CAD建模

2024-09-27

CAD建模（精选9篇）

CAD建模篇1

0 引言

从20世纪中期开始,欧洲一些国家就通过引入CAD技术到医疗研究领域,率先使用一种新的手术方法——术前成型法,并且在临床上进行了应用,如在做颅骨修补时,先借助患者头部的CT片信息,利用CAD系统的造型功能进行重构设计,得到患者颅骨的计算机模型和缺省部分的几何信息,再应用相应的制造技术制成与患者实际头型一致的植入片,然后进行手术。在国内,近年来CAD技术应用于医学研究也呈现一种上升趋势[1,2,3,4]。对一些手术的研究,大都先通过建立研究对象的几何模型,然后进行分析,研究手术的可行性,以期对手术起一些指导作用,提高手术的成功率。

本研究以上颌中切牙的CT图像为数据来源,研究上颌中切牙的三维CAD模型建立方法,牙齿原始数据信息的提取方法、信息的处理方法,以及几何模型建立的方法,以便为接下来的牙齿快速制造及牙齿结构应力分析提供理论模型。

1 原始数据处理

原始数据处理,是通过CT图像提取原始数据信息,再经过信息传输、信息处理、信息传递等几个步骤,将原始CT图像数据转换成CAD设计所需要的工程数据。

(1) 信息来源。

对于牙齿CAD建模所需的数据信息,通常是通过CT图像来获取的,因此CT图像资料应该是牙齿CAD模型三维重建的基础。CT应用X射线对牙齿进行投射性扫描,分析处理数据后在显示器上输出牙齿切片的图像。

(2) 信息提取和处理。

为了进行三维建模,必须将CT中的图像信息提取出来,经过再处理才有可能为建模所用。因此,CT机与进行三维重建的计算机之间的信息传输就成为基础而关键的技术。比较先进的CT系统有自己的接口和工作站,可以直接将CT图像信息传输至工作站进行计算机辅助设计和制造。如果CT系统不具备该项功能,可通过间接方式获得。本研究采用的是扫描CT胶片,获得通用的位图文件,再从位图文件中提取有用的信息。这样就实现CT机与计算机之间的信息传输。通过扫描牙齿所得到的CT图像信息中除了牙齿骨骼轮廓信息还包括一些软组织的信息。而对于三维造型来讲所感兴趣的只是颅骨轮廓,因此选择用图像处理软件如PhotoShop,对CT图像进行处理,去掉软组织等不需要的信息,只有骨骼轮廓可见。

(3) 信息传递。

由于扫描得到的图像都是位图,位图的特点就是像素独立描述,彼此之间不存在联系,而在三维建模系统中需要的不是直接的数据输入就是矢量化的图形,位图是不能直接输入到建模软件中的。应用AutoCAD软件对处理后的位图进行图形跟踪,提取边界信息,得到矢量格式,保存为DWG格式的文件,就实现了将位图转换成矢量图。本研究提取了上颌中切牙的43个断层,因此分别得到43个CT图、位图,以及DWG文件格式的矢量图。

通过以上步骤的预处理,牙齿CT图像信息就转换成了可以直接被三维CAD系统利用的图形数据,从而方便了三维CAD模型的建立。

2 牙齿的三维CAD模型的建立

通过将CT图像信息进行预处理,得到一系列DWG格式的文件。每一个DWG格式文件代表了CT一个断层的图形信息。然而这些信息都是平面的,要得到三维图形,必须将这一系列平面信息按照CT扫描时的顺序,在断层之间赋予高度方向的数值,以便得到三维图形。此时就必须明确每个断层图形之间的几何位置关系,也就是说,要找到一个统一的基准,使每层图形按照这一基准进行罗列,这样才能保证断层与断层之间的正确位置关系。由于CT机对牙齿扫描时,CT系统固有的标尺反映在每个断层的CT图像上,可采用该标尺作为基准,把一系列的DWG文件输入三维CAD系统以后,将它们罗列,形成了重叠的三维图形。

在本研究中牙齿三维CAD模型的建立是通过多个CAD软件来实现的,具体过程如下:

(1) CT图像(其中的一个,如图1所示)信息预处理得到的是一系列DWG格式文件。为使得三维CAD模型和实体模型的形状不发生变化,必须保证每一个断层面具有相同的参考坐标系。牙齿断层面及各断层面重叠的结果如图2所示。

(2) 将每一个断层面的DWG格式数据信息导入到三维设计软件Pro/Engineer软件中。导入后,保持原有的图形信息,不要改变图形的参考坐标系位置,并保存为IGS格式的文件,以便于后面的进一步处理。

(3) 将IGS格式的文件导入到SURFACER软件进行曲面造型。

由于导入的IGS文件有一些噪声点,所以首先在SURFACER中去除这些噪声点。同时导入的IGS格式的线条在SURFACER中不再显示为线条信息,而是显示为点云的信息,这就需要将这些点云通过合理的内在排列顺序拟合成曲线:

①去除曲线点云周围的噪声点。

②点云的合并(add clouds)。查看点云的信息,如果是由1个以上的点云组成,应该先合成为一个点云,然后删除原有的点云,保留合成后的点云。

③对保留下来的点云进行光滑(smooth-filter)处理,这样保持了直线的外形,同时也保证了后面的更好的直线拟合效果。

④对光滑(smooth-filter)后的点云进行排序(order-sort by nearest),使得在直线拟合时点云中的各点能够按照正确的顺序拟合,如图3(a)所示。

⑤对处理后的点云进行曲线拟合。拟合的时候为了保证原有断层面的形状,按照内插(interpolate)模式拟合,如图3(b)所示。

⑥按照上面5步的顺序处理各个断层面的IGS格式数据。

⑦在SURFACER软件中按各断层面的顺序(CT对各断层面的扫描顺序),赋予各断层面高度值(本实例中断层的扫描间隔是0.5 mm),定位各断层(Reset Home Xform),从而构成牙齿模型的线框架,如图4所示。各断层在参考坐标系信息同样会被保存到SURFACER软件中,这样形状是保持不变的。

⑧对线框架进行处理,使得各个截面的起始点(start point)保持一致,适合曲面造型。

⑨用曲线混合(loft curves)方式进行曲面造型(如图5所示)。

(4) 将SURFACER软件中建好的曲面导入Pro/Engineer进行实体造型。

由于SURFACER软件适合曲面造型,可以非常好地进行曲线、曲面的拟合,这也是选择SURFACER软件来进行牙齿曲面拟合的一个主要原因。但SURFACER软件只能做出质量较好的高精度曲面,没有办法做成实体,要做成实体还是要转到Pro/Engineer中进行实体造型。

在SURFACER软件中完成牙齿曲面以后,把它输出转换成适宜输入Pro/Engineer软件的文件格式——IGES格式文件,再把此IGES文件导入Pro/Engineer。利用Pro/Engineer的曲面造型功能封闭牙齿的两端,然后合并(merge)3个曲面,形成一个封闭曲面。再利用Pro/Engineer软件的实体造型功能,“利用曲面”(Use Quilts)生成实体(Solid),如图6所示。

