生第二个问题，即能否人为地去催化这一进 程？回答是肯定的。创造学为此建立起促发创造思维的一些法则，作为外部因素的有： （a）激发创造激情 科技史中，凡作出重大创造发明的人，都是充满创造激情的人。因为只有在激情的支配下，人脑 的智力活动才能被高度激发，形成突发灵感。这种创造激情可能由市场压力或诱惑等经济因素促成; 也可能出自科学家的崇高事业心;也可能出自政治需要。创造激情的激励的手段可以是精神鼓励，经济 刺激，政治动员，甚至民族感情。 （b）增强信息获取方式 创造建立在大量知识和信息的基础上，尤其是处于现在科学技术高度发达的年代，有关新技术的 信息显得特别重要，往往一项新技术的发明会引发出一连串的发明创造。在建立了信息高速公路的条 件下，人们可以用最便捷的手段捕捉大量的信息，这无疑为创造发明提供了极好的条件。在随之而来 的创造发明的竞争中，信息的快速获取将成为成败的关键因素。 （c）促进知识融合 科学技术发展到今天，学科界限越来越模糊，创造发明往往是多学科知识融合的结果。一个发明 人大脑中储存的知识不足以构成所求的解，很多创造灵感是在学科交流中产生，因此，创造各种条件 让不同学科的人频繁交流，也是促进科学创新的重要手段。 - 4 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 了解创造思维内在的特点，在创造过程中主动加以运用，是促进创造思维的重要内部因素。在技 术性的创新设计中，常用的有如下几种思维形式： （a）分析与综合思维 分析与综合是一个逻辑性很强的思维过程。 面对所提出的创造对象、任务或设想，首先需要进行分析。要对问题的提法有清晰而明确的描述， 然后去伪存真，由表及里，把本质和非本质的问题加以区别。对于复杂的问题，要将其分解为逻辑层 次与关系清晰的各级子问题，必要时，在完成一轮分析过程后，反馈到起点，对问题做重新描述，以 生成一个新的更合理的起点。 综合是分析的反向过程，在求得各子问题的解之后，必须通过建立联结，构成总体，实现最终需 要的总体功能。这种联结可能已在分析过程中初步建立，但在各子问题的解求得之后，联结将会发生 变化，甚至通过综合过程，建立含有多种联结方式的解域，然后借助各种评价手段，确定最佳解，综 合过程常常是一个创新的过程。 分析与综合是最基本的创新思维过程，由它们构成一个创造过程的思维框架。 （b）收敛与发散式思维 创造意味着寻求一个解，我们可以先确定一个原始解，它可以是一个完 全满足所提要求的理想系统，然后以它为目标，寻求凡是想得出或可能的，通向这个目标的途径。对 每一条通向目标的途径进行论证，最后找到一条最好的途径，它使目标成为可实现的解，并且与理想 解的差异是最能够被接受的。由于条条思维途径都指向一个收敛目标，即原始提出的理想系统，所以 这种创造思维称为收敛式思维。这种思维方式的关键是人们能否提出一个理想目标，它常常受到认识 的限制，而通向目标的途径，又常常受到技术的限制，创造正是在这两点上的突破。 我们也有可能已经掌握了一个原始解，以其为出发点，去寻找更多更好的解。这些新解不一定是 原始解的变异，它很可能是在保证系统功能前提下，一种新的原理和系统。这种创造思维称为发散式 思维，由原始解出发辐射出多根思维射线，其终点常常是一些创新解。 将创造原点抽象化，然后用收敛或发散的思维模式求解，是一种十分有效的创造思维法则。 （c）对应与联想式思维 科技史上很多发明创造都是对应联想的产物。人们看到鸟在天上飞，联 想到人也装上翅膀飞；看到鱼在水中游，联想到人也能在水中游，为此不断地创造，终于发明了飞机 和轮船。直到今天，对应联想法则依然是创造思维的重要法则。对应是指作为类比的对象，它距离人 们常规的思维范畴越远，越容易激发新思路，实现创新与发明。联想把类比对象的某些特征引导到现 实的创造任务中。 （d）离散与组合式思维 很多事物将其分解意味着创新。也有很多事物，彼此组合意味着创新， 在科技发明创造中充满这类实例:眼镜片与镜架分离，成为隐形眼镜;电话听筒与主机分离，成为子母式电话机。但是相反，电视与电话组合，成为可视电话。所以，分解与组合是对立统一的思维，很多 场合，分解是为了组合，而为了形成最佳组合。首先应将对象分解。有人预言，未来的机械将是由大 量的、专业化程度极高的功能模块组成。 （e）换元与移植式思维 客观事物都有内在的运动规律，有很多规律表现的因素不同，但规律相 同，数学很好地反映了这一点。三大数学物理方程并没有针对特定的物理量，但却在振动、热传导、 液体动力学不同领域得到应用。方程中的x、y、z可以用不同的物理元代入，解决不同的问题。这种 思维方法转移到创造学中，成为换元法则。 （2）创新工作方法 通过组织学手段可以帮助创新思维的展开，为此人们创造出很多工作方法。 （a）智暴法 智暴法是一种让智力像山洪一样爆发的方法。它的基本思想是组织一些来自不同领域但思想活跃 的人，向他们提出会议的主题，鼓励大家提出无偏见的主意，规定每个人只能补充别人的思想，不许 否定或批评对方，努力构成新思想的联合。参与智暴法活动的人来源应尽量广泛，与非专业、非技术 人员交往有时会得到绝妙的充实，从智暴法活动中得到的往往是原始的主意，进一步需要与专业人员 分析提出的主意，建立切实可行的方案。 - 5 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 （b）635法 635法是由智暴法进一步发展而成，在宣布了活动主题后，要求参加者每次在写下三个解并作提 纲式的注释，然后传给邻座，后者读后再提出三个进一步解或作补充。这个活动常有6人参加，因此每个参加者的建议都经过5个人的补充或组合发展，故称635法。与智暴法相比，在635法中，一个有内容的主意将会得到系统的补充或开发，而且消除了活动领导人的影响。缺点是不够自由活泼，对 积极思维有一定影响。 （c）陈列法 陈列法的前提条件和小组构成与智暴法相同，但参与者把自己的主意用简图加以适当的文字描述， 然后把每一个人的结果像美术画廊式陈列出来，以便所有参与者交流讨论，然后形成新的想法，由参 加者作进一步发展，最后进行审视、排队和补充完善，选出有成功希望的初始解或原始主意。这种方 法能防止不着边际的讨论，而且特别适合结构设计的创新。 （d）哥顿法 哥顿法是一个用抽象类比思维方式开发创造活动的方法。会议主持人在开始时并不宣布所要讨论 的具体内容，而是把问题抽象化，提交与会者讨论。例如，要研究开罐头的工具，可把问题抽象化为:"打开东西有什么办法?"采用这种方式能引导与会者无约束地进行思考，提出各种方案，最后，由主持 人亮出所要解决的具体问题，从所提方案中评选适用的解。 （3）人的创造力 归纳起来，创造型人才具有五个方面的特征，见下表。 表 创造型人才的五个特征 创造型人才 描 述 一个富于创新的人必须充满创造的激情,为创造而废寝忘食几乎成为古精神素质 今中外一切作出发明创造人物的共同写照。 不为眼前的现象所迷惑。不为前人的结论所束缚，勇于提出不同的看法,怀疑精神 大胆设想，冲破传统。 强烈的求知欲望 凡富于创造力的人都是发奋学习的人,也是具有很强学习能力的人。只有 和很强的学习能力 这样,才能积累创造所需的丰富知识。 创造是一个艰苦的过程，需要在实践中经历反复的实验与失败,需要具有勇于实践 解决实际问题的能力。 在科学高度发展的今天,大多数创造活动都是群体活动,那种评成果奖必群体能力 须排名次,写论文只认第一作者的违反科学的做法，必然会给创造活动带来阻 力。善于联合集体的智慧,具有群体工作艺术，将是创造能力的重要组成部分。 CAD 对于我们来说，如何用好这些已有的商品化CAD软件，使其为创新设计服务是最重要的。怎样 用好CAD软件，那我们要从脑说起。 1、从“脑”说起 首先讨论的是一些“虚”的东西，一些关于CAD软件使用与设计的关系的讨论，其中包含了十 分重要的观念。千万不要小看这些观念，这决定了你使用CAD软件进行设计的效果。 把Computer（计算机）称为“电脑”，从产生的过程看，可能是受到港台地区习惯用语的影响， 好像很大众化。甚至连中央电视台这样的“标准”媒体也是时而“电脑”，时而“计算机”。 而实际上，这代表一种典型的概念错误。 （1）脑 - 6 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 在广漠无边的，产生于原始大爆炸的宇宙中，据说只有地球这唯一的绿洲。 恰好的质量，造成恰好的引力，保留住厚度恰好的大气层，挡住致命的紫外线;恰好有铁质的核心，造成了强度合适的磁场，屏蔽了致命的太阳风。这些一起为生命提供保护。 恰好的地球与太阳之间的距离，恰好有水和合适的温度，为生命的起源提供了温床和合适的能源 来源。 恰好就产生了植物，它们会将太阳的能量初次转换为可用的能源，为我们和动物提供了食物链的 底层。 还是恰好，在生命进化中，鬼使神差，竟然从神经节进化出了大脑。 更为恰好的，一种超智能的生物——人，从中脱颖而出，成为地球上（也可能是我们的宇宙中） 唯一最高级的生命形式！ 这都是谁编写的程序？实在是“太”凑巧了，人类怀着孤独的心情，花费巨资搜寻另一个世界中 的亲兄弟，想验证自己的种种推测，可结果是空手而归。 而在这一系列凑巧的结果中，“脑”是其中最不可理解的、最神奇的、最令人钦佩，也是最为凑巧 的东西。即使是一只蟑螂的脑，也比人类最近制造的“智能机器”强上百倍，因为它真的会“思考”。 （2）人脑 在一系列的“脑”中，人类的脑不知为什么与其他的脑存在着质的不同。例如对艺术的欣赏和理 解能力，这可不是因为后天的教育、种族、地域等因素造成的，更是因为人脑会创造，而且具有着无 穷无尽的创造力。 爱因斯坦“想”出来一个可能：在强引力场作用下，时空的弯曲将引起光线弯曲。而在一次日全 食的观测中，证明他是对的。 阿基米德“想”出来几何定律，虽然我们生存的世界中并不存在相关的实例，但是我们今天还在 用这些定律。 爱迪生“想”出来了电灯，使我们摆脱了黑暗。 我们使用的计算机，其根本原理竟然起源于中国的古老数学——八卦。 这些不是对自然的模仿，纯粹是“想”出来的新鲜玩艺。直到现在，人类还在这样“想”着，而 计算机就是一个典型结果。 想，这就是“创造”。 会想，这就是人脑的奇迹所在。 令人困惑的是：在思维上，几千年来人类可能没多少进展，例如：现在的世界还是沿用战国时期 就建立的那些策略（可是当时人类的思维是怎样“突变”的呢？）；而在应用技术上，几乎是按照几何 级数在飞跃，例如：十年前的计算机和今天的计算机是多么不同，甚至有这样的感觉：那时候的计算 机实在名不副实。 （3）电脑 什么是“电脑”？不就是计算机硬件+应用软件嘛。但是，它真的是“脑”吗？ 评价的标准很简单：会不会像人脑一样“思考”，而这种思考的标志就是创造。 最好的结果是：“深蓝”赢了人类象棋大师几盘棋。但可以肯定的是，继续下去，人类将会越来越 多地取胜，因为人类能够创造全新的、从未有过的战略战术，而“深蓝”不能。其实，这并不是公平 的竞赛，为了教会“深蓝”下棋，有多少人在写程序。 这样的东西能称为“脑”吗？ 好多年以前，人类中曾经有这么一伙软件设计师，自认为已经了解了神秘的脑的工作模式，可以 用自己的程序模拟脑的处理过程，这就是“人工智能”的研究。他们认为一个CAD软件，可以在和工程师做了几个设计之后，“学会”工程师的设计思维方法，因此能够与人平等地实施设计过程（并称 之为“专家知识库的自学习”功能）。 能吗?至少已经发生的事实说明，不能。因为计算机是人脑的衍生物，它只再现了人脑思维中能够 - 7 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 表面化的一小部分功能。因为计算机不是人脑，它无法像人一样思考，像人一样创造。 这是一条规律。并且是一条永恒的规律。 （4）软件 软件做什么？实现一些规则处理的自动化。 什么规则？例如：1+2=3。“加法”是功能，而“1+2=3”是规则。 这样的规则有个特点，必须是明确的、可由程序实现的。这些规则越明确，软件就越容易实现， 而不在乎多么庞大。 操作系统软件的规则，几乎完全由软件设计师单方面确立，当然是建立在共同常识的基础上的。 因此这样的软件相对容易创建，大家都按照既定的规则使用，也容易掌握、很少争议。 专业应用软件（例如CAD）的规则（设计构思）几乎完全是用户的已有模式，而且与常识不同。 因此这样的软件不容易写好，大家按照自己各自的设计构思（规则）理解和使用软件，掌握起来就不 容易了、存在着大量的争议。 2、关于“规则” 既然提到了规则，必然引发谁确立、谁遵守的问题。 搞清楚这个问题，就能恰当地确定我们自己的位置和对策，把精力用到合适的地方，以较快的速 度掌握软件、更好地使用软件。 实际上，许多人、在许多年的时间中都在使用CAD软件，可还是不能解决很多实际设计问题，关于规则的概念不清楚是主要原因。 （1）谁确立规则 是软件设计者。 是软件设计者根据从用户中听说的设计需要，经过自己理解和总结之后，结合自已所掌握的数学 模型和程序设计技术而确立的。 这里有两个要素： ? 数学模型 这是研究数学的人们创立的。随着技术进步，这个模型也在完善，能力逐渐加强。所以我们看到 CAD软件己经比过去“能耐”多了。但是，这种计算模型只不过是人类的一小部分思维的模仿。因为 这种模仿始终是在人脑后面一步一步地爬行，所以就CAD软件算法核心而言，创立它的数学家们，与一个一般工程师相比，其规则的符合程度仍然是“相差甚远”。 ? 软件工程师的理解 这是问题最多的环节。要不怎么叫“隔行如隔山”！ 可以肯定的是，设计工程师对于某设计的思考过程，能够被一个软件工程师真正理解。这就麻烦 了，CAD使用者的思维，与CAD创立者的思维不一致，但软件运行的规则却是他们说了算。 