建立草图工作平面

1.1 本章重点

在UG中，草图（Sketch）参数化设计的一个重要工具，也是创建3D图形的重要步骤。在产品设计，用户可以先通过绘图工具快绘制出一个大略的草图曲线，然后通过约束(Constraint)以及其他相关的操作，定义、更改造型的外型尺寸，使其成为所谓的“参数化曲线”。草图是实体模型AutoCAD中的核心基础，而在草图中约束又是草图的关键。约束(Constraint)分为尺寸约束（Dimensional）和几何约束（Geometric）。通过添加尺寸约束和几何约束来表达设计者的设计意图，并可以进行参数化尺寸及相关联的驱动，既当草图被修改时，与之相关联的实体将自动更新，所以草图图形可以对实体造型进行有效的精确控制。本章的重点，是使用户在掌握绘制草图曲线的基本操作的基础上，掌握及熟练使用UG草图约束、定位及草图管理功能。 1.2 学习目的本章的学习目的是掌握草图约束、定位以及草图管理等功能，具体为：（1）       在绘制出草图的大略形状后，以尺寸约束（Dimensional）和几何约束（Geometric）正确地限制曲线形状和尺寸。（2）       动态显示草图的更改。（3）       将其他模块绘制的曲线加入UG草图模式中。（4）       通过更改草图尺寸快速更改3D零件造型。 1.3 本章典型效果图      典型效果图1.4  草图工具对话框的相关选项当点击Insert→→Sketch，打开草图工具时，弹出入图1-1所示对话框。应用该对话框中的图标和选项可建立、约束和编辑草图。（1）     Change View Orientation改变视角选项控制视图方向是否变化。打开改选项，则在新建或激活草图时，视图方向改变到草图工作平面的方向。如果关闭该选项，则在新建或激活草图时，视图方向不改变。（2）     Layer/Sketch Name该选项为草图列表框，其中列出当前零件所有草图的名称以及所在的层。编辑草图时，首先在该列表框中选择草图的名称。（3）     Active Sketch该文本框用于显示和修改当前工作草图的名称。（4）    Active该选项用于激活选择的草图，使其成为工作草图。在草图列表框中单击一个草图名称后，该选项被激活，然后再单击该选项即可将所选草图激活而成为工作草图。激活草图还有另外一种方法，在草图列表框中双击草图名称使所选草图激活成工作草图。当激活另一个草图时，当前工作草图自动退出工作状态。（5）    Deactivate该选项使当前工作草图退出激活状态。（6）    Retain Dimension Disply该选项控制草图尺寸是否在不激活状态时显示。打开该选项，则当草图退出激活状态时，尺寸约束继续在窗口显示。反之，当草图退出激活状态时，尺寸约束不再在窗口显示。（7）    Update Model该选项用于更新与当前草图关联的实体模型。当修改草图后，单击该选项，则对草图对象的修改反映到由草图生成的模型上。建立草图包括建立草图工作平面和在草图中绘制或添加草图对象两步。 图1-1  草图工具对话框1.4.1 建立草图工作平面草图工作平面是绘制草图对象的平面。在一个草图中创建的所有草图几何对象（曲线或点）都是在草图工作平面上。草图工作平面可以是坐标平面、基准平面、实体表面或片体表面。利用草图功能建立草图工作平面的步骤如下：（1）进入草图模式（Insert→Sketch或按），弹出如图1-2所示建立草图对话框；（2）选定草图平面（Creat→选Sketch Plane）；（3）输入草图名称；（4）选择草图附着平面。                       图1-3   指定草图平面打开图1-2所示对话框时，Sketch Name文本框中显示系统默认的草图名称，如SKETCK-000、SKETCK-001、SKETCH-002等。用户可在文本框中指定其他草图名称，否则，系统用默认名称作为草图名称。草图是附着在坐标平面、基准平面、实体表面或片体表面上。因此，根据当前部件中是否存在实体、片体或基准平面而分成以下两种情况：情况一的步骤：（1） 选取一个存在平 （Attachment Face/Plane）。（2） 选取一个参考方向（Reference Direction）。情况二的步骤：直接在Sketch Plane下选择要产生的平面，见图1.3。 