基于UG的家電造型設(shè)計及動態(tài)仿真

摘 要 面對激烈的市場競爭，制造業(yè)必須加速產(chǎn)品開發(fā)進程，縮短設(shè)計開發(fā)周期。計算機技術(shù)和計算機圖形學(xué)的不斷發(fā)展，為人們提供了強有力的工具，三維 CAD/CAM/CAE 集成化軟件被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。與傳統(tǒng)的裝配設(shè)計相比，虛擬裝配技術(shù)能滿足并行工程的要求，實現(xiàn)產(chǎn)品可裝配的設(shè)計，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中的問題，提高裝配質(zhì)量和裝配效果。 研究是在 UG 軟件設(shè)計平臺上完成風(fēng)扇的三維造型設(shè)計。立式電風(fēng)扇的外形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如果用傳統(tǒng)的 CAD 繪圖軟件設(shè)計非常困難， UG 可以輕松解決這個問題， UG 軟件具有很強大的實體造型、曲面造型、 虛擬產(chǎn)品裝配仿真、工程圖生成等功能。論文以從實物到模具的逆向設(shè)計過程論述了風(fēng)扇虛擬設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即零部件建模、虛擬裝配、動態(tài)仿真和扇葉的注塑模設(shè)計等。并對產(chǎn)品設(shè)計中的虛擬設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法的差異、優(yōu)越性進行了比對。通過可視化顯示裝配、干涉分析然后以求達到準(zhǔn)確運動仿真，使生產(chǎn)真正在高效、高質(zhì)量、低成本的環(huán)境下完成。 關(guān)鍵詞： 三維 造型 設(shè)計；虛擬裝配；運動仿真 Abstract Facing with the competitive market, manufacturers need to accelerate product development process, shorten the product design and development cycle. The continuous development of computer technology and computer graphics provides powerful tools for people, three-dimensional CAD/CAM/CAE integration software is widely used in manufacturing. Compared with the traditional assembly design, virtual assembly technology to meet the requirements of concurrent engineering, the design of their products can be equipped with timely detection of problems in product design, improve the assembly quality and assembly efficiency. This thesis based on UG product design platform for the fan completed the three-dimensional design. The shape structure of vertical electric fan is very complex, if using the traditional CAD drawing software to design will be very difficult, UG can easily solve this problem, the UG software has powerful functions of solid modeling, surface modeling, virtual assembly simulation, engineering drawing and others. This paper discussed the key link of fan that using reversal design progress from the physical to the mold in virtual design, as the part modeling, virtual assembly, dynamic simulation and the fan injection mold design. The paper also compared the advantages and differences between