張樂(lè)林　祝錫晶　成　全

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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UG環(huán)境下功率超聲珩磨裝置的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究*

張樂(lè)林祝錫晶成全

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

提出了一種UG環(huán)境下針對(duì)裝配體級(jí)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)將裝置劃分為不同模塊，然后為每個(gè)模塊進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，再在控制系統(tǒng)下的基層空文件模型中對(duì)零部件進(jìn)行參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，最后建立了功率超聲珩磨裝置的完全參數(shù)化模型，并利用模板工作室制作了友好的參數(shù)控制界面，只需要調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)就能得到滿足要求的裝置模型。研究表明新方法與傳統(tǒng)的方法相比有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，零件之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，參數(shù)化程度高，產(chǎn)品易用等優(yōu)點(diǎn)。

UG; 裝配體; 參數(shù)化設(shè)計(jì);功率超聲珩磨

現(xiàn)代制造企業(yè)為了適應(yīng)市場(chǎng)需求迅速多變，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，設(shè)計(jì)周期越來(lái)越短的趨勢(shì)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中大量依托CAD系統(tǒng)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品零件在相似設(shè)計(jì)、變形設(shè)計(jì)中得以提高效率，縮短設(shè)計(jì)周期，一定程度上提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。但是實(shí)際上最終的產(chǎn)品卻是以復(fù)雜裝配體的形式投入市場(chǎng)的，產(chǎn)品級(jí)裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)要求在零件間，零件與裝配體間，或幾何特征間創(chuàng)建關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)集成設(shè)計(jì)[2]。裝配體中的零件也并非孤立的存在，而是在裝配關(guān)系，尺寸關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)要求上與其他零件甚至整個(gè)產(chǎn)品密切相關(guān)的。零部件參數(shù)的改變有時(shí)會(huì)影響全局，牽一發(fā)而動(dòng)全身。因此簡(jiǎn)單零部件的參數(shù)化技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足產(chǎn)品級(jí)復(fù)雜裝配體的設(shè)計(jì)要求[3]。在數(shù)字化制造興起之際，針對(duì)裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)顯得尤為迫切。

功率超聲珩磨裝置是一套超聲振動(dòng)輔助磨削系統(tǒng)，在對(duì)內(nèi)圓加工如缸套的內(nèi)表面加工中有精度高，磨削溫度低，磨削力小等優(yōu)點(diǎn)，在精密特種加工領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。然而缸套存在眾多型號(hào)，尺寸各異，對(duì)珩磨裝置也有不同的尺寸要求，為避免重復(fù)設(shè)計(jì)與建模，需要對(duì)功率超聲珩磨裝置進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。在此之前，廖云飛等曾用UG與VC平臺(tái)，對(duì)功率超聲珩磨裝置的部分零部件實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化[6]，其方法為用VC對(duì)UG做簡(jiǎn)單的二次開(kāi)發(fā)，編譯生成*.dll文件，用以驅(qū)動(dòng)裝配模型中的參數(shù)化零件，實(shí)現(xiàn)變形目的。其不足表現(xiàn)為零件間幾乎無(wú)關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致參數(shù)化程度很低，而且平臺(tái)搭建與生成*.dll文件過(guò)程復(fù)雜，這種方法實(shí)質(zhì)上是零件的參數(shù)化方法被引用到裝配體中，體現(xiàn)不了協(xié)同設(shè)計(jì)與關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。史麗媛等曾采用基于草圖裝配和草圖約束的方法對(duì)超聲珩磨裝置進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)[7]，此方法是在一個(gè)零件圖中畫(huà)出裝置的所有零件，并用草圖約束的方法使每個(gè)零件固定位置，關(guān)聯(lián)尺寸，以草圖約束代替裝配約束，雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了相關(guān)組件的參數(shù)化，但是草圖約束繁多凌亂，在裝置模型比較復(fù)雜時(shí)工作量非常大且易出錯(cuò)，零部件的修改、顯示等操作困難，在大型裝配體中采用此方法是不現(xiàn)實(shí)的。本文基于UG平臺(tái)，研究了一整套裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)新方法，著重避免了前者的不足，突出了系統(tǒng)工程和裝配體參數(shù)化的概念，利用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合零部件的參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)，創(chuàng)建了超聲珩磨裝置的整體參數(shù)化模型，只需更改關(guān)鍵參數(shù)即可得到產(chǎn)品模型，縮短了設(shè)計(jì)周期，極大提高了效率。

