金衛(wèi)東，黃志榮

（常州工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002）

0 引言

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式，是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代產(chǎn)品制造技術(shù)革新的重要標(biāo)志，它提供了一個(gè)基于計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。當(dāng)前，國(guó)外虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，國(guó)內(nèi)也正處于快速發(fā)展和大力推廣應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期。本文基于UG NX三維軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，并以NOKIA N78手機(jī)為例，介紹了虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

1 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)即虛擬產(chǎn)品建模技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)仿真和產(chǎn)品生命周期建模為基礎(chǔ)，集計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、并行工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬建模技術(shù)等為一體，在基于計(jì)算機(jī)軟、硬件提供的虛擬環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的方案構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬裝配、力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)仿真和虛擬制造等［1］。

相對(duì)于傳統(tǒng)的基于半理論、半經(jīng)驗(yàn)的串行設(shè)計(jì)模式，基于計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境的交互式和數(shù)字化的并行開發(fā)過程為機(jī)械產(chǎn)品的方案構(gòu)思、造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)建與分析提供了自由而靈活的技術(shù)平臺(tái)與工具手段，不僅便于設(shè)計(jì)者進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)分析與設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)，而且大大提高了工作效率，減少甚至取消了物理樣機(jī)的研制次數(shù)，從而可實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的一次性制造成功［2］。因此，作為一個(gè)全新而充滿活力的技術(shù)領(lǐng)域，基于計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE，Computer Aid Engineering）的產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)具有很大的發(fā)展空間和極好的發(fā)展前景。

2 UG NX

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在工程上的應(yīng)用是通過功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定和交互性良好的商品化軟件實(shí)現(xiàn)的。常用的計(jì)算機(jī)輔助三維虛擬設(shè)計(jì)軟件有 UG NX、Pro／E、Solid Works、CATIA、CAXA 等［3］。其 中，EDS 公 司的UG NX是一個(gè)高度集成的CAD／CAM／CAE軟件系統(tǒng)，它包括產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、三維建模、性能分析和虛擬加工等功能模塊，可為現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品的研制提供一個(gè)真正的虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境［4］。針對(duì)用戶的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)需求，UG NX為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段，提供了一個(gè)經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的整體解決方案。UG NX包括了世界上最強(qiáng)大、最廣泛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊，具備高性能的機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖功能，并具有簡(jiǎn)便的虛擬裝配功能和相關(guān)分析模塊，可滿足客戶設(shè)計(jì)任何復(fù)雜產(chǎn)品的需要。UG NX不僅為設(shè)計(jì)者與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)基于并行工程的產(chǎn)品開發(fā)模式，還便于設(shè)計(jì)人員有效地捕捉、利用和共享數(shù)字化工程完整過程中的顯性與隱性知識(shí)，從而為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供了高性能和靈活性。

3 NOKIA N78虛擬設(shè)計(jì)實(shí)例

本文以NOKIA N78的后蓋三維建模和手機(jī)的虛擬裝配過程為示例，比較詳細(xì)地介紹UG NX在機(jī)電產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。

3.1 后蓋三維建模

雖然機(jī)械零件形狀各異、結(jié)構(gòu)多變，但在進(jìn)行三維實(shí)體建模時(shí)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)綜合選用UG NX軟件的拉伸、回轉(zhuǎn)、掃掠等建模工具，并結(jié)合曲面造型功能和布爾運(yùn)算，就能夠較為便利地創(chuàng)建各種復(fù)雜機(jī)械零件的實(shí)體模型。同時(shí)，對(duì)于一些系列化機(jī)電產(chǎn)品的零部件，還可運(yùn)用UG NX軟件的參數(shù)化功能，以便通過修改功能尺寸來進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

如圖1所示，首先利用草圖功能，繪制出N78手機(jī)后蓋的截面二維圖及掃掠引導(dǎo)線。然后，利用沿引導(dǎo)線掃掠的方法做出實(shí)體，如圖2所示。

圖1 后蓋邊框截面線及掃掠引導(dǎo)線

圖2 后蓋邊框圖

利用抽取曲線和拉伸功能，創(chuàng)建后蓋中間的三維模型，并繪制攝像頭區(qū)域的二維輪廓圖，進(jìn)行拉伸后與前面的三維模型進(jìn)行減法的布爾運(yùn)算，如圖3所示。

利用曲線中的文字功能寫出NOKIA和Nseries的字樣，并在所在后蓋面上進(jìn)行分割面的操作，最終完成后蓋的完整三維設(shè)計(jì)模型，如圖4所示。

圖3 后蓋內(nèi)側(cè)圖

圖4 后蓋最終效果圖

同樣，利用UG NX8.0中強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助虛擬設(shè)計(jì)功能，完成了NOKIA N78的主體框架（如圖5、圖6所示）、SIM卡、電池等設(shè)計(jì)，在此不一一詳述。

圖5 主體框架正面

圖6 主體框架反面

3.2 NOKIA N78虛擬裝配

傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)模塊主要用于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)，使用3DS可以生成實(shí)體模型，但用3DS生成的模型僅僅是產(chǎn)品整體效果的一種概念體現(xiàn)，在工程實(shí)際中還需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此必須使用虛擬裝配技術(shù)來更好地體現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效果。

UG NX8.0提供了強(qiáng)大的虛擬裝配功能，裝配中其主要裝配約束有：面貼合（Mate）、對(duì)齊（Align）、角度（Angle）、平行（Parallel）、垂直（Perpendicular）、居中（Center）、距離（Distance）、相切（Tangent）。本文利用UG NX裝配功能完成手機(jī)裝配的總圖和爆炸圖，如圖7、圖8所示；并進(jìn)行相關(guān)的裝配干涉分析，最后進(jìn)行相關(guān)零部件的修改工作，同時(shí)利用裝配序列生成了整機(jī)裝配動(dòng)畫。

圖7 手機(jī)虛擬裝配圖

圖8 裝配爆炸圖

4 結(jié)論

本文通過NOKIA N78手機(jī)產(chǎn)品三維建模和虛擬裝配的運(yùn)用實(shí)例，全面地展示了UG NX在機(jī)電產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)中的運(yùn)用過程，顯示了其在計(jì)算機(jī)輔助虛擬設(shè)計(jì)領(lǐng)域的強(qiáng)大功能。通過虛擬設(shè)計(jì)方法所建立的虛擬樣機(jī)，可作為概念類產(chǎn)品提前進(jìn)行產(chǎn)品的廣告營(yíng)銷推廣，有助于提高企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和提高企業(yè)效益。

［1］ 鄭相周，唐國(guó)元.機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［2］ 薛建華，冀婷.論虛擬技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2008（10）：7－9.

［3］ 李偉.先進(jìn)制造技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］ 李長(zhǎng)春.UG NX 4.0基礎(chǔ)教程［M］.北京：人民郵電出版社，2007.