UG建模和参数化建模分析.docx

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UG建模和参数化建模分析

UG软件的建模与参数化技术分析

第一章简介

Unigraphics（简称UG）是全球主流MCAD系统，是计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程和产品数据管理（CAD/CAM/CAE/PDM）一体化的软件系统之一，应用十分广泛【1,2】。

UG基于完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出各种各样复杂的产品模型，并且具有强大的参数化设计功能，能够很好地表达设计意图，易于修改参数化模型。

另外UG提供了完善的二次开发工具，二次开发程序可以建立起与UG系统的链接，使用户开发的功能与UG实现无缝集成。

利用UG二次开发技术，用户可以开发专用CAD系统，满足实际的应用需求。

UG软件是第三代CAD系统的典范，是基于特征建模和基于约束的参数化和变量化的建模方法。

为什么说UG为第三代CAD系统？

【7】

第一代CAD系统主要用于二维绘图，其技术特征是利用解析几何的方法定义有关点、线、圆等图素。

第二代CAD系统主要是二维交互绘图系统及三维几何造型系统，其发展过程是从计算机辅助绘图到计算机辅助设计，从二维绘图到三维设计，进而到三维集成化设计的过程。

在几何造型方面分别采用了三维线框模型、表面模型和实体模型。

在实体造型上广泛采用了实体几何构造法（CSG法）和边界表示法（B-rep法），CSG法即用简单实体（称为体素）通过集合运算交、并、差构造复杂实体的方法；B-rep法即是用物体封闭的边界表面描述物体的方法。

第三代CAD系统在建模方法上出现了特征建模和基于约束的参数化和变量化建模方法，由此出现了各种特征建模系统、二维或三维的参数化设计系统以及两种建模方法互相交叉、互相融合的系统。

UG软件中参数化三维设计的核心技术便是特征建模，所以UG软件第三代CAD系统的典范，在接下来的章节将介绍三代建模方法（特征建模）相比较二代CAD的优势。

第二章UG建模分析

UG软件的建模模块主要包括：

实体建模，特征建模，自由形体建模等模块，其中实体建模是特征建模和自由形状建模的必要基础。

2.1实体建模

实体建模通常采用将计算机内存储一些基本体素通过布尔运算而生成复杂的形体。

体素是现实生活中真实的三维实体。

根据定义可分为两大类:

一类是基本体素,另一类是扫描体素和三维实体扫描体素，所以实体造型包括两部分内容：

体素定义和描述，体素间的交、并、差布尔运算。

特征建模是实体建模中的一部分，通过介绍特征建模也可以了解实体建模的过程。

下面将介绍特征建模。

2.2特征建模

特征建模即是通过特征及其集合来定义、描述零件模型的过程。

特征是指具有特定意义的几何形状，在UG中将特征分为三类：

基本体素特征、成形特征和加工特征，在下面将分别介绍三种不同的特征。

特征建模技术是UG参数化三维设计技术的核心功能，它是一种基于特征和约束的参数化建模技术，使零件以特征为载体的几何信息和非几何信息（工艺信息），实现CAD／CAPP／CAM各个系统之间的信息共享与交换，以实现并行集成的思想，从而适应现代技术迅速发展及产品快速更新的要求。

特征作为零件的基础，具有以下优点：

（1）特征可使设计者在很大程度上摆脱底层的几何操纵，提高建模系统的用户友好性；

（2）特征具有CAD系统与CAM系统相互理解的语义信息；（3）特征能提供一种宏观描述数据结构，较之直接用点、线、面的描述更为精练，建模的效率更高，而且可将实体模型作为特征模型的底层。

【6】

特征建模是在CSG和Brep为代表的几何造型技术已较为成熟，实体造型系统在工业界得到广泛的应用的同时，用户对实体造型技术提出了更高的要求的情况下而产生的【2】。

尽管运用三维实体造型的方法，对复杂的产品模型能进行完整的几何、拓扑信息描述。

但是，这种用低层信息描述产品的方法已不能适应集成制造（实体造型与应用系统的集成）对CAD系统提出的新的信息要求，CAD系统必须能描述完整的产品模型，不仅包括几何和拓扑信息，还必须包括产品的语义信息、功能信息及公差、精度等工艺信息。

