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编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目：基于基于 UG 的家电造型设计及动态仿的家电造型设计及动态仿 真真 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 基于 UG 的 家电造型设计及动态仿真 是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以 标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任 何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 97 学 号： 0923833 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 课题来源于生产实际。 电风扇是常见的家用电器，当前全球知识经济时代要求现在制 造业缩短产品开发周期，降低成本提高产品质量。以典型机械产品电 风扇为研究对象，对动态仿真模拟装配关键技术进行了研究，包括产 品的三维建模、装配约束及系统优化等内容。运动仿真软件能够更好 的让设计工程师建立，评估优化产品在现实环境的运动，以便更加的 满足性能要求。有助于从一开始就获得产品模型，因此，它可以提高 产品质量和发扬设计优点。 随着科学发展，近年来，CAD/CAM 技术的应用越来越广泛，它 大大改变了人与计算机之间的交互方式。在这种情况下产生了三维 造型设计及动态仿真，而 UG 是三维造型的一个重要组成部分，是当 前装配设计技术的一种崭新的思路和方法，具有非常重要的研究价 值。 II 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： II 根据提供的毕业设计资料理解设计要求，查阅相关中外资料； 分析现有电风扇的设计制造的优点与不足加以改进补充； 对 UG 软件熟练掌握，了解三维建模，将电风扇部件装配图，零件 图画出； 完成主要尺寸的设计，写出计算过程或依据； 阅读和翻译英文文献； 撰写毕业设计论文。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 97 班班 姓名姓名 杜明贤 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 年年 月月 日日 III 摘摘 要要 面对激烈的市场竞争，制造业必须加速产品开发进程，缩短设计开发周期。计算机 技术和计算机图形学的不断发展，为人们提供了强有力的工具，三维 CAD/CAM/CAE 集 成化软件被广泛应用于制造业。与传统的装配设计相比，虚拟装配技术能满足并行工程 的要求，实现产品可装配的设计，及时发现产品设计中的问题，提高装配质量和装配效 果。 研究是在 UG 软件设计平台上完成风扇的三维造型设计。立式电风扇的外形结构较为 复杂，如果用传统的 CAD 绘图软件设计非常困难，UG 可以轻松解决这个问题，UG 软 件具有很强大的实体造型、曲面造型、虚拟产品装配仿真、工程图生成等功能。论文以 从实物到模具的逆向设计过程论述了风扇虚拟设计中的关键环节，即零部件建模、虚拟 装配、动态仿真和扇叶的注塑模设计等。并对产品设计中的虚拟设计方法与传统设计方 法的差异、优越性进行了比对。通过可视化显示装配、干涉分析然后以求达到准确运动 仿真，使生产真正在高效、高质量、低成本的环境下完成。 关键词：关键词：三维造型设计；虚拟装配；运动仿真 IV 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 V 目目 录录 摘 要.III ABSTRACTIV 目 录 V 1 绪论.1 1.1 三维造型设计的现状和发展前景.1 1.2 常用三维造型软件介绍.2 1.3 UG 软件的介绍.2 1.4 论文主要内容及研究意义.3 2 基于 UG 的风扇设计 .5 2.1 电风扇的发展现状.5 2.2 UG 在产品中的设计思路.5 2.3 电风扇的建模设计分析.5 2.3.1 电风扇的虚拟装配介绍6 2.4 电风扇主要零件的建模绘制.8 2.4.1 电风扇罩的绘制8 2.4.2 电风扇叶的绘制10 2.4.3 电风扇后座的绘制12 2.4.4 电风扇支架部分的绘制14 2.4.5 电风扇操作面板的绘制15 2.4.6 电风扇其他零件的绘制16 2.5 电风扇的装配体建模及爆炸图.17 2.5.1 装配风扇本体17 2.5.2 电风扇的爆炸视图及干涉分析21 3 动态仿真.24 3.1 关于动态仿真.24 3.1.1 动态仿真的起源24 3.1.2 仿真技术在产品开发制造过程中的应用24 3.2 电风扇的动态仿真.25 3.2.1 机构运动仿真25 3.2.2 电风扇模拟仿真25 4 电风扇叶注塑模设计.29 4.1 注塑模设计的基本流程.29 4.2 注塑模具的基本结构设计.30 4.2.1 扇叶材料的分析30 4.2.2 分型面的选择30 4.2.3 扇叶注塑模具结构及工作原理31 5 结论与展望.33 VI 5.1 结论33 5.2 不足之处及未来展望33 致 谢.34 参考文献.35 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 1 1 绪论绪论 计算机辅助设计是一种将人和计算机的最佳特性结合起来以用来辅助进行产品的设 计和分析的技术，是综合了计算机与工程设计方法的最新发展成果一门新兴学科。