UG NX7.5高级应用教程 教学课件 ppt 作者 钟奇 第3章 产品设计及其装配

第3章产品及其装配本章重点： 本章重掌握和理解现代工程软件UG环境下，产品的开发过程及不同设计阶段的任务、作用，并理解UG设计与传统设计的优劣性。 本章难点： 如何理解并行设计中各模块间的联系，这些联系通过什么方式在UG环境下体现出来等内容是本章的难点。 UG环境下，进行产品开发与传统模式下的产品开发有着明显不同的过程，其工作效率、控制方式、文件管理都是大不相同。传统设计模式的复杂性、效率的低下性、团队合作的困难性等难以保证其满足现代环境下快速多变的设计需求，这要求必须要用新的设计模式来代替原有的设计模式。 目前，有多种工程软件能满足这种需求，如UG、PRO/E、Catia、SolidWorks等多种软件，在这些软件中，UG是最为优秀的软件之一。UG可以实现从产品概念设计到定型设计、产品加工、模具设计、仿真分析等一系列过程的完整管理与服务，即所谓的全生命周期管理软件。目前的相关教材多数停留在单个零件的造型、加工、工程图、模具设计等基本应用阶段，没有将UG的整个产品的完整开发作为重点来讲解，没有逃脱传统的设计模式，本章将介绍如何通过一个团队，对一个复杂产品进行高效率开发、组织及管理等内容。3.1机械设计过程比较 图3-1传统的机械设计过程其特点是： （1）所有环节都是依靠设计者用手工方式来完成的，从而具有速度慢，可修改性差，不便检查。一般而言，传统设计是凭藉设计者直接的或间接的经验知识，通过类比分析法或经验公式来确定设计。方案选定后按机械零件的设计方法设计零件或按标准选用零件，最后绘出整机及部件的装配图和零件图，编写技术文件，从而完成整机设计。 （2）传统的机械设计方法，设计者的大部分时间和精力都耗费在装配图和零部件图的绘制（绘图工作约占设计时间的70%左右）上，因而对整机全局的问题难于进行深入的研究，对于一些困难而费时的分析计算，常常只得用作图法或类比定值等粗糙的方法，因此方案的拟定在很大程度上取决于设计者的个人经验，在分析计算工作中，由于受人工计算条件的限制，只能采用静态的或近似方法而难以按动态的或精确的方法计算，计算结果未能完全反映零部件的真正工作状态，影响了设计质量。自顶向下的设计方法具有诸多好处： （1）设计者可以将大部分精力用于解决全局性问题而不是画图工作； （2）应用WAVE设计模式，产品具有关键参数控制功能，保证了相连部件间的尺寸关 联，达到尺寸的一致性； （3）使用三维设计，可以很形象地看到部件的每一个细节，从而判断其正确与否；3.2工具及设置 UG环境下有常见的七种设计工具，下面做简单介绍。 3.2.1装配导航器3.2.2WAVE几何链接器3.2.3部件导航器3.2.4关联性管理器3.2.5部件间链接浏览器 “部件间链接浏览器”主要用来浏览各部件链接关系，并可编辑修改这些链接。3.2.6WAVE属性链接器“WAVE属性链接器”可链接装配中各几何体之间的公差。3.2.7关系浏览器 UG中“关系浏览器”提供了部件间链接关系的图形信息，单击“装配”工具栏中的“WAVE”“关系浏览器”可以启动关系浏览器如图3-12所示。 通过该浏览器可以很清楚地看到各部件间的链接信息，从而掌握链接的来龙去脉，正确理解部件链接途径，并诊断链接的正确性。3.3参数化技术 在UG的产品设计中，时常用到参数化这个概念，那么，什么是参数化技术？参数化设计（Parametric）设计（也叫尺寸驱动Dimension-Driven），是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。 参数化技术大致可分为如下三种方法：（1）基于几何约束的数学方法；（2）基于几何原理的人工智能方法；（3）基于特征模型的造型方法。参数化设计有一种驱动机制即参数驱动，参数驱动机制是基于对图形数据的操作。通过参数驱动机制，可以对图形的几何数据进行参数化修改。 