基于UG的爬繩塊參數(shù)化建模方法

羅剛，熊永釗，唐長平，張國繁

武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司 湖北武漢 430084

1 序言

近年來，隨著海洋工程、港口運(yùn)輸、采礦工程及水電站建設(shè)等工程領(lǐng)域的快速發(fā)展，各種超大揚(yáng)程的起重設(shè)備需求不斷增加。在起重設(shè)備上，卷筒作為主要部件之一，工作時通過電動機(jī)和減速器，將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成鋼絲繩的拉力，同時在收繩時儲存鋼絲繩。卷筒上的繩槽用于容納鋼絲繩，其工作原理為通過卷筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為鋼絲繩的直線運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)起吊物的升降。鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式分為單層纏繞和多層纏繞，多層纏繞方式實(shí)現(xiàn)了兩層及以上鋼絲繩的纏繞，其容繩量較大，在提高臂架行程方面的優(yōu)勢十分明顯。在面對大揚(yáng)程、大容繩量的工程問題時，采用單層纏繞方式，通過增加卷筒直徑及增加卷筒長度的方法來提高容繩量，其作用十分有限，要大幅度提高卷筒的容繩量，鋼絲繩必須采用多層纏繞方式。在多層纏繞過程中，鋼絲繩正確、平穩(wěn)且順利地纏繞到卷筒上是提高鋼絲繩使用壽命、保證鋼絲繩傳動系統(tǒng)正常工作的前提。爬繩塊是一種呈四棱柱狀的零件，其環(huán)繞安裝在卷筒上，爬繩塊在卷筒上的定位越精準(zhǔn)，則鋼絲繩纏繞越規(guī)整。一旦爬繩塊定位不精準(zhǔn)，則容易出現(xiàn)鋼絲繩亂繩的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響起重設(shè)備的正常工作。對于形狀相似、尺寸不同的卷筒，需要使用形狀相似、尺寸不同的爬繩塊，通過參數(shù)化建模的方法，可極大提高設(shè)計開發(fā)效率[1-3]。本文通過對爬繩塊參數(shù)化建模方法的研究，為形狀相似、尺寸不完全相同零件的參數(shù)化設(shè)計提供了參考。

2 參數(shù)化建模概述

在產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)過程中，將零部件進(jìn)行通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計，是提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量并縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的有效途徑之一。為了加快產(chǎn)品設(shè)計過程，減少重復(fù)性的勞動，應(yīng)建立結(jié)構(gòu)形狀相同但尺寸不完全相同零件的三維模型庫[4]。在眾多機(jī)械設(shè)計軟件中，螺釘、螺栓、螺母、墊圈、密封件、潤滑件和軸承等標(biāo)準(zhǔn)件一般都有其相應(yīng)的三維模型庫。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，建立參數(shù)化模型，通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀，能夠快速、自動實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型[5]。

通常，參數(shù)化建模的流程為：首先通過UG建立某零件的三維參數(shù)化模型，然后創(chuàng)建一個含有該模型所有變量的外部電子表格，將電子表格中的數(shù)據(jù)與當(dāng)前模型中的參數(shù)建立關(guān)聯(lián)。因電子表中的變量已被當(dāng)前模型文件的零件尺寸所引用，通過修改電子表格中的數(shù)據(jù)即可驅(qū)動當(dāng)前建模文件中的零件結(jié)構(gòu)尺寸的變化，用戶可通過控制外部電子表格完成對零件參數(shù)的修改，故可避免修改大量參數(shù)所帶來的繁重工作量，可以避免一些人為的錯誤，且用一個模型就可表達(dá)出多個同類結(jié)構(gòu)的零件。通過使用UG進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，可以方便對產(chǎn)品模型進(jìn)行修改，從而減少設(shè)計人員的勞動量，并提高產(chǎn)品設(shè)計效率[6，7]。

3 爬繩塊模型的建立

3.1 爬繩塊圖樣分析

在建立爬繩塊模型之前，需要對其圖樣進(jìn)行分析。根據(jù)旋向，爬繩塊分為左旋和右旋，本文以左旋爬繩塊為例，進(jìn)行參數(shù)化建模方法研究。左旋爬繩塊圖樣及展開圖如圖1所示，從圖中可以看出，爬繩塊為3/4開口圓環(huán)，外形為不規(guī)則樣條曲線。從0°到270°之間，圖樣每隔15°標(biāo)注厚度尺寸，各爬繩塊的上端面旋向、各角度徑向厚度、內(nèi)孔半徑、薄端及厚端尺寸不同，其中爬繩塊展開圖的薄端為0°角。

3.2 爬繩塊三維模型創(chuàng)建

結(jié)合左旋爬繩塊圖樣，根據(jù)其實(shí)際尺寸，使用UG軟件，建立左旋爬繩塊三維模型，如圖2所示。

圖2 爬繩塊三維模型

3.3 爬繩塊參數(shù)的提取

點(diǎn)擊“工具”→“表達(dá)式”，彈出“表達(dá)式”選項卡，進(jìn)行參數(shù)表達(dá)式的創(chuàng)建。該爬繩塊用戶定義了24個表達(dá)式，如圖3所示。