例如机械加工中的加工特征信息（光孔、螺孔等）及加工特征的形状，精度和表面粗糙度等问题。

因此与传统的三维实体造型技术相比，特征造型具有以下优势：

（1）它是一种更高层次上的几何抽象和语义描述。

用CSG和Brep的方法对实体几何的描述是完备的，但无法正确描述其在加工时的情况，属于较低层次。

而像槽、孔、凸台等特征则是面向加工的较高层次的描述。

（2）特征技术不仅是面向几何造型，更重要的是它面向加工，具有工程化的意义。

总之，相对几何实体建模，特征建模对设计对象具有更高的定义层次，易于被工程技术人员理解和使用，并能为设计和制造过程的各个环节提供充分的工程、工艺信息，是实现CAD／CAM集成化和智能化的关键技术。

2.3自由形体建模

UG自由形状建模拥有设计高级的自由形状外形、支持复杂曲面和实体模型的创建。

它是实体建模和曲面建模技术功能的合并，包括沿曲线的扫描，用一般二次曲线创建二次曲面体，在两个或更多的实体间用桥接的方法建立光滑曲面。

对于我们机械专业，最主要的就是实体建模和特征建模。

UG中采用的是复合建模技术，支持传统的显示建模技术和基于约束的草图绘制和参数化的特征建模，并将这些建模技术有机的集成和结合在一起，形成单一的建模环境，所以实体建模和特征建模交叉使用，可统称为实体特征建模【3】。

下面将对UG中的实体特征建模进行重点分析和介绍。

2.4实体特征建模

实体特征建模技术是UG参数化三维设计技术的核心功能，它是一种基于特征和约束的参数化建模技术，具有与用户交互建立和编辑复杂实体建模的能力。

按照特征的分类，将其分为三类：

基本体素特征建模；成形特征建模；加工特征建模。

2.4.1基本体素特征建模

UG中包含的基本体素包括圆柱，长方体，球体和圆锥，如图。

这些特征不依附于其他特征而独立存在，常常作为建模过程中的主特征。

下面将以圆柱体体素的创建来说明建模过程。

UG提供两种圆柱体的创建方式：

直径和高度；高度和弧。

其中高度和圆弧是通过选择一段圆弧，来确定圆柱底面的直径。

特征建模也是参数化设计中的一种，通过改变尺寸：

特征尺寸（如圆柱体的直径和高）和定位尺寸（可通过鼠标选取），来生成同一类拓扑结构的零件，如图所示。

2.4.2扩展特征建模

扩展特征是一种利用二维轮廓生成三维实体的有效方法，其基本原理是将二维截面轮廓（曲线或者是草图）沿一条引导线运动扫描而得到实体。

这里主要是用到传统三维造型中的扫描造型的方法，如平移（UG中为拉伸），旋转，螺旋和轨迹（UG中为扫掠），如图所示。

扩展特征的共同特点是：

扩展特征与建立扩展特征的截面轮廓曲线或引导线是完全关联的，即扩展特征的模型是由平面轮廓线和引导线决定的。

根据引导线的不同，可分为三类：

若引导线为直线，为拉伸特性；若引导线为圆或者弧线时，为回转特征；若引导线为任意曲线，为扫掠特征。

下面将列举一个例子来说明。

如图X-Y平面上的一个圆，即二维草图，若其引导线为直线，如沿Z轴方向，则生成一个圆柱体，若为其他则如图所示。

图1.1X-Y平面上的圆图1.2引导线为直线

图1.3引导线为任意曲线图1.4引导线为圆

从上面可以看出来，扩展特征建模主要是由二维的平面模型（即草绘图）和引导线的不同来决定模型的形状。

其主要用到了计算机图形学中的扫描表示【2】方法，即一个基体（一般是封闭的平面轮廓）沿某一个路径运动而产生形体。

其中的两个主要的变量：

运动的基体对应与UG中的二维截面轮廓；基体运动的轨迹对应于UG中的引导线。

2.4.3成型特征建模

通过基本体素特征和扩展特征可以建立模型的主题特征，对与其依附在主体特征上的其他特征，则可以通过成型特征来建立。

成型特征在建模时不能作为主特征，它必须依赖于某个主体特征才能存在，其主要包括:

