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基于UG的家电造型设计及动态仿真

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基于UG的家电造型设计及动态仿真

摘要面对激烈的市场竞争,制造业必须加速产品开发进程,缩短设计开发周期。计算机技术和计算机图形学的不断发展,为人们提供了强有力的工具,三维CAD/CAM/CAE集成化软件被广泛应用于制造业。与传统的装配设计相比,虚拟装配技术能满足并行工程的要求,实现产品可装配的设计,及时发现产品设计中的问题,提高装配质量和装配效果。研究是在UG软件设计平台上完成风扇的三维造型设计。立式电风扇的外形结构较为复杂,如果用传统的CAD绘图软件设计非常困难,UG可以轻松解决这个问题,UG软件具有很强大的实体造型、曲面造型、虚拟产品装配仿真、工程图生成等功能。论文以从实物到模具的逆向设计过程论述了风扇虚拟设计中的关键环节,即零部件建模、虚拟装配、动态仿真和扇叶的注塑模设计等。并对产品设计中的虚拟设计方法与传统设计方法的差异、优越性进行了比对。通过可视化显示装配、干涉分析然后以求达到准确运动仿真,使生产真正在高效、高质量、低成本的环境下完成。关键词三维造型设计;虚拟装配;运动仿真ABSTRACTFACINGWITHTHECOMPETITIVEMARKET,MANUFACTURERSNEEDTOACCELERATEPRODUCTDEVELOPMENTPROCESS,SHORTENTHEPRODUCTDESIGNANDDEVELOPMENTCYCLETHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFCOMPUTERTECHNOLOGYANDCOMPUTERGRAPHICSPROVIDESPOWERFULTOOLSFORPEOPLE,THREEDIMENSIONALCAD/CAM/CAEINTEGRATIONSOFTWAREISWIDELYUSEDINMANUFACTURINGCOMPAREDWITHTHETRADITIONALASSEMBLYDESIGN,VIRTUALASSEMBLYTECHNOLOGYTOMEETTHEREQUIREMENTSOFCONCURRENTENGINEERING,THEDESIGNOFTHEIRPRODUCTSCANBEEQUIPPEDWITHTIMELYDETECTIONOFPROBLEMSINPRODUCTDESIGN,IMPROVETHEASSEMBLYQUALITYANDASSEMBLYEFFICIENCYTHISTHESISBASEDONUGPRODUCTDESIGNPLATFORMFORTHEFANCOMPLETEDTHETHREEDIMENSIONALDESIGNTHESHAPESTRUCTUREOFVERTICALELECTRICFANISVERYCOMPLEX,IFUSINGTHETRADITIONALCADDRAWINGSOFTWARETODESIGNWILLBEVERYDIFFICULT,UGCANEASILYSOLVETHISPROBLEM,THEUGSOFTWAREHASPOWERFULFUNCTIONSOFSOLIDMODELING,SURFACEMODELING,VIRTUALASSEMBLYSIMULATION,ENGINEERINGDRAWINGANDOTHERSTHISPAPERDISCUSSEDTHEKEYLINKOFFANTHATUSINGREVERSALDESIGNPROGRESSFROMTHEPHYSICALTOTHEMOLDINVIRTUALDESIGN,ASTHEPARTMODELING,VIRTUALASSEMBLY,DYNAMICSIMULATIONANDTHEFANINJECTIONMOLDDESIGNTHEPAPERALSOCOMPAREDTHEADVANTAGESANDDIFFERENCESBETWEENVIRTUALFORPRODUCTDESIGNINTHEDEVELOPMENTOFTRADITIONALDESIGNMETHODSTHROUGHTHEVISUALDISPLAYASSEMBLY,INTERFERENCEANALYSISTHENTOACHIEVEACCURATESIMULATIONCAMPAIGNTHATPRODUCEREALINHIGHEFFICIENCY,HIGHQUALITY,SHORTTIME,LOWCOSTENVIRONMENTKEYWORDS3DMODELINGDESIGN;SIMULATIONASSEMBLY;MOVEMENTSIMULATION目录摘要IIIABSTRACTIV目录V1绪论111三维造型设计的现状和发展前景112常用三维造型软件介绍213UG软件的介绍214论文主要内容及研究意义32基于UG的风扇设计521电风扇的发展现状522UG在产品中的设计思路523电风扇的建模设计分析5231电风扇的虚拟装配介绍624电风扇主要零件的建模绘制8241电风扇罩的绘制8242电风扇叶的绘制10243电风扇后座的绘制12244电风扇支架部分的绘制14245电风扇操作面板的绘制15246电风扇其他零件的绘制1625电风扇的装配体建模及爆炸图17251装配风扇本体17252电风扇的爆炸视图及干涉分析213动态仿真2431关于动态仿真24311动态仿真的起源24312仿真技术在产品开发制造过程中的应用2432电风扇的动态仿真25321机构运动仿真25322电风扇模拟仿真254电风扇叶注塑模设计2941注塑模设计的基本流程2942注塑模具的基本结构设计30421扇叶材料的分析30422分型面的选择30423扇叶注塑模具结构及工作原理315结论与展望3351结论3352不足之处及未来展望33致谢34参考文献351绪论计算机辅助设计是一种将人和计算机的最佳特性结合起来以用来辅助进行产品的设计和分析的技术,是综合了计算机与工程设计方法的最新发展成果一门新兴学科。它的产生和不断发展,对工业生产、工程设计、科学研究等领域的技术进步和发展产生了巨大影响。11三维造型设计的现状和发展前景市场需求是技术创新的原动力,二十一世纪的一个重大变革是全球市场的统一,它使市场竞争更加激烈,产品更新周期加快。在这种背景下,CAD技术得到迅速普及和极大发展。1991年,美国评出的二十世纪最具影响的十大技术中,CAD便榜上有名。CAD技术从最初的工业设计领域已渗透到人们日常生活的每个角落,从机械、电子、建筑、教学、管理等,可以说无数不包。经过四十多年的发展,CAD/CAM技术有了长足的进步,而三维CAD技术到目前为止共经历了4次大的技术革新。(1)三维线框系统20世纪60年代,新出现的三维CAD系统是简单的线框式系统,只能表达基本的几何信息,而不能有效地表达几何数据间的拓扑关系1。(2)曲面造型系统法国达索飞机制造公司基贝塞尔算法,在上个世纪70年代开发出以表面模型为特点的三维造型系统CATIA,从而标志着CAD技术突破了单纯模仿工程图纸三视图的模式,首次实现完整描述产品零件的主要信息,使得CAD技术有了实现基础。(3)实体造型技术早在60年代初,就提出了实体造型的概念,但由于当时理论研究和实践都不够成熟,实体造型技术发展缓慢。70年代初出现了简单的具有一定实用性的基于实体造CAD/CAM系统,实体造型在理论研究方面也相应取得了发展。到70年代后期,实体造型技术在理论、算法和应用方面逐渐成熟。它带来算法改进和未来发展的希望,同时也带来了数据计算量的急速膨胀。(4)参数化设计参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸,或者修改定义好的零件参数,自动完成图形中相关部分的改动,从而实现对图形的驱动。参数化使设计极大地改善了图形的修改手段,提高了设计的柔性,在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用,体现了很高的应用价值。三维CAD系统的核心是产品的三维模型,它所表达的几何信息越来越完整和准确,解决问题的范围越来越广三维模型包含了更多的实际结构特征,通过赋予零部件一定的物理属性,就可以进行产品的结构分析和各种物性计算,并为后续设计制造模块应用奠定基础,使用户在采用三维CAD造型工具进行产品结构设计时,就能反映实际产品的构造或者加工制造过程,成为实现CAD/CAE/CAPP/CAM集成的基础。