产品外观造型形态CADCAECAM系统关键技术研究.docx
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产品外观造型形态CADCAECAM系统关键技术研究
产品外观造型形态CAD_CAE_CAM系统关键技术研究
分类号:
TH12
10710-2009125092
硕士学位论文
产品外观造型形态CAD/CAE/CAM系统
关键技术研究
王克明
导师姓名职称张伟社教授
机械设计及理论
申请学位级别硕士学科专业名称
论文提交日期2012年4月23日论文答辩日期2012年5月30日
学位授予单位长安大学
ResearchontheKeyTechnologiesofCAD/CAE/CAM
SystemofProductStylingForm
ADissertationSubmittedfortheDegreeofMaster
Candidate:
WangKeming
Supervisor:
Prof.ZhangWeishe
Chang’anUniversity,Xi’an,China
摘要
产品外观造型在设计中受到越来越多的重视,而随着计算机技术的发展,CAD/CAE/
CAM的应用与研究越来越成熟和广泛,这为产品造型件的设计与制造提供了更加高效
的平台。
在本文中,应用现有的计算机辅助设计与分析软件,针对具有曲面造型的构件,运
用CAD/CAE/CAM的集成方法,来提高产品造型设计的自动化程度,并提高设计效率
和质量。
本课题以某一型号打印机外壳为例,在计算机辅助设计中采用正向设计与逆向设计
相结合的混合建模过程,实现产品造型件的创新设计过程。
其中,逆向设计是以三维扫
描获得产品外观数据,在逆向设计软件InnovMetricSoftware中对数据进行处理,并提
取出与外形相关的特征线,然后在Pro/E软件中,通过导入的特征线重建此造型件的三
维数字模型。
正向设计中,以VisualC++6.0为开发平台,运用UG/OPENAPI,UG/OPEN
MenuScript和UG/OPENUIStyler对话框技术,实现UG中复杂装饰图案的自动绘制。
采用STEP格式进行Pro/E与UG数据的转换,即将三维数字模型传入UG中,然后在
此模型表面附加上设计的三维装饰图案,实现产品外观的创新设计。
以打印机外壳为例,
应用ANSYS软件探索了案例产品塑料材料制作的造型件几何形态设计信息,提出了一
种类似塑料造型件刚度与强度分析有限元模型的构建方法。
本文以Pro/E软件为平台,
进行了造型件的注塑模具设计,并实现模具NC代码的自动生成。
关键词:
产品造型形态设计,UG二次开发,ANSYS,模具CAD/CAM,逆向设计
IAbstract
Productstylingdesignisbeingpaidmoreandmoreattentiontoday,andwiththe
developmentofcomputertechnology,applicationandresearchofCAD/CAE/CAMismore
andmorematureandwidely.Itprovidesmoreeffectiveplatformforthedesignand
manufacturingofproductmodelingpartInthispaper,byusingthesoftwareintheexistingcomputeraideddesign&analysisarea,
theCAD/CAE/CAMintegrationisappliedtoimprovetheautomationofproductmodeling
andtheefficiencyandqualityofdesignaimmingatthecomponentswithcurvedsurfaceAtypeoftheprinter’sshellistakenforexampleinthistopic,themixedprocessof
positivedesignandreversedesignisusedtorealizedesignandinnovationoftheproduct’s
modelingpart.Andinthisprocessthedatasofproductstyleisobtainedinthereversedesign
through3Dscanning.Thedatasisprocessedandthecharacteristiclinerelatedwith
appearanceisextractedintheInnovMetricSoftware.TheninPro/E,the3Ddigitalmodelof
themodelisrebuildedthroughtheimportofcharacteristicline.Inthepositivedesign,
UG/OPENAPI,UG/OPENMenuScriptandUG/OPENUIStylerdialogboxtechnologyis
appliedtoautomaticdrawingofcomplexdecorativepictureinUGbasedonVC++6.0.The
Pro/EdataandUGdataisexchangedintoeachotherbytheuseofSTEPformat,thatistosay,
the3DmodelistransportedintoUGandthenthedesigned3Ddecorativepicturesisaddedto
thesurfaceofmodels,soastorealizetheinnovationofproductappearance.Theprinter’s
shellistakenforexample,andgeometricshapedesigninformationisresearchedbasedonthe
modelingpartsofthecaseproductmadefromplasticmaterialsbytheANSYSsoftware,soas
