基于SiemensNX的異形彈簧建模研究

趙戰(zhàn)鋒， 葉娟

（1.溫州職業(yè)技術學院，浙江 溫州325035；2.勝利油氣管道控股有限公司，香港）

1 引 言

Siemens NX 軟件是德國西門子公司的高端計算機輔助軟件，其前身是UG 軟件。NX 軟件除了具有強大的CAM/CAE 加工和機械仿真功能外，CAD 功能非常全面，其采用Parasolid 幾何內核，融合參數化建模和直接建模，表現(xiàn)出獨特的混合建模思路。Siemens NX 軟件在具備普通三維CAD 軟件基于草圖特征建模的功能外，有非常靈活的空間曲線、曲面建模能力，在機械、航空、汽車、玩具和模具等行業(yè)應用廣泛［1，2］。彈簧是機電系統(tǒng)必不可缺的常用零件，承擔儲能、緩沖、復位等功能，在工業(yè)設備中得到廣泛應用。由于應用場合要求的差異性，彈簧形狀可以表現(xiàn)出各種復雜異形的特點，通?？捎蓴悼鼐砘蓹C在機電系統(tǒng)的控制下由鋼絲拉成［3］。鑒于其空間復雜性，現(xiàn)有CAD 軟件還不能用直接命令一步創(chuàng)建彈簧的三維模型［4，5］。因此，我們結合模具、鋼管等機械行業(yè)的彈簧實際情況，研發(fā)探索應用Siemens NX 軟件進行復雜異形彈簧的建模方法，為需要設計類似彈簧的企業(yè)提供借鑒。同時為相關高等院校機電類CAD 軟件三維建模教學提供參考。

2 基于螺旋線的建模

Siemens NX 的空間建模模式下，螺旋線命令提供了參數化的創(chuàng)建空間螺旋曲線功能。此命令的基本界面比較簡單，如圖1（a）所示，只需指定螺旋線的圈數、螺距和螺旋半徑即可建立標準的螺旋線。其中螺旋的方向可根據實際情況設定為右手或左手。螺旋線的方位和起始中心點，可以通過對話框中的定義方位和點構造器來設定。彈簧的實體化線徑通常用NX 的管道命令來完成，如圖1（b）所示，管道命令只需選定空間螺旋線作為路徑，設置外徑為彈簧的線徑尺寸即可完成標準彈簧的建模。彈簧兩端的壓平面，可以使用拉伸除料的方式簡化實現(xiàn)。圖3（a）所示為標準圓柱形彈簧的簡化建模實例。

在螺旋線的參數對話框的半徑方法中，除去恒定半徑的方式外，NX 提供了強大的基于函數的半徑設定方法。當在設計半徑時，點擊使用規(guī)律曲線時，便彈出了規(guī)律函數的對話窗口，見圖2（a）所示。NX 函數提供了包括恒定、線性、三次、自定義函數和曲線等7 種類型。當選中其中的一個函數時，軟件彈出了設置函數自變量變化區(qū)間的對話框，由設計者設定自變量的起始和終止值，見圖2（b）。軟件內部根據自變量的變化區(qū)間和函數類型自動計算螺旋線沿方位方向的長度距離內按規(guī)律變化。圖3（c）是由半徑按照三次規(guī)律沿螺旋方向變化的螺旋線創(chuàng)建的復雜彈簧。需要說明的是，在螺旋線的參數對話框中，在規(guī)律曲線確定半徑的前提下，當螺距設置為0 時，沿半徑方向變化的螺旋線，將退化為渦狀線。由管道創(chuàng)建彈簧后可以得到平面的變化彈簧如圖3（b）所示。

圖1 螺旋線及管道命令界面

圖2 規(guī)律函數及其自變量設定界面

基于螺旋線的彈簧建模思路直觀、操作方便，能夠滿足一般的螺旋形彈簧的建模。對于復雜的彈簧，如果有精準數學表達函數曲線，可以通過規(guī)律曲線來完成。但利用函數曲線創(chuàng)建復雜彈簧仍有其不便之處，首先是函數的隱含性，需要建模者有較高的數學思維能力和空間想象能力，其次，函數的變化規(guī)律始終有限，生產設備中許多異形螺旋彈簧沒有規(guī)律，很難用規(guī)律函數描述。

圖3 基于螺旋線創(chuàng)建的異形彈簧

3 基于曲線掃掠的建模

在三維建模軟件中，掃掠是基礎建模命令，它可以實現(xiàn)截面曲線沿光滑路徑創(chuàng)建掃描實體或曲面。Siemens NX 的掃掠命令的控制參數和選項較多，通過適當的參數設置，可以實現(xiàn)沿復雜路徑變化的螺旋彈簧建模。掃掠命令的數學實現(xiàn)原理是：以截面曲線為基礎創(chuàng)建局部坐標系，坐標的原點始終位于掃描路徑上，坐標的Z 軸方向，可以設定為始終與原點在路徑的切向方向相同，也可以由用戶指定為某一恒定適量。