3.3.1零件内参数化建模一.UG表达式 在进行参数化操作举例前我们先来看看UG中的表达式，因为在进行操作时，我们常常用到这些表达式，如果设计人员不能理解这些表达式，你可能难以设计出你希望的东西。 表达式就是由常量、变量、函数、运算符号组成的有意义的式子。在UG中，表达式符合C语言的运算规则。 二.零件内参数化举例 零件内参数化就是将一个零件用若干个参数来驱动，通过修改驱动参数，可以达到修改整个零件的目的。零件内参数化作图，可以全部用参数驱动，也可以部分使用几何约束来限定图形的形状与位置，如保证两圆同心，两线平行等等可以使用几何约束来完成，从而减少尺寸约束的数量。 在“表达式”对话框中的“公式”处输入上面的公式1等号右侧的内容，即： IF(d0=8)8.7ELSEIF(d0=9)9.8ELSEIF(d0=10)10.8ELSEIF(d0=11)11.8ELSEIF(d0=12)13ELSEIF(d0=13)14.1ELSEIF(d0=14)15.1ELSE16.2 d1=IF(d0=8||d0=9)1ELSEIF(d0>=10&d0<=12)1.5ELSE1.7。 作外圆的直径尺寸约束，公式为：1.4*d1。 现在，请用“草图操作”工具条中的“镜像”命令，对刚才作的内外圆以Y轴进行镜像，并进行修剪，结果如图3-17所示。 图3-17修剪后的结果图3-18成型后结果 现在完成草图操作后，使用“拉伸”命令对草图进行拉伸，并在“拉伸”对话框中的“距离”右侧的下拉框中输入公式2中等号右侧的内容： IF(d0=8||d0=9)0.6ELSEIF(d0>=10&d0<=13)0.8ELSE13.3.2零件间参数化建模 在UG环境下，要实现部件间的链接的途径是很多的，常用的方法有：使用“WAVE几何链接器”、使用装配导航器中的“WAVE”弹出菜单中各命令项、通过公式编辑完成链接，即在图3-2中的“表达式”对话框中，通过“创建部件间的引用”命令及“编辑部件间的引用”这两个命令来进行。下面我们通过例子，来说明这些方法的使用。 一.WAVE几何链接器与零件间参数化建模举例 建立一个零件L1.prt，并保存，如图3-19所示。该零件十分简单，目的是让读者容易理解操作过程。 组件L2与组件L1进行链接 可使用“部件间链接浏览器”查看部件间的链接情况二.通过“表达式”进行部件间链接可以通过“表达式”进行部件间链接三.通过“WAVE”弹出菜单进行部件间链接“将几何体复制到组件”操作过程“将几何体复制到部件” “将几何体复制到新部件” “复制组件为”在添加现有部件操作中，可以修改“图层”、以及“引用集”等项目。四.进行特征抑制可以抑制部分特征，从而改变显示效果或部件结构特征被抑制效果3.3.3设计装配 一.设计装配概述 设计装配的过程： 设计装配的操作过程可归纳为： （1）总装配组件XX-ZP设置为工作部件。 （2）用“装配”工具条中“创建新组件”命令建立新的组件或用WAVE功能建立新的级别来地建立组件。 （3）将新组件设置为工作部件。 （4）使用建模命令中各种必要的命令来建立新组件的三维模型，这个过程与平时建立单独的三维模型没有区别。需要注意的是，如果组件间需要关联，可以使用WAVE链接。 （5）重新将总装配设置为工作部件。 （6）使用“配对组件”命令或“重定位”命令将新建立的组件装配到总装组件中。 不断重复（2）~（6）步，可以完成所谓的设计装配。如果一个系统复杂，工作量大，可以使用并行设计模式进行同步设计。二.设计装配实例 设计此时效果如图3-33所示设计过程 建立草图 拉伸 修剪 建立手机组件及柄部草图 修剪得到手柄形状 类似地，建立其他零件，并完成操作 操作完成后装配导航器效果完成单边剪刀装配完成对称装配，得到最终效果3.3.4克隆装配克隆装配就是将现有的装配进行克隆复制 通过克隆装配，可以对克隆后的结构进行修改3.3.5链接查询与更新 在UG中，当一个装配完成后，其内部可能有若干链接，如果是一个复杂的机器，其装配可能是分模块的，这时，链接状态可能是很复杂的，我们如何观察这些链接情况、以及当这些链接的部件中的一部分修改时，其它部分未得到及时修改，因此如何更新各部件就显得特别有意义了。 