它的 产生和不断发展，对工业生产、工程设计、科学研究等领域的技术进步和发展产生了巨 大影响。 1.1 三维造型设计的现状和发展前景三维造型设计的现状和发展前景 市场需求是技术创新的原动力，二十一世纪的一个重大变革是全球市场的统一，它 使市场竞争更加激烈，产品更新周期加快。在这种背景下，CAD技术得到迅速普及和极 大发展。1991年，美国评出的二十世纪最具影响的十大技术中，CAD便榜上有名。CAD 技术从最初的工业设计领域已渗透到人们日常生活的每个角落，从机械、电子、建筑、 教学、管理等，可以说无数不包。经过四十多年的发展，CAD/CAM技术有了长足的进步， 而三维CAD技术到目前为止共经历了4次大的技术革新。 （1） 三维线框系统 20世纪60年代，新出现的三维CAD系统是简单的线框式系统，只能表达基本的几何 信息，而不能有效地表达几何数据间的拓扑关系1。 （2） 曲面造型系统 法国达索飞机制造公司基贝塞尔算法，在上个世纪70年代开发出以表面模型为特点 的三维造型系统 CATIA，从而标志着CAD技术突破了单纯模仿工程图纸三视图的模式， 首次实现完整描述产品零件的主要信息，使得CAD技术有了实现基础。 （3） 实体造型技术 早在60年代初，就提出了实体造型的概念，但由于当时理论研究和实践都不够成熟， 实体造型技术发展缓慢。70年代初出现了简单的具有一定实用性的基于实体造CAD/CAM 系统，实体造型在理论研究方面也相应取得了发展。到70年代后期，实体造型技术在理 论、算法和应用方面逐渐成熟。它带来算法改进和未来发展的希望，同时也带来了数据 计算量的急速膨胀。 （4） 参数化设计 参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改定义好的零件 参数，自动完成图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数化使设计极大地 改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、动态设计、实体造型、装配、 公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体现了很高的应 用价值。 三维CAD系统的核心是产品的三维模型，它所表达的几何信息越来越完整和准确， 解决问题的范围越来越广三维模型包含了更多的实际结构特征，通过赋予零部件一定的 物理属性，就可以进行产品的结构分析和各种物性计算，并为后续设计制造模块应用奠 定基础，使用户在采用三维CAD造型工具进行产品结构设计时，就能反映实际产品的构 造或者加工制造过程，成为实现CAD/CAE/CAPP/CAM集成的基础。 我国在软件和设备方面的发展一直比较缓慢，直到进入21世纪以来，我国的计算机 无锡太湖学院学士学位论文 2 行业有了突飞猛进的发展，正是因为这样，我国的CAD技术才有了进一步发展的空间， 在现代制造业舞台上，生产效率、成本、规划管理无不和生产技术相关，因此CAD技术 的开发直接关系到产品的设计、生产、维修等工作的速度和效率，显得尤为重要。在产 品的设计和装配阶段，一般采用二维制图和三维造型。尤其是三维造型，以其直观、能 直接转化二维工程图和虚拟装配等优势在现代工业生产设计方面有着绝对的优势。 1.2 常用三维造型软件介绍常用三维造型软件介绍 三维软件技术经过几十多年的发展，每个时代都有流行的软件满足当时的要求，随 着时间推移，技术的不断革新，现在，工作站的微机平台 CAD/CAM 软件已经占据主导 地位，并且出现了一批比较优秀的商业化软件。总的来说，软件各有千秋，每种产品都 有其所长也有其短，关键是使用者根据自己的实际需求进行选择，下面我们简单的介绍 一下常用的三维造型软件。 （1）Pro/ENGINEER 软件 1985 年，PTC 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988 年， V1.0 的 Pro/ENGINEER 诞生了。经过 10 余年的发展，Pro/ENGINEER 已经成为三维建 模软件的领头羊。 Pro/E 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性 问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有 模块。Pro/E 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。 Pro/E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工 处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 （2）Solidworks 软件 SolidWorks 公司成立于 1993 年，由 PTC 公司的技术副总裁与 CV 公司的副总裁发起， 总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一 个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。