基于UG的模块化机械设计方法研究
摘 要]本文采用模块化设计思想和UG二次开发技术,解决了用UG软件进行机械设计时,许多常用件需要多次重
新设计的问题。常用件模块以菜单的方式结合在UG软件中,这具有良好的可扩充性和可移植性。
[关键词]模块化设计 机械设计 UG二次开发
Unigraphics(简称UG)是美国EDS公司推出的CAD/
CAM/CAE一体化软件。它的内容涉及到平面工程制图、三维
造型、装配、制造加工、逆向工程、工业造型设计、注塑模具设计、
钣金设计、机构运动分析、数控模拟、渲染和动化仿真、工业标准
交互传输、有限元分析等十几个模块。近年来UG发展迅速,已
广泛应用于多个领域,更是进行机械设计的常用软件。虽然UG
功能非常强大,但在进行机械产品设计的时候经常会遇到一些
标准件以外的常用件,若每次对它们均从头开始设计,则要做大
量的重复性工作。为了提高劳动生产率,降低设计成本,将已经
广泛应用于电子、计算机、建筑等领域的模块化设计思想引用到
机械设计中,形成基于UG的模块化机械设计。
1模块化机械设计
1.1模块及模块化的概念
模块是一组具有同一功能和结合要素(指联接部位的形状、
尺寸、连接件间的配合或啮合等),但性能、规格或结构不同却能
互换的单元。模块化则是指在对产品进行市场预测、功能分析的
基础上划分并设计出一系列通用的功能模块,然后根据用户的
要求,对模块进行选择和组合,以构成不同功能或功能相同但性
能不同、规格不同的产品。
1.2模块化机械设计相关性
模块化设计所依赖的是模块的组合,即结合面,又称为接
口。为了保证不同功能模块的组合和相同功能模块的互换,模块
应具有可组合性和可互换性两个特征。这两个特征主要体现在
接口上,必须提高模块标准化、通用化、规格化的程度。对于模块
化机械设计,可见其关键是怎样划分模块,这里主要通过综合考
虑零部件在功能、几何、物理上存在的相关性来划分模块。
(1)功能相关性零部件之间的功能相关性是指在模块划分
时,将那些为实现同一功能的零部件聚在一起构成模块,这有助
于提高模块的功能独立性。
(2)几何相关性零部件之间的几何相关性是指零部件之间
的空间、几何关系上的物理联接、紧固、尺寸、垂直度、平等度和
同轴度等几何关系。
(3)物理相关性零部件之间的物理相关性是指零部件之间
存在着能量流、信息流或物料流的传递物理关系。
1.3模块化机械设计的优点
模块化机械设计在技术上和经济上都具有明显的优点,经
理论分析和实践证明,其优越性主要体现在下述几方面:
(1)可使现在机械工业得到振兴,并向高科技产业发展;
(2)减轻机械产品设计、制造及装配专业技术人员的劳动强
度;
(3)模块化机械产品质量高、成本低,并且妥善解决了多品
种小批量加工所带来的制造方面的问题;
(4)有利于企业根据市场变化,采用先进技术改造产品、开
发新产品;
(5)缩短机械产品的设计、制造和供货期限,以赢得用户;
(6)模块化机械产品互换性强,便于维修。
2模块化机械设计在UG中的实现
2.1总体构思
在用UG进行机械设计时,为了将常用件模块化,首先要把
常用件的三维模型表达出来。对于系列产品,可按照成组技术的
原理进行分类,一组相似的常用件建立一个三维模型,即所谓的
三维模型样板。根据UG参数化设计思想,一个三维模型样板可
认为是一组尺寸不同、结构相似的系列化零部件的基本模型。把
众多的三维模型样板按类分开,每一类放在一个集合里,这样每
类都形成了一个三维模型样板的模块库。为了使模块库与UG
的集成环境有机地结合在一起,把每个模块库都以图标的方式
放在用户菜单上,以方便调用。为了实现这一总体构思,综合运
用了UG/Open MenuScript、UG/Open Ulstyler、UG/Open
API、Visual C++等UG二次开发技术,其程序流程图如图1
2.2模块库菜单设计
为了与UG菜单交互界面风格保持一致,模块库采用了分
级式下拉菜单,下拉菜单通过UG/Open MenuScript模块开发
实现。即利用MenuScript提供的UG菜单脚本语言,编写成扩