一.图表观察 在“WAVE”菜单中，提供了三种图表命令，分别是：“当前装配的WAVE图表”、“当前会话的WAVE图表”及“查看保存的图表”。二.部件间链接浏览器查询三.链接更新 一般情况下，当链接的源点数据修改（祖先）后，链接的后续点（子孙）就会跟着修改，即自动更新，但当装配没有同时打开，只是打开其中一个部件进行修改，这时的装配就没法更新；或者设置了延迟更新。这些都会让更新不能及时实现，此时，可以使用更新工具来更新链接的数据。3.4系统工程与自顶向下产品设计自顶向下设计是系统工程的内容，系统工程的思想是将一个大的工程分解为多个有逻辑关系的子系统或称为模块，每个子系统有自己的设计准则、设计约束；每个子系统可以相互独立地进行设计，从而实现所谓的并行工程。例如，设计一架飞机，可以分为机身、航电、动力等等模块，这些模块间有联系，但又有内部的独立性，因此，只要理清了系统间的关系，一个子系统内部是可以独立进行设计的，因此，用系统工程的方法，可以同时设计机身、航电、动力等不同部件；当然，每个子系统又可以再次进行细分成若干下级子系统来由不同的设计团队完成，这样一个团队只须关心自己的设计模块，从而提高了设计的效率；按类似方法，不断将子模块进行细分，直到最后将系统细分到具体的零部件为止，是所谓的自顶向下设计模式3.4.1产品设计过程一.系统设计的约定 在使用UG进行产品设计前，先要对产品设计有关事项进行约定，以便设计时各设计组成员能统一行动，各模块的设计工作能同时进行而不会相互矛盾与干扰，减少不必要的麻烦。 1．必须仔细 2．统一命名规则 对于零件命名： （1）以整个系统的名称作为命名零件的首字串‘ （2）模块名统一给出，模块名尽量简短，后面再跟模块内的子模块名或零件名。 （3）标准件使用标准名称加规格。 （4）对引用集命名 （5）草图命名 （6）表达式名可以依照引用集的形式来进行，不过将引用集中的Ref修改成EX即可。 （7）零件图与工程图可以在工程图后面加-DWG来区分。 3．统一文件存储位置 4．统一图层设置 实体：1-10层 片体：11-20层 草图：21-40层 曲线：41-60层 基准：61-80层 其它：101-256层二.定义产品控制结构需要注意的事项 在产品设计时，要认真进行控制结构设计，确定管理维护人员，这些数据的存放位置，然后再进行部件的建立。在建立控制结构图时，可以考虑这些问题： （1）产品的总体控制参数有哪些？ （2）模块划分的原则是什么？ （3）顶层数据的设置要合理。 （4）分清各模块能否再细分为更多的下级模块，直到最底层时能够以零件的形式出现，从而便于进行细节设计。三.产品控制结构图 完成一个复杂的产品设计，首先需要花很多精力完成其控制结构图，以保证后面的操作顺利进行，改动少。 控制结构图分四个部分： 第一部分是控制结构层 第二部分是起始部件层 第三个部分是引用集 第四部分是连接部件部分3.4.2产品设计实例 为了让读者掌握产品的设计过程，下面以多个实例来进行说明。 一.电冰箱设计 设计后的电冰箱如图3-62所示。1.结构分析 首先分析下电冰箱的结构与组成。这部分要认真组织分析，不能粗心，重要部件及参数不能遗漏，否则为后续操作带来不便。 1．电器部分：包括输入电源、指示灯、温控器、控制电路等部分。 2．制冷部分：压缩机、冷凝器、蒸发器、节流器； 3．箱体部分：箱体外壳、冷冻室内胆、冷藏室内胆。 4．箱外壳：外壳、冷冻室门、冷藏室门、填充保温材料。 5．冷冻室：包括内胆、箱内支架。 6．冷藏室：包括内胆、内部支架。 每一个主要部分又可以细分，如压缩机，又可分为电动机、压缩泵、密封外壳等。还可细分，如电动机又分为定子、转子、支撑架等。如此还可继续分到单一零件为止，比如分到一个螺丝、垫片等。但为了问题讨论的简单化，我们假设以图3-63的底层作为最终部件，而不具体到每一个单一零件（其实他们可以继续细分）。因此这样的划分非真正的最终单一零件，这样做的目的是节约篇幅，同时又能让读者明白设计过程。