上颌中切牙的三维CAD模型建好以后,接下来就可以在三维CAD软件中以建好的牙齿三维CAD模型为基础,根据实际断牙的情况,在牙齿的中部建立牙桩,然后分割牙齿成上下两个部分,得到断牙、补上去的另一半牙及牙桩的三维几何模型。依据这些三维几何模型,便可借助结构应力分析软件(如ANSYS)分析牙桩对已有的断牙和补上去的另一半牙的应力影响,以便为后来的手术提供一定的理论参考和指导性建议。

3 结束语

应用图像处理技术[5]、CAD技术[6]、计算机辅助分析技术为断落牙齿的修补技术提供参考指导,是计算机应用技术、制造工程和医学学科交叉的一个体现,综合了图像处理、计算机辅助设计,计算机辅助分析和医学影像等技术和经验。

本研究借助图像处理软件PhotoShop、AutoCAD软件、Pro/Engineer软件、SURFACER软件,提出了一种基于CT切片图像的三维CAD模型重建方法,与以往仅凭医生的经验设计缺损器官相比,更具科学依据、更准确、更个性化,且为接下来的器官快速制造、器官结构应力分析提供了可靠的数据模型,同时也进一步提高了手术的成功率。

参考文献

[1]李延平,常勇.基于CT图像与反求技术的缺损器官三维CAD建模[J].工程图学学报,2006(3):97-101.

[2]王红亮,陈树越,张文栋.基于工业CT切片数据的反求建模技术[J].测试技术学报,2006,20(2):164-167.

[3]张泉,丁辉,王广志.基于人体结构断层图像的三维建模与网格剖分优化[J].清华大学学报,2007,47(12):2195-2198.

[4]王钰,徐敏,谷方.基于切片图像的颌面骨骼三维建模方法[J].青岛大学学报:工程技术版,2007,22(1):35-39.

[5]顾国松,林岳松,陈华杰.UML和ICONIX在SAR图像融合平台建模中的应用[J].机电工程,2008,25(2):31-34.

[6]许文金,何文学,李星.反求工程CAD建模中基于零件图样的修正技术[J].机电工程技术,2007,36(1):71-74.

CAD建模篇2

2、首先在注视图绘制门板平面图，如下图

3、先将外围线做面域.在选择拉伸命令将面域拉伸-20.角度0.拉伸完成后将其它线压印到实体上,然后将中间面用拉伸面命令拉伸-10,角度45.得到下图，

4、在用复制面命令原点复制面m1，选中面m1点击分解命令，将面分解成线，然后用偏移命令将各线向内部偏移10，(可以转到主视图偏移并修剪或倒角)修整后如下图，

5、将新线在压印到实体上。然后将新压出来的面用拉伸面命令拉伸10，角度65，得到下图：

6、将边缘倒圆角，(半径可自定)倒完后再将最中间面和边框面用拉伸面命令拉伸2，角度0。出现台的效果

CAD建模篇3

关键词服装CAD；职业女装；服装仿真

中图分类号 TP391.7 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)112-0113-01

职业女装是工业社会的产物。随着社会的文化科学技术发展，越来越多的受过较高文化教育，有一定的专业技术能力的知识女性走向社会。由于所处的社会地位、工作环境、业务需要、自身文化素质以及生活方式的影响，她们对衣着打扮比较重视，且具有较高的文化品位，从而形成“办公室一族”女性消费群体，“职业女装”由此应运而生。职业女装体现了商业交际中礼仪规范，统一了社团整体形象，具有不可替代的功能。

职业女装是由西方服饰体系中的女西服等经典款式演变而来，秉承西方服饰的特点。以上衣外套为例，采用曲线剪裁，大多采用刀背缝或公主线结构，装袖，西服领，这种结构注重体面表现和胸腰臀的造型，可以使服装符合人体的外轮廓，外观整洁。但是这种结构却有着先天的不足，具体表现在：①上肢作大幅度动作时，衣服对人体的束缚；②服装与人体之间的空间较小，服装的防暑、防寒性能较差；③不能满足文化层面的需求。

综上三点原因，就是要探讨并设计的新型职业女装主要有三个特点：①注重设计围度、袖肥、侧长、肩斜、肩袖角度等部位构成，满足较高的功能性要求；②新款职业女装将吸取传统职业女装的结构优点，从古代中国传统文化中的结构设计中借鉴合理的要素，应用到现代职业女装的结构设计中，体现中国传统文化精髓；③注重新款职业女装的穿着舒适性，通过舒适性仿真，来选择合适的面料、尺寸和其它设计元素。

新式职业女装实例设计方案：

1 新款职业女装设计思想

中国传统文化、精神在服装上的体现，主要集中在形制（包括穿着方式），色彩、图案方面，在结构方面的探讨较少。本论文从服装结构方面，特别是服装同人体之间的空间设计方面来体现传统文化中儒道释合一的精神本质。

在三维人体模型的基础上，探讨人体模型与服装的关系模型，从结构上考察服装同人体的关系，在服装设计时选择合适的收放尺寸。同时，通过仿真获得与设计相关的各部位结构关系，确定职业女装围度、袖肥、侧长、肩斜、肩袖角度等部位设计元素。

2 主要结构设计

1）新款职业女装围度放量。围度放量是穿着舒适、满足良好功能性的重要因素。由实验姿态可知，上肢前举120度时，人体皮肤长度方向上变化很大，当衣服的侧长不能满足需要时，围度放量也可以起到补充的作用。同时，“厚”的品德推崇，也对中国消费者的审美取向有着一定的影响；而传统职业女装的围度放量较小，成衣胸围在98cm左右，袖肥在36an左右。这个数值可以满足基本的生理需要和小幅度的动作，没有多余的部分，所以外观比较简练，便于活动，但对于更大范围的运动就稍显不足，背部、上臂大范围的压力和腋底的牵拉很常见。

2）新款职业女装长度设计。新款职业女装的特点主要体现在侧长和袖底长的设计，纵向线段变化率最为剧烈的部位大多集中在腋窝周围的四个线段，也就是6cm范围内，其中侧长的变化率最大。所以满足侧长和袖底长，共76cm，是适应手臂前举120度的关键。传统女职业女装肩袖角度很大，肩峰处有明显的转折感，此时肩部造型立体，但是同时造成了袖底长和侧长（至腰线）很短，约为53cm左右，这个数值同手臂前举120度姿态所要求的76cm相比，还有很大的差距。随着袖子的抬高，侧长和袖底长也必须不断增大。

3）新款职业女装肩斜角度设计。肩斜角度影响着服装的整体平衡。合适的肩斜对于运动量的满足和穿着的舒适都具有重大意义：理想的肩斜角度可以使得衣服在人体的着力部位均匀的分布在由颈侧到肩峰的肩线上，减少疲劳感，为肩部向上运动提供一定的活动量：理想的肩斜角度还可以使得服装的外观平整，避免出现垂绺。

而传统职业女装的肩斜一般是以人体的自然肩斜为基准的。考虑到符合人体角度的肩线的上述诸多优点，新款职业女装可以参照人体的角度设定肩斜，即以参照日本文化式原型中的肩斜，前肩斜180度左右，后肩斜220度左右。