toputforwardthebuildmethodsofthefiniteelementmodelforanalysingtherigidityand
strengthofanalogoustotheplasticmodeling.Theinjectionmoldofmodelingpartisdesigned
andNCcodeofmouldisautomaticallygeneratedbasedonPro/EKeywords:
Productmodelingdesign,UGseconddevelopment,ANSYS,MoldCAD/CAM,Reverse
design
II目录
第1章绪论1
1.1引言.1
1.2国内外研究现状2
1.2.1逆向工程的研究现状2
1.2.2UG二次开发的研究现状.3
1.3课题研究的目的和内容4
1.3.1课题研究的目的和意义4
1.3.2课题研究的主要内容4
第2章产品外观造型形态三维数字模型构建6
2.1正向工程简介6
2.2装饰图案在产品设计中的应用7
2.3分形图及其生成方法8
2.3.1分形理论.8
2.3.2分形图的生成算法9
2.4在VC环境下开发UG程序实现分形图绘制.11
2.4.1UG二次开发技术11
2.4.2使用工程向导创建应用程序12
2.4.3UG/OPENMenuScript技术编写菜单16
2.4.4UG/OPENUIStyler对话框技术18
2.4.5Koch曲线的递归算法19
2.4.6UG/OPENAPI编程的实现.20
2.5逆向工程简介.25
2.6逆向建模关键技术26
2.6.1数据获取26
2.6.2CAD模型重构26
2.7产品造型件的扫描和模型构建实例28
2.7.1模型扫描28
2.7.2拼接优化28
2.7.3模型的修补.29
2.7.4特征线的提取.30III2.7.5Pro/E建模31
2.8正逆向混合建模技术应用31
2.8.1Pro/E与UG之间的数据交换方法32
2.8.2混合建模技术应用案例33
2.9产品造型件的快速成型34
第3章基于案例的塑料造型件CAE模型构建及检验.39
3.1CAE技术与有限元法39
3.1.1CAE技术39
3.1.2有限元法与ANSYS.39
3.2注塑造型件静力分析有限元模型的构建40
3.2.1有限元模型的构建.40
3.2.2载荷加载及求解40
3.2.3检验CAE分析结果并确定构件的设计原则.42
第4章基于Pro/E的塑料件模具设计46
4.1注塑模具CAD技术研究.46
4.1.1基于Pro/E的注塑模具CAD技术46
4.1.2Pro/E模具设计的基本流程47
4.2造型件的注塑模具设计应用实例研究.48
第5章基于Pro/NC的模具数控加工.52
5.1数控编程简介52
5.1.1数控编程过程52
5.1.2常用数控指令53
5.2Pro/NC数控加工过程55
5.3注塑模具数控加工实例研究.56
第6章结论与展望61
6.1结论61
6.2展望61
参考文献63
附录一UG开发相关程序代码.65
附录二打印机外观造型件注塑模具数控加工部分代码74
攻读硕士学位期间取得的研究成果83
致谢84
IV长安大学硕士学位论文
第1章绪论
1.1引言
市场全球化使企业面临的竞争压力日趋严峻,产品外观造型受到越来越多的重视,
成功的外观造型设计能够增加产品的市场竞争力,提高企业的经济效益和社会效益。
激
烈的市场竞争要求企业对客户的需求信息做出更为快速的反映,充分利用各种技术,缩
短设计周期,提高设计质量,降低开发成本,满足客户需求成为企业的竞争核心所在。
计算机辅助技术,可使用户与虚拟产品在虚拟环境下交互活动,利用网络环境实时
进行设计评价并反馈信息,克服传统设计的局限性,缩减设计周期,使得产品更加符合
客户的实际需求。
CAD/CAE/CAM技术是应用现有的计算机辅助设计和分析软件进行产品外观几何
造型设计、有限元模型的构建及其分析和优化设计、数控加工制造编程、仿真模拟及产
品数据管理的集成技术,是一种设计人员借助于计算机进行设计的方法。
计算机辅助设
计(ComputerAidedDesign,简称CAD)是指工程技术人员以计算机为辅助工具,完成
产品设计构思和论证,产品总体设计,技术设计,零部件设计和产品图绘制等工作。
计
算机辅助工程Computer-AidedEngineering,简称CAE是指工程技术人员可建立产品的
数字模型,并在计算机软件中模拟产品及零件的工况,对零件和产品进行工程校验、有
限元分析和仿真。
计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing,简称CAM)是指
[1]
利用计算机辅助完成产品由生产到制造的整个过程。
CAD/CAE/CAM技术的特点是:
(1)能充分将人的创造力和计算机的巨大存储能力、
逻辑判断能力和高速计算能力结合起来。
(2)利用现代计算机的网络技术、图形处理技
术,通过数据库把各种工艺信息、图形数据、加工数据集成在一起,供大家分享,极大
改变了传统的设计、制造模式。
(3)随着互联网和并行高性能计算及事务处理的普及,
[2]
设计、协同、虚拟设计及实时仿真技术在CAD/CAE/CAM技术中得到了广泛应用。
如
图1-1所示为理想化的CAD/CAE/CAM一体化模式。
所有的CAD/CAE/CAM功能都与
一个公共数据库相连,各应用程序都能使用公共数据库中的信息,从而实现产品设计、
产品工艺规程编制、生产过程控制、产品质量控制和生产管理等产品生产全过程的信息
集成。
随着计算机辅助技术的发展,CAD/CAE/CAM技术的应用与研究越来越成熟和广
泛,基于CAD/CAM系统的数字扫描技术为实物逆向工程提供了有力的支持。
逆向工程
(reverseengineeringRE),最初的思想是来源于油泥模型到产品实物的设计过程。
在此
技术中,通过三维数字化测量设备扫描得到产品表面造型数据,根据这些数据利用
CAD/CAM技术重新建立产品3D数字模型,在合理的CAE分析和仿真的基础上,通过
NC加工制造出模具,最后注塑得到所需要的产品造型件,实现了产品?