1.5  草图曲线的建立 建立草图对象的方法有多种。既可以在草图中直接绘制草图曲线或点，也可以添加图形窗口中存在的曲线或点到草图中，也可以从实体或片体上抽取边缘到草图中。 1.5.1手绘自由草图曲线用建立草图曲线图标（如图1-4），可在草图中直接中直接绘制草图曲线。这些图标包括基本曲线（Basic Curves）、点（Point）、矩形（Rectangle）、倒圆角（Fillet）、椭圆（Ellipse）、样条曲线（Spline）、编辑曲线（Edit Curve）。除倒圆角有差别外，其他图标的使用方法，与曲线部分介绍的使用方法基本相同。                   图1-4   建立草图曲线图标 在建立草图时无须在意尺寸是否精确，只绘出近似轮廓即可，这就是所谓的自由绘制草图（Free hand Sketch）。在后面的介绍中，将讲到对这些曲线进行尺寸约束、几何约束和定位。 1.5.2对象添加到草图在图1-1所示的对话框中单击图标，弹出分类选择对话框，在图形窗口选取要添加到当前草图的曲线或点，单击OK。添加进来的曲线无任何约束。抛物线和双曲线不能添加到草图中。在建立草图之前已经被拉伸的曲线不能添加到草图中。另外，由曲线规律所建立的曲线（如样条曲线、螺旋线）不能用此方法添加到草图中，而要作抽取曲线的方法来添加。 1.5.3抽取对象到草图在图1-1所示的对话框中单击图标，则可抽取对象按垂直于草图工作平面的方向投影到草图中，并成为草图对象。选择该图标，弹出如图1-5所示对话框。抽取对象时，先要在过滤器Filter选项中设置抽取对象的类型，再在Extracted Curve Type选项中设置抽取的曲线类型，然后在Tolerance选项中设置被抽取曲线投影到草图工作平面后的邻接误差。最后选择欲抽取的对象，单击OK。图1-5 抽取对象到草图对话框 1.5.4添加物体到草图实例   打开dau_iges_1，并选择Application→Modeling，如图1-6所示。操作步骤如下：第一步： 产生一个草图。①     将工作层设为Layer21；②     选择Insert→Sketch（或点击图标）；③     以S21_profile为名字在XC-YC平面上建立草图。第二步： 添加物体到草图。①     单击Add Object to Sketch图标；②     在Add Curve对话框中选择Select All，（发现图象窗口最上部的圆弧没有高亮显示，这是由于圆弧位于草图平面之外。添加到草图中的曲线必须放置在同一平面）；③     单击Cancel。第三步： 将曲线投射到一个平面。①     选择Insert→Curve Operation Insert；②     点击Project(或选择快捷图标)；③     在Filter中选择Curve/Points；④     选择所有物体；⑤     将Copy按钮设置为Move；⑥     将方向设置为Along Vector—沿垂直方向；⑦     选择ZC Axis，单击OK；⑧     方向按钮设置为Both；⑨     选择放置面Face/Plances按键，并选择前面所生成的草图工作平面为放置面，单击OK。 图1-6 dau_iges_1零件 我们注意到图形顶部的圆弧是蓝色线而不是黄色，可分析出该段曲线不是单一圆弧，可能为样条曲线或螺旋线。第四步：将蓝色线转变为圆弧。①     选择Insert→Curve Operation Insert；②     单击Simplify (或选择图标)；③     选择Delete，选择图形上部曲线，单击OK。第五步：删除在Simplify操作中产生的多余的线。①     选择Edit→Delete（或选择）；②     选取两条圆弧中的其中一条，单击OK；第六步：修改图形使其封闭。①     选择Edit→Curve→Parameters；②     选取圆弧的端点→选取直线的端点，如图1-7所示。图1-7 点的选取位置 第七步：添加曲线到草图。①     单击图标；②     激活草图S21_profile；③     单击Add Object to Sketch图标；④     选择Select All并单击OK。（曲线添加到草图中，颜色转变为青色）第八步：分析曲线。