2.主控制结构 顶层控制过程： 1、建立表达式 新建文件BX_CS，使用“工具”“表达式”来建立如下表达式： BX_CS_H=1500；//冰箱总体高 BX_CS_LDS_H=800；//冰箱冷冻室高 BX_CS_L=550；//冰箱厚度 BX_CSZ_W=650；//冰箱宽度 BX_CS_YSJ_H=300；//压缩机高 BX_CS_YSJ_R=90；//压缩机半径 BX_CS_LQG_R=5；//制冷管路半径 2、建立箱体控制结构 3．建立布局草图3.建立下级层建立冷藏室的草图及定位基准面建立内胆和支架 建立制冷部件的下级部件3．建立各级部件实体箱外壳制作：冷冻室门制作：4.建立起始部件 5.建立引用集 引用集的作用是进行数据传递。为每一个起始部件建立一个或多个引用集。 操作步骤： （1）将上面建立的起始部件BX-CS-ZL_JLQ_start设置为显示部件。 （2）单击“格式”“引用集”，弹出“引用集”对话框。 （3）单击“添加新的引用集”按钮，将“引用集名称”修改为“BX-CS-ZL_JLQ_REF”并按回车键。 6.建立连接部件引用集是进行数据传递的。完成了所有连接部件后的“当前装配的WAVE图表”7.装配“添加组件”。 安装外壳8.爆炸图、装配顺序9.小结 通过上面的UG环境下设计演示，可以看到，在完成了高级布局后，通过仔细分析，对系统划分若干子系统（模块），然后再将子系统继续往下细分，直到最终部件为单一零件为止，这样就得到了系统的总体布局结构。如果系统复杂，可以只分大模块，小模块由负责该模块的工程人员再继续细分，这样就可以进行并行设计，提高工作效率。 当零件已经划分到单一零件后，就要对每一个单一零件进行实体设计，设计出该零件的细节，然后为每一个零件建立起始部件，并建立相应的引用集，再以相应的引用集为源引用集来建立连接部件，并以连接部件完成最终装配。在整个设计过程中，起始部件是沉余设计，但也是装配中细节设计的起始环境。 读者可以认真理解上述设计过程，建立自己的设计模型，为进行大型设计打下基础。二.弹子挂锁设计 设计如图3-88所示的锁系列，让锁型号来控制结构。 1.控制结构图 2.建立控制部件3.建立实体 设计钥匙验证“表达式”链接方式完成链接。4.锁的细节设计（2）锁芯细节设计 锁体细节设计（3）锁舌弹簧的设计5.制作起始部件、引用集、连接部件（1）制作起始部件为每一个零件建立起始部件，过程可以参照冰箱设计过程。 （2）建立引用集 为每一个起始部件建立连接部件。6.锁的装配 下面就来进行装配操作： （1）在设计完上面的控制结构后，直接单击“文件”“全部保存”，以便保存所有新制作的文件。 （2）单击“新建”按钮，新建一个名为DZS_AS的文件作为装配总体结构，然后进入到装配环境中，单击“装配”工具条中的“添加组件”按钮，弹出“添加组件”对话框，单击“已加载的部件”列表框中的锁外壳（DZS_AS_ST_YK.prt）文件，然后将“定位”改为“绝对原点”，引用集“ReferenceSet”修改为“DZS_CS_ST_YK_REF”，单击鼠标中键，完成该部件的添加。安装时只安装连接部件；同理，完成其它部件的添加。3.5传统装配 一般地，产品的三维模型设计完成后，就要进行三维装配，而三维装配可以按前面的实例进行绝对定位装配，UG中还提供了约束装配。 所谓约束装配，就是通过对两个要装配的对象使用多种约束，以保证对象间的相对位置。为了让读者能理解其中的各项操作命令，制作减速器进行装配练习。3.5.1装配实例 一.减速器的装配 减速器由小齿轮组件、大齿轮组件、箱体组件三大部件组成，或者说是三个主要模块，因此，可以先对这3个模块进行部分装配，然后再将这3个部件装配成一个整体，再做其他处理，这样装配便于完整操作。 1．安装小齿轮组件 装平键 添加标准件轴承 装配另一轴承及平键2.安装大齿轮组件装轴承3.安装箱体4.总安装5.制作剖面并修改可视化效果 剖切面颜色修改6.制作爆炸视图7.制作运动仿真二.