陳 軍，惠為東，陸鳳祥

(1.馬恒達(dá)悅達(dá)(鹽城)拖拉機有限公司，江蘇 鹽城 224001)(2.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于NX/WAVE的拖拉機制動器自頂向下參數(shù)化設(shè)計

陳 軍1，惠為東2，陸鳳祥1

(1.馬恒達(dá)悅達(dá)(鹽城)拖拉機有限公司，江蘇 鹽城 224001)(2.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

簡要介紹了WAVE技術(shù)以及參數(shù)化設(shè)計方法，在建立產(chǎn)品總體控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運用自頂向下設(shè)計方法實現(xiàn)制動器的全相關(guān)參數(shù)化設(shè)計，有效地提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和效率，避免了大量重復(fù)性勞動，為企業(yè)節(jié)約了開發(fā)成本。

自頂向下；制動器；NX/WAVE；參數(shù)化

隨著全球化競爭的日益加劇，各拖拉機公司致力于生產(chǎn)功率覆蓋面寬，品種、檔次多樣化的產(chǎn)品，使產(chǎn)品的系列更加全面。拖拉機系列化產(chǎn)品的制動器設(shè)計大多是在制動器原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行變形設(shè)計，因而包含著大量的重復(fù)性設(shè)計工作。目前，拖拉機制動器的三維設(shè)計通常采用自底向上的建模方法, 通過不斷的模型堆積來完成產(chǎn)品設(shè)計，工程師在完成制動器設(shè)計過程中，重復(fù)性的勞動占整個設(shè)計工作量的80%以上。為提高產(chǎn)品設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[1]，減輕工程師設(shè)計工作強度，提高公司產(chǎn)品快速響應(yīng)市場的能力，本文運用西門子公司的NX(Unigraphics NX)中全相關(guān)、參數(shù)化的WAVE技術(shù)，實現(xiàn)制動器自頂向下參數(shù)化模型的快速設(shè)計，提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率和質(zhì)量。

1 NX/WAVE技術(shù)

WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是西門子公司在其核心產(chǎn)品NX上進(jìn)行的一項軟件開發(fā)技術(shù)，是一種實現(xiàn)產(chǎn)品裝配的各組件間關(guān)聯(lián)建模的技術(shù)。WAVE技術(shù)起源于車身設(shè)計，采用關(guān)聯(lián)復(fù)制幾何體方法控制總體裝配結(jié)構(gòu)，從而保證整個裝配和零部件的參數(shù)關(guān)聯(lián)性，適合于復(fù)雜產(chǎn)品的幾何界面相關(guān)性、產(chǎn)品系列化和變型產(chǎn)品的快速設(shè)計。

WAVE是在概念設(shè)計和最終產(chǎn)品或模具之間建立一種相關(guān)聯(lián)的設(shè)計方法，能對復(fù)雜產(chǎn)品的總裝配設(shè)計、相關(guān)零部件和模具設(shè)計進(jìn)行有效的控制?？傮w設(shè)計可以嚴(yán)格控制分總成和零部件的關(guān)鍵尺寸與形狀，而無需考慮細(xì)節(jié)設(shè)計；而分總成和零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計對總體設(shè)計沒有影響，無權(quán)改變總體設(shè)計的關(guān)鍵尺寸。

1.1WAVE技術(shù)的優(yōu)點

a.產(chǎn)品設(shè)計可以變得方便快捷。因為部件間是相互關(guān)聯(lián)的,當(dāng)總體設(shè)計的關(guān)鍵尺寸修改后，分總成和零部件的設(shè)計自動更新，從而避免了零部件的重復(fù)設(shè)計。

b.獲取并被強制執(zhí)行設(shè)計規(guī)則。通過建立部件間關(guān)系,設(shè)計規(guī)則可以被獲取并強制執(zhí)行。這樣當(dāng)產(chǎn)品改變時，可以確保設(shè)計者的設(shè)計意圖和產(chǎn)品的完整性仍能被維護(hù)[2]。

c.設(shè)計數(shù)據(jù)的重用?；谠械脑O(shè)計數(shù)據(jù)，后續(xù)零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計得到有效的管理和再利用。

d.總體裝配模型的快速更新。當(dāng)產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)中的某一個參數(shù)發(fā)生了變化，子部件的詳細(xì)設(shè)計能夠相應(yīng)地更新，這樣就可以大大縮短設(shè)計的周期。

e.連接了概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。在產(chǎn)品的概念設(shè)計基本完成時，結(jié)構(gòu)設(shè)計便可以根據(jù)概念設(shè)計產(chǎn)生的約束條件來進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計。