圖4 掃掠和相交曲線界面

與一般的三維軟件相比，Siemens NX 的掃掠還有一個特點：其掃掠局部坐標的X 軸，可設置X 軸與Z 軸的方位角度。軟件的缺省設計是X 軸保持與路徑的恒定方位。其方位控制選項為復雜掃掠建模提供了更強的能力，用戶可以指定為固定方向、某一矢量方向、另一條曲線和角度規(guī)律等。其中，角度規(guī)律可以結合螺旋線的概念原理創(chuàng)建異形螺旋線。詳細做法是：（1）在建模環(huán)境下創(chuàng)建平面或空間掃掠路徑，用來確定異形彈簧的變形方式；（2）創(chuàng)建位于路徑端點并垂直于路徑的基準平面，在此基準平面內創(chuàng)建截面直線，直線的一端位于路徑曲線上，長度表示螺旋線的半徑大?。唬?）調用Siemens NX 的掃掠命令，分別選擇截面和路徑曲線，在掃掠對話框中，如圖4（a）所示，設定對齊方式為圓弧長，定位方法選擇角度規(guī)律，并設定規(guī)律函數的自變量變化起始和結束值。規(guī)律類型與圖2 類似。需要說明的是，一個完整的螺旋圈是用360°來表示，結束角度表示螺旋圈數的360 倍，用戶可以在輸入文本框中，直接輸入360*n 這樣的簡單數學表達式，軟件會自動計算。如圖5（a）所示，是以半圓底的U 形為路徑，創(chuàng)建的螺旋掃掠曲面。（4）利用軟件的抽取空間曲線或復合曲線命令，提出螺旋曲面的邊緣線，即可作為彈簧的路徑曲線。結合管道命令即可創(chuàng)建異形彈簧，如圖5（b）所示。

此方法具有通用性，可以推廣到任意光滑的曲線作為路徑的異形螺旋線的創(chuàng)建，從而可以建立靈活多變的異形彈簧。圖5（c）是以一般空間樣條線為路徑，通過掃掠和曲線抽取后得到的螺旋線而創(chuàng)建的異形彈簧。此類方法創(chuàng)建的彈簧，能夠滿足機電設備中大部分彈簧的要求，但對于一些非圓形螺旋彈簧或者圓形截面沿方位方向變化的彈簧創(chuàng)建顯得無能為力。

圖5 基于曲線掃掠的異形彈簧

4 基于曲面相交曲線建模

螺旋線和掃掠曲面抽取而創(chuàng)建的螺旋線都屬于類圓柱螺旋線。事實上，機電設備系統(tǒng)中，有許多非圓柱性螺旋彈簧或圓柱變化螺旋彈簧，如圖6（b）所示的六邊形螺旋彈簧，圖6（c）所示的圓柱變化螺旋彈簧。

圖6 基于曲面相交曲線創(chuàng)建異形彈簧

此類彈簧的建模，需要新的復合建模方法。其關鍵在于曲線的創(chuàng)建。在Siemens NX 軟件中，提供了使用現(xiàn)有實體或曲面通過運算創(chuàng)建曲線的方法。此方法更加具有一般性，可以彌補基本螺旋線和掃掠螺旋線的局限性。做法是：（1）根據具體異形彈簧的形狀，首先創(chuàng)建基本曲面，具體可根據形狀特點，使用軟件的基本曲面創(chuàng)建方法，比如拉伸、旋轉、掃掠或曲線組等。此曲面反映彈簧的整體異形，與螺旋線的纏繞無關。（2）利用螺旋線命令創(chuàng)建恒定或規(guī)律變化的螺旋線，創(chuàng)建彈簧中心到螺旋線的截面曲線，通過角度規(guī)律控制方位，創(chuàng)建基于曲線掃掠的曲面。（3）調用Siemens NX 中的相交曲線命令，創(chuàng)建兩曲面的相交曲線。圖6（a）是六邊形拉伸曲面與螺旋掃掠曲面的相交而得到的空間異形螺旋線。（4）通過管道命令，創(chuàng)建彈簧實體。隱藏輔助曲面后，即可得到六邊形截面的異形彈簧。需要注意的是，使用管道命令創(chuàng)建實體時，要求類螺旋曲線必須是光滑曲線，因此，在六邊形拉伸時，需要對六邊形的尖角進行倒圓角處理。同理，創(chuàng)建圖6（c）所示的變化圓柱彈簧，先創(chuàng)建旋轉曲面，再與螺旋掃掠曲面相交，即可得到一般螺旋曲線，從而建立異形彈簧模型。此種所見即所得的方法，不但可以有效彌補基于規(guī)律曲線和掃掠邊緣線的缺點，還可以創(chuàng)建各種復雜的異形彈簧。

5 結 論

通過對機電設備系統(tǒng)中復雜異形彈簧的功能和外形分析，結合Siemens NX 軟件的強大空間曲線、曲面建模方法，提出了三種用來創(chuàng)建異形彈簧的技巧。異形彈簧的建模，以基本螺旋線為基礎，以掃掠曲面、曲面相交作提高手段，充分發(fā)揮了軟件的特點。本研究總結了創(chuàng)建復雜異形彈簧的簡單易行技巧，為從事含有彈簧部件的相關機械、汽車、模具、玩具類企業(yè)異形彈簧設計提供了方法。同時，本成果可以為高等院校機械設計、三維建模課程的教學提供參考。

［1］ 張云杰，張云靜.UG NX 8 中文版入門與提高［M］.北京：清華大學出版社，2012.

［2］ 毛炳秋.中文版UG NX 8.0 基礎教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［3］ 成大先.機械設計手冊（第五版）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

［4］ 李松，馬建中，高李霞.基于SolidWorks 的類彈簧結構三維建模研究［J］.機械設計與制造，2008（2）:57-58.

［5］ 展迪優(yōu).UG NX7.0 曲面設計教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.