1997 年，Solidworks 被法 国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。 SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符 合CAD技术的发展潮流和趋势，并使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的 parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球 装机量最大、最好用的软件。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks功能强大、 易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维 CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产 品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简 单方便、易学易用。 1.3 UG 软件的介绍软件的介绍 UG NX 是 Unigraphics Solutions 公司推出的集 CAD/CAM/CAE 于一体的三维参数化 设计软件，在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领 域得到了大规模的应用。其功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在 诞生之初主要基于工作站，但随着 PC 硬件的发展和个人用户的迅速增长，在 PC 上的应 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 3 用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。 UG 的开发始于 1969 年，它是基于 C 语言开发实现的。UG NX 是一个在二维和三维 空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软 件工具。它的设计思想足够灵活地支持多种离散方案，因此软件可对许多不同的应用再 利用2。 UG 软件主要分为 CAD 模块 CAM 模块 MoldWizard 模块。 （1）CAD 模块 实体建模是集成了基于约束的特征建模和显性几何建模两种方法，提供符合建模的 方案，使用户能够方便地建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体、布尔运算及其表 达式。实体建模是特征建模和自由形状建模的必要基础。 UG 特征建模模块提供了对建立和编辑标准设计特征的支持。为了基于尺寸和位置的 尺寸驱动编辑、参数化定义特征，特征可以相对于任何其他特征或对象定位，也可以被 引用复制，以建立特征的相关集。 UG 自由形状建模拥有设计高级的自由形状外形、支持复杂曲面和实体模型的创建。 UG 工程制图模块是以实体模型自动生成平面工程图，也可以利用曲线功能绘制平面 工程图。在模型改变时，工程图将被自动更新。利用装配模块创建的装配信息可以方便 地建立装配图，包括快速地建立装配图剖视、爆炸图等。 UG 装配建模是用于产品的模拟装配，支持“由底向上”和“由顶向下”的装配方法。 装配建模的主模型可以在总装配的上下文中设计和编辑，组件以逻辑对齐、贴合和偏移 等方式被灵活地配对或定位。参数化的装配建模提供为描述组件间配对关系和为规定共 同创建的紧固件组和共享，使产品开发并行工作。 （2）CAM 模块 UG/CAM 模块是 UG NX 的计算机辅助制造模块，该模块提供了对 NC 加工的 CLSFS 建立与编辑，提供了包括铣、多轴铣、车、线切割、钣金等加工方法的交互操作，还具 有图形后置处理和机床数据文件生成器的支持。同时又提供了制造资源管理系统、切削 仿真、图形刀轨编辑器、机床仿真等加工或辅助加工。 （3）MoldWizard 模块 MoldWizard是UGS公司提供的运行在Unigraphics NX软件基础上的一个智能化、参数 化的注塑模具设计模块。MoldWizard为产品的分型、型腔、型芯、滑块、嵌件、推杆、 镶块、复杂型芯或型腔轮廓创建电火花加工的电极及模具的模架、浇注系统和冷却系统 等提供了方便的设计途径，最终可以生成与产品参数相关的、可用于数控加工的三维模 具模型。 1.4 论文主要内容及研究意义论文主要内容及研究意义 本文利用 UG 对电风扇主要零件进行三维设计，并对其进行运动仿真及扇叶的注塑模 设计。其主要内容包括： （1）对电风扇的基础零件三维绘制； （2）三维建模、装配约束、干涉检测及系统优化等； （3）对电风扇进行虚拟装配及运动仿真； 无锡太湖学院学士学位论文 4 （4）对虚拟装配理论和关键技术进行研究； （5）完成电风扇扇叶的注塑模设计。 本文运用了虚拟建模、虚拟装配、运动仿真，运用 CAD 软件进行扇叶注塑模设计等 内容。 随着全球经济一体化的大环境形成，市场竞争越演越烈，国内许多企业正在面临严 峻考验，特别是经济危机以后，企业更多的在积极主动的采用先进技术和生产方式，增 强自身在市场竞争中的应变能力和生存能力。如何缩短设计生产周期成为企业生存发展 至关重要的一部分。