圖3 “表達(dá)式”選項卡

點(diǎn)擊工具欄“導(dǎo)入和導(dǎo)出表達(dá)式”或點(diǎn)擊“菜單”→“工具”→“導(dǎo)入和導(dǎo)出表達(dá)式”，彈出“導(dǎo)入和導(dǎo)出表達(dá)式”選項卡，選中“導(dǎo)出”，導(dǎo)出爬繩塊參數(shù)表，如圖4所示。

圖4 “導(dǎo)入和導(dǎo)出表達(dá)式”選項卡

爬繩塊圖樣中幾乎所有尺寸都是獨(dú)立的，利用UG的表達(dá)式功能，可將所有參數(shù)形成Excel表格（見表1）。由于參數(shù)表是由UG導(dǎo)出，因此參數(shù)表遵循UG的格式規(guī)則，其中，第1列為定義的參數(shù)變量名（NAME），第2列為對應(yīng)的表達(dá)式（FORMULA），第3列為表達(dá)式的數(shù)值（VALUE），第4列為參數(shù)的單位（UNITS），第5列為表達(dá)式的類型（TYPE），第6列為用戶添加的說明與注釋（COMMENT）。由于模型是為后續(xù)的CAM編程做的技術(shù)準(zhǔn)備，故表達(dá)式中各尺寸為中差尺寸。

表1 爬繩塊參數(shù)

4 參數(shù)化模型的數(shù)控程序編制

以爬繩塊內(nèi)孔圓心為X軸、Y軸零點(diǎn)，爬繩塊開口位置位于Y軸負(fù)向，爬繩塊底部（與工裝結(jié)合面）為Z軸零點(diǎn)，創(chuàng)建爬繩塊編程坐標(biāo)系，如圖5所示。

圖5 編程坐標(biāo)系

根據(jù)左旋爬繩塊的結(jié)構(gòu)特征，編制左旋爬繩塊的加工內(nèi)容，見表2。

表2 爬繩塊加工內(nèi)容

按照通常的刀路軌跡編制方法，針對左旋爬繩塊結(jié)構(gòu)特征，選擇UG合適的加工模塊，在上述參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上編制各工步的刀路軌跡。如果某些工步要建立一些輔助面或中間工序模型，可在尺寸到位的參數(shù)化模型基礎(chǔ)上獲得，需要注意的是，要應(yīng)用表達(dá)式建立與尺寸到位模型的關(guān)聯(lián)。各個刀路軌跡如圖6所示。

圖6 刀路軌跡

5 參數(shù)表的應(yīng)用

根據(jù)左旋爬繩塊參數(shù)化模型及刀路軌跡，對于相同結(jié)構(gòu)、不同規(guī)格尺寸的爬繩塊（同樣可應(yīng)用于右旋爬繩塊），就可以利用參數(shù)表快速輸出爬繩塊三維模型及所需的刀路軌跡（即數(shù)控程序），而不需要執(zhí)行繁瑣的建模和刀路軌跡編制操作，同時也在一定程度上降低了建模的錯誤率。其具體操作如下。

（1）修改參數(shù)表 根據(jù)用戶所需的新零件實(shí)際尺寸值修改各控制參數(shù)的表達(dá)式（表1中的第2列），并保存Excel文件。

（2）更新三維模型 導(dǎo)入更改后的參數(shù)表，通過“工具”→“導(dǎo)入和導(dǎo)出表達(dá)式”選項卡，導(dǎo)入更改后的參數(shù)表，注意勾選“替代現(xiàn)有表達(dá)式”（見圖7），確定后，軟件就會根據(jù)參數(shù)表中的參數(shù)值更新三維模型。

圖7 替代現(xiàn)有表達(dá)式

（3）更新刀路軌跡 在UG中進(jìn)入“加工”模塊，將各操作的軌跡都重新生成，便可以得到所需的刀路軌跡。其中，若加工尺寸規(guī)則發(fā)生變化，先將刀具參數(shù)修改再重新一鍵生成刀路軌跡即可。

（4）輸出數(shù)控程序 選擇合適的后處理器，將重新生成后的刀路軌跡后處理，即可得到所需要的數(shù)控程序。

6 結(jié)束語

應(yīng)用UG的參數(shù)表達(dá)式功能可以方便地實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化設(shè)計。在工程設(shè)計中，設(shè)計人員可使用上述方法建立結(jié)構(gòu)相同、尺寸不完全相同零件的模型庫，在一定程度上能夠有效幫助設(shè)計人員減少重復(fù)設(shè)計，并極大提高設(shè)計效率。參數(shù)化建模的思路為產(chǎn)品設(shè)計提供了一種具有參考意義的方法，使用時只需根據(jù)實(shí)際需要修改Excel參數(shù)表中的參數(shù)，并導(dǎo)入UG更改后的參數(shù)表，就可以方便快捷地修改設(shè)計，很大程度上簡化了設(shè)計步驟，同時也保證了三維模型及數(shù)控程序的正確性。