工学基于UG的皮带轮参数化设计.docx
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工学基于UG的皮带轮参数化设计
摘要
皮带传动是机械设备中最常用的传动装置,在机械设计中皮带轮的设计占有相当大的比重。
传统的设计方法是对每次的设计需要单独的建立V带轮结构,但轮体结构方面有轮辐式、腹板式、孔板式、实心式之分,而且这些结构形式之间差别很大。
为此利用UG软件建立皮带轮的模板,当皮带轮参数改变时更新模型非常方便、快捷。
提高了工作效率以及繁杂重复的设计任务。
基于皮带轮各参数间的关系,在UG中利用皮带轮参数表达式绘制皮带轮实体模型,实现皮带轮在UG中的参数化设计。
UG/Open二次开发模块是UG软件的二次开发工具集,利用该模块可对UG系统进行用户化开发,可满足用户进行各种二次开发的需求。
学习了UG二次开发的各种工具,了解了各种工具的特点和适用范围。
选择UG/OpenAPI编程语言,结合使用UG/OpenMenuScript和UG/OpenUIStyler开发工具,实现了基于UG二次开发工具的实心式皮带轮、腹板式皮带轮、孔板式皮带轮以及椭圆轮辐式皮带轮的参数化设计。
关键词:
皮带轮;二次开发;参数化;UG/OpenAPI
ABSTRACT
Machineryandequipmentbelttransmissionisthemostcommonlyusedpulleyinmechanicaldesigninthedesignofpulleyoccupyalargeproportion.TraditionaldesignmethodisthedesignoftheneedsofeachindividualtoestablishVpulleystructure,buthavearoundstructureSpoke,abdominalplate,holeplate,solidtypeofpoints,andthesestructuraldifferencesbetweenforms.TothisendtheestablishmentoftheuseofUGsoftwaretemplatepulley,whenthepulleychangeandupdatingthemodelparametersisveryconvenient,fast.Enhancetheworkefficiencyaswellasthecomplexityofthedesigntasktorepeat.
Basedontherelationshipofthepulleyparameters,drawpulleysolidmodeluseexpressioninUGNX,achieveparametersdesigninUGNX.UG/OpenmoduleistheopentoolsinUG,usingthetoolswecanempolderourUGsystemasweneed,userscanalmostsatisfyallkindsofsecondarydevelopmentneedsbyusethetools.UnderstandthecharacteristicsandscopeofapplicationofallthetoolsofUG/Openafterstudyingeachkindoftools.SelectUG/OpenAPIprogramminglanguage,acombinationofUG/OpenMenuScriptandUG/OpenUIStylerdevelopmenttools.Achieveparametersdesignofsolidtypepulley,ventral-platepulley,hole-platepulley,spoke-ellipticalpulleybaseontheUG/Opentools.
KeyWords:
pulley;parameter;pulley;UG/OpenAPI
第1章绪论……………………………………………………………………………………1
1.1课题的研究背景………………………………………………………………………1
1.2课题的研究内容和解决方法…………………………………………………………2
第2章UG二次开发的研究………………………………………………………………5
2.1UG软件概述……………………………………………………………………………5
2.1.1UG软件的功能介绍…………………………………………………………………5
