一、前言

產(chǎn)品的CAD三維造型是整個產(chǎn)品設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié)，為提高產(chǎn)品的三維設(shè)計效率和質(zhì)量，用戶必須掌握三維CAD造型的原理，充分了解CAD軟件中的造型方法。充分利用現(xiàn)代先進(jìn)的CAD技術(shù)，不但可以輔助設(shè)計者完成其設(shè)計構(gòu)思，減輕勞動強(qiáng)度，提高效率和精度，改善視覺效果，而且為后續(xù)的分析、模具設(shè)計、NC加工等奠定基礎(chǔ)。

UnigraphicsNX提供了以參數(shù)化為基礎(chǔ)，基于特征實(shí)體造型、部件間的關(guān)聯(lián)設(shè)計、專家設(shè)計系統(tǒng)等技術(shù)。其核心技術(shù)是采用非均勻有理B樣條(NURBS)作為曲面造型的基礎(chǔ)，融線框模型、曲面造型、實(shí)體造型為一體，參數(shù)化和特征化的混合造型系統(tǒng)。系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的富有關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，提供了工程上的完全關(guān)聯(lián)性使CAD/CAM/CAE各部分?jǐn)?shù)據(jù)自由聯(lián)動切換。UGNX吸收了各種建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，率先推出了最先進(jìn)的復(fù)合建模方式，將參數(shù)化實(shí)體建模、高級自由曲面建模、線框建模融于一體。復(fù)合建模技術(shù)代表了CAD發(fā)展的趨勢，即易用、自由、高效，是目前CAD行業(yè)最優(yōu)化的建模方式。它可使工程師在工作時完全不必受某種單一建模方法的束縛，自由地、快速地完成建模。它既具有參數(shù)化建模的靈活方便，在處理復(fù)雜產(chǎn)品方面又具有獨(dú)特的優(yōu)勢。UGNX以實(shí)際工程需要為導(dǎo)向，逐漸發(fā)展為了CAD/CAM/CAE/PDM一體化的系統(tǒng)。系統(tǒng)同時具備如鈑金設(shè)計、注塑模具設(shè)計、沖壓模及級進(jìn)模等多種專家設(shè)計模塊。

二、UGNX/CAD覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計

1.基于SMC成型的覆蓋件設(shè)計實(shí)例

基于SMC成型的覆蓋件為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，主要由蒙皮和加強(qiáng)筋組成。蒙皮內(nèi)的加強(qiáng)筋作為骨架以增加覆蓋件的強(qiáng)度和剛度，具體圖1所示。該復(fù)合材料覆蓋件必須滿足一定的重量和剛度要求，如重力作用下的變形和扭轉(zhuǎn)剛度，高溫烤漆的表面氣泡及熱變形問題。通過對覆蓋件的SMC成型工藝及結(jié)構(gòu)上的研究，其成型方法采用分塊模壓，并最終粘接成型，由外蒙皮、內(nèi)加強(qiáng)筋、前臉三個部件組成。由于覆蓋件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其成型方案設(shè)計時，分別模壓成型蒙皮、加強(qiáng)筋，然后粘接成一體，并根據(jù)其強(qiáng)度和剛度要求進(jìn)行局部加強(qiáng)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計有以下特點(diǎn)：

圖1 外蒙皮及總體裝配示意圖

(1)制品的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)形狀

制品的外部形狀應(yīng)該力求簡單，內(nèi)腔是制品的主要型面，為保證易于脫模和成型，應(yīng)設(shè)計成圓滑結(jié)構(gòu)。避免內(nèi)腔深度尺寸過大，對模壓成型造成困難。該覆蓋件三個部件的所有連接特征均采用可能大的過渡圓角，從而使其易成型。

(2)脫模斜度

對于熱固性塑料，脫模斜度在平行于壓制方向的表面上一般不小于1゜，對于脆硬材料，脫模斜度應(yīng)設(shè)計要求大一些。而對于精度要求較高的產(chǎn)品應(yīng)采用較小的脫模斜度，對于形狀復(fù)雜，收縮率大，厚壁不易脫模的制品應(yīng)采用較大的脫模斜度。由于覆蓋件尺寸較大，拔模斜度設(shè)計一般都設(shè)計在3゜以上，局部地區(qū)介于1.5゜～8゜之間。

