机械自动化构型设计基础.ppt

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1、,第8章 构型设计基础,在设计中，有什么好的构思、灵感，通常是先用平面图形来表达其轮廓特征，然后再修改、完善、造型。平面几何图形构形是二维构形，主要是用几何图形形状和组合来表达工业产品、设备和工具等，其依据来源于设计者对丰富的现有产品的观察、分析、综合、改进。,8.1 平面图形构形,8.1.1 平面图形构形设计的一般原则,8.1.2 平面图形构形设计实例,8.1.1 平面图形构形设计的一般原则,1. 表达功能特征原则,平面图形的构形设计，构成的整个图形应能充分地表达功能特征。如图8-1a所示代步用的自行车与图8-1b所示购物用的小推车构形时，就必须考虑到其不同的使用特点。,a) 自行车 b)

2、小推车,图8-1 功能特征比较,1. 表达功能特征原则,如图8-1c所示,小轿车要表现其轻便、高速的特点，使外观更加扁平、轻巧，可设计成流线型，而浏览大客车要考虑多装旅客，车体应宽；为改善视野和采光条件，车窗应加大，车身和座椅的高度应提高，如图8-1d 所示。,c) 小轿车 d) 浏览大客车,图8-1 功能特征比较,2. 注意工程化原则,工程化是指图形的取材、描述和表达的对象主要是工程产品、设备与工具等。如图8-2所示的工程化构形设计。,a) 连杆 b) 钓钩 c) 路灯 图8-2 工程化构形设计,3. 便于标注尺寸与加工原则,一般工程设计应尽量避免采用自由曲线，通常用一些平面图形和圆弧连接构

3、形。如图8-3 摇臂的设计。,图8-3 摇臂,4. 运用图形变换原则,将常用图形（如正多边形、圆等）按一定规律进行变换，即可设计出形态各异、寓意深远的图案。如图8-4所示为几种平面图形变换规律。,a) b) c) 图8-4 平面图形变换,5. 考虑美学、力学、视觉等方面的整体效果原则,a) 表示动感 b) 表示对称稳定,c) 表示拉力平衡 图8-5 平面图形设计的效果,8.1.2 平面图形构形设计实例,1. 样板平面图形设计,（l）设计要求 用倒角矩形、圆和圆弧组成； 不标注尺寸。 （2）设计的样板 设计如图8-6所示。,图8-6 设计的样板,2. 平面图案构形设计,（l）设计要求 用正三角形

4、、圆和圆弧组成； 有粗实线、细实线、虚线； 不标注尺寸。 （2）设计的图形,设计如图8-7所示。,本图案主要运用了圆的环形阵列和三角形旋转变换构成了类似于花朵的图案。,图8-7 设计的平面图案,几何造型是通过点、线、面、体等几何元素，经过平移、旋转、变比等几何变换和并、交、差等集合运算，产生实际或想象的物体模型。,8.2 几何造型,8.2.1 几何造型的应用 8.2.2 造型要素 8.2.3 组合体的构型 8.2.4 几何造型系统的模型 8.2.5 常用的几何造型方法 8.2.6 几何造型设计实例,8.2.1 几何造型的应用,1. 三维几何设计,4. 机器运动仿真,2. 有限元分析,3. 产品

5、制造过程模拟,图8-8 三维几何设计,图8-9 有限元分析,8.2.2 造型要素,1. 形状 形状是指一件产品的三维造型，主要表现在产品外观凹凸、起伏变化。 2. 材料 材料是构成形体的分子，对造型有着重要的影响作用。材料有各自的视觉性格，为了使材料更符合使用与视觉要求，设计时必须对材料的表面作适当的设计。 3. 表面 运用不同材料的表面，妥善加以组合配置或对材料表面进行再处理，可分别给予使用者以各种不同的视觉感受。 4. 色彩 人们生活在五彩缤纷的世界中，才感到无比的欢乐，有色彩的形状远比无色彩的形状更容易吸引人的注意力。,8.2.3 组合体的构型,在计算机实体造型系统中，常采用以下方法构建

6、组合体：,1. 并运算（叠加） 将两个或两个以上的面域或实体合并成一个整体。,手柄 b) 圆柱销 c) 螺栓坯 图8-10 并运算,2. 差运算（挖切） 从两个或两个以上的面域组或实体组去掉一个或多个面域、或实体得到一个新的面域或实体。,a) 螺母坯 b) 三通管接头 图8-11 差运算,图8-12 交运算,3. 交运算 确定多个面域或实体之间的公共部分得到相交部分的形体。,4. 拉伸 将某些二维线或平面图形沿某指定路径拉伸为复杂的几何实体。,图8-13 下水管,5. 旋转 将某些二维线或平面图形绕指定轴旋转生成几何实体。,图8-14 花瓶,1. 线框模型 线框模型仅由描述对象边界的点、直线和