2.1.2UG功能模块…………………………………………………………………………5
2.2UG二次开发相关工具概述……………………………………………………………6
2.2.1UG/OPENGRIP………………………………………………………………………6
2.2.2UG/OPENAPI………………………………………………………………………7
2.2.3UG/OPENMenuScript………………………………………………………………7
2.2.4UG/OPENUIStyler…………………………………………………………………8
2.2.5UserTools工具………………………………………………………………………9
第3章二次开发方案的选择…………………………………………………………11
3.1可行方案………………………………………………………………………………11
3.2方案选择………………………………………………………………………………12
3.3利用二次开发工具制作系统菜单……………………………………………………13
3.3.1设置系统环境变量…………………………………………………………………13
3.3.2制作菜单……………………………………………………………………………13
第4章实心式带轮的参数化设计……………………………………………………17
4.1数学模型………………………………………………………………………………17
4.2实心式带轮三维建模…………………………………………………………………17
第5章腹板式带轮的参数化设计……………………………………………………23
5.1数学模型………………………………………………………………………………23
5.2腹板式带轮三维建模…………………………………………………………………23
第6章孔板式带轮的参数化设计……………………………………………………25
6.1数学模型………………………………………………………………………………25
6.2孔板式带轮三维建模…………………………………………………………………25
第7章椭圆轮辐式带轮的参数化设计………………………………………………29
第8章程序设计…………………………………………………………………………31
8.1总体方案设计…………………………………………………………………………31
8.2对话框设计……………………………………………………………………………32
8.3程序设计………………………………………………………………………………38
第9章结论与展望………………………………………………………………………49
参考文献………………………………………………………………………………………51
致谢……………………………………………………………………………………………52
附录…………………………………………………………………………………………………………53
第1章绪论
1.1课题的研究背景
皮带传动是一种依靠摩擦力来传递运动和动力的机械传动。
它的特点主要表现在:
皮带有良好的弹性,在工作中能缓和冲击和振动,运动平稳无噪音。
载荷过大时皮带在轮上打滑,因而可以防止其他零件损坏,起安全保护作用。
皮带是中间零件。
它可以在一定范围内根据需要来选定长度,以适应中心距要求较大的工作条件。
结构简单制造容易,安装和维修方便,成本较低。
故而皮带传动在机械传动中占有重要的地位。
皮带轮设计在皮带轮制造应用过程中占有重要地位。
传统的皮带轮设计过程繁冗,效率低,采用传统的设计方法设计较为合理的皮带轮要反复修正参数、多次校核计算,花费很长时间才能实现。
另外,皮带轮类零件的绘图工作(包括几何绘图、标注、参数表填写等内容)也是一项繁杂而费时的工作[1]。
但皮带轮类零件大部分具有相似的结构和形状,在新产品的设计和图纸绘制过程中,不可避免地要多次反复修改,进行零件形状、尺寸的综合协调和优化,这时寻求一种简便、合理的设计方法,提高设计工作效率,是皮带轮设计工作者的迫切愿望。
因此,借助CAD技术实现其绘图过程的参数化和自动化,对于提高设计效率和保证设计质量具有重要意义[2]。
因此,现代皮带轮机构的设计建模技术有着广泛的工程应用背景和研究意义。
随着计算机技术和现代设计理论与方法的迅速发展,三维设计软件尤其是Unigraphics在机械零件和产品设计中的日益普及,皮带轮实体在三维软件特别是在UG中的绘制变得越来越重要。
但基于UG的皮带轮设计系统一般都局限于皮带轮二维轮廓的绘制或三维实体建模,皮带轮参数的设计计算难以与CAD系统很好地集成,给皮带轮的CAD/CAM带来不利影响[3]。
