UGS NX复杂壳体建模技术

　　发动机燃油附件中需要模具设计和数控加工的壳体类零件，具有孔系特征多、铸造表面形状复杂的特点，对模型质量的要求比一般简单零件更严格。本文从理论和实践的结合上，对复杂壳体从模型质量的基本要求、建模的思路和策略、建模的一般步骤、实现相关性的建模方法和技巧、实现可编辑性的建模方法和技巧、模型质量的分析和检查等六个方面进行了全面系统深入的探讨研究，是我所UGS NX设计应用实践经验的总结，可填补一般UGS NX培训教材复杂壳体类建模技术的空白。

　　关键词：UGS NX 复杂壳体 建模

　　在产品数字化设计与制造和全生命周期管理中，产品设计建模处于龙头地位。所谓“牵一发而动全身”，就是产品设计建模重要性的真实写照，对于复杂壳体而言更是如此。

　　复杂壳体结构复杂，制造周期长，是燃油附件产品研制生产的一个老大难问题。深入研究和探索复杂壳体建模技术无疑具有紧迫的实际意义。

　　本文所讨论的建模，是指三维实体几何模型，不包含二维制图的内容。

　　1 模型质量的基本要求

　　本文所指的复杂壳体，是指发动机燃油附件中需要模具设计和数控加工的壳体类零件，它具有孔系特征多、铸造表面形状复杂的特点(图1)。因此，对模型质量的要求比一般简单零件更严格。

　　图1：典型壳体零件(局部)

　　复杂壳体模型质量的基本要求：

　　·正确性：模型应准确反映设计意图，对其内容的技术要求理解不能有任何歧义。要确立“面向制造”的新的设计理念，充分考虑模具设计、工艺制造等下游用户的应用要求，做到与实际的加工过程基本匹配。

　　·相关性：应用主模型原理和方法，进行相关参数化建模，正确体现数据的内在关联关系，保证产品信息在产品数据链中的正确传递。

　　·可编辑性：模型能编辑修改，整个建模过程可以回放(Playback)。模型可被重用和相互操作。重用性和相互操作性是由可编辑性派生出来的重要特性。

　　·可靠性：模型通过了UG的几何质量检查，拓扑关系正确，实体严格交接，内部无空洞，外部无细缝，无细小台阶。模型文件大小得到有效控制，模型没含有多余的特征、空的组和其他过期的特征，总能在任何情况下正确的打开。

　　2 建模的思路和策略

　　设计意图决定建模的思路和策略。产品设计师应首先十分清楚理解自己的设计意图，不能在没有统一规划的情况下就盲目的急于建模。

　　一个比较清晰完整的设计意图至少应包括：

　　·壳体以及与之有关的零部件在产品结构中的功能和作用。

　　·壳体内部结构、外形轮廓、表面形状、定位孔(面)和主要设计参数。

　　·模具设计的有关信息：模具类型、结构、分型面、型芯、拔模角等。

　　·工艺设计的有关信息：工艺方案、工艺路线、工艺基准、数控加工要求等。

　　·模型中特征的相互关系。

　　·模型潜在的改变区域，改变的幅度大小。

　　·模型被另一项目拷贝和修改的可能性。

　　当明确了设计意图以后，就需要建立整体的建模思路，依次是：

　　1) 进行特征的分解：分析零件的形状特点，然后把它隔离成几个主要的特征区域，接着对每个区域再进行粗线条分解，在脑子里形成一个总的建模思路以及一个粗略的特征图。同时要辨别出难点和容易出问题的地方。

　　2) 基础特征——根特征设计：确立建模的起点。在选定好设计基准的基础上，通常情况下用草图而不是用体素特征(UG的体素特征有长方体、圆柱、圆锥、球)作为模型的根特征。

　　3) 详细设计：

　　先粗后细——先作粗略的形状，再逐步细化;

　　先大后小——先作大尺寸形状，再完成局部的细化;

　　先外后里——先作外表面形状，再细化内部形状。

　　4)细节设计：最后进行倒圆角、斜角、各类孔系，各类沟槽……UG软件功能十分强大，实现同一功能往往有多种途径和方法，可谓“条条大路通罗马”。不同的命令选择，虽然可能实现同一目的，其方法却有优劣之分，这就需要找出最合适的建模方法来。

　　·建模策略重点考虑的具体方面是：

　　1)如何选择特征类型(成型特征、特征操作、草图);

　　2)如何建立特征关系(尺寸、附着性、位置、时序);

　　3)定义草图约束;