展名为“.men”的文本文件,将其放在用户目录下的/startup目
录内,通过设定UG的环境变量,UG在启动时会自动加载用户
菜单文件。为了方便用户调用时快速检索到所要的常用件三维
模型样板,将下拉菜单的最大深度设计为3级,且每一条下拉菜
单最多不超过15个按钮。末级菜单上每一个按钮对应一个常用
件三维模型样板名称,点击末级菜单按钮即调出创建相应产品
的三维模型样板对话框。
2.3三维模型样板对话框设计
利用UG/Open Ulstyle制作UG风格的对话框,按照模型
样板的参数生成包含数据输入框、文本框、按钮、图片等控件的
对话框。在对话框上部显示零配件图片,在对话框左上角显示对
话框标题,在UG系统窗口左下角显示操作提示信息,这样可以
使用户很方便地设计或选用常用件三维模型,三维模型样板对
话框设计完成后,生成扩展名为“.dlg”文件。所有对话框都有6
种基本同调函数,分别是Apply按钮的回调函数,Back按钮的
回调函数、Cancel按钮的回调函数、OK按钮的回调函数、对话
框构造函数和对话框析构函数。其中对话框构造函数在UG构
建对话框完成之后、用户应用程序执行之前调用,将常用件三维
模型的常用规格及技术要求显示到信息窗口,供用户创建产品
时作参考。对话框析构函数在UG用户对话框关闭时调用,程序
编写时利用它进行关闭、清除信息窗口以及释放申请的内存空
间等操作。
2.4应用程序动态链接库(*.dll)创建
UG/Open API应用程序是用C/C++语言编写的,它除了
能够在UG的环境下对UG进行功能调用外,还能在程序中实
现软件的文件管理、流程控制、数据传输、窗口调用、数值计算等
C/C++语言支持的全部功能,使用非常灵活。UG/Open API
应用程序牵涉到UG提供的头文件(*.h)、库文件(*.dll)及
以C/C++语言编程环境,需要对Visual C++编译环境进行
设置,下面给出了Visual C++6.0编译环境设置方法及动态
链接库的创建过程:
(1)建立一个空的动态链接库工程。
(2)配置程序头文件(*.h)、库文件(*.dll)的目录路径。
其中头文件包括UG头文件,Visual C++6.0库文件。
(3)将对话框生成的C语言源文件模板文件*.template.c
添加到Project中。
(4)编制应用程序。进入对话框回调函数内部进行程序编
制,定义变量及UG对象,运用C/C++语言和UG/Open API
函数进行参数化建模设计。
(5)生成动态链接库(*.dll)文件。UG启动时会自动加载
动态链接库文件,供用户菜单调用。
3结束语
随着装备制造业的飞速发展,产品种类急剧增多且结构日
趋复杂,只有产品设计周期不断缩短,才能够满足企业激烈竞争
的需要。用UG软件进行模块化机械设计符合机械产品快速设
计的理念,符合装备制造业的发展需要,是机械设计的发展方向
之一,具有较高的实用价值和经济价值。
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[2]王志张进生于丰业王鹏任秀华基于模块化的机械产
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京清华大学出版社,2002
逆向工程（Reverse Engineering，RE）是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。
随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型，进而输送到CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称。
逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。从图1中我们可以看出，逆向工
程的整个实施过程包括了测量数据的采集/处理、CAD/CAM系统处理和融入产品数据管
理系统的过程。因此，逆向工程是一个多领域、多学科的系统工程，其实施需要人员
