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机械 2004 年第 31 卷增刊 81 一种基于 UG 的零件三维参数化设计技术 庄亚红 1，范元勋 2 （ 1.南京工业职业技术学院 机械工程系，江苏 南京 210016； 2.南京理工大学机械学院，江苏 南京 210094） 摘要 ：介绍了一种基于 UG 的零件三维参数化设计技术，根据装配关系区分各类参数，在 UG 中建立三维参数化的零件模型。用 Visual C+开发主要用于获取参数的应用程序，用 UG 提供的二次开发工具 UG/Open API开发接口程序，将两者结合起来，建立实体模型与其尺寸参数之间的联系，实现零件的参数化，自动生成符合用户要求的零件。 关键 词 ：参数化设计；零件模型；数据处理； UG 中图分类号： TP391.7 A technique of three dimensional parametric design of part based on UG ZHUANG Ya-hong1， FAN Yuan-xun2 (1 Institute of Industry Technology; 2 School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094， China) Abstract： The article introduces a technique of three dimensional parametric design of part based on UG. According to assembly relationship, the parameters are differentiated and then three dimensional parametric parts are established in UG. Using Visual C+, the application is exploited which gets dimensional parameters. Using the method of UG/Open API which is the quadratics exploitation tool offered by UG, the API program is achieved ,then parts and parameters are combined and relations between models and data are established. Parametric parts are realized, which are accord with users requests. Key words: parametric design； part model； data processing； UG UG 软件是美国 EDS 公司开发的以机械产品为主的CAD/CAM/CAE 软件，在国内外机械行业中广泛使用。它不但具有强大的设计、制造功能，而且还为用户和第三方软件开发商提供丰富的二次开发工具，可以实现本地化的 UG 软件。当今机械产品设 计中始终贯穿着参数化的思想，通过改变零件的尺寸参数获得不同尺寸的零件。在UG 中建立一个参数化的零件可以用多种方法实现。参数化零件的尺寸值可以人工输入，也可以从自行开发的程序中计算获得。人工向 UG 输入参数值，一方面费时，另一方面出错率高，影响产品的设计效率和质量。因此如何将零件尺寸值自动传递给参数化零件模型，生成符合用户要求的零件图 ,是实现零件参数化设计的关键。利用 UG 软件本身提供的二次开发工具 UG/Open API 函数进行编程就能方便地解决这一问题 1。 1 参数化实体模型的建立 设计一个复杂的参数化零件 ，必须要对零件进行分析，确定该零件的各个特征、参数及其它们之间的关系 2。各个特征主要根据装配约束关系与非装配约束关系确定，将零件的特征分为两大类，第一类是反映该零件与其它零件装配约束关系；第二类是反映零件自身结构形状。在这两类特征中又可以根据特征参数之间的关系，将参数分为三类（ 1）主参数，决定零件装配约束或形状结构的参数。参数之间是相互独立，由设计者或者应用程序计算确定。（ 2）次参数，其值由主参数决定。主参数确定以后，根据参数关系表达式确定次参数。这类参数是不能人工进行改变的。（ 3）常数，这类参数是计算 公式中要用到的一些常数，将它们作为一种固定参数表达式列出。这种参数关系如图 1 所示，清晰明确，参数的变化只局限于零件的相应部分，变动范围小。 图 1 零件参数关系 如图 2 所示以一个标准渐开线直齿圆柱齿轮设计为例。用 UG 常用的参数化设计工具表达式（ Expression）来设计参数化零件 3。通过改变零件的尺寸表达式的值，改变零件的尺寸参数，获得满足使用要求的零件。 主参 数 次 参 数 常 数 主 参 数 次 参 数 常 数 主 参 数 次 参 数 常 数 主 参 数 次 参 数 常 数 零件 形状约束 装配约束 特征部分 1 特征部分 n 特征部分 1 特征部分 m 82 机械 2004 年第 31 卷增刊 变化各部分的主参数就能够生成 不同大小的齿轮。在 UG 中建立齿轮模型时，这些参数值可以按大体形状任意给定，其作用只是建立一个零件模板，以后根据用户的要求再确定尺寸，这是参数化零件主要的特点。 在 UG 中建立参数化齿轮模型的步骤如下： （ 1）用户进入 UG 界面， Tools-Expression,打开Expression 对话框。 （ 2）在对话框中输入上述表 1 中列出的所有参数表达式。 （ 3）根据 Expression 中的尺寸值，利用 UG 建模工具建立实体模型，生成如图 3 所示的零件模型。 