基于UG的產(chǎn)品級三維參數(shù)化設計研究

1、·36· 計算機應用技術 機械 2011年第02期 總第38卷基于UG的產(chǎn)品級三維參數(shù)化設計研究張開運，田懷文(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)摘要：參數(shù)化設計技術已成為產(chǎn)品設計過程中一種最重要的設計方法。按照所對應的對象，參數(shù)化設計分為零件級參數(shù)化設計和產(chǎn)品級參數(shù)化設計，零件級參數(shù)化設計技術已在生產(chǎn)實踐中得到成功的應用，但還不便于實現(xiàn)產(chǎn)品級參數(shù)化設計，而目前的設計過程卻要求實現(xiàn)整個產(chǎn)品的三維參數(shù)化。為此，基于UG軟件研究了產(chǎn)品級三維參數(shù)化設計技術，提出了利用UG/WAVE技術來實現(xiàn)單個模塊內部的形狀關聯(lián)和尺寸關聯(lián)，利用部件間表達式建模技術來實現(xiàn)不同模

2、塊之間的尺寸關聯(lián)，從而實現(xiàn)整個產(chǎn)品級的三維參數(shù)化建模。最后以機車底架為應用實例，證明了該方法簡便實用，能顯著提高設計效率。 關鍵詞：產(chǎn)品級三維參數(shù)化設計；參數(shù)化設計；UG；部件間表達式中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：10060316 (2011) 02003605Research of product-level three-dimensional parametric design based on UGZHANG Kai-yun，TIAN Huai-wen(School of Mechanical Engineering，Southwest JiaoTong Univ

3、ersity，Chengdu 610031，China) Abstract：Parametric design technique has become one of the most important design method in the process of product design. Parametric design is divided into part-level parametric design and product-level parametric design in accordance with the corresponding objects, part

4、-level parametric design technique has been put in practice successfully, but not easy to achieve product-level parametric design, and the current design process is required to achieve product-level three-dimensional parameter design. So, the product-level 3D parametric design technique based on UG

5、software is studied in this paper. It puts forward the ideas of making use of UG / WAVE technology to achieve the shape and size association within a single module and making use of interpart expression modeling technology to achieve the size association between different modules, and these make it

6、possible to achieve the entire product-level 3D parametric modeling. Finally, an application example of locomotive underframe is given to demonstrate that this method is simple and practical and can significantly improve the efficiency of design.Key words：product-level 3D parametric design；parametri

7、c design；UG；interpart expression制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著全 球經(jīng)濟一體化的到來和信息技術的飛速發(fā)收稿日期：20100920作者簡介：張開運（1984），男，河南商丘人，在讀碩士研究生，主要研究方向為CAD及三維可視化。機械 2011年第02期 總第38卷 計算機應用技術 ·37·展，現(xiàn)代制造業(yè)正發(fā)生著深刻的變革，其主要表現(xiàn)為：客戶需求個性化，多品種小批量生產(chǎn)成為主流；交貨期成為市場競爭的主要因素；產(chǎn)品生命周期縮短，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快等。產(chǎn)品設計是制造業(yè)的核心和靈魂，為了適應現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，大批學者對現(xiàn)代設計方法進行了研究。而參數(shù)化

8、設計技術涵蓋了現(xiàn)代設計的最新技術，對其進行深入研究十分必要。參數(shù)化技術是目前計算機輔助設計（CAD）技術中最重要的建模技術之一，作為產(chǎn)品建模的一個重要手段，在系列化產(chǎn)品設計中得到了較好的應用。利用參數(shù)化設計技術，可將設計人員從繁瑣的繪圖工作中解脫出來，從而專注于設計過程本身，有效提高設計效率，并減少信息的存儲量。隨著計算機應用技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，參數(shù)化技術的應用正越來越廣泛。參數(shù)化設計可分為零件級參數(shù)化設計和產(chǎn)品級參數(shù)化設計兩種。目前，零件級參數(shù)化設計技術的研究相對成熟，已在生產(chǎn)實踐中得到成功的應用，但還不能滿足產(chǎn)品級參數(shù)化設計的需要，而現(xiàn)代的許多先進設計方法如模塊化設計和配置設計等卻要求能

