基于catia的机械零件三维造型与虚拟装配.pdf

《 起重运输机械 》 2008 (12) 基于CATI A的机械零件三维造型与虚拟装配 西安科技大学 韩 敏 摘 要:介绍了利用CATI A V5进行机械零件三维造型以及零、部件虚拟装配的基本过程与步骤,并以蜗轮 蜗杆装配为例进行详细说明对于改善机械设计的效果、提升设计效率、缩短设计加工周期,具有一定的现实 意义 关键词:机械零件; CATI A;三维造型;虚拟装配 Abstract: The paper carries out 3D modeling ofmechanical parts bymeans of CATI A V5, and covers the virtual as2 sembling process for parts and components1It illustratesworm gear/wor m shaft assembling in detail1For improving design, enhancing design efficiency and shorting design/manufacture cycle,it is of practical significance1 Keywords: mechanical part; CATI A; 3D modeling;virtual assembling 1 概述 CATI A软件是I BM公司和Dassault公司合作 推出的高端CAD /CAM软件,现已成为国际航空工 业首选的设计软件。

它以其强大的曲面设计功能 在机械、飞机、汽车、造船等设计领域得到广泛 应用, CATI A的曲面造型功能的特点和优势体现 在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型 需求如其特有的高次Bezier曲线曲面功能,次数 能达到15,能很好地满足特殊行业对曲面光滑性 的苛刻要求应用CATlA构造的实体模型可直接 应用于ANSYS等分析软件中进行有限元分析 CATI A软件具有与其他三维CAD软件标准的数据 接口,方便模型数据的转换 CATI A V5是基于W indows平台的全参数化和 以特征建模技术为核心的特征造型软件,它与 W indows保持一致风格的菜单条、标准的快捷键、 上下关联的菜单、多文档界面、可以使不同的 W indows应用程序共享数据的OLE集成,使工作 快速高效,可显著减少培训时间 零件装配是CATI A基本的、也是最具优势和 特色的功能模块,包括创建装配体、添加指定的 部件或零件到装配体、创建部件之间的装配关系、 移动和布置装配成员、生成产品的爆炸图、装配 干涉和间隙分析等主要功能 [1 ] 2 基于CATIA的三维造型与装配 211 草图设计 草图设计是三维设计的起点,其实质是二维 线、面设计,具有传统二维软件设计的功能。

参数化设计的基本方法是从草图设计开始, 通过施加尺寸和几何约束生成草图特征,再应用 尺寸驱动技术自动生成零件的三维实体模型,在 利用草图技术生成二维轮廓时不必输入轮廓的准 确尺寸,可以在以后的参数设计过程中得到这 样,在进行产品设计时,可以随时根据需要调整 设计尺寸,而不必在设计之初就明确各设计尺寸, 增强了CAD软件的易操作性,更好地实现了人性 化设计,而且对于设计系列产品及原产品的改进 和零部件的 “ 借用 ”都方便 212 生成三维零件毛坯 CATI A具有很强的三维实体建模的功能,当 用户在草图平面绘制二维图形后,进入零件设计 (PartDesign)模块,可以通过旋转、拉伸、放样、 加肋、拔模等方法生成所需的三维零件毛坯同 时还可利用参数化约束功能,根据需要随时进行 修改设计者可以直接针对零件毛坯进行形体改 变,实现了设计过程由 “ 绘图 ”向 “ 设计 ”的转 变,而且CATI A V5提供的各项具体功能使三维模 型的设计更类似于生产加工过程,较好地实现设 计与加工的结合 —84— 《 起重运输机械 》 2008 (12) 213 完成三维造型 CATI A V5提供基于特征的设计,即将特征作 为设计的单元,将产品视为特征的有机结合,通 过由类到对象的逐步描述来实现具体的形状设计。

