UG NX變形功能在機械設計中的應用

傅偉+++龔晶晶

摘 要：文章針對設計中出現的變形零件和一些運動分析的模擬出現的一些弊病進行剖析，推出一種簡單、低成本的設計思路，實現了對設計產品的運動狀態分析和模擬，并詳細介紹了具體的實現方法。

關鍵詞：unigraphic NX；變形件；變形；運動仿真

前言

Unigraphic NX是目前最受歡迎的3D設計軟件之一，其功能強大，模塊豐富，在機械設計中應用非常廣泛。Unigraphic NX不僅有建模模塊可以實現3D建模，還有運動分析模塊可以實現對運動狀態的模擬分析，便于設計者直觀地判斷干涉情況、空間使用情況、部件運動的中間狀態等，是非常實用的功能。但由于絕大多數的使用者設計的產品對部件運動狀態的分析要求較低，頻次不高但又有使用的需求，在這種情況下單獨購買運動分析模塊就顯得過于浪費。

文章作者在長期利用UG進行機械設計的過程中，總結出了一種簡單實用的方法，利用最常用的設計模塊——建模模塊中的命令模擬部件的不同狀態，從而達到替代分析的目的。這種方法簡單，對使用者的UG技巧要求低，且不需要另外購買運動分析模塊，在實際應用中已得到推廣，使用效果非常好。

1 常規解決方案及存在的問題

在機械設計中有時會出現一些部件狀態在使用中會發生改變的變形設計，大致可分為三大類：

一類為由于工作狀態時和自由狀態時參數不同，形狀隨之改變的零件。例如壓縮彈簧，工作狀態時壓縮或拉伸彈簧，彈簧的長度會發生改變。

第二類為裝配后的形狀會隨裝配條件而改變的零件。如通氣的軟管、產品設計中的膠條，剛開始為自由狀態的形狀，但因為它是裝配在凹槽中的，裝配后就改變為凹槽的路徑形狀了。

第三類為一組裝配件，其內部部分部件的位置隨著設計的改變而改變，例如工裝設計中的常用的氣缸的伸縮量變化、滾動直線導軌中滑塊位置的變化、電機接線盒根據安裝空間不同選擇不同的安裝位置等。

以往對第一、二類情況的解決方案是：有多少個零件狀態就設計多少個零件數模，并賦予多少個文件名。但在裝配結構中只裝配原始狀態的零件；對第三類情況的解決方案是：將每個零件做成一個文件，然后將其裝配起來，形成一個裝配文件。每個工作位置有一個裝配文件。這兩種解決方案的弊端有：

（1）變形零件不同的工作狀態占用一個不同的零件號，數模管理起來困難。

（2）由于加入到工裝總成中的零件往往只有最初狀態的一種，而最初狀態與實際工作狀態存在差異，這在數模上看就會出現干涉、裝配位置不正確、零件狀態與工作狀態不符等錯誤顯示。

（3）由于零件狀態不同命名也不同，在對零件做修改時，往往很難找到該零件的全部狀態文件，這就無法保證所有零件狀態的關聯更改，使用中出現錯誤的概率很高。且同一個零件，加工的狀態一般為自然狀態，而裝配的狀態為工作狀態，這就會出現加工零件號與裝配零件號不一致的情況，易造成管理混亂。

（4）該類需要做變形處理的零件一般都是使用量較大的標準產品，但由于不同的需求下的使用狀態需求千差萬別，很難設計出滿足所有的使用狀態的標準件，導致這類零件很難實現標準化。

2 采用變形部件功能實現零件變形的解決方案

對于上述幾種方法存在的問題，經過實踐摸索，總結出來采用Unigraphic NX中的變形部件功能是一個很好的解決方案。

可變形部件命令設計的原理是：單個零件文件中，將需要變形的參數或形狀定義為可變形，在設計中調用該零件時，就可以在裝配文件中改變其參數和形狀，同時可以保持零件源文件中的參數和形狀不變，這就達到了零件在單個文件和裝配文件中可以有不同形狀的目的。具體的設計方法有：

第一類零件例如彈簧類，可以先按彈簧的自由高度設計，然后使用定義可變形部件命令將彈簧的節距設置為可變形參數，換算出彈簧的高度公式后保存，在裝配文件中根據工作狀態設置不同的節距長度，即可以呈現出不同的使用條件下的伸長量。

