基于UG參數(shù)化的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、引言
    在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，零件不單單是孤立的幾何元素。從設(shè)計(jì)到制圖、數(shù)控加工、分析和裝配都存在著相關(guān)性。相關(guān)性設(shè)計(jì)為我們提供了非常方便的修改產(chǎn)品的方法，減少了重復(fù)性的工作，保持了信息的一致性，是支持并行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)技術(shù)之一。 運(yùn)用現(xiàn)代的CAD技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)化建模，可以用參數(shù)建立起零件內(nèi)各個(gè)特征之間的相關(guān)關(guān)系和不同部件中幾何體的相關(guān)關(guān)系。通過(guò)對(duì)部件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化性能的目的。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的關(guān)聯(lián)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)部件的關(guān)聯(lián)改變，可以有效地減少設(shè)計(jì)改變的時(shí)間及成本，并維護(hù)設(shè)計(jì)的完整性。

    二、產(chǎn)品設(shè)計(jì)
    產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括零件設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以先設(shè)計(jì)組成產(chǎn)品的每一個(gè)零件，然后再進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，這是一種自底向上(Bottom-Up)的設(shè)計(jì)方法；二是用自頂向下(Top-Down)方法，即從裝配到零件的設(shè)計(jì)，先建立裝配結(jié)構(gòu)，逐步添加零件或設(shè)計(jì)幾何，產(chǎn)生子裝配或部件；三是上下文設(shè)計(jì)(Context-Text)，利用裝配結(jié)構(gòu)中其他部件的信息設(shè)計(jì)零件幾何。
    在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)綜合運(yùn)用上述方法。設(shè)計(jì)一個(gè)新產(chǎn)品，可以先用自頂向下的方法構(gòu)造出產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)裝配關(guān)系把產(chǎn)品分解成若干零部件，確定這些零部件之間的幾何和位置的約束關(guān)系，根據(jù)這些約束條件再對(duì)零部件進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。一個(gè)零部件中不僅保存著自身特征和屬性信息，也保存著與其他零部件之間的聯(lián)系信息，當(dāng)自身發(fā)生改變時(shí)，可以自動(dòng)傳遞到其他相關(guān)零部件，使相關(guān)零部件發(fā)生更新；相應(yīng)地，其他相關(guān)零部件的變化亦能驅(qū)動(dòng)自身作出變化，從而保持了整個(gè)產(chǎn)品的一致性和完整性。

    三、設(shè)計(jì)實(shí)例
    1．設(shè)計(jì)對(duì)象及要求
    本例的設(shè)計(jì)對(duì)象是一真空泵，其工作原理是通過(guò)一個(gè)連接在皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的曲軸帶動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而排出缸體腔內(nèi)的空氣，達(dá)到消磁和干燥的目的，如圖1所示。
   
               圖1 泵體結(jié)構(gòu)
    2．關(guān)鍵參數(shù)的確定
    真空泵的性能取決于它每分鐘能排出空氣的體積。
    空氣體積=面積×距離=（π×（活塞直徑/2）2）×（2 ×（曲軸軸柄長(zhǎng)度））
    排量=空氣體積×曲軸轉(zhuǎn)速
    其中關(guān)鍵的參數(shù)為：
    活塞直徑：sxh_piston_dia
    曲軸曲柄長(zhǎng)度：sxh_throw
    曲軸轉(zhuǎn)速：sxh_rpm
    排量：sxh_rating
    3．目標(biāo)函數(shù)的確定
    sxh_rating=（π×（sxh_piston_dia /2）2）×（2×（sxh_throw））× sxh_rmp
    4．設(shè)計(jì)方案綜述
    設(shè)計(jì)軟件采用UG-NX，基于自頂向下(Top-Down)原則對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)和UG-WAVE技術(shù)建立起零部件之間的幾何和位置的相關(guān)性，然后再根據(jù)約束條件對(duì)零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成產(chǎn)品的裝配模型。利用UG的電子表格，根據(jù)排量sxh_rating的要求，采用目標(biāo)搜索的Regular Falsi方法確定曲軸轉(zhuǎn)速sxh_shaft_rpm的最佳值。根據(jù)轉(zhuǎn)速和排量的要求，采用目標(biāo)搜索的Newton Raphson方法確定曲軸軸柄的長(zhǎng)度sxh_throw。最后根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)sxh_throw的新值，用UG的根部件級(jí)聯(lián)更新的方法更新全部零部件。
    5．設(shè)計(jì)步驟
    （1）建立產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)
    在UG裝配模塊下，新建sxh_assm裝配文件，然后用添加新組件的方法創(chuàng)建空的零件文件，如圖2所示。
   