3 主要功能设计

随着人们生产活动场所的扩展，以及对生活品质的重视，服装功能性和舒适性成为人们日益关注的重点。功能性纺织产品的种类很多，通常分为：物理性功能产品（电子、电气性功能，热学功能，光学功能，物理形态功能等）；化学性功能产品（光化学功能，化学反应功能）；物理分离性功能产品（分离性功能，吸附交换功能）；生物适应性功能产品（医疗保健功能，生物体功能）等。近几年，国内外功能性纺织品开发的重点在于提高产品的舒适性、健康性、安全防护性和环保性，其中舒适性是研究的重点。调查表明，消费者在购买服装时，舒适度已超过款式、尺寸、品牌等，成为首要考虑因素。

研究舒适度首先要了解人体的热平衡机制，人体具有一个可靠的体温调节系统，保证身体内核温度稳定在37℃附近。当体温过高时，通过血管舒张和出汗来加速热量散发；当体温过低时，通过血管收缩和肌肉颤抖来减缓热量散发和增加热量。Zhang提出了动态非一致环境下的局部．全身热感觉和热舒适度模型，模型分为四部分：①19个身体部位的局部熟感觉；②备个局部热舒适度；③全身热感觉；④全身热舒适度。

所有模型都是基于实验测量的生理和主观参数，包括皮肤和内核的温度、温度变化率、局部和全身的感觉和舒适度评价。通过对数据的回归统计分析，给出了感觉和舒适度的数学模型．在分析局部热感觉模型时，首先研究稳定条件下的计算公式，然后再加上动态条件下的数据，最后形成可预测动态条件的局部热感觉模型。而全身感觉模型是各个局部热感觉的加权平均，全身舒适度模型是基于规则，没有数学模型。确定权重的主要因素包括：①由于几何尺寸和敏感度影响．某些部位（胸、背等）的权重要远大于另一些部位（如手、足等）；②对每个部位来说，权重具有冷热不对称现象，即某些部位可能热的时候占的权重小，冷的时候占的权重大；③每个部位的权重是关于局部与全身感觉间偏差的函数，偏差越大，权重也越大。

通过研究纺织材料的热传递特性，结合人体热循环机制，建立着装人体在人体－服装－环境系统中的热传递仿真计算模型，对给定的仿真场景（包括服装的材料特性、构造，人体参数．环境温度湿度等气候条件），经过计算机数值仿真计算后，得出人体和服装的温度等有关物理生理数据。再利用热舒适度评价模型，预测人体的热舒适度感觉，从而得到服装和纺织材料的传热性能评价，即服装的热舒适性。通过在计算机上调整服装和纺织材料的有关参数，反复迭代实验，最后设计出满足期望的热舒适性的服装产品，包括女装的面料、结构尺寸等，满足需要的功能，达到功能化设计要求。

参考文献

[1]徐美玲.CAD在服装业中的应用和发展[J].纺织导报,2002.

CAD建模篇4

反求工程是将已有的实物模型或产品模型转化为工程设计的CAD模型, 并在此基础上对已有的实物或者产品进行分析改造和再设计的过程, 是已有设计基础的再设计。其最主要的任务是将原始物理模型转化为工程设计概念即CAD模型。目前国内外学者对反求工程中的CAD建模技术做了大量的研究, 但总体而言, 有关在机械产品反求工程CAD建模过程中引入特征、约束及参数化技术的理论研究还不够深入、系统, 具体技术的实现还存在诸多难点。本文主要针对反求工程CAD建模中较为复杂的自由曲面特征识别技术进行研究。

二、自由曲面CAD模型重建方法

自由曲面是由许多不同方向具有不同曲率半径的曲面组成, 若在重建自由曲面的过程中对曲面所蕴含的特征参数不进行提取, 而直接基于点云进行拟合, 则在拟合过程中要大量用到的点到曲面的投影算法进行散乱点参数化, 需要消耗大量运算时间, 使曲面拟合效率很低, 同时拟合曲面的光顺性受拟合误差影响, 经常难以满足实际要求。因此直接基于点云的曲面拟合重构效果并不理想。而根据产品设计中从二维到三维的原则, 可先采用一组平面对点云进行截取以获得二维截面线数据, 通过对截面数据进行处理并采用最小二乘法进行拟合以获得一组截面特征线, 最后基于截面曲线组蒙皮实现曲面重构。总体分为以下步骤:截面数据获取;截面数据预处理、特征识别;截面曲线的构建;蒙皮曲面重建。

(一) 点云切片和截面数据获取

截面数据获取主要通过点云切片的方法来获得, 即用一组平面对点云进行切片。借用梁忠伟对自由曲面测量规划的思想来确定点云切片的方向和截面之间的距离。点云切片具体分为以下步骤:

第一, 按照所得自由曲面特征类型的分块点云曲率变化的程度, 确定出平行于横剖截面的方向, 按照平行于横剖截面的方向确定为XOY坐标平面, 并将垂直于XOY平面的方向作为Z方向, 如图1所示:

第二, 用若干个平行于XOY平面且等垂直间距的截面上进行-Z轴方向的切片。

第三, 在完成最初的两个截面切片 (获得的截面数据点集分别记为W1, W2) 后, 如图2所示, 将其投影至XOZ平面, 根据其数据点投影分布, 可以计算出XOZ平面上其相邻两个截面间的连接矢量。

第四, 继续用下一个平面截点云得到数据点集W3, 在XOZ平面上作W2与W3截面间的连接矢量, 比较f1, f2之间的夹角如果ə大于给定的误差值ə0, 则说明截面间距过大, 没有正确反映原曲面的变化特征, 则需在W2与W3的Z向中点处补截一个平面W′2, 如前法分别比较W2W′2, W′2W3之间的切矢夹角, 如果此时夹角小于给定的误差夹角阀值ə0, 则说明用此细分后的截面进行点云切片, 获得的截面数据足够准确, 无需继续细分截面来对点云进行切片。依照以上的方法沿-Z轴方向, 继续用平行的平面对点云进行截取。

平面截点云时, 数据点刚好落在平面上的可能性很小, 有时甚至得不到数据点。仅仅使用截取落在平面上的点往往不可能拟合出一条反映实物的实际外形特征的截面曲线。所以这里采用点云中与平面距离小于一个定值 (在此称为距离域值) 的点作为研究对象。为了减少计算量, 同时又能反映实体的实际外形, 这里的距离域值可以根据点的数量手工调整, 使得在点密度比较大时域值取小一点, 反之则大一些。将与截平面距离小于域值的空间点投影到截平面上, 用投影点代替不在截平面上的空间点, 进而获得截面数据点。

(二) 截面数据预处理、特征识别

在取得截面数据后首先对截面线数据进行平滑去噪处理。根据截面线数据的特点采用目前较为常用的曲线检查法进行平滑去噪处理。具体做法是:通过截面线数据的首末数据点, 用最小二乘法拟合得到一条样条曲线, 曲线的阶次可根据曲面截面的形状设定, 通常为3-4阶, 然后分别计算中间数据点到样条曲线的欧氏距离‖ei‖, 如果‖ei‖≥[ε], [ε]为给定的容差, 则认为Pi是坏点, 应以剔除。