和技术的高度协同、融合。
三、逆向工程在CAD/CAM体系中的应用
逆向工程技术并不是孤立的，它和测量技术、CAD/CAM技术有着千丝万缕的联系。
从理论角度分析，逆向工程技术能按照产品的测量数据建立与现有CAD/CAM系统完全
兼容的数字模型，这是逆向工程技术的最终目标。但凭借目前人们所掌握的技术，包
括工程上的和理论上的（如曲面建模理论），尚无法满足这种要求。特别是针对目前
比较流行的大规模“点云”数据建模，更是远没有达到直接在CAD系统中应用的程度
。
“点云”数据的采集有两种方法：一种是使用三坐标测量机对零件表面进行探测，另
一种是使用激光扫描仪对零件表面进行扫描。采集到的数据经过CAD/CAM软件处理后
，可以获得零件的数字化模型和用于加工的CNC程序。图2所示为使用激光扫描仪测量
的摩托车发动机砂型排气道点云图。
在实际工作中，先采用LACUS150B激光扫描仪采集上百万个点数据，形成摩托车发动
机砂型排气道外形轮廓，再用Surfacer逆向软件进行由点到面的处理，图3为用
Surfacer软件生成的摩托车发动机砂型排气道曲面几何形状。
数据采集完成后，用户可利用CAD软件加快逆向工程的处理过程。在理想情况下，CAD
软件可用于：
■ 以任何格式输入虚拟的几何尺寸数据；
■ 处理采集到的点数据，有时甚至需要处理数亿个点数据序列；
■ 通过修改和分析，处理产生的轮廓曲面；
■ 将几何形状输出到下一级处理过程中；
■ 分析几何形状，估算整体形状与样品的差异。
最重要的是，软件能够允许用户以三维透视图的方式显示工件，它完整地定义了工件
的形状，不再需要多个视角的投影图，设计者可直接对曲面轮廓进行再加工，而加工
工人可以利用电子模型加工工件。
后处理软件通过以下方式缩短逆向工程的时间：
■ 通过平滑连续的曲线网络提高曲面的质量；
■ 省去了准备加工文件的时间
■ 不需要原型；
■ 运用各种分析工具提高产品质量。
可见，利用激光扫描仪扫描样品采集点数据，再应用Surfacer软件生成高质量曲面，
相比直接在CAD系统中进行曲面造型，能节省数周的开发时间。另外，利用激光扫描
仪采集的几何数据能生成符合工业标准格式的文件，如IGES、VDA-FS、ISOG代码、
DXF和规定的ASCII、CAD/CAM格式，分析软件包至少能支持其中的一种格式。
制造加工刀具并对其进行检验是既耗时又费钱的过程。Surfacer软件能对各种复杂形
状的样品进行快速完整的检验，从而使这一关键处理过程流水线化。用户能够参考三
维模型精确地调整扫描数据，以便评估样品和所需加工工件之间的差别，并计算相关
变量，用彩色图表的形式加以显示，从而为几何尺寸校验作出清晰完整的说明。
Surfacer软件的快速原型模块（RPM）能够快速利用数字化数据或利用其他系统的曲
面几何形状生成原形，从而缩短了实际原型的数字化周期，新的RPM快速工具大幅度
地提高了快速原型技术的水平。因此笔者认为，逆向工程技术与CAD/CAM系统是相辅
相成的。现有CAD/CAM系统经过几十年的发展，无论从理论还是实际应用上都已经十
分成熟，在这种情况下，现有CAD/CAM系统不会也不能为了满足逆向工程建模的特殊
要求从系统底层结构上进行变更。另一方面，逆向工程技术中用到的大量建模方法完
全可以借鉴现有CAD/CAM系统，不需要另外搭建新的平台。图4所示为用Solidworks三
维软件生成的摩托车发动机砂型进排气道实体。
基于这种分析，我们认为逆向工程技术在整个制造体系链中处于一个从属、辅助建模
的地位，它可以利用现有CAD/CAM系统，帮助其实现自身无法完成的工作。有了这种
认识，我们就可以明白为什么逆向工程技术（包括相应的软件）始终不是市场上的主
流，而大多数CAD/CAM系统又均包含了逆向工程模块或第三方软件包这样一种情况。
2.从本质而言，逆向造型和正向造型并无太大的不同，不同之处仅仅是逆向造型比正向造型多了参考的数据，一方面提供了参考一方面也对形状有更多的限制。因此逆向造型也可以照搬普通的曲面造型方法。而其中最常用的就是“假想截面构建方法”和“预期截面构建方法”。
