【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 新的思路和方法，具有非常重要的研究?jī)r(jià)值。而運(yùn)動(dòng)仿真能讓設(shè)計(jì)工程師建立、評(píng)估和優(yōu)化部件在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)仿真、并且作為設(shè)計(jì)過程的一個(gè)完整部分時(shí)，運(yùn)動(dòng)仿真可以對(duì)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(jì)問題 ， 運(yùn)動(dòng)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(yáng) 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)。 基于 UG 的家電造型設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)仿真 5 2 基于 UG的風(fēng)扇設(shè)計(jì) 電風(fēng)扇的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，國(guó)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(guó)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(gòu)?fù)鈪f(xié)件，例如電鍍件、琴鍵開關(guān)、定時(shí)器、塑料件等。為了確保整機(jī)的質(zhì)量，必須對(duì)外構(gòu)件進(jìn)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(shí)現(xiàn) “一專多能” ，這樣往往會(huì)導(dǎo)致某些材料和空間的浪費(fèi)。如果能在電風(fēng)扇上在安裝其他功能，這樣便實(shí)現(xiàn)了多功能化，既方便使用又節(jié)約了能源，將會(huì)帶來很大的效益。在市場(chǎng)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(jì)方法很難達(dá)到。因此，對(duì)現(xiàn)代的電風(fēng)扇產(chǎn)品來說，其設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法都將會(huì)有一些全新的內(nèi)容。正是基于這樣的出發(fā)點(diǎn)，用發(fā)展的眼光，把現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)風(fēng)扇產(chǎn)品的設(shè)計(jì)相結(jié)合 ， 進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真在電風(fēng)扇產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(diǎn)，它比空調(diào)的耗能要小，特別是隨著國(guó)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。 UG在產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)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(jì)和制造者面對(duì)的是實(shí)物樣件，為了適應(yīng)先進(jìn)制造的發(fā)展，需要通過一定途徑，將實(shí)物轉(zhuǎn)化為 CAD 模型，使之能利用 CAD/CAM 等先進(jìn)技術(shù)處理，這種從實(shí)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(shí)用型電風(fēng)扇，但是看起來也是相當(dāng)復(fù)雜。造型時(shí)感到 無從下手，但只要能合理地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分解，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特征，也就是將設(shè)計(jì)者構(gòu)思的初步輪廓用 UG強(qiáng)大的三維實(shí)體造型功能，生成三維實(shí)體模型，即提供一個(gè)可視化界面，再在該界面上逐步進(jìn)行詳盡的設(shè)計(jì)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(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)合理的造型 “毛坯” ，再在這些 “ 毛坯 ” 上完成細(xì)節(jié)部分如過渡面，凸臺(tái)、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(fēng)扇的建模設(shè)計(jì)分析 目前的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，在 CAD 技術(shù)領(lǐng)域中，二維設(shè)計(jì)逐漸向三維設(shè)計(jì)方向發(fā)展，而二維設(shè)計(jì)只是提供了簡(jiǎn)單的建模、裝配及二維工程圖生成功能，這些功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)工作的要求，比如當(dāng)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的工程分析工作時(shí)，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(huì)大大增加設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)工作量、延長(zhǎng)設(shè)計(jì)的周期、增加設(shè)計(jì)費(fèi)用 [3] 。 在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)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?yàn)樵谶@次設(shè)計(jì)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(xué) 院學(xué)士學(xué)位論文 6 使用價(jià)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?yàn)橹饕?UG 進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，材料的選擇不加詳細(xì)介紹。 