我国电风扇产品的开发大多属于串行方式，先设计出原型样机，然 后测试验证分析，这样往往造成产品开发时间长，不能达到快速制造的要求。 快速、高质量的进行产品零件设计、模具设计是快速制造的基础。现在用 UG 软件进 行实体设计，虚拟装配，动态仿真和扇叶的注塑模设计。利用这种方法可以在实际生产 前就采取预防措施，能够使产品一次性制造成功，大大降低了生产成本缩短了开发周期， 为企业提供了可行的方法和流程。近年来，虚拟现实技术的广泛应用大大改变了人与计 算机之间的交互方式。在这种情况下产生了计算机虚拟制造技术，而虚拟装配是计算机 虚拟制造技术的一个重要组成部分，是当前装配设计技术的一种崭新的思路和方法，具 有非常重要的研究价值。而运动仿真能让设计工程师建立、评估和优化部件在现实环境 中的运动，以便最佳地满足工程和性能需求。当在产品开发的早期阶段应用运动仿真、 并且作为设计过程的一个完整部分时，运动仿真可以对产品性能提供宝贵见解，这些见 解可以帮助发现和解决设计问题，运动仿真有助于从一开始就获得产品模型，因此它可 以提高产品质量和发扬设计优点。 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 5 2 基于基于 UG 的风扇设计的风扇设计 2.1 电风扇的发展现状电风扇的发展现状 近年来，国内电风扇行业发展很快，但是由于各地设备情况、管理水平不同，产品 质量也有很大的差别。目前，国内电风扇制造厂的零部件自给率较低。除少数几家工厂 以外，大多数工厂均需要相当数量的外购外协件，例如电镀件、琴键开关、定时器、塑 料件等。为了确保整机的质量，必须对外构件进行严格的质量控制。 从功能上来看，现在大多数电风扇的功能都比较单一，不能实现 “一专多能” ，这 样往往会导致某些材料和空间的浪费。如果能在电风扇上在安装其他功能，这样便实现 了多功能化，既方便使用又节约了能源，将会带来很大的效益。在市场发展越来越成熟 的今天，电风扇产品所涉及的学科和工业门类众多，用传统的设计方法很难达到。因此， 对现代的电风扇产品来说，其设计思想和设计方法都将会有一些全新的内容。正是基于 这样的出发点，用发展的眼光，把现代设计方法与传统风扇产品的设计相结合，进行了 模块化设计、运动仿真在电风扇产品设计方面的应用。 我们知道电风扇和空调相比具有很多优点，它比空调的耗能要小，特别是随着国际 能源短缺和人们节能观念的深入，电风扇更受重视。另外，电风扇吹风比较自然，开门 窗也不受影响，而空调房间都是密闭的，空气流通差，很容易感染疾病。由此可见，电 风扇还有很大的发展空间。 2.2 UG 在产品中的设计思路在产品中的设计思路 在产品开发及制造过程中，几何造型技术已经使用相当广泛。但是由于种种原因， 仍有许多产品，设计和制造者面对的是实物样件，为了适应先进制造的发展，需要通过 一定途径，将实物转化为 CAD 模型，使之能利用 CAD/CAM 等先进技术处理，这种从实 物取样再获取三维模型的技术就是通常所说的“求反工程” （Reserve Engineering） 。 虽然仅仅只是实用型电风扇，但是看起来也是相当复杂。造型时感到无从下手，但 只要能合理地对产品进行分解，确定产品结构的主要特征，也就是将设计者构思的初步 轮廓用UG强大的三维实体造型功能，生成三维实体模型，即提供一个可视化界面，再在 该界面上逐步进行详尽的设计造型。分清哪些是基本特征（如配合面，保证产品外形轮 廓的特征），哪些是构造特征（如面和面之间的过渡、凹槽、倒圆、倒角等）。首先是 从特征入手，保证重点，产生一个合理的造型“毛坯”，再在这些“毛坯”上完成细节 部分如过渡面，凸台、凹槽、孔、肋板等。这样主次分明，先做什么后做什么问题就迎 刃而解了。 2.3 电风扇的建模设计分析电风扇的建模设计分析 目前的三维设计系统随着计算机的发展，在 CAD 技术领域中，二维设计逐渐向三维 设计方向发展，而二维设计只是提供了简单的建模、装配及二维工程图生成功能，这些 功能远远不能满足设计工作的要求，比如当设计者在设计过程中需要进行一些简单的工 程分析工作时，系统就无法满足要求，因此需要其它的工程分析系统来配合以便完成相 应的工作，这就会大大增加设计者的设计工作量、延长设计的周期、增加设计费用3 。 在实际设计过程中，设计者可以根据客户提供的相关参数及性能要求合理选择材料 无锡太湖学院学士学位论文 6 及产品尺寸。因为在这次设计过程，考虑材料的省材、环保，将扇叶、底座、操作面板 部分使用价格比较低廉，性能优越的 ABS 塑料，支架部分可使用 45 钢，扇罩部分可用钢 丝。因为主要利用 UG 进行造型设计，材料的选择不加详细介绍。 在设计初期为了便于三维建模，以实用型电风扇为例按照其实现的功能将电风扇进 行模块划分：（1）电风扇扇叶旋转模块。电风扇扇叶在设计中是必不可少的，而且确定 尺寸以后在系统中基本不变，确定扇叶尺寸以后便可考虑与其连接的前后罩的尺寸。 （2）操作面板模块，这个是根据实际需要进行确定，比如会 4 档变速，有“摇头” 、 “定 时”旋钮开关。 （3）电风扇升降模块，主要用来实现安装和联接所需的功能。 （4）支架 模块。这一部分尺寸基本确定，但是由于其他部分所需要可进行临时改变来满足预留要 求。 （5）底座模块，这一部分相对固定。 到现在风扇的发展比较成熟，尺寸也相对固定，设计考虑风扇尺寸高度 12001400mm，高度可升降。为了节省能源和材料，扇叶形状呈三叶形，直径 360mm。 