基于NX/WAVE的拖拉机制动器自顶向下参数化设计

陈 军，惠为东，陆凤祥

(1.马恒达悦达(盐城)拖拉机有限公司，江苏 盐城 224001)(2.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

基于NX/WAVE的拖拉机制动器自顶向下参数化设计

陈 军1，惠为东2，陆凤祥1

(1.马恒达悦达(盐城)拖拉机有限公司，江苏 盐城 224001)(2.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

简要介绍了WAVE技术以及参数化设计方法，在建立产品总体控制结构的基础上，运用自顶向下设计方法实现制动器的全相关参数化设计，有效地提高了产品设计质量和效率，避免了大量重复性劳动，为企业节约了开发成本。

自顶向下；制动器；NX/WAVE；参数化

随着全球化竞争的日益加剧，各拖拉机公司致力于生产功率覆盖面宽，品种、档次多样化的产品，使产品的系列更加全面。拖拉机系列化产品的制动器设计大多是在制动器原有模型的基础上进行变形设计，因而包含着大量的重复性设计工作。目前，拖拉机制动器的三维设计通常采用自底向上的建模方法, 通过不断的模型堆积来完成产品设计，工程师在完成制动器设计过程中，重复性的劳动占整个设计工作量的80%以上。为提高产品设计效率，缩短产品开发周期[1]，减轻工程师设计工作强度，提高公司产品快速响应市场的能力，本文运用西门子公司的NX(Unigraphics NX)中全相关、参数化的WAVE技术，实现制动器自顶向下参数化模型的快速设计，提高了产品的设计效率和质量。

1 NX/WAVE技术

WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是西门子公司在其核心产品NX上进行的一项软件开发技术，是一种实现产品装配的各组件间关联建模的技术。WAVE技术起源于车身设计，采用关联复制几何体方法控制总体装配结构，从而保证整个装配和零部件的参数关联性，适合于复杂产品的几何界面相关性、产品系列化和变型产品的快速设计。

WAVE是在概念设计和最终产品或模具之间建立一种相关联的设计方法，能对复杂产品的总装配设计、相关零部件和模具设计进行有效的控制。总体设计可以严格控制分总成和零部件的关键尺寸与形状，而无需考虑细节设计；而分总成和零部件的细节设计对总体设计没有影响，无权改变总体设计的关键尺寸。

1.1WAVE技术的优点

a.产品设计可以变得方便快捷。因为部件间是相互关联的,当总体设计的关键尺寸修改后，分总成和零部件的设计自动更新，从而避免了零部件的重复设计。

b.获取并被强制执行设计规则。通过建立部件间关系,设计规则可以被获取并强制执行。这样当产品改变时，可以确保设计者的设计意图和产品的完整性仍能被维护[2]。

c.设计数据的重用。基于原有的设计数据，后续零部件的细节设计得到有效的管理和再利用。

d.总体装配模型的快速更新。当产品控制结构中的某一个参数发生了变化，子部件的详细设计能够相应地更新，这样就可以大大缩短设计的周期。

e.连接了概念设计和结构设计。在产品的概念设计基本完成时，结构设计便可以根据概念设计产生的约束条件来进行详细结构设计，可以实现产品的并行设计。

1.2WAVE应用领域

a.相关零部件间的建模。WAVE最基本的功能，是运用关联性复制几何体的方法，利用已有的零件，通过WAVE几何连接器来建立另一个组件或在另一个组件上建立特征[3]。

b.自顶向下设计。主要应用于新产品的开发和系列化产品的设计当中，根据产品的性能和设备安装约束条件来确定全局主参数(驱动参数)，再根据上下级元素关联关系，选择主参数，同时建立起产品约束关联表达体系。

c.系统工程。类似于自顶向下的设计，区别在于它采用的是模块化设计方法。利用产品控制结构来关联各子系统的设计，从而确保装配结构不会过于复杂，减轻了设计人员的设计工作强度，同时还能保证产品总体设计的要求和质量。

2 参数化设计方法

就产品设计本身而言，其是一个不断试验、修改、完善的过程。作为一个典型的串行设计过程，上一个环节的设计结果便是下一个环节的设计依据，一旦在下级的设计过程发现问题就需要反馈到上级设计以修改设计结果，这样反复地修改导致设计中存在大量的模糊性信息。图1所示为传统的产品设计流程。

图1 传统产品设计流程

参数化的设计思想就是将产品模型中的定量信息变量化。通常参数化设计是通过参数来约束图形的几何尺寸，当参数修改时，参数和尺寸之间的对应关系驱动着几何体的变更。参数化设计已成为CAD技术的发展方向之一，逐渐成为现代工程设计的重要手段。它的研究方法就是在对某一类具有相似结构的产品进行设计时，设计对象几何模型的结构参数，赋予不同的数值，利用尺寸约束关系形成研究对象的准确形状，这种设计方法对于提高产品的设计质量和设计效率具有非常重要的意义[4]。

本文将参数化技术引入制动器的设计领域，在充分研究鼓式制动器的基础上，将制动器离散化，确定各个组件的基准参数，建立参数之间的关联联系。当修改其中的某个特征值后，子模型以及整个机构会快速地更新、重生，这样可以大大节约设计所需的时间，提高产品设计的工作效率。