第二類零件以軟管為例：先將軟管按自由狀態的形態繪制出，然后使用定義可變形部件命令，將軟管的裝配路徑設置為可變形路徑后保存，在裝配文件中根據裝配形狀的不同設置裝配路徑，就可以適應于不同的裝配形狀要求。

第三類零件設計以氣缸為例：雖然此類的零件為裝配件，但在建立數模時可以將其視為一個零件，這樣可以節約大量的取號資源。設計時利用可變形部件命令，將活塞桿的伸縮量作為可變形參數保存，裝配文件中根據使用要求的不同利用變形命令調整活塞桿的伸長量，就可以呈現出不同的狀態。

使用定義可變形部件的方法來處理此類零件有如下優點：

（1）由于用此類方法設計的變形零件只需要建立一個源文件，其不同狀態的呈現是通過在裝配文件中設置變形參數和變形路徑來控制的，不需要根據零件狀態的不同建立新文件，數模層級清晰，管理方便。

（2）設計者只需要設計出一種默認的狀態即可，在工裝夾具中變形零件的參數和形狀由調用者來控制，這使此類變形零件設計為標準件成為了可能。

（3）在設計標準件時，可以限定可變形部件的變形范圍，防止調用者在設計過程中將零件使用到不合理的狀態，例如：在氣缸的設計中，可定義氣缸里的活塞桿的伸長量只能是從0到氣缸行程之間變化，電機接線盒的位置只能在0、90、180、270四個方面安裝，這就避免了出現氣缸超行程使用和電機接線盒安裝位置不符合廠家要求的情況出現。

（4）調用者只需要簡單的修改變形參數，就可達到改變形狀的目的，操作簡單，容易推廣。

（5）在同一個裝配文件中多次使用到同一變形部件時，也可以方便地通過對每一次裝配修改變形參數和裝載路徑而呈現出不同的使用狀態，所見即所得。

（6）在工裝設計中，一般要研究部件的的使用狀態、運動軌跡，需要使用UG的高級功能——運動分析模塊，該模塊對使用者的UG水平有較高的要求，且購買運動分析模塊價格昂貴。然而運用定義可變形部件命令，只需簡單的修改變形參數，就可達到運動模擬的效果，使用方法簡單，無需另外購買許可，無需額外增加軟件成本。endprint

3 利用變形命令實現氣缸數模變形

經過上文描述我們可以看到，通過巧妙的利用變形命令可以表達出氣缸、滑塊、電機、彈簧等的不同工況的狀態變化，下文將以氣缸為例，介紹如何利用UG NX中的“deform”命令對零部件進行變形設計。

3.1 導入零部件數模

氣缸廠家一般都可以提供產品數模供使用，我們直接導出便可以應用，在導出數模時有以下幾點需要注意：

（1）應用廠家軟件可導出的三維數模的格式有多種，但只有iges、step兩種格式才能導入到Unigraphics NX中。又由于iges導出的為片體形式，不能方便的進行操作，因此建議導出的氣缸數模格式為.step。

（2）為了方便氣缸做變形處理，要求氣缸體與活塞桿為分離式的，亦即導出氣缸體和活塞桿要以兩個特征導出。

（3）PDM系統不能導入裝配結構，所以導出的數模不帶裝配結構。

3.2 設定需要變形的參數

既然想將氣缸的活塞桿在氣缸體中的位置能記錄下來做變形處理，就需要將活塞桿的伸長量做個參數設計，以便能做將來的變形參數控制。由于導入到系統后的氣缸數模呈現為非參的特征，用一般的參數化設計命令已經不能滿足要求，這就要使用同步建模的命令來實現了。具體步驟為：

（1）選擇菜單中的“插入”-〉“同步建模”-〉“移動面”命令

（2）在“選擇面”選項中，選擇特征面，選中活塞桿特征

（3）在“選擇變換”選項中選擇距離作為變換方式

（4）在“選擇方向矢量”時必須選擇氣缸桿上的矢量方向。切記不能選擇氣缸的圓柱面，否則將來更改氣缸伸長量后發現氣缸體與活塞桿脫離現象。

（5）在距離中填寫要移動的數值，該數值一般為第一個使用者需要的數值，也就是氣缸夾緊時的氣缸伸長量。

圖1 利用“移動面”命令設置需要變形的參數

3.3 設置伸長量的抑制表達式

如果在上一步驟中“距離”值中填寫的值不為零，則此步省略

如果上一步中的“距離”為零的狀態下就會出現錯誤提示“值必須大于零”。由于當移動距離設置為“0”時，表示不移動，而不移動又說明根本不需要移動命令，故會出現錯誤提示。然而有時設計者就需要氣缸伸長量為0時作為夾具的工作狀態，移動面用不了，又不能形成變形的參數，沒辦法對其進行控制，這種情況下可以利用抑制表達式的命令來解決這個問題：