virtual for product design in the development of traditional design methods. Through the visual display assembly, interference analysis then to achieve accurate simulation campaign that produce real in high efficiency, high quality, short time, low cost environment. Key words: 3D modeling design； simulation assembly； movement simulation 目 錄 摘 要 . III ABSTRACT . IV 目 錄 . V 1 緒論 . 1 1.1 三維造型設(shè)計的現(xiàn)狀和發(fā)展前景 . 1 1.2 常用三維造型軟件介紹 . 2 1.3 UG 軟件的介紹 . 2 1.4 論文主要內(nèi)容及研究意義 . 3 2 基于 UG 的風(fēng)扇設(shè)計 . 5 2.1 電風(fēng)扇的發(fā)展現(xiàn)狀 . 5 2.2 UG 在產(chǎn)品中的設(shè)計思路 . 5 2.3 電風(fēng)扇的建模設(shè)計分析 . 5 2.3.1 電風(fēng)扇的虛擬裝配介紹 . 6 2.4 電風(fēng)扇主要零件的建模繪制 . 8 2.4.1 電風(fēng)扇罩的繪制 . 8 2.4.2 電風(fēng)扇葉的繪制 . 10 2.4.3 電風(fēng)扇后座的繪制 . 12 2.4.4 電風(fēng)扇支架部分的繪制 . 14 2.4.5 電風(fēng)扇操作面板的繪制 . 15 2.4.6 電風(fēng)扇其他零件的繪制 . 16 2.5 電風(fēng)扇的裝配體建模及爆炸圖 . 17 2.5.1 裝配風(fēng)扇本體 . 17 2.5.2 電風(fēng)扇的爆炸視圖及干涉分析 . 21 3 動態(tài)仿真 . 24 3.1 關(guān)于動態(tài)仿真 . 24 3.1.1 動態(tài)仿真的起源 . 24 3.1.2 仿真技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)制造過程中的應(yīng)用 . 24 3.2 電風(fēng)扇的動態(tài)仿真 . 25 3.2.1 機構(gòu)運動仿真 . 25 3.2.2 電風(fēng)扇模擬仿真 . 25 4 電風(fēng)扇葉注塑模設(shè)計 . 29 4.1 注塑 模設(shè)計的基本流程 . 29 4.2 注塑模具的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 30 4.2.1 扇葉材料的分析 . 30 4.2.2 分型面的選擇 . 30 4.2.3 扇葉注塑模具結(jié)構(gòu)及工作原理 . 31 5 結(jié)論與展望 . 33 5.1 結(jié)論 . 33 5.2 不足之處及未來展望 . 33 致 謝 . 34 參考文獻 . 35 1 緒論 計算機輔助設(shè)計是一種將人和計算機的最佳特性結(jié)合起來以用來輔助進行產(chǎn) 品的設(shè)計和分析的技術(shù)，是綜合了計算機與工程設(shè)計方法的最新發(fā)展成果一門新興學(xué)科。它的產(chǎn)生和不斷發(fā)展，對工業(yè)生產(chǎn)、工程設(shè)計、科學(xué)研究等領(lǐng)域的技術(shù)進步和發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。 1.1 三維造型設(shè)計的現(xiàn)狀和發(fā)展前景 市場需求是技術(shù)創(chuàng)新的原動力，二十一世紀(jì)的一個重大變革是全球市場的統(tǒng)一，它使市場競爭更加激烈，產(chǎn)品更新周期加快。在這種背景下， CAD技術(shù)得到迅速普及和極大發(fā)展。 1991年，美國評出的二十世紀(jì)最具影響的十大技術(shù)中， CAD便榜上有名。 CAD技術(shù)從最初的工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹拿總€角落，從機械、電子、建 筑、教學(xué)、管理等，可以說無數(shù)不包。經(jīng)過四十多年的發(fā)展， CAD/CAM技術(shù)有了長足的進步，而三維CAD技術(shù)到目前為止共經(jīng)歷了 4次大的技術(shù)革新。 （ 1） 三維線框系統(tǒng) 20世紀(jì) 60年代，新出現(xiàn)的三維 CAD系統(tǒng)是簡單的線框式系統(tǒng)，只能表達基本的幾何信息，而不能有效地表達幾何數(shù)據(jù)間的拓撲關(guān)系 1。 （ 2） 曲面造型系統(tǒng) 法國達索飛機制造公司基貝塞爾算法，在上個世紀(jì) 70年代開發(fā)出以表面模型為特點的三維造型系統(tǒng) CATIA，從而標(biāo)志著 CAD技術(shù)突破了單純模仿工程圖紙三視圖的模式，首次實現(xiàn)完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，使得 CAD技術(shù)有 了實現(xiàn)基礎(chǔ)。 （ 3） 實體造型技術(shù) 早在 60年代初，就提出了實體造型的概念，但由于當(dāng)時理論研究和實踐都不夠成熟，實體造型技術(shù)發(fā)展緩慢。 70年代初出現(xiàn)了簡單的具有一定實用性的基于實體造 CAD/CAM系統(tǒng)，實體造型在理論研究方面也相應(yīng)取得了發(fā)展。到 70年代后期，實體造型 技術(shù)在理論、算法和應(yīng)用方面逐漸成熟。它帶來算法改進和未來發(fā)展的希望，同時也帶來了數(shù)據(jù)計算量的急速膨脹。 （ 4） 參數(shù)化設(shè)計 參數(shù)化設(shè)計是通過改動圖形的某一部分或某幾部分的尺寸，或者修改定義好的零件參數(shù)，自動完成圖形中相關(guān)部分的改動，從而實現(xiàn)對圖形的驅(qū)動。參數(shù)化 使 設(shè)計極大地改善了圖形的修改手段，提高了設(shè)計的柔性 ， 在概念設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、實體造型、裝配、公差分析與綜合、機構(gòu)仿真、優(yōu)化設(shè)計等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用，體現(xiàn)了很高的應(yīng)用價值。 三維 CAD系統(tǒng)的核心是產(chǎn)品的三維模型，它所表達的幾何信息越來越完整和 準(zhǔn)確，解決問題的范圍越來越廣三維模型包含了更多的實際結(jié)構(gòu)特征，通過賦予零部件一定的物理屬性，就可以進行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析和各種物性計算，并為后續(xù)設(shè)計制造模塊應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，使用戶在采用三維 CAD造型工具進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，就能反映實際產(chǎn)品的構(gòu)造或者加工制造過程，成為實現(xiàn) CAD/CAE/CAPP/CAM集成的基礎(chǔ)。 我國在軟件和設(shè)備方面的發(fā)展一直比較緩慢，直到進 入 21世紀(jì)以來，我國的計算機行業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展，正是因為這樣，我國的 CAD技術(shù)才有了進一步發(fā)展的空間，在現(xiàn) 代制造業(yè)舞臺上，生產(chǎn)效率、成本、規(guī)劃管理無不和 生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)，因此 CAD技術(shù)的開發(fā)直接關(guān)系到產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、維修等工作的速度和效率，顯得尤為重要。在產(chǎn)品的設(shè)計和裝配階段，一般采用二維制圖和三維造型。尤其是三維造型，以其直觀、能直接轉(zhuǎn)化二維工程圖和虛擬裝配等優(yōu)勢在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計方面有著絕對的優(yōu)勢。 1.2 常用三維造型軟件介紹 三維軟件技術(shù)經(jīng)過幾十多年的發(fā)展，每個時代都有流行的軟件滿足當(dāng)時的要求，隨著時間推移，技術(shù)的不斷革新，現(xiàn)在，工作站的微機平臺 CAD/CAM 軟件已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，并且出現(xiàn)了一批比較優(yōu)秀的商業(yè)化軟件?？偟膩碚f，軟件各有千秋，每種產(chǎn)品都 有其所長也有其短，關(guān)鍵是使用者根據(jù)自己的實際需求進行選擇，下面我們簡單的介紹一下常用的三維造型軟件。 （ 1） Pro/ENGINEER 軟件 1985 年， PTC 公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。 1988 年， V1.0的 Pro/ENGINEER 誕生了。經(jīng)過 10 余年的發(fā)展， Pro/ENGINEER 已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。 