设计?
产品的
1第1章绪论
[3]
过程。
逆向工程不仅实现创新设计的快速实体化,还有助于设计师及早发现设计问题,
优化设计流程。
工艺设计
几何造型
数控编程
自动绘图
交互式终端数据库生产计划自动化工厂
设计分析
生产管理
模拟仿真
机器人编程
CAM
CAD/CAE
图1-1理想化的CAD/CAE/CAM一体化模式
逆向NC加工流程主要有三部分组成:
产品几何外形的数字化、三维CAD模型重
[4]
建与创新设计、模具和产品的NC加工制造。
具体流程如图1-2所示。
零件几
何外形
实物原型影像、技术资料
的数字
化
数字化测量
三维
数据处理
CAD模
型重建
测量点
模型重建
与创新
云直接
原型复
设计
生成
制
优化创新
模具产生
NC加工代码
和产品NC
加工制造
NC加工制造
图1-2逆向NC加工流程图
当然,在工业设计及产品研发过程中,逆向工程技术的应用并不是纯粹逆向的,是
通过逆向与正向结合的方式来进行的。
在产品数字模型重建过程中要达到产品设计所要
求的高质量曲面,通常同时应用正向设计方法与逆向设计方法,对基础原型数据进行进
一步的加工和二次设计,充分发挥其各自的优势来满足设计要求,如此建立的模型曲面
[5]
才能达到A级曲面的质量要求。
1.2国内外研究现状
1.2.1逆向工程的研究现状
逆向工程一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息,另一
2长安大学硕士学位论文
方面为充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的产品进行再创新设计服务。
在产
品的仿制和改进创新设计领域,已广泛应用逆向工程设计。
通过逆向工程技术,可以快
速吸收并改进国内外先进的技术和产品,有效缩减了产品开发周期,利于追赶并超越世
界先进生产和研发技术水平,有效地占据市场,领导技术前沿。
从产品逆向工程建模的本质过程可以看出,深入交叉的图形表示方法的综合应用和
数值计算,是目前最有发展前途的计算机辅助设计研究方向。
目前,国内外有关逆向工
程的研究主要集中在产品几何形状以及与“功能”要素相关的结构反求,即集中在重建
[6]
产品原型的数字化模型方面。
如今,美国、欧洲、日本、加拿大等国的高技术公司对逆向工程技术的进行研究开
发,并形成了一定规模的新兴产业,其产品的速度、精度、易操作性等方面达到了很高
的水平,可扫描的对象越来越大,且成本则逐步下降。
现代逆向工程技术除广泛应用在
汽车、航天、机械、消费性电子产品等传统应用行业外,也开始应用于休闲娱乐方面,
比如用于立体动画、多媒体虚拟实境等;另外在医学科技和考古研究方面也有其应用高
价值。
目前,在大型的CAD/CAM系统中开始集成逆向工程技术模块,如Pro/Engineering
中的Pro/SCAN功能、Unigrahics中的PointCloud功能、Cimatron90中的Reverse
Engineering功能模块等。
在国际市场上,许多先进国家开发了多个与逆向技术相关的软
件系统,如Surfacer、STRIMandSurfaceReconstruction、CopyCAD等。
比利时Materialise
公司开发了医学图像处理软件Mimics,能将CT或MRI数据快速转化成二维CAD或
[7]
RP所需的模型文件;美国开发了CT可视化可转化成IGES的软件。
在上世纪90年代后期,逆向工程在我国迅速发展和推广,国内从事逆向工程研究
方向主要集中在RP领域。
在越来越剧烈的市场竞争中,逆向工程技术在众多行业已取
得重大的经济效益的同时,由于测量方式和数据处理方式的多样性,逆向工程系统与其
它CAD,CAM系统的接口缺乏统一标准,无法高效率地交换信息。
这是当下逆向工程研
[8]
究领域亟待解决的问题。
1.2.2UG二次开发的研究现状
CAD/CAE/CAM技术的的发展趋势是集成化、网络化和智能化。
对于制造业而言,
企业要提高自身的设计和生产效率,就必然要针对自己的特定环境和特定需求对相关系