孔，凸台，腔体，垫块，凸起，加强筋，键槽和沟槽等，如图所示，蓝色的主体特征，黄色的为成形特征。

下面将以孔特征为例子介绍成型特征，如图所示。

从图中可以看出，成型特征是属于辅助性特征，必须依附于图中的主特征（圆柱体），而且从图中可以看出，孔特征是通过输入一定的参数，如直径，深度和角度等参数来建模，属于参数化建模。

而且孔的类型可以选择常规孔、钻形孔、螺纹间隙孔、螺纹孔等各种类型的孔，各种类型的孔还可以定义各种深度，顶锥角，螺纹深度等若干参数，通过以上参数可以方便的选择加工孔特征的机床，刀具，加工方法等，便于模型后期的加工，所以说特征是联系CAD和CAM的关键媒介。

总之，特征建模是属于计算机图形学中的扫描表示和特征表示的综合体，仍然需要借助传统的几何造型技术来实现。

当完成特征建模后还需进行特征操作，以便进行模型的精加工。

下面就对UG软件中一些常用的特征操作进行简单的介绍。

2.4.4特征操作

特征操作是在特征命令之后，模拟零件的精确设计过程，属于零件的精加工阶段，其主要包括以下几个方面[3]：

（1）边特征操作，包括倒斜角，边倒圆。

（2）面特征操作，包括面倒圆，软倒圆，抽壳等。

（3）复制和修改特征操作，包括实例特征，修剪体等。

（4）布尔运算，包括求和，求交，求差。

（5）其他特征操作，包括拔模，缝合，缩放体，螺纹等。

如图所示。

下面将以镜像体为例，来说明特征操作，如图所示。

通过镜像操作，只需建立对称模型的一半结构，通过镜像特征操作便可以快速的生成所需要的模型，高效快捷。

特征操作可以对零件进行精确设计，如上面的边倒圆等，也可以快速的生成模型，减少模型的创建时间，提高建模的效率。

2.5总结

总之，UG采用复合建模技术，将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模等建模技术融于一体，而且基于特征的建模方法作为实体造型的基础，形象直观，类似于工程师传统的设计方法，并能采用参数控制，十分方便和高效。

第三章参数化设计

3.1参数化设计的定义【7】【8】

参数化设计也叫尺寸驱动,是指参数化模型的尺寸用对应的关系表示，而不需用确定的数值，变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸，从而生成新的同类型模型。

尺寸驱动是参数化设计的关键。

所谓尺寸驱动就是以模型的尺寸决定模型的形状，一个模型由一组具有一定相互关系的尺寸进行定义，用户通过修改尺寸而实现对模型的修改，生成形状相同但规格不同的零部件模型系列。

其本质是保持原有图形的拓扑关系不变的基础上，通过修改图形的尺寸（即几何信息），而实现产品的系列化设计。

参数化模型是通过捕捉模型中几何元素之间的约束关系，将几何图形表示为几何元素及其约束关系组成的几何约束模型。

参数化建模的关键在于建立几何约束关系，即拓扑约束和尺寸约束。

拓扑约束是对产品结构的定性描述，表示几何元素拓扑和结构上的关系，如平行、对称、垂直等，这些关系在图形的尺寸驱动过程中维持不变。

尺寸约束是通过尺寸标注表示的约束，表示几何元素之间的位置关系，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等，它是参数化驱动的对象。