运动转换装置装配 注意：在这里装配时，初学者极易犯一个错误，就是用“中心”命令进行装配，结果使后面的装配难于进行，也不能进行运动仿真，其错误操作过程如图3-143所示。3.5.2运动仿真基础 一.运动仿真基本过程 UG的运动仿真能对二维或三维的机构进行复杂的运动学、动力学分析及设计仿真。可以完成装配分析，运动合理性分析等功能，完成诸如受力分析、加速度、速度、位移等随时间变化关系分析等。对于一般机械的运动仿真可以进行刚体或柔体仿真。 对于运动仿真，大体步骤如下： 1．建立一个运动分析场景； 2．进行运动模型的构建，包括设置每个零件的连杆特性，两个连杆间的运动副，添加机构载荷等操作； 3．进行运动参数的设置，提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动画的输出和运动过程的控制； 4．运动分析结果的数据输出和、变化曲线输出，人为的进行机构运动特性的分析。 5．如果是柔体进行运动仿真，还需要在运动仿真前进行如下操作： （1）对给定材料进行柔体设置；（2）在运动仿真中定义柔性连杆。 二.实例演示 实例1机械手运动仿真分析清楚机械手的动作关系添加STEP函数，并根据上面表3-1的运动流程关系，添加公式如下：STEP(time,155,45,200,-10)+STEP(time,355-10,400,45)（式1） 实例2四杆机构运动分析 运动分析图的制作受力及运动分析三.运动仿真中的函数 1.FORCOS(x,x0,w,a0,...,a30)函数 该函数返回傅里叶余弦级数值，函数变量为X，初始偏置为X0，基本系数W，a0~a30共31个参数是级数系数。其格式可以理解为： 傅里叶余弦级数的数学表达式是： 因此，该函数的意义可以理解为： 其中，在UG中，n最大只能取到30以内的整数，在操作时，可以取少于30的有限个数字。 例如： FORCOS（time,0,360,1,10,20,30,40）（注：这里只取了a0~a4） =1+10*COS(1*360*TIME)+20*COS(2*360D*TIME)+30*COS(3*360D*TIME)+40*COS(4*360D*TIME) 2.FORSIN(x,x0,w,a0,...,a30)函数 该函数是返回傅里叶正弦级数值，其参数与上面的FORCOS函数类似，第J项级数公式为： 由于正弦级数的数学表达式是： 因此，整个函数可以理解为： 例如： FORSIN(TIME,-0.25,PI,0,1,2,3) =0+1*SIN(*(TIME+0.25))+2*SIN(2*π*(TIME+0.25))+3*SIN(3*π*(TIME+0.25)) 在上面的参数中，PI表示圆周率π，是系统默认常数。 3.CHEBY(x,x0,a0,...,a30)函数 该函数用来返回一个切比雪夫多项式的值，其中的参数是： X变量，x0是变量的偏量值，a0~a30共31个参数是多项式的系数。函数的定义形式可以这样理解： 其中，Tj级数项的递归定义为： 当T0(x-x0)=1,及T1(x-x0)=x-x0时 “j”序号取0~n的正整数。也就是参数a0~a30中的序号。 由此可以得到： 例如：CHEBY(TIME,1,1,0,-1) 这个函数的结果是： CHEBY(TIME,1,1,0,-1)=1+0*(time-1)-1*[2(time-1)2-1]=2*time2-4*time 4.POLY(x,x0,a0,...,a30)函数 该函数返回一元多项式的值，其格式是： POLY(x,x0,a0,...,a30)=a0+a1(x-x0)+a2*(x-x0)2+...+an*(x-x0)n 如：POLY（time，0，1，2）=1+2*time 这实际是一个随时间不断增加的线性函数。如果你增加一个参数a2=0.1，于是上面方程便是POLY（time，0，1，2，0.1）=1+2*time+0.1*time2，由于出现了平方值，可以看到POLY的增加会是越来越明显地增加。 