基于SiemensNX的異形彈簧建模研究

趙戰鋒， 葉娟

（1.溫州職業技術學院，浙江 溫州325035；2.勝利油氣管道控股有限公司，香港）

1 引 言

Siemens NX 軟件是德國西門子公司的高端計算機輔助軟件，其前身是UG 軟件。NX 軟件除了具有強大的CAM/CAE 加工和機械仿真功能外，CAD 功能非常全面，其采用Parasolid 幾何內核，融合參數化建模和直接建模，表現出獨特的混合建模思路。Siemens NX 軟件在具備普通三維CAD 軟件基于草圖特征建模的功能外，有非常靈活的空間曲線、曲面建模能力，在機械、航空、汽車、玩具和模具等行業應用廣泛［1，2］。彈簧是機電系統必不可缺的常用零件，承擔儲能、緩沖、復位等功能，在工業設備中得到廣泛應用。由于應用場合要求的差異性，彈簧形狀可以表現出各種復雜異形的特點，通?？捎蓴悼鼐砘蓹C在機電系統的控制下由鋼絲拉成［3］。鑒于其空間復雜性，現有CAD 軟件還不能用直接命令一步創建彈簧的三維模型［4，5］。因此，我們結合模具、鋼管等機械行業的彈簧實際情況，研發探索應用Siemens NX 軟件進行復雜異形彈簧的建模方法，為需要設計類似彈簧的企業提供借鑒。同時為相關高等院校機電類CAD 軟件三維建模教學提供參考。

2 基于螺旋線的建模

Siemens NX 的空間建模模式下，螺旋線命令提供了參數化的創建空間螺旋曲線功能。此命令的基本界面比較簡單，如圖1（a）所示，只需指定螺旋線的圈數、螺距和螺旋半徑即可建立標準的螺旋線。其中螺旋的方向可根據實際情況設定為右手或左手。螺旋線的方位和起始中心點，可以通過對話框中的定義方位和點構造器來設定。彈簧的實體化線徑通常用NX 的管道命令來完成，如圖1（b）所示，管道命令只需選定空間螺旋線作為路徑，設置外徑為彈簧的線徑尺寸即可完成標準彈簧的建模。彈簧兩端的壓平面，可以使用拉伸除料的方式簡化實現。圖3（a）所示為標準圓柱形彈簧的簡化建模實例。

在螺旋線的參數對話框的半徑方法中，除去恒定半徑的方式外，NX 提供了強大的基于函數的半徑設定方法。當在設計半徑時，點擊使用規律曲線時，便彈出了規律函數的對話窗口，見圖2（a）所示。NX 函數提供了包括恒定、線性、三次、自定義函數和曲線等7 種類型。當選中其中的一個函數時，軟件彈出了設置函數自變量變化區間的對話框，由設計者設定自變量的起始和終止值，見圖2（b）。軟件內部根據自變量的變化區間和函數類型自動計算螺旋線沿方位方向的長度距離內按規律變化。圖3（c）是由半徑按照三次規律沿螺旋方向變化的螺旋線創建的復雜彈簧。需要說明的是，在螺旋線的參數對話框中，在規律曲線確定半徑的前提下，當螺距設置為0 時，沿半徑方向變化的螺旋線，將退化為渦狀線。由管道創建彈簧后可以得到平面的變化彈簧如圖3（b）所示。

圖1 螺旋線及管道命令界面

圖2 規律函數及其自變量設定界面

基于螺旋線的彈簧建模思路直觀、操作方便，能夠滿足一般的螺旋形彈簧的建模。對于復雜的彈簧，如果有精準數學表達函數曲線，可以通過規律曲線來完成。但利用函數曲線創建復雜彈簧仍有其不便之處，首先是函數的隱含性，需要建模者有較高的數學思維能力和空間想象能力，其次，函數的變化規律始終有限，生產設備中許多異形螺旋彈簧沒有規律，很難用規律函數描述。

圖3 基于螺旋線創建的異形彈簧

3 基于曲線掃掠的建模

在三維建模軟件中，掃掠是基礎建模命令，它可以實現截面曲線沿光滑路徑創建掃描實體或曲面。Siemens NX 的掃掠命令的控制參數和選項較多，通過適當的參數設置，可以實現沿復雜路徑變化的螺旋彈簧建模。掃掠命令的數學實現原理是：以截面曲線為基礎創建局部坐標系，坐標的原點始終位于掃描路徑上，坐標的Z 軸方向，可以設定為始終與原點在路徑的切向方向相同，也可以由用戶指定為某一恒定適量。