3 制动器自顶向下参数化设计的实现

3.1基于NX的制动器自顶向下设计流程

图2所示为鼓式制动器的主要零部件的结构树。

图2 领从鼓式制动器结构树

首先，由轮式拖拉机后轮的动力半径、拖拉机机组使用质量、拖拉机机组质心高度、制动器制动时行驶速度等要素确定设计制动器时所需的功能参数以及产品的外形尺寸，通过详细设计计算，最终确定产品级驱动参数，进行制动器的总体布局设计；其次，在对制动器主要零部件进行分级的基础上，确定每一级子部件中主要部件间相对位置、几何关联、尺寸关联关系，利用NX的功能模块进行各级部件的布局设计以及各级部件子零部件的详细设计；最后进行装配设计，从最低层部件装配设计开始，一直到第一级部件的装配设计，完成整个制动器产品级装配设计。图3所示为基于NX的制动器自顶向下设计的整个流程。

3.2总体控制结构的建立

对制动器进行结构设计，目的是确定产品的空间形状及组成产品各零部件之间在空间位置上和几何尺寸之间的关联关系，因此基于NX的三维布局设计中涉及的总体控制结构应该具有以下组成要素：

a.表示产品及其部件空间位置关系的基准(点、线、面)体系。

b.各部件间的几何关联，即部件间装配几何体的形状与表示几何体外形大小的尺寸参数。

图3 基于NX 的制动器自顶向下设计流程

c.产品变动和尺寸参数的传递。

d.产品总体驱动参数与总体控制结构图中所有相关尺寸参数的关联表达式。

3.3自顶向下参数化设计的步骤

a.在NX Modeling装配模式下建立制动器总体控制结构初始文件，如图4所示。

图4 制动器装配初始文件

b.在zhidongqi(制动器)装配文件中建立产品总体控制结构。首先根据前期设计计算和各个子部件之间的相对位置、尺寸、几何关联关系得出的制动器总体驱动参数，以手工方式输入NX表达式选项中，图5为参数化表达式编辑对话框。

图5 参数化表达式编辑对话框

通过总体控制结构可以大致确定关联尺寸(含防干涉的广义装配尺寸)与相对位置关系，确定总体尺寸的边界条件。

建立好的制动器总体控制结构如图6所示。

图6 制动器总体控制结构图

基于NX/WAVE技术中包含的关联性复制几何体的方法，可以复制几何体的类型趋于多样化，包括点(线或边的控制点)、线(实体或片体的边)、面、体、基准等。将zhidongqi_tulunzhou设为工作部件，此时装配控制结构保存了产品总体控制参数、重要组件的外形曲面、外形轮廓线以及组件的位置等信息，只需利用几何链接器将制动器凸轮轴相对于制动器中心位置关系的几何特征、草图、曲线等复制到子部件中，就可以单独对凸轮轴进行详细结构设计，凸轮轴的参数通过引用部件选项关联到总体控制结构的驱动参数上，这样就实现了参数的全相关。生成的凸轮轴模型如图7所示。

图7 制动凸轮轴模型图

c.利用几何链接器将制动器壳体上表面关联复制到制动器盖纸板组件，再拉伸生成纸板零件。图8所示为制动器盖纸板全相关设计过程示意图。

图8 制动器盖纸板全相关设计过程

d.参照上述方法分别建立制动蹄、摩擦片、制动鼓、制动蹄销轴等零件的参数化模型。

e.对所有/零部件进行后续细化设计，如拔模、倒角等，最后的制动器总体装配模型如图9所示(为方便显示内部结构，制动器盖设为透明)。

4 结束语

本文利用NX/WAVE技术离散化这样的复杂部件，可以便捷地建立起自顶向下的产品设计模型，产品总体控制结构给复杂机械产品提供了一个并行设计的环境，有效地提高了产品设计质量和效率，为企业节约了开发成本，提升了企业竞争力。此外，这种产品级全相关的参数化设计对于其他类似产品具有一定的借鉴意义，如拖拉机中结构复杂多变的变速箱箱体、最终传动壳体、柴油机缸体等，这样的设计模式和方法为实现产品的快速开发提供了有力的支持。

图9 制动器总体装配图

[1] 徐夕玲,张翼,吕彩琴,等.基于UG/WAVE的柴油机连杆组自顶向下参数化设计[J].内燃机车,2010(4):22-24.

[2] 洪如瑾,王刚. UG/WAVE产品设计技术培训教程[M].北京:清华大学出版社, 2002.

[3] 马杰,王耕耘,王义林,等.基于UG/WAVE的活动凸模参数化设计[J].模具工业, 2013,39 (4): 6-9.

[4] 陈效华.基于参数化的自动机械外形设计策略[J].兵工学报, 2000(2): 198-200.

TheParametricDesignofTractorBrakeBasedonNX/WAVEandTop-downProcess

CHEN Jun1, HUI Weidong2, LU Fengxiang1

(1.Mahindra Yueda(Yancheng)Tractor Co. Ltd, Jiangsu Yancheng, 224001, China)(2.Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang, 212013, China)

It briefly introduces the WAVE technology as well as the method of parametric design. Based on establishment product overall control structure, it uses the top-down design method to realize all relevant parametric design of brake. This method improves effectively the product design quality and avoids a large amount of repetitive work, saves the cost of development for the enterprise.

Top-down; Brake; NX/WAVE; Parametric

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.012

2014-08-13

陈军(1965—)，男，江苏阜宁人，马恒达悦达(盐城)拖拉机有限公司高级工程师，主要从事农业拖拉机产品自动化设计的研究。

TP391

A

2095-509X(2014)09-0050-04