1　裝配體自頂向下的模塊與組件規(guī)劃

裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)主要有自底向上與自頂向下兩種方法。自底向上是先設(shè)計(jì)好每個(gè)零件然后裝配成子組件，再由子組件裝配成整體。自頂向下是先對(duì)整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)計(jì)出子組件，再在子組件中精確設(shè)計(jì)每個(gè)零件。自底向上的方法裝配約束復(fù)雜且容易出錯(cuò)，若在裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，必須返回，更改零件再重新進(jìn)行裝配，而且零件之間的關(guān)聯(lián)性較差。自頂向下的方法克服了以上不足，在設(shè)計(jì)時(shí)先將每個(gè)零件自上而下的劃分到不同組件，確定好與父部件的關(guān)系，然后參考其他零件的幾何特征進(jìn)行上下文設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)邊設(shè)計(jì)邊裝配，使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔快速有條理[8-9]。自頂向下已成為企業(yè)將來(lái)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。因此對(duì)于功率超聲珩磨裝置(約150個(gè)零件)這種中型規(guī)模的裝配體，本文選用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。

在做裝置的參數(shù)化設(shè)計(jì)之初首先要對(duì)其整體做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)零件間的功能與尺寸關(guān)系對(duì)裝置進(jìn)行逐級(jí)模塊化、參數(shù)化，直到最基層零件，以降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度[10-11]。功率超聲珩磨裝置從功能上看實(shí)質(zhì)是在作旋轉(zhuǎn)磨削運(yùn)動(dòng)的珩磨裝置上引入超聲縱向振動(dòng)以改善加工效果。因此其結(jié)構(gòu)以原來(lái)的旋轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)和引進(jìn)的能產(chǎn)生縱向振動(dòng)的聲振系統(tǒng)為中心，其他結(jié)構(gòu)主要用來(lái)對(duì)兩者進(jìn)行固定、支撐以及連接的。因此按照功能不同將裝置劃分為五大模塊，如圖1所示。

在UG中根據(jù)模塊劃分建立各組件、零件的空文件模型(先不建模)確定好裝配關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)只需激活單個(gè)零件將其作為工作部件即可建模，如圖2，這種先建空文件后設(shè)計(jì)零件的方法有助于從整體上理清設(shè)計(jì)思路，提前合理安排各組件的位置，在建模時(shí)能很好地利用零部件之間的尺寸關(guān)系，避免了后續(xù)設(shè)計(jì)中某個(gè)組件出錯(cuò)，整個(gè)裝配都要修改的問(wèn)題，是自頂向下思想的體現(xiàn)。

2　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

裝置作為一個(gè)統(tǒng)一的整體，各零部件相互關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)零件時(shí)要先確定各模塊各零部件的主參數(shù)、副參數(shù)以及設(shè)計(jì)順序[12]。聲振系統(tǒng)在加工中提供超聲振動(dòng)，其零件直接決定產(chǎn)品的性能，是主要零件，優(yōu)先設(shè)計(jì)，其參數(shù)為主要參數(shù)。而套類支撐零件作為輔助零件對(duì)聲振系統(tǒng)起支撐與固定的作用，后設(shè)計(jì)，其參數(shù)為副參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)參考主參數(shù)。以聲振系統(tǒng)為例，在設(shè)計(jì)時(shí)先在整體模塊下按照設(shè)計(jì)順序與宏觀尺寸畫(huà)出各零部件的整體控制基準(zhǔn)面，建立整個(gè)聲振系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，確定零件的范圍與位置。如圖3a所示，聲振系統(tǒng)的基準(zhǔn)面由表達(dá)式控制并進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，然后用WAVE鏈接的方法將基準(zhǔn)面連接到相應(yīng)的零件模型中，最后在零件中單獨(dú)設(shè)計(jì)。圖3b為利用控制系統(tǒng)中的基準(zhǔn)面在相應(yīng)位置設(shè)計(jì)變幅桿。由于各零件特征互不影響，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)便可同時(shí)展開(kāi)，使并行工程得以實(shí)現(xiàn)，提高了效率。整個(gè)聲振系統(tǒng)如圖3c所示，零件在設(shè)計(jì)時(shí)可以相互參考尺寸和位置，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)與零件的關(guān)系，提高了零件的參數(shù)化程度，而且不需要建立裝配約束就能確定零件的位置并達(dá)到良好的裝配效果。改變參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的尺寸就能控制零件尺寸，其他零件隨基準(zhǔn)面移動(dòng)，如圖3d所示，零部件的裝配關(guān)系保持不變。整個(gè)超聲珩磨裝配體在確定設(shè)計(jì)順序與主副參數(shù)后，首先設(shè)計(jì)整體的控制系統(tǒng)與各模塊的控制系統(tǒng)，然后可靈活根據(jù)需求在系統(tǒng)下對(duì)零部件進(jìn)行順序設(shè)計(jì)或并行設(shè)計(jì)。

