UGNX複雜殼體建模技術

一、前言

在產品數字化設計與製造和全生命周期管理中，產品設計建模處於龍頭地位。所謂"牽一髮而動全身"，就是產品設計建模重要性的真實寫照，對於複雜殼體而言更是如此。
   複雜殼體結構複雜，製造周期長，是燃油附件產品研製生產的一個老大難問題。深入研究和探索複雜殼體建模技術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，不包含二維製圖的內容。
二、模型質量的基本要求
   本文所指的複雜殼體，是指發動機燃油附件中需要模具設計和數控加工的殼體類零件，它具有孔系特徵多、鑄造表面形狀複雜的特點（圖1）。因此，對模型質量的要求比一般簡單零件更嚴格。

   圖 1 典型殼體零件（局部）

   複雜殼體模型質量的基本要求：
   * 正確性：模型應準確反映設計意圖，對其內容的技術要求理解不能有任何歧義。要確立"面向製造"的新的設計理念，充分考慮模具設計、工藝製造等下游用戶的應用要求，做到與實際的加工過程基本匹配。

   * 相關性：應用主模型原理和方法，進行相關參數化建模，正確體現數據的內在關聯關係，保證產品信息在產品數據鏈中的正確傳遞。

   * 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的幾何質量檢查，拓撲關係正確，實體嚴格交接，內部無空洞，外部無細縫，無細小台階。模型文件大小得到有效控制，模型沒含有多餘的特徵、空的組和其他過期的特徵，總能在任何情況下正確的打開。

   三、建模的思路和策略

   設計意圖決定建模的思路和策略。產品設計師應首先十分清楚理解自己的設計意圖，不能在沒有統一規劃的情況下就盲目的急於建模。

   一個比較清晰完整的設計意圖至少應包括：

   * 殼體以及與之有關的零部件在產品結構中的功能和作用。

   * 殼體內部結構、外形輪廓、表面形狀、定位孔（面）和主要設計參數。

   * 模具設計的有關信息：模具類型、結構、分型面、型芯、拔模角等。

   * 工藝設計的有關信息：工藝方案、工藝路線、工藝基準、數控加工要求等。

   * 模型中特徵的相互關係。

   * 模型潛在的改變區域，改變的幅度大小。

   * 模型被另一項目拷貝和修改的可能性。

當明確了設計意圖以後，就需要建立整體的建模思路，依次是：

   1）進行特徵的分解：分析零件的形狀特點，然後把它隔離成幾個主要的特徵區域，接著對每個區域再進行粗線條分解，在腦子裡形成一個總的建模思路以及一個粗略的特徵圖。同時要辨別出難點和容易出問題的地方。

   2）基礎特徵 - 根特徵設計：確立建模的起點。在選定好設計基準的基礎上，通常情況下用草圖而不是用體素特徵（UG的體素特徵有長方體、圓柱、圓錐、球）作為模型的根特徵。
3）詳細設計：

   先粗后細 -- 先作粗略的形狀，再逐步細化；

   先大后小 -- 先作大尺寸形狀，再完成局部的細化；

   先外后里 -- 先作外表面形狀，再細化內部形狀。

   4）細節設計：最後進行倒圓角、斜角、各類孔系，各類溝槽…

   UG軟體功能十分強大，實現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，雖然可能實現同一目的，其方法卻有優劣之分，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）如何選擇特徵類型（成型特徵、特徵操作、草圖）；

   2）如何建立特徵關係（尺寸、附著性、位置、時序）；

   3）定義草圖約束；

   4）創建表達式。

   四、建模的一般步驟

   複雜殼體通常為測繪設計或改進改型設計，建模的步驟一般是：

   * 梳理設計意圖，規劃特徵框架。

   * 打開種子文件，搭建建模環境。

   * 確定零件的原點和方向。

   * 建立最初始的基準。

   * 創建草圖作為

建模的根特徵。

   * 在特徵創建過程中，優先添加增加材料的特徵，再添加減少材料的特徵。

   * 按加工過程進行特徵操作。

   * 堅持邊建模邊分析檢查的原則。進行過程檢查的目的，是為了及時發現問題，及時糾正，以免造成因問題累積而導致後續大量返工，嚴重時還會推倒重來。

   * 養成邊建模邊保存的良好習慣，防止意外事故（如停電）而丟失數據。

   * 輸入部件屬性。

   * 創建引用集。

   * 清理模型數據。File -〉Utilities -〉Part Cleanup，可以刪除不用的對象、不用的表達式、"撤銷"數據和清理特徵數據。

   * 進行模型總體檢查，提交模型。[OT_page]

