基于特征的零件实体建模技术在某风扇罩中的应用研究.docx

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基于特征的零件实体建模技术在某风扇罩中的应用研究

基于特征的零件实体建模技术在某风扇罩中的应用研究

作者：

000000指导老师：

00000

（经济技术学院车辆）

摘要：

电机风扇罩是电机的重要组成部分.具有保护风叶，转变风向，聚集风力，给电机散热，因而在机械加工时起到较为重要的作用。

因而一个差的风扇罩可致使电机内部损坏，电机的风向、风力不达标，不能快速散热，从而导致电机烧毁，严重时可能引起火灾，威胁到操作者的人生安全。

本文在SolidWorks软件平台上创建风扇罩三维基础上，对特征的定义、分类进行了阐述；然后以某风扇罩为例，运用SolidWorks软件对风扇罩进行实体建模；最后利用SolidWorks生成风扇罩的工程图。

关键词：

特征、风扇罩、solidworks

1引言

近年来，随着科学技术的发展，各种生活、生产用品的革新，软件技术也随之发展，对于制造业市场的激烈竞争，为适应变化迅速的市场，产品开发的周期和成本是现阶段每个企业都不容忽视的问题。

从国际范围看，以计算机为工具，利用现代设计方法形成的现代机械设计理论，已经被重视起来，也得到了较快的发展。

国内三维技术想要实现从中国制造到中国创造的转变，信息技术是不可或缺。

提高中国制造、设计、生产能力的的技术关键是三维CAD技术。

在我国，制造业企业在当前市场中，同样存在着来自国内外激烈的竞争。

竞争实力主要体现在产品的设计开发及生产制造能力方面。

然而，据估计，在工业产品的总价值中，复杂产品的装配成本却占其总价值的40－60％，所以，如果在新产品开发阶段，就采用在装配方面具备功能完善的分析设计技术，那么就可以在激烈的市场竞争中获取一定优势。

如：

虚拟装配设计的运用将有助于解决零部件从设计、生产到使用报废全过程所出现的一系列问题，而且还能有效地缩短产品开发周期和优化产品性能等，进而降低了产品开发成本。

三维CAD市场的领导厂商之一SolidWorks公司全球首席执行官在接受某报记者采访时指出:

在中国有三个主要的制造行业对产品设计要求比较高，迫切需要借助于三维技术进行设计，一是产品结构非常复杂的模具行业，用现有的二维方法进行产品设计难度非常大；二是对时尚、美观要求较高的消费类产品制造行业，例如手机外壳、PC鼠标等；第三个是目前发展相当迅速的机械设计行业，在中国推广三维CAD十分重要[]。

电机风罩是电机的重要组成部分，除了保证结构改变风向和聚风能力条件下，还要尽量的保证其强度和刚度。

2三维实体设计软件SolidWorks简介

SolidWorks是与UG、Pro/ENGINEER、CATIA等齐名的世界著名三维设计软件之一。

它在航空航天、汽车、机械、模具和家用电器等工业领域的应用非常广泛。

易学易用、功能强大、性能卓越是其最大优点。

作为Windows原创软件的典型代表，SolidWorks软件是在总结和继承大型机械CAD软件的基础上，在Windows环境下实现的第一个机械CAD软件。

SolidWorks软件是面向产品级的机械制图工具，它全面采用非全约束的特征建模技术为设计师提供了极强的设计灵活性。

由于SolidWorks是Windows原创的三维设计软件，充分利用了Windows的底层技术，因此集成其他Windows原创软件一触而就。

经过多年的发展，现在的SolidWorks软件不仅为机械设计提供便利，而且随着会联网时代的到来，SolidWorks开始为创造也的各方提供三维的电子商务平台，为制造业各个领域提供服务。

SolidWorks是一家专注于三维软件技术的公司，把三维CAD技术作为他们的唯一开发项目，近年来SolidWorks软件得以很大提高。

现在的SolidWorks以其易学易用、性能卓越、价格适中而在三维软件市场中首屈一指。

SolidWorks是基于Windows平台开发的其操作界面大量吸收了Windows界面的优点。

SolidWorks在机械设计中取得很大进展，为设计师提供了极强的设计灵活性。

SolidWorks完整的机械设计必不可使的三个设计模块为：

一是零件设计，零件的设计是把不同特征的零件在SolidWorks软件中设计出来；二是装配设计，它是指把制作好的不同的零件进行组合装备成复杂的装备体或成品；三为工程制作，工程图的制作是把已知的零件或装备体以二维的方式显示出来。