1.2WAVE應(yīng)用領(lǐng)域

a.相關(guān)零部件間的建模。WAVE最基本的功能，是運用關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體的方法，利用已有的零件，通過WAVE幾何連接器來建立另一個組件或在另一個組件上建立特征[3]。

b.自頂向下設(shè)計。主要應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)和系列化產(chǎn)品的設(shè)計當(dāng)中，根據(jù)產(chǎn)品的性能和設(shè)備安裝約束條件來確定全局主參數(shù)(驅(qū)動參數(shù))，再根據(jù)上下級元素關(guān)聯(lián)關(guān)系，選擇主參數(shù)，同時建立起產(chǎn)品約束關(guān)聯(lián)表達(dá)體系。

c.系統(tǒng)工程。類似于自頂向下的設(shè)計，區(qū)別在于它采用的是模塊化設(shè)計方法。利用產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)來關(guān)聯(lián)各子系統(tǒng)的設(shè)計，從而確保裝配結(jié)構(gòu)不會過于復(fù)雜，減輕了設(shè)計人員的設(shè)計工作強度，同時還能保證產(chǎn)品總體設(shè)計的要求和質(zhì)量。

2 參數(shù)化設(shè)計方法

就產(chǎn)品設(shè)計本身而言，其是一個不斷試驗、修改、完善的過程。作為一個典型的串行設(shè)計過程，上一個環(huán)節(jié)的設(shè)計結(jié)果便是下一個環(huán)節(jié)的設(shè)計依據(jù)，一旦在下級的設(shè)計過程發(fā)現(xiàn)問題就需要反饋到上級設(shè)計以修改設(shè)計結(jié)果，這樣反復(fù)地修改導(dǎo)致設(shè)計中存在大量的模糊性信息。圖1所示為傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計流程。

圖1 傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計流程

參數(shù)化的設(shè)計思想就是將產(chǎn)品模型中的定量信息變量化。通常參數(shù)化設(shè)計是通過參數(shù)來約束圖形的幾何尺寸，當(dāng)參數(shù)修改時，參數(shù)和尺寸之間的對應(yīng)關(guān)系驅(qū)動著幾何體的變更。參數(shù)化設(shè)計已成為CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一，逐漸成為現(xiàn)代工程設(shè)計的重要手段。它的研究方法就是在對某一類具有相似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計對象幾何模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，賦予不同的數(shù)值，利用尺寸約束關(guān)系形成研究對象的準(zhǔn)確形狀，這種設(shè)計方法對于提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率具有非常重要的意義[4]。

本文將參數(shù)化技術(shù)引入制動器的設(shè)計領(lǐng)域，在充分研究鼓式制動器的基礎(chǔ)上，將制動器離散化，確定各個組件的基準(zhǔn)參數(shù)，建立參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)聯(lián)系。當(dāng)修改其中的某個特征值后，子模型以及整個機構(gòu)會快速地更新、重生，這樣可以大大節(jié)約設(shè)計所需的時間，提高產(chǎn)品設(shè)計的工作效率。

3 制動器自頂向下參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)

3.1基于NX的制動器自頂向下設(shè)計流程

圖2所示為鼓式制動器的主要零部件的結(jié)構(gòu)樹。

圖2 領(lǐng)從鼓式制動器結(jié)構(gòu)樹

首先，由輪式拖拉機后輪的動力半徑、拖拉機機組使用質(zhì)量、拖拉機機組質(zhì)心高度、制動器制動時行駛速度等要素確定設(shè)計制動器時所需的功能參數(shù)以及產(chǎn)品的外形尺寸，通過詳細(xì)設(shè)計計算，最終確定產(chǎn)品級驅(qū)動參數(shù)，進(jìn)行制動器的總體布局設(shè)計；其次，在對制動器主要零部件進(jìn)行分級的基礎(chǔ)上，確定每一級子部件中主要部件間相對位置、幾何關(guān)聯(lián)、尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用NX的功能模塊進(jìn)行各級部件的布局設(shè)計以及各級部件子零部件的詳細(xì)設(shè)計；最后進(jìn)行裝配設(shè)計，從最低層部件裝配設(shè)計開始，一直到第一級部件的裝配設(shè)計，完成整個制動器產(chǎn)品級裝配設(shè)計。圖3所示為基于NX的制動器自頂向下設(shè)計的整個流程。

3.2總體控制結(jié)構(gòu)的建立

對制動器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，目的是確定產(chǎn)品的空間形狀及組成產(chǎn)品各零部件之間在空間位置上和幾何尺寸之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此基于NX的三維布局設(shè)計中涉及的總體控制結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有以下組成要素：

a.表示產(chǎn)品及其部件空間位置關(guān)系的基準(zhǔn)(點、線、面)體系。

b.各部件間的幾何關(guān)聯(lián)，即部件間裝配幾何體的形狀與表示幾何體外形大小的尺寸參數(shù)。

圖3 基于NX 的制動器自頂向下設(shè)計流程

c.產(chǎn)品變動和尺寸參數(shù)的傳遞。

d.產(chǎn)品總體驅(qū)動參數(shù)與總體控制結(jié)構(gòu)圖中所有相關(guān)尺寸參數(shù)的關(guān)聯(lián)表達(dá)式。