五、建模技術（一）：實現相關性的方法和技巧

   在產品設計中，零件不單單是孤立的幾何元素設計，從設計到製圖、數控加工、分析、裝配，都存在著相關性。相關性設計為我們提供了非常方便的修改產品的方法，減少了重複性工作，保持了信息的一致性，是UG三維設計的基礎技術之一。相關性體現在：

   * 對象之間的相關性：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性：在製圖中，有視圖、尺寸、符號等，這些對象與模型中的幾何是相關的，例如尺寸與模型中的幾何相關，幾何模型的修改使得尺寸可以自動刷新；製圖對象與位置相關，例如文字說明、剖麵線符號等與視圖位置相關，當視圖位置移動時，這些對象隨之移動。

   * 對象與零件或視圖的相關性：對象是模型的一部分，或者與一個視圖有關。

   * 非幾何信息與零件的相關性：例如可以把屬性與零件、對象相關，如一個零件的材料、規格等信息作為屬性連接到零件上。

   * 零件與零件之間特徵的相關性：一個零件的某個特徵尺寸與另一個零件的特徵尺寸具有相關性，例如一個銷釘的直徑與一個銷孔的直徑保持相關，當孔的直徑改變，銷釘的直徑隨之跟著變化。

   產品設計建模的目標，是應用UG主模型原理和方法，創建一個參數化的具有相關性和可編輯性的模型。

   參數化與相關性密不可分，相關性是實現參數化的基本技術和條件。從本質上來理解，相關性有兩個層次：設計意圖的相關性與UG軟體使用技術的相關性。

   UG軟體能實現單一零件內部的相關，也能實現部件間的相關（用Wave技術）。本文不討論部件間的相關性。而部件內部的相關性，可以用表達式的相互引用、草圖的幾何約束、特徵的定位等許多技術來實現。

   1）曲線（Curve）的相關性

   * 注意曲線（Curve）與曲線操作（Curve Operation）命令的區別。

   一般的曲線相互之間不具有相關性，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性。但必須記住在其對話框里將"關聯輸出"（一般為"Associative Output" ）選項設置為ON。

   * 盡量不使用沒有相關性的曲線。

   * 不要用Edit -〉Transform（變換），而要用Feature Operation（特徵操作）-〉Instance（引用）。

   * 不要用Curve Operation -〉Extract（抽取）-〉Edge Curve（邊界曲線），而要用Form Feature（成形特徵）-〉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性。原則上，應在使用平面對象的場合使用相對基準面代替。鼓勵使用與已有的相關面，如偏置的面來達到目的。

2）草圖（Sketch）

   草圖是可以用於創建關聯到部件的二維輪廓特徵的工具，是參數化建模的核心基礎。草圖具有自相關性，也與任何一個從它上面創建的特徵相關。

   * 草圖應用的場合

   - 通常情況下，複雜殼體建模的根特徵使用草圖。

   - 對於複雜的幾何形狀，應使用草圖，不要用一系列特徵去綜合實現它。

   - 不要用草圖建立鍵槽、退刀槽、倒圓、倒角等，應在隨後的體上附加這些特徵。

   - 不要用草圖創建油路孔。

   - 不要用草圖去生成螺紋表面，否則創建螺紋時會遇見麻煩。用

草圖特徵拉伸的圓柱體不能用螺紋表單提供的默認Metric，因為拉伸體與旋轉體基於不同的數學模型（公式）。
* 草圖的工作平面

   作為根特徵的草圖，其工作平面應放在預先定義的基準上，最好是種子文件的基準上。其他草圖的工作平面根據設計意圖而定。

   * 草圖的定位

   創建草圖時，先建立主要的幾何對象，並立即進行草圖的定位。定位時，注意目標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，是完整表達設計者意圖，並可進行參數化驅動。

