UG環境下功率超聲珩磨裝置的參數化設計方法研究*

張樂林　祝錫晶　成　全

(中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051)

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UG環境下功率超聲珩磨裝置的參數化設計方法研究*

張樂林祝錫晶成全

(中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051)

提出了一種UG環境下針對裝配體級的參數化設計方法，通過自頂向下的模塊化設計將裝置劃分為不同模塊，然后為每個模塊進行控制系統的設計，再在控制系統下的基層空文件模型中對零部件進行參數化關聯設計，最后建立了功率超聲珩磨裝置的完全參數化模型，并利用模板工作室制作了友好的參數控制界面，只需要調節相應的參數就能得到滿足要求的裝置模型。研究表明新方法與傳統的方法相比有設計簡便，零件之間關聯性強，參數化程度高，產品易用等優點。

UG; 裝配體; 參數化設計;功率超聲珩磨

現代制造企業為了適應市場需求迅速多變，產品更新換代加快，設計周期越來越短的趨勢，在產品設計過程中大量依托CAD系統對非標準零部件進行參數化設計，使得產品零件在相似設計、變形設計中得以提高效率，縮短設計周期，一定程度上提高了企業的競爭力[1]。但是實際上最終的產品卻是以復雜裝配體的形式投入市場的，產品級裝配體的參數化設計要求在零件間，零件與裝配體間，或幾何特征間創建關聯，以實現集成設計[2]。裝配體中的零件也并非孤立的存在，而是在裝配關系，尺寸關聯，設計要求上與其他零件甚至整個產品密切相關的。零部件參數的改變有時會影響全局，牽一發而動全身。因此簡單零部件的參數化技術已經不能完全滿足產品級復雜裝配體的設計要求[3]。在數字化制造興起之際，針對裝配體的參數化設計技術顯得尤為迫切。

功率超聲珩磨裝置是一套超聲振動輔助磨削系統，在對內圓加工如缸套的內表面加工中有精度高，磨削溫度低，磨削力小等優點，在精密特種加工領域有廣闊的應用前景[4-5]。然而缸套存在眾多型號，尺寸各異，對珩磨裝置也有不同的尺寸要求，為避免重復設計與建模，需要對功率超聲珩磨裝置進行參數化設計。在此之前，廖云飛等曾用UG與VC平臺，對功率超聲珩磨裝置的部分零部件實現了參數化[6]，其方法為用VC對UG做簡單的二次開發，編譯生成*.dll文件，用以驅動裝配模型中的參數化零件，實現變形目的。其不足表現為零件間幾乎無關聯，導致參數化程度很低，而且平臺搭建與生成*.dll文件過程復雜，這種方法實質上是零件的參數化方法被引用到裝配體中，體現不了協同設計與關聯設計。史麗媛等曾采用基于草圖裝配和草圖約束的方法對超聲珩磨裝置進行參數化設計[7]，此方法是在一個零件圖中畫出裝置的所有零件，并用草圖約束的方法使每個零件固定位置，關聯尺寸，以草圖約束代替裝配約束，雖然在一定程度上實現了相關組件的參數化，但是草圖約束繁多凌亂，在裝置模型比較復雜時工作量非常大且易出錯，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實的。本文基于UG平臺，研究了一整套裝配體的參數化設計新方法，著重避免了前者的不足，突出了系統工程和裝配體參數化的概念，利用自頂向下的模塊化設計，控制系統設計，結合零部件的參數化關聯設計技術，創建了超聲珩磨裝置的整體參數化模型，只需更改關鍵參數即可得到產品模型，縮短了設計周期，極大提高了效率。

1　裝配體自頂向下的模塊與組件規劃

裝配體的參數化設計主要有自底向上與自頂向下兩種方法。自底向上是先設計好每個零件然后裝配成子組件，再由子組件裝配成整體。自頂向下是先對整個產品進行規劃，設計出子組件，再在子組件中精確設計每個零件。自底向上的方法裝配約束復雜且容易出錯，若在裝配時發現零件設計錯誤，必須返回，更改零件再重新進行裝配，而且零件之間的關聯性較差。自頂向下的方法克服了以上不足，在設計時先將每個零件自上而下的劃分到不同組件，確定好與父部件的關系，然后參考其他零件的幾何特征進行上下文設計，實現邊設計邊裝配，使設計更簡潔快速有條理[8-9]。自頂向下已成為企業將來設計的趨勢。因此對于功率超聲珩磨裝置(約150個零件)這種中型規模的裝配體，本文選用自頂向下的設計方法。

