【文章內(nèi)容簡介】 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。當在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段應用運動仿真、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。 基于 UG 的家電造型設(shè)計及動態(tài)仿真 5 2 基于 UG的風扇設(shè)計 電風扇的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，國內(nèi)電風扇行業(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)工廠均需要相當數(shù)量的外購外協(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)件進行嚴格的質(zhì)量控制。 從功能上來看，現(xiàn)在大多數(shù)電風扇的功能都比較單一，不能實現(xiàn) “一專多能” ，這樣往往會導致某些材料和空間的浪費。如果能在電風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，電風扇產(chǎn)品所涉及的學科和工業(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、運動仿真在電風扇產(chǎn)品設(shè)計方面的應用。 我們知道電風扇和空調(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，電風扇更受重視。另外，電風扇吹風比較自然，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，電風扇還有很大的發(fā)展空間。 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扇，但是看起來也是相當復雜。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。 電風扇的建模設(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、操作面板部分無錫太湖學 院學士學位論文 6 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，以實用型電風扇為例按照其實現(xiàn)的功能將電風扇進行模塊劃分：（ 1）電風扇扇葉旋轉(zhuǎn)模塊。電風扇扇葉在設(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留要求。（ 5）底座模塊，這一部分相對固定。 到現(xiàn)在風扇的發(fā)展比較成熟，尺寸也相對固定，設(shè)計考慮風扇尺寸高度 1200~1400mm，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 ~2mm。底座的設(shè)計要保證支撐整個風扇主體，尺寸定為 300~300mm 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)系到電風扇的造型美觀效果，同時也會影響整個風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，進行電風扇各個部件的設(shè)計 以及 曲面建模，偏移，修剪實體等復雜的建模方法。 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) 基準特征指參數(shù)化設(shè)計的基準點、基準軸、基準曲線、基準平面和坐標系等。一般來說，基準特征主要用于輔助三維模型的創(chuàng)建。 在有了這些前期準備以后便可進行風扇的三維建模，將電風扇零件進行繪制。零件的繪制尺寸一定要得當才能完成虛擬裝配工作。 電風扇的虛擬裝配 介紹 在風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)品裝配基于 UG 的家電造型設(shè)計及動態(tài)仿真 7 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、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)裝配一般要反復修改，進行多次試裝配，使得產(chǎn)品周期長，成本高，不能適應當前制造的需要。 利用 UG 裝配模塊，把電風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 [6]。如圖 所示 。 圖 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 。 零件 零件 零件 零件 部件裝配體 部件裝配體 裝配體 無錫太湖學 院學士學位論文 8 圖 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。 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，電風扇操作面板就是設(shè)計初期進行全局考慮，預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]。 電風扇主要零件的建模繪制 在電風扇主要零部件的草圖繪制中，電風扇罩、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。 電風扇罩的繪制 單擊 “ ” ，或者 “文件 ”下拉菜單里的 “新建” 會出現(xiàn)圖 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 基于 UG 的家電造型設(shè)計及動態(tài)仿真 9 圖 新建對話框 電風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 “ XCYC” 為工作平面草繪直徑 400mm 和 392mm 的圓，通過拉伸長度 2mm，然后偏移基準面 “ XCYC” 沿 YZ 方向偏移 52mm，得到圖 所示的草繪圖，然后按照“ YCZC” 基準平面畫網(wǎng)格，因為用的是掃描中的管道，繪制好不同階段的線段以后，選中會出現(xiàn)如圖 所示的對話框，外直徑設(shè)置為 內(nèi)直徑 0mm 點擊確定。 圖 草繪圖 圖 掃描（管道）對話框 最后進行陣列工具，右擊需要陣列的工具欄會出現(xiàn)（陣列）工具選擇中心軸然后對象選擇為剛才所繪連續(xù)線段，環(huán)形陣列半徑 200 起始角 0 角度增量 360176。數(shù)字 60，點擊確定。如圖 是完成以后的風扇前罩（前、后罩的繪制方法一致）。 圖 繪制完成的風扇罩 2 無錫太湖學 院學士學位論文 10 電風扇葉的 繪制 扇葉文件名 “ 4” 。在建模模塊下，單擊 “插入” — “設(shè)計特征” — “圓柱體” ，選擇“直徑 — 高度” 鼠標左鍵點擊確定，在圖 所示的圓柱特征對話框中輸入 “直徑 340 高度 20” ，生成圓柱體。然后在圓柱中心位置打孔，點擊 ，孔直 徑 50，深度通透，選擇“點對點 ” 定位，然后選中圓柱體邊緣線，得到扇葉中間的簡單孔。 圖 圓柱對話框 圖 基本曲線對話框 在 “插入” 下拉菜單找到 “曲線 — 基本曲線” 點擊確定，點擊 ，在圖 基本曲線對話框中選擇 “直線” ，點方式選擇 “象限點” ，單擊圓柱體上邊緣線然后單擊圓柱體下