在UG中，提供了两种约束：

尺寸约束、几何约束（拓扑约束）。

尺寸约束可以精确确定曲线的长度，角度，半径和直径等尺寸参数；几何约束可以精确的确定曲线之间的相互位置，如同心，相切，垂直和平行等几何参数，如图所示。

图1.1尺寸约束图1.2几何约束

3.2参数化设计的类型

通常有3种参数化建模方法：

基于特征的参数化设计、基于草图的参数化设计和基于装配的参数化设计。

本文主要介绍前两种参数化建模方法。

3.2.1基于特征的参数化设计

基于特征的参数化设计是将特征造型技术与参数化技术有机结合起来的一种建模方法，主要是将参数化设计的思想用到特征造型技术中，用尺寸驱动或变量设计的方法实现参数化特征造型。

它是参数化设计的一种最基本和最重要的方法。

特征一般用几何特征参数和定位参数来描述。

几何特征参数是指基本几何形体的尺寸参数，定位参数是指几何形体之间的位置参数。

特征的定位参数相当于确定了模型的拓扑关系，而修改几何特征参数，即尺寸参数，就可以修改模型。

在UG中，这种参数化建模方式表现为基于特征的建模技术和表达式驱动图形。

特征通过特征尺寸和定位尺寸，可以被参数化定义，利用参数驱动尺寸，实现参数化设计。

在UG中特征参数与表达式之间相互依赖，互相传递数据。

UG通过表达式来表示参数的数值含义并建立参数之间的关系，使参数与零件模型的控制尺寸之间建立对应关系，因此可以很方便地将尺寸关联起来以实现参数化。

如图所示的结构,此结构由圆柱体特征、孔特征、环形槽特征和阵列特征组成。

通过修改各个特征的一部分参数，便可以得到结构相似尺寸不同的结构，列如：

修改孔的直径值H_dia=5和P_dia=80，或者是P_high=20则可以得到不同的结构。

此例子只是通过修改具体的参数的数值才改变模型，并未建立各个参数之间的关系，在下面的章节将会介绍建立参数之间关系，通过修改变量参数的值能修改整个模型。

但是当尺寸修改有误时（如环形槽的直径值<50=H_dia（10）+2*H位置值（20））则会出现错误提示信息，从图中的错误信息可以看出特征建模是基于加工的基础上来实现的，如图所示。

特征建模是进行参数化设计最简便、应用最为广泛的设计方法。

但是局限性是几何模型必须可以分解为数目有限的基本体素或特定的结构特征。

而且对于基本体素如长方体，圆柱体，圆锥和球等最好不要用于参数化设计，因为各个体素尺寸可以改变，但是位置是固定不变的。

如上面的模型中圆柱体的位置时无法改变的，是由最开始的鼠标选取的位置决定的。

3.2.2基于草图的参数化设计

这种方法是通过草图创建参数化截面，然后通过对截面进行拉伸、旋转或扫掠等操作得到相应的参数化实体模型。

具体为通过添加草图约束保证草图的具体形状和尺寸，利用尺寸参数对草图进行尺寸驱动。

由于进行拉伸、旋转或扫掠等操作所生成的实体模型是建立在草图之上的，因此通过更改草图的尺寸参数可以改变模型，实现参数化设计。

例如建立深沟球轴承模型，设定参数为d，da和b。

UG中的表达式，分为两类：

系统自定义表达式，即P0,P1和用户自定义的表达式。

表达式可以用来控制同一个零件上不同特征间的关系或一个装配中的不同零件间的关系。

通过改变表达式中的参数的值，即d，da和b，就可以改变一系类的值，从而达到修改整个模型的值。

下图为草绘图通过旋转特征建立的模型和修改参数后的模型。

图1.1原模型图1.2修改后的模型

基于草图的参数化设计方法对于截面复杂的零件尤为实用，草图设计的形状和稳定性直接影响着建立在草图之上的实体模型的形状和稳定性，这就要求创建具有合理约束关系的草图，保证模型的准确性和稳定性。

在UG中，草图为绿色为欠约束，为红色为完全约束，黄色为过约束，如上面例子为红色则为完全约束。

3.2.3基于装配的参数化设计

基于装配的参数化设计将装配关系引入参数化设计中，在参数化的零部件的基础上，利用装配关系进行零部件间的约束，并建立零部件间设计变量的函数关系，通过对设计变量的管理，实现了零部件间尺寸的联动，最终实现了复杂零件以及整个部件的参数化设计。

