基于UG參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)的研究

史麗媛， 祝錫晶， 馬繼召

（中北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，山西 太原 030051）

在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計中， 為了提高設(shè)計效率，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速、優(yōu)化設(shè)計，越來越多的機(jī)械零件采用了標(biāo)準(zhǔn)件或標(biāo)準(zhǔn)模塊[1]。另外，雖然有些零件無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，但幾何拓?fù)潢P(guān)系是相似或不變的，就會產(chǎn)生大量的重復(fù)的設(shè)計。利用CAD系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，創(chuàng)建參數(shù)化模型，可以有效解決上述問題。

目前，國內(nèi)外對簡單零部件的參數(shù)化技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但對于某些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和定位關(guān)系的零件，通用的參數(shù)化思想已不再適用，尤其對于實現(xiàn)部件或裝配體的參數(shù)化設(shè)計更加困難[2]。本文是在開發(fā)功率超聲珩磨裝置的CAD平臺時，根據(jù)參數(shù)化建模的特點，提出了一種針對部件或裝配體的參數(shù)化建模思想——基于草圖裝配和草圖約束的參數(shù)化設(shè)計。

本文是以功率超聲珩磨裝置的參數(shù)化建模為例，在一般的零件建模基礎(chǔ)上，引入部件或裝配體的三維裝配約束關(guān)系，建立零部件和裝配體之間參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)功率超聲珩磨裝置這一復(fù)雜部件的參數(shù)化建模。此種方法是利用UG建模里的草圖功能，在對零件模型進(jìn)行幾何約束和尺寸約束的基礎(chǔ)上，在裝配環(huán)境下建立草圖，利用草圖對零部件進(jìn)行裝配，而后用函數(shù)表達(dá)式建立零部件間變量尺寸的關(guān)系，通過對設(shè)變量尺寸的管理，實現(xiàn)整個裝置零部件之間的聯(lián)動，從而就實現(xiàn)了整個功率超聲珩磨裝置這一裝配體的參數(shù)化設(shè)計。

1 參數(shù)化建模的關(guān)鍵技術(shù)

參數(shù)化建模首先要對建模對象的結(jié)構(gòu)、形體進(jìn)行分析，然后制定相應(yīng)的建模方案。功率超聲珩磨裝置是由聲振系統(tǒng)（變幅桿、換能器、工具聲振系統(tǒng)）、珩磨頭部、漲芯機(jī)構(gòu)、動力傳遞部、碳刷、浮動連接部、機(jī)殼部組成，其作用就是在珩磨加工時使油石產(chǎn)生超聲頻縱向振動，并達(dá)到一定的振幅，在機(jī)床不停機(jī)的情況下可實現(xiàn)自動加壓，以完成珩磨加工根據(jù)其零部件的復(fù)雜程度。本文以功率超聲珩磨裝置為例，將其建模過程分為零件建模和裝配體建模兩部分，下面將分別闡述這兩部分的建模思想。

1.1 零件建模思想

本文使用的三維軟件UG本身提供了特征和草圖兩種建模方式，特征建模是參數(shù)化建模里最常用的方法，它適用于有特定幾何形狀（如：球、管、柱、槽、孔、凸臺、圓角等）、截面簡單的零件；基于草圖的參數(shù)化建模方法是先創(chuàng)建零件的二維草圖，而后通過回轉(zhuǎn)、拉伸、掃掠等方式生成幾何體[3-5]。此種方式是本文重點研究的零件建模思想。

1）建立零件模型 以功率超聲珩磨裝置的珩磨頭體為例，利用草圖進(jìn)行參數(shù)化建模，首先使用UG的草圖功能創(chuàng)建零件的二維草圖，然后通過回轉(zhuǎn)180°形成回轉(zhuǎn)體，最后利用特征和特征操作的相關(guān)功能（鍵槽、陣列、鏡像）完成零件建模，如圖1所示。