（1）將伸長量隨意寫入一個不為0的值，先保證移動面能正常操作。

（2）選擇菜單中的“編輯”-〉“特征”-〉“由表達式抑制”將移動面特征創建為抑制表達式。該表達式的值默認為1，表示不抑制，如果改為0，則移動面的命令將被抑制掉。

3.4 修改該抑制表達式

在菜單中選擇“工具”-〉“表達式”命令，找到此抑制表達式，修改其值為如下條件表達式：

If（p0=0） 0 else 1

該表達式中P0為氣缸的伸長量，也就是移動面的距離值。該表達式的意思是：如果氣缸的伸長量為0的話，那么移動面的命令將被抑制；如果不為0，則移動面特征不抑制，呈顯示狀態，再找到移動面的表達式將其值改為0即可抑制命令而不出錯。

3.5 設置氣缸變形功能

選擇菜單中的“工具”-〉“定義可變形部件”，在彈出的選項框中選擇除了氣缸體外的所有特征加入到右邊可變形部件特征框中，如圖2。

圖2 添加可變形的部件特征

點擊下一步將伸長量表達式添加到可變形的表達式中去，選擇表達式規則為“按整數范圍”，設定最大值為氣缸的行程（防止設計者將變形量設置超過氣缸行程），點擊完成，完成設置。填寫完必要的屬性后點擊保存，完成變形氣缸的設計。

圖3 更改伸長量的表達式

4 變形氣缸的使用

設計者將氣缸裝配到工裝中，選中氣缸并通過右鍵選擇“deform”命令，設置變形量就可以達到模擬氣缸打開狀態的目的，并通過建立正確的約束關系，可以實現關聯零部件的狀態改變。

工裝夾緊狀態 設置氣缸伸長量為0時的工裝打開狀態

圖4 氣缸變形前后的狀態變化

5 結束語

在工裝設計中利用Unigraphic NX軟件中的定義可變形組件功能處理變形零件和運動組件的多種狀態的處理，適用范圍廣，難度低，可以節約取號資源，簡化設計、擴充了標準化設計的模式，給工裝設計提供了一種提高效率的有效途徑，特別是利用變形功能來替代簡單的運動仿真，更是大幅降低了IT成本，給工裝設計開拓了一個新思路。

作者簡介：龔晶晶（1982-），女，湖北宜昌，上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向：汽車焊裝線設計。

傅偉（1969-），男，廣西玉林，上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向：汽車焊裝線設計。endprint

3 利用變形命令實現氣缸數模變形

經過上文描述我們可以看到，通過巧妙的利用變形命令可以表達出氣缸、滑塊、電機、彈簧等的不同工況的狀態變化，下文將以氣缸為例，介紹如何利用UG NX中的“deform”命令對零部件進行變形設計。

3.1 導入零部件數模

氣缸廠家一般都可以提供產品數模供使用，我們直接導出便可以應用，在導出數模時有以下幾點需要注意：

（1）應用廠家軟件可導出的三維數模的格式有多種，但只有iges、step兩種格式才能導入到Unigraphics NX中。又由于iges導出的為片體形式，不能方便的進行操作，因此建議導出的氣缸數模格式為.step。

（2）為了方便氣缸做變形處理，要求氣缸體與活塞桿為分離式的，亦即導出氣缸體和活塞桿要以兩個特征導出。

（3）PDM系統不能導入裝配結構，所以導出的數模不帶裝配結構。

3.2 設定需要變形的參數

既然想將氣缸的活塞桿在氣缸體中的位置能記錄下來做變形處理，就需要將活塞桿的伸長量做個參數設計，以便能做將來的變形參數控制。由于導入到系統后的氣缸數模呈現為非參的特征，用一般的參數化設計命令已經不能滿足要求，這就要使用同步建模的命令來實現了。具體步驟為：

