利用UG研发模具定制化设计工具平台

　　1 课题的来源、目的、意义

　　1.1 来源

　　本课题来源于模具技术国家重点实验室与深圳比亚迪股份有限公司的合作项目“基于UG的注塑模具设计系统模块开发”。该公司是目前国内规模较大的塑料模具公司，主要产品范围覆盖塑料管材管件、各类汽车及电器塑料件等。

　　1.2 目的

　　该项目的目的是，定制开发基于UG平台智能化注塑模CAD专用模块，实现手机等小型模具的快速设计，以提高设计效率，缩短模具设计周期，并以数字化设计方法提高模具设计质量。通过运用实验室的相关技术成果，全面提高公司的模具三维CAD/CAM/CAE技术水平，满足企业模具产品打入国际市场的现实需求，提高企业的面向经济全球化趋势下的长远市场竞争力。本项目的开发、测试及实施期限为一年。

　　1.3 意义

　　在实际生产设计过程中，对于复杂的机械产品零件的某一部分，其结构是完全相同的或大体相同，只是在不同的应用中，尺寸不同而已。因此把这些常用的结构特征存储起来，在零件的设计过程中，当遇到类似的结构时，把存储的结构作为一个整体即一个特征调进来，像机器的装配过程一样，按照实际需要的尺寸及约束条件把它同零件原有的部分进行布尔运算(交、并、差)得到设计师需要的结果。而当前Mold Wizard 提供的标准件平台是通过装配方式调入的，采用固有的配合方式。这种方式缺乏灵活性，而且会产生冗余的装配结构，增加用户使用的难度。该项目通过类似标准件的建库方案为用户定义特征提供一个开放性的平台，只需把已定义特征在数据库中注册，然后通过该平台进行调用，系统自动根据输入参数自动生成相应的特征。因此，基于UG进行用户自定义特征(User Defined Feature)库的二次开发，能够更好地满足企业的个性化设计要求，并充分融合企业的设计经验和设计知识，对企业实现注塑模的快速、智能化设计有着十分重要的意义。

　　2 研究内容

　　2.1 参数与配合方式

　　根据调研结果和系统设计要求，分类整理企业专用设计系统中所需的注塑模具UDF特征的参数和配合特征。在基于特征的参数化建模系统中，定义特征的过程是一个由造型步骤所组成的顺序历史，每一步都包含了建模的操作、定义参数和属性，即用户自定义特征的设计过程构成了用户自定义特征的设计历史，在这个设计历史中包含着大量的设计者的设计意图。如果能够提供有效的方式对用户自定义特征的设计历史进行有效的维护从而能够很好地维护这些设计意图，则在设计新的产品时，只要给定尺寸值和该产品生命周期各阶段环境对它的约束，就能够在任何时候通过所存储的历史记录来自动重建用户自定义特征，产生用户自定义特征的设计变体。

　　2.2 约束方式

　　一个产品的设计过程，实际上就是一个约束指定和约束满足的过程，它们不断循环求精，直到所有的要求都得到满足。对于不同的零件，即使它们的某一部分的结构是相同的，但是这部分相同的结构在零件中的位置却是不尽相同的。因此，当调入用户自定义特征时，不能把该特征每次都放在同一位置，而应该按照不同的设计要求，根据设计者的意图来确定该特征的位置。因此，在设计中提出了基于约束的设计。约束满足问题可以通过一个有限集以及作用在这个有限集合上的一组关系来满足。在产品的设计过程中，让设计者确定用户自定义特征与零件体之间的相对位置关系，如共面，线面夹角等，直到该特征被完全定位。将用户自定义特征的多个约束类型的对象组合在一起形成该用户自定义特征的约束关系链表。系统提供有效的方式对用户自定义特征的约束关系链表进行有效的维护。在重构时，系统能够按照该特征的约束关系链表，准确无误地重新定位该特征，使设计者的设计意图得到保证。

　　2.3 参数化建模

　　用户定义特征的参数化建模涉及以下内容：(1)参数化造型技术，物体的几何外形是由受约束的数学关系式来定义的，其技术特点在于：基于特征，全尺寸约束，尺寸驱动设计修改。(2)变量关联，在分属不同参数集的变量间建立映射关系，以便对某个变量修改后，与之对应的变量能自动修改。(3)特征的命名规则、图层设置与管理。(4)表达式的建立，参数化造型的重要基础是表达式的应用，表达式作为造型参数，可以使模型具备参数驱动的能力。另外，可利用表达式建立零件间的关联。因此表达式必须依照产品图册和产品的二维图形文件进行命名，自定义表达式也应有一定的含义。

　　2.4 系统结构设计

　　研究内容包括系统按照功能应划分为多少模块，各个模块的功能如何定义，模块之间如何关联联系、相互通信等。系统应包含界面，组件描述数据库，组件数据库，三维模型库等。用户自定义特征的数据文件不但要包含其参数值，更重要的是必须包含其用于配合关系中的所具有信息。因而，数据文件中既要对特征的各种属性信息进行描述，还要将接口变量包含其中，以实现具有配合关系的零件间的关联。