完成数据预处理后需进行截面线的构建, 但为了使得到的截面线能较好地体现零件的二维特征, 在完成数据预处理后一般需先进行截面数据的特征点识别, 以获得二维截面特征曲线。组成截平面形状特征的曲线段之间的连接点经常是曲线连续阶的变化点, 根据曲线连续阶可将曲线连接点分为跳跃点 (位置不连续点) 、尖点 (切矢不连续点) 、折痕点 (曲率不连续点) 、曲率极值点和拐点, 并统称为特征点。而截面特征曲线单元间一般都是满足位置连续或切矢连续的点, 因此截面特征点的提取以这两种特征点为主。如果基于截面数据查找出这些特征点, 则可以参考这些特征点将曲线分为多段。具体的特征点提取方法如下:

1、跳跃点, 即C0不连续点

设曲线为z=f (x) , 对于曲线上两相邻离散点Pj, Pj+1, 其中点为A, 有:Z (A-) =Pj, Z (A+) =Pj+1, 若Z (A-) -Z (A+) >M (M为一给定的阀值) 则可认为:Pj与Pj+1之间为C0不连续, 即Pj与Pj+1为跳跃点。

事实上, 若 (xj-xj+1) 或 (yj-yj+1) (j=1, 2, ..., N) 比较均匀, 离散曲线的0阶导数跃度可用相邻两点的距离值代替。即两相邻点之间的距离大于某给定的阀值, 则可认为是跳跃位置。

2、尖点, 即一阶导数不连续

在C0连续的点处, 离散曲线的一阶导数可以用一阶差分来近似。设曲线为C, 应用一阶差分可计算离散曲线C在点Pj处的导数:

则数据点Pj为尖点, 其中L和α分别为给定的模长和角度阀值。

3、二阶导数不连续点及曲率极值点的确定

二阶导数可用曲率来表示, 故可通过曲率的计算来确定二阶导数不连续点。

第一, 如果满足‖C"‖Pj-‖C"‖Pj+1≥N (N为一给定阀值) , 则认为Pj点为C上的一阶连续点, 二阶不连续点。

第二, 若‖C"‖Pj≥‖C"‖Pj+1+K且‖C"‖Pj≥‖C"‖Pj-1+K (K为一给定阀值) , 则认为Pj点为曲率极值点。

依据以提取的数据特征点进行数据分段。尖点作为曲线C0连续点, 曲线在该点处切矢和曲率不连续, 一般是直线和直线、直线和圆弧等曲线元的连接点;折痕点作为曲线C1连续点, 曲线在该点处曲率发生突变, 一般是直线和圆弧或者直线和样条曲线等曲线元的连接点。而拐点和曲率极大值点一般包含在样条曲线中。依据以上几点, 可以在上一节求得特征点的基础上进行截面数据的分段。在确定尖点后就可以将截面曲线分割为直线和直线或直线和圆弧的组合, 具体的判断是记此尖点为Vi, 则截面数据中在它之前的那个特征点为Vi-1, 之后的那个特征点为Vi+1, 先判别Vi和Vi-1之间的数据点的曲率, 若数据点的曲率相似 (都在一定的阀值以内) 而且接近于零, 则为直线可用直线的最小二乘法进行拟合。假设Vi和Vi-1之间的数据点总数为n (不含Vi和Vi-1这两点) , 之间的点标记为Pk (k=0, 1, ..., n) , 则上述思想可以用数学式表示为下面形式:max Kpk≤η (k=0, 1, ...n) , 其中Kpk表示Pk点的曲率, η为阀值无限接近于0, 则此数据段为直线。若数据点的曲率相似 (都在一定的阀值以内) 但不接近于零, 则为圆弧, 应用圆弧的最小二乘进行拟合, 用数学形式表示为max Kpk≤λ (k=0, 1, ...n) , 其中Kpk表示Pk点的曲率, λ为阀值无限接近于一个常数但这个常数不为0, 则此数据段为圆弧。判别出Vi和Vi-1之间数据段的曲线特征类型后, 再用同样的方法对Vi和Vi+1之间的数据段进行判别。同理在确定折痕点后, 也可以判断其前后两相邻曲线段包含的数据点的曲率来判断, 如果曲率变化超过超过一定阀值, 则被认为是样条曲线, 用数学形式表示为maxKpk-minKpk>δ, δ为阀值。判断数据段为样条曲线还有一个标志是, 查找拐点和曲率极大值点, 因为它们一般包含在样条曲线中, 找到拐点和曲率极大值点就可以初步的判断其两边数据段为样条曲线, 应用最小二乘进行拟合。

(三) 分段截面曲线的整体约束逼近和蒙皮曲面重建

组成截面形状特征的各段曲线之间不是简单的组合, 而是满足垂直、平行、相切等约束关系, 因此在完成分段曲线的构造后还需对这些曲线之间特有的几何约束关系进行识别, 使得最后所建的模型更为精确。截面特征曲线经过全局约束优化后一般有一系列直线、圆弧和样条曲线等基本特征曲线元首尾相连组成, 它不仅与截面数据点满足一定逼近误差, 而且包含尺寸约束和几何约束。根据工程的实际需求, 截面组合曲线可统一表示为三次NURBS曲线。通过该组三次NURBS曲线进行曲面控制顶点反算来计算插值于这些曲线的B样条曲面, 实现蒙皮曲面的重建。

三、小结

反求工程的一个主要任务是由物理模型重建出几何模型, 这其中包括数据采集、预处理、曲面拟合, 建立CAD模型四个步骤。其核心问题是如何从采样点出发重建出曲线、曲面模型。本文针对反求工程中主要数据处理对象 (散乱点云数据) 提出了一种自由曲面特征识别和模型重建方法, 具有通用性。该方法通过对散乱点云数据进行切片以获取截面数据, 在二维平面上完成数据预处理、数据分段、分段截面曲线的整体约束逼近并依据所得截面特征线通过蒙皮技术构建出质量较高的自由曲面模型。其主要特点是采用点云切片获得截面线数据从而使三维问题转化为二维, 在二维平面上实现特征提取从而使问题变得简单了许多。总体而言该方法具有简单、有效、通用性强、稳定性好等特点。

参考文献

[1]、Varady Tamas, Ralph R R, Jordan Coxf.Reverse engineering of geometric models-An introduction[J].Computer-Aided Design, 1997 (4) .

[2]、金涛等.逆向工程技术[M].机械工业出版社, 2003.

[3]、单东日.反求工程CAD建模中特征与约束技术研究[D].浙江大学, 2003.

[4]、Thompson WB, Owen JC, James H, etc.Feature-based reverse engineering of mechanical parts[J].IEEE TRANSACTION ON ROBOTICS AND AUTOMATION, 1999 (1) .