                     圖2 裝配結(jié)構(gòu)
    這些零件與活塞直徑和曲軸軸柄長(zhǎng)度是參數(shù)相關(guān)的。
    （2）零件建模
    根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)sxh_piston_dia和sxh_throw，對(duì)上述零件進(jìn)行建模。這些零件都依賴于關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)參數(shù)發(fā)生改變，零件模型相應(yīng)作出更新，如圖3和圖4所示。
   
       圖3 基于參數(shù)sxh_piston_dia的活塞#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
   
       圖4 基于參數(shù)sxh_throw的曲軸
    （3）零件裝配
    使用UG組件匹配功能建立起上述零件的裝配結(jié)構(gòu)。
    （4）使用UG幾何鏈接器根據(jù)幾何關(guān)聯(lián)創(chuàng)建其他零件
    曲軸箱蓋和缸頭蓋等零件使用UG-WAVE技術(shù)，分別基于曲軸箱和缸體的幾何和位置關(guān)系創(chuàng)建而成。如曲軸箱蓋sxh_cover的創(chuàng)建，先把曲軸箱零件sxh_crankcase中的輪廓草圖和參考基準(zhǔn)鏈接到sxh_cover零件中，以鏈接過(guò)來(lái)的基準(zhǔn)為基準(zhǔn)創(chuàng)建草圖，并建立和鏈接草圖的幾何約束關(guān)系，如圖5所示。這樣就在曲軸箱和蓋之間建立了相關(guān)性，當(dāng)曲軸箱更改時(shí)，蓋也將作相應(yīng)更新。
   
               圖5 建立曲軸箱、蓋間鏈接關(guān)系
    6．優(yōu)化設(shè)計(jì)
    利用UG的電子表格對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
    （1）利用目標(biāo)分析（Goal Analysis）確定曲軸轉(zhuǎn)速（sxh_rmp）的大致范圍，如圖６所示。
   
                圖6 目標(biāo)分析結(jié)果
    （2）采用Regula Falsi的目標(biāo)搜索方法確定曲軸轉(zhuǎn)速的最佳值，如圖7所示。
   
                圖7 目標(biāo)搜索結(jié)果
    根據(jù)排量sxh_rating值要求達(dá)到350升/分鐘，確定參數(shù)sxh_rpm最佳值為576.3153rmp。
    （3）確定皮帶輪直徑和曲軸軸柄長(zhǎng)度。
    根據(jù)“皮帶輪直徑×曲軸轉(zhuǎn)速=電機(jī)帶輪直徑×電機(jī)轉(zhuǎn)速”以及排量計(jì)算公式，滿足條件在曲軸轉(zhuǎn)速為576rpm的情況下泵排量達(dá)到350升/分鐘，采用目標(biāo)搜索的Newton Raphson 2D方法來(lái)求解皮帶輪直徑和曲軸軸柄長(zhǎng)度，如圖8所示。
   
                圖8 目標(biāo)搜索結(jié)果
    （4）更新部件
    根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，參數(shù)sxh_throw已發(fā)生改變，使用根部件級(jí)聯(lián)更新（Root Part cascade）的方法，UG能夠自動(dòng)對(duì)所有與參數(shù)sxh_throw相關(guān)的零件進(jìn)行更新。

    四、結(jié)束語(yǔ)
    在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，充分運(yùn)用先進(jìn)的CAD軟件，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以有效地提高設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。在對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行優(yōu)化及升級(jí)改造時(shí)，可以依據(jù)原有設(shè)計(jì)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件及裝配模型的更新，減少再設(shè)計(jì)時(shí)大量的重復(fù)性工作，從而減低產(chǎn)品的成本并提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。