（1）選擇菜單中的“插入”-〉“同步建?！?〉“移動面”命令

（2）在“選擇面”選項中，選擇特征面，選中活塞桿特征

（3）在“選擇變換”選項中選擇距離作為變換方式

（4）在“選擇方向矢量”時必須選擇氣缸桿上的矢量方向。切記不能選擇氣缸的圓柱面，否則將來更改氣缸伸長量后發現氣缸體與活塞桿脫離現象。

（5）在距離中填寫要移動的數值，該數值一般為第一個使用者需要的數值，也就是氣缸夾緊時的氣缸伸長量。

圖1 利用“移動面”命令設置需要變形的參數

3.3 設置伸長量的抑制表達式

如果在上一步驟中“距離”值中填寫的值不為零，則此步省略

如果上一步中的“距離”為零的狀態下就會出現錯誤提示“值必須大于零”。由于當移動距離設置為“0”時，表示不移動，而不移動又說明根本不需要移動命令，故會出現錯誤提示。然而有時設計者就需要氣缸伸長量為0時作為夾具的工作狀態，移動面用不了，又不能形成變形的參數，沒辦法對其進行控制，這種情況下可以利用抑制表達式的命令來解決這個問題：

（1）將伸長量隨意寫入一個不為0的值，先保證移動面能正常操作。

（2）選擇菜單中的“編輯”-〉“特征”-〉“由表達式抑制”將移動面特征創建為抑制表達式。該表達式的值默認為1，表示不抑制，如果改為0，則移動面的命令將被抑制掉。

3.4 修改該抑制表達式

在菜單中選擇“工具”-〉“表達式”命令，找到此抑制表達式，修改其值為如下條件表達式：

If（p0=0） 0 else 1

該表達式中P0為氣缸的伸長量，也就是移動面的距離值。該表達式的意思是：如果氣缸的伸長量為0的話，那么移動面的命令將被抑制；如果不為0，則移動面特征不抑制，呈顯示狀態，再找到移動面的表達式將其值改為0即可抑制命令而不出錯。

3.5 設置氣缸變形功能

選擇菜單中的“工具”-〉“定義可變形部件”，在彈出的選項框中選擇除了氣缸體外的所有特征加入到右邊可變形部件特征框中，如圖2。

圖2 添加可變形的部件特征

點擊下一步將伸長量表達式添加到可變形的表達式中去，選擇表達式規則為“按整數范圍”，設定最大值為氣缸的行程（防止設計者將變形量設置超過氣缸行程），點擊完成，完成設置。填寫完必要的屬性后點擊保存，完成變形氣缸的設計。

圖3 更改伸長量的表達式

4 變形氣缸的使用

設計者將氣缸裝配到工裝中，選中氣缸并通過右鍵選擇“deform”命令，設置變形量就可以達到模擬氣缸打開狀態的目的，并通過建立正確的約束關系，可以實現關聯零部件的狀態改變。

工裝夾緊狀態 設置氣缸伸長量為0時的工裝打開狀態

圖4 氣缸變形前后的狀態變化

5 結束語

在工裝設計中利用Unigraphic NX軟件中的定義可變形組件功能處理變形零件和運動組件的多種狀態的處理，適用范圍廣，難度低，可以節約取號資源，簡化設計、擴充了標準化設計的模式，給工裝設計提供了一種提高效率的有效途徑，特別是利用變形功能來替代簡單的運動仿真，更是大幅降低了IT成本，給工裝設計開拓了一個新思路。

作者簡介：龔晶晶（1982-），女，湖北宜昌，上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向：汽車焊裝線設計。

傅偉（1969-），男，廣西玉林，上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向：汽車焊裝線設計。endprint

3 利用變形命令實現氣缸數模變形

經過上文描述我們可以看到，通過巧妙的利用變形命令可以表達出氣缸、滑塊、電機、彈簧等的不同工況的狀態變化，下文將以氣缸為例，介紹如何利用UG NX中的“deform”命令對零部件進行變形設計。

3.1 導入零部件數模

氣缸廠家一般都可以提供產品數模供使用，我們直接導出便可以應用，在導出數模時有以下幾點需要注意：

（1）應用廠家軟件可導出的三維數模的格式有多種，但只有iges、step兩種格式才能導入到Unigraphics NX中。又由于iges導出的為片體形式，不能方便的進行操作，因此建議導出的氣缸數模格式為.step。