但这就是事实，找不到更改办法的事实。只有我们自己亲手编写的程序才可能做到与自已的设计 思维基本吻合。 （2）谁执行规则 是软件使用者。 是软件使用者按照自已的设计需求，依据软件提供的规则（如果提供了），来完成自己的使用过程。 这些使用规则，在没有CAD软件之前就早已确定了，而且不可能依据软件能否做到而明显改变这些 已有规则。这一点在CAD类软件使用中尤为明确。 这里还有一个确实存在的问题：使用者是不是明确了自己的规则。 事实上，相当一部分CAD软件的使用者并不明确自己的规则，就是说，他们的设计能力尚未达 到合格工程师的水平。因此，他们只好从软件中寻求“设计思维”的规则。 （3）谁解释规则 不甚明确。 - 8 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 在使用CAD软件进行设计的过程中，最常见的现象是人在与软件叫劲，这几乎是永恒的主题了： “你怎么就做不到这个要求呢？！这不是很简单吗？！”然后，上火、着急。以前的传统设计证明，这 个要求并不过分，而在这个要求下实现的设计己经被制造和使用过程验证过了；从逻辑上说，没有任 何问题的，可CAD软件就是做不成。 谁来解决这个问题？谁来告诉我们怎样实现设计要求的规则？ 利用软件的在线帮助？不可能，因为在线帮助只有某个功能的解释，而没有解决设计需求的方法。 参考书？不好说。实际上许多书的作者对软件使用的理解还不如读者深透。 怎么办？没人解释这些规则。可能的方法就是“自己救自己”。 （4）谁完善规则 当然是软件开发商。 但是，他们是按照他们的理解，而不完全是用户的意见。 因此，直到现在，CAD软件也不能正确处理筋在工程图中的剖切表达，因为他们认为这种要求“不 是很广泛的需要”。 有人说了：我的要求十分有道理的呀，例如中国标准的标准件库。 可是只有中国地区销售份额，而且有大量的盗版用户，软件开发商为什么要投入大笔资金来满足 中国用户呢？ 经销商也可能在用户的压力下做一点完善的工作，但是由于不想真正投入，结果也不过是敷衍而 已。 所以，规则的完善远不会是我们所希望的那样。这样，有效地使用CAD软件的主要工作，应当是解决我们自己的问题。至少这样做是可能的、是有效的、是由我们自己说了算的、是有希望做到的。 在规则尚不完善的条件下，能用多少就用上多少、能解决一个问题就是一个问题，随着软件的完 善，能解决的问题将会越来越多。 而尽快掌握软件的定制和程序设计技术，绝对是在规则尚不完善的前提下，扩大我们的使用战果 的有效手段。 （5）软件应用效果的分析比较 为了能清楚地说明问题，下面用大家都熟悉的Word和AutoCAD进行比较，如下表。 表 Word与AutoCAD的此较 项目 Word AutoCAD 所涉及的知识范围 常识 比较专业 软件设计者对未来使用的理解 到位 不太到位 软件功能与用户需求的关系 相当对应 需要自己对应 需要用户定制的部分 很少 很多 普通百姓掌握使用技术的难度 简单 比较难 现有参考书的指导作用 很大 很小 通常的使用效果 好 一般 还有一个比较，可以用来说明专业基础与CAD软件使用效果的关系。 例如用Word写文章，打印结果相当好，文字整齐，几乎与印刷品一样。用AutoCAD绘图输出也可以得到高质量的图片。 但是如果您的文笔并不好，或者心中空荡荡的，就算文章打印出来很漂亮，可读起来却味同嚼蜡。 同样用AutoCAD绘图也一样，图再好看，设计出来的东西却不行。 软件的功能越强大，用户对它的希望值就越高，该做而做不成的时候，用户就越加恼火，对于CAD软件也是如此。 当然，我们看到CAD软件的进步也是很神速的，可同时也必须看到，人类的设计能力的进步比 - 9 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 这还要快。这也是事实。 3、怎样有效地使用 CAD软件 CAD软件的开发是一个重大的技术进步，对于提高我们的设计质量、设计能力、设计效率，起到 了前所未有的推动作用。 （1）从一种典型的观念说起 有相当多的人在研究，如何在CAD软件中创建渐开线齿轮，笔者至少已经听到几十次这样的说 法，这是CAD软件的一个应用误区。不是不能完成，而是能相当精确地完成齿轮造型。这里的关键 是“为什么要这样做，做完之后又想怎样”。如果说只是想“看一看”，似乎找一个齿轮零件看看更好。 天下没有“仅仅为了”的事情，每一件事情都有它的前因后果。对于CAD技术中的原始模型的创建，更没有“仅仅为了”的事情。 从二维CAD技术来说，设计总要绘图，因为一个工程师无法记住自己的设计（那怕是较简单的 设计）中的全部细节，图形表达就是唯一的方法。这些图首先是给设计者自己看，为了记住、研究和 配凑设计自己的构思。其次是给别的工程师看，为了互相讨论交流，共同合作完成设计。最后是为了 给制造者看，为了将设计意图在制造车间变成实际零件。可见，我们绘制工程图，实际上是设计思维 的表达手段，从来也没有“仅仅是为了绘制这个图”的可能。 时至今日， 软件已经有了质的飞跃，但是在多数用户那里，一提起CAD，人们仍然先想到代替手工绘图，而不是有效地进行全面辅助设计。以至于许多机械设计部门的领导会问，过去我们用纸绘 图，现在用计算机了，这两者有什么不同？从设计过程来看，真的没多少不同。在纸上不好办的事， 现在仍然不好办；图纸画得规范、漂亮，而设计质量却没有提高多少;仅从绘图来看，提高了一些效率，可考虑到软硬件的投资，日常消耗品的投资，这点效率似乎很不够，很难说清楚这笔投资的回收期多 长，能否在系统技术折旧到期之前有盈利。所以，仅仅是计算机辅助绘图，并不能够提高设计质量， 解决技术创新中的关键问题。 使用CAD软件之前要有两个基本的标准：用CAD软件要解决什么问题？怎样评估要解决的问题是否已经解决？否则就是相当盲目的。 回到一开始的讨论，在CAD软件中创建齿轮，既不必进行装配啮合仿真，也没有必要用什么软 件进行这种啮合过程的应力分析。曾经有人说想用这种方法研究渐开线蜗轮付的啮合过程干涉。但是 能够在CAD软件的支持下，找到经典的齿轮设计理论和设计标准中的漏洞吗？结果是清楚的：不能。 那您还做齿轮干什么！ 如果是用来做“演示”，那就完全是另外一回事了。即便在AutoCAD中也能很好地完成，因为所有的轮齿的轮廓都可以简化为圆弧！ 实际上，这种观念认为，CAD软件只不过是一些二维或三维的电子图版，也只能做一些代替原来 的手工绘图，做些“形状表达”之类的事情。究竟CAD软件会对我们的设计有什么样的辅助作用？这就要从设计的过程和计算机软件的基本概念开始讨论。 （2）计算机软件和数据库 所有的计算机软件都是"数据库"。 一谈到数据库，人们就会联想到FoxBase、dBase、Access之类的软件，就像一说到CAD，想到 的就是“电脑绘图”一样。这确实是相当普遍的现象。普遍，不见得正确。普遍如果不正确，就有必 要讨论了。 计算机的软件有没有非数据库一类的呢?没有。因为，目前计算机能够处理的都是可以数字化表达 的东西。 只能处理数据，这就是目前我们使用的计算机的性能。就是说，要想在计算机上处理某物，必须 有表达此物的方案（数据结构）、必须有存放此物的容器（数据库）、必须有操作此物的工具（处理方 法）、必须有填充数据的方法（输入功能）、必须有结果处理的功能（输出功能）等，这是一般的道理。 所以，所有的计算机软件都必须有数据库功能，是当然的结果。 - 10 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 再看实际的软件，从操作系统到游戏，无一不是以数据库和数据处理为核心功能的，只是外在表 象上，不见得直接说自己是数据库（也没有必要这样说）。相比之下，CAD软件必须有更高级的数据库作为基础设施。 作为数据库，根据其具体容纳的数据结构之不同，数据关联关系之不同，分成许多专用类型。作 为CAD软件的底层，除了要具有常见数据库的数据结构之外，还必须带有几何图形数据库结构，因 为这是它要处理的主要对象。这是超出一般数据库的地方。为了能精确表达几何数据，CAD软件的数据表达精度一般都能超过十万分之一毫米。 作为数据的输入，一般数据库是直接（文件或者键盘）输入原始数据。而CAD软件的几何数据库，就必须有良好的、容易掌握的、足够精度的方法输入用户的数据，这就是一系列的绘图功能和图 形状态下的交互操作界面。而生成图线的过程，就是在填充这个图线的几何数据库的纪录，这是必须 具备的图形输入，这又是超出一般数据库的地方。 作为数据提取，一般数据库是以某些关键字之类的代码进行检索。而对于CAD软件，这样的检索功能就太单调了，因此，CAD软件数据库的检索功能相当复杂和完美，例如：指定图线的透视显示 影像，也能找出关联的数据库记录，就像我们用手指点一个物体，与他人进行交流一样，而且这种功 能还在继续丰富和提高。这也是超出一般数据库的地方。 总之，任何一个CAD软件，其数据库从结构到功能，在设计数据处理方面，都超出了那些通用 的数据库软件。当然，对于一般数据库所具有的，也是CAD软件必须具有的基本功能。 这是一个重要的基本估计。就是说，使用CAD软件的原因，就是因为能够建立和使用比较完整 的设计数据库。 （3）设计表达的数字化 设计过程，是一种人类大脑所特有的创造性过程，决不是“电脑”所能理解或掌握的技术。为了 表达和记忆自己的设计思维，不得不借助工程图，而现在，也有可能借助软件，使用三维模型进行了。 但无论如何，对这些表达的建立和结果的解释，还必须由经过专业培训、成熟的工程师进行。大量的 设计构思，需要在这样的解释下才能展开和讨论。可见，图形与数据之间，需要人的介入、记忆、解 释，才能真正有用。这就是传统设计中对于“设计构思图形化”的处理规则。 计算机不能处理没有被数字化的东西。而传统设计中的表达却不是这种数字化的东西。如果直接 按照传统设计的习惯使用CAD软件，因为离不开具体某人的解释，就会出现许多困难，也就是说， 并没对设计过程有多大的提升作用。 例如：最基本的设计过程中，基于装配关系的、各个结构之间的配凑，需要人进行把握，稍有不 慎，就会在现场装配中出错，于是，就需要重新设计和制造。 例如：设计的更新与修改问题。传统的二维设计是一锤子买卖。如果要更新或修改，就要重新绘 图，一般规定不可以打补丁（多数设计部门是这样要求的）。尤其是多视图零件，在修改设计时，零件 的表达和它的有关设计参数无法完全放在一起，当然也没有直接的关联，这些技术资料的保存和更新 都十分麻烦。虽然二维图形在AutoCAD中有较方便的修改方法，但是由于是对表达“图线”的修改 而不是对设计“概念”的修改，仍然是相当麻烦，相当不可靠的。 例如：设计工程管理问题。这里所说的是对设计的管理，不仅仅是对图纸的管理。一些CAD用 得好的单位，已经有几千个DWG文件，而且在继续增多。这些文件中除了图形信息外，还会有大量 的设计参数等非图形信息，它们按装配层次关系有一种复杂而有序的关联。能否将传统设计中的管理 模式用在CAD系统中？ 因为在使用CAD软件的过程中，用户完全没有准备在二维/三维构造过程中表达充分的原始设计数据，也没有对设计数据进行关联和使用，进而使设计构思“数字化”。 要知道，传统的二维工程图表达本来就不是设计构思的完整表达，也不是设计构思的真实表达。 这样的图样必须由经过专业训练的人（熟记表达规则）才能读懂，数据的提取必须由读图的人按照许 多规则进行解释，才能了解绘图人的意思。 - 11 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 在传统设计的基础上，按照“CAD软件不仅仅能绘图，更能有效地设计数据库，因此必须做到设 计构思的数字化表达”这样的观点进行软件使用，将尽量完整的设计构思记入CAD软件的数据库之中，将这些数据的关联关系描述清楚，就可能解决上述问题。这就是说，在所有的CAD软件使用过程中，应当始终以“构建和使用设计数据库”的基本概念操控软件，就能产生源于传统设计、高于传 统设计、切实发挥CAD软件支持能力的好结果。这就必然涉及到参数化设计技术。 （4）绘图/建模与设计的关系 绘图/建模是设计构思的工具，而不是设计的结束 我们发现，无论是何种CAD软件，最基本的功能就是构建二维或三维的模型，为什么呢？因为 这是CAD软件的及格线。 可见，绘图、建模，是设计的起点和过程中的动作，是辅助手段。认为工程图绘制或者三维模型 的表达完成，设计就结束了，这显然是极其错误的。 （5）设计的规则 （a）什么是“设计” 设计就是创建、策划、构思。设计是个相当复杂的、只有经过训练的、有一定天赋的人才能实现 的过程，设计中各个相关要素（在装配下的零件、在零件上的结构、在结构中的形状相尺寸等），在设 计全过程中要反复调整、配凑，这是设计全过程中始终存在的动作。 设计的操作有两大块：几何设计和工艺设计。 几何设计：基于装配关系，进行形状、结构、大小、配合等参数的确定。 工艺设计：基于几何形状和工况，进行材料、热处理、加工可实现性、安装可实现性、工艺结构 等参数的确定。 下面举一个很普通的例子：计算机专用桌椅。设计的原始条件是两个来源，统计学基础上的人和 现有的计算机。 根据人体的结构，确定椅子坐面高410mm，桌子面高700mm。根据计算机的尺寸，确定放键盘的部位不少于750x250mm；17英寸显示器，距键盘外沿为450mm，因此桌子的面积至少是750? 800mm。 之后要进入详细设计，完成结构、外观、装配关系、工艺方法、材质、颜色等，还要考虑可维护 性如何，技术经济分析结果如何，可加工性如何，受力状态如何等，最后才能产生装配工程图和零件 工程图，投入试制。试制的结果还要给设计许多反馈，设计还要进一步修改，这才是第一轮设计的结 束。 （b）零件是用于装配的 零件不能单独使用，即使是标准件的螺丝钉。因为，从来没有任何零件可能被“单独”使用的。 任何零件被设计的唯一目的就是“被使用”。 有个例子：热水器开关上的字。开关装在离地2m的高度上，设计师将文字（例如：进水、混流、 断水）的字高度设计成5mm，需要踩个凳子才能看得到。文字和谁装配？和使用者的视力配合。其实 这个设计完全没必要用文字，用符号既简单又清楚。 必须与相关零件配合进行设计，才是可能进行下去的、才可能是正确的，这是任何设计师都应当 理解和掌握的常识。 可见，无论使用什么样的CAD系统，使用中都必须始终把握“基于装配的关联设计”这样一种 基础的数据结构和流程，能实现多少、就实现多少。 但是，由于CAD软件所提供功能的限制，这样的关联可能由使用者控制，可能用数据表控制， 也可能有软件提供的某种功能实现或其他方式。但无论如何，独立的零件设计是不可能实现的，除非 您是“描图员”，照着已经设计好的底子抄图，或者照着已经设计好的底子建模。但这可不是“设计” 的意思了。在“抄图”的基础上讨论任何技术方法，都是没有意义的，因为抄图不是设计。 可见，设计的全过程必须、也总是以“装配中的关联关系”为基础进行的。 - 12 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 （c）设计必须实现关联 设计过程粗略地讲，是一个不断配凑的过程，虽然结果的表达是工程图或者三维模型，而实质上 还是“一系列设计参数的关联”。例如：螺旋桨的安装孔与发动机输出轴之间的设计关联，就是以输出 轴作为设计基准，对孔做关联设计。如果有办法在CAD软件中建立这种关联，就有可能在系列设计中实现，一旦更换了发动机，螺旋桨上的相关结构就能自动更新，完全避免了传统设计中可能出现的 错误。这就是参数化设计模式的出发点，也就是对实际设计思维的比较完整的表达。 但是，需要强调的是，这种“关联”，不是某些CAD软件所带来的“新的设计思维”，而是把工程师设计过程共性的规则“模拟实现”而已（当然，这是十分复杂和困难的），是更精确地模拟了我们 的设计思路。所以，从这个意义上讲，您得先是一个设计师，然后才能真正理解CAD。这就是参数化 设计所要做的，基本的规则是：实现基于装配的设计参数关联。 （d）设计就是模拟加工、模拟装配 设计过程中，自始至终充满了“假如„„因此„„于是„„”这样的思维推理过程。就是说，实 际上工程师是在脑子里模拟自已设计的东西未来的样子。可见，一个不懂相关的工艺、测量、装配、 调试技术的工程师，无法进行真正的设计，至少不能完成优秀的设计。 于是，“你怎么设计，我怎么测量；你怎么测量，我怎么加工；你怎么加工，我怎么造型”，就成 为粗略的规则。反过来说，设计方案的确定，就必须与被设计对象未来的加工、测量、装配过程紧密 相关，不可脱节。 于是，在CAD软件中尽量完整地再现这样的思维过程，甚至因此出现了各种专门的“仿真”软 件，在计算机上进行过去生产现场才能完成的过程，这种目标成为CAD系列软件永恒的追求，这也就是我们前面提到的“虚拟设计”的主要意思。 于是，我们就设法在现有的软件功能基础上，尽可能多地实现这种“再现”、或者说规则的对应。 眼前能够解决的，也是最需要解决的，就是“基于装配的关联设计”。 4、二维设计和三维设计 在二维参数化软件前景不甚明确的条件下，基于特征的三维参数化，变量化软件开始进入设计领 域。 工程师在设计零件时的原始冲动是三维的，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、相关零 件、制造工艺等关联概念的三维实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的三维实体。如果能直接以三 维概念开始设计，在现有的软件支持下，这个模型至少有可能表达出设计构思的全部几何参数，整个 设计过程可以完全在三维模型上讨论，对设计的辅助就很容易迅速扩大的全过程，设计的全部流程都 能使用统一的数据。 这样就有可能比较容易地建立充分而完整的设计数据库，并以此为基础，进一步进行应力应变分 析、制件质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、NC控制可加工性分析、高正确率的二维工程图生成、外观色彩和造型效果评价、商业广告造型与动画生成等一系列的需求都能充分满足，是对 设计全过程的有效的辅助，是有明确效益的CAD。 三维设计的好处已经很明确了，这一点大家将来都能体会得到。对于创新设计，三维设计模式几 乎是最为合理的了。 5、尺寸与形状问题 从目前的已有软件功能看，参数化的过程以建立和使用驱动尺寸为主要内容之一。但是，究竟怎 样理解“尺寸”与“形状”的关系呢？ 在人的设计思维中，所有的尺寸大小数据来自于相同的源——形状。在传统设计过程中，所有的 尺寸都是对形状的注释，是说明形状的具体数据。因此，即使是在设计草图时，也要标注一些关键尺 寸，因为图线绘制不太准确（即使比较准确，也可能测量不准）。 如果我们认识到CAD软件可能构造设计数据库，而且有足够的精度（十万分之一毫米），就会相 信自己在CAD软件中创建的形状是“绝对精确”的。如果我们了解CAD数据库的数据访问和提取方 - 13 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 法，就会省去传统的尺寸标注，因为有了“形状”就相当于已经有了“尺寸”。这样，就只有在最后的 工程图中才需要标注尺寸，而在此之前的各个版本的设计图中，完全不必标出尺寸。 另一方面，对于参数化设计中的“参数”，则必然包括“尺寸”。而在参数驱动中，几何关系、装 配关系等，最后还是大部分落实到了尺寸上。这种条件下，尺寸标注这种功能，就不再是“注释”，而 是驱动用的“参数”了，可能在CAD软件中看起来两者很像，实际上有本质的不同。 作为参数化的驱动尺寸，是在定量表达设计数据和思维，因为设计数据表达的需要，其具体数据 可能大量使用变量与计算表达式，这在工程图的注释型尺寸中很少见到。而在注释型尺寸中经常出现 的公差、线下注释，在驱动型尺寸中则很少见到。 作为参数化驱动尺寸，更多地注意表达设计的构思，而不是为未来的施工者提供尽可能直接的工 艺尺寸注释。这也是一个明显的区别。 从这个意义上说，设计图和工程图应当不是同一个图形文件，两者应当有不少差别。总体说来， 工程图数据来自于设计图，是与设计图自动上下关联的子集。 - 14 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 SolidWorks CAD 在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而不是现在我们经常讨论的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部内容。CAD技术早期发展是以二维绘图为主要目标的算法，这一状况一直持续到70年代初期，而以后二维绘图作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发展，现在我们有许多工作仍然在这些二维系统中进行，常见的 如AutoCAD、CAXA电子图板、开目CAD等。实际上在今天中国的CAD用户特别是入门级的CAD用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。 1、CAD技术的第一次革命??贵族化的曲面造型系统 60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基 本的几何信息，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。此间飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲 面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法 表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同 的情况。同时设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证，所以还经常按比例制作油泥模 型，作为设计评审或方案比较的依据。既慢且繁的制作过程大大拖延产了产品的研发时间，要求更新 设计手段的呼声越来越高。 此时在法国人Bézier1962提出的Bézier算法的基础上，使用计算机处理曲线及曲面问题变得更加 实用，法国的达索飞机制造公司的开发者们，在二维绘图系统CADAM的基础上，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。它的出现，标志着计算机辅助设计技 术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息， 同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。 此时的CAD技术价格极其昂贵（曾几何时，在国内租用一套CATIA的年租金即需15～20万美元），而且软件商品化程度低，开发者本身就是CAD大用户，彼此之间技术保密。只有少数几家受到 国家财政支持的军火商，在70年代冷战时期才有条件独立开发或依托某厂商发展CAD技术。例如： CADAM由美国洛克希德(Lochheed)公司支持 CALMA由美国通用电气(GE)公司开发 CV由美国波音(Boeing)公司支持 IDEAS由美国国家航空及宇航局(NASA)支持 UG由美国麦道(MD)公司开发 CATIA由法国达索(Dassault)公司开发 这时的CAD技术主要应用在军用工业。但受此项技术的吸引，一些民用主干工业，如汽车业的 巨人也开始摸索开发一些曲面系统为自己服务，如： 大众汽车公司的SURF 福特汽车公司的PDGS 雷诺汽车公司的EUCLID 另外还有丰田、通用汽车公司等都开发了自己的CAD系统。但由于没有军方支持，开发经费及 经验不足，其开发出来的软件商品化程度都较军方支持的系统要低，功能覆盖面和软件水平亦相差较 - 15 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 大。 曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新车型开发速度也大 幅度提高，许多车型的开发周期由原来的6年缩短到只需约3年。CAD技术给使用者带来了巨大的好处及颇丰的收益，汽车工业开始大量采用CAD技术。80年代初，几乎全世界所有的汽车工业和航空 工业都购买过相当数量的CATIA，其结果是CATIA跃居制造业CAD软件榜首，并且保持了许多年。 最近几年，从造型理论上来说，CATIA并没有突破性的进展，该软件的CAD技术本身已相对落后。达索公司公布的96年营业额只有2.68亿美元，这并不足以使其稳据世界排名第二的位置。但其庞大 用户群的巨大惯性以及由IBM提供的约3亿美元的强有力系统集成支持，使得它依然排在CAD行业前列。 2、CAD技术的第二次革命??生不逢时的实体造型技术 80年代初，CAD系统价格依然令一般企业望而却步，这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得更大的市场份额，以CV、SDRC、UG为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大发展。SDRC公司在当时星球大战计划的背景下，由美国宇航局支持及合作，开发 出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，同时在CAD技术方面也进行了许多开拓；UG则着重在曲面技术的基础上发展CAM技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求；CV和CALMA则将主要精力都放在CAD市场份额的争夺上。 有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。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、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前 处理特别困难。基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，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大型CAD/CAE软件??IDEAS。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。它代表 着未来CAD技术的发展方向。基于这样的共识，各软件纷纷仿效。一时间，实体造型技术呼声满天 下。可以说，实体造型技术的普及应用标志CAD发展史上的第二次技术革命。 但是新技术的发展往往是曲折和不平衡的。实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望， 也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应 用中做设计显得比较勉强。