高效三维CAD教程之矿泉水建模篇5

创建瓶底造型

1. 在底部绘制草图，并连接成一条曲线

3.使用封闭瓶底曲面(图三)，

4.使用修剪底部的面。(图四)

5.使用缝合底部的两个面，使瓶身柱面和瓶底曲面合并为一个造型(图五)。

6. 对底部的边做圆角(图六)。

7.同样对顶部使用并做圆角(图七)。

8.对瓶体做一次抽壳(图八)，

创建瓶嘴

9.在顶面创建圆柱体，并抽壳，此例中瓶嘴厚度大于瓶身的抽壳厚度(图九)。

10. 以瓶嘴的内圆边为轮廓拉伸圆柱体，使用减运算剪切出瓶口里的洞(图十)。

11.使用将瓶嘴与瓶身合并为一个造型(图十一)。

12.在瓶嘴与瓶身连接处做圆角，由于瓶嘴与瓶身厚度不同，在连接处的两条边有不同的圆角半径，内部边的圆角半径=外部边圆角半径+瓶嘴厚度(图十二)。

13.对瓶嘴顶部的两条边做圆角，此例中使用了不同的圆角半径(图十三)。

14. 渲染效果图(图十四)。

CAD建模篇6

(一) 新款职业女装设计思想

中国传统文化、精神在服装上的体现, 主要集中在形制 (包括穿着方式) 、色彩、图案方面, 在结构方面的探讨较少。本论文从服装结构方面, 特别是服装同人体之间的空间设计方面来体现传统文化中儒道释合一的精神本质。

(二) 主要结构设计

1. 职业女装围度放量。

围度放量是穿着舒适、满足良好功能性的重要因素。由实验姿态可知, 上肢前举120度时, 人体皮肤长度方向上变化很大, 当衣服的侧长不能满足需要时, 围度放量也可以起到补充的作用。同时, “厚”的品德推崇, 也对中国消费者的审美取向有着一定的影响;而传统职业女装的围度放量较小, 成衣胸围在98cm左右, 袖肥在36cm左右。这个数值可以满足基本的生理需要和小幅度的动作, 没有多余的部分, 所以外观比较简练, 便于活动, 但对于更大范围的运动就稍显不足, 背部、上臂大范围的压力和腋底的牵拉很常见。

2. 职业女装长度设计。

职业女装的特点主要体现在侧长和袖底长的设计, 纵向线段变化率最为剧烈的部位大多集中在腋窝周围的四个线段, 也就是6cm范围内, 其中侧长的变化率最大。所以满足侧长和袖底长, 共76cm, 是适应手臂前举120度的关键。传统女职业女装肩袖角度很大, 肩峰处有明显的转折感, 此时肩部造型立体, 但是同时造成了袖底长和侧长 (至腰线) 很短, 约为53cm左右, 这个数值同手臂前举120度姿态所要求的76cm相比, 还有很大的差距。随着袖子的抬高, 侧长和袖底长也必须不断增大。

3. 职业女装肩斜角度设计。

肩斜角度影响着服装的整体平衡。合适的肩斜对于运动量的满足和穿着的舒适都具有重大意义:理想的肩斜角度可以使得衣服在人体的着力部位均匀的分布在由颈侧到肩峰的肩线上, 减少疲劳感, 为肩部向上运动提供一定的活动量:理想的肩斜角度还可以使得服装的外观平整, 避免出现垂绺。

而传统职业女装的肩斜一般是以人体的自然肩斜为基准的。考虑到符合人体角度的肩线的上述诸多优点, 新款职业女装可以参照人体的角度设定肩斜, 即以参照日本文化式原型中的肩斜, 前肩斜180度左右, 后肩斜220度左右。

三、主要功能设计

随着人们生产活动场所的扩展, 以及对生活品质的重视, 服装功能性和舒适性成为人们日益关注的重点。功能性纺织产品的种类很多, 通常分为:物理性功能产品 (电子、电气性功能, 热学功能, 光学功能, 物理形态功能等) ;化学性功能产品 (光化学功能, 化学反应功能) ;物理分离性功能产品 (分离性功能, 吸附交换功能) ;生物适应性功能产品 (医疗保健功能, 生物体功能) 等。近几年, 国内外功能性纺织品开发的重点在于提高产品的舒适性、健康性、安全防护性和环保性, 其中舒适性是研究的重点。调查表明, 消费者在购买服装时, 舒适度已超过款式、尺寸、品牌等, 成为首要考虑因素。

研究舒适度首先要了解人体的热平衡机制, 人体具有一个可靠的体温调节系统, 保证身体内核温度稳定在37℃附近。当体温过高时, 通过血管舒张和出汗来加速热量散发;当体温过低时, 通过血管收缩和肌肉颤抖来减缓热量散发和增加热量。Zhang提出了动态非一致环境下的局部, 全身热感觉和热舒适度模型, 模型分为四部分:

(1) 19个身体部位的局部热感觉;

(2) 备个局部热舒适度;

(3) 全身热感觉;

(4) 全身热舒适度。

所有模型都是基于实验测量的生理和主观参数, 包括皮肤和内核的温度、温度变化率、局部和全身的感觉和舒适度评价。通过对数据的回归统计分析, 给出了感觉和舒适度的数学模型。在分析局部热感觉模型时, 首先研究稳定条件下的计算公式, 然后再加上动态条件下的数据, 最后形成可预测动态条件的局部热感觉模型。而全身感觉模型是各个局部热感觉的加权平均, 全身舒适度模型是基于规则, 没有数学模型, 确定权重的主要因素包括:

(1) 由于几何尺寸和敏感度影响, 某些部位 (胸、背等) 的权重要远大于另一些部位 (如手、足等) ;

(2) 对每个部位来说, 权重具有冷热不对称现象, 即某些部位可能热的时候占的权重小, 冷的时候占的权重大;

(3) 每个部位的权重是关于局部与全身感觉间偏差的函数, 偏差越大, 权重也越大。

通过研究纺织材料的热传递特性, 结合人体热循环机制, 建立着装人体在人体—服装—环境系统中的热传递仿真计算模型, 对给定的仿真场景 (包括服装的材料特性、构造, 人体参数、环境温度湿度等气候条件) , 经过计算机数值仿真计算后, 得出人体和服装的温度等有关物理生理数据。再利用热舒适度评价模型, 预测人体的热舒适度感觉, 从而得到服装和纺织材料的传热性能评价, 即服装的热舒适性。

参考文献

[1]徐美玲.CAD在服装业中的应用和发展[J].纺织导报, 2002.

CAD建模篇7

CAD建模技术主要有三维几何建模、特征建模和全生命周期建模。经过多年发展, 国内外对建模技术虽进行了诸如变量化技术 (VGX) 、复合建模等方向的研究, 但目前三维CAD建模技术发展仍以特征建模技术为主[1]。特征建模由于着重描述产品的完整信息, 可用高层次的工程语义信息表达零件的形状、结构以及制造特性, 因而已成为CAD/CAPP集成的核心技术[2]。CAD采用的是几何模型, 非常完善地描述了零件的几何信息, 却无法表达零件的工艺信息[3]。国内学者及研究机构虽提出将工艺信息添加到零件CAD系统设计, 但仍局限于建立在二维Auto CAD软件上来完成零件特征造型系统。

本文面向产品的实际制造领域, 探讨基于工艺特征的实体模型建模方法。该方法依据实际加工过程中产品的工艺特点, 以零件三维实体模型为基础, 针对零件具体特征添加与特征相对应的工艺信息, 通过二次开发模块建立零件工艺信息库, 实现三维零件模型工艺信息的录入和快速检索, 可改变由传统二维工程图纸为主来对产品工艺信息进行表达的方式, 为产品特征建模方法提供了新的思路。