统进行开发设计。
在上世纪80年代开始,很多CAD系统提供了“二次开发”的模块拓
展功能,用户可以自己学习二次开发语言并编写程序,然后将生成的操作文件以插件的
方式加载到CAD软件中,这样可以提高用户本身对CAD系统的使用效率。
Unigraphics是世界先进的、面向产品设计和生产制造行业的3C一体化高端软件系
统之一。
UG软件被世界上众多的研发和生产制造公司用来从事产品创新设计、机械设
计,数字化制造和工程检验及仿真等各个领域。
通过UG软件自身提供的UG/OPENGRIP
以及UG/OPENAPI等二次开发语言,便于用户开发专用CAD系统,极大适应了不同企
3第1章绪论
[9]
业对自身产品开发和制造环境的需求。
UG二次开发是指在UG软件平台上,总结行业的设计知识和经验,结合特定的应
用需求,开发面向行业和设计流程的CAD系统。
由于企业中目前很少有这方面的开发
人才,并且企业在这方面的重视程度和投资力度不够。
所以,在UG软件中,利用二次
开发得到适合专业需求的系统,在国内研究比较多的还仅在于高校。
青岛科技大学的学者们通过UG二次开发基础,构建一个超声振动CAD系统。
此
系统包括振动系统装配模块、变幅杆设计计算模块和换能器设计计算模块,可自动生成
[10]
这些部件的三维模型,极大的提高了设计效率,减轻了设计人员的劳动强度。
西南交通大学的学者们在UG的基础上研究并开发了行星减速器三维特征造型系统
及参数化设计系统,针对行星减速器规格化、系列化,建立了基于特征参数化的行星减
速器新产品开发的框架;以VC++,UG等软件平台为基础,建立一套行星减速器三维
[11]
设计系统,它包括特征造型、产品性能设计、虚拟装配等功能模块。
1.3课题研究的目的和内容
1.3.1课题研究的目的和意义
本文的出发点是:
CAD部分通过正向设计与逆向设计相结合的方式完成产品外观
造型件的模型重建和创新设计;CAE部分通过建立合理的有限元模型,对产品造型件进
行刚度和强度分析,得到构件的主应力分布,为以后的注塑件静态力学分析构建合理的
边界条件和加载条件提供一定的依据;CAM部分是进行产品注塑模具的设计和NC加
工。
具体来说,通过三维扫描技术获得原始的计算机三维模型,应用Pro/E软件建立带
有完整设计参数的三维模型,然后通过UGNX及其二次开发技术对此模型进行创新设
计,对于得到的新模型进行ANSYS软件建模,并用案例信息仿真分析ANSYS计算模
型的合理性。
在CAE分析合理性的基础上,应用Pro/E进行注塑件的模具设计,应用
Pro/NC生成其模具NC代码,并在数控机床上加工出模具模型。
通过三维扫描可以更快更精确的得到需要重新设计的实物三维数字模型,UG二次
开发的运用也会缩短创新设计的流程和时间。
Pro/E集成的特征建模功能,模具设计功
能和NC代码自动生成功能可以在CAD、CAM、CAE各单元之间实现数据的自动传递
与转换,使CAM、CAE阶段完全吸收CAD阶段的三维数字模型信息,减少中间建模
的误差,提高分析和制造精度。
本课题将逆向工程和Pro/E及UG二次开发应用到产品
外观造型形态的CAD/CAE/CAM系统集成研究中,以提高产品外观造型的开发效率,
缩短设计周期,提高设计质量和精度,从而提升产品的市场竞争力。
1.3.2课题研究的主要内容
本课题将选取打印机的某一塑料造型件为案例,对其进行三维扫描,构建数字模型,
重新设计,仿真分析模型的结构合理性,并应用Pro/E对其进行模具设计,生成NC加
4长安大学硕士学位论文
工代码,在条件允许的情况下应用快速成型机制作注塑件模型。
主要研究内容如下:
(1)正向设计与逆向设计的混合建模技术在产品外观造型形态设计中的应用,并
通过快速成型技术将创新设计的产品做成塑件模型。
(2)以UGNX为平台,在VC++环境下利用UG/OPENAPI编程接口进行外观造
型件装
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