基于NX/WAVE的拖拉機(jī)制動(dòng)器自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)

陳 軍，惠為東，陸鳳祥

(1.馬恒達(dá)悅達(dá)(鹽城)拖拉機(jī)有限公司，江蘇 鹽城 224001)(2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于NX/WAVE的拖拉機(jī)制動(dòng)器自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)

陳 軍1，惠為東2，陸鳳祥1

(1.馬恒達(dá)悅達(dá)(鹽城)拖拉機(jī)有限公司，江蘇 鹽城 224001)(2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

簡(jiǎn)要介紹了WAVE技術(shù)以及參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，在建立產(chǎn)品總體控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用自頂向下設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的全相關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)，有效地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，避免了大量重復(fù)性勞動(dòng)，為企業(yè)節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。

自頂向下；制動(dòng)器；NX/WAVE；參數(shù)化

隨著全球化競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，各拖拉機(jī)公司致力于生產(chǎn)功率覆蓋面寬，品種、檔次多樣化的產(chǎn)品，使產(chǎn)品的系列更加全面。拖拉機(jī)系列化產(chǎn)品的制動(dòng)器設(shè)計(jì)大多是在制動(dòng)器原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，因而包含著大量的重復(fù)性設(shè)計(jì)工作。目前，拖拉機(jī)制動(dòng)器的三維設(shè)計(jì)通常采用自底向上的建模方法, 通過(guò)不斷的模型堆積來(lái)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工程師在完成制動(dòng)器設(shè)計(jì)過(guò)程中，重復(fù)性的勞動(dòng)占整個(gè)設(shè)計(jì)工作量的80%以上。為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期[1]，減輕工程師設(shè)計(jì)工作強(qiáng)度，提高公司產(chǎn)品快速響應(yīng)市場(chǎng)的能力，本文運(yùn)用西門(mén)子公司的NX(Unigraphics NX)中全相關(guān)、參數(shù)化的WAVE技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器自頂向下參數(shù)化模型的快速設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

1 NX/WAVE技術(shù)

WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是西門(mén)子公司在其核心產(chǎn)品NX上進(jìn)行的一項(xiàng)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，是一種實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配的各組件間關(guān)聯(lián)建模的技術(shù)。WAVE技術(shù)起源于車(chē)身設(shè)計(jì)，采用關(guān)聯(lián)復(fù)制幾何體方法控制總體裝配結(jié)構(gòu)，從而保證整個(gè)裝配和零部件的參數(shù)關(guān)聯(lián)性，適合于復(fù)雜產(chǎn)品的幾何界面相關(guān)性、產(chǎn)品系列化和變型產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。

WAVE是在概念設(shè)計(jì)和最終產(chǎn)品或模具之間建立一種相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法，能對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的總裝配設(shè)計(jì)、相關(guān)零部件和模具設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的控制?？傮w設(shè)計(jì)可以嚴(yán)格控制分總成和零部件的關(guān)鍵尺寸與形狀，而無(wú)需考慮細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)；而分總成和零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)總體設(shè)計(jì)沒(méi)有影響，無(wú)權(quán)改變總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸。

1.1WAVE技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

a.產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以變得方便快捷。因?yàn)椴考g是相互關(guān)聯(lián)的,當(dāng)總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸修改后，分總成和零部件的設(shè)計(jì)自動(dòng)更新，從而避免了零部件的重復(fù)設(shè)計(jì)。

b.獲取并被強(qiáng)制執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)則。通過(guò)建立部件間關(guān)系,設(shè)計(jì)規(guī)則可以被獲取并強(qiáng)制執(zhí)行。這樣當(dāng)產(chǎn)品改變時(shí)，可以確保設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖和產(chǎn)品的完整性仍能被維護(hù)[2]。

c.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的重用?；谠械脑O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，后續(xù)零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)得到有效的管理和再利用。

d.總體裝配模型的快速更新。當(dāng)產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)中的某一個(gè)參數(shù)發(fā)生了變化，子部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)能夠相應(yīng)地更新，這樣就可以大大縮短設(shè)計(jì)的周期。

e.連接了概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)基本完成時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便可以根據(jù)概念設(shè)計(jì)產(chǎn)生的約束條件來(lái)進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)。

1.2WAVE應(yīng)用領(lǐng)域

a.相關(guān)零部件間的建模。WAVE最基本的功能，是運(yùn)用關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體的方法，利用已有的零件，通過(guò)WAVE幾何連接器來(lái)建立另一個(gè)組件或在另一個(gè)組件上建立特征[3]。

b.自頂向下設(shè)計(jì)。主要應(yīng)用于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中，根據(jù)產(chǎn)品的性能和設(shè)備安裝約束條件來(lái)確定全局主參數(shù)(驅(qū)動(dòng)參數(shù))，再根據(jù)上下級(jí)元素關(guān)聯(lián)關(guān)系，選擇主參數(shù)，同時(shí)建立起產(chǎn)品約束關(guān)聯(lián)表達(dá)體系。

c.系統(tǒng)工程。類(lèi)似于自頂向下的設(shè)計(jì)，區(qū)別在于它采用的是模塊化設(shè)計(jì)方法。利用產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)來(lái)關(guān)聯(lián)各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而確保裝配結(jié)構(gòu)不會(huì)過(guò)于復(fù)雜，減輕了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作強(qiáng)度，同時(shí)還能保證產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)的要求和質(zhì)量。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