①     选择Analysis→Distance；②     选取圆弧和直线的端点。从列表中可以看到曲线不封闭，有微小间隙。第九步：封闭两曲线间隙。①     单击Constraints图标  ；②     单击Geometric图标；③     选择自动产生Auto Create按钮；④     选择Clear清空所选约束类型；⑤     将Coincident和Tangent约束设置为ON，并将距离公差设置为0.25，单击OK；⑥     选择Analysis→Distance再次分析两点间的距离，发现为0；第十步：保存。 1.6 草图约束的建立草图物体能够随设计者给定的条件进行变化而实现捕捉到设计意图，这些给定的条件叫做约束。图1-8  约束对话框1.6.1约束类型在草图工具对话框1-1中单击约束Constraints ，弹出如图1-8所示。约束分为两大类：尺寸约束（Dimensional）、几何约束（Geometric）。随着几何约束和尺寸约束的添加，自由度符号逐渐减少。当草图全部约束以后，自由度符号全部消失，如图1-9所示。                        X、Y方向两个自由度           Y方向一个自由度           X方向一个自由度                    图 1-9  自由度符号的显示方式 1.6.2尺寸约束尺寸约束（见图1-8）如同标注尺寸一样，在标注尺寸完成以后输入正确的尺寸值，以限定正确的草图尺寸，以下为尺寸约束的步骤：（1）       选择尺寸约束的名称（如水平、垂直、平行、直立、角度等）；（2）       选择草图上尺寸约束的位置；（3）       修改参数名称并输入适当的尺寸大小；（4）       点Apply（应用）。在图1-8对话框中有9中尺寸标注模式，说明如下： 图1-10  推理模式尺寸标注图例（1） Inferred，推理标注模式。既在进行尺寸约束时，系统自动判断设计者的意图，产生水平、直立、角度、半径或平行等尺寸限制。它涵盖几乎所有尺寸标注的方法，图1-10是使用推理模式标注尺寸的图例。（２）Horizontal，水平注标模式。此选项用于标注平行于ＸＣ方向的尺寸，尺寸限制距离是位于两个点之间。图1-11是使用水平模式标注尺寸的图例。　图1-11  水平模式尺寸标注图例 （３）Vertical，直立标注模式。此选项用于标注平行于ＹＣ方向的尺寸，尺寸限制距离是位于两个点之间。图1-12是使用直立模式标注尺寸的图例。图1-11  直立模式尺寸标注图例 （４）Parallel，平行标注模式。此选项用于定义两点间的距离，尺寸线平行与两点连线的方向。（５）Perpendicular，垂直标注模式。此选项用于标注点到直线的距离尺寸，所标注的尺寸线垂直于所选取的直线。（６）Diameter，直径标注模式。此选项用于标注圆的直径。（７）Radius，半径标注模式。此选项用于标注圆或圆弧的半径。（８）Angular，角度标注模式。用于标注所选两直线之间的夹角。（９）Perimeter，弧长标注模式。此选项用于标注线或圆弧的长度，但标注的尺寸不会在图形中显示出来，而是给一个以Perimeter为头的尺寸表达式值放置在列表框中。 1.6.3建立尺寸约束实例例1．       添加角度约束。在本例中学习通过对零件添加条件控制其变化来捕捉设计意图。通过尺寸约束使角度由45°变化到75°。打开dau_angleadjbrckt_1，并另存为dau_angleadjbrckt_1_1。图1-12   线的选取第一步：建立所需尺寸约束。①     选择Application→Modeling→点击;②     确定Change View Orientation处于打开状态on;③     激活Sketch S21-ADJUSTSLOT；④     单击图标Constraints；⑤     单击图标Dimensional；⑥     选择右边第一条角度线；选择左上方第二条角度线（如图1-12所示，此时系统显示角度值）；⑦     产生第二个尺寸约束，如图1-13所示；单击OK。图1-13   第二个角度选取 第二步：改变视角方向。①     按右键弹出POP-UP菜单，选择TFR-TRI方式显示或选择Trimetric图标；②     将Change View Orientation设置为OFF。