一、前言
   
    在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造和全生命周期管理中，產(chǎn)品設(shè)計建模處于龍頭地位。所謂"牽一發(fā)而動全身"，就是產(chǎn)品設(shè)計建模重要性的真實寫照，對于復(fù)雜殼體而言更是如此。
   
    復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造周期長，是燃油附件產(chǎn)品研制生產(chǎn)的一個老大難問題。深入研究和探索復(fù)雜殼體建模技術(shù)無疑具有緊迫的實際意義。
   
    本文所討論的建模，是指三維實體幾何模型，不包含二維制圖的內(nèi)容。
   
    二、模型質(zhì)量的基本要求
   
    本文所指的復(fù)雜殼體，是指發(fā)動機燃油附件中需要模具設(shè)計和數(shù)控加工的殼體類零件，它具有孔系特征多、鑄造表面形狀復(fù)雜的特點（圖1）。因此，對模型質(zhì)量的要求比一般簡單零件更嚴(yán)格。

 


    圖 1  典型殼體零件（局部）

 
    復(fù)雜殼體模型質(zhì)量的基本要求：
 
    * 正確性：模型應(yīng)準(zhǔn)確反映設(shè)計意圖，對其內(nèi)容的技術(shù)要求理解不能有任何歧義。要確立"面向制造"的新的設(shè)計理念，充分考慮模具設(shè)計、工藝制造等下游用戶的應(yīng)用要求，做到與實際的加工過程基本匹配。
 
    * 相關(guān)性：應(yīng)用主模型原理和方法，進行相關(guān)參數(shù)化建模，正確體現(xiàn)數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系，保證產(chǎn)品信息在產(chǎn)品數(shù)據(jù)鏈中的正確傳遞。
 
    * 可編輯性：模型能編輯修改，整個建模過程可以回放（Playback）。模型可被重用和相互操作。重用性和相互操作性是由可編輯性派生出來的重要特性。
 
    * 可靠性：模型通過了UG的幾何質(zhì)量檢查，拓?fù)潢P(guān)系正確，實體嚴(yán)格交接，內(nèi)部無空洞，外部無細(xì)縫，無細(xì)小臺階。模型文件大小得到有效控制，模型沒含有多余的特征、空的組和其他過期的特征，總能在任何情況下正確的打開。
 
    三、建模的思路和策略
 
    設(shè)計意圖決定建模的思路和策略。產(chǎn)品設(shè)計師應(yīng)首先十分清楚理解自己的設(shè)計意圖，不能在沒有統(tǒng)一規(guī)劃的情況下就盲目的急于建模。
 
    一個比較清晰完整的設(shè)計意圖至少應(yīng)包括：
 
    * 殼體以及與之有關(guān)的零部件在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的功能和作用。
 
    * 殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形輪廓、表面形狀、定位孔（面）和主要設(shè)計參數(shù)。
 
    * 模具設(shè)計的有關(guān)信息：模具類型、結(jié)構(gòu)、分型面、型芯、拔模角等。
 
    * 工藝設(shè)計的有關(guān)信息：工藝方案、工藝路線、工藝基準(zhǔn)、數(shù)控加工要求等。
 
    * 模型中特征的相互關(guān)系。
 
    * 模型潛在的改變區(qū)域，改變的幅度大小。
 
    * 模型被另一項目拷貝和修改的可能性。

    當(dāng)明確了設(shè)計意圖以后，就需要建立整體的建模思路，依次是：
 
    1）進行特征的分解：分析零件的形狀特點，然后把它隔離成幾個主要的特征區(qū)域，接著對每個區(qū)域再進行粗線條分解，在腦子里形成一個總的建模思路以及一個粗略的特征圖。同時要辨別出難點和容易出問題的地方。
 
    2）基礎(chǔ)特征 - 根特征設(shè)計：確立建模的起點。在選定好設(shè)計基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通常情況下用草圖而不是用體素特征（UG的體素特征有長方體、圓柱、圓錐、球）作為模型的根特征。
 
    3）詳細(xì)設(shè)計：
 
    先粗后細(xì) -- 先作粗略的形狀，再逐步細(xì)化；
 
    先大后小 -- 先作大尺寸形狀，再完成局部的細(xì)化；
 
    先外后里 -- 先作外表面形狀，再細(xì)化內(nèi)部形狀。
 
    4）細(xì)節(jié)設(shè)計：最后進行倒圓角、斜角、各類孔系，各類溝槽…
 
    UG軟件功能十分強大，實現(xiàn)同一功能往往有多種途徑和方法，可謂"條條大路通羅馬"。不同的命令選擇，雖然可能實現(xiàn)同一目的，其方法卻有優(yōu)劣之分，這就需要找出最合適的建模方法來。