   - 草圖要進行全約束。

   - 對於比較複雜的草圖，盡量"避免構造完所有的曲線然後再加約束"，這會增加全約束的難度。

   - 草圖應先進行幾何約束，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實現參數化設計。表達式可分為三種類型：數學表達式、條件表達式、幾何表達式。

   複雜殼體的表達式既可用手工創建，也可由系統自動建立。要注意對重要的表達式進行註釋。

   4）基準的使用策略

   * 在種子文件里，一般可預設3個固定基準面和3個由之派生的固定基準軸。不要創建更多的固定基準，因為它打斷了特徵之間的相關性，由於不是相互定位，所以無法進行參數化編輯。

   * 盡量使用相對基準面和基準軸，因為相對基準是與已有的實體或基準相關，可以隨時編輯。

   5）其他注意事項

   * 特徵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全部消失。

   * 複雜殼體建模一般不使用自由形狀特徵（Free Form Features）。如果使用，請注意：

   - 避免使用非參數化命令構造麯面（Through Point, From Pole, From Point Cloud, Foreign）。

   - 構造麯面的曲線儘可能採用草圖方法生成。

   - 編輯曲面時儘可能採用參數化的編輯方法，即使用Edit -〉Feature -〉Parameters，而不使用Edit -〉Free Form Feature非參數化方法。

   - 曲面的階次（Degree）儘可能採用三次片體。

   六、建模技術（二）：實現可編輯性的方法和技巧

   複雜殼體由於特徵多、文件大，還要滿足模具設計、數控加工等下游用戶的建模需求，其可編輯性成為至關重要的指標。一個理想的模型，可以編輯修改各種參數和表達式，可以進行重排特徵時序，插入特徵等操作。總之，參數化模型里的每一項內容都可以進行修改。

   因為相關參數化是可編輯性的基礎，所以前面討論相關性時已涉及到不少可編輯性的內容。下面就可編輯性問題再作進一步探討，相同的地方不再重複。

   * 重視特徵的先後依附關係

   在UG中，實體里各種特徵的先後依附關係十分重要，時間戳計的概念必須十分清晰。後面特徵的定位，只能同時引用比它出現早的特徵。同時，刪除一個子特徵時，其子特徵往往也會被刪除，或變為過期的無效特徵。

   * 模型中不得有多餘的特徵，也不要掩蓋以前實體的特徵。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。

   * 模型中不應出現重複的未進行布爾加操作的特徵，例如實體的體積相重複。

   * 注意布爾操作的合理性，要將布爾操作的次數控制到最少，因為布爾操作是增加文件大小的重要原因。

   * 當創建或編輯特徵失敗或系統出現提示性警告時，一定要查清原因（例如精度問題）后對症下藥，不要用重複的多個相同特徵操作（例如Offset Face）去實現而造成不良後果。

   * 禁止採用移動和旋轉坐標系的方法來進行定位和創建各種特徵，否則會給以後的編輯帶來極大困難。

   * 以下技術對於創建可編輯的模型會有很好的幫助：

   - 在建模的初期就創建一組基準平面，用它們來做為安放平面或是定位。這將最小化特徵依附的級數。

   - 當定位特徵時，如果能滿足設計意圖，就採用正交尺

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。

   - 試著參考穩定的邊緣。有些邊緣是由屬於不同特徵的面的交線構成，在之後編輯時很可能被移去斷開，這也是將來編輯失敗的原因。

   - 儘可能晚的進行倒圓。

   - 如果要改變一個倒圓，編輯半徑以確認半徑的改變在一個允許的區間範圍內。

   - 如果有拓撲改變的預期，考慮使用草圖及拉伸特徵（或通用凸墊及通用腔）代替成型特徵，這樣在改變特徵外形或是修剪面時就會更靈活。

   - 當定義拉伸及旋轉特徵時，考慮選擇建立（Create）作為最初方式，然後再執行布爾運算，之後布爾運算可以單獨被抑制，也可以替換目標或工具體（如果被抑制的工具體在它當初的創建層上）。