9、夠實現(xiàn)產(chǎn)品級的三維參數(shù)化。因此，產(chǎn)品級參數(shù)化設計正在成為研究的熱點，許多學者也對此進行了研究。南京航空航天大學的湯廷孝1等人提出了用零件編碼來封裝主變量，并以鏈式數(shù)據(jù)結構傳遞變量值，驅動產(chǎn)品模型，從而實現(xiàn)產(chǎn)品級三維參數(shù)化建模；清華大學的王峰2等提出了用件號隱藏變量來解決產(chǎn)品級三維參數(shù)化設計中變量過多和沖突的難題；中北大學的舒柱兵3等對橋式起重機橋架產(chǎn)品級參數(shù)化設計進行了探討，都初步實現(xiàn)了產(chǎn)品級三維參數(shù)化建模，但本質上都是基于零件級參數(shù)化實現(xiàn)的，而建模過程復雜，有可能導致模型更新時出現(xiàn)干涉或更新失敗，且不利于配置設計和模塊化設計的實現(xiàn)。為此，本文基于UG軟件研究了產(chǎn)品級參數(shù)化設計技術，用一種簡便

10、的方法實現(xiàn)了產(chǎn)品級參數(shù)化建模，具有一定程度的通用性。1 參數(shù)化建模思想?yún)?shù)化設計技術是在實際應用中發(fā)展起來的，已經(jīng)成為現(xiàn)代設計與制造技術研究的熱點。參數(shù)化設計的本質是基于約束的產(chǎn)品描述方法，是指在零件或部件形狀的基礎上，用一組尺寸參數(shù)和約束定義該幾何圖形的形狀，尺寸參數(shù)和約束與幾何圖形有顯式的對應關系，當尺寸或約束發(fā)生改變時，相應的幾何圖形也會有相應的變化，從而達到驅動該幾何模型的目的，這充分體現(xiàn)了設計過程中設計者的設計理念。在產(chǎn)品的設計過程中，按照參數(shù)化設計所對應的對象，可將參數(shù)化設計分為零件級的參數(shù)化設計和產(chǎn)品級的參數(shù)化設計。零件級參數(shù)化設計是一般常見的參數(shù)化方法，它通過定義零件的幾何約束

11、和尺寸約束來完整地表達一個零件的參數(shù)化模型，模型的改變可以通過改變約束的條件或參數(shù)來獲得。產(chǎn)品級參數(shù)化設計強調構成產(chǎn)品的各零部件間的關聯(lián)關系（包括形狀關聯(lián)和尺寸關聯(lián)）在修改一個零部件的參數(shù)化模型時能夠得到同步更新。因此，利用產(chǎn)品級參數(shù)化技術對于產(chǎn)品的設計是非常重要的，因為在產(chǎn)品的設計過程中經(jīng)常會發(fā)生設計更改的情況，如果對于產(chǎn)品中某一個零部件的修改，所有與之相關的零部件都能依據(jù)關聯(lián)關系馬上得到更新，這樣就能減少人工更改的次數(shù)，從而提高產(chǎn)品的設計效率，同時也可避免設計過程中的失誤。·38· 計算機應用技術 機械 2011年第02期 總第38卷產(chǎn)品級三維參數(shù)化技術能夠實現(xiàn)自頂向下