由于以实体模型为前提的CAE本来就属于较高层次技术，普及面较窄，反 映还不强烈；另外，在算法和系统效率的矛盾面前，许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力量去 开发它，而是转去攻克相对容易实现的表面模型技术。各公司的技术取向再度分道扬镳。实体造型技 术也就此没能迅速在整个行业全面推广开。推动了此次技术革命的SDRC公司与幸运之神擦肩而过，失去了一次大飞跃的机会。在以后的10年里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多CAD系统所采用。 在这段矛盾碰撞、技术起伏跌宕时期，CV公司最先在曲面算法上取得突破，计算速度提高较大。 由于CV提出了集成各种软件，为企业提供全方位解决方案的思路，并采取了将软件的运行平台向价 格较低的小型机转移等有利措施，一跃成为CAD领域的领导者，市场份额上升到第1位，兼并了CALMA公司，实力迅速膨胀。 3、第三次CAD技术革命——一鸣惊人的参数化技术 正当CV公司业绩蒸蒸日上以及实体造型技术逐渐普及之时，CAD技术的研究又有了重大进展。如果说在此之前的造型技术都属于无约束自由造型的话，进入80年代中期，CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颍、更好的算法??参数化实体造型方法。从算法上 来说，这是一种很好的设想。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计 修改。当时的参数化技术方案还处于一种发展的初级阶段，很多技术难点有待于攻克。是否马上投资 发展这项技术呢？CV内部展开了激烈的争论。由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别， 若采用参数化技术，必须将全部软件重新改写，投资及开发工作量必然很大。当时CAD技术主要应 - 16 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的 有效工具（如实体曲面问题等），更何况当时CV的软件在市场上几乎呈供不应求之势，于是，CV公司内部否决了参数化技术方案。 策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时，集体离开了CV公司，另成立了一个参数技术公 司(Parametric Technology Corp.)，开始研制命名为Pro/E的参数化软件。早期的Pro/E软件性能很低，只能完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后将给设计者 带来的方便性。 80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，CAD技术的硬件平台成本从二十几万 美元一下子降到只需几万美元。一个更加广阔的CAD市场完全展开，很多中小型企业也开始有能力 使用CAD技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，更重要的是他们无钱投资大型 高档软件，因此他们很自然地把目光投向了中低档的Pro/E软件。了解CAD市场的人都知道，它的分布几乎呈金字塔型。在高端的三维系统与低端的二维绘图软件之间事实上存在一个非常大的中档市场。 PTC在起家之初即以瞄准这个充满潜力的市场，在旧时王榭堂前燕尚未来得及飞入寻常百姓家之时， 迎合众多的中小企业上CAD的需求，一举进入了这块市场，获得了巨大的成功。进入90年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。踌躇 满志的PTC先行挤占低端的AutoCAD市场，致使在几乎所有的CAD公司营业额都呈上升趋势的情 况下，AutoDesk公司营业额却增长缓慢，市场排名连续下挫；继而PTC又试图进入高端CAD市场，与CATIA、IDEAS、CV、UG等群雄逐鹿，一直打算进入汽车及飞机制造业市场。目前，PTC在CAD市场份额排名上已名列前茅。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。 4、第四次CAD技术革命——更上层楼的变量化技术 参数化技术的成功应用，使得它在90年前后几乎成为CAD业界的标准，许多软件厂商纷纷起步 追赶。但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性。由于CATIA、CV、UG、EUCLID都在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其它应用，包括CAM、PIPING和CAE接口等，在CAD方面也做了许多应用模块开发。重新开发一套完全参数化的造型系统困难很大，因为这样做意味着必 须将软件全部重新改写，何况他们在参数化技术上并没有完全解决好所有问题。因此他们采用的参数 化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补。考虑到这种参数化的不完整性以 及需要很长时间的过渡时期，CV、CATIA、UG在推出自己的参数化技术以后，均宣传自己是采用复 合建模技术，并强调复合建模技术的优越性。这种把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起的复 合建模技术，并非完全基于实体，只是主模型技术的雏形，难以全面应用参数化技术。由于参数化技 术和非参数化技术内核本质不同，使用参数化技术造型后进入非参数化系统还要进行内部转换，才能 被系统接受，而大量的转换极易导致数据丢失或其它不利条件。这样的系统由于其在参数化技术上和 非参数化技术上均不具备优势，系统整体竞争力自然不高，只能依靠某些实用性模块上的特殊能力来 增强竞争力。可是30年的CAD软件技术发展也给了我们这样一点启示：决定软件先进性及生命力的 主要因素是软件基础技术，而并非特定的应用技术。90年以前的SDRC公司已经摸索了几年参数化技 术，当时也面临同样的抉择：要么它同样采用逐步修补方式，继续将其IDEAS软件参数化下去，这样做风险小但必然导致产品的综合竞争力不高；但是否一定要走参数化这华山一条路呢？积数年对参数 化技术的研究经验以及对工程设计过程的深刻理解，SDRC的开发人员发现了参数化技术尚有许多不 足之处。首先，全尺寸约束这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。 全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸 约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸（即所谓的参数）为出发点。一旦 所设计的零件形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直 观；再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束的几何特征也会造成系统数据 混乱。事实上，全约束是对设计者的一种硬性规定。一定要全约束吗？一定要以尺寸为设计的先决条 件吗？欠约束能否将设计正确进行下去？沿着这个思路，在对现有各种造型技术进行了充分地分析和 - 17 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 比较以后，一个更新颖大胆的设想产生了。SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参 数化技术更为先进的实体造型技术??变量化技术，作为今后的开发方向。SDRC的决策者们权衡利弊，同意了这个方案，决定在公司效益正好之时，抓住机遇，从根本上解决问题，否则日后落后无疑。于 是，从1990至1993年，历经3年时间，投资一亿多美元，将软件全部重新改写，于1993年推出全新体系结构的IDEAS Master Series软件。在早期出现的大型CAD软件中，这是唯一一家在90年代将软件彻底重写的厂家。 众所周知，已知全参数的方程组去顺序求解比较容易。但在欠约束的情况下，其方程联立求解的 数学处理和在软件实现上的难度是可想而知的。SDRC攻克了这些难题，并就此形成了一整套独特的 变量化造型理论及软件开发方法。在IDEAS Master Series（以下简称IDEASMS）软件系列中，变量化的理念是按如下步骤一步步实现的： IDEASMS1用主模型技术统一数据表达，变量化构画草图； IDEASMS2变量化截面整形； IDEASMS3变量化方程； IDEASMS4变量化扫掠(曲面)； IDEASMS5变量化三维特征，VGX； IDEASMS6变量化装配，PMI等。 变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用， 为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。而且SDRC这几年业务的快速增长，也证明了它走的 这条当时看起来是充满风险的研发道路是绝对正确的。也许DaraTech的96CAD市场评论是对的：看起来SDRC要飞黄腾达了。事实上，IDEASMS1发布时，SDRC市场排名仅位居第9，而在此以后，SDRC每年的排位都要超越一、两位同行，截止到去年，SDRC的市场排名已上升至第3位。无疑，变量化技术成就了SDRC，也驱动了CAD发展的第四次技术革命。 实际上，这个“参数化/变量化设计”并不是CAD软件带给我们的新设计模式，仅仅是对传统设 计过程的提炼和抽象，为的是能够将我们的设计过程在计算机软件中处理。 CAD技术基础理论的每次重大进展，无一不带动了CAD/CAM/CAE整体技术的提高以及制造手段的更新。技术发展，永无止境。没有一种技术是常青树，CAD技术一直处于不断的发展与探索之中。 正是这种此消彼长的互动与交替，造就了今天CAD技术的兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展。今 天，越来越多的人认识到CAD是一种巨大的生产力，不断加入到用户行列之中。愿CAD技术的发展伴随着人们对它认识及应用水平的提高，日新月异，更上层楼。 1、三维建模 在第一讲中我们提到：计算机上处理某物，必须有表达此物的方案（数据结构）、必须有存放此物 的容器（数据库）、必须有操作此物的工具（处理方法）、必须有填充数据的方法（输入功能）、必须有 结果处理的功能（输出功能）。CAD系统在计算机上运行，必然有同样的结构，如下图所示，CAD系统包含有三层：数据结构、模型算法、应用算法。 Ó?ÓÃËã??Êý?Ý?Í ?ÌÐîµðÓÃÊý?Ý Ä?ÐÍËã?? Ä?ÐÍÊý?Ý Êý?Ý?µ?? 其中数据结构是三维造型的最基础的部分，现在一般定义一个形体使用如下图所示的拓扑 - 18 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 （topology）结构。 /* 拓扑（学）对一般不受形状或大小变化影响的几何图形或固体物体特点的研究。*/ ? 点 点是边的端点，点不允许出现在边的内部，也不能孤立地存在于物体内、物体外或面内。点是 几何造型中最基本的元素，它可以是形体的顶点，也可以是曲线曲面的控制点、型值点、插值点。顶 点则是面中两条不共线线段的交点。 ? 边 边是形体中两个相邻面的交界，一条边只能有两个相邻的面，一条边有两个端点定界，分别称 为该边的起点和终点，它可以是空间直线或曲线。 Ä?ÐÍ??Model?? Ìå??Object?? ?Ç??Shell?? Ãæ??Face???íÃæ??Surface?? ?Õ?Ϻ???Loop?? ?ß??Edge??ÇúÏß??Curve?? ??µã??Vertex??µã??Point?? ? 环 环是由有序、有向的边组成的封闭边界，环中各条边不能自交，相邻两边共享一个端点。环有 内环、外环之分，外环最大且只有一个，内环的方向与外环相反。 ? 面 面是形体表面的一部分，且具有方向性，它由一个外环和若干个内环界定其有效范围。面的方 向用垂直于面的法矢表示，法矢向外为正向面。 ? 壳 壳由一组连续的面围成，实体的边界称为外壳，如果壳所包围的空间是个空集则为内壳。 ? 体 体是由封闭表面围成的有效空间，其边界是有限个面的集合，而外壳是形体的最大边界，是实 体拓扑结构中的最高层。 根据模型的数据结构所包含的拓扑元素的不同，可以将三维模型分为线框模型、表面模型和实体 模型。 （1）线框模型 线框模型是3D模型简单的形式，一个物体的描述是通过顶点和与之相连的边来产生的。和二维 CAD系统一样，三维CAD系统也为使用者提供了基本元素：点、直线、圆和圆弧、椭圆，以及自由 曲线，但是这些基本元素是在空间定义的。与二维处理相似，在三维系统中也能够进行像平移、旋转、 镜像和比例缩放这样的操作，只不过是在三维空间中进行。 在线框模型中，没有面和体的概念，因此无法区别物体的内部和外部，断面 也不可能被表示，更无法采用连接许多简单的几何对象的方式来构造复杂的零件， 这成为实际设计工作中最大的缺点。画一个任意的透视图是可能的，但通常不是 唯一的。此外，对于图形描述来说，还必须隐去被遮住的棱边。由于缺乏表面信 息，消隐工作不能够自动进行，而必须采用费时费力的交互方式来完成，中等复 杂程度的模型用这种方式进行处理就已经非常困难。