(3)壁厚

由于SMC具有良好的流動性，可以成型各種薄壁變厚度尺寸的制品，其最厚截面應(yīng)保持在13mm以下，對于超過25mm的厚度，可采用特殊的引發(fā)體系，在SMC產(chǎn)品設(shè)計時，避免過薄尺寸，大面積尺寸應(yīng)大于1mm厚，由于壁厚的不均勻性易產(chǎn)生變形，因此在變厚度地區(qū)，應(yīng)采用圓滑過渡。SMC成型的覆蓋件產(chǎn)品厚度一般在3mm左右。

(4)加強(qiáng)筋和凸緣結(jié)構(gòu)

對于覆蓋件薄壁結(jié)構(gòu)，為增加剛度，防止產(chǎn)品變形，在多處地區(qū)設(shè)計了加強(qiáng)筋和凸緣結(jié)構(gòu)，筋的側(cè)面均為3゜以上的拔模斜度和3mm以上的圓角半徑，其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)如下圖2所示。對于整體粘接后的工況要求，在局部地區(qū)采用薄板鋁合金橫梁加強(qiáng)，采用粘接和螺釘對SMC和鋁合金橫梁進(jìn)行連接。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度優(yōu)化則主要采用盒形件、矩形加強(qiáng)筋及凸緣等結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)。

圖2 盒形件、加強(qiáng)筋、凸緣結(jié)構(gòu)示意圖

2. 基于UGNX的覆蓋件設(shè)計技巧

該覆蓋件比較復(fù)雜，需要對其結(jié)構(gòu)合理地分解，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特征。在造型時根據(jù)產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)建立特征曲線，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等建立一個合理的“毛坯”，再進(jìn)行外觀的細(xì)節(jié)設(shè)計，產(chǎn)品的外觀形狀多由光順圓順的自由型曲線曲面組成。要保證構(gòu)造出來的曲面既光順又能滿足一定的精度要求，就必須掌握一定的曲面造型技巧。由于覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計造型本身比較復(fù)雜，對設(shè)計者的要求比較高，以下為作者在完成該產(chǎn)品設(shè)計時總結(jié)出的一些經(jīng)驗(yàn)：

(1)先整體后局部、參數(shù)化與非參數(shù)化有效的結(jié)合

在工程中，常常難以用一張連續(xù)完整的曲面來表達(dá)一個復(fù)雜的產(chǎn)品外形。這樣構(gòu)造的曲面往往不光順，產(chǎn)生大的變形。這時可根據(jù)軟件提供的曲面造型方法，結(jié)合產(chǎn)品的外形情況，將其劃分為多個區(qū)域來構(gòu)造多張曲面，然后將其縫合，或用過渡面與其連結(jié)。針對產(chǎn)品的需求及優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，在進(jìn)行造型時應(yīng)合理的利用UGNX提供的參數(shù)化和自由曲面造型的混合使用問題，如在加強(qiáng)筋的布局設(shè)計時采用參數(shù)化的線框模型，有助于優(yōu)化分析和曲面重構(gòu)設(shè)計等提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量效率；對于SMC成型的R角等局部特征，可待有限元分析后的結(jié)果來進(jìn)行最終確定。

(2)基本造型功能的熟練使用

在利用UGNX進(jìn)行SMC成型的覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計時，涉及基本曲線曲面操作比較多，如常用的直紋曲面（Ruled Surface）、拉伸面（Extruded Surface）、掃描面（Swept Surface）、縮放面（Enlarge Surface）、等距面（Offset Surface）、融接圓角面（Blend Surface）、裁剪面（Trim Surface）、縫合面（Sew Surface）、延伸面（Extend Surface）、邊界面（Boundary Surface）。要注意這些基本曲面和派生曲面的使用特點(diǎn)，如拉伸功能可進(jìn)行帶傾斜拔模角度的曲面設(shè)計。同時對于基本的曲線，如直線、圓弧、曲線裁剪（Trim curve）、長度調(diào)節(jié)（Arc length）、等距線（Offset Curve）、投影曲線（Project Curve）、相交曲線（Intersection Curve ）和曲線連接（Join Curve）等生成及其編輯修改，應(yīng)做到靈活熟練。同時還應(yīng)區(qū)分Sketch和Curve的使用方法以及坐標(biāo)系統(tǒng)的靈活使用。

