基于草图单元特征嵌入的机匣截面设计方法 - 文章

基于草图单元特征嵌入的机匣截面设计方法

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摘要：具有局部相似结构的复杂零件草图，如机匣截面图，其草图几何以及施加的约束重复操作，设计效率低下。本文提出一种草图单元特征插入的新方法，把局部相似部分作为一个二维单元特征加入到当前设计的草图中，从而提高参数化设计程度和设计效率。分析了草图单元特征的特点，提出了关键技术的解决方法，最后给出了一个实例验证。
关键词：特征，草图，约束

0 概述

随着CAD/CAM技术在基础理论方面日趋成熟，许多优秀的三维设计软件已获得广泛应用，这些通用软件都提供了强大的三维参数化设计功能。但是二维草图的操作，用户只能通过画出点、线、弧（圆）和基本的二维几何来设计零件轮廓进而进行约束，在二维操作中不提供如同三维操作的面向特征的操作方法。特别对于复杂回转体（例如航空发动机机匣）来说，截面草图中局部具有很多相似的结构，每次造型只能从基本几何元素开始定义，造成造型过程中的重复劳动，本文提出了利用二维草图特征单元嵌入另一个草图的新方法，将三维特征的操作技术引入到二维草图中，使得二维特征草图单元可以如同三维特征一样，通过尺寸驱动就可以完成造型，从而可以大大提高草图设计效率。本文提出的方法是在现有CAD软件平台（UG）上开发的，其基本方法可推广到其他CAD 平台，并应用于其他复杂草图设计中。

1 草图二维特征的分析

航空发动机机匣是具有复杂截面结构的典型零件，内部具有很多相似沟槽，图1为某型机匣回转截面线轮廓，分析机匣截面图发现草图有多级相似结构，如图2所示，如果采用参数化约束构造这种草图不但繁琐，而且易出错。图3为从截面草图中抽出相似结构中的一个进行约束。此结构约束需要四十余个几何约束和三十余个尺寸约束，而此型机匣中这样的结构有3、4级，导致重复进行相同的工作，每次勾画相同形状的截面线，进行相同的几何约束，唯有尺寸约束的尺寸不同。此类零件的造型设计，草图约束占很大比重。

图1机匣草图截面图

图2机匣草图结构分析

图3 结构单元草图约束示意

二维草图可以将其理解为一种特殊的特征，在三维特征中，每个特征的操作都可以依次进行，后一个特征可以在以前特征的基础上进行操作，例如在已有实体上直接创建一个孔。这是一种基于历史的特征操作。对于二维草图特征，草图内的局部几何形状不能象三维特征一样事先定义好，设计时只能由用户交互地操纵几何元素并进行约束，效率较低。

本文提出的草图特征单元插入法，可以使草图设计对这些特征单元进行拼装，实现“特征块”的操作，而且将其约束一并带入，形成一个单一草图，如图1所示。原理是：将相似结构的草图单元（例如图3的一个相似结构）定义为一个特殊的二维特征并进行约束，作为特征库的特征成员保存。当进行零件截面设计时，在当前的工作草图（称为目标草图）中要设计某个相似结构时，调用特征库中的二维特征，直接将单元特征插入到草图中，将特征的几何元素、几何约束和尺寸约束读入当前设计的草图，用一组驱动尺寸集重新刷新完成草图单元的约束。且几何约束和尺寸约束一并带入。因为封装了草图设计过程中的几何创建和几何、尺寸约束操作，可以大大提高设计效率。但是目前的CAD并不支持草图特征单元的直接插入，给快速草图设计带来较大困难，因此解决单元特征的定义和封装以及特征的引用成为要解决的关键问题。

该方法包括两部分内容：

① 定义特征单元：构造特征单元的草图，象正常草图一样约束草图，并保存在特征库中。
② 在当前工作的目标草图里，通过特征库选择欲插入的二维草图单元，对比目标草图与二维草图的基本信息，将特征几何写入目标草图的相应位置，同时带入几何约束和尺寸约束。这样用户经过一步操作就可以将特征草图里的几何、几何约束、尺寸约束写入当前草图，经过尺寸驱动就可以完成将草图单元插入，对机匣这种有相同结构层次的零件，这样的设计方法可以极大地提高设计效率。

