机械产品变形设计策略

2024-09-16

机械产品变形设计策略（精选3篇）

机械产品变形设计策略篇1

前言

Unigraphic NX是目前最受欢迎的3D设计软件之一, 其功能强大, 模块丰富, 在机械设计中应用非常广泛。Unigraphic NX不仅有建模模块可以实现3D建模, 还有运动分析模块可以实现对运动状态的模拟分析, 便于设计者直观地判断干涉情况、空间使用情况、部件运动的中间状态等, 是非常实用的功能。但由于绝大多数的使用者设计的产品对部件运动状态的分析要求较低, 频次不高但又有使用的需求, 在这种情况下单独购买运动分析模块就显得过于浪费。

文章作者在长期利用UG进行机械设计的过程中, 总结出了一种简单实用的方法, 利用最常用的设计模块———建模模块中的命令模拟部件的不同状态, 从而达到替代分析的目的。这种方法简单, 对使用者的UG技巧要求低, 且不需要另外购买运动分析模块, 在实际应用中已得到推广, 使用效果非常好。

1 常规解决方案及存在的问题

在机械设计中有时会出现一些部件状态在使用中会发生改变的变形设计, 大致可分为三大类:

一类为由于工作状态时和自由状态时参数不同, 形状随之改变的零件。例如压缩弹簧, 工作状态时压缩或拉伸弹簧, 弹簧的长度会发生改变。

第二类为装配后的形状会随装配条件而改变的零件。如通气的软管、产品设计中的胶条, 刚开始为自由状态的形状, 但因为它是装配在凹槽中的, 装配后就改变为凹槽的路径形状了。

第三类为一组装配件, 其内部部分部件的位置随着设计的改变而改变, 例如工装设计中的常用的气缸的伸缩量变化、滚动直线导轨中滑块位置的变化、电机接线盒根据安装空间不同选择不同的安装位置等。

以往对第一、二类情况的解决方案是:有多少个零件状态就设计多少个零件数模, 并赋予多少个文件名。但在装配结构中只装配原始状态的零件;对第三类情况的解决方案是:将每个零件做成一个文件, 然后将其装配起来, 形成一个装配文件。每个工作位置有一个装配文件。这两种解决方案的弊端有:

(1) 变形零件不同的工作状态占用一个不同的零件号, 数模管理起来困难。

(2) 由于加入到工装总成中的零件往往只有最初状态的一种, 而最初状态与实际工作状态存在差异, 这在数模上看就会出现干涉、装配位置不正确、零件状态与工作状态不符等错误显示。

(3) 由于零件状态不同命名也不同, 在对零件做修改时, 往往很难找到该零件的全部状态文件, 这就无法保证所有零件状态的关联更改, 使用中出现错误的概率很高。且同一个零件, 加工的状态一般为自然状态, 而装配的状态为工作状态, 这就会出现加工零件号与装配零件号不一致的情况, 易造成管理混乱。

(4) 该类需要做变形处理的零件一般都是使用量较大的标准产品, 但由于不同的需求下的使用状态需求千差万别, 很难设计出满足所有的使用状态的标准件, 导致这类零件很难实现标准化。

2 采用变形部件功能实现零件变形的解决方案

对于上述几种方法存在的问题, 经过实践摸索, 总结出来采用Unigraphic NX中的变形部件功能是一个很好的解决方案。

可变形部件命令设计的原理是:单个零件文件中, 将需要变形的参数或形状定义为可变形, 在设计中调用该零件时, 就可以在装配文件中改变其参数和形状, 同时可以保持零件源文件中的参数和形状不变, 这就达到了零件在单个文件和装配文件中可以有不同形状的目的。具体的设计方法有:

第一类零件例如弹簧类, 可以先按弹簧的自由高度设计, 然后使用定义可变形部件命令将弹簧的节距设置为可变形参数, 换算出弹簧的高度公式后保存, 在装配文件中根据工作状态设置不同的节距长度, 即可以呈现出不同的使用条件下的伸长量。

第二类零件以软管为例:先将软管按自由状态的形态绘制出, 然后使用定义可变形部件命令, 将软管的装配路径设置为可变形路径后保存, 在装配文件中根据装配形状的不同设置装配路径, 就可以适应于不同的装配形状要求。

第三类零件设计以气缸为例:虽然此类的零件为装配件, 但在建立数模时可以将其视为一个零件, 这样可以节约大量的取号资源。设计时利用可变形部件命令, 将活塞杆的伸缩量作为可变形参数保存, 装配文件中根据使用要求的不同利用变形命令调整活塞杆的伸长量, 就可以呈现出不同的状态。

使用定义可变形部件的方法来处理此类零件有如下优点:

(1) 由于用此类方法设计的变形零件只需要建立一个源文件, 其不同状态的呈现是通过在装配文件中设置变形参数和变形路径来控制的, 不需要根据零件状态的不同建立新文件, 数模层级清晰, 管理方便。

(2) 设计者只需要设计出一种默认的状态即可, 在工装夹具中变形零件的参数和形状由调用者来控制, 这使此类变形零件设计为标准件成为了可能。

(3) 在设计标准件时, 可以限定可变形部件的变形范围, 防止调用者在设计过程中将零件使用到不合理的状态, 例如:在气缸的设计中, 可定义气缸里的活塞杆的伸长量只能是从0到气缸行程之间变化, 电机接线盒的位置只能在0、90、180、270四个方面安装, 这就避免了出现气缸超行程使用和电机接线盒安装位置不符合厂家要求的情况出现。