5.SHF(x,x0,a,w,phi,b)函数 该函数是一个正弦周期函数，是简谐振动函数，因此可以用来实现振动等周期性变化的关系模拟，函数返回结果是：SHF=a*SIN(w*(x-x0)-phi)+b 其中： X，变量；x0,初偏相位；a,振幅；w频率,phi,相位角；b，位移偏量；这些参数除了X外，其余都可以是常量、函数表达式或设计变量； 6.STEP(x,x0,h0,x1,h1)与HAVSIN(x,x0,h0,x1,h1)函数 STEP是3次多项式逼迫阶跃函数，而HAVSIN则是半正矢阶跃函数，这两个函数的参数一样，操作方法类似。其中参数意义是： X为变量，是时间或时间的表达式； x0，x1分别是变量x的初始值与终止值，可以是常量、函数表达式或设计变量； h0，h1分别是STEP（或HAVSIN）函数的返回值的初始值与终止值，可以是常量、函数表达式或设计变量； 整个函数可以理解为当x从x0变化到x1时，相应地，函数STEP（或HAVSIN）的值由h0变化到h1。因此，利用这两个函数可以进行时间分段。 如：时间从0变化到20时，STEP从0变化到40，当时间从30变化到50时，STEP从40变化到0，这样就可以写成： STEP(time，0，0，20，40)+STEP(time，30，50，40，0)； 7.IF(x:e1,e2,e3)函数 该函数是判断函数，其中的结果是当x<0时，函数结果为表达式e1，当x=0时，函数结果为表达式e2，否则，当x>0时，函数结果为表达式e3；其中，x可以是常量，表达式或设计变量；该函数可以表述为： 如：对于一个转动副，我们当时间小时50时，使用振动，而时间大小50时，使用转动90º角度，就可以这样写了： IF（time-50，SHF(x,0,20,0.1,0,0)，0，STEP(time，50，0，100，90)） 其中，用time-50作为判断条件，用SHF实现振动，用STEP实现旋转90º角度，注意STEP函数的时间点是从50至100！ 8.BISTOP(x,dx,x1,x2,k,e,cmax,d)函数 它在UG里的格式是BISTOP(x,dx,x1,x2,k,e,cmax,d)这里它由八个参数定义。BISTOP是双侧碰撞函数，返回的是力。 BISTOP的触发是由两个边界条件确定的，即x1和x2，当x值大于或等于x1且小于或等于x2时，函数值为0，当x值大于x2或小于x1时， 它的值是不同的。 当x小于x1时,返回值是： 当x大于x2时，返回值是： 各种参数表示意义可以从IMPACT里推出来，它只是多了一个x2。 9.IMPACT(x,dx,x1,k,e,cmax,d)函数 是单侧碰撞函数。使用该函数时，可参考上面的BISTOP函数。返回的是力。 x：是一个位移函数的返回值； dx：是一个速度函数的返回值(位移函数和速度函数在ADAMS-VARIABLE里的DX,DY,DZ,VX,VY,VZ)； x1：可以定义成一个实数，一个函数或者一个表达式 k：可以定义成一个实数，一个函数或者一个表达式； e：可以定义成一个实数，一个函数或者一个表达式； cmax：可以定义成一个实数，一个函数或者一个表达式； d：可以定义成一个实数，一个函数或者一个表达式； 当x值大于x1时，IMPACT函数值是无效的，只能当x值小于或等于x1这个触发变量时，它才有效。在数学上，它所计算的值是这样的： MAX{0，k(x1-x)^e-cmax*dx*STEP(x，x1-x，1，x1,0)}。 它返回的值是力，一般用来描述非线性弹簧或阻尼所产生的作用效果。力的效果由以上七个参数确定。但是可以从表达式中看出，可以通过定义不同的刚度系数和阻尼系数实现纯弹簧和纯阻尼的设置。还可以用来描述接触碰撞所产生的力，因为接触碰撞也可以转化成类似弹簧模型。 本章小结 本章介绍了两种装配操作方式，是日常工作中常用的设计与操作模式，同时在介绍装配的过程中还简要地介绍了运动仿真、爆炸图等内容，也是实际工作中要用到的，读者可以通过这些实例，掌握基本的操作规则，但要得到良好的学习效果，还要进行相关的练习。