Pro/E 第一個提出了參數(shù)化設(shè)計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不必安裝所 有模塊。 Pro/E 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。Pro/E 采用了模塊方式 ， 可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 （ 2） Solidworks 軟件 SolidWorks 公司成立于 1993 年，由 PTC 公司的技術(shù)副總裁與 CV 公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（ Concord,Massachusetts）內(nèi)，當(dāng)初的目標(biāo)是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實體模型設(shè)計系統(tǒng)。 1997 年， Solidworks 被法國達索（ Dassault Systemes）公司收購，作為達索中端主流市場的主打品牌。 SolidWorks軟件是世界上第一個基于 Windows開發(fā)的三維 CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合 CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，并使用了 Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計技術(shù)、先進的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)， SolidWorks成為全球裝機量最大、最好用的軟件 。 Solidworks軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是 SolidWorks的三大特點，使得 SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。 SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。 SolidWorks不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。 1.3 UG軟件的介紹 UG NX 是 Unigraphics Solutions 公司推出的集 CAD/CAM/CAE 于一體的三維參數(shù)化設(shè)計軟件，在汽車、交通、航空航天、日用消費品、通用機械及電子工業(yè)等工程設(shè)計領(lǐng)域得到了大規(guī)模的應(yīng)用。其功能強大 ， 可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜實體及造型的建構(gòu)。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著 PC 硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長，在 PC 上的應(yīng)用取得了迅猛的增長，目前已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計的一個主流應(yīng)用。 UG 的開發(fā)始于 1969 年，它是基于 C 語言開發(fā)實現(xiàn)的。 UG NX 是一個在二維和三維空間無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上使用自適應(yīng)多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個靈活的數(shù)值求解偏微分方程的軟件工具。 它的 設(shè)計思想足夠靈活地支持多種離散方案 ， 因此軟件可對許多不同的應(yīng)用再利用 2。 UG 軟件主要分為 CAD 模塊 CAM 模塊 MoldWizard 模塊。 （ 1） CAD 模 塊 實體建模是集成了基于約束的特征建模和顯性幾何建模兩種方法，提供符合建模的方案，使用戶能夠方便地建立二維和三維線框模型、掃描和旋轉(zhuǎn)實體、布爾運算及其表達式。實體建模是特征建模和自由形狀建模的必要基礎(chǔ)。 UG 特征建模模塊提供了對建立和編輯標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計特征的支持。為了基于尺寸和位置的尺寸驅(qū)動編輯、參數(shù)化定義特征，特征可以相對于任何其他特征或?qū)ο蠖ㄎ?，也可以被引用?fù)制，以建立特征的相關(guān)集。 UG 自由形狀建模擁有設(shè)計高級的自由形狀外形、支持復(fù)雜曲面和實體模型的創(chuàng)建。 UG 工程制圖模塊是以實體模型自動生成平面工程圖，也 可以利用曲線功能繪制平面工程圖。在模型改變時，工程圖將被自動更新。