扇叶部分用注塑成型，厚度 1.52mm。底座的设计要保证支撑整个风扇主体，尺寸定为 300300mm 正方形，高度 60mm，厚度 5mm，同时加肋板增加强度。操作面板分为 4 档， 有定时开关的旋钮。在考虑操作面板的生产问题，要考虑拔模角。同时为了安全起见， 底座、面板部分要注意进行边倒角。 数据的合理性不仅关系到电风扇的造型美观效果，同时也会影响整个风扇的装配及 注塑模设计，因此这是整个毕业设计的重要一部分。在整体尺寸大致确定以后，选择合 理的造型方法也是相当困难的。在创建模型时，采用搭积木的方式在模型上依次添加新 的特征。由于组成的模型特征既相互独立又具有一定的关联性，修改时只需对不满意的 细节所在特征进行修改，在不违背特定特征之间基本关系的下，再生模型可获得理想的 设计结果。 电风扇的建模设计总体上来说是使用了由顶而下的产品设计方法，设计中将运用拉 伸、扫描、抽壳、偏移、阵列，进行电风扇各个部件的设计以及曲面建模，偏移，修剪 实体等复杂的建模方法。 在三维建模中主要有以下 3 种特征: (1) 实体特征它是构建三维模型的基本单元和主要设计对象。实体特征可以是正空间 特征(如销的突出部分),也可以是负空间特征(如面板上上的孔、槽等)。在 UG 中，根据建 模方式和原理的差异，把实体特征进一步分为基础特征和工程特征。基础特征是三维模 型设计的起点，包括拉伸特征、旋转特征、扫描特征和混合特征等。 (2) 曲面特征它是一种没有质量和体积的几何特征，对曲面的精确描述比较复杂，在 目前三维造型中通常通过曲率分布图对曲线进行编辑，进而得到高质量的曲面造型。曲 面特征主要用于产品的概念设计、外形设计和逆向工程等设计领域。本论文的曲面主要 是通过网格曲面创建，或者用艺术线条创建直纹面，然后片体加厚形成。 (3) 基准特征指参数化设计的基准点、基准轴、基准曲线、基准平面和坐标系等。一 般来说，基准特征主要用于辅助三维模型的创建。 在有了这些前期准备以后便可进行风扇的三维建模，将电风扇零件进行绘制。零件 的绘制尺寸一定要得当才能完成虚拟装配工作。 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 7 2.3.1 电风扇的虚拟装配介绍电风扇的虚拟装配介绍 在风扇主体尺寸大致确定以后，实际设计过程中并不是完成所有零件再进行产品装 配而是完成一个装配一个进行检测。传统制造理论认为，装配应该是整个制造过程中的 最后一个环节，就是按规定的技术要求，将零件、组件和部件进行装配和联接，使之成 为半成品和成品的工艺过程4。作为一门新兴的技术，虚拟装配技术实际上是装配和制造 技术可视化技术、仿真技术、产品设计方法学、虚拟现实技术等多种技术的结合，所以 它的发展与以上技术紧密相关。虚拟装配技术可以实现以可装配性的全面改善为目的， 以实现操作仿真的高度逼真为要点，以实现装配信息模型的集成化为核心，以全周期装 配环节为对象，以装配多样化为特色5。它可以改变传统装配中的如下不足： （1）传统装配必须等零件全部加工完成之后才能进行装配； （2）传统装配不能体现并行设计思想； （3）传统装配一般要反复修改，进行多次试装配，使得产品周期长，成本高，不能 适应当前制造的需要。 利用 UG 装配模块，把电风扇的各个零件装配好，在装配时根据实际操作再修改零 件。 装配时的约束可分为两大类，无连接接口约束和有连接接口约束。无连接接口的主要用 于一般的装配中，使用这种装配的零件不具有自由度，零件之间不能做任何相对运动； 有连接的约束主要用于解决机构的相对运动。扇叶部分和后座（里边装有电机转轴，这 里只是绘制模型，电机部分不作考虑）的装配就要是有连接口的约束，因为要做扇叶转 动的仿真。 装配体建模承接于基础零件建模才能得到电风扇的三维零件模型，根据设计人员的装 配图纸生成装配模型，在 UG 软件中进行装配设计主要有由底向上和由顶向下两种主要方 法。 下面简单介绍一下本文装配所用到的设计方法：由底向上和由顶向下的装配设计方 法。产品在设计的过程中是一个复杂的创造性活动，产品的内的质量和生产总成本从根 本上来讲由产品的设计决定。输入零件之间的几何约束关系，将设计好的零件装配成产 品，是目前 CAD 系统普遍支持的一种由底向上的设计过程。它的主要思路是先设计好各 个零件，然后将这些零件拿到一起进行装配，如果在装配过程中发现某个零件不符合要 求，比如：零件与零件之间产生干涉、某一零件根本无法进行安装等，就要对零件进行 重新设计，重新装配，再发现问题，再进行修改，如此反复6。如图 2.1 所示。 图 2.1 由底向上的装配设计 按照一般人的思维方式 ,通常的设计过程是：先需求分析、概念设计，再进行机构设 零件零件零件零件 部件装配体部件装配体 装配体 无锡太湖学院学士学位论文 8 计、详细设计，最后试制修改。其中一般是先设计总装配图，再设计零件图，这就是由 顶向下的设计方法。如图2.2所示。 图2.2 由顶向下的装配设计 由顶向下的设计是一个产品的开发过程。通过该过程，确保设计由原始的概念开始， 逐渐地发展成为具有完整零部件造型的最终产品。把关键信息放在一个中心位置，在设 计过程中通过捕捉中心位置的信息传递到较低级别的产品结构中，如果改变这些信息将 自动更新整个系统。设计时确定扇叶直径以后，才能进行扇罩尺寸的确定，然后一步步 完成设计任务。 由顶向下的设计方法是在零件设计的初期就考虑零件与零件之间的约束和定位关系， 在完成产品整体设计之后，再实现单个零件的详细设计。