CAXA制造工程師復雜曲面造型分析

高 巖，魏領會，楊洪巖

（長春工業大學 工程訓練中心，長春 130012）

0 引言

CAXA制造工程師是在Windows環境下運行CAD/CAM一體化的數控加工編程軟件，該軟件綜合了數控加工的基本工藝、數控編程和操作。其CAD部分功能也十分強大，曲面造型從線架到曲面，可建立任意復雜的零件模型。本文以可樂瓶底和鼠標等模型為例，說明CAXA制造工程師在構造復雜曲面中的方法、技巧與注意事項。

1 CAXA制造工程師曲面功能簡介

CAXA制造工程師具有強大的NURBS自由曲面造型功能，可通過列表數據、數學模型、字體文件及各種測量數據生成樣條曲線；通過豐富的曲面造型和編輯功能建立復雜的零件模型。通過曲面模型的真實感，可直觀顯示設計結果。

曲面造型方式共有十種：直紋面、旋轉面、掃描面、邊界面、放樣面、網格面、導動面、等距面、平面和實體表面。十種方式中放樣面、網格面、導動面操作中方式、技巧和注意事項較多，首先將其加以簡單說明。

1）放樣面：該方式是以一組互不相交、方向相同、形狀相似的特征線(或截面線)為骨架進行形狀控制，過這些曲線蒙面生成曲面。有截面曲線和曲面邊界兩種類型。

2）網格面：以網格曲線為骨架，蒙上自由曲面而生成的曲面。網格曲線是由特征線組成的橫豎相交線。

3）導動面：特征截面線沿著特征軌跡線的某一方向掃動生成曲面。

生成導動面有六種方式：平行導動、固接導動、導動線&平面、導動線&邊界線、雙導動線和管道曲面。

曲面造型和曲面編輯功能在制造工程師設計復雜零件時常常配合使用。下文以實例的造型過程介紹曲面功能的技巧和注意事項。

2 實例造型過程解析

2.1 鼠標面的構造

該曲面模型造型難點：線架部分主要是樣條線的構造、半徑100的圓位置確定；曲面部分為上表面和邊界過渡曲面的生成。

1）使用“掃描面”在立即菜單中設置參數，拾取所有底面曲線即可生成鼠標側面。鼠標上表面的截面線為樣條線，分析可得四個確定形狀的型值點。選擇“樣條線”按鈕，在立即菜單中選擇“差值”、“缺省切矢”、“開曲線”，給出型值點坐標“-70，0，20”、“-40，0，25”、“-20，0，30”、“30，0，15”即可得到樣條曲線，如圖4所示。

2）鼠標底面使用“平面”方式中“裁剪平面”拾取底面輪廓線可以輕松實現。通過F6把設計平面切換到YZ平面。用“圓弧”的“兩點-半徑”方式在任意位置拾取兩點，在合適位置給定半徑“100”，“曲線拉伸”把圓弧拖拽到適當位置，使用“平移”的“兩點”、“移動”、“非正交”方式，以圓弧中點為基點，移動到樣條線的端點，將圓弧移動到正確位置，如圖5所示。

3）關鍵線架具備以后使用“導動面”方式中“平行導動”以樣條線為導動線，曲面方式的使用過程也有很多技巧和注意事項圓弧為截面線即可生成鼠標上表面。如圖6所示。

圖1 鼠標簡圖

圖2 凹槽曲面簡圖

圖3 可樂瓶底簡圖

圖4 繪制樣條線

圖5 繪制截面線

圖6 生成導動面

圖7 選取第一系列面

圖8 曲率情況

圖9 鼠標造型

4）最后運用“曲面過渡”里“系列面”、“等半徑”、“半徑：10”、“裁剪兩系列面”、“單個拾取”方式生成圓弧過渡，即可完成曲面造型。

注意：

1）樣條線型值點的確定，由圖形已知四個橫向和縱向距離值，可得四點坐標，只是隨坐標系位置變化而改變坐標系里的坐標值。

2）半徑“100”的圓弧在繪制過程中必須保證圓弧的中點為最高點。

3）曲面過渡的操作過程中一定要注意使鼠標上表面所在曲面為第一系列面，如圖7所示。其它側面為第二系列面，而且所有曲面按順序依次拾取，拾取完成后出現箭頭指向鼠標外側的情況一定要通過左鍵單擊的方式改變方向，使第二系列面的所有曲面的曲率中心都指向內側。如圖8所示。生成鼠標造型結果，如圖9所示。

2.2 圖2零件的構造

該曲面模型造型難點：線架部分主要是中間的不規則凹槽；曲面部分同樣是凹槽造型曲面方式的選擇。

1）使用曲線造型功能可以方便實現零件除凹槽部分的其余線架。零件線架凹槽部分通過坐標變換，鍵盤上的F6對應YZ平面，F7對應XZ平面，F8軸側視圖找出線架所在的關鍵位置，做出這部分的關鍵線架。如圖10所示