我国在软件和设备方面的发展一直比较缓慢,直到进入21世纪以来,我国的计算机行业有了突飞猛进的发展,正是因为这样,我国的CAD技术才有了进一步发展的空间,在现代制造业舞台上,生产效率、成本、规划管理无不和生产技术相关,因此CAD技术的开发直接关系到产品的设计、生产、维修等工作的速度和效率,显得尤为重要。在产品的设计和装配阶段,一般采用二维制图和三维造型。尤其是三维造型,以其直观、能直接转化二维工程图和虚拟装配等优势在现代工业生产设计方面有着绝对的优势。12常用三维造型软件介绍三维软件技术经过几十多年的发展,每个时代都有流行的软件满足当时的要求,随着时间推移,技术的不断革新,现在,工作站的微机平台CAD/CAM软件已经占据主导地位,并且出现了一批比较优秀的商业化软件。总的来说,软件各有千秋,每种产品都有其所长也有其短,关键是使用者根据自己的实际需求进行选择,下面我们简单的介绍一下常用的三维造型软件。(1)PRO/ENGINEER软件1985年,PTC公司成立于美国波士顿,开始参数化建模软件的研究。1988年,V10的PRO/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展,PRO/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。PRO/E第一个提出了参数化设计的概念,并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外,它采用模块化方式,用户可以根据自身的需要进行选择,而不必安装所有模块。PRO/E的基于特征方式,能够将设计至生产全过程集成到一起,实现并行工程设计。PRO/E采用了模块方式,可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等,保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。(2)SOLIDWORKS软件SOLIDWORKS公司成立于1993年,由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起,总部位于马萨诸塞州的康克尔郡(CONCORD,MASSACHUSETTS)内,当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。1997年,SOLIDWORKS被法国达索(DASSAULTSYSTEMES)公司收购,作为达索中端主流市场的主打品牌。SOLIDWORKS软件是世界上第一个基于WINDOWS开发的三维CAD系统,由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势,并使用了WINDOWSOLE技术、直观式设计技术、先进的PARASOLID内核(由剑桥提供)以及良好的与第三方软件的集成技术,SOLIDWORKS成为全球装机量最大、最好用的软件。SOLIDWORKS软件功能强大,组件繁多。SOLIDWORKS功能强大、易学易用和技术创新是SOLIDWORKS的三大特点,使得SOLIDWORKS成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SOLIDWORKS能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SOLIDWORKS不仅提供如此强大的功能,同时对每个工程师和设计者来说,操作简单方便、易学易用。13UG软件的介绍UGNX是UNIGRAPHICSSOLUTIONS公司推出的集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化设计软件,在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用。