　　2.5 特征调入

　　当用户通过用户界面指定若干特征的关键参数后，用户特征管理系统会据此搜索到相应的属性描述文件，利用关键字匹配的方法找到所有用于驱动特征的参数，再将这些参数赋值给几何模型中的尺寸变量，从而驱动几何模型按预期的方式进行形状更新和定位。

　　3 技术方案

　　3.1 UG二次开发技术

　　UG/open二次开发模块为UG软件的二次开发工具集，便于用户进行二次开发工作，利用该模块可对UG系统进行用户化剪裁和开发，满足用户的开发需求。UG/open包括以下几个部分：UG/Open Menuscript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开发的软件功能，UG/open Uistyler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/open API开发工具提供UG软件直接编程接口，支持C、C++、Fortran和Java等主要高级语。 UG/open API也叫UG Function(简称UF)，分为内部UF和外部UF。内部UF是运行在UG系统平台内部的API程序(通过动态链接库技术与UG系统平台发生关系)，特点是能够直接控制UG系统的行为，也能够通过UG用户界面和用户发生交互。外部UF是独立于UG系统之外的C程序(也就是*.exe可执行程序)，通过UG系统平台的运行库调用API的功能。特点是调用灵活，用途广泛。但是无法利用UG的交互界面，因此无法和UG系统内部发生作用。

　　3.2 特征定义与实例化

　　UDF 实际上是对造型系统中已有的形状特征和造型方式的封装。通过封装，UDF 屏蔽了对设计人员而言没有工程意义的繁琐的何造型操作，而将具有工程意义的参考几何元素、约束和尺寸以接口的形式暴露给设计人员。这些具有工程意义的参数和几何元素由设计人员在对UDF进行实例化时确定。UDF 的定义过程包括几何定义、属性定义和约束定义三步。几何定义就是使用特征造型系统进行造型的过程，几何定义的过程则表现为用户从特征历史树上选取子特征的过程，被选取的子特征构成UDF所包含的内部特征集合。属性定义的过程是定义UDF所包含的描述信息的过程。约束的定义分为两步，首先用户选择具有工程意义的尺寸和参数，而后用户建立个参数之间的约束方程。UDF 的实例化过程包括UDF 定位、参数赋值、约束检查和内部特征重构四步。通过对属性和参数重新赋值, 进而驱动UDF 模型得到不同的实例。

　　3.3 系统概念模型

　　该平台的整体设计模型如下图1，其中拥护模型库是指用来存放用户自定义特征的特征集合。运用用户自定义特征(UDF)这种机制可建立用户自定义特征和专用特征库，设计者只要在设计过程的用户界面中输入相关参数值和约束值，就可将用户自定义特征无缝集成到设计过程当中，满足用户的特定要求，体现了设计者的灵活性和创造性，提高了设计效率。设计人员可以将经常使用的特征经过定义以后存于用户自定义特征库(UDF LIBRARY)中，当此类特征积累到一定数量时，这些特征就成为设计的标准特征数据库，后续设计中遇到同样的问题时，只需要从数据库中选用所需的UDF 特征，既节省时间又能使设计满足标准化模块化的要求。用户自定义特征库系统主要由图库与外界的接口模块、特征部件注册表、用户自定义特征尺寸信息数据库以及建库工具组成。界面设计模块是联系用户和系统的桥梁，通过图形界面用户可完成自定义特征的调用及后续操作，所有特征模型是参数化的，用户选择特征的参数通过注册模块已存入数据库,系统根据选择类型在数据库中搜索相应记录，驱动相应模型生成特征。

　　3.4 系统结构管理

　　用户注册模块对特征进行分类管理，在注册文件中把特征按照类别不同加入到不同的注册表项中，方便用户迅速索引到所需类型的特征。 注册文件分为两部分，第一个为数据库路径注册文件，负责提供数据文件路径。第二个是模型数据注册文件,根据不同的模型,用户输入相应的关键尺寸。数据库的管理分为外部管理和内部管理，其中外部管理的主要工作是，当用户选择某一特征名称时，在界面上显示特征的关键尺寸参数和二维图形。一旦用户确定采用某一规格的特征时，特征管理系统就会根据其名称到特征几何模型库搜索相应的模型。同时，根据特征名称到库中搜索相应的数据文件。最后，用这些参数值对标准件模型进行驱动，得到用户指定的特征。数据的内部管理主要通过系统注册文件和零件间的索引关系来实现，在建库时通过文件名实现特征在库内部的关联。数据库采用Microsoft Excel，利用ODBC访问数据库。采用Excel作为存储介质能让用户方便地对标准件数据进行修改，相比其他数据库，没有数据库设计基础的用户也能轻松操作，因此具有良好的操作性和扩展性。

　　4 小结

　　随着市场全球化竞争的日趋激烈，传统的产品开发手段由于其研制周期长，技术手段落后、产品寿命短和费用高等缺点，己经不能适应市场竞争的需要。作者的研究工作表明，采用参数化设计和关联设计的方法建立定制化的用户工具平台对提高注塑模设计效率，保证设计质量，具有重要意义。同时有效的实现了用户特征库的系列化、模块化以及定制化，并在实际中获得认可，取得良好得效果。