基于UG參數化的產品優化設計

一、引言
    在產品設計過程中，零件不單單是孤立的幾何元素。從設計到制圖、數控加工、分析和裝配都存在著相關性。相關性設計為我們提供了非常方便的修改產品的方法，減少了重復性的工作，保持了信息的一致性，是支持并行設計的基礎技術之一。 運用現代的CAD技術，對產品進行參數化建模，可以用參數建立起零件內各個特征之間的相關關系和不同部件中幾何體的相關關系。通過對部件的關鍵參數進行調整，達到優化性能的目的。同時，通過設計時設定的關聯參數，實現相關部件的關聯改變，可以有效地減少設計改變的時間及成本，并維護設計的完整性。

    二、產品設計
    產品設計包括零件設計和裝配設計。在進行產品設計時，可以先設計組成產品的每一個零件，然后再進行裝配設計，這是一種自底向上(Bottom-Up)的設計方法；二是用自頂向下(Top-Down)方法，即從裝配到零件的設計，先建立裝配結構，逐步添加零件或設計幾何，產生子裝配或部件；三是上下文設計(Context-Text)，利用裝配結構中其他部件的信息設計零件幾何。
    在產品設計中，經常會綜合運用上述方法。設計一個新產品，可以先用自頂向下的方法構造出產品的基本結構，根據裝配關系把產品分解成若干零部件，確定這些零部件之間的幾何和位置的約束關系，根據這些約束條件再對零部件進行概念設計和詳細設計。一個零部件中不僅保存著自身特征和屬性信息，也保存著與其他零部件之間的聯系信息，當自身發生改變時，可以自動傳遞到其他相關零部件，使相關零部件發生更新；相應地，其他相關零部件的變化亦能驅動自身作出變化，從而保持了整個產品的一致性和完整性。

    三、設計實例
    1．設計對象及要求
    本例的設計對象是一真空泵，其工作原理是通過一個連接在皮帶輪傳動系統中的曲軸帶動活塞進行往復運動，從而排出缸體腔內的空氣，達到消磁和干燥的目的，如圖1所示。
   
               圖1 泵體結構
    2．關鍵參數的確定
    真空泵的性能取決于它每分鐘能排出空氣的體積。
    空氣體積=面積×距離=（π×（活塞直徑/2）2）×（2 ×（曲軸軸柄長度））
    排量=空氣體積×曲軸轉速
    其中關鍵的參數為：
    活塞直徑：sxh_piston_dia
    曲軸曲柄長度：sxh_throw
    曲軸轉速：sxh_rpm
    排量：sxh_rating
    3．目標函數的確定
    sxh_rating=（π×（sxh_piston_dia /2）2）×（2×（sxh_throw））× sxh_rmp
    4．設計方案綜述
    設計軟件采用UG-NX，基于自頂向下(Top-Down)原則對產品進行設計，根據關鍵參數和UG-WAVE技術建立起零部件之間的幾何和位置的相關性，然后再根據約束條件對零部件進行詳細設計，完成產品的裝配模型。利用UG的電子表格，根據排量sxh_rating的要求，采用目標搜索的Regular Falsi方法確定曲軸轉速sxh_shaft_rpm的最佳值。根據轉速和排量的要求，采用目標搜索的Newton Raphson方法確定曲軸軸柄的長度sxh_throw。最后根據關鍵參數sxh_throw的新值，用UG的根部件級聯更新的方法更新全部零部件。
    5．設計步驟
    （1）建立產品的裝配結構
    在UG裝配模塊下，新建sxh_assm裝配文件，然后用添加新組件的方法創建空的零件文件，如圖2所示。
   
                     圖2 裝配結構
    這些零件與活塞直徑和曲軸軸柄長度是參數相關的。
    （2）零件建模
    根據關鍵參數sxh_piston_dia和sxh_throw，對上述零件進行建模。這些零件都依賴于關鍵參數，當參數發生改變，零件模型相應作出更新，如圖3和圖4所示。
   
       圖3 基于參數sxh_piston_dia的活塞#p#分頁標題#e#
   
       圖4 基于參數sxh_throw的曲軸
    （3）零件裝配
    使用UG組件匹配功能建立起上述零件的裝配結構。
    （4）使用UG幾何鏈接器根據幾何關聯創建其他零件
    曲軸箱蓋和缸頭蓋等零件使用UG-WAVE技術，分別基于曲軸箱和缸體的幾何和位置關系創建而成。如曲軸箱蓋sxh_cover的創建，先把曲軸箱零件sxh_crankcase中的輪廓草圖和參考基準鏈接到sxh_cover零件中，以鏈接過來的基準為基準創建草圖，并建立和鏈接草圖的幾何約束關系，如圖5所示。這樣就在曲軸箱和蓋之間建立了相關性，當曲軸箱更改時，蓋也將作相應更新。
   
               圖5 建立曲軸箱、蓋間鏈接關系
    6．優化設計
    利用UG的電子表格對關鍵參數進行調整，達到優化設計的目的。
    （1）利用目標分析（Goal Analysis）確定曲軸轉速（sxh_rmp）的大致范圍，如圖６所示。
   
                圖6 目標分析結果
    （2）采用Regula Falsi的目標搜索方法確定曲軸轉速的最佳值，如圖7所示。
   
                圖7 目標搜索結果
    根據排量sxh_rating值要求達到350升/分鐘，確定參數sxh_rpm最佳值為576.3153rmp。
    （3）確定皮帶輪直徑和曲軸軸柄長度。
    根據“皮帶輪直徑×曲軸轉速=電機帶輪直徑×電機轉速”以及排量計算公式，滿足條件在曲軸轉速為576rpm的情況下泵排量達到350升/分鐘，采用目標搜索的Newton Raphson 2D方法來求解皮帶輪直徑和曲軸軸柄長度，如圖8所示。
   
                圖8 目標搜索結果
    （4）更新部件
    根據優化結果，參數sxh_throw已發生改變，使用根部件級聯更新（Root Part cascade）的方法，UG能夠自動對所有與參數sxh_throw相關的零件進行更新。

    四、結束語
    在產品設計時，充分運用先進的CAD軟件，進行相關參數化設計，可以有效地提高設計效率，縮短產品的開發周期。在對產品性能進行優化及升級改造時，可以依據原有設計對參數進行調整，自動實現對零件及裝配模型的更新，減少再設計時大量的重復性工作，從而減低產品的成本并提升企業的競爭力。