7、曲线组成。由于没有面的信息，不能表示表面含有曲面的物体；也不能明确地定义给定点与物体之间的关系（点在物体内部、外部或表面上），所以线框模型不能处理许多重要问题，如不能生成剖切图、消隐图、明暗色彩图，不能用于数控加工等，应用范围受到了很大的限制。,3. 实体模型 实体模型能够完整地、无歧义地表示三维形体的所有形状信息，可以无歧义地确定一个点是在物体外部、内部或表面上，可以计算和分析物体的整体性质，如物体的表面积、体积、重心等，能够进一步满足有限元分析等应用的要求。,2. 表面模型 表面模型在线框模型的基础上，增加了物体中面的信息，用面的集合来表示物体，而用环来定义面的边界。表面模型扩大了线框模型

8、的应用范围，能够满足面面求交、线面消隐、明暗色彩图、数控加工等需要。,8.2.4 几何造型系统的模型,1. 实体造型 实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本元素为单位元素，通过集合运算(拼合或布尔运算)，生成所需要的几何形体。 (1) 基本体素 拉伸体：一条封闭的曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的实体。 旋转体：一条封闭曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的实体。 扫描体：一条或多条封闭的截面曲线沿一条轨道按一定的规律运动而生成的实体。 等厚体：与原始曲面偏移给定厚度值而形成的实体。 缝合体：由一组封闭曲面缝合而成的实体。 倒圆体：在实体的棱线处，生成一个与该棱线处的两相邻表

9、面相切的圆弧型过渡体。 倒角体：在实体的棱线处，生成一个给定角度和长度的倒角体。 (2) 工艺特征形体 包括凸台、凹腔、孔、键槽、螺纹、筋等。 (3) 拓扑操作 对体素进行并、交、差布尔运算及用曲面片体修剪体素而生成新的实体。,8.2.5 常用的几何造型方法,2. 曲面造型 (1) 由曲线构造曲面 旋转曲面：一轮廓曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的曲面。 线性拉伸面：一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。 直纹面：在两曲线间，把其参数值相同的点用直线段连接而成的曲面。 扫描面：截面发生曲线沿一条、二条或三条方向控制曲线运动，变化而生成的曲面。可根据各发生曲线与脊骨曲线的运动关系，把扫描

10、面分为平行扫描曲面、法向扫描曲面和放射状扫描曲面。 网格曲面：由一系列曲线构成的曲面。根据构造曲面的曲线的分布规律，网格曲面可分为单方向网格曲面和双方向网格曲面。单方向网格曲面由一组平行或近似平行的曲线构成；而双方向网格曲面由一组横向曲线和另一组与之相交的纵向曲线构成。 拟合曲面：由一系列有序点拟合而成的曲面。 平面轮廓面：由一条封闭的平面曲线所构成的曲面。 二次曲面：椭圆面，抛物面，双曲面等。,2. 曲面造型 (2) 由曲面派生曲面 等半径倒圆曲面：一定半径的圆弧段与两原始曲面相切，并沿着它们的交线方向运动而生成的圆弧型过渡面。 变半径倒圆曲面：半径值按一定的规律变化的圆弧段与两原始曲面相切

11、，并沿它们的交线方向运动而生成的圆弧型过渡面。 等厚度偏移曲面：与原始曲面偏移一均匀厚度值的曲面。 变厚度偏移曲面：在原始曲面的角点处，沿该点曲面法矢量方向偏移给定值而得到的曲面。 混合曲面（桥接曲面）：在两个（或多个）分离曲面的指定边界线处，生成一个以指定边界为生成曲面的边界线，与所选周围原始曲面圆滑连接的中间曲面。 延伸曲面：在曲面的指定边界线处，按曲面的原有趋势（或某一给定的矢量方向）进行给定条件的曲面扩展而生成的曲面。 修剪曲面：把原始曲面的某一部分去掉而生成的曲面。 拓扑连接曲面：把具有公共边界线的两个曲面进行拓扑相加后的曲面。,3. 三维参数化造型 在CAD系统中，常采用基于特征的

12、三维参数化实体造型方法，所谓特征，就是为满足自动化生产要求，将加工用到的倒角、孔、凸台、凹腔、键槽等形状信息和工程信息单独提取出来而形成的产品信息的集合。 零件的特征分为两类： (1) 工作特征 又称定位特征、辅助特征，主要指工作点、工作轴和工作平面，它提供设计、实体造型和装配的基准。 (2) 几何特征 又分为草图特征和放置特征两种。 草图特征是在草图(二维封闭轮廓)的基础上生成的特征，它支持多草图和动态草图，一次就能生成很复杂的特征。 放置特征是不需要草图，在其他特征上面给出位置就可生成的特征。放置特征有：倒角特征；圆角特征(定半径、变半径)；圆孔特征(直孔、沉孔、倒角孔)；曲面切割特征；零