（2）為了方便氣缸做變形處理，要求氣缸體與活塞桿為分離式的，亦即導出氣缸體和活塞桿要以兩個特征導出。

（3）PDM系統不能導入裝配結構，所以導出的數模不帶裝配結構。

3.2 設定需要變形的參數

既然想將氣缸的活塞桿在氣缸體中的位置能記錄下來做變形處理，就需要將活塞桿的伸長量做個參數設計，以便能做將來的變形參數控制。由于導入到系統后的氣缸數模呈現為非參的特征，用一般的參數化設計命令已經不能滿足要求，這就要使用同步建模的命令來實現了。具體步驟為：

（1）選擇菜單中的“插入”-〉“同步建?！?〉“移動面”命令

（2）在“選擇面”選項中，選擇特征面，選中活塞桿特征

（3）在“選擇變換”選項中選擇距離作為變換方式

（4）在“選擇方向矢量”時必須選擇氣缸桿上的矢量方向。切記不能選擇氣缸的圓柱面，否則將來更改氣缸伸長量后發現氣缸體與活塞桿脫離現象。

（5）在距離中填寫要移動的數值，該數值一般為第一個使用者需要的數值，也就是氣缸夾緊時的氣缸伸長量。

圖1 利用“移動面”命令設置需要變形的參數

3.3 設置伸長量的抑制表達式

如果在上一步驟中“距離”值中填寫的值不為零，則此步省略

如果上一步中的“距離”為零的狀態下就會出現錯誤提示“值必須大于零”。由于當移動距離設置為“0”時，表示不移動，而不移動又說明根本不需要移動命令，故會出現錯誤提示。然而有時設計者就需要氣缸伸長量為0時作為夾具的工作狀態，移動面用不了，又不能形成變形的參數，沒辦法對其進行控制，這種情況下可以利用抑制表達式的命令來解決這個問題：

（1）將伸長量隨意寫入一個不為0的值，先保證移動面能正常操作。

（2）選擇菜單中的“編輯”-〉“特征”-〉“由表達式抑制”將移動面特征創建為抑制表達式。該表達式的值默認為1，表示不抑制，如果改為0，則移動面的命令將被抑制掉。

3.4 修改該抑制表達式

在菜單中選擇“工具”-〉“表達式”命令，找到此抑制表達式，修改其值為如下條件表達式：

If（p0=0） 0 else 1

該表達式中P0為氣缸的伸長量，也就是移動面的距離值。該表達式的意思是：如果氣缸的伸長量為0的話，那么移動面的命令將被抑制；如果不為0，則移動面特征不抑制，呈顯示狀態，再找到移動面的表達式將其值改為0即可抑制命令而不出錯。

3.5 設置氣缸變形功能

選擇菜單中的“工具”-〉“定義可變形部件”，在彈出的選項框中選擇除了氣缸體外的所有特征加入到右邊可變形部件特征框中，如圖2。

圖2 添加可變形的部件特征

點擊下一步將伸長量表達式添加到可變形的表達式中去，選擇表達式規則為“按整數范圍”，設定最大值為氣缸的行程（防止設計者將變形量設置超過氣缸行程），點擊完成，完成設置。填寫完必要的屬性后點擊保存，完成變形氣缸的設計。

圖3 更改伸長量的表達式

4 變形氣缸的使用

設計者將氣缸裝配到工裝中，選中氣缸并通過右鍵選擇“deform”命令，設置變形量就可以達到模擬氣缸打開狀態的目的，并通過建立正確的約束關系，可以實現關聯零部件的狀態改變。

工裝夾緊狀態 設置氣缸伸長量為0時的工裝打開狀態

圖4 氣缸變形前后的狀態變化

5 結束語

在工裝設計中利用Unigraphic NX軟件中的定義可變形組件功能處理變形零件和運動組件的多種狀態的處理，適用范圍廣，難度低，可以節約取號資源，簡化設計、擴充了標準化設計的模式，給工裝設計提供了一種提高效率的有效途徑，特別是利用變形功能來替代簡單的運動仿真，更是大幅降低了IT成本，給工裝設計開拓了一個新思路。

作者簡介：龔晶晶（1982-），女，湖北宜昌，上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向：汽車焊裝線設計。

傅偉（1969-），男，廣西玉林，上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向：汽車焊裝線設計。endprint