从产品构成的最顶层就开始把 组成整机的部件作为产品系统的零件来思考，电风扇操作面板就是设计初期进行全局考 虑，预留好旋钮及按钮的位置，在操作面板部分绘制完成以后根据预留孔的大小设计旋 钮最后进行装配。 由顶向下的设计过程能充分利用计算机的优良特性，能最大限度地发挥设计人员的 潜力，最大限度地减少设计实施阶段不必要的重复工作，使企业的人力、物力等资源得 到充分的利用，大大地提高了设计效率，减少了新产品的设计研究7。 2.4 电风扇主要零件的建模绘制电风扇主要零件的建模绘制 在电风扇主要零部件的草图绘制中，电风扇罩、扇叶、后座的绘制具有典型性，本 节内容我们将介绍这几个重要零件的绘制方法。考虑到实际设计过程中的先后循顺序及 装配顺序，建模过程中只是将文件命名为数字，在文中将有所提及。本章节的建模设计 并非实际设计先后顺序。 首先我们打开 UG 软件，在“文件”下拉菜单下单击“新建”命令着手进行绘制。 2.4.1 电风扇罩的绘制电风扇罩的绘制 单击“” ，或者“文件”下拉菜单里的“新建”会出现图 2.3 所示的对话框，取名 “2” 。然后进行草图绘制。 装配体 部件装配体部件装配 体 零件零件 零件 零件 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 9 图 2.3 新建对话框 电风扇前罩的绘制主要运用了拉伸，扫描（管道） ，阵列等建模思想进行绘制。 选定“XC-YC”为工作平面草绘直径 400mm 和 392mm 的圆，通过拉伸长度 2mm， 然后偏移基准面“XC-YC”沿 YZ 方向偏移 52mm，得到图 2.4 所示的草绘图，然后按照 “YC-ZC”基准平面画网格，因为用的是扫描中的管道，绘制好不同阶段的线段以后， 选中会出现如图 2.5 所示的对话框，外直径设置为 1.5mm 内直径 0mm 点击确定。 图 2.4 草绘图 图 2.5 扫描（管道）对话框 最后进行阵列工具，右击需要阵列的工具栏会出现（阵列）工具选择中心轴然后对象 选择为刚才所绘连续线段，环形阵列半径 200 起始角 0 角度增量 360数字 60，点击确定。 如图 2.6 是完成以后的风扇前罩（前、后罩的绘制方法一致）。 图 2.6 绘制完成的风扇罩 2 无锡太湖学院学士学位论文 10 2.4.2 电风扇叶的绘制电风扇叶的绘制 扇叶文件名“4” 。在建模模块下，单击“插入”“设计特征”“圆柱体” ，选择 “直径高度”鼠标左键点击确定，在图 2.7 所示的圆柱特征对话框中输入 “直径 340 高度 20” ，生成圆柱体。然后在圆柱中心位置打孔，点击，孔直径50，深度通透，选 择“点对点”定位，然后选中圆柱体边缘线，得到扇叶中间的简单孔。 图 2.7 圆柱对话框 图 2.8 基本曲线对话框 在“插入”下拉菜单找到“曲线基本曲线”点击确定，点击，在图 2.8 基本曲 线对话框中选择“直线”，点方式选择“象限点”，单击圆柱体上边缘线然后单击圆柱 体下边缘线生成直线。 找到“投影”命令 ，即图标。点击刚才所画直线，鼠标中键确定。选择圆柱体 外边缘鼠标中间确定点击孔内表面确定，在“编辑”菜单下隐藏圆柱体及所画直线。 “网络曲面直纹面”将投影得到的曲线生成直纹面，如图 2.9 所示。选择“加厚片体” 命令，第一偏置设置为 1mm 第二偏置为 -1mm，选中直纹面确定，叶片进行边倒角，倒 角半径 30mm。 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 11 图 2.9 直纹面的生成 进入草图绘制 ，在“XC-YC”基准面绘制直径 60mm 的圆，完成草图，对所画圆进 行拉伸使得叶片在圆柱体中间位置,设置起始值-10 结束值 30，确定得到如图 2.10 所示。 图 2.10 电风扇叶转轴的草图绘制 在拉伸完成以后如图2.11所示，然后“编辑-变换”，出现图 2.11 所示对话框，选中 叶片，绕直线旋转，变换角度为 120，多个副本可用，如图 2.12，份数为 2。 无锡太湖学院学士学位论文 12 图 2.11 变换命令 图 2.12 变换命令 最后点击，将扇叶圆柱体布尔求和，电风扇叶的绘制就算完成了。如图 2.13 是 基本制好的电风扇叶，为了便于观察美观，将不需要的线条，曲面隐藏即可。 图 2.13 绘制完成的扇叶 2.4.3 电风扇后座的绘制电风扇后座的绘制 后座的建模主要涉及草图绘制、基准面偏移、加厚、拉伸等方法。 草图绘制模块画出后座主视图，圆弧直径 160mm，圆弧与圆弧之间圆角半径 20mm，如图 2.14 所示，完成草图单击命令，拉伸长度设置为 100mm。“XC-YC” 基准平面沿“ZC”方向偏置 100mm。绘制半径 60mm 圆弧，圆弧之间圆角半径 20mm。 圆角象限点与前面后座主视图圆角象限点连接。创建直纹面，选中半径 60mm 圆弧与直 径 160mm 圆弧象限连接点，点击确定，选择片体加厚命令，第一偏置-1.25 第二偏置 1.25，点击确定。 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 13 图 2.14 后座主视图草绘 选择“插入-偏置/比例-抽壳”选中拉伸图形底面，如图 2.15 所示，厚度为 2.5mm。 图 2.15 后座草图绘制 后座中转轴的绘制，在选中后座平面为基准面以后草图命令下绘制半径 40mm 的圆， 拉伸长度 10mm，然后以刚拉伸得到平面为基准面，草图绘制半径 5mm 圆，拉伸长度 30 点击确定。 