利用裝配模塊創(chuàng)建的裝配信息可以方便地建立裝配圖，包括快速地建立裝配圖剖視、爆炸圖等。 UG 裝配建模是用于產(chǎn)品的模擬裝配，支持 “ 由底向上 ” 和 “ 由頂向下 ” 的裝配方法。裝配建模的主模型可以在總裝配的上下文中設(shè)計和編輯，組件以邏輯對齊、貼合和偏移等方式被靈活地配對或定位。參數(shù)化的裝配建模提供為描述組件間配對關(guān)系和為規(guī)定共同創(chuàng)建的緊固件組和共享，使產(chǎn)品開發(fā)并行工作。 （ 2） CAM 模塊 UG/CAM 模塊是 UG NX 的計算機輔助制造模塊，該模塊提供了 對 NC 加工的 CLSFS建立與編輯，提供了包括銑、多軸銑、車、線切割、鈑金等加工方法的交互操作，還具有圖形后置處理和機床數(shù)據(jù)文件生成器的支持。同時又提供了制造資源管理系統(tǒng)、切削仿真、圖形刀軌編輯器、機床仿真等加工或輔助加工。 （ 3） MoldWizard 模塊 MoldWizard是 UGS公司提供的運行在 Unigraphics NX軟件基礎(chǔ)上的一個智能化、參數(shù)化的注塑模具設(shè)計模塊。 MoldWizard為產(chǎn)品的分型、型腔、型芯、滑塊、嵌件、推桿、鑲塊、復(fù)雜型芯或型腔輪廓創(chuàng)建電火花加工的電極及模具的模架、澆注系統(tǒng)和冷 卻系統(tǒng)等提供了方便的設(shè)計途徑，最終可以生成與產(chǎn)品參數(shù)相關(guān)的、可用于數(shù)控加工的三維模具模型。 1.4 論文主要內(nèi)容及研究意義 本文利用 UG 對電風(fēng)扇主要零件進行三維設(shè)計，并對其進行運動仿真及扇葉的注塑模設(shè)計。其主要內(nèi)容包括： （ 1） 對電風(fēng)扇的基礎(chǔ)零件三維繪制； （ 2） 三維建模、裝配約束、干涉檢測及系統(tǒng)優(yōu)化等； （ 3） 對電風(fēng)扇進行虛擬裝配及運動仿真； （ 4） 對虛擬裝配理論和關(guān)鍵技術(shù)進行研究； （ 5） 完成電風(fēng)扇扇葉的注塑模設(shè)計。 本文運用了虛擬建模、虛擬裝配、運動仿真，運用 CAD 軟件進行扇葉注塑模設(shè)計等內(nèi)容。 隨著 全球經(jīng)濟一體化的大環(huán)境形成，市場競爭越演越烈， 國內(nèi)許多企業(yè)正在面臨嚴(yán)峻考驗，特別是經(jīng)濟危機以后，企業(yè)更多的在積極主動的采用先進技術(shù)和生產(chǎn)方式，增強自身在市場競爭中的應(yīng)變能力和生存能力。如何縮短設(shè)計生產(chǎn)周期成為企業(yè)生存發(fā)展至關(guān) 重要的一部分。我國電風(fēng)扇產(chǎn)品的開發(fā)大多屬于串行方式，先設(shè)計出原型樣機，然后測試驗證分析，這樣往往造成產(chǎn)品開發(fā)時間長，不能達到快速制造的要求。 快速、高質(zhì)量的進行產(chǎn)品零件設(shè)計、模具設(shè)計是快速制造的基礎(chǔ)。現(xiàn)在用 UG 軟件進行實體設(shè)計，虛擬裝配，動態(tài)仿真和扇葉的注塑模設(shè)計。利用這種方法可以在實際 生產(chǎn)前就采取預(yù)防措施，能夠使產(chǎn)品一次性制造成功，大大降低了生產(chǎn)成本縮短了開發(fā)周期，為企業(yè)提供了可行的方法和流程。近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大改變了人與計算機之間的交互方式。在這種情況下產(chǎn)生了計算機虛擬制造技術(shù)，而虛擬裝配是計算機 虛擬 制造技術(shù)的一個重要組成部分，是當(dāng)前裝配設(shè)計技術(shù)的一種嶄新的思路和方法，具有非常重要的研究價值。而運動仿真能讓設(shè)計工程師建立、評估和優(yōu)化部件在現(xiàn)實環(huán)境中的運動，以便最佳地滿足工程和性能需求。當(dāng)在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段應(yīng)用運動仿真、并且作為設(shè)計過程的一個完整部分時，運動仿真可以對產(chǎn) 品性能提供寶貴見解，這些見解可以幫助發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計問題 ， 運動仿真有助于從一開始就獲得產(chǎn)品模型，因此它可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和發(fā)揚設(shè)計優(yōu)點。 2 基于 UG的風(fēng)扇設(shè)計 2.1 電風(fēng)扇的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，國內(nèi)電風(fēng)扇行業(yè)發(fā)展很快，但是由于各地設(shè)備情況、管理水平不同，產(chǎn)品質(zhì)量也有很大的差別 。 