再一个问题就是所生成的几 何模型的一致性问题，虽然给出了应用三维模型的前提条件，但由于描述棱边的 信息量较少，因此难以保证几何物体的描述没有错误。 由于缺少足够的信息量，纯粹的线框建模在虚拟产品开发中的应用受到了很大的限制，因此，在 商业化CAD系统中实际上已不再采用线框建模。然而作为一种表示形式，线框模型常常被用作为表 面模型和实体模型的基础。 （2）表面模型（曲面模型） - 19 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 表面模型是用有向棱边围成的部分来定义形体的表面，表面可以是平面、解析曲面或参数曲面。 表面模型在线框模型的基础上增加了环边信息、表面特征以及连接指针，其中还有表面特征码。各条 棱边除了给出连接指针外，还给出方向和可见、不可见信息等。 表面模型由于增加了有关面的信息，在提供三维实体信息的完整性、严密性方面，比线框模型进 了一步，它克服了线框模型的许多缺点，能够比较完整地定义三维立体的表面，所能描述的零件范围 广，特别像汽车车身、飞机机翼等难以用简单的数学模型表达的物体，都可以采用表面建模的方法构 造其模型。另外，表面模型可以对物体作剖切面、面面求交、线面消隐、数控编程以及提供明暗色彩 图显示所需要的表面信息等。 面向表面的系统可以生成其表面多次弯曲并且无法用解析法描述的物体，这种表面也称作自由曲 面。自由曲面的计算机内部描述有一个特征就是它具有插补性，或称作为近似性，为此，产生了许多 不同的自由曲面描述方法，如Bézier逼近、Coons平面、NURBS描述， 以及B样条插补。对表面模型，由于面与面之间没有必然的关系，形体在面的哪一侧无法给出明 确的定义，所描述的仅是形体的外表面，并没切开物体而展示其内部结构，因此也就无法表示零件的 立体属性，也无法指出所描述的物体是实心还是空心。因而在物性计算、有限元分析等应用中表面模 型仍缺乏表示上的完整性。 （3）实体模型 实体模型是3D建模的一个重要方法，与其计算机内部描述（数 据结构）相对应，可分成边界表示法（B-Rep）和构造实体几何法 （CSG），因为时间关系这些实体模型的数据结构描述方法我们不详细 介绍了，有兴趣的同学可以查阅相关书籍资料。 实体模型可以在计算机内部对几何物体进行唯一的、无冲突的和 完整的描述，这是它与前述的建模方法相比最基本的优点。这使得每 一次有效的操作都可以产生一个有效的模型，并且使设计者从费时费力的几何一致性检查中摆脱出来， 从而把精力放在创造性的工作上去。 实体模型有一个重要的特性就是可以通过接口为其他应用提供关于物体完整的计算机内部描述， 因此计算机辅助设计过程可以完全自动化。从数据的通用性来看，通过程序应用，整个产品生产过程 都可以得到辅助。实体建模的主要目标在于为虚拟产品提供数据库，这个数据库不仅存储几何信息， 而且还以集成的产品模型的形式存储开发过程中所有收集到的信息，并且提供给尽可能大的应用范围 和后续过程使用。其中绘制图纸就是一个后续应用，它占了设计时间的很大一部分。不同的视图可以 直接用现存的实体模型来产生，在这种情况下，截面生成和消隐之类的处理可以半自动地进行。 实体模型的特点是设计者可以采用许多不同的生成技术，以计算机内部的数据结构为条件，在较 高的几何层面上进行工作。除了前面讲到的面向表面的建模技术之外，还可使用面向实体的建模技术。 与所有其他己经讲述过的建模方法相比，实体CAD系统为交互生成几何模型提供了多种多样的输入方法，这些方法的应用在很大程度上取决于应用界面的质量。 一般来说，实体模型是通过多种技术的结合来产生的，三维实体建模不仅包括从二维网格建模到 三维网格建模直到三维表面建模系统所有已知的建模的技术，而且有助于通过新的生成原理降低复杂 的几何物体的输入费用。常见的有面向基本体素的体素法，面向表面的建模的扫描法。 （a）体素法 在面向基本体素建模时，实体模型可以通过连接基本体素来构造，实体必须有目的地分解成系统 已经提供的基本元素或者由系统本身生成的基本体素。每个实体系统都拥有一定数量的、预先定义好 的简单几何体素，这些简单的几何体素可以用较少的参数来表述，并且由系统根据这样的描述自动生 成，球体、长方体、锥体、圆柱体、截锥体、环和四面体都有是基本体素的例子。 在不同的系统中生成实体模型的方式也是多种多样的，许多复杂的构件可以通过组合相应的具有 大小和定位的基本体素来生成。 - 20 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 连接操作有： －加连接（并）； －减连接（差）； －相交连接（交）； －补充造型（补）。 通过这些连接操作，复杂的构件就逐步产生了。这样的连接被称为布尔操作或者集合运算。利用 布尔操作的建模方式与传统的CAD设计方式有着本质的区别。在传统的CAD设计中，每个棱边或表面必须逐个定义；在利用布尔操作生成实体模型时，设计者在空间中确定两个实体对象，它们在空间 中交会或分割。在调用了相应的功能（并、交、补或差）之后，所有其余的步骤由系统自动执行，从 而生成新的几何体的实体模型。在进行布尔操作时，操作数的顺序十分重要，为了使设计者有直观的 概念，有些CAD系统采用从加工技术中借用的概念－工件和工具来工作。例如钻孔、铣削、挖槽或 倒圆角和倒棱角很容易被模型化，这样它们首先被作为几何物体生成，然后被定义为工具，其目的是 为了在随后的布尔操作中被减去。为了对采用上述方法生成的几何模型进行修改，系统必须记录建模 历史，以使布尔操作的每一步都能够回退。 布尔操作应该用相对较少的输入命令完成复杂模型的定义，而在用传统的方法花费很大或者根本 不可能实现的情况下，使用布尔操作就有很大优点。布尔操作的缺点就是要求使用者有相当高的抽象 能力。 （b）扫描法 具有许多自由曲面的实体模型可以通过面向表面的建模技术来实现，在许多建模方法中还有一种 方法叫做扫描法（Sweeping），其原理是：先生成一个2D轮廓，然后沿某一导向曲线进行三维扩展，从而形成3D实体。2D轮廓是用二维CAD系统所提供的功能产生的，并被作为扫描操作的基础。 通过某一平面绕一预先定义好的轴旋转而形成一个新的物体的方法称为旋转扫描法。轴不允许分 割平面域轮廓线。柱体可以通过一个封闭的轮廓线扩展而成。除了直线平移和对称旋转外，大多数扫 描是沿任意的空间曲线进行的。用扫描法生成的壳体可以用来进行运动分析和装配检查。 还有一种技术是通过连接单个曲面片来构造实体模型。 每个建模策略在很大程度取决于实际的任务要求，以及由CAD系统所提供的基本功能。CAD系 统应该为使用者提供尽可能多的建模方法，如表面建模和实体建模，而且在一个混合的几何模型中组 合使用这些建模方法也是很重要的。由于存在多种建模的可能性，使用者在它的建模策略中会尽可能 少地受到CAD系统的限制。支持混合建模是CAD系统最基本的优点，因为这可以使设计者有较大的 设计自由度。 2、参数化造型技术与变量化造型技术 目前最新的，也是流行的实体模型生成技术主要是以Pro/E为代表的参数化造型理论和以SDRC/IDEAS为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造型技术。只有这两种 理论是在近十年产生并且赢得了广泛的认同的。在这两种理论之前的，基本上属于无约束自由造型技 术。 （a）参数化（Parametric）造型技术的主要特点 参数化造型是由编程者预先设置一些几何图形约束，然后供设计者在造型时使用。与一个几何相 关联的所有尺寸参数可以用来产生其它几何。其主要技术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动 设计修改、全数据相关。 基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而 形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造； 全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。造型必须以 完整的尺寸参数为出发点（全约束），不能漏注尺寸(欠约束)，不能多注尺寸(过约束)； 尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变； - 21 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 全数据相关：尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。 采用这种技术的理由在于：它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而牢 牢地控制住。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。尺寸驱动已 经成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已无法生存。尺寸驱动在道理上容易理解，尤 其对于那些习惯看图纸、以尺寸来描述零件的设计者是十分对路的。 工程关系（Engineering Relationship）如：重量、载荷、力、可靠性等关键设计参数，在参数化系 统中不能作为约束条件直接与几何方程建立联系，它需要另外的处理手段。 （b）变量化（Variational）造型技术的主要特点 变量化技术是在参数化的基础上又做了进一步改进后提出的设计思想。变量化造型的技术特点是 保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但在约束定义方面做了根本性 改变。 变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是 象参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。采用这种技术的理由在于：在大量的新产品开发的概念 设计阶段，设计者首先考虑的是设计思想及概念，并将其体现于某些几何形状之中。这些几何形状的 准确尺寸和各形状之间的严格的尺寸定位关系在设计的初始阶段还很难完全确定，所以自然希望在设 计的初始阶段允许欠尺寸约束的存在。此外在设计初始阶段，整个零件的尺寸基准及参数控制方式如 何处理还很难决定，只有当获得更多具体概念时，一步步借助已知条件才能逐步确定怎样处理才是最 佳方案。 除考虑几何约束（Geometry Constrain）之外，变量化设计还可以将工程关系作为约束条件直接与 几何方程联立求解，无须另建模型处理。 （c）两种造型技术之共同点 两种技术都属于基于约束的实体造型系统，都强调基于特征的设计、全数据相关，并可实现尺寸 驱动设计修改，也都提供方法与手段来解决设计时所必须考虑的几何约束和工程关系等问题。由于这 些内容大家比较容易理解，这里不再赘述。 （d）两种造型技术之基本区别??约束的处理 参数化技术在设计全过程中，将形状和尺寸联合起来一并考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状 的控制；变量化技术将形状约束和尺寸约束分开处理。 参数化技术在非全约束时，造型系统不许可执行后续操作；变量化技术由于可适应各种约束状况， 操作者可以先决定所感兴趣的形状，然后再给一些必要的尺寸，尺寸是否注全并不影响后续操作。 参数化技术的工程关系不直接参与约束管理，而是另由单独的处理器外置处理；在变量化技术中， 工程关系可以作为约束直接与几何方程耦合，最后再通过约束解算器统一解算。 由于参数化技术苛求全约束，每一个方程式必须是显函数，即所使用的变量必须在前面的方程式 内已经定义过并赋值于某尺寸参数，其几何方程的求解只能是顺序求解；变量化技术为适应各种约束 条件，采用联立求解的数学手段，方程求解顺序无所谓。 参数化技术解决的是特定情况（全约束）下的几何图形问题，表现形式是尺寸驱动几何形状修改； 变量化技术解决的是任意约束情况下的产品设计问题，不仅可以做到尺寸驱动（Dimension Driven）， 亦可以实现约束驱动（Constrain Driven），即由工程关系来驱动几何形状的改变，这对产品结构优化是 十分有意义的。 由此可见，是否要全约束以及以什么形式来施加约束恰恰是两种技术的分水岭。 （e）变量化技术的其它特点??主模型 SDRC在IDEAS Master Series首创了主模型技术。主模型技术是变量化技术的基础，是完整的产 品定义。它包括如下内容： 几何信息、形状特征、变量化尺寸、拓扑关系、几何约束、装配顺序、装配、设计历史树、工程 方程、性能描述、尺寸及形位公差、表面粗糙度、应用知识、绘图、样件及刀具设计、卡具及工装设 - 22 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 置、加工参数、运动关系、设计规则、仿真分析结果、数控加工走刀路径、工艺信息描述等等。 由此可见，主模型所包含的内容是非常丰富的。它不仅统一了软件数据结构，还提供了有关产品 设计的更全面的定义，如工艺信息等。 主模型技术彻底突破了以往CAD技术的局限，在整个产品设计全过程中实现了一致的数据结构， 为协同设计和并行工程打下了良好的基础。 3、特征造型技术 以几何学为基础的三维几何模型，只较详细地描述了物体的几何信息和相互之间的拓扑关系，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，而且还关心其尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、 材料性能和技术要求等一系列对实现产品功能极为重要的非几何信息，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，无法实现 CAD/CAM的集成。 