其功能强大,可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站,但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长,在PC上的应用取得了迅猛的增长,目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。UG的开发始于1969年,它是基于C语言开发实现的。UGNX是一个在二维和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。它的设计思想足够灵活地支持多种离散方案,因此软件可对许多不同的应用再利用2。UG软件主要分为CAD模块CAM模块MOLDWIZARD模块。(1)CAD模块实体建模是集成了基于约束的特征建模和显性几何建模两种方法,提供符合建模的方案,使用户能够方便地建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体、布尔运算及其表达式。实体建模是特征建模和自由形状建模的必要基础。UG特征建模模块提供了对建立和编辑标准设计特征的支持。为了基于尺寸和位置的尺寸驱动编辑、参数化定义特征,特征可以相对于任何其他特征或对象定位,也可以被引用复制,以建立特征的相关集。UG自由形状建模拥有设计高级的自由形状外形、支持复杂曲面和实体模型的创建。UG工程制图模块是以实体模型自动生成平面工程图,也可以利用曲线功能绘制平面工程图。在模型改变时,工程图将被自动更新。利用装配模块创建的装配信息可以方便地建立装配图,包括快速地建立装配图剖视、爆炸图等。UG装配建模是用于产品的模拟装配,支持“由底向上”和“由顶向下”的装配方法。装配建模的主模型可以在总装配的上下文中设计和编辑,组件以逻辑对齐、贴合和偏移等方式被灵活地配对或定位。参数化的装配建模提供为描述组件间配对关系和为规定共同创建的紧固件组和共享,使产品开发并行工作。(2)CAM模块UG/CAM模块是UGNX的计算机辅助制造模块,该模块提供了对NC加工的CLSFS建立与编辑,提供了包括铣、多轴铣、车、线切割、钣金等加工方法的交互操作,还具有图形后置处理和机床数据文件生成器的支持。同时又提供了制造资源管理系统、切削仿真、图形刀轨编辑器、机床仿真等加工或辅助加工。(3)MOLDWIZARD模块MOLDWIZARD是UGS公司提供的运行在UNIGRAPHICSNX软件基础上的一个智能化、参数化的注塑模具设计模块。MOLDWIZARD为产品的分型、型腔、型芯、滑块、嵌件、推杆、镶块、复杂型芯或型腔轮廓创建电火花加工的电极及模具的模架、浇注系统和冷却系统等提供了方便的设计途径,最终可以生成与产品参数相关的、可用于数控加工的三维模具模型。14论文主要内容及研究意义本文利用UG对电风扇主要零件进行三维设计,并对其进行运动仿真及扇叶的注塑模设计。其主要内容包括(1)对电风扇的基础零件三维绘制;(2)三维建模、装配约束、干涉检测及系统优化等;(3)对电风扇进行虚拟装配及运动仿真;(4)对虚拟装配理论和关键技术进行研究;(5)完成电风扇扇叶的注塑模设计。本文运用了虚拟建模、虚拟装配、运动仿真,运用CAD软件进行扇叶注塑模设计等内容。随着全球经济一体化的大环境形成,市场竞争越演越烈,国内许多企业正在面临严峻考验,特别是经济危机以后,企业更多的在积极主动的采用先进技术和生产方式,增强自身在市场竞争中的应变能力和生存能力。如何缩短设计生产周期成为企业生存发展至关重要的一部分。我国电风扇产品的开发大多属于串行方式,先设计出原型样机,然后测试验证分析,这样往往造成产品开发时间长,不能达到快速制造的要求。快速、高质量的进行产品零件设计、模具设计是快速制造的基础。现在用UG软件进行实体设计,虚拟装配,动态仿真和扇叶的注塑模设计。利用这种方法可以在实际生产前就采取预防措施,能够使产品一次性制造成功,大大降低了生产成本缩短了开发周期,为企业提供了可行的方法和流程。近年来,虚拟现实技术的广泛应用大大改变了人与计算机之间的交互方式。在这种情况下产生了计算机虚拟制造技术,而虚拟装配是计算机虚拟制造技术的一个重要组成部分,是当前装配设计技术的一种崭新的思路和方法,具有非常重要的研究价值。而运动仿真能让设计工程师建立、评估和优化部件在现实环境中的运动,以便最佳地满足工程和性能需求。