    * 建模策略重點考慮的具體方面是：
 
    1）如何選擇特征類型（成型特征、特征操作、草圖）；
 
    2）如何建立特征關(guān)系（尺寸、附著性、位置、時序）；
 
    3）定義草圖約束；
 
    4）創(chuàng)建表達式。
 
    四、建模的一般步驟
 
    復(fù)雜殼體通常為測繪設(shè)計或改進改型設(shè)計，建模的步驟一般是：
 
    * 梳理設(shè)計意圖，規(guī)劃特征框架。
 
    * 打開種子文件，搭建建模環(huán)境。
 
    * 確定零件的原點和方向。
 
    * 建立最初始的基準(zhǔn)。
 
    * 創(chuàng)建草圖作為建模的根特征。
 
    * 在特征創(chuàng)建過程中，優(yōu)先添加增加材料的特征，再添加減少材料的特征。
 
    * 按加工過程進行特征操作。
 
    * 堅持邊建模邊分析檢查的原則。進行過程檢查的目的，是為了及時發(fā)現(xiàn)問題，及時糾正，以免造成因問題累積而導(dǎo)致后續(xù)大量返工，嚴(yán)重時還會推倒重來。
 
    * 養(yǎng)成邊建模邊保存的良好習(xí)慣，防止意外事故（如停電）而丟失數(shù)據(jù)。
 
    * 輸入部件屬性。
 
    * 創(chuàng)建引用集。
 
    * 清理模型數(shù)據(jù)。File -〉Utilities -〉Part Cleanup，可以刪除不用的對象、不用的表達式、"撤銷"數(shù)據(jù)和清理特征數(shù)據(jù)。
 
    * 進行模型總體檢查，提交模型。

    五、建模技術(shù)（一）：實現(xiàn)相關(guān)性的方法和技巧
 
    在產(chǎn)品設(shè)計中，零件不單單是孤立的幾何元素設(shè)計，從設(shè)計到制圖、數(shù)控加工、分析、裝配，都存在著相關(guān)性。相關(guān)性設(shè)計為我們提供了非常方便的修改產(chǎn)品的方法，減少了重復(fù)性工作，保持了信息的一致性，是UG三維設(shè)計的基礎(chǔ)技術(shù)之一。相關(guān)性體現(xiàn)在：
 
    * 對象之間的相關(guān)性：例如，一條直線可能是一個實體的一條棱邊，一條曲線可能是一個曲面的一個邊界曲線。
 
    * 繪圖對象與幾何或位置的相關(guān)性：在制圖中，有視圖、尺寸、符號等，這些對象與模型中的幾何是相關(guān)的，例如尺寸與模型中的幾何相關(guān)，幾何模型的修改使得尺寸可以自動刷新；制圖對象與位置相關(guān)，例如文字說明、剖面線符號等與視圖位置相關(guān)，當(dāng)視圖位置移動時，這些對象隨之移動。
 
    * 對象與零件或視圖的相關(guān)性：對象是模型的一部分，或者與一個視圖有關(guān)。
 
    * 非幾何信息與零件的相關(guān)性：例如可以把屬性與零件、對象相關(guān)，如一個零件的材料、規(guī)格等信息作為屬性連接到零件上。
 
    * 零件與零件之間特征的相關(guān)性：一個零件的某個特征尺寸與另一個零件的特征尺寸具有相關(guān)性，例如一個銷釘?shù)闹睆脚c一個銷孔的直徑保持相關(guān)，當(dāng)孔的直徑改變，銷釘?shù)闹睆诫S之跟著變化。
 
    產(chǎn)品設(shè)計建模的目標(biāo)，是應(yīng)用UG主模型原理和方法，創(chuàng)建一個參數(shù)化的具有相關(guān)性和可編輯性的模型。
 
    參數(shù)化與相關(guān)性密不可分，相關(guān)性是實現(xiàn)參數(shù)化的基本技術(shù)和條件。從本質(zhì)上來理解，相關(guān)性有兩個層次：設(shè)計意圖的相關(guān)性與UG軟件使用技術(shù)的相關(guān)性。
 
    UG軟件能實現(xiàn)單一零件內(nèi)部的相關(guān)，也能實現(xiàn)部件間的相關(guān)（用Wave技術(shù)）。本文不討論部件間的相關(guān)性。而部件內(nèi)部的相關(guān)性，可以用表達式的相互引用、草圖的幾何約束、特征的定位等許多技術(shù)來實現(xiàn)。
 