在設(shè)計(jì)初期為了便于三維建模，以實(shí)用型電風(fēng)扇為例按照其實(shí)現(xiàn)的功能將電風(fēng)扇進(jìn)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(jì)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(gè)是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行確定，比如會(huì) 4 檔變速，有 “搖頭” 、 “定時(shí)” 旋鈕開關(guān)。（ 3）電風(fēng)扇升降模塊，主要用來 實(shí)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(jìn)行臨時(shí)改變來滿足預(yù)留要求。（ 5）底座模塊，這一部分相對(duì)固定。 到現(xiàn)在風(fēng)扇的發(fā)展比較成熟，尺寸也相對(duì)固定，設(shè)計(jì)考慮風(fēng)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(jì)要保證支撐整個(gè)風(fēng)扇主體，尺寸定為 300~300mm 正方形，高度 60mm，厚度 5mm，同時(shí)加肋板增加強(qiáng)度。操作面板分為 4 檔，有定時(shí)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(shí)為了安全起見，底座、面板部分要注意進(jìn)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(shí)也會(huì)影響整個(gè)風(fēng)扇的裝配及注塑模設(shè)計(jì)，因此這是整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)，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(dú)立又具有一定的關(guān)聯(lián)性，修改時(shí)只需對(duì)不滿意的細(xì)節(jié)所在特征進(jìn)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(jì)結(jié)果。 電風(fēng)扇的建模設(shè)計(jì)總體上來說是使用了由頂而下的產(chǎn)品設(shè) 計(jì)方法，設(shè)計(jì)中將運(yùn)用拉伸、掃描、抽殼、偏移、陣列，進(jìn)行電風(fēng)扇各個(gè)部件的設(shè)計(jì) 以及 曲面建模，偏移，修剪實(shí)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(shí)體特征它是構(gòu)建三維模型的基本單元和主要設(shè)計(jì)對(duì)象。實(shí)體特征可以是正空間特征 (如銷的突出部分 ),也可以是負(fù)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(shí)體特征進(jìn)一步分為基礎(chǔ)特征和工程特征。基礎(chǔ)特征是三維模型設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，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(duì) 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(duì)曲線進(jìn)行編輯，進(jìn)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(jì)、外形設(shè)計(jì)和逆向工程等設(shè)計(jì)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(jì)的基準(zhǔn)點(diǎn)、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(jìn)行風(fēng)扇的三維建模，將電風(fēng)扇零件進(jìn)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。 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(shí)際設(shè)計(jì)過程中并不是完成所有零件再進(jìn)行產(chǎn)品裝配基于 UG 的家電造型設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)仿真 7 而是完成一個(gè)裝配一個(gè)進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)制造理論認(rèn)為，裝配應(yīng)該是整個(gè)制造過程中的最后一個(gè)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(jìn)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(shí)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(jì)方法學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)以可裝配性的全面改善為目的，以實(shí)現(xiàn)操作仿真的高度逼真為要點(diǎn)，以實(shí)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(duì)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(jìn)行裝配； （ 2） 傳統(tǒng)裝配不能體現(xiàn)并行設(shè)計(jì)思想； （ 3） 傳統(tǒng)裝配一般要反復(fù)修改，進(jìn)行多次試裝配，使得產(chǎn)品周期長(zhǎng)，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(gè)零件裝配好，在裝配時(shí)根據(jù)實(shí)際操作再修改零件。 裝配時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)；有連接的約束主要用于解決機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。扇葉部分和后座（里邊裝有電機(jī)轉(zhuǎn)軸，這里只是繪制模型，電機(jī)部分不作考慮）的裝配就要是有連接口的約束，因?yàn)橐錾热~轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)人員的裝配圖紙生成裝配模型，在 UG 軟件中進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)主要有由底向上和由頂向下兩種主要方法。 