UG的参数化建模方法及三维零件库的创建

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一．引言

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CAD技术的应用目前已经从传统的二维绘图逐步向三维设计过渡。从实现制造业信息化的角度来说，产品的三维模型可以更完整地定义和描述设计及制造信息。在产品设计和开发过程中，零部件的标准化、通用化和系列化是提高产品设计质量、缩短产品开发周期的有效途径，而基于三维CAD系统的参数化设计与二维绘图相比更能够满足制造信息化的要求。UGNX是美国EDS公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，具有强大的参数化设计功能，在设计和制造领域得到了广泛的应用。本文以UGNX为支撑平台，介绍了三维参数化建模的实现方法，结合实例分析了一种三维零件库的建立方法。

二．参数化设计思想

在使用UG软件进行产品设计时，为了充分发挥软件的设计优势，首先应当认真分析产品的结构，在大脑中构思好产品的各个部分之间的关系，充分了解设计意图，然后用UG提供的强大的设计及编辑工具把设计意图反映到产品的设计中去。因为设计是一项十分复杂的脑力活动，一项设计从任务的提出到设计完成从来不会是一帆风顺的，一项设计的完成过程就是一个不断改进、不断完善的过程，因此，从这个意思上讲，设计的过程就是修改的过程，参数化设计的目的就是按照产品的设计意图能够进行灵活的修改，所以它的易于修改性是至关重要的。这也是UG软件为什么特别强调它的强大的编辑功能的原因。

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三．三维参数化建模的实现方法

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基础，尺寸约束是实现尺寸驱动的前提。UG的尺寸约束的特点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 特征和表达式驱动图形
UGNX建模技术是一种基于特征的建模技术，其模块中提供各种标准设计特征，各标准特征突出关键特征尺寸与定位尺寸，能很好的传达设计意图，并且易于调用和编辑，也能创建特征集，对特征进行管理。特征参数与表达式之间能相互依赖，互相传递数据，提高了表达式设计的层次，使实际信息可以用工程特征来定义。不同部件中的表达式也可通过链接来协同工作，即一个部件中的某一表达式可通过链接其它部件中的另一表达式建立某种联系，当被引用部件中的表达式被更新时，与它链接的部件中的相应表达式也被更新。
3 利用电子表格驱动图形
UG的电子表格 (Spreadsheet)提供了在Microsoft Excel或Xess与UG间一个智能接口。在建模应用里，UG电子表格可以被认为是高级的表达式编辑器。信息可以从部件被抽取到电子表格里，在被用来更新部件前进行手工处理。事实上，表格驱动的界面及机内函数为相关的、参数化设计提供了方便而有力的工具。

四．应用实例分析

下面通过六角螺母C级（GB/T 41-2000）三维模型的创建实例来说明参数化建模方法。

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表1 螺纹规格

1 分析零件模型提取特征参数

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图1 螺母尺寸

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如图1，六角螺母主要尺寸特征有D、s、m，可将这三个尺寸作为主要参数驱动螺母图形。螺母的模型可通过拉伸得到，在建模时应特别注意拉伸体、倒角及螺纹孔这三个主要特征以及他们的关系。
2 螺母底面在草图中的尺寸约束

图2 绘制基圆

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 图3 绘制六边形

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图4 添加几何表达式

螺母底面为六边形，在草图中选s作为主要参数驱动图形。进入草图模式，如图2所示，绘制一个圆，圆心约束在坐标中心，标注直径尺寸，命名为s。如图3，绘制六边形，约束其六边外切与s圆、六边相等及对边互相平行。退出草图模式，选Tools—〉Expression（Ctrl+E），点选几何表达式按钮，选取对角线距离作为一个参数，命名为e，如图4。最后绘制一个圆，约束为与s圆同心，直径为e。
3 螺母实体的生成及倒角
拉伸六边形，高度值在表达式中命名为m。拉伸e圆，高度为m（e圆拉伸出来的圆柱是为了在螺母上倒角而增加的辅助实体，高度值随主要参数m变化）。在e圆柱上偏置倒角，偏置值e/2-s/2（UGNX允许直接输入公式作为参数值），角度30度。交集运算e圆柱和六方柱得到螺母实体。在螺母中心放置孔特征，参数命名为D。
至此，我们在草图空间建立了螺母底面的草图模型，由一个主要参数s驱动。模型中的所有图形相对于坐标轴完全约束，其尺寸和位置关系能协同变化，系统自动把尺寸约束转化为系统参数，是整个模型的参数化的核心，其修改可以进入草图修改或由表达式修改。另外，该模型引入了一个距离值作为参考参数，在倒角的建立中，倒角偏置参数由表达式（e/2-s/2）负责传递相关参数，使图形具有相关性的特点。

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五．参数化模型基础上的三维零件库

1 创建三维零件库的基本原理
根据相似性原理对需要建库的零件进行分类，确定其能够完整表示零件族或零件系列所有零件特征的复合零件。复合零件是在UGNX环境下用交互方式创建的三维零件模型，我们称其为三维零件样板。复合零件综合了该零件族所有零件个体的形状和结构特征，即基于复合零件可以派生该零件族的任何一个零件，零件可以继承复合零件的全部特征或部分特征。之后，在三维零件样板的基础上确定一组设计参数来控制模型的形状和拓扑关系，并建立零件族设计参数的系列尺寸。最后，通过选择不同系列尺寸来自动生成零件的三维模型，从而实现三维零件库的创建。
2 生成三维零件样板
利用UGNX的Part families工具可以方便的定义零件主要参数生成系列化零件数据库。进入Tools—〉Part families，选取表达式中的D、m、s作为提取参数，设置好保存目录，选择Create命令进入Excel工作表。在Excel里面，根据标准零件系列尺寸或标准件的标准规格尺寸录入零件控制参数的值。如图5所示。保存族并退出Part families，带Excel参数表的三维零件样板生成。

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图5 Part families中录入数据

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 图6 引入样本库

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3 三维零件库的调用
三维零件样板作为装配件引入主模型，如图6，在匹配成员列表里面会出现之前我们在Excel工作表里面录入的所有规格，选择需要的规格加入，这样零件生成。如图7。

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图7 根据样本生成的系列零件

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六．结论

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利用UGNX提供的强大相关参数化建模功能，能够方便编辑修改，加速设计进程。在相关参数化模型基础上，借助零件族的Excel工作表，可以快速准确地创建标准件、通用零件及产品系列化设计的三维模型库。本文提出的建库方法简单，不需要编程，不涉及复杂的数据库技术，很适合产品设计和开发人员。