实验八十六 机械CAD一、实验目的1、了解三维CAD/CAM软件造型技术的基本原理，掌握构建几何模型的思路和方法。
2、掌握零件三维造型的基本操作。
3、掌握由零件构建装配体的基本方法和操作。
4、掌握由装配体或零件图进行工程图设计的基本方法和操作。
5、熟悉常用的三维CAD/CAM软件UG、SolidWorks、Pro/E、CATIA等软件环境和使用方法。
二、基本知识1、三维CAD/CAM软件的功能三维CAD/CAM软件根据功能不同分为综合集成型和单一功能型两种。
（1）综合集成型软件功能综合集成型CAD/CAM支撑软件功能比较完备，综合提供三维造型、设计计算、工程分析、数控编程以及加工仿真等功能模块，综合性强、系统集成性较好。
一般包括：CAD部分：三维造型（如图86-1），装配，工程图绘制；CAE部分：结构有限元分析，运动机构仿真分析（如图86-2），优化设计；CAM部分：数控编程（如图86-3），后处理，加工过程仿真；用户开发工具：二次开发编程语言（UPL）或高级语言开发接口。
常用的综合集成型CAD/CAM软件有：UG、Pro/E、CATIA等。
（2）单一功能型软件功能单一功能型软件主要支持产品设计或制造过程中的某个作业过程及相关操作，功能上相当于综合集成型CAD/CAM软件的某个模块。
单一功能型软件完成任务单一、专业性处理能力强。
三维设计CAD系统，主要完成三维造型、装配与工程图绘制，常用软件有SolidWorks、Solidedge等；数控编程软件有 MasterCAM、SurfCAM等；工程分析软件：动力学仿真分析主要有ADAMS等，有限元分析主要有ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等。
图86-1 三维造型图86-2 构件运动分析图86-3 数控加工动态演示图2、三维实体常见的表示方法（1）体素构造几何法体素构造几何法(Constructive Solid Geometry, CSG)在计算机内部通过基本体素和其运算来表示实体，即通过布尔模型生成二叉树数据结构。
基本体素有Block块、Cylinder圆柱、Cone圆锥、Sphere球、Wedge楔块、Torus环等。
基本体素如图86-４所示，用CSG二叉树表示实体如图85-5所示。
图86-4 三维造型基本体素图86-5形体的二叉树表示（2）边界表示法边界表示法（Boundary-representations, B-rep）是以实体边界为基础来定义和描述三维实体的方法，这种方法能给出实体完整、显式的边界描述。
其原理是：每个实体都由有限个面构成，每个面（平面或曲面）由有限条边围成的有限个封闭域来定义。
在边界表示法中，实体可以通过它的边界（面的子集）表示，每一个面又可通过边，边通过点，点通过三个坐标来定义。
因此，边界模型的数据结构是网状关系，如图86-6所示。
边界表示法的核心信息是面，同时，通过环表示的信息来标识面的法线方向，也就容易区别某一个面是内表面还是外表面。
图86-6 边界表示法（3）扫描表示法扫描表示法（Sweeping Representation）是由一个二维图形或三维形体在空间沿着某一方向平移或者绕某一轴线旋转进行实体定义的方法，是三维实体造型系统中常用的实体构造方法。
分为平面轮廓扫描和三位实体扫描两种情况。
扫描方式：平移，旋转，轨迹导向。
三、实验内容包括建模、装配、工程图三部分：（1）零件三维建模（2）零件三维模型、标准件装配成装配体（3）三维模型转换成二维，并完成标注生成工程图实验过程如图86-7所示。
图86-7 机械CAD实验内容及过程图86-8 联轴器CAD本实验的内容是零件造型、装配和生成工程图，实现如图86-8所示某产品的局部零件的三维造型、装配和工程图。
采用相同的两个半联轴器用螺栓连接形成装配，半联轴器零件尺寸如图86-9所示。
图86-9 半联轴器零件参数四、操作步骤1、UG零件建模1）新建建模文件启动UG软件，点击“新建”命令，弹出对话框，如图86-10所示。
选择“模型”模块，进行建模工作。
2）截面旋转造型（1）绘制截面。
UG草图环境下设置中心线，绘制回转截面，如图86-11所示。
（2）旋转成型。
选择“回转”，如图86-12所示，对话框中选中绘制的草图截面，指定矢量选择x轴，布尔运算选择“求差”，其余默认，然后点击确定，造型结果如图86-13所示。
图86-10 UG新建功能模块图86-11 UG新建功能模块图86-12 回转截面进行造型图86-13 旋转造型结果3）绘制花键采用去除并阵列得到所需花键。
花键齿厚10，齿数为8个。
（1）草绘。
选择草绘命令，放置平面选择联轴器端面，如图86-14所示红色面。
草绘一个齿轮廓，内边线圆弧半径为26，外边线圆弧半径为30，两条平行线间的距离为10。
如图86-15所示。
图86-14 花键草图放置平面图86-15 花键草图参数（2）拉伸。
