基础篇：3.2）规范化：3d零件建模

本章目的：规范化零件建模，这是机械的基本功夫。

 

1.建模的总体原则和总体要求

1.1 建模总体原则

a）零件模型应能准确表达零件的设计信息；
b）零件模型包含零件的几何要素、约束要素和工程要素；
c）零件模型应满足健壮性要求，即零件模型应具备稳定、健壮的信息表达，具备在保证设计意图的情况下能够被正确更新或修改的能力；

//能不能易于修改，也体现机械工程师的建模功夫。
d）不允许冗余元素存在，不允许含有与建模结果无关的几何元素；

e）零件建模应考虑数据间应有的链接和引用关系，例如，模型的几何要素、约束要素和工程要素之间要建立正确的逻辑关系和引用关系，应能满足模型各类信息实时更新的需要；

f）建模时应充分体现DFM的设计准则，提高零件的可制造性。

//制造依赖于3d图纸，所以3d图纸越需要规范。

 

1.2 建模总体要求

a）参与三维设计的机械零件应进行三维建模，包括自制件、标准件、外购件等；

//就算是外购件，如电机，也需要建模。当然，问原厂家要3d图最好。
b）通常采用公称尺寸按GB/T4458.5-2003中的规定进行建模，尺寸的公差等级可通过通用注释给定，也可直接附加在尺寸值上；

//如非特殊原因，作者希望公差采用对称公差，那么公称尺寸建模就会有合适的间隙，利于制造合格率。一般三维图上不用给尺寸公差，因为还没有到纯3d时代。
c）通常先建立模型的基体特征（例如框、座等），然后再建模型的细节特征（例如小孔、倒圆、倒角等）；

//这样能最大程度简化模型。
d）某些几何要素的形状、方向和位置由理论尺寸确定时，应按理论尺寸进行建模；

//同样，这里所谓的理论尺寸作者期望是对称公差下的理论尺寸，即建模装配后必须预留合理的零件间隙；
e）推荐采用参数化建模，并充分考虑参数以及零部件的相互关联；
f）对于有弹性或有装配形变的零部件建模，应表达其自由状态的尺寸和形状；
g）对于管路及其线束的卡箍等零件建模，推荐以其装配状态建立模型，但在设计中应考虑其维修或分解成自由状态时所需的空间；
h）在满足应用目的的前提下，尽量使模型最简化，使其数据量减至最少；

//建模需要简练，易读（换个人也能明白建模过程）。kiss原则是贯穿始终,例如：

//且在实际产品设计中，为了使模型最简化，经常会反复重新建模，算是为了以后的投资吧。

i）模型在发放前应进行模型检查。

 

2.建模流程

零件建模流程，如下：

注：这是国标《GB/T 26099-2010 机械产品三维建模通用规则》中的流程，具有一定的权威性，新手请严格按照流程来建模，老手可以查漏补缺。

 

2.1 环境参数设置

在建模前应对软件系统的基本量纲进行设置，这些量纲通常包括模型的长度、质量、时间、力、温度等。以下是国标的设置方法：

①在3d图的主界面选择：工具-选项-文档属性-总绘图标准-GB；

②文档属性选项卡--尺寸--找到“置于延伸线中间”--打钩--确定；（这个设置可以让尺寸值默认居中）

 

2.2 建模过程

在建模过程中，先建构零件基体特征，后建构细节特征，是简化零件建模特征的方法。

例如：

如上图零件，基体特征就是一个旋转体。建模过程则是绘制旋转体，再添加加强筋等细节，最终成图。

 

2.3 工程图出图

在下一章 基础篇：4）工程图出图 中有详细介绍。

 

2.4 模型修正

如流程图所示，若是工程图中有任何错误，都是在3d模型中修正，从而保证3d与2d图纸的一致性。

 

3.模型工程属性

零件模型应包含正确的工程属性，通常包括以下内容：材料名称、密度、弹性模量、泊松比、屈服极限（或强度极限）、折弯因子、热传导率、热膨胀系数、硬度、剖面形式等。应将常用的工程材料特性存储在数据库中，并便于扩展。

//所谓模型工程属性，就是材料的定义。在实际建模中，真正要定义的一般是材料名称、密度、剖面形式、外观4样。前三者是工程图要求，后者一般是3d图的需要。

而其他值的如弹性模量等，是用于仿真分析的，一般是在其余软件中再定义，如workbench。这样不会因为软件的对接而出错。

有一些材料储存在自定义的数据库中，便于反复使用。

 