2 关键技术

2.1二维特征信息过滤

特征草图作为一个特征单元保存在特征库中，这里是以文件的形式表示。插入时得到它的特征树，逐条查询特征草图几何信息，向目标草图写入相关的信息。一个草图模型文件包含了各种信息，而本文关心的是草图信息，它包括草图基本信息、几何信息和约束信息，草图基本信息包括草图坐标系矢量和原点等。特征草图的基本信息和特定目标草图的基本信息是不同的，这样特征草图写入目标草图的几何就要进行相应的变换。从特征文件的信息中筛选出草图基本信息，读出特征草图基本信息与目标草图作对比，设计转换函数，将经过变换的几何信息和约束信息正确的写入目标草图。

2.2几何信息和约束映射

加入目标草图的草图单元要求是可编辑的全约束草图块。在特征草图的读取、信息筛选、写入的过程里要求信息有效、没有丢失。本文根据草图设计的顺序按几何、几何约束、尺寸约束的顺序读入信息。在向目标草图写几何时，对比两草图绝对坐标和相对位置，进行坐标转换，将几何写入目标草图中（详细论述见下面第四点），在创建几何的同时建立特征草图与目标草图几何的映射表。草图的几何约束和尺寸约束大多都是与别的几何相关，在目标草图建立几何后，写入约束时要找出几何的对应关系，才能把对应的约束正确地加入到对应的几何上，下面以最简单的一个草图为例说明，假设特征草图有三个几何元素：两直线（L1、L2）一个圆弧（A1），几何与约束关系对照如下表所示：

表1 草图中几何映射关系

表2 几何约束对照表

对特征单元的每次插入，都要建立新、旧几何对照表，保证几何、尺寸约束的正确的加入。

2.3几何约束类型的控制

由于特征单元插入方法是基于UG平台开发的，某些约束类型的API函数读出的信息不完全或者不可重建，为了保证目标草图信息的完整性，对于特征草图要选择合理的约束方式。例如，机匣截面线有一种典型的约束：一条直线的位置用“线在两个给定坐标的点上”来约束，但是在插入映射过程中发现这部分信息总是丢失，原因是有关点的约束信息API函数重建不支持，提出采用分段直线端点共点的等价约束代替，避免约束丢失的现象。

2.4插入二维特征的定位

特征草图是一个静态的模板，草图的位置和方向是一定的，而目标草图的位置和方向是动态的，根据目标草图的不同，设计通用的坐标转换算法正确转换特征草图的几何信息，将其正确地写入目标草图，保证几何在目标草图平面内且相互之间拓扑关系不变。

坐标转换采用两次旋转的思路，API函数创建几何要求输入几何的绝对坐标，对比目标草图平面和特征草图平面的相对位置，先将几何旋转到目标平面上，再旋转到相对目标草图坐标系的正确位置上，经过两次变换，得到写入几何的正确坐标，创建新几何。

相似草图单元特征多次嵌入同一草图，需要解决目标草图中多个相似几何的统一命名。本模块的几何命名规则是采用读取特征草图相应几何的名字再添加后缀作为新几何名字的方法。

3 算法实现

根据上面讨论的关键技术，设计算法完成在当前草图编辑状态下对特征草图的查询、几何转换和插入，几何尺寸约束的添加，算法流程如图4所示：

图4草图几何嵌入算法流程

4 小结

本文提出的方法已经通过UG 的二次开发形成一个草图设计工具，举例应用如下：图5为当前工作草图上的参数化图形，图6为特征库中的特征草图，当在工作草图上需要插入图6 中的参数化图形时，只需要在特征库中找到要插入的特征草图，就可得到图7所示的结果，从而得到一个拼装后的草图，该草图即成为一般的草图，可以进行参数修改，非常方便。

图5 当前编辑草图信息

图6特征草图信息

图7插入模板后当前草图信息

本文利用此工具进行机匣类零件的设计，取得了显著效果，明显压缩了零件设计周期。利用本文的工具，将各种常用的相似特征草图单元建立二维草图特征库，可以象三维特征操作一样，在草图中输入特征草图，然后进行参数化修改。该方法可以推广到具有相似结构的其他零件的设计中，快速完成草图绘制工作，使用户方便得到全约束的草图，提高此类零件的参数化设计程度和建模效率。

参考文献
[1]. 罗会信等，三维CAD的特征建模，湖北工学院学报，第17卷第2期，2002年6月。
[2]. 董正卫等，UG/OPEN API编程基础，清华大学出版社，2002年3月。
[3]. 莫蓉周惠群，Unigraphics 18版 CAD应用基础，清华大学出版社,2002年4月。
[4]. 牛晓明等，CAD技术中的参数化设计与应用，机械研究与应用，第15卷第2期，2002年6月。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/26/2005)


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