圖4 掃掠和相交曲線界面

與一般的三維軟件相比，Siemens NX 的掃掠還有一個特點：其掃掠局部坐標的X 軸，可設置X 軸與Z 軸的方位角度。軟件的缺省設計是X 軸保持與路徑的恒定方位。其方位控制選項為復雜掃掠建模提供了更強的能力，用戶可以指定為固定方向、某一矢量方向、另一條曲線和角度規律等。其中，角度規律可以結合螺旋線的概念原理創建異形螺旋線。詳細做法是：（1）在建模環境下創建平面或空間掃掠路徑，用來確定異形彈簧的變形方式；（2）創建位于路徑端點并垂直于路徑的基準平面，在此基準平面內創建截面直線，直線的一端位于路徑曲線上，長度表示螺旋線的半徑大?。唬?）調用Siemens NX 的掃掠命令，分別選擇截面和路徑曲線，在掃掠對話框中，如圖4（a）所示，設定對齊方式為圓弧長，定位方法選擇角度規律，并設定規律函數的自變量變化起始和結束值。規律類型與圖2 類似。需要說明的是，一個完整的螺旋圈是用360°來表示，結束角度表示螺旋圈數的360 倍，用戶可以在輸入文本框中，直接輸入360*n 這樣的簡單數學表達式，軟件會自動計算。如圖5（a）所示，是以半圓底的U 形為路徑，創建的螺旋掃掠曲面。（4）利用軟件的抽取空間曲線或復合曲線命令，提出螺旋曲面的邊緣線，即可作為彈簧的路徑曲線。結合管道命令即可創建異形彈簧，如圖5（b）所示。

此方法具有通用性，可以推廣到任意光滑的曲線作為路徑的異形螺旋線的創建，從而可以建立靈活多變的異形彈簧。圖5（c）是以一般空間樣條線為路徑，通過掃掠和曲線抽取后得到的螺旋線而創建的異形彈簧。此類方法創建的彈簧，能夠滿足機電設備中大部分彈簧的要求，但對于一些非圓形螺旋彈簧或者圓形截面沿方位方向變化的彈簧創建顯得無能為力。

圖5 基于曲線掃掠的異形彈簧

4 基于曲面相交曲線建模

螺旋線和掃掠曲面抽取而創建的螺旋線都屬于類圓柱螺旋線。事實上，機電設備系統中，有許多非圓柱性螺旋彈簧或圓柱變化螺旋彈簧，如圖6（b）所示的六邊形螺旋彈簧，圖6（c）所示的圓柱變化螺旋彈簧。

圖6 基于曲面相交曲線創建異形彈簧

此類彈簧的建模，需要新的復合建模方法。其關鍵在于曲線的創建。在Siemens NX 軟件中，提供了使用現有實體或曲面通過運算創建曲線的方法。此方法更加具有一般性，可以彌補基本螺旋線和掃掠螺旋線的局限性。做法是：（1）根據具體異形彈簧的形狀，首先創建基本曲面，具體可根據形狀特點，使用軟件的基本曲面創建方法，比如拉伸、旋轉、掃掠或曲線組等。此曲面反映彈簧的整體異形，與螺旋線的纏繞無關。（2）利用螺旋線命令創建恒定或規律變化的螺旋線，創建彈簧中心到螺旋線的截面曲線，通過角度規律控制方位，創建基于曲線掃掠的曲面。（3）調用Siemens NX 中的相交曲線命令，創建兩曲面的相交曲線。圖6（a）是六邊形拉伸曲面與螺旋掃掠曲面的相交而得到的空間異形螺旋線。（4）通過管道命令，創建彈簧實體。隱藏輔助曲面后，即可得到六邊形截面的異形彈簧。需要注意的是，使用管道命令創建實體時，要求類螺旋曲線必須是光滑曲線，因此，在六邊形拉伸時，需要對六邊形的尖角進行倒圓角處理。同理，創建圖6（c）所示的變化圓柱彈簧，先創建旋轉曲面，再與螺旋掃掠曲面相交，即可得到一般螺旋曲線，從而建立異形彈簧模型。此種所見即所得的方法，不但可以有效彌補基于規律曲線和掃掠邊緣線的缺點，還可以創建各種復雜的異形彈簧。

5 結 論

通過對機電設備系統中復雜異形彈簧的功能和外形分析，結合Siemens NX 軟件的強大空間曲線、曲面建模方法，提出了三種用來創建異形彈簧的技巧。異形彈簧的建模，以基本螺旋線為基礎，以掃掠曲面、曲面相交作提高手段，充分發揮了軟件的特點。本研究總結了創建復雜異形彈簧的簡單易行技巧，為從事含有彈簧部件的相關機械、汽車、模具、玩具類企業異形彈簧設計提供了方法。同時，本成果可以為高等院校機械設計、三維建模課程的教學提供參考。

［1］ 張云杰，張云靜.UG NX 8 中文版入門與提高［M］.北京：清華大學出版社，2012.

［2］ 毛炳秋.中文版UG NX 8.0 基礎教程［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［3］ 成大先.機械設計手冊（第五版）［M］.北京：化學工業出版社，2010.

［4］ 李松，馬建中，高李霞.基于SolidWorks 的類彈簧結構三維建模研究［J］.機械設計與制造，2008（2）:57-58.

［5］ 展迪優.UG NX7.0 曲面設計教程［M］.北京：機械工業出版社，2011.