基于UG参数化的产品优化设计

一、引言

在产品设计过程中，零件不单单是孤立的几何元素。从设计到制图、数控加工、分析和装配都存在着相关性。相关性设计为我们提供了非常方便的修改产品的方法，减少了重复性的工作，保持了信息的一致性，是支持并行设计的基础技术之一。运用现代的CAD技术，对产品进行参数化建模，可以用参数建立起零件内各个特征之间的相关关系和不同部件中几何体的相关关系。通过对部件的关键参数进行调整，达到优化性能的目的。同时，通过设计时设定的关联参数，实现相关部件的关联改变，可以有效地减少设计改变的时间及成本，并维护设计的完整性。

二、产品设计

产品设计包括零件设计和装配设计。在进行产品设计时，可以先设计组成产品的每一个零件，然后再进行装配设计，这是一种自底向上(Bottom-Up)的设计方法；二是用自顶向下(Top-Down)方法，即从装配到零件的设计，先建立装配结构，逐步添加零件或设计几何，产生子装配或部件；三是上下文设计(Context-Text)，利用装配结构中其他部件的信息设计零件几何。

在产品设计中，经常会综合运用上述方法。设计一个新产品，可以先用自顶向下的方法构造出产品的基本结构，根据装配关系把产品分解成若干零部件，确定这些零部件之间的几何和位置的约束关系，根据这些约束条件再对零部件进行概念设计和详细设计。一个零部件中不仅保存着自身特征和属性信息，也保存着与其他零部件之间的联系信息，当自身发生改变时，可以自动传递到其他相关零部件，使相关零部件发生更新；相应地，其他相关零部件的变化亦能驱动自身作出变化，从而保持了整个产品的一致性和完整性。

三、设计实例

1．设计对象及要求
本例的设计对象是一真空泵，其工作原理是通过一个连接在皮带轮传动系统中的曲轴带动活塞进行往复运动，从而排出缸体腔内的空气，达到消磁和干燥的目的，如图1所示。

图1 泵体结构

    2．关键参数的确定
    真空泵的性能取决于它每分钟能排出空气的体积。
    空气体积=面积×距离=（π×（活塞直径/2）2）×（2 ×（曲轴轴柄长度））
    排量=空气体积×曲轴转速
    其中关键的参数为：
    活塞直径：sxh_piston_dia
    曲轴曲柄长度：sxh_throw
    曲轴转速：sxh_rpm
    排量：sxh_rating
    3．目标函数的确定
    sxh_rating=（π×（sxh_piston_dia /2）2）×（2×（sxh_throw））× sxh_rmp
    4．设计方案综述
    设计软件采用UG-NX，基于自顶向下(Top-Down)原则对产品进行设计，根据关键参数和UG-WAVE技术建立起零部件之间的几何和位置的相关性，然后再根据约束条件对零部件进行详细设计，完成产品的装配模型。利用UG的电子表格，根据排量sxh_rating的要求，采用目标搜索的Regular Falsi方法确定曲轴转速sxh_shaft_rpm的最佳值。根据转速和排量的要求，采用目标搜索的Newton Raphson方法确定曲轴轴柄的长度sxh_throw。最后根据关键参数sxh_throw的新值，用UG的根部件级联更新的方法更新全部零部件。
    5．设计步骤

（1）建立产品的装配结构
在UG装配模块下，新建sxh_assm装配文件，然后用添加新组件的方法创建空的零件文件，如图2所示。

图2 装配结构

    这些零件与活塞直径和曲轴轴柄长度是参数相关的。
    （2）零件建模
    根据关键参数sxh_piston_dia和sxh_throw，对上述零件进行建模。这些零件都依赖于关键参数，当参数发生改变，零件模型相应作出更新，如图3和图4所示。

图3 基于参数sxh_piston_dia的活塞

图4 基于参数sxh_throw的曲轴

    （3）零件装配
    使用UG组件匹配功能建立起上述零件的装配结构。
    （4）使用UG几何链接器根据几何关联创建其他零件
    曲轴箱盖和缸头盖等零件使用UG-WAVE技术，分别基于曲轴箱和缸体的几何和位置关系创建而成。如曲轴箱盖sxh_cover的创建，先把曲轴箱零件sxh_crankcase中的轮廓草图和参考基准链接到sxh_cover零件中，以链接过来的基准为基准创建草图，并建立和链接草图的几何约束关系，如图5所示。这样就在曲轴箱和盖之间建立了相关性，当曲轴箱更改时，盖也将作相应更新。

图5 建立曲轴箱、盖间链接关系

    6．优化设计
    利用UG的电子表格对关键参数进行调整，达到优化设计的目的。
    （1）利用目标分析（Goal Analysis）确定曲轴转速（sxh_rmp）的大致范围，如图６所示。

图6 目标分析结果

（2）采用Regula Falsi的目标搜索方法确定曲轴转速的最佳值，如图7所示。

图7 目标搜索结果

    根据排量sxh_rating值要求达到350升/分钟，确定参数sxh_rpm最佳值为576.3153rmp。
    （3）确定皮带轮直径和曲轴轴柄长度。
    根据“皮带轮直径×曲轴转速=电机带轮直径×电机转速”以及排量计算公式，满足条件在曲轴转速为576rpm的情况下泵排量达到350升/分钟，采用目标搜索的Newton Raphson 2D方法来求解皮带轮直径和曲轴轴柄长度，如图8所示。

图8 目标搜索结果

（4）更新部件
根据优化结果，参数sxh_throw已发生改变，使用根部件级联更新（Root Part cascade）的方法，UG能够自动对所有与参数sxh_throw相关的零件进行更新。

四、结束语

在产品设计时，充分运用先进的CAD软件，进行相关参数化设计，可以有效地提高设计效率，缩短产品的开发周期。在对产品性能进行优化及升级改造时，可以依据原有设计对参数进行调整，自动实现对零件及装配模型的更新，减少再设计时大量的重复性工作，从而减低产品的成本并提升企业的竞争力。

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基于UG参数化的产品优化设计

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