图 2.16 是绘制好的后座。 图 2.16 绘制好的后座 无锡太湖学院学士学位论文 14 2.4.4 电风扇支架部分的绘制电风扇支架部分的绘制 新建文件名“8”。草图平面点击，绘制长度 45mm 直线，捕捉点，垂直方向 长度 100mm，绘制直径 30mm 及 70mm 圆，绘制与其相切线，完成草图。选择拉伸命令 长度 25mm 得到如图 2.17 所示实体。 图 2.17 支架 8 拉伸 图 2.18 支架 8 的拉伸 以“XZ-YZ”为基准平面，距离底端高度 45mm 长度 70mm 定位，绘制直径 20、40mm 圆，拉伸起始-10mm 终止 10mm，如图 2.18 所示。在平面孔为圆心绘制半径 40、50mm 圆形成闭合面，拉伸长度 25mm 如图 2.19 所示，然后布尔求差进行修剪体得 到图 2.20。 图 2.19 闭合面草图 图 2.20 修剪实体 最后在底面抽壳厚度 2mm 完成。 另一支架“10”绘制相对简单，在“XZ-YZ”平面绘制草图，两竖直边倒圆角半径 10mm 如图 2.21 所示。 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 15 图 2.21 支架 10 的基体 图 2.22 镜像实体 镜像实体得到图 2.22。 2.4.5 电风扇操作面板的绘制电风扇操作面板的绘制 新建文件名“13” 。操作面板的绘制主要涉及拉伸、修剪体、投影、偏移、抽壳、扫 略等命令。在草图模块下，绘制面板草图如图 2.23 所示，长度 350mm，宽度 60mm。完 成草图拉伸厚度 60mm。点击拔模角命令，选择从固定平面拔模在图 2.24 拔模角对话 框中角度设置为 3。 图 2.23 操作面板草图 图 2.24 拔模角对话框 以“YC-ZC”为绘图平面，建草图，绘制半径 500mm、260mm 圆弧作为引导线，如 图 2.25 所示。 图 2.25 创建引导线 图 2.26 琴键的求差 沿导线扫掠成曲面，选中修剪体命令将面板进行修剪。偏移基准平面，绘制直径 无锡太湖学院学士学位论文 16 50mm 圆，拉伸求差，琴键孔与旋钮部分如图 2.26 所示。然后由于设计过程中考虑实际 运作中面板中间要排布电线电路板之类的，所以在这里将操作面板进行抽壳命令，厚度 为 2.5mm。壳顶和壳底位置进行圆柱体高度 30mm 直径 30mm，如图 2.27 所示。 图 2.27 圆柱体创建 图 2.28 操作面板 13 的抽壳 面板上、下孔直径与上下连接杆配合，在刚才所画圆柱体中心位置如图 2.28 所示设置孔 的直径 25mm 深度 25mm。 2.4.6 电风扇其他零件的绘制电风扇其他零件的绘制 利用UG强大的三维实体造型功能可完成风扇中其他零件的三维建模工作，各零件具 体建模的方法和步骤，在设计装配尺寸得当，保证精度的情况下绘制比较简单。由于时 间和篇幅的关系，在此不再赘述。以下是电风扇中其他零件的三维实体造型。 图 2.29 绘制完成的的前垫片 3 图2.30 绘制完成的前罩挡板 6 图2.31 绘制完成的后座散热孔7 图2.32 绘制完成的锁紧套18 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 17 图 2.33 绘制完成的琴键开关 16 图 2.34 绘制完成的底座 21 2.5 电风扇的装配体建模及爆炸图电风扇的装配体建模及爆炸图 任何一台机械，都是由很多零件以及部件组成。我们把零件以及部件组装成一台完 整的机械的过程称为装配。机械的装配过程就是由零件组装成组件、由组件组装成部件、 由部件组装成总成以及最后组装成机械的过程8。 虚拟装配实际上是在计算机上进行装配的过程，如何有效地模拟实际装配过程是虚 拟装配的目的。对于整体设备而言，我们关心的是设备中各个组件在装配体中的装配形 式及其装配过程，因此在虚拟装配过程中首先要确定进行装配的零部件组成，其次确定 各个零部件的装配顺序，再次确定各个零部件所需的装配约束。最后以连续的方式实现 虚拟装配过程。UG 在装配件中直接引用已经绘制完成的零件图，即在一个零件加入到装 配件的操作，伴随而来的是部件之间的约束关系，即部件的定位操作9。 装配的过程是应用多个约束关系对自由度进行限制的过程。装配件中的零件定位关 系包含配对、对齐、角度、平行、垂直、中心、距离和相切。在一个装配件中零部件有 两种不同的工作方式：工作部件和现实部件。屏幕上能看到的所有部件都是显示部件， 而工作部件只有一个，只有工作部件可以进行编辑修改工作。 电风扇主要元件有扇叶、支架、操作面板和底座组成。装配思路一般有两种：（1） 由底向上装配，这是传统的装配方法，先建立好装配用到的所有零件，然后从小到大逐 步完成。 （2）由顶向下装配，这种方式是先在宏观上建立装配计划，然后按照规划逐步 设计装配每一个零件。 2.5.1 装配风扇本体装配风扇本体 电风扇的主体装配将分为扇叶部分、支架部分、操作面板部分、底座部分的装配工 作，在这些工作完成以后，将其分别作为一个整体继续整机装配，这样的操作比较有序， 也不会感觉太复杂。 新建文件名为“fan_shanye”的组件文件。 第一步 选择 UGNX4.0 新建命令输入文件名称点击确定，选择“装配”“组件” “添加现有组件”命令，出现选择部件对话框。这一部分主要装配的是零件“1”后座 、“2”后罩、“3”后座垫片、“4”扇叶、“5”前罩、“6”前罩挡板、“7”散热板。 