基于NX二次開發的三維彈簧快速設計方法

(1.中國兵器裝備研究院, 北京 102209; 2.中國兵器工業第二〇八研究所, 北京 102202)

0 引言

NX是Siemens PLM Software公司出品的一個產品開發解決方案，通過為用戶提供面向設計、仿真和制造的高性能集成解決方案，實現整個產品開發過程的轉型[1]。

彈簧由于能吸收振動和沖擊能量，且具有自動復位的功能，所以彈簧廣泛應用于液壓閥門、車輛減振裝置、沖壓設備的復位機構和槍械、火炮等機械設備中。隨著數字化設計與制造技術的迅速發展，彈簧零件的手工設計步驟繁瑣、工作量比較大并且容易出錯，效率低、成本高，已不能滿足新的設計模式與生產模式需要。

彈簧的設計計算屬常規設計，但在三維模型設計過程中，計算繁瑣，建模復雜，較適合CAD開發，因此利用三維CAD技術開發彈簧模型自動生成工具是必要的，也是可行的。

結合當前制造行業三維CAD的應用狀況，選擇基于NX軟件進行三維彈簧設計軟件開發，提高彈簧設計質量和效率。利用三維彈簧設計軟件，輸入相關參數，軟件進行幾何參數計算，幾何參數通過驅動彈簧設計模板生成三維彈簧模型，并進行變形處理。

通過二次開發，直接提供特征參數輸入界面，通過參數的交互輸入，進行幾何參數計算，并驅動設計模板生成三維零件模型，簡化了零件設計流程，規范了零件特征結構，節省設計時間，提高工作效率[2-3]。

本文在論述了基于C#的NX10二次開發的環境設置、二次開發窗體設計以及二次開發的程序調試等模塊設置，以矩形壓縮彈簧為例，進一步說了基于C#的NX10二次開發方法及機械零件參數化設計的實現過程。

1 基于C#的NX二次開發主要技術

1.1 二次開發環境設置

在NX眾多的二次開發技術中，NX Open API是NX提供的一個高級二次開發編程語言工具集，幾乎所有能在NX界面上的操作都可以調用相應的NX Open API函數來實現，并同NX進行無縫連接，從而擴展NX的功能，使其更具專業化[4-5]。其中C#是面向對象的編程語言，作為一種解釋性語言，編譯的程序可以在32位與64位系統中完美運行，而且其操作方便易懂、語法簡明。

二次開發環境設置主要包括開發工具配置和開發環境設置。

1.1.1 開發環境設置

基本環境變量：環境變量在NX的運行過程中有著重要的應用，一些環境變量在安裝NX之后便已經設置。其中最常用的基本環境變量包括：

UGII_BASE_DIR：NX安裝的文件夾路徑；

UGII_ROOT_DIR：NX安裝文件夾中UGII的位置；

UGS_LICENSE_SERVER：28000@#######(IP地址或主機名)；

UGII_LANG：ENGLISH。

其它常用的環境變量在ugii_env_ug.dat文件中定制。該文件默認位于UGII_ROOT_DIR目錄下。用戶可以修改同目錄下的ugii_env.dat文件。添加一些環境變量覆蓋已有的環境變量以控制NX的運行方式該文件可以通過環境變量UGII_ENV_FILE進行設定。

命令行環境變量設置：編輯%UGII_BASE_DIR%/UGOPEN/ufvars.bat，設定MS VC Dir到正確目錄。具體配置如下所示：

Rem Your might install them in a different location.

Rem

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio/VC98

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio .NET/Vc7

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft SDK

Rem NX7

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio 8/VC

Rem set MSVCDir=C:/Program Files(x86)/Microsoft Visual Studio 8/VC

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio 9/VC

Rem set MSVCDir=C:/Program Files(x86)/Microsoft Visual Studio 9/VC

Rem NX8.0/NX8.5 wntx64

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio 10/VC

Rem NX8.0/NX8.5 wntx32

Rem set MSVCDir=C:/Program Files(x86)/Microsoft Visual Studio 10/VC

Rem NX9.0/NX10.0 wntx64

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio 11/VC

Rem NX9.0/NX10.0 wntx32

Rem set MSVCDir=C:/Program Files(x86)/Microsoft Visual Studio 11/VC

1.1.2 應用向導創建

開發工作開始前需對NX10.0以及Visual Studio 2010進行配置。Project Wizard是NX為用戶提供的向導自動生成開發工程的工具，其VC#開發向導保存在%UGII_BASE_DIR%/UGOPEN/vs_files/VC#目錄下,復制%UGII_BASE_DIR%/UGOPEN/vs_files/VC#/CSharp Projects文件夾中所有的文件到Microsoft Visual Studio2010/VC#/CSharp Projects目錄中；復制%UGII_BASE_DIR%/UGOPEN/vs_files/VC#/VC#Wizards文件夾中所有的文件到Microsoft Visual Studio2010/VC#/VC#Wizards目錄中。

