2023年基于UG参数化建模的关键技术.doc

基于UG的参数化建模的关键技术 ：参数化设计技术已成为产品设计过程中一种最重要的设计方法。为此本文基于对UG软件的研究，详细地分析了UGNX 软件参数化建模技术，体现出参数化设计理念。 关键词：参数化设计；UG；理念 Key technology of parametric Modeling based on UG QiuBiao (Guilin University of Electronic Technology School of Mechanical Engineering, Guilin 541004) Abstract: Parametric design technique has become one of the most important design method in the process of product design. This paper based on UG software research , detailed analysis of the UGNX software parametric modeling technology. Reflects the parameter design concept . Key words: parametric design ；UG; concept 0 引言 参数化设计(Parametric Design ) 也叫尺寸驱动(Dimension- Driven) , 它不仅可使CAD 系统具有交互式绘图功能, 还具有自动绘图的功能。利用参数化设计手段开发的实用产品设计系统, 可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来, 从而大大提高设计速度, 并减少信息的存储量。应用参数化设计系统进行机械产品设计, 能将已有的某种机械产品设计的经验和知识继承下来。参数化设计的参数化模型的尺寸用对应关系表示, 即给图形元素赋予相应的变量, 而不需要确定具体数值。当变化一个参数值, 将自动改变所有与其相关的尺寸, 并遵循约束条件。 1 UG 软件的简介 UG 是Unigraphics 的缩写，它是集CAD/CAE/CAM为一体的三维软件，它主要为汽车与交通、航空天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发〔VPD〕的理念提供多极化的、集成化的、企业级得包括软件产品与效劳在内的完整的MCAD 解决方案。Unigraphics 公司自1962 年成立以来，一直致力于改善用户的产品开发环境，将信息转化成易于共享的数字化知识，为机械制造企业提供包括满足从设计、分析到制造应用的UG软件、基于windows 平台灵活实用的设计与制图产品SOlidEdge、集团级产品数据管理系统iMAN、先进的产品可视化技术ProductVision 以及被业界广泛使用的高精度边界的实体建模核心Parasolid 在内的全线产品。UG 的目标是用最新的数学技术，即适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供了一个灵活的可再使用的软件根底. UG 软件有如下的特点： ⑴ UG 软件包含了众多适应不同需求的功能模块。 ⑵ UG 采用了特征的建模和编辑方法作为实体造型的根底，形象直观，类似于工程师传统的设计方法，并能够采用参数驱动。 ⑶ 采用复合建模技术，将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模等建模技术融为一体。 ⑷ 具有统一的数据库，实现了CAD/CAE/CAM等模块之间无缝数据交换。 ⑸ 可用多种方法生成复杂曲面，特别适合于汽车外形和汽轮机叶片等复杂曲面的造型。 ⑹ 二维图功能强大，可方便地从三维实体模型直接生成二维工程图，可以按照ISO 标准生成各种剖视图、标准尺寸、形位公差和汉字说明等。 ⑺ 提供了界面良好的应用开发工具，并能通过高级语言接口，使UG 得图形功能与高级语言的计算功能紧密结合，便于用户开发专用CAD 系统。 ⑻ 具有良好的用户界面，绝大多数功能都可以通过图标实现；进行对象操作时，具有自动推理功能；在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户作出正确的选择。 2 UG参数化建模的实现 2.1 系统参数与尺寸约束 UGNX 具有完善的系统参数自动提取功能, 它能在草图设计时, 将输入的尺寸约束作为特征参数保存起来, 并且在此后的设计中进行可视化修改, 从而到达最直接的参数驱动建模的目的。用系统参数驱动图形的关键在于如何将从实物中提取的参数转化到UG中, 用来控制三维模型的特征参数。尺寸驱动是参数驱动的根底, 尺寸约束是实现尺寸驱动的前提。UG的尺寸约束的特点就是将形状和尺寸联合起来考虑, 通过尺寸约束实现对几何形状的控制。设计时必须以完整的尺寸参考为出发点(全约束) , 不能漏注尺寸或多注尺寸。尺寸驱动是在二维草图Sketcher 里面实现的,当草图中的图形相对于坐标轴位置关系都确定, 图形完全约束后, 其尺寸和位置关系能协同变化, 系统将直接把尺寸约束转化为系统参数。 2.2 使用表达式进行参数化设计 表达式是UG 中参数化设计的一个重要的工具。在零件的参数化设计中起着很重要作用, 使用表达式可以定义和控制零件的尺寸参数, 通过建立算术和条件表达式可以控制一个零件特征之间的尺寸和位置关系, 也可以控制几个草图之间的相互关系的尺寸, 使之产生相关性。