3　底層零部件的參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

裝配體中部件間參數(shù)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)：

(1)運(yùn)用表達(dá)式與部件間表達(dá)式建模

參數(shù)化模型的核心是參數(shù)的可自由修改與自由共享，參數(shù)的表達(dá)式化與表達(dá)式共享是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的關(guān)鍵，不僅零件的尺寸參數(shù)用表達(dá)式驅(qū)動(dòng)，而且特征的顯示和隱藏也用抑制表達(dá)式來(lái)控制，參數(shù)化模型，實(shí)際是表達(dá)式驅(qū)動(dòng)尺寸和特征的模型?？刂葡到y(tǒng)與零部件的參數(shù)通過(guò)表達(dá)式與部件間表達(dá)式實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，使得幾何信息在整體中得到共享，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝配體自頂向下的參數(shù)化。如圖4a所示，撓性桿的尺寸幾乎全用表達(dá)式和部件間表達(dá)式確定，其中后端尺寸P53="chaoshenghengmo_asm"::Nxg_houduan_l，運(yùn)用部件間表達(dá)式的方法將P53的表達(dá)式與控制系統(tǒng)chaoshenghengmo_asm 的表達(dá)式Nxg_houduan_l進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使兩個(gè)參數(shù)指向同一表達(dá)式，受同一表達(dá)式的控制。而尺寸P78="hengmotouti"::Hmt_zhichengbanhou_h/2+0.5則是在關(guān)聯(lián)部件珩磨頭體表達(dá)式的基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯。當(dāng)控制系統(tǒng)與原零部件的的表達(dá)式改變時(shí)，所有與之關(guān)聯(lián)的尺寸自動(dòng)計(jì)算，做相應(yīng)變化，如圖4b所示，這種通過(guò)表達(dá)式關(guān)聯(lián)而進(jìn)行參數(shù)共享的建模方法能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)或核心部件對(duì)底層零件的參數(shù)控制。

(2)WAVE幾何關(guān)聯(lián)參數(shù)化

UG/WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是一種實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品各部件間關(guān)聯(lián)建模，針對(duì)裝配級(jí)的參數(shù)化建模技術(shù)，與系統(tǒng)工程有機(jī)結(jié)合，提供了實(shí)際工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所需的自頂向下的設(shè)計(jì)環(huán)境。通過(guò)在不同組件之間關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何的方法來(lái)控制總體裝配結(jié)構(gòu)，從而保證整個(gè)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(jì)。其應(yīng)用以珩磨頭體的參數(shù)化設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明，超聲珩磨裝置中珩磨頭體的結(jié)構(gòu)要求是油石座與導(dǎo)向條必須嵌入在頭體矩形槽中與之裝配，而且槽的個(gè)數(shù)、位置與尺寸需要與油石座和導(dǎo)向條保持一致，在設(shè)計(jì)珩磨頭體時(shí)，首先設(shè)計(jì)好油石座與導(dǎo)向條的模型(圖5a)，在珩磨頭體中建立部分幾何模型(圖5b)，然后通過(guò)UG/WAVE幾何鏈接器把油石座與導(dǎo)向條的底面鏈接到珩磨頭體模型中(圖5c)，鏈接時(shí)選擇與位置相關(guān)，于是油石座與導(dǎo)向條的底面幾何信息都被引入到珩磨頭體中，得到的鏈接面與原底面信息完全一致，使珩磨頭體實(shí)現(xiàn)利用其他模型的幾何進(jìn)行建模。用此面拉伸去除材料完成珩磨頭體矩形槽的特征建模(圖5d)，最后陣列拉伸特征，得到珩磨頭體參數(shù)化模型(圖5e)。此方法省去了復(fù)雜的草圖繪制，尺寸關(guān)聯(lián)，以及眾多約束，快速有效地建立滿足裝配要求的參數(shù)化模型，而且鏈接的面與原模型的面時(shí)刻保持尺寸與位置的一致，原模型的改變會(huì)實(shí)現(xiàn)與之有幾何鏈接的模型的即時(shí)更新。此外，利用UG/WAVE鏈接的底面，成為珩磨頭體中幾何模型的一部分，通過(guò)瀏覽功能可清晰查看其來(lái)源與應(yīng)用信息，方便理清建模思路。如圖6為導(dǎo)向條底面信息，鏈接來(lái)源是“daoxiangtiaozu”，在后面的拉伸建模與創(chuàng)建孔中作為參考應(yīng)用。WAVE幾何鏈接能很好地闡釋裝配體上下文設(shè)計(jì)與參數(shù)化建模的思想。

4　參數(shù)化模型的可視化設(shè)計(jì)