在生成三维零件毛坯后,可利用打孔、开槽、抽 壳、倒角、加凸台、内外螺纹等工具对 “ 毛坯 ” 进行 “ 加工 ”,最终完成机械零件实体造型 214 完成虚拟装配 虚拟装配是利用虚拟装配技术,在计算机上 将三维模型装配到一起,这样可避免物理原型的 应用,也可对零部件进行间隙和干涉检验,减少 样品差错率能在产品设计过程中利用各种技术 手段如分析、评价、仿真等,并充分考虑产品的 装配环节及其相关过程中各种可能因素的影响 在满足产品性能与功能的条件下改进产品的装配 结构,使设计出的产品不但可以装配,并尽可能 降低装配成本和产品总成本,大大缩短设计 周期 [2 ] 基于CATI A的虚拟装配模式有并行、自下而 上和自上而下的产品开发方法,本文重点介绍自 下而上的设计方法先在零件模块中构造各零件 的三维模型,然后在装配模块中建立零部件之间 的位置约束、定位关系,即将零件间的实际配合 关系量化为虚拟装配过程中的各零部件实体之间 的位置约束关系这样,零部件的几何体是在装 配过程中被利用,而并不是简单地被复制到装配 中,真正地实现了零件的 “ 虚拟 ”装配 CATI A的装配工作台提供灵活、直观的工具, 用来确定各零件间的关系。

装配工作台允许用户 将各个组成零件和各种子装配件组合到一起形成 最终的装配体,在装配环境中,根据定义的约束, 零件可以被修改、分析以及重定位 [4 ]CATI A 具 有单一数据库的特性,不管如何编辑零部件和在 何处编辑零部件,整个装配部件保持关联的一致 性,如果修改整个零部件,则引用它的装配件自 动更新,实时反映零部件的最新变化 虚拟装配的步骤:在CATlA所提供的装配工 作台上,导入需装配的零、部件(CATI A提供的 插入部件的方法主要有插入部件、插入产品、插 入新部件和插入已存在的部件等)然后,对零部 件进行适当的约束并建立装配关系,根据不同零 件的装配要求,选用不同的约束关系,最后得到 完整装配模型 与Pro/E相比,使用CATI A进行装配的过程 中已经自动建立了2个待装配零件各自的设计基 准点的重合关系,便于设计者明确零部件的设计 基准与零部件间的装配基准之间的差别 3 设计举例 以图1所示的蜗杆传动为例,对利用CATI A 的建模及其装配的过程和方法进行说明 图1 蜗杆传动 311 创建蜗杆三维模型 分析蜗杆零件的结构,明确主要特征结构, 确定建模步骤蜗杆是由旋转体、齿槽及键槽组 成的零件,其基本特征是一个旋转体。

31111 创建蜗杆零件三维模型 (1)在草图模式根据蜗杆毛坯形状绘制毛坯 形状草图,建立尺寸约束,诸如尺寸修改、进行 倒角等(当然倒角亦可在形成毛坯实体后再进 行) (2)在零件设计模式下利用旋转(Shaft)工 具生成蜗杆毛坯 (3)根据蜗杆的参数,计算出蜗杆齿槽的螺 距,并根据蜗杆的旋向在曲线曲面模式下生成1 条缠绕在蜗杆上的螺旋线,作为开槽扫描导线 (4)由于阿基米德圆柱蜗杆的端面为阿基米 德螺旋线,轴面为斜直线 [3 ] ,所以可选择蜗杆轴 平面,在草图模式下,绘制一个梯形(必须是1 条闭合曲线 ) , 其底边距轴线的距离正好是蜗杆的 齿根圆半径,两侧边与端面的夹角为20°(注意: 节圆处两侧边的距离应为分度圆齿槽宽) (5)在零件设计模式下利用狭槽(Slot)工具 生成1个齿槽;利用阵列工具加工出整个蜗杆 齿槽 —94— 《 起重运输机械 》 2008 (12) (6)在草图模式下绘制键槽形状,利用拉伸 切割(Pocket)工具生成键槽,完成蜗杆的三维建 模,如图2所示 图2 蜗杆 31112 创建蜗轮零件三维模型 分析蜗轮零件的结构,明确主要组成特征, 确定建模步骤由于蜗轮是由齿圈和齿芯2部分 组成,所以应将齿圈和齿芯分开建模,再进行 装配。