3零件特征建模

SolidWorks软件是一种基于特征的实体建模软件，零件的特征建模是指零件模型的构造通过不同的特征操作从而实现的零件实体的建模。

零件是SolidWorks系统中最主要的对象。

传统的CAD设计方法是由平面（二维）到立体（三维），而在SolidWorks系统中却是工程师直接设计出三维实体零件，然后根据需要生成相关的工程图[]。

在SolidWorks系统中，一共有三个模块：

零件设计、装备设计和工程图生成。

3.1特征

3.1.1特征的定义及特点

在CAD技术发展的几十年中，现在的特征造型取代了平面视图，线框模型，曲面模型，实体模型，造型特征把CAD/CAM和生产管理真正的集成化操作变为可能。

在部分SolidWorks2001软件技术平台的实体造型，特征是部分的实体模型的基本要素，它反映了功能元件和工程产品的含义，是描述一组产品信息[]。

其特点是：

（1）以结构的实体几何和边界表示为基础的几何形状定义

（2）特征在于所述几何实体的参数，通过改变特征的尺寸参数可用于构建一个有限的功能无限实体模型部件，同时可以利用参数化操作功能来实现部件的系列化结构。

（3）特征是特征设计与特征识别之间的媒介，它不但可以体现产品的功能和工程含义，而且可以使得CAD/CAM朝着集成化方向进一步发展[]。

虚拟设计中零件实体建模技术中的特征细划分如图1所示：

图1

3.1.2特征的种类

特征可以分为两大类:

第一类需要在草图才能建立的特征；第二类为在现有特征基础上进行的编辑特征。

（1）草图特征的种类有：

拉伸特征、旋转特征、扫描特征、放样特征、筋和孔特征[]。

（2）编辑特征的种类有：

阵列特征、镜向特征、压凹特征、圆顶特征、变形特征、弯曲特征、边界凸台/基体特征和拔模特征。

3.2辅助特征

辅助特征是进行基于特征的某零件实体建模技术的辅助工具之一，包括：

工作平面，工作轴，工作点，构造特征和特征管理树等。

在零件的实体模型的特征创建完毕以后，辅助特征可以被隐藏或重新显示，但这并可以说明它是实体建模的某个组成部分[]。

（1）工作平面即为工作基准面，是辅助创建草图特征和执行特征操作终止的工作平面，一般将其看成一个无限平坦面。

基准面一般不仅仅有一个面，在零件的实体建模中有时还要创建多个基准面。

工作平面其主要作用为确定草图平面，草图平面用来充当特征操作的终止参数平面或者是创建其他工作平面的中间媒体。

根据工作平面和零件实体建模之间的依附关系，又可将其分成非参数化平面以及参数化平面两种。

非参数化平面是指系统自行进行定义的固定的工作平面，如SolidWorks2013中的前视基准面、上视基准面以及右视基准面，它与零件实体建模无任何依附关系，为SolidWorks中默认的基准面。

参数化平面是以非参数化平面和实体模型的表面，边，轴，点等几何元素为参考，根据建模需要平移旋转创建的辅助平面操作。

其中所述几何形状和大小的限制，以实体建模几何体素辅助基准平面和实体模型之间，其位置将与模型和相应改变的形状变化，以便支持参数尺寸驱动建模[]。

（2）在操作轴和工作点是相似的工作平面，工作轴通常是非参数轴的一个固定数目（中心线的对称特性），即，X，Y，Z轴，点（顶点，并设有固体锚点​​），它可以被表征为一个旋转轴和参考轴在圆形显示器上的圆柱形实体;工作点精确定位孔，设有一个数组的参考点。

（3）在做结构特征时进行二维草图，线性约束强加在草图轮廓线，圆或圆弧等施工线。

这是一个强大的工具，素描合理使用可以大大减少人数的限制。

必须指出的是：

虽然在结构特征的草图的一部分，可它的线性与草图轮廓线性不同，只起约束作用，当草图特征建立后会自动消隐，不会出现在实体建模中33。

（4）特征管理设计树的一些特点SolidWorks2013步设计软件的特点之一，特征树可以是一个很好的构造实体造型，它可以使用不同的符号和文字以可视化的记录和显示部分实体所有的建模功能名称，在实体建模中是一个重要的辅助工具。