4.特征的使用

零件建模特征的使用应符合以下要求：

a)特征应全定位，不得欠定位或过定位，另有规定的除外，优先使用几何定位方法，例如平行、垂直或重合，其后才使用数值定位方法；

//这句话就是指在草绘的两大要求：完全定义和约束顺序（先几何再尺寸）。
b)特征建立过程中所引用的参照必须是最新且有效的；
c)为了便于表达和追溯设计意图，可以将特征命名为简单易读的特征名；
d)应采用参数化特征建模，不推荐非参数化特征，不使用没有相关性的几何要素；
e)不应为修订已有特征而创建新特征，例如在原开孔位置再覆盖一个更大的孔以修订圆孔的尺寸和位置。

//就是依据这条准则，产品设计建模时才不能使用删除面等模具设计工具。

这个工具使用方便，特别在模具设计行业算是必备工具。但建成的特征通常不能算是完整的特征（只能算是用一个特征去覆盖另一个特征），为以后的尺寸标注和特征分析也增加难度。

//新手很容易犯下这样的错误，比如嫌修正模型麻烦，而用拉伸切除的功能抹除以前的建模特征，再用这个平面直接建模，这是十分不可取的。

 

4.1 草图特征的使用

a)草图应尽量体现零件的剖面，且应按照设计意图命名；

b)草图对象一般不应欠约束(概念设计中的打样图和草图允许欠约束)和过约束。

 //这两条在前一章已经详细描述了。

 

4.2 倒角（或倒圆）特征的使用

a)除非有特殊需要，倒角（或倒圆）特征不应通过草图的拉伸或扫描来创建；

b)倒角（或倒圆）特征一般放置在零件建模的最后阶段完成，除某些特殊情况，可将倒角（或倒圆)特征提前完成。

 //如塑胶件建模，所有的边缘一般都需要倒圆角，这些倒角会在最后阶段一一添加（不能一次添加完毕），出错的几率才最少。

 

4.3 表达式（或关系式）的使用

表达式的使用应符合以下要求：

a)表达式的命名应反映参数的含义；

b)表达式中变量的命名应符合应用软件的规定；

c)对于经常使用的表达式和参数可在模板文件中统一规定；

d)对于复杂表达式应增加相应的注释。

//作者尽量不用表达式，因为修改的时候会出问题太多。 

 

5.模型着色与渲染

在评价模型的可视化效果时，为了提高模型的可读性和真实性，可对模型进行合理的着色处理。着色时，可参照零件实物的颜色或纹理进行。在进行渲染处理时，应包括以下内容：

a)灯光照明效果渲染；

b)材料及材料表面纹理效果渲染；

c)环境与背景的效果渲染。

//结构工程师很少干这事情。

 

6.DFM要求

6.1 三维建模设计中的要求

在三维建模设计时，针对DFM应考虑以下因素：

a)外形曲面应光顺；

b)曲面片尽量采用直纹曲面；

c)外形曲面片的划分应便于加工和成形。

 

 

6.2 数控及其他加工零件要求

在数控及其他加工零件的三维建模设计中，针对DFM应考虑以下因素：

a)模型数据应提供加工所需的基准面信息；

b)模型数据应提供零件加工和安装所需的工艺孔、定位孔等；

c)应提供所有实体定义中忽略标识的孔的中心线；

d)有特殊加工要求的零件应提供所要求的加工信息。

 

7.标准件与外购件建模要求

7.1 标准件建模

标准件模型应优先采用具有参数化特点的系列族表方法建立。对于无法参数化的零件，亦可建立非系列化的独立模型。为了满足快速显示和制图的需要，标准件应按GB／T 24734．11规定的方法采用
简化级表示。

//SolidWorks自带标准零件库，只用于参考，但不建议使用。由于软件问题，标准零件库的零件加载容易出错，不利于工程图出图，所以还是建议自行建立（或从标准零件库复制出来使用）。

7.2 外购件建模

外购件产品的模型推荐由供应商提供。用户可根据需要进行数据格式的转换，转换后的模型是否需要进一步修改，由用户根据使用场合自行确定。转换后的初始模型应予以保留，并伴随装配模型一起进入审签流程。

对无法从供应商处获得外购件的三维模型，可由用户自行建立。允许根据使用要求对外购件模型进行简化，但简化模型应包括外购件的最大几何轮廓、安装接口、极限位置、质量属性等影响模型装配设计的基本信息。

 

8.结构要素的建模要求

球面半径、润滑槽、滚花、零件倒圆与倒角、砂轮越程槽等结构要素按GB/T 6403.1～GB/T 6403.5中的规定允许不建模，但必须采用注释对其进行说明。
//滚花可以不建模，但3d图外观中需要有表示，然后工程图中滚花需要按照标准标注和绘制。

//零件倒圆与倒角一般是不可以省略的，注意。如果省略，会出现制造上的麻烦。

 