第三步：存盘。 例2.            编辑角度约束。第一步：改变层的设置。①     使Layer1处于Selectable状态，如图1-14所示。 图1-14  文件图形第二步：编辑尺寸约束。①     单击Constraints图标；②     单击尺寸图标Dimensional；③     从尺寸列表框中选取45°尺寸，将Current expression中的数值改成75°。第三步：编辑另一个尺寸约束。①选择尺寸15°，将其改为25°。第四步：File→Close→Reopen All Modified Parts。 1.6.4几何约束                          图1-15  几何约束对话框几何约束用于定位草图对象和确定草图对象间的相互关系，如水平、直立、共点、共线、平行、相切等几何关系。在图1-8中单击图标，对话框变成图1-15所示的形式。应用对话框中的选项，既可以自动建立几何约束，也可以手动建立几何约束，还可以查看几何约束信息。 1. 约束类型约束类型及代表含义见表1-1。 表1-1  约束类型  约束类型                      表示含义 固定(Fix) 将草图固定在某个位置，点或曲线固定 重合(Coincident) 两个或多个点重合 同心(Concentric) 圆或圆弧或椭圆弧同心 共线(Collinear) 两条或多条直线共线 点在线上(Point On Curve) 点的位置落在曲线上 中点(Midpoint) 点在直线或圆弧的中点上 水平(Horizontal) 直线为水平线（平行XC轴） 垂直(Vertical) 直线为垂直线（平行YC轴） 平行(Parallel) 两条或多条线与所选的线相平行 正交(Perpendicular) 所选的两条直线彼此垂直 相切(Tangent) 两个对象相切 等长(Equal Length) 两条或多条曲线有相同的长度 等半径(Equal Radius) 两个或多个圆弧有相同的半径 固定长度(Constant Length) 曲线为固定长度 固定角度(Constant Angle) 直线为固定角度 镜像(Mirror) 对象间彼此镜像 曲线斜率(Slope of Curve ) 样条曲线过一点与另一曲线相切 比例，均匀(Scale, Uniform) 样条曲线的两个端点移动时，其形状不变化 比例，非-均匀(Scale, Non-Uniform) 样条曲线的两个端点移动时，其形状变化  2.  约束方法给草图添加几何约束有两种方法：（1）手工添加约束,（2）自动产生约束。（1）手工添加约束。是对所选对象指定某种约束的方法，其操作步骤为：① 选取要添加几何约束的草图对象；② 在几何约束列表中选择几何约束条件；③ 按Apply（应用）或OK。（2）自动产生约束自动产生约束是系统根据用户所选择的几何约束类型，根据草图对象间的关系，自动添加相应约束到草图对象上的方法。此方法可简化进行几何约束的流程。其操作步骤为：① 在图1-15所示对话框中选择Auto Create选项，弹出如图1-16所示自动产生约束对话框；②        在对话框中选择自动添加到草图对象的某些约束类型；③        按Apply（应用）或OK。这种方法对于约束那些添加到草图中的几何对象，尤其是从其他CAD系统转换进来的几何对象特别有用。图1-16  自动产生约束对话框 3.  显示/删除几何约束单击图1-1对话框中图标或在图1-15对话框中单击Show/Remove Constraints选项，弹出图1-17所示显示/删除几何约束对话框。该功能可显示激活草图中的几何图形的几何约束，并可移去指定约束或列表显示所有的几何约束信息。•List Constraint For：列出约束条件。•Selected Object：列出选取对象的约束条件；如果选取新的对象，前所选取对象的约束条件将不列出。•Selected Objects：列出选取对象的约束条件；可选取多个草图对象。•All In Active Sketch：列出当前草图中所有对象的约束条件。•Constraint Type：筛选列出的约束条件。图1-17  显示/删除几何约束对话框 •Include/Exclude：设置列出的约束类型是包括还是不包括筛选。