目前，國內(nèi)電風(fēng)扇制造廠的零部件自給率較低 。 除少數(shù)幾家工廠以外，大多數(shù)工廠均需要相當(dāng)數(shù)量的外購?fù)鈪f(xié)件，例如電鍍件、琴鍵開關(guān)、定時器、塑料件等。為了確保整機的質(zhì)量，必須對外構(gòu)件進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。 從功能上來看，現(xiàn)在大多數(shù)電風(fēng)扇的 功能都比較單一，不能實現(xiàn) “一專多能” ，這樣往往會導(dǎo)致某些材料和空間的浪費。如果能在電風(fēng)扇上在安裝其他功能，這樣便實現(xiàn)了多功能化，既方便使用又節(jié)約了能源，將會帶來很大的效益。在市場發(fā)展越來越成熟的今天，電風(fēng)扇產(chǎn)品所涉及的學(xué)科和工業(yè)門類眾多，用傳統(tǒng)的設(shè)計方法很難達到。因此，對現(xiàn)代的電風(fēng)扇產(chǎn)品來說，其設(shè)計思想和設(shè)計方法都將會有一些全新的內(nèi)容。正是基于這樣的出發(fā)點，用發(fā)展的眼光，把現(xiàn)代設(shè)計方法與傳統(tǒng)風(fēng)扇產(chǎn)品的設(shè)計相結(jié)合 ， 進行了模塊化設(shè)計、運動仿真在電風(fēng)扇產(chǎn)品設(shè)計方面的應(yīng)用。 我們知道電風(fēng)扇和空調(diào)相比具有很多優(yōu)點 ，它比空調(diào)的耗能要小，特別是隨著國際能源短缺和人們節(jié)能觀念的深入，電風(fēng)扇更受重視。另外，電風(fēng)扇吹風(fēng)比較自然，開門窗也不受影響，而空調(diào)房間都是密閉的，空氣流通差，很容易感染疾病。由此可見，電風(fēng)扇還有很大的發(fā)展空間。 2.2 UG在產(chǎn)品中的設(shè)計思路 在產(chǎn)品開發(fā)及制造過程中，幾何造型技術(shù)已經(jīng)使用相當(dāng)廣泛。但是由于種種原因，仍有許多產(chǎn)品，設(shè)計和制造者面對的是實物樣件，為了適應(yīng)先進制造的發(fā)展，需要通過一定途徑，將實物轉(zhuǎn)化為 CAD 模型，使之能利用 CAD/CAM 等先進技術(shù)處理，這種從實物取樣再獲取三維模型的技術(shù)就是通常所 說的“求反工程”（ Reserve Engineering）。 雖然僅僅只是實用型電風(fēng)扇，但是看起來也是相當(dāng)復(fù)雜。造型時感到無從下手，但只要能合理地對產(chǎn)品進行分解，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特征，也就是將設(shè)計者構(gòu)思的初步輪廓用 UG強大的三維實體造型功能，生成三維實體模型，即提供一個可視化界面，再在該界面上逐步進行詳盡的設(shè)計造型 。 分清哪些是基本特征（如配合面，保證產(chǎn)品外形輪廓的特征），哪些是構(gòu)造特征（如面和面之間的過渡、凹槽、倒圓、倒角等）。首先是從特征入手，保證重點，產(chǎn)生一個合理的造型 “毛坯” ，再在這些 “ 毛坯 ” 上完成 細節(jié)部分如過渡面，凸臺、凹槽、孔、肋板等。這樣主次分明，先做什么后做什么問題就迎刃而解了。 2.3 電風(fēng)扇的建模設(shè)計分析 目前的三維設(shè)計系統(tǒng)隨著計算機的發(fā)展，在 CAD 技術(shù)領(lǐng)域中，二維設(shè)計逐漸向三維設(shè)計方向發(fā)展，而二維設(shè)計只是提供了簡單的建模、裝配及二維工程圖生成功能，這些功能遠遠不能滿足設(shè)計工作的要求，比如當(dāng)設(shè)計者在設(shè)計過程中需要進行一些簡單的工程分析工作時，系統(tǒng)就無法滿足要求，因此需要其它的工程分析系統(tǒng)來配合以便完成相應(yīng)的工作，這就會大大增加設(shè)計者的設(shè)計工作量、延長設(shè)計的周期、增加設(shè)計費用 3 。 在 實際設(shè)計過程中，設(shè)計者可以根據(jù)客戶提供的相關(guān)參數(shù)及性能要求合理選擇材料及產(chǎn)品尺寸。因為在這次設(shè)計過程，考慮材料的省材、環(huán)保，將扇葉、底座、操作面板部分 使用價格比較低廉，性能優(yōu)越的 ABS 塑料，支架部分可使用 45 鋼 ，扇罩部分可用鋼絲。因為主要利用 UG 進行造型設(shè)計，材料的選擇不加詳細介紹。 在設(shè)計初期為了便于三維建模，以實用型電風(fēng)扇為例按照其實現(xiàn)的功能將電風(fēng)扇進行模塊劃分：（ 1）電風(fēng)扇扇葉旋轉(zhuǎn)模塊。電風(fēng)扇扇葉在設(shè)計中是必不可少的，而且確定尺寸以后在系統(tǒng)中基本不變，確定扇葉尺寸以后便可考慮與其連接的前后罩的尺寸。