下面簡(jiǎn)單介紹一下本文裝配所用到的設(shè)計(jì)方法 ：由底向上和由頂向下的裝配設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)的過程中是一個(gè)復(fù)雜的創(chuàng)造性活動(dòng)，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(jì) 決定。 輸入零件之間的幾何約束關(guān)系，將設(shè)計(jì)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(jì)過程。它的主要思路是先設(shè)計(jì)好各個(gè)零件，然后將這些零件拿到一起進(jìn)行裝配，如果在裝配過程中發(fā)現(xiàn)某個(gè)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(jìn)行安裝等，就要對(duì)零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，重新裝配， 再 發(fā)現(xiàn)問題， 再 進(jìn)行修改，如此反復(fù) [6]。如圖 所示 。 圖 由 底向上的裝配 設(shè)計(jì) 按照一般人的思維方式 ,通常的設(shè)計(jì)過程是：先需求分析、概念設(shè)計(jì)，再進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后試制修改。其中一般是先設(shè)計(jì)總裝配圖，再設(shè)計(jì)零件圖，這就是由頂向下的設(shè)計(jì)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(xué) 院學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 由頂向下的裝配設(shè)計(jì) 由頂向下的設(shè)計(jì)是一個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程。通過該過程，確保設(shè)計(jì)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(gè)中心位置，在設(shè)計(jì)過程中通過捕捉中心位 置的信息傳遞到較低級(jí)別的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，如果改變這些信息將自動(dòng)更新整個(gè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)確定扇葉直徑以后，才能進(jìn)行扇罩尺寸的確定，然后一步步完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 由頂向下的設(shè)計(jì)方法是在零件設(shè)計(jì)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(jì)之后，再實(shí)現(xiàn)單個(gè)零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。從產(chǎn)品構(gòu)成的最頂層就開始把組成整機(jī)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(jì)初期進(jìn)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(jì)旋鈕最后進(jìn)行裝配。 由頂向下的設(shè)計(jì)過程能充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)良特性， 能最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的潛力，最大限度地減少設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)效率，減少了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究 [7]。 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(gè)重要零件的繪制方法。考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)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(jì)并非實(shí)際設(shè)計(jì)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(jìn)行繪制。 電風(fēng)扇罩的繪制 單擊 “ ” ，或者 “文件 ”下拉菜單里的 “新建” 會(huì)出現(xiàn)圖 所示的對(duì)話框，取名 “ 2” 。然后進(jìn)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(jì)及動(dòng)態(tài)仿真 9 圖 新建對(duì)話框 電風(fēng)扇前罩的繪制主要運(yùn)用了拉伸，掃描（管道），陣列等建模思想進(jìn)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(zhǎng)度 2mm，然后偏移基準(zhǔn)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(zhǔn)平面畫網(wǎng)格，因?yàn)橛玫氖菕呙柚械墓艿?，繪制好不同階段的線段以后，選中會(huì)出現(xiàn)如圖 所示的對(duì)話框，外直徑設(shè)置為 內(nèi)直徑 0mm 點(diǎn)擊確定。 圖 草繪圖 圖 掃描（管道）對(duì)話框 最后進(jìn)行陣列工具，右擊需要陣列的工具欄會(huì)出現(xiàn)（陣列）工具選擇中心軸然后對(duì)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(diǎn)擊確定。如圖 是完成以后的風(fēng)扇前罩（前、后罩的繪制方法一致）。 圖 繪制完成的風(fēng)扇罩 2 無錫太湖學(xué) 院學(xué)士學(xué)位論文 10 電風(fēng)扇葉的 繪制 扇葉文件名 “ 4” 。在建模模塊下，單擊 “插入” — “設(shè)計(jì)特征” — “圓柱體” ，選擇“直徑 — 高度” 鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊確定，在圖 所示的圓柱特征對(duì)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(diǎn)擊 ，孔直 徑 50，深度通透，選擇“點(diǎn)對(duì)點(diǎn) ” 定位，然后選中圓柱體邊緣線，得到扇葉中間的簡(jiǎn)單孔。 圖 圓柱對(duì)話框 圖 基本曲線對(duì)話框 在 “插入” 下拉菜單找到 “曲線 — 基本曲線” 點(diǎn)擊確定，點(diǎn)擊 ，在圖 基本曲線對(duì)話框中選擇 “直線” ，點(diǎn)方式選擇 “象限點(diǎn)” ，單擊圓柱體上邊緣線然后單擊圓柱體下