(3)快捷鍵、圖層和顏色的使用

由于覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計與數(shù)控編程的工作量比較大，使用快捷鍵有助于降低勞動強(qiáng)度。而合理的規(guī)劃圖層、顏色對幾何圖形對象的表達(dá)有助于提高設(shè)計的效率和信息的表達(dá)。而充分利用圖形對象的陣列（Instance）、轉(zhuǎn)換（Transform）功能，可大幅度提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和質(zhì)量。

(4)從模具的角度考慮

產(chǎn)品三維造型的最終目的是制造。產(chǎn)品零件大都是由模具生產(chǎn)出來的，因此，在三維造型時，要從模具的角度去考慮，在確定產(chǎn)品出模方向后，應(yīng)檢查曲面能否出模，是否有倒扣現(xiàn)象（即撥模角為負(fù)角），如發(fā)現(xiàn)有倒扣現(xiàn)象，應(yīng)對曲面的控制線進(jìn)行修改，重構(gòu)曲面。這一點(diǎn)往往被忽略，卻是非常重要的。在SMC模壓成型的覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計時表現(xiàn)尤為重要，由于SMC成型工藝的要求，一般圓角不小于R3，拔模角度不小于1゜。

(5)曲線曲面的光順控制

由于覆蓋件產(chǎn)品的外觀要求比較高、同時涉及到模具成型以及結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化分析網(wǎng)格劃分的需求，要求產(chǎn)品的曲面光順性較好。為保證曲面的光順性，在造型滿足產(chǎn)品幾何要求的前提下，可利用延伸、投影等方法將原始的3D輪廓線還原為2D輪廓線，刪除細(xì)節(jié)部分，然后構(gòu)造出“重構(gòu)”曲面，再利用面的修剪方法獲得曲面外輪廓。在構(gòu)造曲面時，要隨時檢查所建曲面的狀況，注意檢查曲面是否光順，是否扭曲，曲率變化情況等，以便及時修改。檢查曲面光順的方法可利用對構(gòu)成的曲面進(jìn)行渲染處理，即通過透視、透明度和多重光源等處理手段產(chǎn)生高清晰度的逼真性和觀察性良好的彩色圖像，再根據(jù)處理后的圖像光亮度的分布規(guī)律來判斷出曲面的光順度。圖像明暗度變化比較均勻，則曲面光順性好，如果圖像在某區(qū)域的明暗度與其它區(qū)域相比變化較大，則曲面光順性差。另外，可顯示曲面上的等高斯曲率線，進(jìn)而顯示高斯曲率的彩色光柵圖像，從等高斯曲率線的形狀與分布、彩色光柵圖像的明暗區(qū)域及變化，直觀地了解曲面的光順性情況。

三、UGNX/CAM覆蓋件模具設(shè)計與數(shù)控編程

1.SMC成型覆蓋件模具設(shè)計

UnigrahpicsNX提供了基于專家系統(tǒng)的注塑模（Mold Wizard）、鈑金零件沖壓模（Die Engineer）和級進(jìn)模（Progressive Die Wizard）等模具設(shè)計功能，模具專家設(shè)計系統(tǒng)融入了模具設(shè)計師的經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)開發(fā)師的智慧，使用它們可以加速模具設(shè)計速度，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。以下為UGNX系統(tǒng)提供的部分模具專家設(shè)計系統(tǒng)的簡介.