由于几何建模系统存在一定的局限性，近几年来，人们开始研究一种新的建模方法，它面向整个 产品设计过程和生产制造过程，不仅包含了与生产有关的信息，而且还能描述这些信息之间的关系， 这就是特征建模。 （1）特征的含义 通常，特征模型是建立在实体模型的基础上，在已有几何信息上附加诸如形位公差、尺寸公差、 表面粗糙度、材料性能等制造信息。特征可以定义为零件的一部分表面，包含以下含义： ? 特征不是完整的零件 ? 特征的分类与该表面 加工工艺规程密切相关，例如，直径较小的孔可以通过一次加工而成; 而直径较大的孔，当加工精度相同时，可能毛坯上带有预铸孔，或经过多次加工，用不同的加工方法 实现，这就要 定义成两种不同的特征。 ? 描述特征的信息中，除表达形状的诸如直径、长度、宽度等几何信息及约束关系信息外，还需 包含材料、精度等制造信息。 ? 通过定义简单的特征，还可以生成组合特征。 （2）特征的建立 建立特征模型，通常可以通过不同的方法。一种是，以人机交互的方式辅助识别特征，输入工艺 信息，建立零件或产品描述的数据结构，这种方法易于实现，但效率较低，且几何信息与非几何信息 是分离的；另一种是利用实体模型信息，自动识别特征，再交互输入工艺信息，这种方式应用面广， 但由于识别能力有限，因而适用的零件范围狭小，有很大的局限性；第三种是利用特征进行零件设计， 即预先定义好大量特征，放入特征库，在设计阶段就调入形状特征进行造型，再逐步输入几何信息、 工艺信息，建立起零件的特征数据模型，并将其存入数据库。这种方法潜力较大，也正是目前研究、 探索的主要方法。 关于特征造型我们将在后续课程中详细介绍。 SolidWorks 1、SolidWorks简介 文件扩展名 2、用户界面 3、基本操作 - 23 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 1、约束的概念 约束指事物存在所必须具备的某种条件或事物之间应满足的某种关系，约束的观点反映了事物之 间的联系。 参数设计约束指设计中直线、圆弧等图素的性质、属性和图素之间满足的某种关系，以及图形和 尺寸之间满足某种关系。 2、约束度与自由度 （1）机械设计中的约束度与自由度 运动与固定是机械设计的核心问题，机械产品的功能由一系列的活动加以实现，机械设计师的主 要任务就是设计出实现产品的运动关系的机构。在机械类产品中，基本构架支撑运动部件，运动部件 完成产品功能。运动和固定的主要知识基础是约束度和自由度，约束度与自由度是相反的概念，机构 研究的一个重点就是约束度与自由度，每种机构都有其运动方式，如导轨连接允许载荷沿着导轨方向 运动，用学术术语来解释就是导轨上的载荷只有一个自由度。而如果从约束度这个角度反过来解释， 则是“导轨约束了载荷除延导轨运动以外的五个空间自由度”。 一个物体的约束度与自由度之和肯定等于6，彻底自由的空间物体拥有六个自由度，即三个坐标方向的移动自由度和围绕三个坐标轴的旋转自由度。 （2）参数设计中的约束度与自由度 参数设计中的约束度与前述概念相同，只是约束对象有了变化。设计约束度：对图素施加的某个 约束使组成图形的图素的自由度降低的个数称为该约束的约束度。 三维设计软件中约束的对象（即图素）有两种：草图绘制的对象和装配中的零件对象。 草图绘制的对象是平面上的对象，如直线、矩形、圆等，我们将这些对象称为草图实体。平面上 的草图实体只有三个自由度，即沿着X和Y的移动，以及围绕垂直于平面的Z轴的旋转（任意的绘 图平面均可以认为是XY平面）。移动改变草图实体的位置，旋转改变草图实体的角度。 装配中的零件对象是空间中的对象，其有六个自由度。 3、参数设计草图绘制中约束的分类 约束对象的约束模型将约束区分为几何约束和尺寸约束。 （1）尺寸约束。 尺寸约束表示元素之间的位置关系，如点到点的距离、边与边的夹角等。例如：长度、高度、半 径„„这样的约束是确定它们的尺寸大小和相对距离，在将来的设计中，这些尺寸可能改变，也可能 被另外的零件引用。 （2）几何约束。 几何约束表示几何元素拓扑和结构上的关系，如点在一条边上、边与圆相切、边与边平行等等。 例如：相互平行、相互同心、两线等长„„这样的约束是确定它们的几何关系，而这种几何关系在未 来的设计中（图形的尺寸驱动过程中）是保持不变的。 在SolidWorks中几何约束称作几何关系，包括如下几种： 水平、竖直、共线、全等、垂直、平行、相切、同心、中点、交叉点、重合、相等、对称、固定、 穿透、融合点。 SolidWorksSketching - 24 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 1、开始绘制草图的平面选择 SolidWorks的设计空间中默认包含三个坐标平面——称作基准面，分别是前视、上视、右视，当 生成一个新零件或装配体时，为第一个草图选择的基准面决定零件的方位。 如果建立一个新零件，并且没有选择基准面就开始绘制草图，则基准面默认为前视。 如果将绘制的第一个草图为零件的上视图，则在单击草图绘制工具之前，应在FeatureManager设计树中选择上视。如果第一个草图为右视图，则选择右视。 2、草图绘制复杂程度选择 在很多情况下，利用一个复杂轮廓草图来生成一个拉伸特征，与利用一个较简单的轮廓草图与几 个额外的特征生成一个拉伸特征，具有相同的结果。（当您为一个零件设计基体特征时经常会面临这种 选择。） 例如，如果一个拉伸特征的边线需进行圆角处理，您可以绘制一个包含草图圆角的复杂草图， 或是绘制一个较简单的草图并在稍后再添加圆角特征。 草图绘制的复杂程度是一个需要权衡的问题，二者各有利弊，下面是一些需要考虑的因素： a、重建复杂的草图时速度比较快。如：草图圆角的重建速度比圆角特征快，但是复杂草图的绘制 和编辑都比较麻烦。 b、简单的草图比较容易管理且比较灵活。如有必要，可以对个别特征重新排序和压缩。 3、选择及选择结果预览 4、基本几何元素绘制工具 5、草图编辑工具 6、标注草图尺寸（Dimensions） 使用尺寸标注工具给草图实体和其它对象标注尺寸。尺寸标注的形式取决所选定的实体项目。对 某些形式的尺寸标注(点到点、角度、圆)，尺寸所放置的位置也会影响其形式。 7、添加、修改草图中的几何关系(Geometric Relations) 单击标注几何关系工具栏上的添加几何关系图标，或单击工具、几何关系、添加，以在草图实体 之间或在草图实体与基准面、轴、边线、顶点之间生成几何关系（如相切或垂直）。 生成几何关系时，其中至少必须有一个项目是草图实体。其它项目可以是草图实体或边线、面、 顶点、原点、基准面、轴，或其它草图的曲线投影到草图基准面上形成的直线或圆弧。 添加几何关系对话框会根据选择的实体选择最佳的默认几何关系，并在选项按钮的中间以一个点 表示已经选择。已经存在的几何关系在按钮周围以黑圈标记。不适合于所选项目的几何关系将无法使 用。 通过使用显示/删除几何关系，可以查看草图中所有实体的几何关系，或查看有疑问的特定草图实 体的几何关系。如果草图有"过定义"或"无解"，可以使用显示/删除来查看并删除必要的几何关系。 - 25 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 8、草图几何体状态 (Sketch Geometry Status) 草图几何体可有以下几种状态： 完全定义：黑色。完整而正确地描述了尺寸和几何关系。 欠定义：蓝色。尺寸和几何关系未完全定义，直线可能意外地移动或改变尺寸。 过定义：红色。此几何体被过多的尺寸和（或）几何关系约束。 悬空：褐色，虚线。只适用于悬空几何模型的最后一个已知位置上自动添加草图的草图实体。 无解：粉红色。此几何位置无法使用当前的几何关系。 无效：黄色。如果草图解出，则几何体将是无效的。 9、草图的状态 草图可能处于以下五种状态中的任何一种。草图的状态显示于SolidWorks窗口底部的状态栏中。 完全定义：草图中所有的直线和曲线及其位置，均由尺寸或几何关系或两者同时定义。 过定义：尺寸或（和）几何关系过多或发生冲突。 欠定义：草图中的一些尺寸或几何关系未定义，并可以随意更改。您可以将鼠标指向端点、直线 或曲线，然后拖动它们直到草图实体改变形状。 没有找到解：草图未解出。显示导致草图不能解出的几何体、几何关系和尺寸。 找到无效的解：草图虽解出但会产生无效的几何体，如零长度线段、零半径圆弧或自相交叉的样 条曲线。 在SolidWorks应用程序中，使用草图生成特征前，您不需要完全标注或定义您的草图。然而，在 您考虑零件完成之前，应该完全定义您绘制的草图。 10、草图尺寸或几何关系状态 (Sketch Dimension or Relation Status) 草图尺寸或几何关系可能处于以下状态： 悬空：褐色，虚线。不再能够解出的尺寸（例如已删除实体的尺寸）。 满足：黑色。完全并正确定义的尺寸。 过定义：红色。一个或多个实体被尺寸或几何关系过定义。 无解：粉红色。尺寸或几何关系导致无法确定一个或多个草图实体的位置。 从动：灰色。尺寸值通过解出草图来驱动。 11、绘制草图的推荐步骤 绘制草图形状，其次确定草图各元素间的几何关系、位置关系和定位尺寸，最后标注草图的形状 尺寸。 - 26 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 1、特征的概念 特征造型技术是当今三维CAD的主流技术，利用特征建立模型既具有工程意义，又便于后期的 调整。关于特征技术有很多提法，掌握特征技术的基本概念有助于我们更好地把握CAD软件的内在特点。 特征（feature）来源于制造工程应用，在如何确定CAD造型基本方法的过程中，有一种很重要的 推动力量，即计算机集成制造系统——CIMS，这个概念来自1978年一个美国博士生的博士论文，然后这个概念就成为制造领域信息化技术和自动化技术开展的基本风标。在CIMS提出之前，制造领域已经开始了信息化进程，但是由于各个职能部门的行为方式和价值取向的差异，导致了在信息化过程 中各自为战的状况——即所谓的“自动化孤岛”。世界上许多知名的制造企业虽然花费大量的资金用于 办公、设计和制造的自动化，但是由于缺乏统一的信息共享和行为协同机制，虽然各个部门内部的自 动化程度和工作效能提高很多，整体运行效果并不佳。CIMS就是针对这种状况，提出在信息共享和 组织协同等方面改进和指导企业信息化的方式。CAD作为企业产品创新的工具系统，其生成的CAD模型是企业产品开发生产的基本数据依据，因此CAD成为信息共享和行为协同研究的核心。而要在 产品全生命周期实现信息共享，突破由于部门分割造成的认知差异，CAD模型必须具备广泛的工程语义信息，这就是特征技术的根本渊源。 可以想像，CAD系统的建模单元可以如同草图中的直线、矩形和圆一样，设定为基本的长方体、 球、圆柱体等基本的立体几何元素，然后通过布尔运算和倒圆等编辑方式形成最终的零件外形。这种 想法很简明，对于CAD本身的开发实现也较为容易，对于更加熟悉形体设计的创意设计师而言，这 种CAD软件使用起来肯定十分自然。实际上，在早期的CAD系统中就采用了这种实现方式，即便到 现在，UG等CAD软件中依然保留了这种操作方式。然而，这种设计过于抽象，其模型无法映射到下 游的工程实现中，即设计与制造之间缺乏对应性，这必然造成信息共享的困难。 特征建模技术就是针对这种情况应运而生，它采用具有工程意义的拉伸、制孔、倒圆、倒角等作 为建模的基础单元，从而在设计与制造之间建立一种共同的信息规范和交流的桥梁。 特征作为产品开发中各种信息的载体，包含了几何形状及相应的语义，将其定义为“一组具有确 定的约束关系的几何实体，它同时包含某种特定的功能语义信息”。特征可以表达为： 产品特征=形状特征＋语义信息 其中，产品特征是具有一定属性的几何实体，包括特征属性数据、特征功能和特征间的关系。形 状特征是与几何实体相联系的显式表达，具有确定的内部约束和描述参数，且同语义信息相关联。语 义信息表达了特征的某些属性，依据不同的应用，在产品生命周期中，可以对特征赋予各种不同的语 义信息，主要有设计语义信息、制造语义信息、质量检查语义信息和仿真语义信息。 特征技术的目标在于设计与制造的共享，应该说在这个方面，特征技术只建立了一种实现的基础， 要完全自动地将设计模型转换为制造实现（如CAPP，计算机辅助工艺设计）的输入还很困难，需要 开发相应的程序。而特征技术的运用对于CAD软件本身却有另外一番意义，特征作为具有工程背景 的几何单元，它的组合已经超越了传统布尔运算的减加并差，而是延伸为一种特征类型、参数和建立 时序三者共同决定产品形态的高级组合方式，因此通过特征技术，我们可以轻松地将设计意图融合进 产品模型之中，并且可以随时进行调整。另外，由于采用具有工程性的单元特征进行造型，多少减少 了设计师在设计时的随意性，有助于消除设计结果与制造实现之间的冲突。 - 27 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 2、特征建模系统的框架 特征建模是面向整个设计、制造过程的，不仅支持CAD系统、CAPP系统、CAM系统，还要支持绘制工程图、有限元分析、数控编程、仿真模拟等多个环节。因此，必须能够完整地、全面地描述 零件生产过程的各个环节的信息以及这些信息之间的关系。除了实体建模中已有的几何、拓扑信息之 外，还要包含特征信息、精度信息、材料信息、技术要求和其它有关信息。