利用NX表达式功能对曲柄销盘参数化建模与数控编程

付跃飞， 吴红琼， 熊永钊， 杨家军， 王充聪

（武汉船用机械有限责任公司，武汉430084）

0 引 言

对于机械零部件的数控加工，数控编程的一般步骤为：先分析加工工艺，在CAD软件中对零件加工前、后的形状进行三维建模，然后在CAM软件中编制合适的刀轨，再后处理输出数控程序。因结构、形状各异等原因，各零部件的三维模型一般都要单独建立，刀轨的编制也需要单独编制。因此，一般零部件的数控编程技术准备流程往往较繁琐，技术准备时间较长。

对于有相似结构特征、尺寸不同的一类零部件，其三维模型的建立过程类似，在CAM软件中编制刀轨过程中的参数设置也基本相同，即大部分数据都是可重复利用的。为提高技术准备效率，可对结构相似的零部件进行特征分组，对结构特征完全相同的零部件建立参数化的三维模型，并在此参数化模型的基础上编制刀轨。对于不同尺寸的零部件，将尺寸参数一次性更改，然后更新模型、刀轨、再后处理即可得到所需要的数控程序，非常便捷省时。

本文针对某型调距桨产品桨毂组件中左旋曲柄盘零件，较详细地论述基于UG NX的参数化建模基本工具——表达式功能，对零部件进行参数化建模和数控编程的基本过程。

1 零件的参数化建模

参数化建模已成为CAD软件的一种建模标准，它通过对尺寸和参数进行驱动，快速修改设计模型，并可衍生出相同的几何形状及不同几何尺寸的同类模型[1-3]。

对于UG NX软件，表达式功能是其提供用户实现参数化建模的一种基本工具。在UG NX中，利用表达式功能对零件进行参数化建模的一般步骤是：先分析图样，根据各尺寸参数提取控制参数；然后分析零件的设计意图，合理规划建模过程，然后建模并建立过程尺寸参数与控制参数之间的关联关系；最后生成三维零件模板[4-5]。

1.1 零件结构特征分析

对于有相似结构特征的零部件的参数化建模，第一步可依据特征进行分类，即将结构形式完全相同的零部件归为一类。然后对同一结构类型的零部件建立参数化的三维模型。

曲柄销盘是调距桨桨毂组件中的一种重要部件，是一种盘状零件，其作用是连接桨叶法兰并将活塞的往复运动变为桨叶的转动，实现桨叶的变距。曲柄盘的基本结构是盘状本体的一端设计有1个或2个曲柄销，另一端设计有与桨叶装配的销孔和连接螺栓孔。其中，在曲柄端，对于不同型号调距桨的曲柄盘零件，其曲柄销底平面的形状会因中间是否有弧形的凸起、边缘是否有坡度面等而不同。因此，对不同的曲柄盘零件，可依据其曲柄销的数量、曲柄销底平面是否有弧形凸起、边缘是否有坡度面对零件结构类型进行分组。

对于本文所述的某型调距桨的左旋曲柄盘，图1所示为其三维示意图，其上有两个曲柄销，根部为内凹圆角，曲柄销底平面中间无凸起，周围是均匀的回转坡度面，是一种结构类型的曲柄销盘。对于此类型的曲柄盘，若先建立好参数化的三维模型，并输出参数表文件，则对于同类型不同尺寸的曲柄盘，修改参数表中的各参数值，然后导入参数化的三维模板，更新即可得到所需要的三维模型，修改与生成模型非常快捷。

图1 某型调距桨左旋曲柄盘

2.2 零件的参数化建模过程

对于上述左旋曲柄盘零件，其参数化建模的过程如下：

图2 曲柄盘零件图样尺寸示意图

2）分析零件设计意图，规划建模过程，建模并建立尺寸与参数间的关联。

由于曲柄盘零件的基本结构为盘状的本体的一端为两个曲柄销，另一端为若干孔特征，则可规划此零件的建模过程为：先通过回转建立中间的盘状本体结构，然后拉伸、回转生成曲柄销，再通过孔特征工具及阵列功能完成孔系的建模，最后生成倒圆、倒角等细节特征。其中控制参数应用在每一过程中，但主要是应用在前两步中的旋转、拉伸前的草图中。具体过程如下：a. 新建模型文件，导入参数表。通过“工具”-“导入和导出表达式”导入第一步编制的Excel参数表，此时可在部件导航器中看到所有的用户表达式，如图3所示。b.生成零件盘状本体。先绘制第一个草图，在草图中建立尺寸与控制参数间的关联，如图4所示。再回转360°生成盘状本体。