•Information按下：此按钮后弹出信息对话框，显示当前状态所有草图对象以及约束条件之间的状态。•Remove Highlighted Constraints：删除选取的约束条件。•Remove List：删除所有的约束条件。删除约束条件的步骤：①     选择显示约束条件的选项；②     选择约束类型；③     选取草图对象；④     删除约束条件。 1.6.5建立几何约束实例例1.建立草图时自动产生相关约束。画出如图1-18所示草图，练习相关功能，具体操作如下：图1-18   草图图形 打开dau_seedpart_in，选择Application→Modeling。 第一步：产生一个草图。①     单击图标（Sketch）；②     将Change View Orientation设为on；③     将工作层设置为Layer21；④     以profile为名字在XC-YC平面上建立草图；⑤     单击Basic Curve图标；⑥     String Mode设为on；⑦     单击Line，画出如图1-19所示的水平、垂直线，单击OK；⑧     单击，将光标移至各线处，出现水平→X、垂直↑Y的约束标记。 图1-19  水平、垂直线 第二步：画出带相切约束Tangent Constraint的圆弧。①     单击Basic Curve图标；②     单击Arc，选择Start,End,Point on Arc→画出圆弧；③     单击Line→选取圆弧端点，画线；④     单击；⑤     单击；⑥     依次选择圆弧和直线；⑦     在约束类型列表中单击Tangent；单击Apply，如图1-20所示。                       图1-20   画圆弧和直线 第三步：画出具有垂直约束的直线。①     单击Basic Curve图标；②     单击Line选线的端点，接着选线，移动光标使所生成的直线位于垂直位置；③     同上，再画出两条具有垂直约束的直线→单击OK。如图1-21所示。图1-21  画出具有垂直约束的直线 第四步：画出具有平行约束的直线。①     单击Basic Curve图标；②     将String Mode设为off；③     单击Line；④     选取左侧斜线，在对话框中Angle Increment输入OFFSET值0.5，单击Apply。如图1-22所示。图1-22  画出具有平行约束的直线 第五步：产生具有相切约束的圆角Fillet。①     单击Basic Curve图标；②     单击Fillet图标；③     选择Simple Fillet图标，键入0.2；④     确认打开Create Radius Dimensions,斜线和水平线相交处放置光标，并单击鼠标左键→同上，在另一个位置产生半径值为0.5的圆角。如图1-23。                     图1-23  画出具有相切约束的圆角 第六步：显示约束。① 单击Show/Remove Constraints图标，将光标分别移到各个曲线上，可以看到彼此曲线之间的几何约束关系。 第七步：选择File →Close →All Parts。 例2. 自动产生约束打开dau_pipewise，选择Application→Modeling。出现如图1-24所示的草图。                                     图1-24  草图图形 第一步：激活草图。① 单击图标（Sketch）或选择Insert→Sketch；② 将Change View Orientation设为on；③ 激活Active草图S21-profile。第二步：分析已经存在的约束。①     单击（Show/Remove Constraints）;②     在对话框中选择All in Active Sketch;③     观察本例中已经存在的约束：共线（Collinear）、等长（Equal Length）、水平(Horizontal)、中点(Midpoint)、点在线上(Point on Curve)、相切(Tangent)、垂直(Vertical)。 第三步：删除几何约束。①     单击Remove List;②     单击OK。 