使用表达式很容易对零件进行修改, 也容易实现零件的系列化设计。如一个长方体的高度可以用它与长度的关系式来表述, 如果其长度改变, 那么高度也自动随之改变。 表达式可以自动建立或手工建立。当建立草图特征时, 系统自动建立相应的表达式, 在给草图标注尺寸时可给出数值, 也可用算术表达式来表示。几个草图之间的尺寸关系也可用表达式表示。还可根据设计意图自定义算术或条件表达式。 自定义表达式采用下拉菜单中表达式的命令,通过对话框输入来建立。只要改变表达式中的任意一个参数, 零件三维模型与其相关的形状和尺寸就会自动随之改变。 2.3 利用电子表格驱动图形 UG的电子表格( Spreadsheet) 提供了一个Microsoft Excel 与UG 间的智能接口。在建模应用模块中, UG电子表格是较为高级的表达式编辑器, 可以将参数信息从部件提取到Excel 中, 在更新部件前可进行手工处理。事实上, 表格驱动的界面及内部函数为相关的参数化设计提供了方便而有力的工具。 为了高效地创立电子表格驱动零件, 在设计前必须对该零件进行仔细的分析, 首先要从整体上形成关于这个零件建模的大概思路, 明确设计零件需要创立哪些特征以及创立这些特征的次序; 同时还需要注意所要创立的各种特征的内在联系及其各自的特点, 最后明确该零件需要几个参数进行驱动。其具体步骤如下: 首先建立三维参数化模型, 然后创立一个含有该模型所有变量的外部电子表格, 将电子表格中的数据与当前模型中的参数建立关联, 因电子表中的变量已被当前模型文件的零件尺寸所引用, 通过修改电子表格中的数据即可驱动当前建模文件中的零件结构尺寸的变化, 用户可通过控制外部电子表格完成对零件参数的修改, 故可防止修改大量参数所带来的繁重工作量, 可以防止一些人为的错误, 且用一个模型就可表达出多个同类结构的零件。 2.4 基于Wave 的自顶向下装配设计 从设计人员的思维角度来说, 设计是一个不断细化求解、从全局到局部的过程, 这是一种称为“Top - Down〞的自顶向下的设计过程。 根据设计后续各阶段的要求, 产品模型应该是一种树状与网状相结合的模型, 便于组织和管理数据。树状能够清晰地描述产品中零部件之间的层次结构, 网状可以描述产品中零部件之间的关系。Top-Down 设计方法可以满足这种需求, 便于用树状结构来描述产品结构模型, 允许设计者在高层产品设计发生变化时自动更新低层零部件的设计, 如图1 所示。由于产品的总体参数、产品的包容空间、零部件的布置与定位等主要参数都在装配的高层定义, 而详细设计在零部件的底层构建, 因此, 通过设定产品的高层几何定义和约束, 使得详细设计可以在概念设计完成之前开始实施, 使产品设计并行开展。 图1　UG 的Top - Down设计结构图 2.5 网络协同设计 随着网络技术的开展, 为并行工程带来了新的内涵, UG/Wave 技术为此提供了一个桥梁, 允许产品的设计者们分布在不同的区域, 并行对产品进行设计。首先效劳器利用UG 软件建立产品模型, 确定产品的主要参数以及产品各零件之间的约束关系, 并将其传递给分布在不同地域的各个节点, 然后节点的设计师根据产品功能要求对产品进行设计。零部件之间的约束关系, 可以通过UG/Wave 来关联。网络协同设计过程见图2。 图2 网络协同设计 3 设计例如 首先用减速器箱盖的设计来体现系统参数与尺寸约束的关系见图3，当编辑草图，输入草图的尺寸约束后，尺寸数据就作为特征参数保存起来，用鼠标双击细节参数栏的参数后就可以对草图尺寸进行修改〔如图3中的Arc15〕，当然当直接修改草图上的尺寸约束，细节参数也会随之改变。所以无论修改图形或参数都将改变图形形状。 图 3 使用表达式进行参数化设计，当完成图3的草图绘制后，点击UG菜单栏的工具-表达式-显示表达式对话框,如图4，这是系统自动创立的表达式，我们修改系统自动创立的表达式，如图4中，我用p96/20这个表达式来表示p97的尺寸，从而当改变p96的尺寸时，由于关联性，p97的尺寸也跟着改变，同理可以用变量p96来表示图4中所有的变量，当p96的尺寸改变，其余的尺寸也同时变化，与之相匹配，从而改变特征图形，所以使用表达式参数化设计很容易对零件进行修改。基于电子表格驱动图形，点击图4对话框中的Excel图标，参数信息从部件提取到Excel中，然后在表格中对参数进行修改，从而改变特征图形。 图 4 基于Wave的自顶向下装配设计，现以推进器上下罩壳设计为例,首先创立一个装配文件assemble. p rt, 在装配中添加一个底盖文件down.prt, 然后以底盖文件为工作部件, 对底盖进行设计, 如图5 所示。接下来,在装配中添加一个顶盖文件top.prt, 以top.prt 为工作部件, 通过Wave 建立与down.prt 之间的联系, 利用“镜像体〞可得到如图6 所示结果。建立起top.prt与down.p rt 之间的约束关系, 当down.prt 的参数发生变化时, top.prt 的参数也随之改变, 从而到达参数化设计的要求。 图 5 图 6 4 总结 参数化设计技术以最强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能、成为初始设计、产品建模及修改系列化设计、多种方案比拟和动态设计的有效手段。因此，利用参数化设计可以极大的提高设计效率。 参考文献： [1] 刘文剑，常伟等.CAD/CAM集成技术.哈尔滨工业大学出版社，2023. [2] 刘向阳，占向辉，张恩光.UG NX 4.0中文版CAD详解教程.清华大学出版社，2023.