　　4)创建表达式。

　　3 建模的一般步骤

　　复杂壳体通常为测绘设计或改进改型设计，建模的步骤一般是：

　　·梳理设计意图，规划特征框架。

　　·打开种子文件，搭建建模环境。

　　·确定零件的原点和方向。

　　·建立最初始的基准。

　　·创建草图作为建模的根特征。

　　·在特征创建过程中，优先添加增加材料的特征，再添加减少材料的特征。

　　·按加工过程进行特征操作。

　　·坚持边建模边分析检查的原则。进行过程检查的目的，是为了及时发现问题，及时纠正，以免造成因问题累积而导致·养成边建模边保存的良好习惯，防止意外事故(如停电)而丢失数据。

　　·输入部件属性。

　　·创建引用集。

　　·清理模型数据。File →Utilities →Part Cleanup，可以删除不用的对象、不用的表达式、“撤销”数据和清理特征数据。

　　·进行模型总体检查，提交模型。

　　4 建模技术(一)：实现相关性的方法和技巧

　　在产品设计中，零件不单单是孤立的几何元素设计，从设计到制图、数控加工、分析、装配，都存在着相关性。相关性设计为我们提供了非常方便的修改产品的方法，减少了重复性工作，保持了信息的一致性，是UG三维设计的基础技术之一。相关性体现在：

　　·对象之间的相关性：例如，一条直线可能是一个实体的一条棱边，一条曲线可能是一个曲面的一个边界曲线。

　　·绘图对象与几何或位置的相关性：在制图中，有视图、尺寸、符号等，这些对象与模型中的几何是相关的，例如尺寸与模型中的几何相关，几何模型的修改使得尺寸可以自动刷新;制图对象与位置相关，例如文字说明、剖面线符号等与视图位置相关，当视图位置移动时，这些对象随之移动。

　　·对象与零件或视图的相关性：对象是模型的一部分，或者与一个视图有关。

　　·非几何信息与零件的相关性：例如可以把属性与零件、对象相关，如一个零件的材料、规格等信息作为属性连接到零件上。

　　·零件与零件之间特征的相关性：一个零件的某个特征尺寸与另一个零件的特征尺寸具有相关性，例如一个销钉的直径与一个销孔的直径保持相关，当孔的直径改变，销钉的直径随之跟着变化。

　　产品设计建模的目标，是应用UG主模型原理和方法，创建一个参数化的具有相关性和可编辑性的模型。

　　参数化与相关性密不可分，相关性是实现参数化的基本技术和条件。从本质上来理解，相关性有两个层次：设计意图的相关性与UG软件使用技术的相关性。

　　UG软件能实现单一零件内部的相关，也能实现部件间的相关(用Wave技术)。本文不讨论部件间的相关性。而部件内部的相关性，可以用表达式的相互引用、草图的几何约束、特征的定位等许多技术来实现。

　　1)曲线(Curve)的相关性

　　·注意曲线(Curve)与曲线操作(Curve Operation)命令的区别。

　　一般的曲线相互之间不具有相关性，只有用曲线操作 →偏置(Offset)、投射(Project)、连接(Join)、交线(Intersect)、缠绕(Wrap)命令生成的曲线和添加抽取的曲线至草图、偏置抽取的曲线才具有相关性。但必须记住在其对话框里将“关联输出”(一般为“Associative Output” )选项设置为ON。

　　·尽量不使用没有相关性的曲线。

　　·不要用Edit →Transform(变换)，而要用Feature Operation(特征操作)→Instance(引用)。

　　·不要用Curve Operation →Extract(抽取)→Edge Curve(边界曲线)，而要用Form Feature(成形特征)→Extract(抽取)→Curve(曲线)。

　　·通过Curve →Plane(平面)生成的平面对象，不保持与其他对象的相关性。原则上，应在使用平面对象的场合使用相对基准面代替。鼓励使用与已有的相关面，如偏置的面来达到目的。

　　2)草图(Sketch)

　　草图是可以用于创建关联到部件的二维轮廓特征的工具，是参数化建模的核心基础。草图具有自相关性，也与任何一个从它上面创建的特征相关。

　　·草图应用的场合

　　- 通常情况下，复杂壳体建模的根特征使用草图。

　　- 对于复杂的几何形状，应使用草图，不要用一系列特征去综合实现它。

　　- 不要用草图建立键槽、退刀槽、倒圆、倒角等，应在随后的体上附加这些特征。

　　- 不要用草图创建油路孔。

　　- 不要用草图去生成螺纹表面，否则创建螺纹时会遇见麻烦。用草图特征拉伸的圆柱体不能用螺纹表单提供的默认Metric，因为拉伸体与旋转体基于不同的数学模型(公式)。