第四步：自动产生约束。①     单击约束图标Constraints；②     单击几何约束图标；③     单击Auto Create-自动产生;④     单击Clear-清除；⑤     在列表中选择Horizontal、Tangent、Vertical;⑥     单击Ok并观察图形的变化。 第五步：手工添加其他的约束。①     选取最左边的垂直线和垂直辅助线；②     从约束列表中选取Collinear；单击Apply；③     选取最底部水平线和水平辅助线；④     从约束列表中选取Collinear；单击Apply；⑤     将Layer61设置为Invisible；⑥     选取顶部的两条水平线；⑦     按下Control的同时，在约束列表框中选取Collinear和 Equal Length；单击Apply；⑧     选取垂直线的下端点和底部水平线；⑨     按下Control的同时，在约束列表框中选取Point on Curve和 Midpoint；单击Apply。此时，提示条显示图形为全约束。第六步：选择File →Close →All Parts。 1.7  约束管理 1.7.1草图镜像及实例镜像草图是将草图对象以一条存在的直线作为镜像影射中心线，对称地复制草图对象，所生成的新草图对象是一个中心对称图形，并与原草图形成一个整体，同时还具有关联性。要注意的是，镜像草图功能只能在草图模式下进行，并且只有在草图模式下绘制出的线条才可以进行镜像影射。在图1-1中电击镜像（Mirror）图标，弹出如图1-25所示的镜像草图对话框。以下为草图镜像影射的操作步骤：⑴ 在镜像（Mirror Sketch）对话框中选取镜像中心线（Mirror Centerline）图标：在图形窗口中选取一条镜像中心线；⑵ 选取镜像几何对象（Mirror Geometry）图标：在图形窗口中选取要镜像的几何图象；图1-25  镜像草图对话框 ⑶ 点击OK或Apply。 实例：镜像草图对象打开dau_mirror_1，如图1-26所示；选择Application→Modeling。图1-26  镜像前草图图形 第一步：建立镜像图形。①     单击草图(Sketch)图标；②     将Change View Orientation设为on；③     单击镜像 (Mirror)图标；④     选取双点划线；⑤     单击镜像几何对象（Mirror Geometry）图标；⑥     选取窗口中全部曲线，点击OK或Apply。出现如图1-27所示的草图。图1-27  镜像后草图图形 第二步：选择File →Close →All Parts。 1.7.2切换替解及实例当一个草图对象被约束时，同一种约束可能存在多种解决方法，采用切换替解（Alternate Solution）可以从一种解法替换为另一中解法。在图1-1中选择图标，弹出如图1-28所示的对话框。此时，系统会提示选择转换对象，此时可在图形窗口中选取需要转换的图形对象。此对象可以是尺寸也可以是图形线条。选取要转换的对象后，所选取的图形对象直接转化成另一种解法，此时可以继续选择其他的图形对象进行转换。要完成切换替解操作，单击OK即可。切换替解的操作步骤为：（1） 在激活的草图对象下，单击（Alternate Solution）图标；（2） 选择需要切换替解的图形对象；（3） 单击OK。例.1 切换替解图形对象打开dau_alt_solu_1，如图1-29所示；选择Application→Modeling。第一步：激活草图。①     单击草图(Sketch)图标；②     将Change View Orientation设为on；③     在Layer/Sketch Name选取ALT_SOLUTION，并单击Active；第二步：切换替解图形对象。①     单击（Alternate Solution）图标；②     分别选择图中指示的圆弧；③     单击OK。即完成了切换替解，如图1-30所示。 例.2 切换替解尺寸对象。如图1-31所示 1.7.3拖拽草图拖拽草图是在图形窗口中通过控制鼠标拖拽所选择的曲线对象和尺寸对象，从而改变草图对象的形状和尺寸。要注意的是，在执行拖拽草图操作之前，要先对草图执行尺寸约束条件。