9.模型简化

9.1 简化原则

为了缩短三维数字模型的建模时间，节省存储空间，提高三维数字模型的调用速度，三维数字模型的几何细节简化应遵循以下原则：

a） 三维数字模型的简化应便于识别和绘图；

b） 三维数字模型几何细节的简化不致引起误解或不会产生理解的多义性；

c） 三维数字模型几何细节的简化不能影响自身功能表达和基本外形结构，也不能影响模型装配或干涉检查；

d） 三维数字模型几何细节的简化要考虑三维模型投影为二维工程图时的状态；

e） 三维数字模型几何细节的简化要考虑设计人员的审图习惯。

//总的来说，作者推荐尽可能不要用简化！

 

9.2 详细的简化要求

a） 与制造有关的一些几何图形，如内螺纹、外螺纹、退刀槽等，允许省略或者使用简化表达。但简化后的模型在用于投影工程图时，应满足机械制图的相关规定；

//内螺纹、外螺纹SolidWorks有简化方式，作者也推荐运用。但退刀槽一般建议画上，否则有些制造商真的会忽略。

b） 若干直径相同且成一定规律分布的孔组，可全部绘出，也可采用中心线简化表示；

c） 模型中的印字、刻字、滚花等特征允许采用贴图形式简化表达，必要时，亦可配合文字说明；

//贴图是简化的好方式。

d） 在对标准件、外购件建模时，允许简化其内部结构和与安装无关的结构，但必须包含正确的装配信息。

 

10.模型检查

在对模型提交和发布前，应对模型完成如下检查：

a) 模型是稳定的且能够成功更新；

b) 具有完整的特征树信息；

c) 所有元素是唯一的，没有冗余元素存在；

d) 零件比例为全尺寸的1:1三维模型；

e) 自身对称的零件应建立起完整的零件，并明确标识对称面；

f) 左、右对称的一对零件应分别建立各自的零件模型，并用不同的零件编号进行标识，建模时允许利用参照方法简化建模；

g) 模型应包含供分析、制造所需的工程要素。

 

11.模型的发布与应用

11.1 模型的发布

完成后的模型需要提供给相关用户使用时,必须经由发布流程进行发放,相关用户一般包括:分析工程师、工艺工程师和制造工程师等。

三维数字模型的发布应遵循以下原则:

a)模型在发布前应进行必要的清理,需要时,可去除与下游相关用户使用无关的信息;

b)模型发布时,应根据不同应用场合确定其所包含的几何要素、约束要素和工程要素信息的构成,例如:将原始模型发布为轻量化模型,以满足对模型调用速度要求较高的场合;

c)模型发布时,可根据企业或行业的规定对模型的视角、颜色、零部件状态(如:自由状态或装配状态)等进行统一规定;

d)下游相关用户应以发布模型作为设计输入;

e)一旦进入发布阶段,模型就处于“锁定”状态,不得在未经变更审批情况下对其进行修改;

f)如需对模型进行修订,须由模型的创建人或授权人提出申请,经批准后方可修订;

g)修订后的模型新版本重新发布时,应通知相关用户,以保持发布模型的及时更新。

 

11.2 模型的应用

已发布的模型可根据需要用于不同应用场合，这些应用通常包括：工程分析与优化、投影工程图、装配建模、变型设计、宣传与培训等。

为了满足不同应用环境，发布的数字模型应至少包含以下内容：

a) 对于工程分析类应用，发布的模型应包括几何信息、材料信息（例如名称、密度、弹性模量、屈服极限、强度极限、泊松比等）、优化变量等；

//材料定义一般在分析软件中定义，工程师需要提供材料物性表。若是在建模软件中定义，会因为软件对接问题而出错。

b) 对于二维工程图应用，发布的模型应包括几何信息、技术要求、尺寸公差、形位公差、粗糙度、剖面信息等；

//工程图出图一般是和建模是同一个人，不然容易出现信息不对等问题，除非这家公司的流程真的非常成熟了。所以模型中不需要技术要求、尺寸公差、形位公差、粗糙度等；

c)对于加工制造应用发布的模型应包括几何信息、尺寸公差、几何公差、表面结构、制造要求等;

//一般建模中只包括零件的理论尺寸，而作者为了提高合格率，多次建议大家建模的理论尺寸在公差的中心。

d) 对于装配建模的应用，发布的模型应包括几何信息、装配形式、配合公差、摩擦系数等；

//同理，模型中不需要配合公差、摩擦系数等

e) 对于宣传与培训的应用，发布模型应包含几何信息、材质与纹理、光源信息、环境信息等。

 

12.典型的零件建模步骤

12.1 机加类

机加零件设计需考虑零件刚、强度要求、工艺性要求、制造成本等方面,应考虑零件的装配、拆卸和维修。

12.1.1 机加零件建模的总体原则

机加零件建模时应考虑以下总体原则

a)零件的建模顺序应尽可能与机械加工顺序一致;