通過(guò)更改表達(dá)式來(lái)驅(qū)動(dòng)裝配體需要直觀易用的可視化界面。傳統(tǒng)的UG可視化設(shè)計(jì)主要通過(guò)自制菜單和對(duì)話框，點(diǎn)擊菜單后彈出相應(yīng)的對(duì)話框，在對(duì)話框中更改參數(shù)，利用回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)界面參數(shù)與模型表達(dá)式的關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到更新參數(shù)化模型的目的[13-14]。這種方法需要用MenuScript腳本語(yǔ)言編寫(xiě)菜單，在程序框架中編寫(xiě)回調(diào)函數(shù)，設(shè)置相應(yīng)的文件夾與UG環(huán)境變量，菜單、對(duì)話框與模型文件必須按照環(huán)境變量值存放在固定文件夾，制作和使用較復(fù)雜。本文采用UG產(chǎn)品模版工作室Product Template Studio(PTS)模塊制作可視化界面，PTS是NX7.5版本后逐漸成熟的模塊，無(wú)需編寫(xiě)代碼即可創(chuàng)建界面，將參數(shù)化模型定義為可重用模板，其工作界面如圖7。PTS可以方便地將圖片，表達(dá)式，草圖，幫助支持，HD3D標(biāo)記信息，等嵌入到界面中，界面的顯示也可以靈活控制，而且PTS設(shè)計(jì)的裝配體界面融合在裝配體的模型中，隨模型移動(dòng)，UG打開(kāi)模型即可使用。在界面設(shè)計(jì)中，超聲珩磨裝置劃分為5個(gè)模塊，為避免所有模塊信息都集中在同一界面上，對(duì)各模塊進(jìn)行選擇性顯示，在界面中添加名為“組件選擇”的表達(dá)式控件m，在屬性中將表達(dá)式的樣式設(shè)為選擇列表，列表內(nèi)容為各模塊的名稱，設(shè)置返回索引，即各模塊對(duì)應(yīng)的值為：0、1、2、3、4。通過(guò)設(shè)置各模塊界面屬性為：可見(jiàn)性受控于表達(dá)式m=值 0/1/2/3/4，實(shí)現(xiàn)在“組件選擇”中選定模塊后界面只顯示當(dāng)前模塊的信息。本文主要應(yīng)用其中的表達(dá)式、圖片以及邏輯語(yǔ)言對(duì)界面的控制功能，制作的超聲珩磨裝置界面如圖8。

5　裝配體參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行及結(jié)果

啟動(dòng)NX，打開(kāi)超聲珩磨裝置文件，右鍵裝配導(dǎo)航器，編輯可重用組件，如圖9，整個(gè)超聲橫模裝置的參數(shù)化模型包含幾十個(gè)可調(diào)主參數(shù)，把界面切換到頭體加工部分，將頭體部分的加工長(zhǎng)度與加工直徑增加，整個(gè)裝配體與之相關(guān)的零部件全部更新，成為滿足要求的新模型。將珩磨頭體與導(dǎo)向條等隱藏然后放大模型，可看見(jiàn)裝配體內(nèi)部各零件保持良好的裝配關(guān)系。

6　結(jié)語(yǔ)

在功率超聲珩磨裝置有著變形設(shè)計(jì)需求的背景下，本文提出了一種裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)闡述了其關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，建立了功率超聲珩磨裝置的完全參數(shù)化模型，使設(shè)計(jì)人員通過(guò)控制參數(shù)就能得到需要的模型，有效提高了裝置的設(shè)計(jì)效率。本文的思路較之前的方法有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括：宏觀設(shè)計(jì)思路清晰；零件能完全參數(shù)化；不需程序驅(qū)動(dòng)；零件間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)；整體設(shè)計(jì)速度快；可視效果好等。

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(編輯譚弘穎)

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Method of parametric design for power ultrasonic honing device in the circumstance of UG

ZHANG Lelin, ZHU Xijing, CHENG Quan

(School of Mechanical and Power Engineering，North University of China, Taiyuan 030051，CHN)

In this paper,a new method of parametric design is presented on assembly in UG environment, through using the top-down modular design to divide this device into different modules. This was followed by designing control system for every module and doing the relevant parametric design for every part in the basic empty model of the control system.Finally, full parametric models of power ultrasonic honing device were built and friendly parameter control interfaces were designed with Product Template Studio as well. As a result, we got the device model which met our requirements by adjusting the parameters. Compared with the traditional methods, the new one has many advantages, such as the simpler design, the tighter association among various parts, the higher level of parameterization and the easier use of products.

UG；assembly；parametric design；power ultrasonic honing

TB47

A

張樂(lè)林，男，1989 年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榫芴胤N加工、CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)，已發(fā)表論文1篇。

2015-10-20)

160312

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51275490)；航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SHSYS2015003)