利用CATI A所提供的零件建模平台分别生成 蜗杆的齿圈和齿芯,如图3所示 图3 蜗轮齿圈 312 零件的装配 31211 导入零部件 在CATI A所提供的装配工作台上的产品结构 工具栏中,利用插入已有部件功能导入事先已经 设计好的蜗轮和蜗杆零件,如图4所示 圈4 导入零部件 31212 建立约束 由于在导入部件的过程中CA ITA已建立了蜗 杆轴向剖面和位于蜗轮宽度1/2处的端面重合的 约束关系,已经保证了其在蜗杆传动的主剖面 (中心剖面)上的对齐,在此只须确定另2个方向 的约束关系 按照蜗杆传动的中心距要求(中心距在进行 蜗杆和蜗轮的实体建模时,根据蜗轮与蜗杆的几 何参数计算获得 ) , 建立蜗杆轴线与蜗轮轴线间的 偏移约束,确保二者之间的距离满足设计要求, 结果如图5所示 图5 完成偏移约束 建立蜗轮沿蜗杆轴线的约束关系,即保证 “ 位于蜗杆中部与蜗杆轴线垂直的蜗杆齿侧对称平 面 ”与 “ 蜗轮宽度1 /2处剖面上齿槽对称平面 ” 重合(注意:在进行蜗杆和蜗轮的实体建模时必 须计算准确,否则将得不到蜗杆和蜗轮的准确工 作位置 ) , 保证蜗杆和蜗轮安装在对应的位置上 生成如图1所示的蜗杆传动装配模型。

4 结束语 CATI A三维设计软件提供了完整的设计工具 及方便的操作界面,其界面及选项的设计采用了 与微软产品一贯的风格,大大缩短使用者对于该 软件的学习和适应的周期,在很大程度上改善了 3D造型软件操作复杂的弊端同时, CATI A基于 特征的三维实体建模功能使其具有如下优点: (1)继承了利用实体造型软件进行产品设计 时,使用者在屏幕上能够直接看到产品的真实三 维模型的特点,使其建模思路更加接近于形体本 身的构成,造型设计更加直观 (2)参数化设计便于图形尺寸更改、迅速出 图,相对于二维绘图方式,设计人员工作量大大 减少,特别是其后参数化的设计为技术人员提供 了1个便于设计、便于修改的平台,有利于产品 的系列化设计 (3)采用基于特征的建模思想,利用布尔运 算求截交线、相贯线,使工程图绘制速度更快捷, —05— 《 起重运输机械 》 2008 (12) 基于半转步进机构的月球车移动 系统的设计与分析 3 陕西科技大学机电工程学院 刘建平 王 堃 任工昌 摘 要:提出一种基于半转步进机构的月球车移动系统,对半转机构的原理和运动特性进行分析,获得了 月球车的运动特性曲线,为其在月球车上的应用提供了理论基础和参考依据。

关键词:月球车;移动系统;半转机构;运动特性 Abstract: The paper presents lunar roverπsmotion system based on half - rotation configuration,focusing on driving principle and dynamic characteristics1The obtained dynamic characteristics curve provides theory basis and reference for lu2 nar roverπs application1 Keywords: lunar rover; motion system;half - rotation configuration;dynamic characteristics 线型精确度更高 (4)采用虚拟机械装配方法,可以在产品的 设计阶段直接检查机械系统各零部件空间装配情 况和干涉情况,进一步实现可视化的设计和分析, 对实现并行工程具有一定的意义 参 考 文 献 1 李志学 1李若松 1CATI A实验教程 1北京:清华大学出 版社, 2004 2 陈国华,程本松等 1基于CATI A的机械零件虚拟装配 方法.机械研究与应用, 2006 (2) 3 孙桓,陈作模 1机械原理 1北京:高等教育出版社, 2006。