2 工艺特征建模技术

基于工艺特征的建模技术是在实体建模技术基础上, 通过对零件模型特征和工艺信息进行分析, 以特征为载体建立的零件工艺信息模型。系统所构建的零件实体, 包含了组成零件实体所需的特征形状、特征尺寸和特征位置以及拓扑关系, 同时通过前置处理, 可将实体模型中没有包括的工艺信息 (如:零件粗糙度、精度和热处理等标注信息) 以属性形式赋予零件实体。本文从产品的制造领域出发, 根据零件工艺过程的实际需求对此建模方法进行描述, 具体如下。

2.1 工艺特征的定义

工艺特征 (Process Feature) 是将满足零件工艺决策需求的加工信息与零件设计和制造相关的信息集成于零件实体模型的特征上。与生成的工艺对应的几何信息, 是已经定义好的加工特征库中的元素, 如:通孔、外圆、键槽、倒角、螺纹等特征。它们包含有零件几何信息、标注信息和工艺属性 (加工该特征所采用的加工方法、刀具、机床等) 。

2.2 分类方法与原理

零件的工艺特征是用来表达零件工艺约束条件的特征集合。包含有几何和非几何特征, 几何特征是指工艺特征的标准参数信息, 包括标准参数名称和标准参数值, 每个工艺特征都对应一个记录标准参数信息的数据表。非几何特征是指工艺特征的类别信息, 含有与特征对应的工艺信息如机床类型、刀具参数、工艺方法符号及切削液等内容。从数学的角度看, 工艺特征可抽象为一组参数的集合, 表示为F= (A (i) , B (i, j) , C (x, y, z) …, fn) , 其中, A (i) , B (i, j) , C (x, y, z) …, fn表示工艺特征, n表示特征数量, 参数值类型可以概括为数值参数和非数值参数[4]。零件的工艺特征信息可对其编码进行表述。

2.3 工艺信息与特征关系模型

目前国内外大多数特征建模系统的研究通常建立在原有三维实体建模系统的基础上, 这是因为三维实体建模的CAD软件已较完善, 具有较强的图形显示、几何拓扑处理及网格划分等功能, 在此基础上可方便增加某些特征的描述信息以建立特征库, 并可将几何与非几何信息描述统一在一个模型中, 设计时通过将特征库中预定义的特征实例化, 以此作为建模的基本单元, 从而实现产品建模。本文通过对工艺设计信息与特征模型之间的关系进行分析, 建立基于工艺特征的零件信息模型如图1所示。

3 系统关键技术

3.1 工艺信息分析与表达

三维工艺信息的表达是利用Pro/E软件以设计模型作为构建零件的实体模型的外部输入参照, 通过访问菜单栏"三维工艺系统"选项可完整表现特征之间的基准参考、位置公差等工艺信息, 系统配置文件数据信息要对工艺特征信息进行描述, 具体包括以下内容。

(1) 工艺特征的属性信息。表示加工特征的属性信息的节 (Key) 包括加工特征的Feature_Name (名称) 、Feature_Type (类型) 和Feature_ID (特征ID) 等属性信息。

(2) 切削成形信息。表示切削去除部分形状信息的节“D”、“H”和“Ang”分别表示定位点的坐标值, 节“loc_u”、“loc_v”、“loc_w”分别表示定位点的坐标值, 节“loc_x”、“loc_y”、“loc_z”分别表示vecter向量的x、y、z分量值。

(3) 特征的工艺信息。记录加工特征的工艺参数、孔内壁表面粗糙度和孔的圆柱度等工艺信息用加工特征工艺信息的节包括“Ra”、“Cyl”等来表示。

(4) 工艺特征的关联信息。表示工艺特征关联信息可以用节“reference”来记录特征中定位参考特征的名称, 如图2所示。

加工特征信息的属性值涉及字符型和数据型变量, 为方便计算机内部操作和信息的转换, 将“节”的属性值“Key Value”变量类型统一定义成字符串“String”数据类型, 在程序处理过程中, 通过数据类型的转化, 可将字符和数据的数据类型转化为字符串类型。

3.2 工艺特征提取模块开发过程

零件工艺信息的获取途径主要包括特征识别和特征设计两种技术[5]。采用Pro/Toolkit进行特征提取, 主要包括组成三维模型的几何特征提取和特征信息的提取[6], 在通过提取特征及其相关尺寸信息的过程, 建立用户数据结构, 并从该结构中获取数据信息, 在用户对话框中实现模型特征树的重构, 同时根据需求将数据信息保存到文本文件中。程序开发过程如图3所示。

如何在特征识别过程中转换设计信息为工艺参数及工艺决策数据的问题, 目前相关的研究较少, 理论基础仍不成熟。为此, 本文的研究主要集中在利用现有特征识别及提取手段对零件工艺信息进行表达上。

4 实例应用

基于上述分析研究, 以某柴油机曲轴为对象, 本文采用Pro/Toolkit方法在VC.NET2003平台上以动态链接库 (DLL) 方式来开发Pro/E环境下的三维工艺系统, 实现基于特征的工艺信息系统菜单的访问, 用户可以对Pro/E模型进行三维零件模型工艺信息检索和提取, 形成文本文件。同时用户也可以通过更改模型特征尺寸信息实现模型的更新。结果如图4所示。

应用上面所述在Pro/E环境对零件的三维工艺系统作为辅助应用程序嵌入, 进行试运行和测试。用户通过特征库能够快速找到所需工艺特征, 大大提高了设计效率。结果表明, 采用这种技术方法, 可有效地实现基于产品三维模型的工艺几何特征快速建模, 获得了良好的使用结果。

5 结论

本文在对零件现有特征建模技术进行分析的基础上, 通过对工艺特征的描述, 对产品设计制造信息在三维模型上的表达方法做了新的探索, 尤其是针对产品工艺信息, 强调零件结构特征与工艺信息相关联, 解决了二维工艺信息与三维实体模型相分离的问题, 显现工艺过程中技术的关键点。通过对工艺特征提取有助于工艺过程的快速识别, 可为其他机械产品的数字化建模提供参考, 也为解决CAD/CAPP集成提供了新的理论基础和方法, 具有较大实际意义。

摘要：在总结CAD建模方法的基础上, 提出一种基于工艺特征的建模方法。通过引入工艺特征的概念, 结合特征建模技术与零件工艺信息的特点建立工艺特征信息模型, 并采用Pro/Toolkit二次开发模块创建三维零件模型的工艺信息库, 实现了在零件实体模型中来获取与模型特征相对应的零件工艺信息。最后以曲轴为对象进行应用验证, 证明了该方法的可行性和实用性。

关键词：工艺特征,建模方法,二次开发,Pro/Toolkit

参考文献

[1]罗煜峰.基于Solid Works的参数化特征建模技术研究[J].机械设计, 2004 (2) :52-54.

[2]吴雪, 刘斌, 等.基于工艺过程分析的Pro/E零件特征建模方法[J].煤矿机械, 2009 (7) :199-201.

[3]冀晓红, 穆世宏, 等.基于特征的零件CAD系统设计[J].机械设计与制造, 2004 (1) :17-19.

[4]龙红能, 殷国富, 等.基于工艺信息模型的CAPP实例推理方法研究[J].四川大学学报:工程科学版, 2003 (5) :27-31.

[5]田建平.特征设计与工艺规划集成技术研究[J].制造业自动化, 2010 (5) :73-76.