在草图绘制阶段和特征操作阶段中，我们可以通过特征树选择辅助工作面，轴和草图，而且应用特征管理设计树可迅速地查找出草图特征并编辑特征以及其颜色，光源[]。

3.3几何特征

坚实的模型部件的基本要素几何特征，是基于实体造型的含义，其中的特点是基础特征的创建和经营的细枝末节的主要部分。

在SolidWorks中，根据不同的创建方式，几何特征到草图功能，并直接生成功能。

3.3.1草图特征

草图功能由二维轮廓或横截面拉伸旋转，扫描和放样形成特征。

因此草图功能分为旋转特征，拉伸特征，放样和扫描特征。

拉伸特征是沿一个特定的方向（直线）延伸一定长度而形成的三维实体模型草图轮廓或横截面，创建的拉伸功能，应准确地确定草图定位平面，拉伸方向，尺寸或终止水平[]。

图2为拉伸得到的图

旋转特征是草图轮廓或具有特定参考轴线（工作轴，参考轴，所述二级结构特性线等）的横截面形成的三维实体旋转角度。

因此，草图轮廓，参考轴和三要素的组合物的旋转特性的旋转角度，旋转功能来实现，可以是单向的，也可以是双向的。

如下图3即为使用旋转特征“造”

出的零件实体。

图3

扫描特征是一组草图轮廓或横断面沿某一路径（2D、3D曲线或直线）扫掠而形成的三维实体（见图4）。

常用的扫描方法有：

遵循路径，遵循路径和第一条导引曲线以及遵循第一条和第二条导引曲线[]。

图4

3．3．2直接生成特征

直接生成特征是在实体模型上进行直接参数地创建的特征，是系统或设计者已定义好的特征。

直接生成特征的关键是：

特征及其尺寸、公差的变量化的描述。

参数存在的形式可以反映出图形产生的过程，改变参数同时就会引起图形的变化，这样大大提高了整个设计过程效率。

直接生成特征主要包括：

镜像特征、成型特征、阵列特征和抽壳特征。

在建模时，只需进行特征定位和输入参数化尺寸值即可形成该特征。

1　成型特征成型特征也是系统已定义的，其主要特征为孔特征，在SolidWorks20013的Palette模板特征库中，系统已定义了螺纹孔、沉头孔和直孔等大量成型特征，我们在对成型特征进行创建时，首先确定特征所在的几何位置，再选择该特征的所需要的尺寸参数，从而得到想要创建的成型特征[]。

2　阵列特征阵列特征是指对某一已经存在的原始特征所进行的多个复制。

按阵列时所采取方法的不同，其又分为：

矩形阵列、圆周阵列。

其步骤为：

首先选取需要进行阵列的项目；然后在选取要进行阵列的方法；最后在“XX阵列”中设定排列的方向和数目。

这时就可已得到阵列的结果。

3　镜向特征镜像特征是在实体模型上对某一已存在的草图进行的镜面对称。

一般镜向可以风味一下几个步骤：

首先在一个草图中，绘制出一条中心线；其次选中中心线和要镜向的草图实体；最后单击“镜向实体”按钮，这时我们就得到了与镜向图形和被镜向的实体。

4　抽壳特征抽壳特征能使一些复杂的工作变得简单化。

当在零件的一个面上应用抽壳工具时，系统会掏出零件的内部，使所选者的面敞开，在剩余的面上生成薄壁特征。

通常抽壳时，指定各个便免得厚度相等，也可以对某些便面厚度单独进行指定，这样抽壳特征完成之后，各个零件表面厚度就不相等了[]。

3.4建模技术

建模就是建立模型，就是为了理解事物而对事物做出的一种抽象，是对事物的一种无歧义的书面描述2。

建模在虚拟产品开发中发挥着重要的作用。

建立系统模型的过程，又称模型化。

研究系统的重要手段和前提就是建模技术。

任何因果关系模型来描述相互关系的系统或过程都是建模，因描述的关系各异，所以实现这一过程的手段和方法也是多种多样的2。

该系统可以分析本身的运动，根据模型事物的机构;该系统还可以处理实验或统计数据，并根据关于系统的已有的知识和经验来建模。

还可以同时使用几种方法。

零件是由特征组成的单一三维物体。

在SolidWorks中，特征是各种单独的加工形状，当将它们组合起来即形成各种零件。

无论创建多么复杂的零件三维实体模型，其基本原理都是一致的，其基本原理主要包括：

（1）绘制二维草图；

（2）使用拉伸、旋转、扫描和放样等方法创建基础三维实体特征；

（3）在基础三维实体特征上再创建特征操作；

（4）依次完成所有零件的建模后，接着就是组件的装配，最后是整机的装配工作。

（5）在有些规定中还需要对所得到的装备体进行工程图的生成。

在零件的建模过程中，不是一次就完成零件的建模，实际上这是一个需要反复修改设计结果的过程。

在实体建模完成后仍可以返回编辑和修改二维草图，实体模型会根据修改自动重建。

4电机风罩的实体建模

4．1数学模型

介绍了在Solidworks环境下，根据电机风罩的相关几何参数和制造参数，进行电机风罩三维实体建模的详细方法。

在机械加工中，电机风罩起到很重要的作用。

尽管很多人以为电机风罩机械加工时作用微乎其微，其实这个观点错误的。

实际上电机风罩对于电机是不可或缺的，它可以很好地保护风叶，增加风流速，聚集风力，起到防止电机烧毁的作用。

随着solidworks技术的迅速发展，应用先进的计算机技术对风扇罩进行三维实体建模，并在此基础上利用有限元仿真技术模拟其加工情况，避免了传统试验方法的缺陷，对于风扇罩的制作过程，建立风扇罩的三维实体模型是其重要的第一步。