12、的設計驅動，這種驅動包括產(chǎn)品的形狀和尺寸的關聯(lián)驅動。目前的各種商用CAD軟件（如UG、SolidWorks、Pro/Engineer等）都能方便地實現(xiàn)零件級參數(shù)化設計，但還不便于直接實現(xiàn)產(chǎn)品級的參數(shù)化設計。產(chǎn)品是由不同的零件或部件裝配組建而成的，特別是對于較復雜的產(chǎn)品，可將其劃分成不同的模塊，從而可以在模塊內部實現(xiàn)產(chǎn)品的形狀關聯(lián)驅動，并提取模塊的主變量，然后在各模塊的主變量之間實現(xiàn)尺寸關聯(lián)驅動，基于這種思想不僅可以構建產(chǎn)品級參數(shù)化模型，而且有利于配置設計和變形設計的實現(xiàn)。在這方面，UG軟件為實現(xiàn)產(chǎn)品級參數(shù)化設計提供了較好的支持，即UG/WAVE技術和部件間表達式建模技術。2 基于UG的產(chǎn)品級參

13、數(shù)化建模技術UG的建模技術是一種基于特征和約束的建模技術，可以方便實現(xiàn)參數(shù)化建模，主要包括基于特征的參數(shù)化建模及基于草圖的參數(shù)化建模。參數(shù)化模型的每一項都可以修改，通過修改定義好的零件參數(shù)或改動圖形的某一部分或某幾部分的關聯(lián)尺寸約束，自動完成相關部分的改動，從而實現(xiàn)對設計過程的驅動。更關鍵的是UG軟件還提供了UG/WAVE技術和部件間表達式建模技術，利用UG/WAVE技術可以實現(xiàn)單個模塊內部的形狀關聯(lián)和尺寸關聯(lián)，利用部件間表達式建模技術可以實現(xiàn)不同模塊之間的尺寸關聯(lián)，從而使產(chǎn)品級參數(shù)化設計成為可能。2.1 UG/WAVE技術UG/WAVE（What if Alternative Value E

14、ngineering）是一種能實現(xiàn)相關部件間建模的技術，可以基于一個部件的幾何體及其位置去設計另一個部件4。UG/WAVE技術可以幫助用戶找出驅動產(chǎn)品設計變化的關鍵設計變量，并將這些變量放入UG/WAVE頂層控制結構中，子部件和零件的設計則與這些變量相關，對這些變量的更改將自動更新頂層結構和與其相關的子部件和零件，該技術可用于從產(chǎn)品初步設計到詳細設計的每個階段。由于UG采用了基于變量幾何的復合建模技術，其關鍵設計變量既可以是數(shù)值變量，也可以是像一根曲線或空間曲面的廣義變量，數(shù)值變化和形狀變化都能根據(jù)UG/WAVE的控制結構傳遞到相關的子部件和零件設計中去。如圖1所示，部件中有組件1和組件2，其

15、中組件1中槽孔形狀相關到組件2中凸起形狀，因此可利用UG/WAVE技術將組件1中槽孔的邊線駐留到組件2中來建立組件2，這樣當槽孔發(fā)生變化時，組件2中凸起將自動更新。組件1 孔邊線 組件2圖1 部件示意圖UG/WAVE技術的使用是符合參數(shù)化產(chǎn)品的設計過程和規(guī)則的，即先總體設計后詳細設計，局部設計決策服從總體設計決策，而過去的參數(shù)化技術多是進行零件本身的參數(shù)化，對于整個產(chǎn)品的參數(shù)關系管理非常困難。UG/WAVE提供了解決大型復雜產(chǎn)品設計中的設計更改控制問題的方案，是面向產(chǎn)品級的并行工程技術，有利于提高設計重復利用率，變量可以在文件之間抽取，可方便的完成文件之間的通信，實現(xiàn)一個文件對另外一個文件的控

16、制。機械 2011年第02期 總第38卷 計算機應用技術 ·39·2.2 部件間表達式技術作為裝配模型，各個零部件之間通過配對關系建立約束而確定其位置，所以有時某一部件的變化會影響另一部件，如孔與軸的配合，當孔半徑發(fā)生變化時，如果軸沒有相應變化，就會出現(xiàn)不協(xié)調問題。所以希望能夠使二者的變化可以同步進行，避免上述問題，此時可以采用部件間表達式建模技術5。利用部件間表達式，可以建立不同組件之間的關系。部件間表達式允許同一裝配不同部件中的表達式相互引用，也就是說一個部件中的表達式可以根據(jù)另一個部件中的表達式來定義，從而一個部件中表達式的變化會影響另一個部件中表達式的變化，影響部件