装配参数化设计是在零件参数化设计的基础上实现的，关键是要建立装配关系。

所谓装配关系是零部件之间内在约束的体现，如配合、对齐等，表示零件之间的位置约束和尺寸约束。

位置约束是指各零件在装配中的定位，而尺寸约束是用来规定装配尺寸参数与各零件尺寸主参数之间的约束关系，可以通过在装配尺寸参数与各零件尺寸主参数之间建立函数关系来实现。

当零件主参数或装配参数修改时，将传递给装配参数来确定零件位置，同时改变与此装配参数相关的零件尺寸。

对于装配参数化设计，其主要思想和方法与上面两种类似，主要是多了装配关系的约束，在此就不举例进行说明。

上面的三种参数化建模思想用到的最主要的工具便是表达式。

通过表达式来实现参数化设计，主要是一个部件中的某一表达式可通过链接其他部件中的另一表达式建立某种联系,当被引用部件中的表达式被更新时,与它链接的部件中的相应表达式也被更新，从而实现零件的重建与参数化设计。

在UG中，还有一种比较独特的参数化工具：

基于Excel表格来进行参数化设计。

下面将介绍基于Excel表格的参数化设计方法。

3.3基于Excel表格的参数化设计【4】【5】

UG的电子表格（Spreadsheet）提供了一个Excel与UG间的智能接口。

在建模过程中，通过UG的电子表格提取、修改工作部件的表达式与属性，然后再利用部件族功能，快速设计结构与形状基本相同而部分参数值不同的系列部件，非常适合于建立零件库的工作，能参数化建立一批形状类似，但尺寸不同的零件。

具体的操作步骤为：

首先建立三维参数化模型；其次创建一个含有该模型变量的外部电子表格，并将电子表格的数据与当前模型的参数建立关联；然后通过修改电子表格中的数据既可以改变零件尺寸的变化，可以得到多个同类结构的零件。

下图为整个流程图。

下面通过螺钉标准件的例子来说明上述流程。

表1螺钉参数表

图3.3.1螺钉标准件的设计图

（1）通过表达式参数化建模建立一个螺钉标准件三维模型。

图3.3.2为表达式创建过程。

图3.3.3为创建后的模型图。

图3.3.2为表达式的输入图3.3.3为所创建的三维模型

（2）通过“部件组”命令创建Excel表格，然后在表格中输入如表3.3.2的螺钉参数。

如图3.3.4为创建的表格和创建部件组的方法。

图3.3.4通过“部件组”创建的表格

通过“部件组”的命令可以大量创建同一系列的零件，而且只需修改表中的数据，就可以修改零件的相应尺寸，十分方便和高效。

3.4总结

UG参数化设计主要是维持模型的拓扑关系基本不变，通过尺寸驱动模型，即改变结构的尺寸，主要是通过改变表达式中的参数值来实现模型的重建，主要适用于结构类似或同系列的产品设计。

参考资料

[1]UG中文版机械设计实战训练人民邮电出版社（主要是参考第六章—第八章关于UG特征建模的分类和介绍）

[2]计算机图形学基础教程清华大学出版社（主要是参考3.6形体在计算机内的表示）

[3]UGNX6.0零件与装配设计清华大学出版社（主要是参考第二章的草图约束的介绍）

[4]关意鹏，关来德基于Excel参数表的三维零件库的设计（主要是Excel在UG中的应用介绍）

[5]熊隽UG参数化设计过程中的常见问题解析

[6]基于UG的轴类零件的特征建模的方法研究（主要是参考其中的特征建模的分析与介绍）

[7]基于UG的三维参数化标准件库的研究与开发（主要是其中关于参数化设计的介绍）

[8]UGNX高级指导清华大学出版社（主要是其中的UG参数化建模的介绍与分析）

[9]CAD产品几何造型基础