就產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身而言，其是一個(gè)不斷試驗(yàn)、修改、完善的過(guò)程。作為一個(gè)典型的串行設(shè)計(jì)過(guò)程，上一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)結(jié)果便是下一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)依據(jù)，一旦在下級(jí)的設(shè)計(jì)過(guò)程發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就需要反饋到上級(jí)設(shè)計(jì)以修改設(shè)計(jì)結(jié)果，這樣反復(fù)地修改導(dǎo)致設(shè)計(jì)中存在大量的模糊性信息。圖1所示為傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。

圖1 傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程

參數(shù)化的設(shè)計(jì)思想就是將產(chǎn)品模型中的定量信息變量化。通常參數(shù)化設(shè)計(jì)是通過(guò)參數(shù)來(lái)約束圖形的幾何尺寸，當(dāng)參數(shù)修改時(shí)，參數(shù)和尺寸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系驅(qū)動(dòng)著幾何體的變更。參數(shù)化設(shè)計(jì)已成為CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一，逐漸成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的重要手段。它的研究方法就是在對(duì)某一類(lèi)具有相似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)對(duì)象幾何模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，賦予不同的數(shù)值，利用尺寸約束關(guān)系形成研究對(duì)象的準(zhǔn)確形狀，這種設(shè)計(jì)方法對(duì)于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率具有非常重要的意義[4]。

本文將參數(shù)化技術(shù)引入制動(dòng)器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在充分研究鼓式制動(dòng)器的基礎(chǔ)上，將制動(dòng)器離散化，確定各個(gè)組件的基準(zhǔn)參數(shù)，建立參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)聯(lián)系。當(dāng)修改其中的某個(gè)特征值后，子模型以及整個(gè)機(jī)構(gòu)會(huì)快速地更新、重生，這樣可以大大節(jié)約設(shè)計(jì)所需的時(shí)間，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作效率。

3 制動(dòng)器自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

3.1基于NX的制動(dòng)器自頂向下設(shè)計(jì)流程

圖2所示為鼓式制動(dòng)器的主要零部件的結(jié)構(gòu)樹(shù)。

圖2 領(lǐng)從鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)樹(shù)

首先，由輪式拖拉機(jī)后輪的動(dòng)力半徑、拖拉機(jī)機(jī)組使用質(zhì)量、拖拉機(jī)機(jī)組質(zhì)心高度、制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)行駛速度等要素確定設(shè)計(jì)制動(dòng)器時(shí)所需的功能參數(shù)以及產(chǎn)品的外形尺寸，通過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，最終確定產(chǎn)品級(jí)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行制動(dòng)器的總體布局設(shè)計(jì)；其次，在對(duì)制動(dòng)器主要零部件進(jìn)行分級(jí)的基礎(chǔ)上，確定每一級(jí)子部件中主要部件間相對(duì)位置、幾何關(guān)聯(lián)、尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用NX的功能模塊進(jìn)行各級(jí)部件的布局設(shè)計(jì)以及各級(jí)部件子零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，從最低層部件裝配設(shè)計(jì)開(kāi)始，一直到第一級(jí)部件的裝配設(shè)計(jì)，完成整個(gè)制動(dòng)器產(chǎn)品級(jí)裝配設(shè)計(jì)。圖3所示為基于NX的制動(dòng)器自頂向下設(shè)計(jì)的整個(gè)流程。

3.2總體控制結(jié)構(gòu)的建立

對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目的是確定產(chǎn)品的空間形狀及組成產(chǎn)品各零部件之間在空間位置上和幾何尺寸之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此基于NX的三維布局設(shè)計(jì)中涉及的總體控制結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有以下組成要素：

a.表示產(chǎn)品及其部件空間位置關(guān)系的基準(zhǔn)(點(diǎn)、線(xiàn)、面)體系。

b.各部件間的幾何關(guān)聯(lián)，即部件間裝配幾何體的形狀與表示幾何體外形大小的尺寸參數(shù)。

圖3 基于NX 的制動(dòng)器自頂向下設(shè)計(jì)流程

c.產(chǎn)品變動(dòng)和尺寸參數(shù)的傳遞。

d.產(chǎn)品總體驅(qū)動(dòng)參數(shù)與總體控制結(jié)構(gòu)圖中所有相關(guān)尺寸參數(shù)的關(guān)聯(lián)表達(dá)式。

