CAXA制造工程师复杂曲面造型分析

高 岩，魏领会，杨洪岩

（长春工业大学 工程训练中心，长春 130012）

0 引言

CAXA制造工程师是在Windows环境下运行CAD/CAM一体化的数控加工编程软件，该软件综合了数控加工的基本工艺、数控编程和操作。其CAD部分功能也十分强大，曲面造型从线架到曲面，可建立任意复杂的零件模型。本文以可乐瓶底和鼠标等模型为例，说明CAXA制造工程师在构造复杂曲面中的方法、技巧与注意事项。

1 CAXA制造工程师曲面功能简介

CAXA制造工程师具有强大的NURBS自由曲面造型功能，可通过列表数据、数学模型、字体文件及各种测量数据生成样条曲线；通过丰富的曲面造型和编辑功能建立复杂的零件模型。通过曲面模型的真实感，可直观显示设计结果。

曲面造型方式共有十种：直纹面、旋转面、扫描面、边界面、放样面、网格面、导动面、等距面、平面和实体表面。十种方式中放样面、网格面、导动面操作中方式、技巧和注意事项较多，首先将其加以简单说明。

1）放样面：该方式是以一组互不相交、方向相同、形状相似的特征线(或截面线)为骨架进行形状控制，过这些曲线蒙面生成曲面。有截面曲线和曲面边界两种类型。

2）网格面：以网格曲线为骨架，蒙上自由曲面而生成的曲面。网格曲线是由特征线组成的横竖相交线。

3）导动面：特征截面线沿着特征轨迹线的某一方向扫动生成曲面。

生成导动面有六种方式：平行导动、固接导动、导动线&平面、导动线&边界线、双导动线和管道曲面。

曲面造型和曲面编辑功能在制造工程师设计复杂零件时常常配合使用。下文以实例的造型过程介绍曲面功能的技巧和注意事项。

2 实例造型过程解析

2.1 鼠标面的构造

该曲面模型造型难点：线架部分主要是样条线的构造、半径100的圆位置确定；曲面部分为上表面和边界过渡曲面的生成。

1）使用“扫描面”在立即菜单中设置参数，拾取所有底面曲线即可生成鼠标侧面。鼠标上表面的截面线为样条线，分析可得四个确定形状的型值点。选择“样条线”按钮，在立即菜单中选择“差值”、“缺省切矢”、“开曲线”，给出型值点坐标“-70，0，20”、“-40，0，25”、“-20，0，30”、“30，0，15”即可得到样条曲线，如图4所示。

2）鼠标底面使用“平面”方式中“裁剪平面”拾取底面轮廓线可以轻松实现。通过F6把设计平面切换到YZ平面。用“圆弧”的“两点-半径”方式在任意位置拾取两点，在合适位置给定半径“100”，“曲线拉伸”把圆弧拖拽到适当位置，使用“平移”的“两点”、“移动”、“非正交”方式，以圆弧中点为基点，移动到样条线的端点，将圆弧移动到正确位置，如图5所示。

3）关键线架具备以后使用“导动面”方式中“平行导动”以样条线为导动线，曲面方式的使用过程也有很多技巧和注意事项圆弧为截面线即可生成鼠标上表面。如图6所示。

图1 鼠标简图

图2 凹槽曲面简图

图3 可乐瓶底简图

图4 绘制样条线

图5 绘制截面线

图6 生成导动面

图7 选取第一系列面

图8 曲率情况

图9 鼠标造型

4）最后运用“曲面过渡”里“系列面”、“等半径”、“半径：10”、“裁剪两系列面”、“单个拾取”方式生成圆弧过渡，即可完成曲面造型。

注意：

1）样条线型值点的确定，由图形已知四个横向和纵向距离值，可得四点坐标，只是随坐标系位置变化而改变坐标系里的坐标值。

2）半径“100”的圆弧在绘制过程中必须保证圆弧的中点为最高点。

3）曲面过渡的操作过程中一定要注意使鼠标上表面所在曲面为第一系列面，如图7所示。其它侧面为第二系列面，而且所有曲面按顺序依次拾取，拾取完成后出现箭头指向鼠标外侧的情况一定要通过左键单击的方式改变方向，使第二系列面的所有曲面的曲率中心都指向内侧。如图8所示。生成鼠标造型结果，如图9所示。

2.2 图2零件的构造

该曲面模型造型难点：线架部分主要是中间的不规则凹槽；曲面部分同样是凹槽造型曲面方式的选择。

1）使用曲线造型功能可以方便实现零件除凹槽部分的其余线架。零件线架凹槽部分通过坐标变换，键盘上的F6对应YZ平面，F7对应XZ平面，F8轴侧视图找出线架所在的关键位置，做出这部分的关键线架。如图10所示