建模技术是CAD的核心技术,参数化造型技术和特征造型技术是新一代继承化CAD系统应用研究的热点理论[4]。
目前国内外对二维图形参数化和简单三维实体的参数化造型较为成熟。
对复杂的三维实体的参数化造型尚不多见,特别是皮带轮这类形状复杂、种类繁多的三维实体参数化造型设计更少。
这有多方面原因:
一方面皮带轮二维图形参数化设计能够满足传统的皮带轮加工要求;另一方面运用低级CAD软件对复杂的三维实体很难实现参数化虚拟造型设计。
随着塑料皮带轮的广泛应用和快速成型与虚拟制造技术的迅速发展,传统的二维图形已不能满足现在的设计、加工要求[5]。
因此,在三维软件上绘制皮带轮实体变得十分重要。
但是,由于皮带轮形状复杂,给设计、绘图带来很大不便。
并且皮带轮各参数间都有严格的函数关系,再加上随着当代机械制造业的不断发展,皮带轮的精度要求也越来越高,皮带轮实体的绘制较为麻烦。
皮带轮并不是一个标准件,它的各个参数随着设计要求的不同而不同。
如果每设计一个皮带轮都要画一个对应的实体部件的话,那不仅增加了设计者的劳动量,还大大降低了设计效率,阻碍了企业的生产和发展。
参数化设计是新一代智能化、集成化CAD系统的核心内容,也是当前CAD技术的研究热点[6]。
用大型的三维软件实现皮带轮的参数化造型已成为设计者的迫切需求,皮带轮参数化造型有重要的意义:
(1)皮带传动的参数化设计与建模系统是CAD技术与皮带轮设计相结合的产物,也是两者发展的趋势所在。
(2)实现设计过程自动化避免了设计人员手动查阅大量的数据,也避免了手工取点造型的复杂过程,该系统的开发,可以将手算设计的工作人员从繁琐、低效的工作中解放了出来。
(3)实现皮带轮的参数化设计以及精确造型,可以将设计计算、三维造型与绘制工程图的无缝结合,同时为皮带轮的有限元分析、机构仿真和数控加工等工作奠定基础。
(4)采用建立原始皮带轮结构模型并驱动其特征参数,为其它复杂曲面的造型提供了有益的参考。
本课题利用UG的二次开发技术,为解决皮带轮参数化设计问题提供了可行的方法,通过直接输入皮带轮的设计条件,利用计算得出的有关设计参数(如V带根数、基准直径、安装配合的轴直径等)进行实体建模,实现皮带轮的参数化设计,提高皮带轮设计的效率和准确性。
1.2课题的研究内容和解决方法
本课题利用大型软件UGNX4.0来实现皮带轮的三维参数化造型,通过改变皮带轮的一些基本参数,生成其相应的皮带轮。
要达到相应的设计要求,首先要知道如何在UG中绘制皮带轮部件,要绘制皮带轮必然要知道皮带轮的各个参数间的关系,精确知道皮带轮的三维模型。
画出皮带轮模型后,还应知道UG二次开发的知识,灵活运用UG系统提供的二次开发工具,在模型的基础上编制相应的程序,最后完成皮带轮参数化设计模块的开发。
具体内容和步骤如下:
(1)分析皮带轮产品,设计其基型:
考虑产品的零部件尺寸约束及几何约束,基于模型驱动技术,构建三维参数化模型库,然后提取变形参数。
(2)利用UG二次开发工具创建交互式程序界面,通过用户菜单以及皮带轮参数设计对话框的设计,使用户通过输入参数即可在UG中实现皮带轮的自动生成。
UG软件是集CAD/CAM/CAE一体化的三维参数化软件,是当今世界上最为先进的计算机辅助设计、制造和分析软件,在国内外使用相当广泛。
另外它所提供的二次开发语言模块UG/OpenAPI、UG/OpenGRIP和辅助开发模块UG/OpenMenuScript与UG/OpenUIStyler及其良好的高级语言接口,使UG的图形功能和计算功能有机的结合起来,便于用户去开发各种基于自身需要的专用CAD系统。
使用UG/OpenAPI和UG/OpenGRIP中任何一个模块都能实现UG的二次开发,再结合辅助模块,就能开发出UG界面的应用模块。
因此,合理利用UG的二次开发语言模块和辅助模块,就可以实现在UG环境下对皮带轮进行参数化设计。
第2章UG二次开发的研究
Unigraphics(简称UG)是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件。
它为制造业产品开发的全过程提供解决方案,主要功能包括:
概念设计、工程设计、性能分析和制造。
此外,UG软件还提供了CAD/CAE/CAM业界最先进的编程工具集,以满足用户二次开发的需要。
本章先讨论UG软件的主要功能,然后简单介绍二次开发各功能模块的特点和应用。
2.1UG软件概述
2.1.1UG软件的功能介绍
UG是知识驱动自动化技术领域中的领先者。
它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合,显著地改进了如汽车、航天航空、机械、消费产品、医疗仪器和工具等工业的生产率。