    1）曲線（Curve）的相關(guān)性
 
    * 注意曲線（Curve）與曲線操作（Curve Operation）命令的區(qū)別。
 
    一般的曲線相互之間不具有相關(guān)性，只有用曲線操作 -〉偏置（Offset）、投射（Project）、連接（Join）、交線（Intersect）、纏繞（Wrap）命令生成的曲線和添加抽取的曲線至草圖、偏置抽取的曲線才具有相關(guān)性。但必須記住在其對話框里將"關(guān)聯(lián)輸出"（一般為"Associative Output" ）選項設(shè)置為ON。
 
    * 盡量不使用沒有相關(guān)性的曲線。
 
    * 不要用Edit -〉Transform（變換），而要用Feature Operation（特征操作）-〉Instance（引用）。
 
    * 不要用Curve Operation -〉Extract（抽取）-〉Edge Curve（邊界曲線），而要用Form Feature（成形特征）-〉Extract（抽取）-〉Curve（曲線）。
 
    * 通過Curve -〉Plane（平面）生成的平面對象，不保持與其他對象的相關(guān)性。原則上，應(yīng)在使用平面對象的場合使用相對基準(zhǔn)面代替。鼓勵使用與已有的相關(guān)面，如偏置的面來達到目的。

 
    2）草圖（Sketch）
 
    草圖是可以用于創(chuàng)建關(guān)聯(lián)到部件的二維輪廓特征的工具，是參數(shù)化建模的核心基礎(chǔ)。草圖具有自相關(guān)性，也與任何一個從它上面創(chuàng)建的特征相關(guān)。
 
    * 草圖應(yīng)用的場合
 
    - 通常情況下，復(fù)雜殼體建模的根特征使用草圖。
 
    - 對于復(fù)雜的幾何形狀，應(yīng)使用草圖，不要用一系列特征去綜合實現(xiàn)它。
 
    - 不要用草圖建立鍵槽、退刀槽、倒圓、倒角等，應(yīng)在隨后的體上附加這些特征。
 
    - 不要用草圖創(chuàng)建油路孔。
 
    - 不要用草圖去生成螺紋表面，否則創(chuàng)建螺紋時會遇見麻煩。用草圖特征拉伸的圓柱體不能用螺紋表單提供的默認(rèn)Metric，因為拉伸體與旋轉(zhuǎn)體基于不同的數(shù)學(xué)模型（公式）。
 
    * 草圖的工作平面
 
    作為根特征的草圖，其工作平面應(yīng)放在預(yù)先定義的基準(zhǔn)上，最好是種子文件的基準(zhǔn)上。其他草圖的工作平面根據(jù)設(shè)計意圖而定。
 
    * 草圖的定位
 
    創(chuàng)建草圖時，先建立主要的幾何對象，并立即進行草圖的定位。定位時，注意目標(biāo)對象不能是本草圖中的草圖對象。
 
    * 草圖的約束
 
    - 草圖約束追求的理想目標(biāo)，是完整表達設(shè)計者意圖，并可進行參數(shù)化驅(qū)動。
 
    - 草圖要進行全約束。
 
    - 對于比較復(fù)雜的草圖，盡量"避免構(gòu)造完所有的曲線然后再加約束"，這會增加全約束的難度。
 
    - 草圖應(yīng)先進行幾何約束，再進行尺寸約束。
 
    - 一般不用修剪（Trim）操作，而是在創(chuàng)建期間用線串方法（Curve String），或在修訂期間用同心（Concentric）、點在線上（Point On Curve ）等約束來代替。
 
    3）表達式
 
    表達式是一個功能強大的工具，可以使UG實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。表達式可分為三種類型：數(shù)學(xué)表達式、條件表達式、幾何表達式。
 
    復(fù)雜殼體的表達式既可用手工創(chuàng)建，也可由系統(tǒng)自動建立。要注意對重要的表達式進行注釋。
 
    4）基準(zhǔn)的使用策略
 
    * 在種子文件里，一般可預(yù)設(shè)3個固定基準(zhǔn)面和3個由之派生的固定基準(zhǔn)軸。不要創(chuàng)建更多的固定基準(zhǔn)，因為它打斷了特征之間的相關(guān)性，由于不是相互定位，所以無法進行參數(shù)化編輯。
 
    * 盡量使用相對基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸，因為相對基準(zhǔn)是與已有的實體或基準(zhǔn)相關(guān)，可以隨時編輯。
 