选中草图，选择拉伸命令，确定正确的看拉伸方向（如果相反点击反向命令），距离是65，布尔运算选择求差，进行拉伸切除，如图86-16所示，拉伸结果如图86-17所示。
图86-16 联轴器键槽拉伸切除图86-17 联轴器一个键槽（3）键槽阵列。
阵列键槽，形成花键。
选择下拉菜单中的“实例特征”，选择“圆形阵列”，如图86-18所示；选择阵列对象是上一步的拉伸，即“拉伸（8）”，如图86-19所示；阵列方法选择“常规”，阵列数目为8，角度为45度，如图86-20所示；阵列基准选择“基准轴”，x轴为基准轴；完成阵列得到花键如图86-21所示。
图86-18 键槽阵列类型图86-19选择键槽阵列对象图86-20 阵列方法和参数4）绘制孔（1）孔草图。
采用跟前述相同方法选择孔草图放置面，绘制孔草图，如图86-22所示。
图86-21 阵列形成花键图86-22 孔草图（2）绘制孔。
选择下拉菜单中的“孔”图标，弹出对话框中，如图86-23所示，选择“常规孔”，指定点选择上一步绘制的草图中的四个点，孔直径为14.5，深度为“贯通体”，布尔运算选择“求差”，点击确定，绘制完成，得到孔如图86-24所示。
图86-23 绘制孔设置图86-24 联轴器孔5）倒角在下拉菜单中选择倒斜角，弹出菜单如图86-25所示，选择“对称”，距离为2，然后选择需要倒角的边，确定；完成倒角后的零件，如图86-26所示。
图86-25 联轴器倒角设置图86-26 倒角后的联轴器6）绘制其他零件采用类似的方法绘制其他相关的螺栓、螺母、垫圈或者从标准件库中调用相应零件。
2、UG装配建模1）新建建模文件启动UG软件，点击“新建”命令，弹出对话框，如图86-10所示。
选择“装配”模块，进行装配工作。
2）添加第一个组件点击“添加组件”，弹出对话框，如图86-27所示；对话框中选择“打开”，找到需要添加的文件（右边预览可以文件，确定是否所需），如图86-28所示，确定，完成第一步装配。
图86-27 添加组件对话框图86-28 选择所需添加的文件3）继续添加组件选择要添加的组件，选择“通过约束”来定位，如图86-29所示。
约束条件选择自动判断中心/轴，选择两个孔中心线，如图86-30箭头所指，在“在主窗口中预览组件”可以看到方向（如果不正确，选择返回），方向正确后确定，添加组件后如图86-31所示。
图86-29 约束定位添加组件图86-30 以孔中心线为约束条件4）装配螺栓、垫圈、螺母采用跟上步相同的方法添加组件，使用合适的约束方式，添加螺栓、垫圈、螺母，完成装配图如图86-8所示。
3、UG工程图绘制过程1）进入制图环境启动软件，打开装配组件，点击开始菜单栏选中“制图”，进入制图环境，如图86-32所示。
2）新建图纸页设置图纸大小、比例、单位、投影视角等，如图86-33所示。
设置完成点击“确定”。
3）添加基本视图点击“基本视图”，选择要投影的视图、比例，放置视图，如图86-34所示。
4）添加剖视图将鼠标移至投影视图的边框上，单击右键，弹出如图86-35所示对话框，选择“添加剖视图”；选择“自动判断铰链线”，，选择一个铰链线基点，这里选择红框中的圆心，如图86-36所示；移动鼠标放置剖视图，如图86-37所示，得到红圈中的剖视图。
图86-31 再次添加组件后形成的装配体图86-32 进入制图环境86-33 新建图纸页图86-34 添加基本视图图86-35 添加剖视图图86-36设置自动判断图86-37 鼠标放置剖视图5）改变剖面线将螺栓、螺母、垫圈设置为不剖。
点击“视图中剖切”，在对话框中选择需要修改的视图，然后选中视图中不剖切部分，操作栏选择“变成非剖切”，点击“确定”，完成设置，如图86-38所示。
6）标注尺寸点击“自动判断尺寸”，开始标注；如有公差或文字标注，双击要标注的尺寸，进行相应的公差和文字标注；完成总体尺寸标注后如图86-39所示。
图86-38 设置不剖切的部分图86-39 完成尺寸标注7）标注零件序号点击“标识符号”，在对话框中选择类型为“圆”，点击“选择终止对象”的图标，点击鼠标左键指定终止点，在文本一栏填入序号，然后点击鼠标左键放置圆的位置，如图86-40所示。
8）插入零件明细表点击“插入”，选择“表格”，在弹出的菜单中，选择“零件明细表”，单击鼠标左键放置，如图86-41所示。
根据选择的零件，填零件明细表。
双击明细表的单元格，直接填入，如图86-42所示。
图86-40 标准零件序号图86-41 插入零件明细表图86-42 填入明细表内容设置明细表的样式。
选中你要更改样式的单元格，单击鼠标右键，选择“样式”；弹出对话框中，可以对选中单元格的文字大小、颜色、字体和单元格对齐方式等进行设置。
9）添加技术要求点击“注释”，在文本输入一栏输入技术要求，点击鼠标左键放置在指定位置，如图86-43所示。
10）工程图完成工程图，如图86-44所示（没有填写标题栏）。
图86-43 添加技术要求图86-44 工程图示意图五、思考题试找一个较复杂的回转体零件如齿轮、蜗杆等，按照上述基本步骤进行建模、装配、生成工程图。