它为各种规模的企业递交可测量的价值,更快地递交产品到市场,使复杂产品的设计简化,减少产品成本和增加企业的竞争实力[7]。
NX是一个交互的计算机辅助设计、计算机辅助制造和辅助工程(CAD/CAE/CAM)系统。
CAD功能自动化是在今天制造公司中见到的一般工程、设计和制图能力;CAM功能利用NX描述完成零件的设计模型,为现代机床提供NC编程;CAE功能横越一广范的工程学科,提供许多的产品、装配和零件的性能防真能力。
NX是一个全三维、双精度系统,它允许用户精确地描述几乎任一几何形状。
通过组合这些形状,用户可以设计、分析产品和建立他们的工程图。
一但设计完成,制造应用允许用户选择描述零件的几何体,加入制造信息,如刀具直径并自动生成一刀具位置,源文件(CLSF),它可用来驱动大多数NC机床[8]。
目前UGS公司已经推出NX5产品,本次设计中使用的是NX4版本的软件。
NX4的特点是:
1、为了数字化产品开发集成的自动化;2、在所有开发学科中的新能力,包括工业设计、防真、工装、加工和管理;3、在一个全面的产品生命周期管理(PLM)解决力案内的领先前沿的CAD、CAE和CAM技术。
2.1.2UG功能模块
利用NX,可以建立、存储、恢复和操纵设计与制造信息,典型地通过建立描述一零件的几何体开始工作。
NX功能被划分成共同功能的一系列“应用(Application)”共18个模块,各模块分别为:
1、入口(Gateway):
对所有其他交互应用的首要必备的应用;2、建模(Modeling):
包括实体、特征、自由形状、钣金特征建模和用户定义特征;3、装配(Assembilies):
支持装配建模;4、几何公差模块(GeometricTolerancingModule):
让用户捕捉公差;5、产品和制造信息(PMIIntroduction):
可用于在三维环境中对产品形成文档说明;6、分析(Analysis):
包括注塑模流动分析、运动应用和ICAD;7、制图(Drafting):
可将三维模型生成二维视图;8、高质量图像(HighQualityImage):
生成逼真照片的图像;9、知识熔接(KnowledgeFusion):
允许用户应用工程知识驱动规则和设计意图到NX中的几何模型和装配;10、制造(Manufacturing):
可进行虚拟加工和自动加工编程;11、开放的用户界面设计(OpenUserInterfaceStyler):
允许用户和第三方开发商生成NX对话框;12、编程语言(ProgrammingLanguages):
包括GRIP和API;13、质量控制(QuallityControl);14、走线(Routing):
定义围绕和通过其他NX装配的装配;15、钣金(SheetMetal):
包括钣金设计、冲压和多零件加工的栅格;16、电子表格(Spreadsheet):
提供一在Xess或者电子表格应用和NX间的智能界面;17、WebExpress;18、WireHarness:
可在用于描述产品机械装配的同一三维空间建立电气布线的表示。
2.2UG二次开发相关工具概述
UG软件提供了CAD/CAE/CAM业界最先进的编程工具集,以满足用户二次开发的需要,这组工具集称之为UG/Open,是一系列UG开发工具的总称,它们随UG一起发布,以开放性架构面向不同的软件平台提供灵活的开发支持。
UG/Open包括以下几个部分:
UG/OpenMenuscrip开发工具,对UG软件操作界面进行用户化开发,无须编程即可对UG标准菜单进行添加、重组、剪裁或在UG软件中集成用户自己的软件功能;UG/OpenUIStyler开发工具是一个可视化编辑器,用于创建类似UG的交互界面,利用该工具,用户可为UG/Open应用程序开发独立于硬件平台的交互界面;UG/OpenAPI开发工具提供了UG软件直接编程接口,支持C、C++、Fortran和Java等主要高级语言;UG/OpenGRIP开发工具是一个类似API的UG内部开发语言,利用该工具用户可生成NC自动化或自动建模等用户的特殊应用[9]。
利用UG/Open提供的应用程序和开发工具,用户可以在其提供的平台上开发出适合自己需要的CAD产品。
2.2.1UG/OpenGRIP
UG/OpenGRIP(GraphicsInteractiveProgramming)是一种专用的图形交互编程语言。
这种语言与UG系统集成,实现UG下的绝大多数的操作。
GRIP语言与一般的通用语言一样,有其自身的语法结构,程序结构,内部函数,以及与其他通用语言程序相互调用的接口。
