CAXA制造工程師復(fù)雜曲面造型分析

高 巖，魏領(lǐng)會(huì)，楊洪巖

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

CAXA制造工程師是在Windows環(huán)境下運(yùn)行CAD/CAM一體化的數(shù)控加工編程軟件，該軟件綜合了數(shù)控加工的基本工藝、數(shù)控編程和操作。其CAD部分功能也十分強(qiáng)大，曲面造型從線架到曲面，可建立任意復(fù)雜的零件模型。本文以可樂(lè)瓶底和鼠標(biāo)等模型為例，說(shuō)明CAXA制造工程師在構(gòu)造復(fù)雜曲面中的方法、技巧與注意事項(xiàng)。

1 CAXA制造工程師曲面功能簡(jiǎn)介

CAXA制造工程師具有強(qiáng)大的NURBS自由曲面造型功能，可通過(guò)列表數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型、字體文件及各種測(cè)量數(shù)據(jù)生成樣條曲線；通過(guò)豐富的曲面造型和編輯功能建立復(fù)雜的零件模型。通過(guò)曲面模型的真實(shí)感，可直觀顯示設(shè)計(jì)結(jié)果。

曲面造型方式共有十種：直紋面、旋轉(zhuǎn)面、掃描面、邊界面、放樣面、網(wǎng)格面、導(dǎo)動(dòng)面、等距面、平面和實(shí)體表面。十種方式中放樣面、網(wǎng)格面、導(dǎo)動(dòng)面操作中方式、技巧和注意事項(xiàng)較多，首先將其加以簡(jiǎn)單說(shuō)明。

1）放樣面：該方式是以一組互不相交、方向相同、形狀相似的特征線(或截面線)為骨架進(jìn)行形狀控制，過(guò)這些曲線蒙面生成曲面。有截面曲線和曲面邊界兩種類型。

2）網(wǎng)格面：以網(wǎng)格曲線為骨架，蒙上自由曲面而生成的曲面。網(wǎng)格曲線是由特征線組成的橫豎相交線。

3）導(dǎo)動(dòng)面：特征截面線沿著特征軌跡線的某一方向掃動(dòng)生成曲面。

生成導(dǎo)動(dòng)面有六種方式：平行導(dǎo)動(dòng)、固接導(dǎo)動(dòng)、導(dǎo)動(dòng)線&平面、導(dǎo)動(dòng)線&邊界線、雙導(dǎo)動(dòng)線和管道曲面。

曲面造型和曲面編輯功能在制造工程師設(shè)計(jì)復(fù)雜零件時(shí)常常配合使用。下文以實(shí)例的造型過(guò)程介紹曲面功能的技巧和注意事項(xiàng)。

2 實(shí)例造型過(guò)程解析

2.1 鼠標(biāo)面的構(gòu)造

該曲面模型造型難點(diǎn)：線架部分主要是樣條線的構(gòu)造、半徑100的圓位置確定；曲面部分為上表面和邊界過(guò)渡曲面的生成。

1）使用“掃描面”在立即菜單中設(shè)置參數(shù)，拾取所有底面曲線即可生成鼠標(biāo)側(cè)面。鼠標(biāo)上表面的截面線為樣條線，分析可得四個(gè)確定形狀的型值點(diǎn)。選擇“樣條線”按鈕，在立即菜單中選擇“差值”、“缺省切矢”、“開曲線”，給出型值點(diǎn)坐標(biāo)“-70，0，20”、“-40，0，25”、“-20，0，30”、“30，0，15”即可得到樣條曲線，如圖4所示。

2）鼠標(biāo)底面使用“平面”方式中“裁剪平面”拾取底面輪廓線可以輕松實(shí)現(xiàn)。通過(guò)F6把設(shè)計(jì)平面切換到Y(jié)Z平面。用“圓弧”的“兩點(diǎn)-半徑”方式在任意位置拾取兩點(diǎn)，在合適位置給定半徑“100”，“曲線拉伸”把圓弧拖拽到適當(dāng)位置，使用“平移”的“兩點(diǎn)”、“移動(dòng)”、“非正交”方式，以圓弧中點(diǎn)為基點(diǎn)，移動(dòng)到樣條線的端點(diǎn)，將圓弧移動(dòng)到正確位置，如圖5所示。

3）關(guān)鍵線架具備以后使用“導(dǎo)動(dòng)面”方式中“平行導(dǎo)動(dòng)”以樣條線為導(dǎo)動(dòng)線，曲面方式的使用過(guò)程也有很多技巧和注意事項(xiàng)圓弧為截面線即可生成鼠標(biāo)上表面。如圖6所示。