　　·草图的工作平面

　　作为根特征的草图，其工作平面应放在预先定义的基准上，最好是种子文件的基准上。其他草图的工作平面根据设计意图而定。

　　·草图的定位

　　创建草图时，先建立主要的几何对象，并立即进行草图的定位。定位时，注意目标对象不能是本草图中的草图对象。

　　·草图的约束

　　○ 草图约束追求的理想目标，是完整表达设计者意图，并可进行参数化驱动。

　　○ 草图要进行全约束。

　　○ 对于比较复杂的草图，尽量“避免构造完所有的曲线然后再加约束”，这会增加全约束的难度。

　　○ 草图应先进行几何约束，再进行尺寸约束。

　　○ 一般不用修剪(Trim)操作，而是在创建期间用线串方法(Curve String)，或在修订期间用同心(Concentric)、点在线上(Point On Curve )等约束来代替。

　　3)表达式

　　表达式是一个功能强大的工具，可以使UG实现参数化设计。表达式可分为三种类型：数学表达式、条件表达式、几何表达式。

　　复杂壳体的表达式既可用手工创建，也可由系统自动建立。要注意对重要的表达式进行注释。

　　4)基准的使用策略

　　·在种子文件里，一般可预设3个固定基准面和3个由之派生的固定基准轴。不要创建更多的固定基准，因为它打断了特征之间的相关性，由于不是相互定位，所以无法进行参数化编辑。

　　·尽量使用相对基准面和基准轴，因为相对基准是与已有的实体或基准相关，可以随时编辑。

　　5)其他注意事项

　　·特征操作时禁止使用分割实体命令(Split Body)，此操作会使分割后的实体参数全部消失。

　　·复杂壳体建模一般不使用自由形状特征(Free Form Features)。如果使用，请注意：

　　○ 避免使用非参数化命令构造曲面(Through Point, From Pole, From Point Cloud, Foreign)。

　　○ 构造曲面的曲线尽可能采用草图方法生成。

　　○ 编辑曲面时尽可能采用参数化的编辑方法，即使用Edit →Feature →Parameters，而不使用Edit →Free Form Feature非参数化方法。

　　○ 曲面的阶次(Degree)尽可能采用三次片体。

　　5 建模技术(二)：实现可编辑性的方法和技巧

　　复杂壳体由于特征多、文件大，还要满足模具设计、数控加工等下游用户的建模需求，其可编辑性成为至关重要的指标。一个理想的模型，可以编辑修改各种参数和表达式，可以进行重排特征时序，插入特征等操作。总之，参数化模型里的每一项内容都可以进行修改。

　　因为相关参数化是可编辑性的基础，所以前面讨论相关性时已涉及到不少可编辑性的内容。下面就可编辑性问题再作进一步探讨，相同的地方不再重复。

　　·重视特征的先后依附关系

　　在UG中，实体里各种特征的先后依附关系十分重要，时间戳计的概念必须十分清晰。后面特征的定位，只能同时引用比它出现早的特征。同时，删除一个子特征时，其子特征往往也会被删除，或变为过期的无效特征。

　　·模型中不得有多余的特征，也不要掩盖以前实体的特征。如不要在原开孔的地方再覆盖一个更大的孔以修订圆孔的尺寸和位置。

　　·模型中不应出现重复的未进行布尔加操作的特征，例如实体的体积相重复。

　　·注意布尔操作的合理性，要将布尔操作的次数控制到最少，因为布尔操作是增加文件大小的重要原因。

　　·当创建或编辑特征失败或系统出现提示性警告时，一定要查清原因(例如精度问题)后对症下药，不要用重复的多个相同特征操作(例如Offset Face)去实现而造成不良后果。

　　·禁止采用移动和旋转坐标系的方法来进行定位和创建各种特征，否则会给以后的编辑带来极大困难。

　　·以下技术对于创建可编辑的模型会有很好的帮助：

　　- 在建模的初期就创建一组基准平面，用它们来做为安放平面或是定位。这将最小化特征依附的级数。

　　- 当定位特征时，如果能满足设计意图，就采用正交尺寸(perpendicular dimensions )代替水平(horizontal)或垂直(vertical)。正交尺寸不需要水平参考，水平参考也是将来编辑失败的原因。

　　- 试着参考稳定的边缘。有些边缘是由属于不同特征的面的交线构成，在之后编辑时很可能被移去断开，这也是将来编辑失败的原因。

　　尽可能晚的进行倒圆。

　　- 如果要改变一个倒圆，编辑半径以确认半径的改变在一个允许的区间范围内。

　　- 如果有拓扑改变的预期，考虑使用草图及拉伸特征(或通用凸垫及通用腔)代替成型特征，这样在改变特征外形或是修剪面时就会更灵活。

　　- 当定义拉伸及旋转特征时，考虑选择建立(Create)作为最初方式，然后再执行布尔运算，之后布尔运算可以单独被抑制，也可以替换目标或工具体(如果被抑制的工具体在它当初的创建层上)。