在做裝置的參數化設計之初首先要對其整體做詳細的結構分析，通過零件間的功能與尺寸關系對裝置進行逐級模塊化、參數化，直到最基層零件，以降低設計的復雜度[10-11]。功率超聲珩磨裝置從功能上看實質是在作旋轉磨削運動的珩磨裝置上引入超聲縱向振動以改善加工效果。因此其結構以原來的旋轉加工系統和引進的能產生縱向振動的聲振系統為中心，其他結構主要用來對兩者進行固定、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)確定好裝配關系，設計時只需激活單個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計零件的方法有助于從整體上理清設計思路，提前合理安排各組件的位置，在建模時能很好地利用零部件之間的尺寸關系，避免了后續設計中某個組件出錯，整個裝配都要修改的問題，是自頂向下思想的體現。

2　控制系統的設計

裝置作為一個統一的整體，各零部件相互關聯，設計零件時要先確定各模塊各零部件的主參數、副參數以及設計順序[12]。聲振系統在加工中提供超聲振動，其零件直接決定產品的性能，是主要零件，優先設計，其參數為主要參數。而套類支撐零件作為輔助零件對聲振系統起支撐與固定的作用，后設計，其參數為副參數，設計時參考主參數。以聲振系統為例，在設計時先在整體模塊下按照設計順序與宏觀尺寸畫出各零部件的整體控制基準面，建立整個聲振系統的控制系統，確定零件的范圍與位置。如圖3a所示，聲振系統的基準面由表達式控制并進行參數化設計，然后用WAVE鏈接的方法將基準面連接到相應的零件模型中，最后在零件中單獨設計。圖3b為利用控制系統中的基準面在相應位置設計變幅桿。由于各零件特征互不影響，細節設計便可同時展開，使并行工程得以實現，提高了效率。整個聲振系統如圖3c所示，零件在設計時可以相互參考尺寸和位置，增強了控制系統與零件的關系，提高了零件的參數化程度，而且不需要建立裝配約束就能確定零件的位置并達到良好的裝配效果。改變參數時，調節控制系統的尺寸就能控制零件尺寸，其他零件隨基準面移動，如圖3d所示，零部件的裝配關系保持不變。整個超聲珩磨裝配體在確定設計順序與主副參數后，首先設計整體的控制系統與各模塊的控制系統，然后可靈活根據需求在系統下對零部件進行順序設計或并行設計。

3　底層零部件的參數化關聯設計

裝配體中部件間參數化設計關鍵技術：

(1)運用表達式與部件間表達式建模

參數化模型的核心是參數的可自由修改與自由共享，參數的表達式化與表達式共享是實現參數化的關鍵，不僅零件的尺寸參數用表達式驅動，而且特征的顯示和隱藏也用抑制表達式來控制，參數化模型，實際是表達式驅動尺寸和特征的模型。控制系統與零部件的參數通過表達式與部件間表達式實現關聯，使得幾何信息在整體中得到共享，從而實現整個裝配體自頂向下的參數化。如圖4a所示，撓性桿的尺寸幾乎全用表達式和部件間表達式確定，其中后端尺寸P53="chaoshenghengmo_asm"::Nxg_houduan_l，運用部件間表達式的方法將P53的表達式與控制系統chaoshenghengmo_asm 的表達式Nxg_houduan_l進行關聯，使兩個參數指向同一表達式，受同一表達式的控制。而尺寸P78="hengmotouti"::Hmt_zhichengbanhou_h/2+0.5則是在關聯部件珩磨頭體表達式的基礎上進行編輯。當控制系統與原零部件的的表達式改變時，所有與之關聯的尺寸自動計算，做相應變化，如圖4b所示，這種通過表達式關聯而進行參數共享的建模方法能實現控制系統或核心部件對底層零件的參數控制。