圖1 鼠標(biāo)簡(jiǎn)圖

圖2 凹槽曲面簡(jiǎn)圖

圖3 可樂(lè)瓶底簡(jiǎn)圖

圖4 繪制樣條線

圖5 繪制截面線

圖6 生成導(dǎo)動(dòng)面

圖7 選取第一系列面

圖8 曲率情況

圖9 鼠標(biāo)造型

4）最后運(yùn)用“曲面過(guò)渡”里“系列面”、“等半徑”、“半徑：10”、“裁剪兩系列面”、“單個(gè)拾取”方式生成圓弧過(guò)渡，即可完成曲面造型。

注意：

1）樣條線型值點(diǎn)的確定，由圖形已知四個(gè)橫向和縱向距離值，可得四點(diǎn)坐標(biāo)，只是隨坐標(biāo)系位置變化而改變坐標(biāo)系里的坐標(biāo)值。

2）半徑“100”的圓弧在繪制過(guò)程中必須保證圓弧的中點(diǎn)為最高點(diǎn)。

3）曲面過(guò)渡的操作過(guò)程中一定要注意使鼠標(biāo)上表面所在曲面為第一系列面，如圖7所示。其它側(cè)面為第二系列面，而且所有曲面按順序依次拾取，拾取完成后出現(xiàn)箭頭指向鼠標(biāo)外側(cè)的情況一定要通過(guò)左鍵單擊的方式改變方向，使第二系列面的所有曲面的曲率中心都指向內(nèi)側(cè)。如圖8所示。生成鼠標(biāo)造型結(jié)果，如圖9所示。

2.2 圖2零件的構(gòu)造

該曲面模型造型難點(diǎn)：線架部分主要是中間的不規(guī)則凹槽；曲面部分同樣是凹槽造型曲面方式的選擇。

1）使用曲線造型功能可以方便實(shí)現(xiàn)零件除凹槽部分的其余線架。零件線架凹槽部分通過(guò)坐標(biāo)變換，鍵盤上的F6對(duì)應(yīng)YZ平面，F(xiàn)7對(duì)應(yīng)XZ平面，F(xiàn)8軸側(cè)視圖找出線架所在的關(guān)鍵位置，做出這部分的關(guān)鍵線架。如圖10所示

圖10 特征線架

圖11 曲線組合

圖12 零件軸側(cè)圖

圖13 特征線架圖

圖14 三維線架圖

圖15 零件軸側(cè)圖

2）零件除凹槽外的所有表面均是平面，所以使用平面都可以實(shí)現(xiàn)造型。凹槽的線架是由十條曲線組成的考慮曲面造型的十種造型方式都很難直接滿足要求，考慮如何將曲線編輯使之可以方便做圖。曲線組合可以將同一平面內(nèi)首尾相連的多條曲線組合成一條線，如圖11所示可以將零件上表面的凹槽輪廓線分別組合成兩條線。組合后的凹槽輪廓是由四條封閉曲線組成。分析選定“導(dǎo)動(dòng)面”中“雙導(dǎo)動(dòng)”、“雙截面線”、“變高”方式可以生成凹槽的曲面造型如圖12所示。

注意：

1）坐標(biāo)變換在三維造型中經(jīng)常使用，適時(shí)的變換坐標(biāo)系，可以使作圖靈活、方便、快捷。

2）完成零件的線架造型后，如果關(guān)鍵線架對(duì)應(yīng)的輪廓復(fù)雜，而且輪廓線條數(shù)較多，常常可以考慮對(duì)同一平面內(nèi)的首尾相連的多條曲線進(jìn)行組合，之后再考慮選擇何種曲面方式更方便造型。

3）關(guān)鍵曲面部分一般形狀復(fù)雜，使用的曲面造型方式操作步驟較繁鎖，由曲線生成曲面過(guò)程拾取曲線時(shí)往往有嚴(yán)格的拾取要求，這時(shí)一定要注意拾取的位置。零件二凹槽曲面造型“雙導(dǎo)動(dòng)”、“雙截面線”、“變高”，在拾取截面線時(shí)一定要在第一條導(dǎo)動(dòng)線附近拾取，否則生成的曲面可能會(huì)發(fā)生扭曲或無(wú)法生成曲面。

2.3 可樂(lè)瓶底的構(gòu)造

該曲面模型造型較為復(fù)雜，線架部分單根骨架都是由多條曲線組成；曲面部分曲面方式的選擇和拾取順序都很值得注意。

1）瓶底的每根骨架都是由多段圓弧和切線光滑過(guò)渡組成，利用軟件提供的特殊點(diǎn)功能“切點(diǎn)”以及“曲線過(guò)渡”功能可以依次做出瓶底的兩根特征骨架。如圖13所示。