   - 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，不丟失其依附特徵（如倒圓挖空），修剪操作還可同時保留原來的片體。

* 介紹幾點操作技巧 - 倒圓技巧

   1 倒圓順序一般由大半徑到小半徑；

   1 倒圓失敗時，嘗試檢查一下公差設定；

   1 邊緣倒圓失敗時，嘗試一下其他的倒圓方法如face blending（面倒圓）, soft blending（軟倒圓）；

   - 每個草圖要儘可能簡單，可以將一個複雜草圖分解為若干簡單草圖（閉合輪廓），以支持通過掃描形成多個高低不一樣的實體，也便於約束，便於修改。

   - 零厚度的處理

   當使用布爾操作時，工具實體的頂點或邊界可能接觸不到目標實體的頂點或邊界，這可能使得最終實體的一些部分成為零厚度。如果有零厚度出現，UG會發出以下的錯誤信息：

   Non-Manifold Solid （非複合實體）

   一般地，可將工具實體和目標實體的相關尺寸縮小或擴大0.0001mm (數據精度的1/10)，以避免出現此種情況。

   七、模型質量的分析和檢查

   模型質量檢查根據不同的方法進行分類：

   按檢查的範圍分，可以分為總體檢查和局部檢查。

   按檢查的階段分，可以分為建模過程檢查和模型交付檢查。

   模型交付檢查應進行總體檢查，檢查的內容包括：系統參數設置、圖層設置、顏色設置與種子文件的相符性，Part 屬性、引用集、幾何和幾何體檢查等。

   建模過程檢查一般只進行局部檢查，即使用 Analysis -〉Examine Geometry 進行幾何體檢查（圖2）。
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   檢查幾何體對話框各選項的含義如下：

   1）對象（Objects）：

   * 微小的（Tiny）：在選中體或幾何體中查找所有微小的體、面、邊或曲線。

   - 曲線、邊和體，其包圍對象所用框的對角線長度小於指定距離公差。

   - 面，其曲面面積小於指定距離公差的平方。

   - 面，其面積與周長的比率（2倍面積/周長）小於指定公差（這可以發現長條面）。

   * 未對齊的（Misaligned）：檢查所有與工作坐標系接近正交但又未與之精確對齊的選中幾何體。

   - 直線：矢量為直線方向。

   - 弧和圓：矢量垂直於曲線所在的平面。

   - 平面: 法向矢量。

   - 圓柱、圓錐、圓環、旋轉曲面: 軸矢量

   - 拉伸曲面：拉伸矢量

   - 矢量與XC、YC或ZC未精確平行的對象標誌為未對齊。

   2）體（Bodies）

   * 數據結構（Data Structures）：檢查每個選中體的數據結構問題，如數據損壞。

   * 一致性（Consistency）：

   - 拓撲結構是否一致。

   - 幾何體對象是否合法以及面和邊是否有G1（一階導數）連續體。

   - 幾何體對象是否一致：頂點的幾何體點是否位於連接它們的邊和面上；邊幾何體是否位於連接它們的面內；邊是否只在頂點處相交。

   * 面-面相交（Face-face Intersections）：檢查每個選中體的面-面相交情況和所有面的不一致性。例如，將一個立方體挖空到1mm的厚度，然後將一條外部邊修成5mm半徑的

圓角，內殼就會與外殼相交產生面-面相交的情況。

   * 片體邊界（Sheet Boundaries）：查找選中體的所有邊界（或縫隙）。

   3）面（Faces）

   * 光順性（Smoothness）：檢查B曲面沿其面片邊界光順。

   * 自相交（Self-intersection）：檢查自相交的面。
* 銳刺/細縫（Spikes/cuts）：檢查選中面上可能有的銳刺或細縫。