圖1 基于草圖的零件建模流程

2）建立零件約束 在UG的草圖中可以直接對任何參數(shù)進(jìn)行修改，所以需要創(chuàng)建一定的約束來實現(xiàn)零件總體框架的限定。草圖的約束是零件相對于自身和相對于坐標(biāo)軸的位置限定，主要分為尺寸約束和幾何約束。零件建模的核心內(nèi)容就是要對零件進(jìn)行尺寸約束和幾何約束，建立正確適當(dāng)?shù)募s束可以確定唯一的零件形狀，同時保證在裝配后用戶改動尺寸變量，裝配體不會散架。如下圖所示，珩磨頭體零件需要9個尺寸約束和2個關(guān)聯(lián)尺寸約束（圖2）以及一些幾何約束（圖3）。

圖2 珩磨頭體尺寸約束

圖3 珩磨頭體幾何約束

另外，草圖建立過程中任何欠約束和過約束的情況都會導(dǎo)致三維參數(shù)化建模的失敗。如下圖4所示尺寸P56（即珩磨頭的外徑）在正確約束下參數(shù)由30mm變?yōu)?0mm時，草圖如圖5所示，可以看出模型完整，然而當(dāng)模型欠約束時，改變該參數(shù)會導(dǎo)致模型散架，如圖6所示。

圖4 外徑30mm珩磨頭體草圖

圖5 外徑60mm珩磨頭體草圖

圖6 欠約束的珩磨頭體草圖

1.2 裝配體建模思想

傳統(tǒng)的裝配體模型就是指按照幾何位置關(guān)系將零件庫里的零件裝配在一起，而參數(shù)化的模型是在傳統(tǒng)的裝配模型基礎(chǔ)上，還需要建立零件之間的尺寸變量的關(guān)聯(lián)，這是裝配體參數(shù)化建模的關(guān)鍵。此外在傳統(tǒng)的裝配過程中，利用草圖實現(xiàn)裝配是本文實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的另一個重要思想，下面將具體闡述。

1）尺寸變量的關(guān)聯(lián) UG中用來實現(xiàn)零件間尺寸變量關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵就是WAVE(Wave-If Alternative Value Engineer)技術(shù)，它是基于解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)繁多的參數(shù)化模型而誕生的，本質(zhì)就是通過更改一系列自頂向下的模型參數(shù)，從而改變模型的總體設(shè)計以及工程更改，所以實現(xiàn)部件間參數(shù)關(guān)聯(lián)是該技術(shù)的核心。參數(shù)的關(guān)聯(lián)就是指在同一裝配體中，某層零部件與同層或上（下）層零部件的幾何信息可以共享，如此實現(xiàn)自頂向下的參數(shù)控制。如圖2所示，P1013是珩磨頭體里的一個尺寸，它與漲芯軸的內(nèi)徑P41關(guān)聯(lián)，設(shè)置的表達(dá)式如下：P1013=“zhangxinzhou”::p41+1。

2）基于草圖的裝配 基于草圖的裝配是將草圖作為裝配的媒介，不直接實現(xiàn)零（部）件與零（部）件之間的裝配，而是通過在零件和草圖之間建立位置約束和關(guān)聯(lián)變量的約束，實現(xiàn)零（部）件的定位，在裝配草圖中所有的變量尺寸都可體現(xiàn)出來，實現(xiàn)參數(shù)化的程序驅(qū)動里，只需驅(qū)動裝配草圖里的變量尺寸。如此在裝配過程中無須考慮零件與零件之間尺寸變量的關(guān)系，尤其當(dāng)多個零件尺寸相關(guān)聯(lián)時，關(guān)系較為復(fù)雜，而直接以草圖為媒介，就可以節(jié)省梳理相關(guān)尺寸變量的工作時間，同時用草圖實現(xiàn)裝配及尺寸變量的關(guān)聯(lián)為之后的尺寸驅(qū)動提供清晰、便利的方法。

