UG項目設計方法及其在汽車轉向系統三維模型設計中的應用

吳偉鋒,劉庚寅,金超磊,蔡永超

(寧波拓普集團股份有限公司,浙江寧波 315800)

0 引言

UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一個產品工程解決方案，它為用戶的產品設計及加工過程提供了數字化造型和驗證手段。UG包括了世界上最強大、最廣泛的產品設計應用模塊，目前用得最多的是建模與裝配模塊[1]。但是很多設計人員應用該軟件的方法目前大多只停留在從零件到裝配這樣的一個設計思路，也就是先設計好零件，然后將零件逐個裝配起來，完成整改產品的設計，這樣的設計思路存在以下不足：缺乏系統的設計考慮，不便于修改；裝配過程繁瑣，容易出現定位錯誤；零部件之間存在著父子關系，不便于分析和演示；不便于自動生成新的系列產品，影響了新產品的開發速度。為此，本文作者介紹了UG所具有的一種新的設計方法——項目設計方法。

1 UG的項目設計方法

項目設計方法又稱為Top-Down的設計方法，也就是自上而下，先總體設計再到零部件設計的過程。

在項目設計中，關鍵是要用到UG中的骨架文件，即“***_skel.prt”，“***”為相應的裝配文件名稱。總體設計中的信息就反映在骨架文件里，比如產品的重要位置坐標信息、外形輪廓信息等。而這些信息可以被各級子裝配復制調用，直到最后一級零件。骨架文件中的信息就控制著整個產品的設計。修改骨架文件就可以修改整個產品。骨架文件的特點如下：

(1)骨架文件在裝配文件中創建。當在裝配文件中創建骨架文件時，骨架文件的文件名以裝配文件的文件名后加“_skel.prt”形成；

(2)骨架文件是一個零件文件，可以為其創建除實體特征以外的所有類型的特征，如基準特征、曲面特征、曲線等；

(3)裝配文件中可以沒有骨架文件，已有骨架文件可以被別的裝配文件直接調用；

(4)當在裝配文件中創建骨架文件或裝配已有的骨架文件時，該骨架文件會自動以缺省方式放置在結構樹中的第一項。

2 項目設計方法在汽車轉向系統三維模型設計中的應用

為了使汽車轉向系統的三維模型結構設計符合實車狀態的要求，需要用到UG中的項目設計方法，因為該方法可以使設計變得輕松，而且容易修改，也便于生產系列化的產品，加快新產品的開發進度。

現以公司某車型的C-EPS電動助力轉向系統為例，來簡述其設計步驟。

2.1 汽車轉向系統的結構

C-EPS電動助力轉向系統總體結構如圖1所示，由轉向機、中間軸及管柱三部分組成。管柱上帶電動助力裝置[2]。

圖1 電動助力轉向系統總體結構

2.2 坐標系統的確定

在進行總體設計之前，要確定整個轉向系統的坐標原點和坐標軸的方向。一般以整車的坐標原點作為轉向系統設計時的坐標原點，以方便與整車廠對接。坐標軸的方向一般如圖2所示，向后的方向為X軸正向，向右側方向為Y軸正向，向上為Z軸正向，但要保證轉向系統的缺省方向與整車的缺省方向一致，以便整車廠能將該模型在整車模型中進行缺省裝配。

圖2 坐標軸方向

2.3 轉向系統中關鍵點位的確定

文中所述的轉向系統中各點位的代號及含義如圖3及表1所示。

圖3 點位圖

表1 點位定義

2.4 應用UG項目設計方法進行轉向系統的設計

2.4.1 總體結構的設計

進入UG系統后，首先生成總裝文件轉向系統“Geely_sx11_a”,接下來在該裝配文件中直接生成屬于該總裝文件的骨架文件“Geely_SX11_skel”和兩個子裝配文件：整車環境“Geely_sx11_e”和機械轉向機、中間軸及管柱一起的“Geely_sx11_b”。其中“Geely_sx11_e”這里為空文件，可根據整車環境添加相應部件。骨架文件和子裝配文件都以缺省方式進行裝配?？傮w文件結構樹如圖4所示。文中所用的文件名由編號和各部件英文組成。

圖4 整體文件結構樹

轉向系統骨架文件“***_skle.prt”是總體設計的核心內容。根據整車廠提供的資料和參數，將表1中的各點位置關系以坐標系或點的方式創建到骨架文件當中，并創建必要的軸線。創建好的模型樹結構如圖5所示，效果圖如圖6所示(具體點位可參照圖3)。