图10 特征线架

图11 曲线组合

图12 零件轴侧图

图13 特征线架图

图14 三维线架图

图15 零件轴侧图

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实现造型。凹槽的线架是由十条曲线组成的考虑曲面造型的十种造型方式都很难直接满足要求，考虑如何将曲线编辑使之可以方便做图。曲线组合可以将同一平面内首尾相连的多条曲线组合成一条线，如图11所示可以将零件上表面的凹槽轮廓线分别组合成两条线。组合后的凹槽轮廓是由四条封闭曲线组成。分析选定“导动面”中“双导动”、“双截面线”、“变高”方式可以生成凹槽的曲面造型如图12所示。

注意：

1）坐标变换在三维造型中经常使用，适时的变换坐标系，可以使作图灵活、方便、快捷。

2）完成零件的线架造型后，如果关键线架对应的轮廓复杂，而且轮廓线条数较多，常常可以考虑对同一平面内的首尾相连的多条曲线进行组合，之后再考虑选择何种曲面方式更方便造型。

3）关键曲面部分一般形状复杂，使用的曲面造型方式操作步骤较繁锁，由曲线生成曲面过程拾取曲线时往往有严格的拾取要求，这时一定要注意拾取的位置。零件二凹槽曲面造型“双导动”、“双截面线”、“变高”，在拾取截面线时一定要在第一条导动线附近拾取，否则生成的曲面可能会发生扭曲或无法生成曲面。

2.3 可乐瓶底的构造

该曲面模型造型较为复杂，线架部分单根骨架都是由多条曲线组成；曲面部分曲面方式的选择和拾取顺序都很值得注意。

1）瓶底的每根骨架都是由多段圆弧和切线光滑过渡组成，利用软件提供的特殊点功能“切点”以及“曲线过渡”功能可以依次做出瓶底的两根特征骨架。如图13所示。

2）经过“平面旋转”和“阵列”功能将骨架旋转所需角度后进行阵列，就可以完成瓶底的三维线架造型，如图14所示。

3）由可乐瓶底的线架特征，分析十种曲面造型方式，从中选择网格面，首先通过坐标变换切换视角，方便线架选择，线架按顺序选择合适的位置。正确拾取横竖相交的可乐瓶底线架，生成可乐瓶底曲面。如图15所示。

注意：

1）多段圆弧光滑连接在曲面造型的特征线架部分最为常见，解决此类情况的好办法就是特殊点功能和“圆弧过渡”配合使用，往往可以使复杂的作图简单化。

2）可乐瓶底单根线架都是由多条曲线组成的，若进行接下来的曲面操作，“曲线组合”也是必须要考虑到的。因此，在曲面造型中，若某条线架由多条曲线段组成，往往要考虑是否需要组合。

3）在应用“网格面”时每一组曲线都必须按其方位顺序拾取，拾取曲线的方向保持一致，而且必须从靠近曲线端点的位置拾取，否则封闭网格面失败；“网格面”生成所需的两系列曲线U向曲线和V向曲线之间必须保证每条都有交点；拾取的曲线应当是光滑曲线；对组成网格曲线的特征网格线必须是四边形网格，规则四边网格与不规则四边网格均可，即线架围成的区域必须是四边域，不允许有三边域、五边域和多边域。

灵活运用曲面造型要注意两点，首先分析图纸合理构造决定曲面形状的关键线架，在构造关键线架后为了满足需要往往对线架进行 “曲线组合”等编辑操作，这是构造曲面模型的重要前提，这一部分往往较难；其次是根据线架的特点正确选择曲面造型方式，不同的曲面造型方式特点和注意事项既有相似又有不同，需要在长期的使用操作中不断的积累和总结。

3 实例造型方法总结

鼠标曲面的造型使用的侧面和上表面进行多曲面的过渡，得到侧面和上表面的过渡曲面。如果在做鼠标侧面的特征线时进行“曲线组合”，使所有侧面特征线组合成一条线，在线的基础上生成的鼠标侧面为一张曲面，之后和上表面进行两面过渡，可以使曲面造型简化，节省近一半的设计时间，得到的设计效果相同。

零件二凹槽部分使用“导动面”的“双导动”、“双截面线”、“变高”方式可以实现，由于凹槽的轮廓线经过组合后变为四条首尾相连的光滑空间曲线，因此可以使用“边界面”的“四边面”，可以在四条空间曲线所围成的区域生成凹槽曲面，同样可以简化操作、节省时间。

曲面造型方式较多，造型时也非常灵活，一个零件可以通过不同的方式来实现，因此要常实践、多对比、重积累，曲面造型也会变得乐趣无穷。

4 结论

本文就制造工程在复杂曲面造型中的应用、技巧和注意事项进行了剖析，并对曲面造型中几种复杂造型方式的使用进行了总结，希望能对CAXA制造工程师的学习者有一定的帮助作用。

[1]田相克.基于CAXA的连杆三维造型及其数控仿真加工.机械制造与自动化[J].2009,6.

[2]李海涛.CAXA制造工程师在吊钩锻模造型中的应用策略.锻压技术[J].2009,6.

[3]赵杰.机械CAD /CAM [M].大连:大连理工大学出版社,2004.