当在产品开发的早期阶段应用运动仿真、并且作为设计过程的一个完整部分时,运动仿真可以对产品性能提供宝贵见解,这些见解可以帮助发现和解决设计问题,运动仿真有助于从一开始就获得产品模型,因此它可以提高产品质量和发扬设计优点。2基于UG的风扇设计21电风扇的发展现状近年来,国内电风扇行业发展很快,但是由于各地设备情况、管理水平不同,产品质量也有很大的差别。目前,国内电风扇制造厂的零部件自给率较低。除少数几家工厂以外,大多数工厂均需要相当数量的外购外协件,例如电镀件、琴键开关、定时器、塑料件等。为了确保整机的质量,必须对外构件进行严格的质量控制。从功能上来看,现在大多数电风扇的功能都比较单一,不能实现“一专多能”,这样往往会导致某些材料和空间的浪费。如果能在电风扇上在安装其他功能,这样便实现了多功能化,既方便使用又节约了能源,将会带来很大的效益。在市场发展越来越成熟的今天,电风扇产品所涉及的学科和工业门类众多,用传统的设计方法很难达到。因此,对现代的电风扇产品来说,其设计思想和设计方法都将会有一些全新的内容。正是基于这样的出发点,用发展的眼光,把现代设计方法与传统风扇产品的设计相结合,进行了模块化设计、运动仿真在电风扇产品设计方面的应用。我们知道电风扇和空调相比具有很多优点,它比空调的耗能要小,特别是随着国际能源短缺和人们节能观念的深入,电风扇更受重视。另外,电风扇吹风比较自然,开门窗也不受影响,而空调房间都是密闭的,空气流通差,很容易感染疾病。由此可见,电风扇还有很大的发展空间。22UG在产品中的设计思路在产品开发及制造过程中,几何造型技术已经使用相当广泛。但是由于种种原因,仍有许多产品,设计和制造者面对的是实物样件,为了适应先进制造的发展,需要通过一定途径,将实物转化为CAD模型,使之能利用CAD/CAM等先进技术处理,这种从实物取样再获取三维模型的技术就是通常所说的“求反工程”(RESERVEENGINEERING)。虽然仅仅只是实用型电风扇,但是看起来也是相当复杂。造型时感到无从下手,但只要能合理地对产品进行分解,确定产品结构的主要特征,也就是将设计者构思的初步轮廓用UG强大的三维实体造型功能,生成三维实体模型,即提供一个可视化界面,再在该界面上逐步进行详尽的设计造型。分清哪些是基本特征(如配合面,保证产品外形轮廓的特征),哪些是构造特征(如面和面之间的过渡、凹槽、倒圆、倒角等)。首先是从特征入手,保证重点,产生一个合理的造型“毛坯”,再在这些“毛坯”上完成细节部分如过渡面,凸台、凹槽、孔、肋板等。这样主次分明,先做什么后做什么问题就迎刃而解了。23电风扇的建模设计分析目前的三维设计系统随着计算机的发展,在CAD技术领域中,二维设计逐渐向三维设计方向发展,而二维设计只是提供了简单的建模、装配及二维工程图生成功能,这些功能远远不能满足设计工作的要求,比如当设计者在设计过程中需要进行一些简单的工程分析工作时,系统就无法满足要求,因此需要其它的工程分析系统来配合以便完成相应的工作,这就会大大增加设计者的设计工作量、延长设计的周期、增加设计费用3。在实际设计过程中,设计者可以根据客户提供的相关参数及性能要求合理选择材料及产品尺寸。因为在这次设计过程,考虑材料的省材、环保,将扇叶、底座、操作面板部分使用价格比较低廉,性能优越的ABS塑料,支架部分可使用45钢,扇罩部分可用钢丝。因为主要利用UG进行造型设计,材料的选择不加详细介绍。在设计初期为了便于三维建模,以实用型电风扇为例按照其实现的功能将电风扇进行模块划分(1)电风扇扇叶旋转模块。电风扇扇叶在设计中是必不可少的,而且确定尺寸以后在系统中基本不变,确定扇叶尺寸以后便可考虑与其连接的前后罩的尺寸。(2)操作面板模块,这个是根据实际需要进行确定,比如会4档变速,有“摇头”、“定时”旋钮开关。(3)电风扇升降模块,主要用来实现安装和联接所需的功能。(4)支架模块。这一部分尺寸基本确定,但是由于其他部分所需要可进行临时改变来满足预留要求。(5)底座模块,这一部分相对固定。到现在风扇的发展比较成熟,尺寸也相对固定,设计考虑风扇尺寸高度12001400MM,高度可升降。为了节省能源和材料,扇叶形状呈三叶形,直径360MM。扇叶部分用注塑成型,厚度152MM。