(4) 调用者只需要简单的修改变形参数, 就可达到改变形状的目的, 操作简单, 容易推广。

(5) 在同一个装配文件中多次使用到同一变形部件时, 也可以方便地通过对每一次装配修改变形参数和装载路径而呈现出不同的使用状态, 所见即所得。

(6) 在工装设计中, 一般要研究部件的的使用状态、运动轨迹, 需要使用UG的高级功能———运动分析模块, 该模块对使用者的UG水平有较高的要求, 且购买运动分析模块价格昂贵。然而运用定义可变形部件命令, 只需简单的修改变形参数, 就可达到运动模拟的效果, 使用方法简单, 无需另外购买许可, 无需额外增加软件成本。

3 利用变形命令实现气缸数模变形

经过上文描述我们可以看到, 通过巧妙的利用变形命令可以表达出气缸、滑块、电机、弹簧等的不同工况的状态变化, 下文将以气缸为例, 介绍如何利用UG NX中的“deform”命令对零部件进行变形设计。

3.1 导入零部件数模

气缸厂家一般都可以提供产品数模供使用, 我们直接导出便可以应用, 在导出数模时有以下几点需要注意:

(1) 应用厂家软件可导出的三维数模的格式有多种, 但只有iges、step两种格式才能导入到Unigraphics NX中。又由于iges导出的为片体形式, 不能方便的进行操作, 因此建议导出的气缸数模格式为.step。

(2) 为了方便气缸做变形处理, 要求气缸体与活塞杆为分离式的, 亦即导出气缸体和活塞杆要以两个特征导出。

(3) PDM系统不能导入装配结构, 所以导出的数模不带装配结构。

3.2 设定需要变形的参数

既然想将气缸的活塞杆在气缸体中的位置能记录下来做变形处理, 就需要将活塞杆的伸长量做个参数设计, 以便能做将来的变形参数控制。由于导入到系统后的气缸数模呈现为非参的特征, 用一般的参数化设计命令已经不能满足要求, 这就要使用同步建模的命令来实现了。具体步骤为:

(1) 选择菜单中的“插入”-〉“同步建模”-〉“移动面”命令

(2) 在“选择面”选项中, 选择特征面, 选中活塞杆特征

(3) 在“选择变换”选项中选择距离作为变换方式

(4) 在“选择方向矢量”时必须选择气缸杆上的矢量方向。切记不能选择气缸的圆柱面, 否则将来更改气缸伸长量后发现气缸体与活塞杆脱离现象。

(5) 在距离中填写要移动的数值, 该数值一般为第一个使用者需要的数值, 也就是气缸夹紧时的气缸伸长量。

3.3 设置伸长量的抑制表达式

如果在上一步骤中“距离”值中填写的值不为零, 则此步省略

如果上一步中的“距离”为零的状态下就会出现错误提示“值必须大于零”。由于当移动距离设置为“0”时, 表示不移动, 而不移动又说明根本不需要移动命令, 故会出现错误提示。然而有时设计者就需要气缸伸长量为0时作为夹具的工作状态, 移动面用不了, 又不能形成变形的参数, 没办法对其进行控制, 这种情况下可以利用抑制表达式的命令来解决这个问题:

(1) 将伸长量随意写入一个不为0的值, 先保证移动面能正常操作。

(2) 选择菜单中的“编辑”-〉“特征”-〉“由表达式抑制”将移动面特征创建为抑制表达式。该表达式的值默认为1, 表示不抑制, 如果改为0, 则移动面的命令将被抑制掉。

3.4 修改该抑制表达式

在菜单中选择“工具”-〉“表达式”命令, 找到此抑制表达式, 修改其值为如下条件表达式:

该表达式中P0为气缸的伸长量, 也就是移动面的距离值。该表达式的意思是:如果气缸的伸长量为0的话, 那么移动面的命令将被抑制;如果不为0, 则移动面特征不抑制, 呈显示状态, 再找到移动面的表达式将其值改为0即可抑制命令而不出错。

3.5 设置气缸变形功能

选择菜单中的“工具”-〉“定义可变形部件”, 在弹出的选项框中选择除了气缸体外的所有特征加入到右边可变形部件特征框中, 如图2。

点击下一步将伸长量表达式添加到可变形的表达式中去, 选择表达式规则为“按整数范围”, 设定最大值为气缸的行程 (防止设计者将变形量设置超过气缸行程) , 点击完成, 完成设置。填写完必要的属性后点击保存, 完成变形气缸的设计。

4 变形气缸的使用

设计者将气缸装配到工装中, 选中气缸并通过右键选择“deform”命令, 设置变形量就可以达到模拟气缸打开状态的目的, 并通过建立正确的约束关系, 可以实现关联零部件的状态改变。

5 结束语

在工装设计中利用Unigraphic NX软件中的定义可变形组件功能处理变形零件和运动组件的多种状态的处理, 适用范围广, 难度低, 可以节约取号资源, 简化设计、扩充了标准化设计的模式, 给工装设计提供了一种提高效率的有效途径, 特别是利用变形功能来替代简单的运动仿真, 更是大幅降低了IT成本, 给工装设计开拓了一个新思路。