图 2 标准渐开线直齿圆柱齿轮 表 1 齿轮参数表 约束类型 特征 部分 参数 类型 名称 （符号） 参数 表达式 模数（ m） m=2 主参数 分度圆直径（ d） d=mz 次参数 齿顶高系数（ ha*） ha*=1 部分 1 齿廓 特征 常数 主参数 孔径（ dh） dh=10 键槽宽度（ b1） b1=3 次参数 装配约束 部分 2 轴孔 特征 常数 无 模数（ m） m=2 主参数 厚度（ ） =3m 次参数 形状约束 部分 3 轮毂 特征 常数 无 2 尺寸参数的数据传递 对于具体的零件，用户在自行开发的应用程序界面上输入主参数和常数。以齿轮为例设计如图 4 所示的应用程序界面。用户通过输入主参数确定齿轮的大小。为了避免人工向零件模板输入尺寸值，应用程序最后要对各参数值进行处理，实现与 UG 软件的数据交换。通常数据处理的方法有两种：一是建立数据库；二是形成数据文件。用第一种方法建立的数据库包含 零件标识符、名称、尺寸、尺寸驱动参数名等。 UG 软件通过接口对数据库中数据进行调用、查询、增加、改变等操作，以实现零件尺寸的驱动。这种方法适合于形状尺寸复杂的零件。本文设计结构简单的齿轮，适合采用第二种方法。与第一种方法比较，这种方法实现过程简单，避免了数据库的建立。由于数据文件要与 UG 程序连接，所以应用程序最后生成相应格式的数据文件。若用数据文件建立结构相同型号不同的齿轮，则要每一个齿轮生成相应的一个数据文件，然后依次与 UG 进行数据交换。若采用数据库处理方法，则只要对数据库进行操作，就可生成相应的零件。所以 若在 UG 中建立零件库，推荐采用数据库处理数据的方法。 图 3 齿轮参数化 图 4 齿轮应用程序界面 零件模型 数据文件和参数化零件模型之间的数据传递是通过程序接口实现的。将数据文件中的尺寸值传递给零件模板，使得零件能够按照要求的尺寸进行变化，在 UG 界面上生成符合要求的实体，最后将零件保存在一定的路径目录下，这样用户的设计工作才算完成。用户可以在 VC+环境中用 UG/Open AppWizard 建立 UG 程序框架，利用UG提供的二次开发工具 UG/Open API函数编程来完成接口这 一项工作 4。由于零件模板的建立是利用表达式工具Expression 完成的，所以在 UG 内部程序中要用到关于表达式的 API 函数来修改表达式的值。用 UG/Open API 函数编程的方法实现接口比较简单，程序短小。由于用的是UG 封装的 API函数，所以程序的出错率低，易于调试。但是需要注意的是 API 函数的参数传递形式。 3 自动生成零件的过程 将以上的工作连接起来如图 5 所示，就可以自动生成符合要求的零件实体。过程如下： 部份 1 部份 3 部份 2 b c D 3D 1D 2d h （下转第 86 页） 84 机械 2004 年 第 31 卷增刊 证的工序尺寸公差结果如表 2 所示。其中编号 1,2,3 分别 对应于上述三种公差计算方法。 表 2 工序尺寸公差值 (对称偏差标注 ) 名称 1ST 2ST 3ST 4ST 5ST 6ST 7ST 8ST 9ST 10ST 14ST 1 0.125 0.06 0.05 0.5 0.05 0.15 1.5 0.2 0.05 0.1 0.3 2 0.125 0.06 0.036 0.5 0.02 0.21 1.5 0.259 0.02 0.174 0.36 3 0.125 0.06 0.06 0.5 0.014 0.222 1.5 0.272 0.014 0.162 0.372 以上三种方法，等精度法是一种比较粗糙的分配方法，只是在精度要求不高或者加工方法大致相同的情况下采取的方法，但该方法不需要用户提供任何其它计算信息。第二种在平均经济公差基础上合理分配工序尺寸公差方法比较合理，但只是考虑了加工方法和尺寸对工序尺寸公差的影响，不是最优值，而且结果的合理性很大程度上取决于初始值是否合理。第三种方法采用了优化算法得出的结果是最优的，但其要求提供经济公差等计算条件。如果采用 成本作为优化目标函数，还需要建立公差成本模型。因此，优化算法虽好，但是需要大量可靠的基础数据。 4 总结 本篇阐述了计算机辅助尺寸链计算中如何合理经济地分配公差的技术。在计算机辅助尺寸链计算时，采用三 种方法确定工序尺寸公差，用户可以根据不同的条件进行选择，来满足不同的加工情况的要求。并在优化模型的约束要求中提出了分级约束的概念，使优化过程更接近于生产设计实践。所开发的计算机辅助尺寸链计算工具能快速、合理地确定工艺尺寸及公差，同时使用简单、方便。 参考文献 ： 1 华雷，丛培田，等 . 计算机跟踪求解工艺 尺寸链的研究 . 1994， 3. 2 王晓慧，石江明 . 工艺尺寸式计算软件的设计开发 . 中国机械工程， 1999， 2. 3 方红芳，何勇，等 . 计算机辅助公差设计方法学 . 机械科学与技术， 2000， 19(5):714716（ 1）在 VC 环境下将 UG/Open API程序编译连接生成 *.DLL 文件。 （ 2）打开设计零件的应用程序，在应用程序中输入主参数，生成数据文件，并且在应用程序中调入用 UG 软件生成的参数化零件模板。 （ 3）在 UG 环境下执行 *.DLL 文件，生成符合尺寸要求的零件并将其保存。 图 5 自动生成零件过程图 4 分析与结论 利用上述的二次开发技术，可以将自行开发的应用程序与 UG 应用程序相互结合，开发出用户化的零件设计CAD 系统，大大提高产品的设计效率，缩短产品的设计周期。这一方法已经应用于我们开发的变速器 CAD 系统中，并且得到良好的效果。基于 UG 的参数化零件设计系统建立过程中存在一个相互制约的问题，如果在 UG 中建立零件模板过程时，没有完全实现零件的参数化，则还要依赖 UG/OPEN API程序来完成整个零件的参数化，因此该程序将会很复杂；若要使 UG/OPEN API程序简单，则零件模板的参数化程度要较高，尽量用 UG 提供的参数化建模工具来实现。零件的参数化建模主要在于分清各个装配约束部分的主参数和次参数，建立起它们之间的关系，从而建立合理的零件实体模板。 参考文献 : 1UGS 公司 .UG/OPEN API Reference.1998. 2Roller D.Dimension-driven geometry in CAD:A survey,t