2 功率超生珩磨裝置參數(shù)化系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)流程

為了簡化設(shè)計建模過程，提高系統(tǒng)的自動化程度，所以將設(shè)計過程封裝到系統(tǒng)內(nèi)部，這就需要良好的人機(jī)交互界面[6]，因此采用UG中二次開發(fā)工具UG/Open提供的MenuScript和UIStyle兩個模塊可以制作用戶界面，然后通過UG/Open API的編程對超聲珩磨裝置進(jìn)行參數(shù)化開發(fā)，利用相關(guān)的參數(shù)控制三維模型。具體實現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7 參數(shù)化系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖

2.2 創(chuàng)建用戶菜單和對話框

1）UG/OPEN MenuScript是UG提供的用戶專用菜單定制模塊，它可以生成自己的模塊，也可以將原有的UG的菜單替換。在startup目錄下建立一個文本文檔，寫入菜單腳本內(nèi)容，并以*.men格式保存即可。當(dāng)菜單腳本內(nèi)容修改完畢后，啟動UG，在UG界面上就可以看到用戶自定制菜單。功率超聲珩磨裝置參數(shù)化系統(tǒng)用戶自定義菜單界面如圖8所示。

2）功率超聲珩磨裝置參數(shù)化系統(tǒng)用戶自定義菜單界面開發(fā)完成后，還要進(jìn)行功率超聲珩磨裝置輔助設(shè)計系統(tǒng)人機(jī)交互界面的開發(fā)，也就是利用UIStyle對話框技術(shù)為菜單上的各個按鈕開發(fā)人機(jī)交互界面。UG/OPEN UIStyle為對話框的調(diào)用提供了菜單、回調(diào)函數(shù)和用戶出口3種基本類型。要根據(jù)UG的使用環(huán)境對對話框的相關(guān)屬性進(jìn)行設(shè)置，在程序開發(fā)的過程中，采用回調(diào)函數(shù)對對話框?qū)傩赃M(jìn)行調(diào)用，這樣調(diào)用方式更加具有靈活性。如圖9所示，零件對話框界面。

圖8 功率超聲珩磨裝置參數(shù)化系統(tǒng)菜單界面

圖9 珩磨頭體設(shè)計對話框

3 系統(tǒng)運行及結(jié)果

首先啟動UGNX，進(jìn)入UGNX的主界面，建立一個新的part文件，進(jìn)入建模功能環(huán)境，在頂部菜單可以看到自己定制的 “功率超聲珩磨裝置”菜單欄，單擊下拉菜單的對話框，然后設(shè)置自己所需要的參數(shù)，從而獲得相應(yīng)的三維模型。

1）在菜單欄中點擊“珩磨頭體零件設(shè)計”對話框，在彈出的對話框界面中，輸入設(shè)計參數(shù)，獲得珩磨頭體零件的三維模型。珩磨頭體零件三維模型，如圖10所示。

2）在菜單欄中點擊“功率超聲珩磨裝置總體設(shè)計”對話框，在彈出的對話框界面中，輸入設(shè)計參數(shù)，獲得功率超聲珩磨裝置總體的三維模型。功率超聲珩磨裝置總體三維模型如圖11所示。

圖10 珩磨頭體設(shè)計實例

圖11 功率超聲珩磨裝置參數(shù)化三維模型

4 結(jié) 論

本文在研究功率超聲珩磨裝置參數(shù)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，闡明了裝配體實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的方法。同時開發(fā)參數(shù)化系統(tǒng)，幫助設(shè)計人員直接修改參數(shù)就能得到滿足要求的三維模型，可以節(jié)約大量的設(shè)計和修改時間。此外，在參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行后續(xù)的動態(tài)模擬仿真、有限元分析等操作。

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[2]袁 波, 周 昀, 胡事民, 等. 層次化單元裝配模型[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)報, 2000, 12(6): 450-454.

[3]李海龍, 董金祥, 等. 基于約束的裝配體技術(shù)[J]. 計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)報, l 997, 9(3): 249-255.

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[5]韓 翔, 劉 義, 余永健.UG工程系統(tǒng)應(yīng)用與實例開發(fā)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008: 89-402.

[6]景仁坤. 基于Pro/Engineer的三維參數(shù)化設(shè)計研究與開發(fā)[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2005: 2-5.