3.3自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)的步驟

a.在NX Modeling裝配模式下建立制動(dòng)器總體控制結(jié)構(gòu)初始文件，如圖4所示。

圖4 制動(dòng)器裝配初始文件

b.在zhidongqi(制動(dòng)器)裝配文件中建立產(chǎn)品總體控制結(jié)構(gòu)。首先根據(jù)前期設(shè)計(jì)計(jì)算和各個(gè)子部件之間的相對(duì)位置、尺寸、幾何關(guān)聯(lián)關(guān)系得出的制動(dòng)器總體驅(qū)動(dòng)參數(shù)，以手工方式輸入NX表達(dá)式選項(xiàng)中，圖5為參數(shù)化表達(dá)式編輯對(duì)話(huà)框。

圖5 參數(shù)化表達(dá)式編輯對(duì)話(huà)框

通過(guò)總體控制結(jié)構(gòu)可以大致確定關(guān)聯(lián)尺寸(含防干涉的廣義裝配尺寸)與相對(duì)位置關(guān)系，確定總體尺寸的邊界條件。

建立好的制動(dòng)器總體控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 制動(dòng)器總體控制結(jié)構(gòu)圖

基于NX/WAVE技術(shù)中包含的關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體的方法，可以復(fù)制幾何體的類(lèi)型趨于多樣化，包括點(diǎn)(線(xiàn)或邊的控制點(diǎn))、線(xiàn)(實(shí)體或片體的邊)、面、體、基準(zhǔn)等。將zhidongqi_tulunzhou設(shè)為工作部件，此時(shí)裝配控制結(jié)構(gòu)保存了產(chǎn)品總體控制參數(shù)、重要組件的外形曲面、外形輪廓線(xiàn)以及組件的位置等信息，只需利用幾何鏈接器將制動(dòng)器凸輪軸相對(duì)于制動(dòng)器中心位置關(guān)系的幾何特征、草圖、曲線(xiàn)等復(fù)制到子部件中，就可以單獨(dú)對(duì)凸輪軸進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，凸輪軸的參數(shù)通過(guò)引用部件選項(xiàng)關(guān)聯(lián)到總體控制結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)上，這樣就實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的全相關(guān)。生成的凸輪軸模型如圖7所示。

圖7 制動(dòng)凸輪軸模型圖

c.利用幾何鏈接器將制動(dòng)器殼體上表面關(guān)聯(lián)復(fù)制到制動(dòng)器蓋紙板組件，再拉伸生成紙板零件。圖8所示為制動(dòng)器蓋紙板全相關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖。

圖8 制動(dòng)器蓋紙板全相關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程

d.參照上述方法分別建立制動(dòng)蹄、摩擦片、制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄銷(xiāo)軸等零件的參數(shù)化模型。

e.對(duì)所有/零部件進(jìn)行后續(xù)細(xì)化設(shè)計(jì)，如拔模、倒角等，最后的制動(dòng)器總體裝配模型如圖9所示(為方便顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，制動(dòng)器蓋設(shè)為透明)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用NX/WAVE技術(shù)離散化這樣的復(fù)雜部件，可以便捷地建立起自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，產(chǎn)品總體控制結(jié)構(gòu)給復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品提供了一個(gè)并行設(shè)計(jì)的環(huán)境，有效地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，為企業(yè)節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本，提升了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，這種產(chǎn)品級(jí)全相關(guān)的參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)于其他類(lèi)似產(chǎn)品具有一定的借鑒意義，如拖拉機(jī)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的變速箱箱體、最終傳動(dòng)殼體、柴油機(jī)缸體等，這樣的設(shè)計(jì)模式和方法為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)提供了有力的支持。

圖9 制動(dòng)器總體裝配圖

[1] 徐夕玲,張翼,呂彩琴,等.基于UG/WAVE的柴油機(jī)連桿組自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē),2010(4):22-24.

[2] 洪如瑾,王剛. UG/WAVE產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)培訓(xùn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2002.

[3] 馬杰,王耕耘,王義林,等.基于UG/WAVE的活動(dòng)凸模參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè), 2013,39 (4): 6-9.

[4] 陳效華.基于參數(shù)化的自動(dòng)機(jī)械外形設(shè)計(jì)策略[J].兵工學(xué)報(bào), 2000(2): 198-200.

TheParametricDesignofTractorBrakeBasedonNX/WAVEandTop-downProcess

CHEN Jun1, HUI Weidong2, LU Fengxiang1

(1.Mahindra Yueda(Yancheng)Tractor Co. Ltd, Jiangsu Yancheng, 224001, China)(2.Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang, 212013, China)

It briefly introduces the WAVE technology as well as the method of parametric design. Based on establishment product overall control structure, it uses the top-down design method to realize all relevant parametric design of brake. This method improves effectively the product design quality and avoids a large amount of repetitive work, saves the cost of development for the enterprise.

Top-down; Brake; NX/WAVE; Parametric

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.012

2014-08-13

陳軍(1965—)，男，江蘇阜寧人，馬恒達(dá)悅達(dá)(鹽城)拖拉機(jī)有限公司高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)的研究。

TP391

A

2095-509X(2014)09-0050-04