(2)WAVE幾何關聯參數化

UG/WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是一種實現產品各部件間關聯建模，針對裝配級的參數化建模技術，與系統工程有機結合，提供了實際工程產品設計中所需的自頂向下的設計環境。通過在不同組件之間關聯性復制幾何的方法來控制總體裝配結構，從而保證整個裝配和零部件的參數關聯性，適合于復雜產品的幾何界面相關性、產品系列化和變型產品的快速設計。其應用以珩磨頭體的參數化設計為例進行說明，超聲珩磨裝置中珩磨頭體的結構要求是油石座與導向條必須嵌入在頭體矩形槽中與之裝配，而且槽的個數、位置與尺寸需要與油石座和導向條保持一致，在設計珩磨頭體時，首先設計好油石座與導向條的模型(圖5a)，在珩磨頭體中建立部分幾何模型(圖5b)，然后通過UG/WAVE幾何鏈接器把油石座與導向條的底面鏈接到珩磨頭體模型中(圖5c)，鏈接時選擇與位置相關，于是油石座與導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，使珩磨頭體實現利用其他模型的幾何進行建模。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，得到珩磨頭體參數化模型(圖5e)。此方法省去了復雜的草圖繪制，尺寸關聯，以及眾多約束，快速有效地建立滿足裝配要求的參數化模型，而且鏈接的面與原模型的面時刻保持尺寸與位置的一致，原模型的改變會實現與之有幾何鏈接的模型的即時更新。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，通過瀏覽功能可清晰查看其來源與應用信息，方便理清建模思路。如圖6為導向條底面信息，鏈接來源是“daoxiangtiaozu”，在后面的拉伸建模與創建孔中作為參考應用。WAVE幾何鏈接能很好地闡釋裝配體上下文設計與參數化建模的思想。

4　參數化模型的可視化設計

通過更改表達式來驅動裝配體需要直觀易用的可視化界面。傳統的UG可視化設計主要通過自制菜單和對話框，點擊菜單后彈出相應的對話框，在對話框中更改參數，利用回調函數實現界面參數與模型表達式的關聯，從而達到更新參數化模型的目的[13-14]。這種方法需要用MenuScript腳本語言編寫菜單，在程序框架中編寫回調函數，設置相應的文件夾與UG環境變量，菜單、對話框與模型文件必須按照環境變量值存放在固定文件夾，制作和使用較復雜。本文采用UG產品模版工作室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，無需編寫代碼即可創建界面，將參數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，表達式，草圖，幫助支持，HD3D標記信息，等嵌入到界面中，界面的顯示也可以靈活控制，而且PTS設計的裝配體界面融合在裝配體的模型中，隨模型移動，UG打開模型即可使用。在界面設計中，超聲珩磨裝置劃分為5個模塊，為避免所有模塊信息都集中在同一界面上，對各模塊進行選擇性顯示，在界面中添加名為“組件選擇”的表達式控件m，在屬性中將表達式的樣式設為選擇列表，列表內容為各模塊的名稱，設置返回索引，即各模塊對應的值為：0、1、2、3、4。通過設置各模塊界面屬性為：可見性受控于表達式m=值 0/1/2/3/4，實現在“組件選擇”中選定模塊后界面只顯示當前模塊的信息。本文主要應用其中的表達式、圖片以及邏輯語言對界面的控制功能，制作的超聲珩磨裝置界面如圖8。

5　裝配體參數化設計系統運行及結果

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

6　結語

在功率超聲珩磨裝置有著變形設計需求的背景下，本文提出了一種裝配體的參數化設計方法，并詳細闡述了其關鍵技術與實現過程，建立了功率超聲珩磨裝置的完全參數化模型，使設計人員通過控制參數就能得到需要的模型，有效提高了裝置的設計效率。本文的思路較之前的方法有明顯的優勢，包括：宏觀設計思路清晰；零件能完全參數化；不需程序驅動；零件間關聯性強；整體設計速度快；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

張樂林，男，1989 年生，碩士研究生，研究方向為精密特種加工、CAD參數化設計，已發表論文1篇。

2015-10-20)

160312

*國家自然科學基金(51275490)；航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室開放基金(SHSYS2015003)