除静态信息之外，还应当 支持设计、制造过程中的动态信息，例如有限元的前、后置处理，零件加工过程中工序图的生成，工 序尺寸的计算等。因此，特征建模是一种以实体建模为基础，包括上述信息的产品建模方案，通常由 形状特征模型、精度特征模型、材料特征模型组成，而形状特征模型是特征建模的核心和基础。 a、形状特征模型 形状特征模型主要包括几何信息、拓扑信息，对不同的行业，不同条件下所给的形状特征的定义 可以完全不同。通常将形状特征定义为具有一定拓扑关系的一组几何元素构成的形状实体，它对应零 件上的一个或多个功能，能够被固定的加工方法加工成形。例如，根据机械零件的轮廓特点以及相应 的总体加工特点，可以将零件分为回转体类、板块类和箱体类。对板块类零件可以定义孔、槽、腔、 平面等特征;而孔类特征又可进一步分为光孔、台阶孔、盲孔、螺纹孔、组合分布孔等。形状特征通过 参数描述，每一个特征都对应一组唯一确定该特征的控制参数，这样易于满足CAD/CAM集成的需要。将一种形状定义为一个特征，每种特征都在产品中实现各自的功能;其尺寸标注、定位方式都遵循一定 的原则;并对应各自的加工方法、加工设备和刀具、量具、辅具。 形状特征模型以实体建模为基础，其数据结构是以实体建模中的B-Rep法为基础，数据结点包括特征类型、序号、尺寸及公差等。通常它包含两个层次，一个是低层次的点、线、面、环等组成的B-Rep法结构，另一个是高层次的由特征信息组成的结构。 b、精度和材料特征模型 精度模型用来表达零件的精度信息，包括尺寸公差、形状公差、位置公差、表面粗糙度。材料特 征包括材料的种类、性能、热处理要求等。 特征建模的框架结构如图所示。其中，形状特征、精度特征、材料特征分别对应各自的特征库， 从中获取特征描述信息。产品数据库建立在这些特征库的基础上，系统与数据库之间实现双向交流， 建模之后的产品信息送入产品数据库，并随着造型的过程而不断修改，而造型过程所需的参数从库中 查询。 图 特征建模的框架结构 3、特征建模的功能 CAD/CAM系统中特征建模的功能有以下几个方面： （1）预定义特征，建立特征库； - 28 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 （2）特征库的智能化应用，实现基于特征的零件设计； （3）为特征附加注释，并为用户列举参考特征； （4）支持用户自定义特征以及管理、操作特征库； （5）特征的消隐、移动； （6）零件设计中，跟踪和提取有关几何属性。 4、特征建模的特点 CAD/CAM一体化是当前机械设计、制造领域的方向，特征建模是CAD建模方法中的一个里程 碑，其特点主要概括为以下几个方面： （1）特征建模使产品的设计工作不停留在底层的几何信息基础上，而是依据产品的功能要素，例 如键槽、螺纹孔、均布孔、花键等，起点在比较高的功能模型上。特征的引用不仅直接体现设计意图， 也直接对应着加工方法，这样，便于进行计算机辅助工艺规程的设计及组织生产。 （2）特征建模以计算机能够理解的和能够处理的统一产品模型代替传统的产品设计、工艺设计、 夹具设计等各个环节的连接，它使得产品设计与原来后续的各个环节并行展开，系统内部信息共享， 实现真正的CAD/CAPP/CAM的集成，且支持并行工程。 （3）有利于实现产品设计、制造方法的标准化、系列化、规范化，使得产品在设计时就考虑加工、 制造要求，保证产品有较好的工艺性，可制造性，有利于降低产品的成本。 5、形状特征的分类 特征的分类依赖相应的应用领域。在零件设计及制造应用领域中，依据如下标准：每一类特征是 进行零件设计时的功能单元，同时在制造过程中，其加工方法和手段都基本上一致。在设计时，设计 人员可以采用熟悉的功能单元构造零件；在制造时，通过对特征的分析，采取相应的方法和有关数据 进行工艺设计和NC程序的编制。特征的分类如图所示。 图 特征分类 6、特征信息的表达 特征信息包括几何信息和非几何信息。几何信息以显式方式表示，以面为基础，通过关系型表格 记录几何要素的面、环、顶点等信息，为设计中几何数据的直接提取提供方便。非几何信息是制造中 所用工艺信息，包括表面粗糙度、公差、尺寸精度等，采用隐式的描述方法。通过对属性的描述，记 录相应的功能信息、制造信息以及特征间的相互关联，其特点是参数化、尺寸驱动、系统各特征完全 关联。 综上所述，特征建模作为集成系统的核心，不仅可以使设计人员以一种全新的设计方法和设计思 想进行产品开发，极大地提高了设计效率，同时，特征作为产品生命周期中各个阶段的信息的载体， 为整个设计制造中的各个环节提供了统一的产品信息模型，使产品设计、工艺设计、夹具设计等阶段 - 29 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 的信息提取更方便、灵活、一致，避免了信息的重复输入。因此，特征建模被公认为是实现 CAD/CAPP/CAM集成化的最有效的途径。 SolidWorks 1、三维参数设计软件中的特征 三维参数设计软件作为一个通用软件，由于要适应机械设计的各种不同的应用，而不同应用中的 特征可能是完全不同的，所以这些软件中的特征均以形状特征为主，融入了一些与设计功能有关的特 征种类。 三维CAD软件中的特征模型按照生成方法分为三大类： （1）基于轮廓的特征：先有被参数化约束的二维轮廓，之后按要求和软件的可能生成三维模型 特征。例如：拉伸、回转、放样„„这样的特征也可以通过布尔运算组合在同一模型中。 （2）基于已有特征的特征：先有某种特征存在，在此基础上进行修饰。例如：圆角、阵列„„ 这是一种依附于已有特征的特征。 （3）定位特征：作为坐标系的参数化控制结果，生成工作面、工作轴、工作点或者基准坐标系。 这些要素也是参数化的。 三维CAD软件提供的特征造型方法按照其功能特点分为四类： （1）基础特征在三维造型中的地位相当于草图绘制中的基本图元，是最基本的3D绘制方式，相互之间不能替代。基础特征包括拉伸、旋转、切除、扫描、放样等类型。完成最基本的三维几何体造 型任务。 （2）附加特征是在基础特征之上的特征修饰，如抽壳、倒圆和加筋等。 （3）特征操作是针对基础特征以及附加特征的整体操作工具，对其进行整体的阵列、拷贝以及移 动等操作。 （4）参考特征是建立其余特征的参考，如进行拉伸操作的草图平面，镜向操作的中心面等。参考 特征包括基准面、基准轴、坐标系等。参考特征辅助而不参与三维模型的生成。 2、Solidworks中的特征造型方法 在Solidworks中特征造型的方法包括： 基础特征：拉伸、旋转、扫描、放样、拉伸切除、旋转切除、扫描切除、放样切除等； 附加特征：圆角、倒角、钻孔（简单直孔和异型孔向导）、拔模、抽壳、筋(Rib)、圆顶、特型等； 特征操作：线性阵列、圆周阵列、镜向、比例缩放、特征复制、特征移动等； 参考特征（参考几何体）：基准面、基准轴、坐标系。 3、Solidworks中特征造型的不足 （1）SolidWorks不是分体造型（在2003版本已改进） （2）SolidWorks没有布尔运算操作（在2003版本已改进） - 30 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 特征技术具有鲜明的工程性和层次性，加上参数化技术的支持，用户可以方便地回溯到模型建立 的中间步骤进行编辑，在产品模型的控制和更改方面提供了广泛的潜力。但是特征技术强大的控制能 力犹如一把双刃剑，利用得好，可以使我们感受到实体模型维护与更改的方便。而运用不当，就会时 常陷入困惑之中，缺乏良好规划的特征关系如同剪不断理还乱的一团麻绳，点滴之处的微小修改就会 导致整个模型意想不到的结果，就像被缚住了手脚，寸步难行。我们需要了解特征的层次性和时序性， 在特征的各个层次之间合理规划建模的策略，逐步完成实体模型的建立。在零件和装配体设计中同样 需要进行仔细的规划，特征造型的优势并非体现在造型的速度，而是将特征的关系融入实体模型中， 通过对关系的调整可以迅速的完成模型的调整。 1、基于特征的CAD系统的建模层次 如下图所示，基于特征的产品造型分为四个层次: 草图、特征、零件和产品。其中特征是三维造型的基本单元。 ?ÝÍ? ?????ÎÊý Ì×ÕðÊ?Ðî?×ϵ Ì×Õð?×ϵ ???Ó?×ϵÁã?þ ??Åä?×ϵ ?úÆ? 图 基于特征的产品造型 草图提供生成特征的基本信息，如拉伸特征的截面，扫描特征中的轮廓与路径等，草图中存在着 几何约束与尺寸约束。 从草图生成特征需要追加特征构建参数，如拉伸特征中的深度，旋转特征中的回转角度等。在特 征层次中，特征之间的关系十分复杂，既包括类似于草图中的尺寸约束和几何约束，还有特征之间的 父子关系和时序关系。 一系列的特征经过组合、剪裁、阵列、镜向等操作形成零件模型，零件模型中需要体现设计意图， 反映产品的基本特性。 零件按照装配要求生成产品的整体模型，CAD软件不仅支持静态装配，还可以演示产品中零件的相互运动关系。在产品总体层次体现设计意图，如产品中零件的配置关系、零件的相互空间位置等。 草图、特征、零件之间的关系还可以采用方程式控制。因此，基于特征技术和参数化技术的CAD 系统可以采用尺寸、几何和数学 (方程式)关系表示各个层次的相互关系。 2、特征关系的类别和影响 在特征之间有如下几种关系：几何与尺寸关系、拓扑关系和时序关系。 特征之间的几何和尺寸关系主要在特征草图中设定，几何关系包括特征草图实体之间的相切、等 距等几何关联方式。尺寸关系设定特征草图实体之间的距离和角度关联。在下图中，在标注拉伸－凸 台特征的草图时利用了基体特征的草图轮廓，从而在两个特征之间建立了几何与尺寸关联，一旦改变 基体特征的轮廓，凸台的轮廓会按照尺寸关系进行相应的变化。 - 31 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 图 拓扑关系指的是几何实体在空间中的相互位置关系，相当于二维环境下草图实体之间的几何关系。 例如孔对于实体模型的贯穿关系，面之间的相切或者等距关系等都属于拓扑关系的范畴。对于特征而 言，拓扑关系主要体现在特征定义的终止条件中，如完全贯穿、成形到一面、到离指定面指定的距离 等终止条件方式决定了特征之间的拓扑关系。这种拓扑关系不会因为特征草图尺寸的变化而发生改变。 如下图所示，采用了到离指定面指定的距离方式拉伸特征，当指定面的形状发生变化时，受终止条件 控制的拉伸特征端面发生相应的变化。 图 特征建立时序是特征技术的重要特点，对于传统的几何建模方式而言，模型中几何实体元素的建 立次序并无所谓。而对于特征技术而言，由于前面介绍的特征关系问题，使得特征建立的次序成为一 个不能不考虑的重要因素。首先后期的特征往往需要借用前面特征的有关要素，例如新特征使用已有 特征的模型面作为草图绘制平面，在定义草图时借用己有特征的轮廓建立几何和尺寸关系等。其次， 一个特征的拓扑关系是在前面已有特征的环境下设定的，而不会影响到其后的特征。例如在下图中， 采用完全贯穿方式生成六边形拉伸切除，该切除只影响已经生成的特征，而后面生成的特征将不会受 影响。 图 3、父特征与子特征，父子关系 如果一个特征的建立参照了其他特征的元素，则被参照特征成为该特征的父特征，而该特征称为 父特征的子特征。父特征与子特征之间形成父子关系，在SolidWorks的帮助文件中这样解释父子关系： - 32 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 , 当某些特征生成于其他特征之上时，则以前生成特征的存在决定了它们的存在。此新的特征 称为子特征。例如，一个实体上有一个孔，孔便是这个实体的子特征。 , 父特征是其他特征所依赖的现有特征。例如，凸台是其边线圆角特征的父特征。 父子关系的这种解释方法重点放在了特征的建立次序方面，实际上并没有包含父子关系的所有方 面，这里将父子特征关系区分为如下表所示的几种类型。 表 父子关系的类型 父特征为子特征的建立提供基准参照。例如凸台特征利用基体特征的模型基准关系 表面作为草图绘制平面圆角特征使用拉伸特征的边线为圆角参照等 子特征草图生成过程中参照父特征的轮廓建立尺寸或者几何关联，父特征几何与尺寸关系 的变化会直接引起子特征的相应变化 子特征定义过程中需要参照父特征，例如子特征终止条件采用成形到一面，拓扑关系 该面所属特征成为父特征 派生关系 例如镜向特征阵列特征源特征是派生特征的父特征 采用数学关系——方程式来设定特征之间的关系，方程式中自变量相当于数学关系 父特征而因变量相当于子特征 在特征管理树中，子特征肯定位于父特征之后，不要试图将子特征移动到父特征之前。 删除父特征会同时删除子特征，而删除子特征不会影响父特征。 4、特征技术应用的关键 设计的控制是产品设计中的关键问题，三维设计不仅在效率和造型方法方面改变了传统手工设计 的基本方法，更为主要的是三维产品设计由于应用特征技术、数据一致性和设计信息的全局化应用等 特点，导致其控制的重要性远远大于造型本身。打个形象的比方，在传统的手工设计阶段，我们采用 的是效率低下的图板，就如一个小孩子只是骑着童车，虽然速度缓慢但是安全，设计图纸中的错误可 以采用同等的工作量去进行修正。 而在利用基于特征技术的CAD系统时，虽然可以方便地利用其中的父子关系、变更参数等高效 率的建模方法，但是如果在特征关系处理上方法失策，就会为后续的工作积累无穷的隐患，这就如一 个小孩子在骑摩托车，虽然速度很快，但却增加了危险性。因此拥有了三维特征造型软件，我们就需 要改变过去传统的产品设计方法，而是要深入了解各种特征技术的功能和应用场合，并且努力做到设 计意图与产品造型方法选择的一致性。