郭小燕

摘要：UG軟件作為當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計和制造加工一體化過程提供數(shù)字化造型和實踐驗證常用的解決方案，可進行虛擬產(chǎn)品設(shè)計和三維造型，又可進行編程和同步建模等應(yīng)用功能，在工業(yè)設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計及機械制造加工行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。本文從UG軟件應(yīng)用特點著手，結(jié)合UG軟件各類應(yīng)用功能模塊和機械設(shè)計應(yīng)用方向，分析研究其應(yīng)用優(yōu)勢和對產(chǎn)品設(shè)計和制造加工的有利影響，提升產(chǎn)品設(shè)計和制造質(zhì)量，縮短產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計周期，優(yōu)化產(chǎn)品性能，以期達到機械設(shè)計行業(yè)的社會經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：UG軟件;機械設(shè)計;參數(shù)化設(shè)計;運動仿真;三維造型

0 ?引言

現(xiàn)今，在產(chǎn)品設(shè)計和制造加工一體化領(lǐng)域中計算機虛擬制造和仿真技術(shù)不斷自我革新和技術(shù)突破。CAD/CAE技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，到UG軟件或Cimatron軟件在三維建模造型和產(chǎn)品虛擬設(shè)計等方面的應(yīng)用推廣，其應(yīng)用目的是為解決產(chǎn)品設(shè)計和制造加工過程中的研發(fā)周期長、經(jīng)費支出大等問題，又能實現(xiàn)設(shè)計缺陷問題在線修改和產(chǎn)品優(yōu)化等。將三維造型、參數(shù)化設(shè)計、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)應(yīng)用機械設(shè)計和工程設(shè)計中，使工業(yè)設(shè)計和制造行業(yè)得到突飛猛進的變化進步，對社會經(jīng)濟有著積極影響和推動發(fā)展。

1 ?UG軟件概述

UG軟件是Unigraphics NX軟件名稱簡稱，作為三維機械設(shè)計軟件的引領(lǐng)者和應(yīng)用倡導(dǎo)者，擁有較大的用戶群體和各類成功的設(shè)計典型案例。其集成計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助分析（CAE）、計算機輔助制造（CAM）等技術(shù)為應(yīng)用基礎(chǔ)，以參數(shù)設(shè)計、三維造型等設(shè)計方式簡捷高效設(shè)計出各類三維產(chǎn)品形體和虛擬產(chǎn)品制造，實現(xiàn)二維平面設(shè)計向三維立體設(shè)計升級的重要手段，其可視化程度高，能準(zhǔn)確清晰地實現(xiàn)設(shè)計人員的意圖構(gòu)想，逼真模擬設(shè)計產(chǎn)品，為設(shè)計容錯糾錯、產(chǎn)品優(yōu)化等帶來諸多便利，為提升機械設(shè)計質(zhì)量和縮短設(shè)計周期奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 ?UG軟件功能模塊

UG軟件是由多個功能模塊組成的。大致可分為4個模塊即為：Gateway模塊、CAD模塊、CAM模塊、CAE模塊，以Gateway模塊為基礎(chǔ)，模塊間既有聯(lián)系又相互獨立，軟件應(yīng)用時各模塊可交叉、組合使用。

其中，Gateway模塊可進行文件新建、打開、輸入/輸出不同格式設(shè)計文件、視圖定義、顯示控制、查詢等操作，是UG軟件應(yīng)用的基礎(chǔ)，為其他模塊提供最基本的操作指令和數(shù)據(jù)庫支持。CAD模塊可實現(xiàn)實體建模、特征建模、自由形狀建模、裝配建模和工程制圖功能。CAE模塊主要作用實現(xiàn)對設(shè)計過程靜態(tài)、動態(tài)結(jié)構(gòu)分析，能夠計算出機械設(shè)計樣品的使用周期和可靠性，提供強大的在線求解器和完整的材料數(shù)據(jù)庫。CAM模塊提供如切削仿真、切割、鈑金、機床仿真等加工方法的交互操作和輔助加工，可根據(jù)設(shè)計需求進行修改、優(yōu)化調(diào)整。

3 ?UG軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用方向

3.1 基于參數(shù)化的優(yōu)化設(shè)計

利用UG軟件的參數(shù)化設(shè)計功能，和UG參數(shù)化草圖、UG/WAVE技術(shù)，以所設(shè)計產(chǎn)品對象的形狀、尺寸、特征等基本數(shù)據(jù)進行參數(shù)化建模，實現(xiàn)各部件參數(shù)數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)和參數(shù)調(diào)整。其設(shè)計目的是對設(shè)計產(chǎn)品進行靈活修改，便于不斷改進完善產(chǎn)品性能。實現(xiàn)方法多有電子表格法、系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束、特征和表達式驅(qū)動圖形等，以達到產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化，計算出產(chǎn)品設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)值，可有效降低產(chǎn)品設(shè)計時間和成本，顯著提高設(shè)計效率。如在泵體設(shè)計、齒輪設(shè)計、螺栓設(shè)計等產(chǎn)品系列化設(shè)計應(yīng)用較為廣泛。如圖1所示，泵體設(shè)計實例。