13、件分割特征；零件布尔运算特征等。,4. 装配造型 装配建模有两种方法，即自底向上建模和自顶向下建模。 (1) 自底向上建模 在整体方案确定后,设计人员利用CAD工具分别进行各个零件的详细结构设计，然后定义这些零件之间的装配关系，形成产品模型。 (2) 自顶向下建模 首先建立产品的功能表达，并分析这种表达是否满足产品要求，然后当设计者利用CAD系统不断细化零件的几何结构，以保证零件的结构满足产品的功能要求，建立产品模型。,在产品造型时最常用的造型方法：造型时根据产品的主要结构建立特征曲线，通过拉伸、旋转等建立一个合理的“毛坯”，再采用布尔“并、交、差”运算，在实体之间合并、挖除、相交成型，同时还

14、可以使用面片体作为“刀具”将“毛坯”实体剪切去除，以获得实体的外观形状。 注意：用以修剪、分割实体的曲面片“刀具”各边缘都应超出“毛坯”剪切截面边缘，以确保剪切该去除的部分。,法兰盘的三维造型设计 1. 造型要求（图8-15 法兰盘零件图）,(1) 法兰盘上两个16.32的螺栓孔相对于轮廓左圆弧和右圆弧成对称，孔还相对于竖直和水平中心线成对称。 (2) 相邻圆弧之间的对称关系迫使轮廓在尺寸变更时保持其形状。 (3) 左圆弧、右圆弧与大凸台圆弧全等。 (4) 大凸台的底面与基体左侧面重合。 (5) 小凸台与大凸台同轴。,8.2.6 几何造型设计实例,图8-15 法兰盘零件图,2. 造型分析,(1

15、) 中心线 水平中心线设定两个圆中心之间的距离，并帮助定义水平圆弧上相邻点之间的对称关系。竖直中心线可帮助编辑竖直圆弧上相邻点之间的对称关系。 (2) 几何关系 法兰盘零件由基体、大凸台、小凸台组成。图8-16a圆弧1和圆弧2为基体一部分，用来生成基体拉伸的圆弧，与边线相切；螺栓孔、基体上连接圆弧的四条边线可以应用镜像来绘制；图8-16b圆弧3和圆弧4为大凸台一部分，用来生成凸台拉伸的圆弧。,a) b) 图8-16 法兰盘零件几何关系分析,3. 造型步骤,(1) 画出用来定位的竖直和水平中心线； (2) 按尺寸画出法兰盘零件左视图； (3) 将图8-16a基体二维线转变成面域；,a) b) 图

16、8-16 法兰盘零件几何关系分析,3. 造型步骤,(4) 拉伸基体和作为螺栓孔的两个小圆柱，高度为23.21mm。如图8-17a。 (5) 拉伸大凸台圆柱，高度为34.5mm。如图8-17b。 (6) 拉伸小凸台和作为中心孔的圆柱，高度为45.48mm。如图8-17c。,a) 基体拉伸 b) 大凸台拉伸 c) 小凸台拉伸 图8-17 法兰盘零件分步造型,3. 造型步骤,(7) 用布尔运算分别在基体、凸台上差去小圆柱，得法兰盘三维模型如图8-18a。 (8) 倒圆角，完成法兰盘零件造型如图8-18b 。,a) b) 图8-18 法兰盘零件三维造型,采用CAD造型软件，利用特征造型，还可使用出现在

17、文件窗口中的系列零件设计表来生成多个配置，对法兰盘上孔、圆柱进行尺寸配置更改。例如更改以下的特征参数： 图8-17a 基体拉伸中螺栓孔之间的圆弧半径和距离； 图8-17b 凸台拉伸中圆的直径； 图8-17c 中心切除圆的直径； 通过尺寸的参数化更改，以得到所需的法兰盘零件。,综上所述，在进行产品造型前，应先对产品进行剖析，确定产品结构的主要特征和合理的建模顺序。 有些产品看起来相当复杂，造型时感到无从下手，但只要能合理地对产品进行分解，确定产品结构的主要特征，分清哪些是基本特征（如配合面，保证产品外形轮廓的特征），哪些是构造特征（如面与面之间的过渡、凸台、凹腔、倒圆、倒角等）。从基本特征入手，