（ 2）操作面板模塊，這個是根據(jù)實際需要進行確定，比如會 4 檔變速，有 “搖頭” 、 “定時” 旋鈕開關(guān)。（ 3）電風(fēng)扇升降模塊，主要用來實現(xiàn)安裝和聯(lián)接所需的功能。（ 4）支架模塊。這一部分尺寸基本確定，但是由于其他部分所需要可進行臨時改變來滿足預(yù)留要求。（ 5）底座模塊，這一部分相對固定。 到現(xiàn)在風(fēng)扇的發(fā)展比較成熟，尺寸也相對固定，設(shè)計考慮風(fēng)扇尺寸高度 12001400mm，高度可升降。為了節(jié)省能源和材料，扇葉形狀呈三葉形，直徑 360mm。扇葉部分用注塑成型，厚度 1.52mm。底座的設(shè)計要保證支撐整個風(fēng)扇主體，尺寸定為 300300mm 正方形，高度 60mm，厚度 5mm，同時加肋板增加強度。操作面板分為 4 檔，有定時開關(guān)的旋鈕。在考慮操作面板的生產(chǎn)問題，要考慮拔模角。同時為了安全起見，底座、面板部分要注意進行邊倒角。 數(shù)據(jù)的合理性不僅關(guān)系到電風(fēng)扇的造型美觀效果，同時也會影響整個風(fēng)扇的裝配及注塑模設(shè)計，因此這是整個畢業(yè)設(shè)計的重要一部分。在整體尺寸大致確定以后，選擇合理的造型方法也是相當(dāng)困難的。在創(chuàng)建模型時，采用搭積木的方式在模型上依次添加新的特征。由于組成的模型特征既相互獨立又具有一定的關(guān)聯(lián)性，修改時只需對不滿意的細節(jié)所在特征進行 修改，在不違背特定特征之間基本關(guān)系的下，再生模型可獲得理想的設(shè)計結(jié)果。 電風(fēng)扇的建模設(shè)計總體上來說是使用了由頂而下的產(chǎn)品設(shè)計方法，設(shè)計中將運用拉伸、掃描、抽殼、偏移、陣列，進行電風(fēng)扇各個部件的設(shè)計 以及 曲面建模，偏移，修剪實體等復(fù)雜的建模方法。 在三維建模中主要有以下 3 種特征 : (1) 實體特征它是構(gòu)建三維模型的基本單元和主要設(shè)計對象。實體特征可以是正空間特征 (如銷的突出部分 ),也可以是負空間特征 (如面板上上的孔、槽等 )。在 UG 中，根據(jù)建模方式和原理的差異，把實體特征進一步分為基礎(chǔ)特征和工程特征?；A(chǔ)特征是 三維模型設(shè)計的起點，包括拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃描特征和混合特征等。 (2) 曲面特征它是一種沒有質(zhì)量和體積的幾何特征，對曲面的精確描述比較復(fù)雜，在目前三維造型中通常通過曲率分布圖對曲線進行編輯，進而得到高質(zhì)量的曲面造型 。 曲面特征主要用于產(chǎn)品的概念設(shè)計、外形設(shè)計和逆向工程等設(shè)計領(lǐng)域。本論文的曲面主要是通過網(wǎng)格曲面創(chuàng)建，或者用藝術(shù)線條創(chuàng)建直紋面，然后片體加厚形成。 (3) 基準(zhǔn)特征指參數(shù)化設(shè)計的基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)曲線、基準(zhǔn)平面和坐標(biāo)系等。一般來說，基準(zhǔn)特征主要用于輔助三維模型的創(chuàng)建。 在有了這些前期準(zhǔn)備以后 便可進行風(fēng)扇的三維建模，將電風(fēng)扇零件進行繪制。零件的繪制尺寸一定要得當(dāng)才能完成虛擬裝配工作。 2.3.1 電風(fēng)扇的虛擬裝配介紹 在風(fēng)扇主體尺寸大致確定以后，實際設(shè)計過程中并不是完成所有零件再進行產(chǎn)品裝配 而是完成一個裝配一個進行檢測。傳統(tǒng)制造理論認為，裝配應(yīng)該是整個制造過程中的最后一個環(huán)節(jié)，就是按規(guī)定的技術(shù)要求，將零件、組件和部件進行裝配和聯(lián)接，使之成為半成品和成品的工藝過程 4。作為一門新興的技術(shù)，虛擬裝配技術(shù)實際上是裝配和制造技術(shù)可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計方法學(xué)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等多種技術(shù)的結(jié)合，所以它 的發(fā)展與以上技術(shù)緊密相關(guān)。虛擬裝配技術(shù)可以實現(xiàn)以可裝配性的全面改善為目的，以實現(xiàn)操作仿真的高度逼真為要點，以實現(xiàn)裝配信息模型的集成化為核心，以全周期裝配環(huán)節(jié)為對象，以裝配多樣化為特色 5。它可以改變傳統(tǒng)裝配中的如下不足： （ 1） 傳統(tǒng)裝配必須等零件全部加工完成之后才能進行裝配； （ 2） 傳統(tǒng)裝配不能體現(xiàn)并行設(shè)計思想； （ 3） 傳統(tǒng)裝配一般要反復(fù)修改，進行多次試裝配，使得產(chǎn)品周期長，成本高，不能適應(yīng)當(dāng)前制造的需要。 