3.3自頂向下參數(shù)化設(shè)計的步驟

a.在NX Modeling裝配模式下建立制動器總體控制結(jié)構(gòu)初始文件，如圖4所示。

圖4 制動器裝配初始文件

b.在zhidongqi(制動器)裝配文件中建立產(chǎn)品總體控制結(jié)構(gòu)。首先根據(jù)前期設(shè)計計算和各個子部件之間的相對位置、尺寸、幾何關(guān)聯(lián)關(guān)系得出的制動器總體驅(qū)動參數(shù)，以手工方式輸入NX表達(dá)式選項中，圖5為參數(shù)化表達(dá)式編輯對話框。

圖5 參數(shù)化表達(dá)式編輯對話框

通過總體控制結(jié)構(gòu)可以大致確定關(guān)聯(lián)尺寸(含防干涉的廣義裝配尺寸)與相對位置關(guān)系，確定總體尺寸的邊界條件。

建立好的制動器總體控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 制動器總體控制結(jié)構(gòu)圖

基于NX/WAVE技術(shù)中包含的關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體的方法，可以復(fù)制幾何體的類型趨于多樣化，包括點(線或邊的控制點)、線(實體或片體的邊)、面、體、基準(zhǔn)等。將zhidongqi_tulunzhou設(shè)為工作部件，此時裝配控制結(jié)構(gòu)保存了產(chǎn)品總體控制參數(shù)、重要組件的外形曲面、外形輪廓線以及組件的位置等信息，只需利用幾何鏈接器將制動器凸輪軸相對于制動器中心位置關(guān)系的幾何特征、草圖、曲線等復(fù)制到子部件中，就可以單獨對凸輪軸進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，凸輪軸的參數(shù)通過引用部件選項關(guān)聯(lián)到總體控制結(jié)構(gòu)的驅(qū)動參數(shù)上，這樣就實現(xiàn)了參數(shù)的全相關(guān)。生成的凸輪軸模型如圖7所示。

圖7 制動凸輪軸模型圖

c.利用幾何鏈接器將制動器殼體上表面關(guān)聯(lián)復(fù)制到制動器蓋紙板組件，再拉伸生成紙板零件。圖8所示為制動器蓋紙板全相關(guān)設(shè)計過程示意圖。

圖8 制動器蓋紙板全相關(guān)設(shè)計過程

d.參照上述方法分別建立制動蹄、摩擦片、制動鼓、制動蹄銷軸等零件的參數(shù)化模型。

e.對所有/零部件進(jìn)行后續(xù)細(xì)化設(shè)計，如拔模、倒角等，最后的制動器總體裝配模型如圖9所示(為方便顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，制動器蓋設(shè)為透明)。

4 結(jié)束語

本文利用NX/WAVE技術(shù)離散化這樣的復(fù)雜部件，可以便捷地建立起自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計模型，產(chǎn)品總體控制結(jié)構(gòu)給復(fù)雜機械產(chǎn)品提供了一個并行設(shè)計的環(huán)境，有效地提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和效率，為企業(yè)節(jié)約了開發(fā)成本，提升了企業(yè)競爭力。此外，這種產(chǎn)品級全相關(guān)的參數(shù)化設(shè)計對于其他類似產(chǎn)品具有一定的借鑒意義，如拖拉機中結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的變速箱箱體、最終傳動殼體、柴油機缸體等，這樣的設(shè)計模式和方法為實現(xiàn)產(chǎn)品的快速開發(fā)提供了有力的支持。

圖9 制動器總體裝配圖

[1] 徐夕玲,張翼,呂彩琴,等.基于UG/WAVE的柴油機連桿組自頂向下參數(shù)化設(shè)計[J].內(nèi)燃機車,2010(4):22-24.

[2] 洪如瑾,王剛. UG/WAVE產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)培訓(xùn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2002.

[3] 馬杰,王耕耘,王義林,等.基于UG/WAVE的活動凸模參數(shù)化設(shè)計[J].模具工業(yè), 2013,39 (4): 6-9.

[4] 陳效華.基于參數(shù)化的自動機械外形設(shè)計策略[J].兵工學(xué)報, 2000(2): 198-200.

TheParametricDesignofTractorBrakeBasedonNX/WAVEandTop-downProcess

CHEN Jun1, HUI Weidong2, LU Fengxiang1

(1.Mahindra Yueda(Yancheng)Tractor Co. Ltd, Jiangsu Yancheng, 224001, China)(2.Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang, 212013, China)

It briefly introduces the WAVE technology as well as the method of parametric design. Based on establishment product overall control structure, it uses the top-down design method to realize all relevant parametric design of brake. This method improves effectively the product design quality and avoids a large amount of repetitive work, saves the cost of development for the enterprise.

Top-down; Brake; NX/WAVE; Parametric

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.012

2014-08-13

陳軍(1965—)，男，江蘇阜寧人，馬恒達(dá)悅達(dá)(鹽城)拖拉機有限公司高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)拖拉機產(chǎn)品自動化設(shè)計的研究。

TP391

A

2095-509X(2014)09-0050-04