因為泵體性能取決于排量，即為它每分鐘能排出空氣的體積，與活塞直徑、曲軸曲柄長度及曲軸轉(zhuǎn)速有關(guān)。其中關(guān)鍵參數(shù)為：

活塞直徑：piston_dia（變量）

曲軸曲柄長度：crankshaft_throw（常量）

曲軸轉(zhuǎn)速：crankshaft_rpm（常量）

排量：pump_rating（應(yīng)變量）

通過對關(guān)鍵參數(shù)間關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。

3.2 UG軟件的運動仿真設(shè)計

為了確保產(chǎn)品設(shè)計的準(zhǔn)確性和運行質(zhì)量，需要對所設(shè)計產(chǎn)品的機械結(jié)構(gòu)進行運動仿真和運動分析，以來判斷運行結(jié)果與設(shè)計初衷是否一致，校驗機械結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)過程是否發(fā)生部件干涉，以及通過運動仿真分析確定機械結(jié)構(gòu)運動所需空間是否設(shè)計規(guī)范等。這些都需要利用UG軟件的運動仿真功能來驗證，對機械結(jié)構(gòu)運動的速度、位移、加速度、行程、力和力矩等參數(shù)進行驗算，并可進行調(diào)整機械結(jié)構(gòu)參數(shù)或修改設(shè)計參數(shù)來實現(xiàn)。

設(shè)計流程大致為：首先利用Modeling模塊對所設(shè)計產(chǎn)品進行三維建模，再利用虛擬裝配模塊完成設(shè)計產(chǎn)品的部件裝配構(gòu)造、裝配零件生成等，依托所設(shè)計產(chǎn)品使用運動場景創(chuàng)建運動仿真分析方案，如連桿對象、移動速度、慣性矩等連桿運行仿真創(chuàng)建、運動度的運動副運動仿真創(chuàng)建、無運動驅(qū)動、恒定運動驅(qū)動、簡諧運動驅(qū)動、運動函數(shù)、關(guān)節(jié)的運動驅(qū)動等運動驅(qū)動創(chuàng)建，最后按照各運動仿真分析方案進行運動仿真分析，得出機械結(jié)構(gòu)運行優(yōu)劣，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析和機械結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，其運動過程可生成靜態(tài)圖片、動態(tài)圖片、動畫和電影文件，以便設(shè)計人員后續(xù)進行調(diào)整或修改機械結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.3 UG軟件三維造型應(yīng)用

UG軟件擁有強大的三維立體造型功能，將設(shè)計者產(chǎn)品構(gòu)思初步輪廓利用UG軟件三維造型模塊生成一個三維實體模型，可實現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)品外部造型設(shè)計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，即提供一個可視化界面，再在該界面上進行逐步工程設(shè)計造型。一般三維造型是UG軟件應(yīng)用基礎(chǔ)，再此基礎(chǔ)上對部件創(chuàng)建、裝配、整合等環(huán)節(jié)進行在線和實時設(shè)計計算，驗算結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計參數(shù)合理性，并模擬設(shè)計產(chǎn)品在運行/熱力/極端條件下的使用壽命、穩(wěn)定可靠性。最后結(jié)合市場和用戶需求，仔細分析計算機上虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品從外觀造型到色彩配置、從功能組合到內(nèi)部結(jié)構(gòu)、從加工工藝到使用條件，逐項討論并用計算機分析優(yōu)缺點，為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

4 ?結(jié)束語

UG軟件是將三維造型技術(shù)、參數(shù)設(shè)計技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新技術(shù)、新設(shè)計理論融入產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)制造環(huán)節(jié)中，并集成計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助分析（CAE）、計算機輔助制造（CAM）等技術(shù)為應(yīng)用基礎(chǔ)，以參數(shù)設(shè)計、三維造型等設(shè)計方式簡捷高效設(shè)計出各類三維產(chǎn)品形體和虛擬產(chǎn)品制造，實現(xiàn)二維平面設(shè)計向三維立體設(shè)計升級的重要手段，其可視化程度高，能準(zhǔn)確清晰地實現(xiàn)設(shè)計人員的意圖構(gòu)想，逼真模擬設(shè)計產(chǎn)品，為設(shè)計容錯糾錯、產(chǎn)品優(yōu)化等帶來諸多便利，提升機械設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計過程的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，縮短設(shè)計周期與經(jīng)費支出，優(yōu)化產(chǎn)品性能，以期達到機械設(shè)計行業(yè)的社會經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]陳兆榮.基于UG參數(shù)化的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2012（6）：27-28.

[2]張立紅，黃曉明，趙娟.UG軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用與研究分析[J].世界有色金屬，2018（12）：263，265.

[3]劉沖，馬廷戎.淺談UG運動仿真在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 電子制作，2013（18）：57.

[4]王丹，高剛毅.淺談基于UG的數(shù)控加工技術(shù)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（7）：11-12.

[5]高利寧.論UG軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].電子測試，2019（04）：75，86-87.