CAD建模篇8

地形是自然界复杂的景物,三维地形是模拟自然环境中不可缺少的重要组成部分。CAD等高线地形图是二维平面表示三维地形的重要工具,等高线是地图学中最常用的地理要素,是地理信息系统最基础的数据[1]。基于等高线的三维真实感地形的重建,摆脱了等高线二维图形表示地形、地貌的局限性。利用等高线数据构造三维地形不仅能保证一定的几何精度,而且数据易于获得,包含有丰富的地形地貌特征。因此,近年来,对等高线地图进行三维建模与可视化的研究成为地图学和地理信息系统的研究热点,其目的就是使地形特征和地理信息表现得更加直观,使地形的三维可视化程度更高。

数字地形模型简称DTM(Digital Terrain Model),是用一系列地面点空间坐标值(X、Y、Z)描述地表形态的一种方式。通常按一定格网间距,对地表高程进行数值采样的数字文件,采用格网结构进行数据组织,构成地形特征值数据矩阵以表示连续的地表面。本文以提取重庆某山区滑坡治理工程的地形图中的等高线为例,根据等高线的绝对高程值来建立DTM。它为地学综合分析提供高程、坡度、坡向等基本分析因子,在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、气象、军事等国民经济、国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。

1 采用DXF文件提取等高线

图形交换格式文件(Drawing Exchange Fomat,DXF)可以实现不同CAD软件间的图形数据交换,是一种基于矢量的ASCII文本格式,是国际通用的图形数据交换标准,绝大多数CAD系统都能读入或输出DXF文件。DXF文件是由很多的"代码"和"值"组成的"数据对"构造而成,这里的代码称为"组码"(group code),指定其后的值的类型和用途。每个组码和值必须为单独的一行。DXF文件被组织成为多个"段"(section),每个段以组码"0"和字符串"SECTION"开头,紧接着是组码"2"和表示段名的字符串(如HEADER)。段的中间,可以使用组码和值定义段中的元素。段的结尾使用组码"0"和字符串"ENDSEC"来定义。

等高线指的是地面上海拔高度相同的点连成的闭合曲线,垂直投影到一个标准面上,并按比例缩小画在图纸上。本文首先将等高线从原始CAD地形图中提取出来,如图1所示,把DWG格式另存为DXF格式,然后,在VS2005开发环境下,用C和C++语言获取该滑坡体等高线各点三维空间坐标(X、Y、Z)和点序,将其存入结构体数组Vertex和Sequence,用fopen("DGX.dxf","r")语句打开DXF文件,依次循环读入,直到文件结束,fclose(fp),最后,编写二维折线的绘制函数Drawline(),将等高线逐个离散的点连接而成以OpenGL的机制显示在工作区内,实现三维立体化[2],如图2所示。

2 根据等高线三角网创建DTM

根据等高线高程创建的DTM实际上是栅格数据模型的一种。栅格数据大致可分为规则网格和不规则三角网(Triangulated Irregular Network,TIN)。虽然规则网格的高程矩阵可以很容易地用计算机进行处理,特别是栅格数据结构的地理信息系统,它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形,使得它成为数字高程模型(DEM)最广泛使用的格式,目前许多国家提供的DEM数据都是以规则网格的数据矩阵形式提供的。但是规则网格不能准确表示表面网格所代表的地形的结构和细部,在地形平坦的地方,存在大量的数据冗余;在不改变格网大小的情况下,又难以表达复杂地形的突变现象。此外,规则网格的数据量通常比较大,给数据管理带来了不便,需要进行压缩存储。如果采用无损压缩难以达到很好的压缩效果,如果要保证压缩效果,只能采用有损压缩,即牺牲了地形的细节。而不规则三角网较规则网格而言减少了规则网格带来的数据冗余,同时在计算效率和表达精度方面也有其优越性。

不规则三角网根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络,区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上,该点的高程值通常通过线性插值的方法得到(在边上用边的两个顶点的高程,在三角形内则用三个顶点的高程)。不规则三角网的数据存储方式比规则网格复杂,它不仅要存储每个点的高程,还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑结构,三角形及邻接三角形等关系[3]。

本文针对海量散点数据建立网格索引,将整个数模区域按一定宽度划分为一个个正方形网格,然后将所有地形数据点根据其平面坐标"投入"到相应网格存储起来,同时,各数据点分别记录一个以该点为顶点的三角形,各三角形分别记录三角形之间的拓扑信息,这些记录在逐点插入的过程中,随着网形的变化,会自动更新,从而更好地实现DTM数据的高效组织和管理。通过这一索引系统,可以建立网格-散点-三角形之间的空间映射关系,如图3所示。借助这种映射可以方便快捷地检索出给定点附近的散点集及三角形集合等拓扑信息,为快速完成三角形的定位及影响域的确定和重构奠定了基础。

在给定点附近快速地找到一个三角形,作为初始三角形,它的定位可借助前述网格-散点-三角形的映射机制,根据给定点的平面坐标计算出该点所在的网格,依据网格记录的首点号在点集中取点,依据首点记录的三角形号在三角形集合中取出首三角形。按这种方法定位的首三角形能够保证足够接近目标三角形,且定位方便快捷。方向搜索是从首三角形开始,针对三角形的三边,利用点在直线边侧的检测,判断三角形的重心和给定点是否位于某一边的同侧或异侧,来决定搜索方向或终止。当给定点与重心相对于三角形的某一边异侧时,则一个检测对象就是以该边为公共边的邻接三角形;当给定点与重心相对于三角形的三条边均位于同侧时,则搜索终止。

按上述方法定位后,为了快速确定与重构三角网,本文采用了各网格轮流加点的策略,即:先采用快速排序算法将网格数组根据点数按从小到大排序,然后从排好序的各网格轮流取点加入,有效地提高了该部分的算法效率,每一次加点后,网格记录的点数减一,并用指针记录数组中第一个非空网格,作为下一次取点的首网格,如图4所示。

本文采集了重庆某山区的真实等高线数据,将其导入程序,生成的不规则三角网结构如图5所示。实验表明,该算法的构网率高,保留了等高线包含的地形特征。

图5地表模型是网格形式的,为了更形象地看到地表包含了等高线的地形特征,创建了基于等高线的DTM,如图6所示。

隐藏图6的等高线,采用填充三角网面的方法,可以完整地将该地区的地表显示出来,如图7所示。

3 结论

本文采用DXF格式文件提取CAD图形中的等高线要素,在VS 2005环境下,实现了基于等高线的不规则三角网建模。由测试结果可知,该算法的执行速度快,构网率高,而且保留了等高线包含的地形特征,较好地实现了真实感三维地形重建。

参考文献

[1]张衡,刘群.CAD与GIS空间数据转换方法研究[J].城市勘测,2009(4):42-44.

[2]李尧,芮小平,刘真余.基于OpenGL的DEM地形可视性分析算法研究[J].数学的认识与实践,2008(24):109-113.