表1 曲柄盘零件参数化建模控制参数表

图3 导入后的用户表达式

图4 曲柄盘零件第一个草图中的尺寸参数关联

c.建立曲柄销特征。由于曲柄销根部是内凹圆角，故根部可通过旋转切除生成，而曲柄销本体可先通过拉伸生成，不过其截面直径应比曲柄销本身直径大，为便于尺寸关联，可将对应草图中的截面直径设置为曲柄销直径加上2倍的根部圆角半径，拉伸时的长度也应利用表达式以关联控制参数。d.建立另一端的孔系。先通过孔特征工具生成销孔和图样中角度起始位置的螺栓孔，然后通过阵列特征生成其他的螺栓孔。其中孔的直径和螺栓孔的角度间距直接在孔特征对话框和阵列特征对话框中建立表达式，对于销孔和第1个螺栓孔的位置参数，通过在应用特征工具之前绘制草图以建立与控制参数的关联。e.生成细节特征。最后通过倒圆、倒角功能完成剩下的倒角、中间台阶孔根部倒圆等细节特征，相关尺寸也建立与控制参数的关联。通过以上步骤，就可生成图1所示的曲柄盘零件的参数化模型。

3 基于参数化模型编制加工刀轨

由于曲柄盘零件螺孔端，加工内容主要是车削外圆、内孔，然后钻孔、铣孔、镗孔，比较简单，下面较具体地描述基于参数化的模型，编制在卧式车铣加工中心上半精加工、精加工零件曲柄端的数控程序。

加工前，零件螺孔端已加工到位，曲柄端余量分布为：两个曲柄顶面及底平面均有2 mm余量，曲柄外圆单边3 mm 余量，曲柄销根部为R8相切过渡圆角，曲柄底平面外边缘的坡度面及中间的台阶孔均未加工。

图5 零件曲柄端半精加工、精加工前的状态

表2 曲柄盘零件曲柄端半精加工、精加工内容与顺序

待加工内容的加工顺序如表2所示。按通常的刀路轨迹编制方法，利用UG NX中合适的加工模块，在上述的参数化模型的基础上编制各工步的刀路轨迹。其中部分工步可能要建立一些辅助面或中间工序模型，此时可在尺寸到位的参数化模型基础上得到，但注意要应用表达式建立与尺寸到位模型的关联。各个刀路轨迹如图6所示。

图6 参数化模板上生成的加工刀路轨迹

4 利用参数化模型及刀轨输出不同规格零件的程序

有了上述参数化的模型及刀轨，对于同结构、不同规格尺寸的曲柄盘零件，就可以利用参数化的模板快捷地输出所需要的数控程序，而不需要执行繁琐的建模和刀路轨迹编制操作。其具体过程如下：1）修改参数表。根据新零件的实际尺寸值（包括公差值）修改各控制参数的表达式，并保存文件。2）导入更改后的参数表，更新三维模型。通过“工具”-“导入和导出表达式”选项导入更改后的参数表，注意勾选上“替代现有表达式”，确定后，软件就会根据新的参数值更新三维模型。3）更新刀路轨迹。进入“加工”模块，将各操作的轨迹都重新生成，即为需要得到的刀路轨迹。其中，若加工尺寸规则发生变化，先将刀具参数修改再重新生成刀路轨迹即可。4）后处理输出数控程序。选择合适的后处理器，将重新生成后的刀路轨迹后处理，即可得到所需要的数控程序。

对于数控加工中其他类型的零部件的编程，若遇到结构特征相同、尺寸规范不同且数量较多的零部件，则也可采用上述思路，运用UG NX的表达式功能对同类型的零部件进行参数化建模，并在此参数化模板的基础上编制加工刀路轨迹。这样就可以方便其他尺寸规格的零部件的数控加工程序输出，且整个实现过程较简单。

5 结 论

1）UG NX的表达式功能是其实现参数化建模的一个基本工具，利用它可以很方便快捷地完成对一般具有相同结构特征的一类零部件的参数化模型的建立，且执行过程较简单；2）在参数化模型的基础上，通过修改参数表并导入和更新操作，可快速地生成具有不同尺寸规格的零部件的三维模型；3）对于同结构特征的一类零部件的数控编程，通过在参数化的三维模板上编制加工刀轨，然后通过修改参数表的方式更新三维模型，再更新加工刀轨，就可快捷地输出所需要的数控加工程序。