17、的幾何形狀。部件間表達式變量的格式為： 部件名：表達式變量名如圖2所示，在裝配體中有組件1和組件2，其中組件1定義了孔直徑變量hole_dia，組件2中定義了軸直徑變量axle_dia，建立兩個組件之間的相關關系：block:hole_diaaxle:axle_diatol，這樣，孔的直徑的變化會隨之影響到軸的直徑，兩者之間有了相關性。部件間表達式技術的核心是實現(xiàn)不同部件和模塊之間的尺寸關聯(lián)驅動。 組件1 組件2圖2 裝配體示意圖3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用實例本文以機車車體底架的設計為例，說明基于UG/WAVE技術和部件間表達式建模技術的產(chǎn)品級參數(shù)化建模技術6。機車車體底架可分為牽引梁模塊、司機室梁模

18、塊、枕梁模塊、側梁模塊和中間縱梁模塊等模塊，其簡化結構模型如圖3所示。牽引梁 側梁 枕梁 中間縱梁 司機室梁圖3 機車車體底架結構示意圖為了一致性，本實例利用層標準：Layer 120為實體；Layer 2140為草圖；Layer 4160為曲線；Layer 6180為參考幾何體（基準）。本應用實例的實現(xiàn)按照前述思想可以分為兩大步驟：（1）利用UG/WAVE技術建立車體底架各個模塊，并提取各模塊的主變量；（2）按照裝配約束關系裝配底架，并利用部件間表達式建模技術建立各模塊主變量之間的尺寸關聯(lián)關系，從而實現(xiàn)整個底架的參數(shù)化設計?，F(xiàn)以枕梁模塊為例，介紹利用UG/WAVE技術建立模塊的方法：（1）為

19、控制結構頂級建立一名為zhenliang_assembly的裝配新部件（單位：mm），并在表達式對話框內為枕梁參數(shù)（長、寬、高等）建立表達式，然后建立枕梁控制結構，控制結構主要是由基準、平面和草圖曲線等構成，如圖4所示；（2）在裝配部件下建立一新級枕梁側板zl_ceban1，并將控制結構中草圖以及相關基準添加到此新部件，然后拉伸草圖形成側板實體；（3）建立一新級枕梁上板zl_shangban，并加草圖上邊曲線及相關基準到新部件，并·40· 計算機應用技術 機械 2011年第02期 總第38卷將此上邊曲線偏置建立草圖，然后拉伸成枕梁上板；（4）按照建立枕梁上板的方法建立枕梁下

20、板；（5）建立一新級枕梁側板zl_ceban2，并拷貝枕梁上下板的邊曲線到此新部件，建立草圖并拉伸成枕梁另一側板。至此，枕梁模塊已建立完成，如圖5所示。最后，將草圖移至40層，將參考的曲線移至60層，將基準移至61層，并設置為不可見，此枕梁模型如圖6所示。圖4 枕梁模塊控制結構 圖5 枕梁模型ZCYC XC圖6 枕梁模型（隱藏控制結構）按照上述方法，再分別建立牽引梁模塊、司機室梁模塊、側梁模塊和中間縱梁模塊。完成后，建立總的裝配部件dijia_assembly，并按裝配約束關系將底架各模塊裝配成車體底架，結果如圖3所示。最后，在總的裝配模型中定義底架總體參數(shù)表達式，包括底架的長、寬、高等，并利用部件間表達式技術將總體參數(shù)與各模塊的主變量之間以及各模塊的主變量之間建立關聯(lián)關系，從而建立底架