圖5 轉向系統骨架文件模型樹結構

圖6 轉向系統骨架文件模型樹

由圖可知，結構樹中特征號0#—26#為基本的參考特征，包括18個坐標系,6根軸線?！癈ar_Ordinate”為整車坐標系，但它的方向不一定符合圖2的要求。整車坐標系作為設計中的參考坐標系，也是UG中的絕對坐標系。可以結合圖3和圖6分析，坐標系“Rack_Center”是相對于整車坐標系“Car_Ordinate”來定位的，坐標系“Incling_Angle”是相對坐標系“Rack_Center”繞Y軸旋轉了一個傾斜角，“Yoke_Center”坐標系再參照“Incling_Angle”坐標系向Y軸的負向偏移至導向塊中心位置，“Pinion_Center”再以“Yoke_Center”坐標系向X軸的負向偏移一個齒輪軸和齒條軸中心距，再繞X軸旋轉一個P&R交叉角。其他坐標系根據整車廠提供的參數再以坐標系“Rack_Center”為參照來定位。特征號0#—17#為方向機將要用到的信息，特征號18#—26#為中間軸和上管柱將要用到的信息，可以將其做一定的標識放置在相應的特征組里。該骨架文件包含了所有的定位信息，通過該骨架文件可以控制整個裝配模型的設計。

2.4.2 機械轉向機的設計

如圖7所示，機械轉向機“***_Mechanical-Stering-Gear”的結構主要由兩部分組成：殼體組合模塊“***_Gear-Assy-Model”(圖8)、拉桿組合模塊“***_Tie-rod-Model”(圖9)。按照與總裝文件結構設計同樣的方式來創建轉向機的文件結構，將兩部分文件分別都調用放置轉向機的骨架文件“***_skel.prt”，這樣有利于兩部分分開工作，最終在缺省狀態放置在一起就是機械轉向機的裝配結構，無需再次裝配，提高工作效率。

圖7 機械轉向機的結構樹

圖8 殼體組合模塊的結構樹

圖9 拉桿組合模塊的結構樹

殼體組合模塊由殼體組合“***_Gear-Box-Assy”、齒輪軸組合“***_Pinion-Assy”、齒條軸“***_Rack-bar”、壓蓋組合“***_Bearing-Plug-Assy”、導向塊組合“***_Yoke-Assy”及其他附件組成[3]。

其中殼體組合里面的殼體設計其位置信息非常重要，需與骨架文件的點位信息一致，所以為了避免重復工作和差錯，殼體設計時在整體裝配模式下，可以使用調進來的骨架文件“***_skle.prt”中的坐標系建立草圖，從而可以輕松完成殼體中關鍵位置參數的設定，并改變骨架文件的點位信息時，殼體的關鍵位置參數也隨之更改，效率更快。

最后，只要所有的部件都可以根據相互間的關系裝配后，自然也就完成了與骨架文件的裝配，如圖10所示。

圖10 殼體組合模塊

拉桿組合模塊由左右外拉桿組合“***_OBJ”和左右內拉桿組合“***_IBJ”、防塵罩及其他附件組成。在設計中，左右拉桿組合及其附件采用了調進來的同一個骨架文件“***_skle.prt”。拉桿組合中的零件，可以使用，并通過其骨架文件中的坐標系及軸線來定位。當然拉桿的長度，防塵罩尺寸等因不同的車型不一樣，需要做出相應的調整。完成后的拉桿組合模塊如圖11所示。殼體組合模塊和拉桿組合模塊設計完成后，整個轉向機的裝配關系也就如圖7所示結構樹自動生成了，其效果圖如圖12所示。

圖11 拉桿組合模塊

2.4.3 中間軸及管柱的裝配設計

中間軸及管柱的設計在文中不作講述，而是簡述其總成在系統中的裝配已滿足實車狀態的要求。這里將管柱總成“EPS”和中間軸總成“Intermediate_Shaft_Assembly”的組合簡稱C-EPS。中間軸及管柱一起的“C-EPS-***”結構樹調用骨架文件“***_skle.prt”如圖13所示，這里主要用到的是如圖5 轉向系統骨架文件模型樹結構中的特征組“Column”，3個坐標系A、B、C及其軸線。根據相應角度裝配完成的效果圖如圖14所示。

圖13 中間軸及管柱的裝配結構樹

上述轉向機、中間軸及管柱三大部件設計或裝配完成后，整個轉向系統的設計也就自動完成了，如圖1所示。

圖14 中間軸及管柱的裝配

3 結論

通過上述兩個實例介紹了UG中Top-Down方法的應用，并且通過實例設計過程的介紹，可以體會到項目這種方法的優點：

(1)項目設計方法通過骨架文件控制整個產品的設計，實現從上到下的控制；

(2)修改骨架文件，便可自動修改與之相關的所有零部件，從而使修改變得非常容易；

(3)主要零部件通過骨架文件進行裝配定位，零部件之間不存在父子關系，從而可以任意對它們進行隱含或隱藏，便于分析與演示;

(4)如將轉向系統文件進行備份，然后按新的整車數據修改骨架文件，便可得到新的產品型號，從而實現新產品的快速開發。