　　- 考虑使用修剪(trim)而不是求减(subtract)操作。用作修剪的曲面可被替换，不丢失其依附特征(如倒圆挖空)，修剪操作还可同时保留原来的片体。

　　·介绍几点操作技巧

　　- 倒圆技巧

　　◇ 倒圆顺序一般由大半径到小半径;

　　◇ 倒圆失败时，尝试检查一下公差设定;

　　◇ 边缘倒圆失败时，尝试一下其他的倒圆方法如face blending(面倒圆), soft blending(软倒圆);

　　- 每个草图要尽可能简单，可以将一个复杂草图分解为若干简单草图(闭合轮廓)，以支持通过扫描形成多个高低不一样的实体，也便于约束，便于修改。

　　- 零厚度的处理

　　当使用布尔操作时，工具实体的顶点或边界可能接触不到目标实体的顶点或边界，这可能使得最终实体的一些部分成为零厚度。如果有零厚度出现，UG会发出以下的错误信息：

　　Non-Manifold Solid (非复合实体)

　　一般地，可将工具实体和目标实体的相关尺寸缩小或扩大0.0001mm (数据精度的1/10)，以避免出现此种情况。

　　6 模型质量的分析和检查

　　模型质量检查根据不同的方法进行分类：

　　按检查的范围分，可以分为总体检查和局部检查。

　　按检查的阶段分，可以分为建模过程检查和模型交付检查。

　　模型交付检查应进行总体检查，检查的内容包括：系统参数设置、图层设置、颜色设置与种子文件的相符性，Part 属性、引用集、几何和几何体检查等。

　　建模过程检查一般只进行局部检查，即使用 Analysis →Examine Geometry 进行几何体检查(图2)。

　　图2：检查几何体对话框

　　检查几何体对话框各选项的含义如下：

　　1)对象(Objects)：

　　·微小的(Tiny)：在选中体或几何体中查找所有微小的体、面、边或曲线。

　　- 曲线、边和体，其包围对象所用框的对角线长度小于指定距离公差。

　　- 面，其曲面面积小于指定距离公差的平方。

　　- 面，其面积与周长的比率(2倍面积/周长)小于指定公差(这可以发现长条面)。

　　·未对齐的(Misaligned)：检查所有与工作坐标系接近正交但又未与之精确对齐的选中几何体。

　　- 直线：矢量为直线方向。

　　- 弧和圆：矢量垂直于曲线所在的平面。

　　- 平面: 法向矢量。

　　- 圆柱、圆锥、圆环、旋转曲面: 轴矢量

　　- 拉伸曲面：拉伸矢量

　　- 矢量与XC、YC或ZC未精确平行的对象标志为未对齐。

　　2)体(Bodies)

　　·数据结构(Data Structures)：检查每个选中体的数据结构问题，如数据损坏。

　　·一致性(Consistency)：

　　- 拓扑结构是否一致。

　　- 几何体对象是否合法以及面和边是否有G1(一阶导数)连续体。

　　- 几何体对象是否一致：顶点的几何体点是否位于连接它们的边和面上;边几何体是否位于连接它们的面内;边是否只在顶点处相交。

　　·面-面相交(Face-face Intersections)：检查每个选中体的面-面相交情况和所有面的不一致性。例如，将一个立方体挖空到1mm的厚度，然后将一条外部边修成5mm半径的圆角，内壳就会与外壳相交产生面-面相交的情况。

　　·片体边界(Sheet Boundaries)：查找选中体的所有边界(或缝隙)。

　　3)面(Faces)

　　·光顺性(Smoothness)：检查B曲面沿其面片边界光顺。

　　·自相交(Self-intersection)：检查自相交的面。

　　·锐刺/细缝(Spikes/cuts)：检查选中面上可能有的锐刺或细缝。

　　4)边界(Edges)

　　·光顺性(Smoothness)：检查所有与相邻面不光顺联接的边。

　　·公差(Tolerances)：根据距离公差字段中指定的值检查所有选中的边的公差。

　　几何体检查不单是事后进行校验的工具，更鼓励设计者在建模过程中不断进行，对于复杂壳体更是如此。

　　模型质量问题举例：

　　参考文献

　　1. 沈洪才编著：UG CAD工程应用基础，清华大学出版社 2003.09.

　　2. [美]Unigraphics Solutions lnc编著，张琴翻译：UG相关参数化设计培训教程，清华大学出版社 2002.01.