在NX10.0命令提示符窗口執行“devenv”運行VS2010，在Visual C#工程模板中選擇NX10 Open C# Wizard向導創建工程。

圖1 向導創建

利用向導創建的程序由“引用”和“主程序”兩部分組成：其中“引用”中包含了NX自帶的函數庫(如NXOPEN.dll等)和程序中的數據包(如System等)。“主程序”的默認名稱為mycalss.cs，主要負責執行程序的開始、調用及結束。調用的程序一般寫在窗體程序中，窗體通過主程序激活。

1.2 二次開發窗體設計

采用NX Block UI Styler制作對話框，使用Block UI Styler可以生成包含文本輸入、參數輸入、目標選擇、按鈕響應、圖片插入等要素的對話框，完全支持NX操作。創建對話框后，生成C#語言源程序代碼文件(.cs文件)與NX對話框文件(.dlx文件)。其中.cs文件需要通過API進行編譯，生成動態鏈接庫即可以在NX中執行的.dll文件。

通過 Block UI Styler設計的對話框文件是后綴名為“dlx”的文件通常稱其為DLX文件。從文件格式上來說.DLX檔是一個標準的XML文件，包含了在運行時構建對話框的所有信息客戶應用程序使用了DLX對話框文件和編譯生成的DLL文件一樣，都需要放置在開發根目錄的 Application路徑下，提供給NX運行時加載使用。

Block UI Styler用戶接口主要包含以下幾個部分：菜單工具欄，配置對話框，包括布局設計器，屬性編輯器，代碼生成管理器。

組塊目錄如圖2所示。

圖2 組塊目錄

1.3 二次開發程序調試

第一次運行程序調試時，需要將程序附加到NX進程中，在“工具”選項下選擇“附加到進程”。

在彈出的窗口中，選擇NX10進程，單擊“附加”完成。此時，運行調試命令，程序將啟動NX10軟件，同時程序將自動生成動態鏈接庫文件(*.dll)。激活NX10，按下Ctrl+U，將彈出調試串口，選擇動態鏈接庫文件，完成調試操作。

圖3 調試串口

程序調試沒有問題后，需要對應用程序進行簽名后，才能正式發布，應用程序簽名主要包括：添加NXSigningResource.res到方案中，編譯成功后，執行SignDotNet.exe,也可以設定在方案中的Post-Bulid event來自動執行簽名。

2 開發實例

2.1 程序結構

彈簧設計向導工具在NX建模環境下具備快速打開的接口，并能方便的選擇所需設計的彈簧零件向導工具。提供與NX一致的交互式、向導式用戶界面，并通過指定矢量和點指定彈簧在三維NX CAD模型空間的位置，包括矩形壓縮彈簧、矩形拉伸彈簧、扭簧、多股壓縮彈簧、多股拉伸彈簧和片簧等六種類型的定義、參數的輸入界面、幾何參數的計算結果顯示界面。利用交互式用戶界面，通過對彈簧名稱的定義、彈簧位置的確定、彈簧參數化的輸入以及顯示結果的檢查，將自動生成矩形拉伸彈簧三維模型，并同時完成對彈簧三維模型的變形處理[6]，以上六類彈簧的輸入輸出參數如表1～6所示。

表1 矩形壓縮彈簧輸入輸出參數

表2 矩形拉伸彈簧輸入輸出參數

續表2

輸入參數輸出結果3)圓鉤環壓中心7)螺旋角提供如下參數的輸入:8)K1)中間直徑2)垂直邊長3)平行邊長4)有效圈數

表3 扭簧輸入輸出參數

表4 多股壓縮彈簧輸入輸出參數

表5 多股拉伸彈簧輸入輸出參數

表6 片簧輸入輸出參數

典型彈簧設計向導結構方案如圖4所示。

圖4 設計向導結構

2.2 接口

在NX環境中，創建典型彈簧三維設計、彈簧簡化視圖的接口，方便調用。

2.3 邏輯流程圖

在NX建模環境中，選擇“典型彈簧三維設計”菜單，在彈出的下拉菜單中選擇“XX簧”，或者在“典型彈簧三維設計”工具條中選擇“XX簧”圖標，即可進入相應的彈簧向導界面；

在彈簧向導界面中“名稱與位置”步驟，在“彈簧名稱”控件中輸入彈簧的名稱，在“指定矢量”和“指定點”控件中選擇彈簧旋轉的方向及放置位置；

進入“輸入參數”步驟界面，進行一些參數的選擇或者輸入，在“旋向”控件中可選擇“左旋”或者“右旋”。在“彈簧樣式”中可選擇“矩形”或者”圓柱形”，在“端部結構”控件中，選擇“并緊磨平”、“并緊不磨平”、“不并緊”三種端部情況。然后在“輸入參數”中輸入：中間直徑、自由高度、有效圈數等彈簧參數；