一个GRIP语句是由一个或几个GRIP命令组成,GRIP命令是GRIP语言的基本组成部分。
GRIP命令有三种表示格式:
a)陈述格式。
主要用于生成和编辑实体。
b)GPA符号格式。
GPA是全局参数存取(GlobalParameterAccess)的缩写,用于访问UG系统中各种对象的状态和参数。
c)EDA符号格式。
EDA是实体数据存取(EntityDataAccess)的缩写,用于访问UG数据库,能够访问各种对象的功能性数据。
例如在属性、绘图和尺寸标注以及几何体等领域与UG进行交互操作时,其参数可用EDA格式的命令取得。
用GRIP语言编写GRIP源程序,可以在windows的记事本中进行,记为*.grs;或者在GRIP高级开发环境(GRAD-GripAdvancedDevelopmentEnvironment)中编写。
执行GRIP程序必需进入UG环境中,运行File—ExecuteUG/Open—Grip。
GRIP编程语言是面向工程师的语言,具有简单、易学、易用的特点,但是所编写的程序长、复杂。
要考虑程序的各个细节问题。
因此,GRIP语言常用于开发一些规模比较小的程序,例如,同类零件建模、计算和分析、数据访问等程序。
与GRIP语言相比较,用API函数编程则可实现功能复杂的操作[10]。
2.2.2UG/OpenAPI
作为UGNX4.0与外部应用程序之间的接口,UG/OpenAPI是一系列函数的集合。
通过UG/OpenAPI的编程,用户几乎能够实现所有的UGNX4.0功能。
开发人员可以通过用C++语言编程来调用这些函数,从而实现用户的需要。
(1)对UGpart文件及相应模型进行操作,包括建立UGNX4.0模型、查
询模型对象、建立并建立装配体,以及创建工程图等。
(2)在UGNX4.0中创建交互式程序界面。
(3)创建并管理用户定义对象等。
应用函数时应注意所有的UG/OpenAPI应用必须及时进行初始化和终止,以确保获取或者释放UG/OpenAPI的执行许可权限。
初始化函数是UF_initialize(),当开始调用UG/OpenAPI的函数时应先调用UF_initialize()来获取执行许可权限。
一般来说,我们在变量声明完成后,第1个调用UG/OpenAPI的函数就是UF_initialize()。
终止函数是UF_terminate(),当不再调用UG/OpenAPI的函数时必须调用UF_terminate()来释放执行许可。
UG/OpenAPI程序能在两种不同环境(依赖于程序的连接方式)下运行,即Internal环境(也称为“Internal开发模式”)和External模式。
其中Internal环境下的程序只能在UGNX4.0的界面环境(session)下运行,在运行这些程序时他们被加载到UGNX4.0的运行空间中(UGNX4.0分配的内存);External模式开发的程序能在操作系统(WindowsNT/2000/XP及UNIX)下运行,不在UGNX4.0环境中或作为UGNX4.0的子进程运行。
尽管没有图形显示,但UG/OpenAPI提供了函数用于打印机或绘图仪输出,也可以输出为CGM文件等其他数据文件[11]。
2.2.3UG/OpenMenuScript
UG/OpenMenuScript不仅可以使用户利用ASCⅡ文件来编辑UG的菜单,也可以以一种无缝集成的方式为用户开发的应用程序创建菜单。
MenuScript同时也提供了一个菜单栏报告工具,以帮助用户查看定制的菜单,诊断错误。
对于菜单的自定义大致可以分为如下三个层次。
(1)自定义菜单
该级别的自定义允许单个用户或者管理员重新安排UG的功能,去除在其产品开发过程中不需要的功能。
这种级别的自定义不需要编程实现。
(2)自定义UG功能
该级别的自定义允许单个用户或者管理员取代或增加标准的UG功能,并添加其自己定义的功能。
(3)添加自定义应用
该级别的自定义其目的在于使用户或第三方开发商开发的应用程序完全集成在UG中。
该级别的自定义需要编程实现。
UG的菜单文件是扩展名为.men的文本文件,可以使用Windows的记事本进行编辑。
UG/OpenMenuScript提供了一套用于定义UG菜单的脚本语言。
实际上,UG系统的菜单文件也是用该脚本语言编写的。
UG为主菜单栏、快捷菜单栏提供了丰富的系统菜单文件,这些菜单文件默认情况下都保存在UGⅡ_BASE_DIR/UGⅡ/menus文件夹下[12]。
使用UG/OpenMenuScript自定义UG菜单可以有两种方法,分别是使用
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