18、保证重点，产生合理的造型“基体”或称之为“毛坯”。在这“毛坯”上完成细节部分，如过渡面、局部凸台、凹腔、孔、筋条等。这样主次分明，先做什么，后做什么，问题就迎刃而解了。,随着信息技术飞速发展、市场竞争日趋激烈，工业产品由传统的机械产品向机电一体化、信息电子产品方向发展，其技术含量大大提高。同时，社会的消费观念也不断发生变化，产品的功能已不再是消费者决定购买的最主要因素，产品的创新性、外观造型、个性化、环保性等因素愈来愈受到重视，在竞争中占据突出地位。计算机辅助造型设计技术正深深地影响着工业产品的设计制图的发展。,8.3 工业产品的设计制图简介,8.3.1 产品描述方法的演变 8.3.2 产品的

19、开发过程与产品的创新设计 8.3.3 现代产品设计制图,8.3.1 产品描述方法的演变,为了进行生产，最初的产品是由人工绘制立体图，没有制图标准。随着生产的发展，制订了制图标准，按照制图标准，进行产品的结构设计，人工绘制二维图纸。随着计算机技术的出现和发展，为了减轻人的劳动，采用了计算机辅助绘制二维图纸，有了电子图。然后从二维图到三维线框造型，再到三维实体造型，建立了数字原型，有了数字原型，就可以进行装配性检查和运动仿真，这就产生了虚拟产品原型，实现从几何描述到功能描述。 目前，工业产品的组成正在变化，将来的工业产品由不同元器件和部件装配而成，有机械的、电气的和电子的等，例如汽车，电子器件将占

20、汽车成本的30%以上，汽车发动机有10个芯片传感器，非金属零件不断增多，机械制造领域在扩大，不仅与信息技术交叉，微机械和生物应用将成为新的亮点，例如：完成医疗手术的机器人，执行间谍任务的苍蝇飞机等。,8.3.2 产品的开发过程与创新设计,1. 产品的开发过程 (1) 明确产品开发目的。 (2) 进行消费者需求、产品功能等方面的市场调研。 (3) 可行性研究。 (4) 设计展开。 (5) 样品的制作。 (6) 销售调查。 (7) 面向生产的展开阶段。 (8) 生产计划。 (9) 设备及市场的准备。 (10) 生产与销售。,创新有两类： 第一类创新：原理上的改变，从无到有的创新，如科技发明； 第二

21、类创新：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。 常说的产品的个性化，更多地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的价值取向，也就是个性化的产品。换言之，产品的创新性设计是一种针对人的潜在需求的设计。人在生活中会遇到各种难点或不便，从而产生需求。创新是产品设计的灵魂，一个新产品在功能、原理、布局、形状、结构、人机、色彩、材质、工艺等任一方面的创新，都会直接影响产品的整体特性，影响产品的最终质量和市场竞争力。,2. 产品的创新设计,8.3.3 现代产品设计制图,1. 设计草图的作用

22、在方案的确定、准备、调查和可行性研究阶段，设计草图的作用有以下四点： (1) 资料搜集 即用设计草图的方式观察记录生活，记录世界设计潮流的最新动向，以便分析研究。 (2) 形态思考 设计过程是一个思维跳跃和流动的动态过程，通过设想、分析和优选，从而产生大量的设计方案。其思考的过程和结果必须通过设计草图表现出来并进行推敲。 (3) 记录构思 一个完整的设计过程需要有完整的形象记录，这种记录只有设计草图才能完成。 (4) 意图表达 现代工业设计是一个社会性的 、集体化的创造过程，在设计的各个阶段，设计师要把方案表达出来供研讨；设计的结果要与审定者、生产者和使用者见面。在这些阶段的设计表现中 ，设计

23、草图是最迅速便捷的展示方式或辅助说明手段。,(1) 关注研究动态的、与使用者相关的人机界面问题。如研究人在产品操作中的动作，记录相关数据，从而在设计中，充分使用这些数据作为产品尺度定位的依据。 (2) 对产品的形态的研究，还包括产品的形体构造和表面属性。而表面属性就是色彩及材料表面肌理效果。使设计人员在设计过程中，直观地评估表面的质量和设计的美观程度。通过应用和更改颜色及纹理，模拟多种产品材料，不需要实体模型就能立即得到直观的反馈。提高了用户使用图形交流思想的能力。 (3) 设计人员“用图形表达”产品设计思想。可帮助客户选择设计，或者赢得新业务，在产品生产前进行改进，最终降低开发成本，缩短上市时间。 总之，在设计开发过程中，只有通过设计图形语言，才能把设计的意图、设计的结果直观地展现出来，供生产、研究、制造、销售。所以设计制图几乎是产品造型设计的基石。,2.现代设计制图的发展趋势, 本 章 完 ,