(1)UGNX沖壓模具工程（UG/Die engineering）

它是UG面向汽車鈑金件沖壓模具設(shè)計而推出的一個模塊，其功能包括沖壓工藝過成定義，沖壓工序件的設(shè)計，如壓力中心的調(diào)整、工藝補(bǔ)充面的設(shè)計、拉伸壓料面的設(shè)計、分配成型工序等內(nèi)容，以幫助用戶完成沖壓模具的設(shè)計。同時提供了一個完整的級進(jìn)模設(shè)計環(huán)境，封裝了模具設(shè)計的專家知識，其基于UG/WAVE關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)，系統(tǒng)自動抽取鈑金特征，使條料排樣與零件幾何關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計信息的一體化。系統(tǒng)從工程建立開始，可以完成條料排樣、廢料設(shè)計、模架選擇、功能組件設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)件的選取，提供提供的客戶模架庫、標(biāo)準(zhǔn)件庫、鑲件庫加快了級進(jìn)模結(jié)構(gòu)設(shè)計的速度，提高了設(shè)計的質(zhì)量和效率。

(2)UGNX注塑模設(shè)計（MoldWizards）
整合了模具專家的經(jīng)驗(yàn)，提供實(shí)務(wù)的設(shè)計流程，參數(shù)式圖形建構(gòu)，使模具設(shè)計經(jīng)驗(yàn)較少的工程師也能在循序漸進(jìn)的導(dǎo)覽設(shè)計之下，使模具設(shè)計師快速完成從產(chǎn)品、凸凹模、模架與標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計與裝配、工程圖一系列過程。提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量同時大幅度縮短制程周期，降低了生產(chǎn)成本。系統(tǒng)以3D產(chǎn)品傳遞資料，彈性靈活的機(jī)構(gòu)設(shè)計，使設(shè)計模具工作具有更多彈性空間。通過建立模具設(shè)計工程、模具簇、建立坐標(biāo)系、設(shè)置收縮率、設(shè)定凸凹模毛坯尺寸、模具輔助工具及分模、調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模架庫及標(biāo)準(zhǔn)件、設(shè)計滑塊和頂出機(jī)構(gòu)、設(shè)置澆口流道與冷卻系統(tǒng)、設(shè)計電極、模具總裝與零件清單BOM表等快速的完成模具的設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)件配置到NC編程環(huán)境。

由于SMC成型熱壓模具，其結(jié)構(gòu)與沖壓模類似，同時有注塑模的特點(diǎn)，如加熱系統(tǒng)、抽芯結(jié)構(gòu)等特征。在利用UGNX進(jìn)行該覆蓋件的模具設(shè)計時，要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行功能的合理應(yīng)用，如等厚度的外蒙皮其分型面的設(shè)計，可直接利用UGNX模具專家系統(tǒng)提供的模具分模功能來完成。SMC模壓成型設(shè)備主要包括液壓機(jī)和模具，模具結(jié)構(gòu)總體設(shè)計由凸凹模、加熱系統(tǒng)、頂出機(jī)構(gòu)、切邊機(jī)構(gòu)、抽芯結(jié)構(gòu)送料機(jī)構(gòu)等部分組成。SMC成型模具主要有半溢式垂直分型和半溢式水平分析兩種結(jié)構(gòu)，如下圖3所示為SMC成型的覆蓋件外蒙皮的凸凹模具結(jié)構(gòu)。

圖3. 外蒙皮覆蓋件模具結(jié)構(gòu)示意圖

2. SMC成型覆蓋件模具數(shù)控編程

UnigrahicsNX/CAM由8個重要組成部分：包括三維建模、刀具軌跡設(shè)計、刀具軌跡編輯修改、加工仿真、后置處理、數(shù)控編程模板、切削參數(shù)庫設(shè)計和二次開發(fā)功能接口。UnigraphicsNX系統(tǒng)提供了模具的數(shù)控編程模板Shops_diemould，它將預(yù)先的加工順序、工藝參數(shù)、切削參數(shù)設(shè)置好，針對相似的零件加工對象，應(yīng)用模板可以大幅度提高模具數(shù)控編程的效率和質(zhì)量，同時在加工新的產(chǎn)品對象時，只需調(diào)用模板文件，選擇所需的幾何體，并啟動這個流程即可。用戶通過加工向?qū)Х浅Ｈ菀椎膹哪０逯蝎@得專家級的制造過程指導(dǎo)，全部內(nèi)容可非常簡單而有效的提供給缺乏經(jīng)驗(yàn)的用戶，有利于吸收別人的經(jīng)驗(yàn)，通過向?qū)ВA(yù)先定義的模板可以被激活，并通過簡單的交互快速生成數(shù)控加工刀具軌跡。