 //只要做到这一条，机械加工工艺的零件设计上就可以称为独挡一面的工程师了。但这一点十分困难，因为机械加工刀具和顺序繁杂，而且实时进步，作者就吃过亏，不敢说自己精通机械加工。

b)在保证零件的设计强度和刚度要求的前提下,应根据载荷分布情况合理选择零件截面尺寸和形状;

c)设计时应充分考虑零件抗疲劳性能,尽量使零件截面均匀过渡,尽量采用合理的倒圆,以降低应力集中;

d)机加零件设计时应充分考虑工艺性(包括刀具尺寸和可达性),避免零件上出现无法加工的区域;

e)铣削加工的零件应设计相对统一的圆角半径,以减少刀具种类和加工工序。

12.1.2 机加零件建模的总体要求

机加零件建模时应满足以下总体要求

a)采用自顶向下设计零件时,零件关键尺寸(例如主轴孔、定位孔的关键尺寸等)应符合上一级装配的布局要求;

b)对零件进行详细建模时,可以把零件装配在上级装配件中,利用装配件中相对位置,对零件进行详细建模,也可以在零件建模环境下直接建构;

c)为了获得较高的加工精度和较好的零件互换性,设计基准和工艺基准应尽量统一,避免加工过程复杂化

d)钻孔零件应充分考虑孔加工的可操作性和可达性,对于方孔、长方孔等一般不应设计成盲孔;

e)选用合理的配合公差、几何公差和表面结构。

 

12.2 铸锻类

12.2.1铸锻零件建模的总体原则

锻件一般包括自由锻件和模锻件,铸件一般包括砂型铸件和特种铸件。铸锻零件建模应符合以下

总体原则:

a)采用铸造工艺成形的零件,应考虑流道、浇口纤维方向、流动性等要素;

b)采用锻造工艺成形的零件,应考虑纤维方向、流动性、应力集中等要素;

c)铸锻成形的零件建模时应考虑材料的收缩率。

12.2.2铸锻零件建模的总体要求

铸锻零件建模时应满足以下总体要求:

a)模锻件建模时可采用注释给出零件的纤维方向信息;

b)铸锻零件模型上的起模特征一般应建出;

c)铸锻零件模型上的圆角特征通常应建出,如确实需要简化,应在注释中给出说明;

d)铸锻零件中的机加特征应符合机加零件的建模要求。

 

12.3 钣金类

12.3.1 钣金零件建模的总体要求

可展开的钣金零件模型至少应包含以下内容

a)准确的折弯系数表;

b)成形曲面;

c)以成形曲面上直线和曲线定义的零件边界

d)弯折线和下陷线;

e)紧固件的安装孔位;

f)零件厚度、弯曲半径等信息。

12.3.2钣金零件建模的基本流程

钣金零件建模的基本流程如下

a)设置环境参数;

b)选取或创建坐标系、基本目标点、基准线、基准面

c)构造零件待征轮廓线;

d)几何待征设计,生成三维模型;

e)模型检查与修改。

 

12.4 管路类

12.4.1选择管路零件的材料

管路零件材料的确定,一方面应根据系统的工作压力和工作温度范围,另一方面应考虑导管中介质的特性,以及满足耐油性和耐腐蚀性的要求。

12.4.2管路零件建模总体原则

管路零件建模一般应遵循下列原则:
a)确定合理的直径保证油泵液压马达等附件所需的流量和压力要求;
b)根据系统设计要求,选择适当的导管连接形式,保证管路组件具有良好的密封性、抗振性和耐疲劳性
c)在满足导管安装协调的情况下,一根导管应采用一个相同弯曲半径值,以简化制造工艺;
d)管路敷设的层次应考虑安全性和维修性,走向避免迂回曲折,减少复杂形状,减小流体阻力；
e)导管的支承、固定应合理而可靠。

12.4.3管路零件建模基本流程

管路零件建模基本流程如下
a)管路参数的设定;
b)管线的设计;
c)管线的修改
d)管路构建;
e)管路修改。

 

12.5 线缆类

12.5.1 线缆敷设总体原则

线缆数设应至少满足以下原则:
a)安全可靠性要求;
b)电磁兼容性要求;
c)便于检查和维修
d)防止机械磨损和损坏;
e)便于拆卸和完整地更换线缆。

12.5.2 线缆建模的基本流程

线缆建模的基本流程如下:
a)系统环境设置;
b)接线图设计;
c)电器零件模型建立;
d)进行线缆敷设,根据需要可输出敷设二维图;
e)定义电线路经,根据需要可输出接线图;
f)输出展开的线缆二维图。