CAD建模篇9

随着模具设计与制造技术的提高,许多造型奇特、精致美观的首饰工艺品逐渐成为现实,极大地丰富了人们的物质享受。电火花加工和紫铜电极逐渐成为首饰工艺品模具的主要加工工艺与常用工具之一。电极设计得合理、加工得精确与否,直接影响着模具的优劣,进而决定了饰品的好坏。因此,电极本身的设计与加工显得更为重要和关键。然而,紫铜电极在加工中却有粘刀及难断屑的特点,为了减轻这种影响,如何加强工艺控制、改进工艺流程、优化工艺参数便成为众人关注的焦点。

JDPaint软件具有精确制图和艺术绘图的混合设计能力;其CAM功能提供了丰富的工艺控制和刀具路径优化功能。图1为工厂首饰样板,本文将利用精雕JDPaint软件为其进行紫铜电极设计、编制刀具路径及在数控精雕机上加工出电极。

1 建造电极模型

该电极的建模阶段是以客户提供的已知产品模型(样板)为蓝本,在CAD/CAM系统中建造三维模型,该电极的核心部位是浮雕曲面部分,其建模过程如图3所示。具体流程是先扫描该样板得到平面草图,按照草图线条进行描图处理,之后在JDPaint软件的虚拟浮雕功能模块进行建模,建模时操作人员可以根据个人的审美感觉加入主观元素,在忠于产品原型的基础上使浮雕更富灵性,构建出的浮雕曲面效果如图3(c)所示,经过渲染后,生成三维模型的图象与实物的照片相差无几。最后,还需根据电极尺寸和紫铜毛坯尺寸画出打表分中位的轮廓线。

图1 首饰样板图

图2 曲面尺寸

2 模型的工艺分析

2.1 电极的工艺特性

该加工任务的目标产品如图1所示,需制作模具实现批量生产,其模具电极的工艺特性主要有:

1)所加工电极材料为紫铜,所有表面粗糙度要求Ra1.6,凹槽曲面的最小圆角为R 0.2mm;该浮雕的表面结构较多,为了保证能有效雕刻曲面纹路,在进行精加工时,选择有效直径较小的刀具。

2)由于压铸模具的工艺需要,加工电极时需考虑火花位、打表分中位、避空位等要素的设置。对于火花位的加工使用负的表面余量,加工的电极略微偏“小”,可使产品在尺寸上留有调整的余地,经过平动调节或稍加配研,可最终保证尺寸要求。在模具加工时,通过校表、分中把工具电极放正、定位的结构称为打表分中位,为方便打表,该高度取3mm;为避免电极放电过程中,打表分中位等部分碰到模具型腔表面而损坏模具,故电极加工时留有一定的避空位,本例中曲面的加工深度取7.3mm,即已预留了该位置。

图3 模具电极造型

2.2 电极加工工艺流程

选择合理的加工工艺,既可以保证电极的加工精度, 又可以提高制造效率。为便于加工路径的后置处理,在正式编制加工路径之前要对模型进行重新定位,定位的原则是坐标系x、y两个方向的坐标原点在分中位轮廓线的几何中心位置,z方向的坐标原点在浮雕曲面的最高点。定位完成之后即可选择加工域、切削方法、切削刀具、设置工艺参数等。

产品毛坯尺寸60mm×55mm×15mm,曲面的外形尺寸为58mm×51mm×7.30mm,如图2所示,该图中凹台和底平面为规则的平面,这种平面可以选用二维加工的方法进行精加工。其余的地方都是不规则曲面,且这些曲面中既有浅平面又有陡峭面,应用三维加工(曲面精雕刻)的方法进行加工。加工的整体思路:为了保证重要基准面的精度,先进行三维整体开粗,然后对电极校表位进行二维轮廓开粗和精加工,最后对曲面及底平面进行精加工。

该电极数控编程的总体流程及关键工艺参数的设置如表1所示。

具体过程及参数选择如下:

1)整体开粗:采用软件中曲面雕刻组的“分层区域粗雕刻”进行整体开粗尽可能多地去除残料,既要保证加工效率又要求刀具有足够的强度,故选4的平底刀进行粗加工,刀具路径模拟如图4所示。

2)校表位加工:采用“轮廓切割”加工电极的校表位。校表位外轮廓尺寸与毛坯尺寸间相差最大处为2mm,加工深度-7.3mm~-10.3mm,可继续用φ4的平底刀加工。分粗加工和精加工两条路径完成,刀具路径模拟如图5所示。

3)三维曲面精加工:曲面加工深度0~-7.3mm,加工时既要满足尺寸精度和表面精度要求,同时兼顾效率,选择刀具时要考虑刀具强度以及是否会留有残料或过切。由于首饰模型的花纹尺寸很小,且表面为不规则曲面,最窄的曲面凹槽宽度只有0.4mm,在一般加工中心和数控铣床上根本无法进行加工,且标准刀具中也无法提供直接加工槽宽0.4mm、最小圆角R0.2mm的刀具。因此,要加工出满足深度、槽宽和最小圆角半径要求的曲面,需要磨制非标准刀具,磨制的锥刀是否准确直接影响曲表面和凹槽的加工效果,因此,曲面雕刻中锥刀的磨制是精雕加工中一个难点。曲面半精加工、精加工工序分别选择15°-Φ0.4锥刀和15°-Φ0.2锥刀,以保证有效雕刻精细纹路的基础上,获得质量与效率的统一。加工时需先使用15°-Φ0.4锥刀以“平行截线”方法半精加工,去除整体开粗时平底刀一些无法加工的部位(如沟、槽)。根据曲面的特点,精加工时可采取“双平行截线精加工”的加工方法,即以15°Φ0.2锥刀以路径角度45°和-45°走两次平行截线,两条路径相垂直形成网面,有效覆盖整个曲面,解决了由于陡峭面造成的表面加工不均匀。注意第二条路径需留表面负余量-0.01mm,以防刀具重复加工相同位置造成表面留有刀痕,同时也为电极预留了0.01mm的火花位,刀具路径模拟如图6所示。

图4 整体开粗的刀路

图5 外轮廓雕刻的刀路

图6 双平行截线刀路

图7 底平面精加工刀路

4)使用“区域粗雕刻”方法精铣底平面并对曲面的侧边轮廓进行精加工。为了能满足曲面与平面交界处圆角的要求,采用2的平底刀,刀具路径模拟如图7所示。

3 后置处理与实体切削加工

设置好刀具加工路径后,利用JDPaint系统提供的零件加工模拟功能来确认刀具路径是否符合实际加工要求。通过JDPaint软件输出的刀路文件即可在精雕机床上实现该电极的加工。在输出文件时,选择加工坐标系原点为输出原点,如图8所示。经加工后得到电极如图9所示。

4 结束语

从目前饰品制造行业的实际加工条件出发,本文的创新之处在于将JDPaint软件的浮雕功能与CAM功能应用于锌合金饰品模具紫铜电极的建模设计、刀路设计,并加工出与工厂饰品样板相配的模具电极,为表面质量要求高,结构精细的首饰及小工艺品电极的高效加工提供了参考方案。

摘要：将JDPaint软件CAD/CAM功能应用于锌合金饰品压铸模具紫铜电极的建模与加工中,通过浮雕设计、刀具路径设计加工出与工厂饰品样板相配的紫铜电极。该方法为表面质量要求高、结构精细的首饰及小工艺品的生产提供了经济高效的加工方法。

关键词：JDpaint,紫铜电极,曲面浮雕,锌合金

参考文献