如果没有做到这点，而只是去了解几何建模的技巧，最终的结 果就会遭遇时下很多工程人员所面临的尴尬局面:在造型的初期经常去尝试各种新奇的方法，但发现造 型结果中各种特征的关系如同一堆乱麻，剪不断理还乱，修正模型往往需要花费巨大的工作量去理清 几何模型中的各种关系，甚至痛下决心重新来过。久而久之，建模时变得保守起来，在内心中制订了 许多规则，希望离各种特征技术越远越好，这样虽然稳妥了许多，但是特征技术的优势便荡然无存， 成了一个单纯的几何工具。所以了解并掌握特征关系是使用三维CAD软件的终极目标之一。 5、特征建模的一些基本规则 特征层次的关系需要与草图中图元的关系区分开，SolidWorks为达成一种目标提供了多种可能的途径，这也是Windows软件的基本原则。但是在一般Windows软件的操作中，途径不一样一般只是 在操作效率上有所区别。而在特征造型中，由于层次性和建模时序的交织，不同的建模方式不仅在速 度上有所差异，更会影响到后续的模型维护与修改等方面。 通过基于CAD系统的层次性分析和特征之间关系的分析，我们可以提出如下几种基本的特征建 模中需要遵循的原则。 , 合理规划关系出现的层次，草图、特征、零件乃至产品层次都可以定义关系，定义关系所处 的层次需要注意：比较固定的关系应当封装在较低的层次，而需要经常调整的关系放在较高 的层次。尤其在草图层次，需要将固定的几何关系与尺寸关系明确地定义下来。 - 33 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 , 按照特征的重要性和尺度进行建模，先建立构成零件基本形态的主要特征和较大尺度的特征， 然后再添加辅助的圆角、倒角等辅助特征，这样对于后期添加的辅助特征的修改不会引起过 多的连锁反应。 , 与草图相类似，先确立特征的几何形状，然后再确定具体的特征尺寸，在必要的情况下添加 特征之间的尺寸和几何关系。通过调整特征，查看相关变化，可以了解添加尺寸和几何关系 的必要性。 , 熟练掌握查看特征之间父子关系、特征之间几何与尺寸关系的方法。 1、零件设计的地位和基本任务 零件设计是产品设计的基本组成部分，就企业而言，零件设计的功能包括如下几个方面： , 结构设计 将产品决策阶段的产品功能实现方案转换为具体的结构实现。确定产品各部分的几 何形状和精确尺寸。这是零件设计最基本的任务。 , 工程属性定义 按照产品的运动要求、材料的力学属性等指定产品的工程属性，如运动配合与 静态配合的公差，零件金属材料的选用和热处理方式等。产品工程属性的确定需要企业中制 造部门的参与，这样有助于产品设计结果与企业制造资源和制造习惯的协调。 , 产品系列化 为了满足市场需求的多样性，企业往往推出规格与配置有所差别的产品系列。这 需要在设计中指定相应的零件规格系列和产品装配配置方式。 , 产品设计规范和信息存档 对于初具规模的企业而言，产品的设计与制造都是连续性的行为， 因此继承以往的设计与制造经验具有极其重要的意义，在企业中有相应的资料管理和规范制 订部门负责企业规范和标准化的实施工作。在产品设计中既需要利用已有的规范，也需要考 虑将典型的新设计方案上升为企业设计规范。 , 设计展示 企业面向客户需求展开相应的产品开发活动，因此产品的设计需要采用生动直观的 方式展现给客户，产品的展示设计方案是产品设计的重要组成部分。 CAD在各个方面支持零件设计的任务实现，本讲结合工程需求对CAD的零件设计进行介绍。而由于特征技术的特殊性，CAD的零件设计需要深入结合特征技术的功能。 2、零件设计的基本步骤 从设计的起点和依据划分，产品设计分为自底向上设计与自顶向下设计两种。自顶向下设计方式 需要采用装配环境的功能，所以只介绍其概念，具体的讨论需要在讲述SolidWorks装配体操作后进行。本讲所介绍的零件设计主要针对自底向上设计以及比较简单的独立零件设计。 自顶向下和自底向上设计的区别在于设计出发点和依据的不同，自底向上设计从单一的零件个体 着手，在完成零件设计后进行装配从而完成整个产品的设计。而自顶向下设计则是先确定产品总体的 基本结构，包括装配接口尺寸和空间关系，以此为依据展开单一零件的设计工作。这两种设计途径各 有所长和适用环境，并不能够说明哪种设计方式具有绝对的优势。 自底向上设计由于设计目标明确，牵扯范围小，设计过程比较容易把握。在这种设计方式中一般 需要确定一个零件设计的次序，后续设计的零件参考前面已经完成或者即将完成设计的零件尺寸和空 间结构，因此整个设计过程就像一个串联电路，方向单一、关系简明。然而这种设计方式的缺点也很 明显，首先是工作效率的低下，在复杂产品设计中，必须严格制订和遵守零件设计的次序，对小组设 计支持性较差，一旦展开设计活动的并行，协调起来十分麻烦，而且容易出错。如果零件的空间结构 和运动关系十分复杂，自底向上设计容易导致零件设计之间的冲突。 自顶向下设计方式由于首先进行装配体的设计，零件之间的装配关系和尺寸关系都得到基本确认， 因此可以将零件设计任务进行划分，分配给多个设计人员同时进行设计，这有助于提高整个设计的效 率。但在实际应用中，自顶向下设计并非尽善尽美，由于在设计初期零件的基本空间尺寸结构还没有 - 34 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 确定，很难预知零件之间的相互关系，因此说单纯的自顶向下设计方式就如同搭建一个空中楼阁，缺 乏建筑的基础。在实际设计中，自顶向下设计方式最主要的优势体现在解决具有复杂运动方式和空间 结构的产品设计需求上，通过在装配环境中定义与调整相关零件的尺寸和几何形状，可以有效地保证 产品的运动要求。 因此，在实际工作中，我们往往综合两种设计方式，从而在设计的效率、精确性等方面取得均衡。 一般的设计流程如下。 （1）首先通过小组共同讨论的方式确定产品的基本构造，将产品分解为部件，并将分解的设计任 务分配给对应的设计小组，这是设计过程的第一步分工。在讨论中主要借助传统的手工草图方式描述 产品的框架结构，也可以借助于3DSMAX、MAYA等快速造型工具进行产品的演示性设计。由于在产 品总体层次上的分工往往基于物理效应和功能级别的分解，部件之间的耦合性较小，也就是说部件之 间的接口较少，而且易于保障，因此这种分工一般不会导致由于分头设计而造成冲突。 （2）当部件设计任务分配到设计小组后，再次展开组内的讨论，确定部件中结构最为复杂、性能 最为重要的零件作为关键零件，围绕此零件进行相应的设计，主要的设计职责由组内的“技术权威” 承担，这属于自底向上的设计方式，也是产品设计中的第二次分工。而在关键零件设计完成后，就可 以将该关键零件进行装配，在装配环境下展开其他零件的设计，此时采用的是自顶向下的设计方式。 （3）在基本的结构设计完成后，重新召开由各个设计小组的负责人参加的协调会，进行产品的装 配试验和运动仿真，考查部件的配合性能，检查其中是否存在干涉。如果存在问题，就需要进行讨论 和协调，制定出解决方案。各个设计小组按照解决方案进行零部件设计的调整和修正。经过多次反复 后，形成满意的产品设计。 （4）产品设计完成后，需要进行系列化，这是满足市场需求多样性的有效方式。针对产品设计的 结构形式和尺寸进行系列化调整，从而形成产品族。 （5）最终的设计成果需要进入产品数据管理系统，进行保存，作为今后设计的参照。 分析设计的基本步骤，可以看出零件设计的结果要满足易于调整和系列化的需要，因此在设计中 需要采用特定的技术，这就是我们前面所说的设计控制问题。 1、尺寸标注对象的选择 2、方程式关联尺寸 3、共享数值 - 35 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 装配是一个宽泛的概念，不仅仅是零件组装成部件、机器或设备，在设计中产品对用户的适应也 是一种装配，第一讲中我们介绍了几个这样的例子。本讲中不过多讨论产品与用户的装配问题，仅从 产品的结构设计出发，讨论装配设计。 产品是不同功能单元的集成体，机械类产品一般由支撑、传动和核心功能等几部分构成，通过零 部件之间的静态配合和运动连接共同完成产品的整体功能。产品的最终结果是一个装配体，设计的目 的是得到结构最合理的装配体。装配体中包含了许多零件，如果单独设计每一个零件，最终的设计结 果可能需要进行大量的修改。如果在设计中能够充分的参考已有零件的结构，可以使设计更接近装配 的结构，也就是说在装配的状态下进行设计工作。 在第四讲中我们介绍的零件的设计步骤，也包含了装配设计的内容，实际上，可以认为该步骤是 产品结构设计的步骤。 CAD 装配是三维CAD软件的三大基本功能单元之一，在现代设计中，装配己不再局限于单纯表达产 品零件之间的配合关系，已经拓展到更多的工程应用领域，如运动分析、干涉检查、自顶向下设计等 诸多方面。在现代CAD应用中，装配环境已经成为产品综合性能验证的基础环境。 在三维CAD软件中装配的基本概念如下： , “地”——装配既然表达产品零部件之间的配合关系，必然存在着参照与被参照的关系，对 于静态装配而言，还无所谓参照与被参照，但是如果两个零件之间存在运动关系时，就必须 明确装配过程中的参照零件。在装配设计中有一个基本概念“地”(ground)，即相对于环境 (基 准)坐标系而言静态不动的零件，一般将产品中的支撑部分作为装配中的“地”。在每个子装 配体中，也同样有“地”的概念，一般将子装配体中体量较大，与其他零件配合关系较多的 零件选为子装配体中的“地”。在整体装配中，子装配体作为一个部件，既可能是“地”， 也可能不是“地”。 , 全约束与欠约束、静装配与动配合——在Pro/Engineer中，明确地将零件之间的装配关系分 为Constraint（约束）和Connection（连接）两种，前者对应于工程领域中的静装配，即配合 关系完全约束零件之间的运动可能性（在企业实践中，甚至为了保证配合的稳固性，还经常 采用过约束配合），后者对应于工程领域中的动配合，如回转销、导轨等配合方式。SolidWorks 中不通过静与动来区分装配方法，而是采用统一的装配方法进行零部件的装配。当零部件的 装配关系还不足以固定零部件时，装配体处于欠约束状态，或者称为动配合，此时尚未完全 固定的零部件（称为浮动的零部件）可以在装配环境中运动。当施加的装配关系完全限制了 零部件的运动自由时，称为全约束或者静装配，该零部件都被固定在其装配位置，无法运动。 零件装配的基本步骤包括： （1）设定装配体的“地”零件。 （2）将其他零件调入装配环境，尚未指定装配关系的零件可以在图形区中随意地移动和旋转，称 - 36 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 为浮动零件。 （3）设定浮动零件的装配关系。 （4）依次进行步骤（2）和步骤（3），直至完成所有零件的装配设定，形成装配体。 装配是定义零件之间几何运动关系和空间位置关系的过程，每个零件在自由的空间中具有六个自 由度:三个平移自由度和三个旋转自由度。而装配关系包括平面约束、直线约束、点约束等几大类。每 种约束所限制的自由度数目不同。由于时间限制，不可能对所有的配合方式进行列举和说明，具体的 知识可以参照机械原理方面的书籍。 与工程中经常使用的定位方式和零件关系相对应，SolidWorks主要提供了如下几种类型的配合关 系:平面重合、平面平行、平面之间成角度、曲面相切、直线重合、同轴心和点重合等，下表列举了不 同几何特征之间可能具有的约束类型。 表 几何特征间的约束类型 点 直 线 圆 弧 平面或基准面 圆柱与圆锥 点 重合、距离 重合、距离 ? 重合、距离 重合、同轴心、距离 重合、平行、垂重合、平行、重合、平行、直 线 重合、距离 同轴心 直、相切、同轴心、垂直距离、角度 垂直、距离 距离、角度 圆 弧 ? 同轴心 同轴心 重合 同轴心 重合、平行、平面或基准面 ? ? ? 相切、距离 垂直、距离、角度 平行、垂直、相圆柱与圆锥 ? ? ? ? 切、同轴心、距离、 角度 注：? 表示两种几何实体之间无法建立配合； ? 因为不同的几何实体类型在进行配合时无所谓选择的先后次序，因此点与直线等同于直线与 点，在表中?表示为对称的内容； 角度指在装配体前视面中的投影角度； 在SolidWorks中还支持对曲面、凸轮和球面的装配，由于使用较少，本表中没有列举，可查阅 So1idWorks帮助。 如果选择的两个几何实体之间无法生成可能的配合关系，图形区中会出现一个提示框说明无法配 合这些选中的实体。通过对上表的分析，可以看出:平行、垂直、相切、同轴心、距离和角度是主要的 几种配合类型，另外还有一种需要选择三个几何实体的装配方式——对称，即两个几何实体（包括点、 面、直线等）相对于一个基准面对称。 SolidWorks 1、配合 通过系统自带的Sample文件作装配练习，文件目录为： C:\Program Files\SolidWorks\samples\tutorial\universal_joint 先打开文件ujoint.sldasm分析、确定该装配体的装配结构； 然后按照如下顺序插入各零件，完成装配。 - 37 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 bracket.sldprtyoke_male.sldprtspider.sldprtyoke_female.sldprtu-joint_pin1.sldprt u-joint_pin2.sldprtcrank-shaft.sldprtcrank-arm.sldprtcrank-knob.sldprt 2、SmartMates 3、零件编辑 4、生成爆炸图 例：皮带轮传动机构的设计 - 38 - 三维参数化造型及设计 邱龙辉 - 39 -