    5）其他注意事項
 
    * 特征操作時禁止使用分割實體命令（Split Body），此操作會使分割后的實體參數(shù)全部消失。
 
    * 復(fù)雜殼體建模一般不使用自由形狀特征（Free Form Features）。如果使用，請注意：
 
    - 避免使用非參數(shù)化命令構(gòu)造曲面（Through Point, From Pole, From Point Cloud, Foreign）。
 
    - 構(gòu)造曲面的曲線盡可能采用草圖方法生成。
 
    - 編輯曲面時盡可能采用參數(shù)化的編輯方法，即使用Edit -〉Feature -〉Parameters，而不使用Edit -〉Free Form Feature非參數(shù)化方法。
 
    - 曲面的階次（Degree）盡可能采用三次片體。
 
    六、建模技術(shù)（二）：實現(xiàn)可編輯性的方法和技巧
 
    復(fù)雜殼體由于特征多、文件大，還要滿足模具設(shè)計、數(shù)控加工等下游用戶的建模需求，其可編輯性成為至關(guān)重要的指標(biāo)。一個理想的模型，可以編輯修改各種參數(shù)和表達式，可以進行重排特征時序，插入特征等操作。總之，參數(shù)化模型里的每一項內(nèi)容都可以進行修改。
 
    因為相關(guān)參數(shù)化是可編輯性的基礎(chǔ)，所以前面討論相關(guān)性時已涉及到不少可編輯性的內(nèi)容。下面就可編輯性問題再作進一步探討，相同的地方不再重復(fù)。
 
    * 重視特征的先后依附關(guān)系
 
    在UG中，實體里各種特征的先后依附關(guān)系十分重要，時間戳計的概念必須十分清晰。后面特征的定位，只能同時引用比它出現(xiàn)早的特征。同時，刪除一個子特征時，其子特征往往也會被刪除，或變?yōu)檫^期的無效特征。
 
    * 模型中不得有多余的特征，也不要掩蓋以前實體的特征。如不要在原開孔的地方再覆蓋一個更大的孔以修訂圓孔的尺寸和位置。
 
    * 模型中不應(yīng)出現(xiàn)重復(fù)的未進行布爾加操作的特征，例如實體的體積相重復(fù)。
 
    * 注意布爾操作的合理性，要將布爾操作的次數(shù)控制到最少，因為布爾操作是增加文件大小的重要原因。
 
    * 當(dāng)創(chuàng)建或編輯特征失敗或系統(tǒng)出現(xiàn)提示性警告時，一定要查清原因（例如精度問題）后對癥下藥，不要用重復(fù)的多個相同特征操作（例如Offset Face）去實現(xiàn)而造成不良后果。
 
    * 禁止采用移動和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的方法來進行定位和創(chuàng)建各種特征，否則會給以后的編輯帶來極大困難。
 
    * 以下技術(shù)對于創(chuàng)建可編輯的模型會有很好的幫助：
 
    - 在建模的初期就創(chuàng)建一組基準(zhǔn)平面，用它們來做為安放平面或是定位。這將最小化特征依附的級數(shù)。
 
    - 當(dāng)定位特征時，如果能滿足設(shè)計意圖，就采用正交尺寸（perpendicular dimensions ）代替水平（horizontal）或垂直（vertical）。正交尺寸不需要水平參考，水平參考也是將來編輯失敗的原因。
 
    - 試著參考穩(wěn)定的邊緣。有些邊緣是由屬于不同特征的面的交線構(gòu)成，在之后編輯時很可能被移去斷開，這也是將來編輯失敗的原因。
 
    - 盡可能晚的進行倒圓。
 
    - 如果要改變一個倒圓，編輯半徑以確認(rèn)半徑的改變在一個允許的區(qū)間范圍內(nèi)。
 
    - 如果有拓?fù)涓淖兊念A(yù)期，考慮使用草圖及拉伸特征（或通用凸墊及通用腔）代替成型特征，這樣在改變特征外形或是修剪面時就會更靈活。
 
    - 當(dāng)定義拉伸及旋轉(zhuǎn)特征時，考慮選擇建立（Create）作為最初方式，然后再執(zhí)行布爾運算，之后布爾運算可以單獨被抑制，也可以替換目標(biāo)或工具體（如果被抑制的工具體在它當(dāng)初的創(chuàng)建層上）。
 
    - 考慮使用修剪（trim）而不是求減（subtract）操作。用作修剪的曲面可被替換，不丟失其依附特征（如倒圓挖空），修剪操作還可同時保留原來的片體。