无锡太湖学院学士学位论文 18 点击选择部件“1”文件选项，出现部件名对话框，选择部件出现添加现有部件“2”命 令点击确定，打开的部件如图 2.35 所示。 图2.35 后座与扇罩的装配 在出现的添加现有组件对话框中将定位方式由绝对改为配对，图层选项不变，点击 确定 。 选择如图所示表面配对确定以后“配对平面的平面的” ，后罩“2”装配完成， 然后继续加载文件“3”垫片。方法和装配后罩是一样的只不过选择的平面不同。接下来 是扇叶部分的装配工作，由于扇叶与后座之间用孔和轴之间可能定位不完全，在选中孔 内表面与轴外表面配对以后还有点击“距离” ，距离表达式为-20mm。如图 2.36 所示。 在装配过程中可能会出现一次选择不成功的情况，UG 提供了重定位组件命令，能比 较方便的进行快速修改。 图 2.36 配对条件对话框 图 2.37 重定位组件对话框 继续加载文件名为“4”的扇叶部分，选择配对命令，选中扇叶孔平面与转轴顶端平 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 19 面点击确定，在对话框中点击中心，选中孔内径与转轴外圆柱面，点击确定扇叶完全定 位装配在转轴上。文件名为“5”的前罩，“配对平面对平面”，选中前罩与后罩需要 对接的面即可。前罩挡板“6”加载得到以后，在配对条件对话框中选择“中心”选中前 罩挡板“6”与前罩对应的小圆内表面。散热板“7”的装配时选择“对齐”，散热板 “7”的弧面与后座内面，应用以后，散热板并没有装在后座相应位置。“重定位组件”选 择，选择散热板“7”为移动对象 DZ 数值改为 390。“fan_shanye”的装配完成，如 图 2.38 是装配完成的风扇部分，将这一部分作为一个整体保存，为整机电风扇的装配提 供方便。 图 2.38 装配完成的风扇部分 第二步 新建文件名为“fan_zhijia”。选择 UGNX4.0 添加现有组件命令，出现选择部 件对话框。这 一部分我们主要装配风扇支架部分，所涉及到的零件有“8”端面支架、 “9”竖销、“10”竖直支架 、“11”支架销、“12”连接杆。点击选择部件文件端面 支架“8”选项，出现部件名对话框，选择部件出现添加现有部件命令 “9”点击确定， 出现配对条件对话框，设置配对条件“平面平面”，点击销“9”上的平面与支架端面 如图 2.39 所示。 无锡太湖学院学士学位论文 20 图 2.39 支架与销的装配 然后点，选中销的外圆柱面与支架孔内表面，点击确定。继续添加现有组件 “10”选中孔配对，确定以后继续点“配对组件”命令选中侧面与支架侧面，选择 点击确定得到图 2.40。 图 2.40 支架间孔的配对 图 2.41 支架间销的定位 孔中间插入零件支架销“11”及杆“12”。注意销“11”装配时应选中上部分外表 面与支架“10”的配对类型为中心。支架部分装配完成。如图 2.41 所示点击“保存”后 退出。 接下来工作是装配操作面板其实方法都是一样的，只不过要好好研究一下具体装配 步骤及配对类型及选择的位置。操作面板部分包括“13”面板、“14”旋钮、“15”垫 板、“16”琴键开关、“17”杆。由于按钮是一样的，所以装配“14”时需要选中两次， 然后得到配完成后的图 2.42。 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 21 图 2.42 装配完成的操作面板 继续选择添加现有组件命令完成底座部分的装配。需要注意的是出现选择部件 “18”命令，点击选择部件文件选项，出现部件名对话框，添加零件“18”的过程中只 是配对会出现不完全定位，选择，选中“18”出现重定位组件对话框单击平移 命令。变换对话框中 ZX 修改为-30mm，确定即可。零件 “19”主要是用来“锁紧”电 风扇的两个升降连杆，保存。装配好的电风扇底座如图 2.43 所示。 图 2.43 装配完成的底座部分 电风扇的整体装配是在完成上面几部分的任务之后，将四部分分别作为一个整体完 成的。只要注意细节把握主体结构即可。新建文件名为“fan”的组件文件。添加现有组 件，将刚才装配完成的四部分分别加载，整机的装配遵循有底向上装配方法。如图 2.44 所示 。 无锡太湖学院学士学位论文 22 图 2.44 装配完成的电风扇 注：关闭总装配图，如果所加载的部件不是放在同一个文件夹下，则下次加载时可 能会出现无法加载的问题。此时应当打开“文件”“装配加载选项”。 2.5.2 电风扇的爆炸视图及干涉分析电风扇的爆炸视图及干涉分析 （一）装配爆炸视图其实就是组件的分解视图，建立表达清晰的装配爆炸图，有助 于分析产品结构，规划零件以及给生产工艺的指导工作带来方便，本文用爆炸图来辅助 说明风扇的组成和装配情况。 生成爆炸视图的步骤如下： 从菜单栏中选择“装配”“爆炸视图”“创建爆炸视图”，命名为“Explosion 1”，打开编辑爆炸图对话框。 在编辑爆炸视图对话框中，点“选择对象”，选中需要移动的零部件，然后单击 “移动对象”等选项组来调整爆炸图中元件的位置，得到满意位置后，点击“确定”按 钮。 编辑爆炸视图完成后，得到分解图下的风扇装配爆炸图，效果如图 2.45 所示。 基于 UG 的家电造型设计及动态仿真 23 图 2.45 电风扇爆炸视图 （二）干涉检查 干涉检查在产品结构设计中非常重要，运用传统的二维设计方
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