底座的设计要保证支撑整个风扇主体,尺寸定为300300MM正方形,高度60MM,厚度5MM,同时加肋板增加强度。操作面板分为4档,有定时开关的旋钮。在考虑操作面板的生产问题,要考虑拔模角。同时为了安全起见,底座、面板部分要注意进行边倒角。数据的合理性不仅关系到电风扇的造型美观效果,同时也会影响整个风扇的装配及注塑模设计,因此这是整个毕业设计的重要一部分。在整体尺寸大致确定以后,选择合理的造型方法也是相当困难的。在创建模型时,采用搭积木的方式在模型上依次添加新的特征。由于组成的模型特征既相互独立又具有一定的关联性,修改时只需对不满意的细节所在特征进行修改,在不违背特定特征之间基本关系的下,再生模型可获得理想的设计结果。电风扇的建模设计总体上来说是使用了由顶而下的产品设计方法,设计中将运用拉伸、扫描、抽壳、偏移、阵列,进行电风扇各个部件的设计以及曲面建模,偏移,修剪实体等复杂的建模方法。在三维建模中主要有以下3种特征1实体特征它是构建三维模型的基本单元和主要设计对象。实体特征可以是正空间特征如销的突出部分,也可以是负空间特征如面板上上的孔、槽等。在UG中,根据建模方式和原理的差异,把实体特征进一步分为基础特征和工程特征。基础特征是三维模型设计的起点,包括拉伸特征、旋转特征、扫描特征和混合特征等。2曲面特征它是一种没有质量和体积的几何特征,对曲面的精确描述比较复杂,在目前三维造型中通常通过曲率分布图对曲线进行编辑,进而得到高质量的曲面造型。曲面特征主要用于产品的概念设计、外形设计和逆向工程等设计领域。本论文的曲面主要是通过网格曲面创建,或者用艺术线条创建直纹面,然后片体加厚形成。3基准特征指参数化设计的基准点、基准轴、基准曲线、基准平面和坐标系等。一般来说,基准特征主要用于辅助三维模型的创建。在有了这些前期准备以后便可进行风扇的三维建模,将电风扇零件进行绘制。零件的绘制尺寸一定要得当才能完成虚拟装配工作。231电风扇的虚拟装配介绍在风扇主体尺寸大致确定以后,实际设计过程中并不是完成所有零件再进行产品装配而是完成一个装配一个进行检测。传统制造理论认为,装配应该是整个制造过程中的最后一个环节,就是按规定的技术要求,将零件、组件和部件进行装配和联接,使之成为半成品和成品的工艺过程4。作为一门新兴的技术,虚拟装配技术实际上是装配和制造技术可视化技术、仿真技术、产品设计方法学、虚拟现实技术等多种技术的结合,所以它的发展与以上技术紧密相关。虚拟装配技术可以实现以可装配性的全面改善为目的,以实现操作仿真的高度逼真为要点,以实现装配信息模型的集成化为核心,以全周期装配环节为对象,以装配多样化为特色5。它可以改变传统装配中的如下不足(1)传统装配必须等零件全部加工完成之后才能进行装配;(2)传统装配不能体现并行设计思想;(3)传统装配一般要反复修改,进行多次试装配,使得产品周期长,成本高,不能适应当前制造的需要。利用UG装配模块,把电风扇的各个零件装配好,在装配时根据实际操作再修改零件。装配时的约束可分为两大类,无连接接口约束和有连接接口约束。无连接接口的主要用于一般的装配中,使用这种装配的零件不具有自由度,零件之间不能做任何相对运动;有连接的约束主要用于解决机构的相对运动。扇叶部分和后座(里边装有电机转轴,这里只是绘制模型,电机部分不作考虑)的装配就要是有连接口的约束,因为要做扇叶转动的仿真。装配体建模承接于基础零件建模才能得到电风扇的三维零件模型,根据设计人员的装配图纸生成装配模型,在UG软件中进行装配设计主要有由底向上和由顶向下两种主要方法。下面简单介绍一下本文装配所用到的设计方法由底向上和由顶向下的装配设计方法。产品在设计的过程中是一个复杂的创造性活动,产品的内的质量和生产总成本从根本上来讲由产品的设计决定。输入零件之间的几何约束关系,将设计好的零件装配成产品,是目前CAD系统普遍支持的一种由底向上的设计过程。它的主要思路是先设计好各个零件,然后将这些零件拿到一起进行装配,如果在装配过程中发现某个零件不符合要求,比如零件与零件之间产生干涉、某一零件根本无法进行安装等,就要对零件进行重新设计,重新装配,再发现问题,再进行修改,如此反复6。如图21所示。图21

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