利用 UG 裝配模塊，把電風(fēng)扇的各個零件裝配好，在裝配時根據(jù)實際操作再修改零件。 裝配時的約束 可分為兩大類，無連接接口約束和有連接接口約束。無連接接口的主要用于一般的裝配中，使用這種裝配的零件不具有自由度，零件之間不能做任何相對運動；有連接的約束主要用于解決機構(gòu)的相對運動。扇葉部分和后座（里邊裝有電機轉(zhuǎn)軸，這里只是繪制模型，電機部分不作考慮）的裝配就要是有連接口的約束，因為要做扇葉轉(zhuǎn)動的仿真。 裝配體建模承接于基礎(chǔ)零件建模才能得到電風(fēng)扇的三維零件模型，根據(jù)設(shè)計人員的裝配圖紙生成裝配模型，在 UG 軟件中進行裝配設(shè)計主要有由底向上和由頂向下兩種主要方法。 下面簡單介紹一下本文裝配所用到的設(shè)計方法 ：由底 向上和由頂向下的裝配設(shè)計方法。產(chǎn)品在設(shè)計的過程中是一個復(fù)雜的創(chuàng)造性活動，產(chǎn)品的內(nèi)的質(zhì)量和生產(chǎn)總成本從根本上來講由產(chǎn)品的設(shè)計決定。 輸入零件之間的幾何約束關(guān)系，將設(shè)計好的零件裝配成產(chǎn)品，是目前 CAD 系統(tǒng)普遍支持的一種由底向上的設(shè)計過程。它的主要思路是先設(shè)計好各個零件，然后將這些零件拿到一起進行裝配，如果在裝配過程中發(fā)現(xiàn)某個零件不符合要求，比如：零件與零件之間產(chǎn)生干涉、某一零件根本無法進行安裝等，就要對零件進行重新設(shè)計，重新裝配， 再 發(fā)現(xiàn)問題， 再 進行修改，如此反復(fù) 6。如圖 2.1 所示 。 圖 2.1 由 底向上的裝配設(shè)計 按照一般人的思維方式 ,通常的設(shè)計過程是：先需求分析、概念設(shè)計，再進行機構(gòu)設(shè)計、詳細設(shè)計，最后試制修改。其中一般是先設(shè)計總裝配圖，再設(shè)計零件圖，這就是由頂向下的設(shè)計方法。如圖 2.2所示。 零件 零件 零件 零件 部件裝配體 部件裝配體 裝配體 圖 2.2 由頂向下的裝配設(shè)計 由頂向下的設(shè)計是一個產(chǎn)品的開發(fā)過程。通過該過程，確 保設(shè)計由原始的概念開始，逐漸地發(fā)展成為具有完整零部件造型的最終產(chǎn)品。把關(guān)鍵信息放在一個中心位置，在設(shè)計過程中通過捕捉中心位置的信息傳遞到較低級別的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，如果改變這些信息將自動更新整個系統(tǒng)。設(shè)計時確定扇葉直徑以后，才能進行扇罩尺寸的確定，然后一步步完成設(shè)計任務(wù)。 由頂向下的設(shè)計方法是在零件設(shè)計的初期就考慮零件與零件之間的約束和定位關(guān)系，在完成產(chǎn)品整體設(shè)計之后，再實現(xiàn)單個零件的詳細設(shè)計。從產(chǎn)品構(gòu)成的最頂層就開始把組成整機的部件作為產(chǎn)品系統(tǒng)的零件來思考，電風(fēng)扇操作面板就是設(shè)計初期進行全局考慮，預(yù)留好旋鈕及按 鈕的位置，在操作面板部分繪制完成以后根據(jù)預(yù)留孔的大小設(shè)計旋鈕最后進行裝配。 由頂向下的設(shè)計過程能充分利用計算機的優(yōu)良特性，能最大限度地發(fā)揮設(shè)計人員的潛力，最大限度地減少設(shè)計實施階段不必要的重復(fù)工作，使企業(yè)的人力、物力等資源得到充分的利用，大大地提高了設(shè)計效率，減少了新產(chǎn)品的設(shè)計研究 7。 2.4 電風(fēng)扇主要零件的建模繪制 在電風(fēng)扇主要零部件的草圖繪制中，電風(fēng)扇罩、扇葉、后座的繪制具有典型性，本節(jié)內(nèi)容我們將介紹這幾個重要零件的繪制方法?？紤]到實際設(shè)計過程中的先后循順序及裝配順序，建模過程中只是將文件命名為數(shù) 字，在文中將有所提及。本章節(jié)的建模設(shè)計并非實際設(shè)計先后順序。 首先我們打開 UG 軟件，在 “文件 ”下拉菜單下單擊 “新建” 命令著手進行繪制。 2.4.1 電風(fēng)扇罩的繪制 單擊 “ ” ，或者 “文件 ”下 拉菜單里的 “新建” 會出現(xiàn)圖 2.3 所示的對話框，取名 “ 2” 。然后進行草圖繪制。 裝配體 部件裝配體 部件裝配體 零件 零件 零件 零件 圖 2.3 新建對話框 電風(fēng)扇前罩的繪制主要運用了拉伸，掃描（管道），陣列等建模思想進行繪制。 選定 “ XC-YC” 為工作平面草繪直徑 400mm 和 392mm 的圓，通過拉伸長度 2mm，然后偏移基準(zhǔn)面 “ XC-YC” 沿 YZ 方向偏移 52mm，得到圖 2.4 所示的草繪圖，然后按照“ YC-ZC” 基準(zhǔn)