系統(tǒng)提供了提供鉆孔循環(huán)，攻絲和鏜孔等點(diǎn)位加工編程；具有多種輪廓加工、等高環(huán)切，行切以及島嶼加工平面銑削編程功能；其提供3~5坐標(biāo)復(fù)雜曲面的固定軸與變軸加工編程功能，可以任意控制刀具軸的矢量方向，具有曲面輪廓、等高分層、參數(shù)線加工、曲面流線、陡斜面、曲面清根等多種刀具軌跡控制方式。UGNX銑削可完成粗加工單個或多個型腔、沿任意類似型芯的形狀進(jìn)行粗加工大余量去除、對非常復(fù)雜的形狀產(chǎn)生刀具運(yùn)動軌跡，確定走刀方式、通過容差型腔銑削可加工設(shè)計精度低、曲面之間有間隙和重疊的形狀，而構(gòu)成型腔的曲面可達(dá)數(shù)百個、發(fā)現(xiàn)型面異常時，它可以或自行更正，或者在用戶規(guī)定的公差范圍內(nèi)加工出型腔等功能。使用銑削編程功能用戶可以完成3軸聯(lián)動加工刀具路徑、加工區(qū)域選擇功能、多種驅(qū)動方法和走刀方式的確定，如沿邊界切削、放射狀切削、螺旋切削及用戶定義方式切削，在沿邊界驅(qū)動方式中又可選擇同心圓和放射狀走刀等多種走刀方式、提供逆銑、順銑控制以及螺旋進(jìn)刀方式、自動識別前道工序未能切除的未加工區(qū)域和陡峭區(qū)域，以便用戶進(jìn)一步清理這些地方、其銑削編程可以仿真刀具路徑，產(chǎn)生刀位文件，用戶可接受并存儲刀位文件，也可刪除并按需要修改某些參數(shù)后重新計算。

UnigraphicsNX/CAM用于產(chǎn)品零件的數(shù)控加工，其流程一般如下圖4所示：首先是調(diào)用產(chǎn)品零件加載毛坯，調(diào)用系統(tǒng)的模板或用戶自定義的模板；然后分別創(chuàng)建加工的程式、定義工序加工的對象、設(shè)計刀具、定義加工的方式生成該相應(yīng)的加工程式；用戶依據(jù)加工程式的內(nèi)容來確立刀具軌跡的生成方式，如加工對象的具體內(nèi)容，刀具的導(dǎo)動方式、切削步距、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削角度、進(jìn)退刀點(diǎn)、干涉面及安全平面等詳細(xì)內(nèi)容生成刀具軌跡；對刀具軌跡進(jìn)行仿真加工后進(jìn)行相應(yīng)的編輯修改、拷貝等功能提供編程的效率；待所有的刀具軌跡設(shè)計合格后，進(jìn)行后處理生成相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的加工代碼進(jìn)行DNC傳輸與數(shù)控加工。如圖5所示為覆蓋件外蒙皮凹模粗精加工刀具軌跡及其仿真加工示意圖。

a)蒙皮凹模等高分層粗銑

 
b)外蒙皮凹模平行等距精銑

 
c)外蒙皮凹模仿真加工
圖5.外蒙皮刀具軌跡及仿真加工示意圖

四、小結(jié)

通過本文的敘述大家可以看到，UnigraphicsNX作為三維參數(shù)化混合造型CAD/CAM/CAE集成化軟件系統(tǒng)的代表，功能是非常強(qiáng)大的。由于篇幅的限制，我們不可能窮其所有的功能，只能將我們所用過的、有代表性的和精彩的部份呈現(xiàn)給大家，有什么不周的地方，還望大家多多交流。