2）經(jīng)過(guò)“平面旋轉(zhuǎn)”和“陣列”功能將骨架旋轉(zhuǎn)所需角度后進(jìn)行陣列，就可以完成瓶底的三維線架造型，如圖14所示。

3）由可樂(lè)瓶底的線架特征，分析十種曲面造型方式，從中選擇網(wǎng)格面，首先通過(guò)坐標(biāo)變換切換視角，方便線架選擇，線架按順序選擇合適的位置。正確拾取橫豎相交的可樂(lè)瓶底線架，生成可樂(lè)瓶底曲面。如圖15所示。

注意：

1）多段圓弧光滑連接在曲面造型的特征線架部分最為常見，解決此類情況的好辦法就是特殊點(diǎn)功能和“圓弧過(guò)渡”配合使用，往往可以使復(fù)雜的作圖簡(jiǎn)單化。

2）可樂(lè)瓶底單根線架都是由多條曲線組成的，若進(jìn)行接下來(lái)的曲面操作，“曲線組合”也是必須要考慮到的。因此，在曲面造型中，若某條線架由多條曲線段組成，往往要考慮是否需要組合。

3）在應(yīng)用“網(wǎng)格面”時(shí)每一組曲線都必須按其方位順序拾取，拾取曲線的方向保持一致，而且必須從靠近曲線端點(diǎn)的位置拾取，否則封閉網(wǎng)格面失敗；“網(wǎng)格面”生成所需的兩系列曲線U向曲線和V向曲線之間必須保證每條都有交點(diǎn)；拾取的曲線應(yīng)當(dāng)是光滑曲線；對(duì)組成網(wǎng)格曲線的特征網(wǎng)格線必須是四邊形網(wǎng)格，規(guī)則四邊網(wǎng)格與不規(guī)則四邊網(wǎng)格均可，即線架圍成的區(qū)域必須是四邊域，不允許有三邊域、五邊域和多邊域。

靈活運(yùn)用曲面造型要注意兩點(diǎn)，首先分析圖紙合理構(gòu)造決定曲面形狀的關(guān)鍵線架，在構(gòu)造關(guān)鍵線架后為了滿足需要往往對(duì)線架進(jìn)行 “曲線組合”等編輯操作，這是構(gòu)造曲面模型的重要前提，這一部分往往較難；其次是根據(jù)線架的特點(diǎn)正確選擇曲面造型方式，不同的曲面造型方式特點(diǎn)和注意事項(xiàng)既有相似又有不同，需要在長(zhǎng)期的使用操作中不斷的積累和總結(jié)。

3 實(shí)例造型方法總結(jié)

鼠標(biāo)曲面的造型使用的側(cè)面和上表面進(jìn)行多曲面的過(guò)渡，得到側(cè)面和上表面的過(guò)渡曲面。如果在做鼠標(biāo)側(cè)面的特征線時(shí)進(jìn)行“曲線組合”，使所有側(cè)面特征線組合成一條線，在線的基礎(chǔ)上生成的鼠標(biāo)側(cè)面為一張曲面，之后和上表面進(jìn)行兩面過(guò)渡，可以使曲面造型簡(jiǎn)化，節(jié)省近一半的設(shè)計(jì)時(shí)間，得到的設(shè)計(jì)效果相同。

零件二凹槽部分使用“導(dǎo)動(dòng)面”的“雙導(dǎo)動(dòng)”、“雙截面線”、“變高”方式可以實(shí)現(xiàn)，由于凹槽的輪廓線經(jīng)過(guò)組合后變?yōu)樗臈l首尾相連的光滑空間曲線，因此可以使用“邊界面”的“四邊面”，可以在四條空間曲線所圍成的區(qū)域生成凹槽曲面，同樣可以簡(jiǎn)化操作、節(jié)省時(shí)間。

曲面造型方式較多，造型時(shí)也非常靈活，一個(gè)零件可以通過(guò)不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此要常實(shí)踐、多對(duì)比、重積累，曲面造型也會(huì)變得樂(lè)趣無(wú)窮。

4 結(jié)論

本文就制造工程在復(fù)雜曲面造型中的應(yīng)用、技巧和注意事項(xiàng)進(jìn)行了剖析，并對(duì)曲面造型中幾種復(fù)雜造型方式的使用進(jìn)行了總結(jié)，希望能對(duì)CAXA制造工程師的學(xué)習(xí)者有一定的幫助作用。

[1]田相克.基于CAXA的連桿三維造型及其數(shù)控仿真加工.機(jī)械制造與自動(dòng)化[J].2009,6.

[2]李海濤.CAXA制造工程師在吊鉤鍛模造型中的應(yīng)用策略.鍛壓技術(shù)[J].2009,6.

[3]趙杰.機(jī)械CAD /CAM [M].大連:大連理工大學(xué)出版社,2004.