圖10 特征線架

圖11 曲線組合

圖12 零件軸側圖

圖13 特征線架圖

圖14 三維線架圖

圖15 零件軸側圖

2）零件除凹槽外的所有表面均是平面，所以使用平面都可以實現造型。凹槽的線架是由十條曲線組成的考慮曲面造型的十種造型方式都很難直接滿足要求，考慮如何將曲線編輯使之可以方便做圖。曲線組合可以將同一平面內首尾相連的多條曲線組合成一條線，如圖11所示可以將零件上表面的凹槽輪廓線分別組合成兩條線。組合后的凹槽輪廓是由四條封閉曲線組成。分析選定“導動面”中“雙導動”、“雙截面線”、“變高”方式可以生成凹槽的曲面造型如圖12所示。

注意：

1）坐標變換在三維造型中經常使用，適時的變換坐標系，可以使作圖靈活、方便、快捷。

2）完成零件的線架造型后，如果關鍵線架對應的輪廓復雜，而且輪廓線條數較多，常常可以考慮對同一平面內的首尾相連的多條曲線進行組合，之后再考慮選擇何種曲面方式更方便造型。

3）關鍵曲面部分一般形狀復雜，使用的曲面造型方式操作步驟較繁鎖，由曲線生成曲面過程拾取曲線時往往有嚴格的拾取要求，這時一定要注意拾取的位置。零件二凹槽曲面造型“雙導動”、“雙截面線”、“變高”，在拾取截面線時一定要在第一條導動線附近拾取，否則生成的曲面可能會發生扭曲或無法生成曲面。

2.3 可樂瓶底的構造

該曲面模型造型較為復雜，線架部分單根骨架都是由多條曲線組成；曲面部分曲面方式的選擇和拾取順序都很值得注意。

1）瓶底的每根骨架都是由多段圓弧和切線光滑過渡組成，利用軟件提供的特殊點功能“切點”以及“曲線過渡”功能可以依次做出瓶底的兩根特征骨架。如圖13所示。

2）經過“平面旋轉”和“陣列”功能將骨架旋轉所需角度后進行陣列，就可以完成瓶底的三維線架造型，如圖14所示。

3）由可樂瓶底的線架特征，分析十種曲面造型方式，從中選擇網格面，首先通過坐標變換切換視角，方便線架選擇，線架按順序選擇合適的位置。正確拾取橫豎相交的可樂瓶底線架，生成可樂瓶底曲面。如圖15所示。

注意：

1）多段圓弧光滑連接在曲面造型的特征線架部分最為常見，解決此類情況的好辦法就是特殊點功能和“圓弧過渡”配合使用，往往可以使復雜的作圖簡單化。

2）可樂瓶底單根線架都是由多條曲線組成的，若進行接下來的曲面操作，“曲線組合”也是必須要考慮到的。因此，在曲面造型中，若某條線架由多條曲線段組成，往往要考慮是否需要組合。

3）在應用“網格面”時每一組曲線都必須按其方位順序拾取，拾取曲線的方向保持一致，而且必須從靠近曲線端點的位置拾取，否則封閉網格面失敗；“網格面”生成所需的兩系列曲線U向曲線和V向曲線之間必須保證每條都有交點；拾取的曲線應當是光滑曲線；對組成網格曲線的特征網格線必須是四邊形網格，規則四邊網格與不規則四邊網格均可，即線架圍成的區域必須是四邊域，不允許有三邊域、五邊域和多邊域。

靈活運用曲面造型要注意兩點，首先分析圖紙合理構造決定曲面形狀的關鍵線架，在構造關鍵線架后為了滿足需要往往對線架進行 “曲線組合”等編輯操作，這是構造曲面模型的重要前提，這一部分往往較難；其次是根據線架的特點正確選擇曲面造型方式，不同的曲面造型方式特點和注意事項既有相似又有不同，需要在長期的使用操作中不斷的積累和總結。

3 實例造型方法總結

鼠標曲面的造型使用的側面和上表面進行多曲面的過渡，得到側面和上表面的過渡曲面。如果在做鼠標側面的特征線時進行“曲線組合”，使所有側面特征線組合成一條線，在線的基礎上生成的鼠標側面為一張曲面，之后和上表面進行兩面過渡，可以使曲面造型簡化，節省近一半的設計時間，得到的設計效果相同。

零件二凹槽部分使用“導動面”的“雙導動”、“雙截面線”、“變高”方式可以實現，由于凹槽的輪廓線經過組合后變為四條首尾相連的光滑空間曲線，因此可以使用“邊界面”的“四邊面”，可以在四條空間曲線所圍成的區域生成凹槽曲面，同樣可以簡化操作、節省時間。

曲面造型方式較多，造型時也非常靈活，一個零件可以通過不同的方式來實現，因此要常實踐、多對比、重積累，曲面造型也會變得樂趣無窮。

4 結論

本文就制造工程在復雜曲面造型中的應用、技巧和注意事項進行了剖析，并對曲面造型中幾種復雜造型方式的使用進行了總結，希望能對CAXA制造工程師的學習者有一定的幫助作用。

[1]田相克.基于CAXA的連桿三維造型及其數控仿真加工.機械制造與自動化[J].2009,6.

[2]李海濤.CAXA制造工程師在吊鉤鍛模造型中的應用策略.鍛壓技術[J].2009,6.

[3]趙杰.機械CAD /CAM [M].大連:大連理工大學出版社,2004.