本文以电机风罩为例，详细介绍其三维实体建模过程。

由于电机风罩几何形状的复杂性，本文所建模型是种近似求解，更为合理的3D模型有待于进一步研究。

4.2风扇罩基本外形的制作

4.2.1旋转体轮廓草图

新建零件草图，选择第一基准面（前基准面）进入草图绘制，通过原点画出垂直二条中心线，利用直线操作，分别标注尺寸并修改为55mm和180mm，在交点处用圆角操作标注尺寸并修改为R20mm。

（图5.6.7）

图5

图6

图7

4.2.2旋转

点中此草图，利用特征旋转操作以水平中线线为轴旋转360°，这样风扇罩基本外型草图已经完成。

（图8.9.10）

图8

图9

图10

4.3风扇罩一个网状孔草图的制作

选择第三基准面（右基准面）进入草图绘制，视角切换至正视于。

过原点画一条水平中心线，在原点左侧过中心线上两点分别画出两个小圆，并画出两条直线连接两个圆，右侧圆圆心距原点为20mm，该圆直径标注尺寸为3mm，两圆中心距为42mm，左侧圆直径为10mm。

利用添加几何关系操作将直线与圆相切，并用剪裁操作去除多余线条，将此草图剪裁为封闭的图形，如图所示。

（图11.12.13

图11

图12

图13

4.4风扇罩整体网状孔草图的制作

利用圆周阵列操作，在右基准面上画出24个大小一致的孔。

点以上画的草图右侧小圆弧，如图8所示；点上下两直线，如图9所示，点左侧大圆弧，完成整体网状孔草图，如图所示。

（图14.15.16.17）

图14

图15

图16

图17

4.5风扇罩中间圆孔草图的制作

依旧选右基准面，过原点画一个圆，标注尺寸，并修改为直径为20mm，如图18所示。

图18

4.6拉伸切除

选特征——拉伸切除，挖除风扇罩面的草图部分，拉伸切除后的情形为（图19.20）：

图19

图20

4.7风扇罩一个固定孔的制作

4.7.1固定孔草图

选前视基准面，过原点画出水平中心线，在原点右侧画出垂直于中心线并与原点相距13.53mm的直线，利用添加几何关系让直线上下两端点关于中心线对称，标注尺寸，修改为8mm，如图21所示。

在直线右侧画出上下两小圆，于直线相切两个端点，如图22所示。

在右侧再画出一个垂直于中心线的直线，利用添加几个关系，使两圆于其相切，标注两直线距离尺寸，修改为5.5mm，如图23所示。

剪裁图形多余部分，成为封闭图形。

结束草图绘制（图24）

图21

图22

图23

图24

4.7.2拉伸切除

选取特征——拉伸切除，方向1上位完全贯穿，并旋转下实体，可看见一个固定孔完成，如图25所示。

图25

4.8风扇罩另外两固定孔的制作

点临时轴命令，如图26所示。

选特征——圆周阵列，数量选择3，如图27所示

图26

图27

4.9工程图的制作

在solidworks中打开零件图，用命令（从零件/装配体制作工程图），制作出三视工程图，按照机械制图标准标注尺寸，技术要求以及标题栏，如图28所示。

图28

5结束语

利用SolidWorks三维实体建模技术，在计算机中构造出零件的三维实体模型，利用solidworks提供强大的特征建模，可以在产品的设计阶段迅速的完成对零件图的设计和检验，另外solidworks直接检查机械系统各个零部件在空间的装配情况和干涉情况，有利于优化产品开发过程。

实践证明，3D技术应用于新产品研制及旧产品的技术改造，是现代化企业生存、发展的方向，是产品研制质量、成本、设计周期等方面最有利的保证。

致谢

本篇论文在撰写的过程中得到了朱林老师的悉心指导，在朱老师和其他老师以及同学的鼎力支持下，我完成了我的毕业设计。

在此，我向所有关心、帮助和督促过我的老师和同学表示真诚的感谢。

同时，也非常感谢设计过程中所引用的书目的作者。

参考文献