進入“顯示結果”步驟界面，在此步驟中，可以查看彈簧的相關輸入參數及一些計算參數，若符合設計要求，點擊完成即可生成相應的彈簧三維模型。若不符合則可以點擊“上一步”進行參數修改，生成相應的彈簧三維模型。

圖5 典型彈簧三維設計邏輯流程圖

2.4 設計實例

以矩形壓縮彈簧為實例，主要包括建立彈簧相關參數表達式，創建彈簧三維模型，進行二次程序開發。矩形壓縮彈簧按鋼絲旋轉方向可分為左旋和右旋，按彈簧橫截面可分為圓柱形截面和矩形截面，按端部結構可分為端部不并緊、端部并緊、端部并緊并磨平。在進行參數表達式建立以及二次開發時，都要能夠滿足。

建立彈簧相關參數表達式，基于表達式驅動創建彈簧三維模型。

圖6 參數表達式

主要包括創建項目、編寫代碼、進行程序編輯與調試、編制菜單文件，進行程序注冊。

其中源代碼最主要的就是建立程序與表達式之間的聯系，使用C#語言與NX Open API完成表達式與程序之間關系的建立，主要代碼如下：

stringarraylist01[1] = "輸入參數：";

stringarraylist01[2] = "彈簧中徑D = " + eD.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

stringarraylist01[3] = "垂直邊長a = " + ea.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

stringarraylist01[4] = "平等邊長b = " + eb.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

stringarraylist01[5] = "自由高 H0= " + eH0.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

stringarraylist01[6] = "有效圈數n = " + en.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

stringarraylist01[7] = "總圈數 n1= " + en1.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

編制菜單文件：

VERSION 143

EDIT UG GATEWAY_MAIN_MENUBAR

AFTER UG HELP

!MENU INTEGRAT

CASCADE_BUTTON_MENU_CLASSIC_PART_DESIGN

LABEL 典型彈簧三維設計

！END_OF_MENU

END_OF AFTER

MENU_MENU_CLASSIC_PART_DESIGN

BUTTON BTN SPRING_Rectangle_Cylinder_Compression

LABEL 矩形壓縮彈簧

BITMAP Rectangle_Cylinder_Compression_Spring.bmp

ACTIONS Rectangle_Cylinder_Compression_Spring _cs.dll

基于上述創建的表達式，利用NX的規律曲線命令創建彈簧螺旋線，如圖7所示。

圖7 螺旋線視圖

利用草圖命令創建彈簧矩形截面，再利用掃掠命令創建彈簧實體模型，如圖8所示。

圖8 截面及實體視圖

2.5 實驗結果與分析

二次開發調試完成后，可形成彈簧設計向導，本次以矩形壓縮彈簧為例，首先分析矩形彈簧的主要參數如下。

彈簧絲截面尺寸：垂直軸向方向的垂直邊長a，平行軸向方向的邊長b，其對角線長度為d；

彈簧外徑D：彈簧的最大外徑；

彈簧內徑D1：彈簧的最小內徑；

彈簧中徑D2：彈簧的平均直徑，計算公式為：D2=(D+D1)÷2=D1+a=D-a。

有效圈數n：彈簧能保持相同節距的圈數。

支撐圈數n2：為了使彈簧在工作時受力均勻，保證軸線垂直端面，制造時，常將彈簧兩端并緊。并緊的圈數僅起支撐作用，稱為支撐圈。一般有1.5、2 T、2.5 T，常用的是2 T。

總圈數n1：有效圈數與支撐圈的和。即n1=n+n2。

自由高H0：彈簧在未受外力作用下的高度。

其次明確彈簧的計算輸出參數，主要包括螺距、展開長度、螺旋角、曲度系數。

展開長度：繞制彈簧時所需鋼絲的長度。L≈πD2(2+n)。

設定其幾何參數為：中間直徑20 cm、垂直邊長1 cm、平行邊長4 cm、自由高度65 cm、有效圈數6、總圈數8；其特性參數為：工作高度1為59 cm、工作高度2為54 cm、試驗高度為51 cm、工作載荷1為15 N、工作載荷2為30 N、試驗載荷為39 N。

根據輸入的彈簧參數進行理論計算，可生成螺距t=9.83 mm、展開長度L=502.65 mm、螺旋角α=8.9、曲度系數K=1.32，隨后即可在NX環境內生成具體彈簧模型。

3 結論

從圖9可以看出，應用此設計程序建成的矩形壓縮彈簧符合設計輸入要求，其三維標注的參數與理論計算保持一致，且能便捷的生成二維簡化彈簧圖。

圖9 彈簧視圖

本文應用基于C#的NX OPEN API二次開發的方法以及三維零件參數化設計，最終實現了矩形壓縮彈簧、矩形拉伸彈簧、扭簧、多股壓縮彈簧、多股拉伸彈簧和片簧等6種彈簧的快速設計以及彈簧簡化視圖。目前，已經在實際產品設計過程中得到了應用和驗證，大幅減少了設計師的重復勞動，有效提升了常用彈簧設計效率和質量。