基于NX二次开发的三维弹簧快速设计方法

(1.中国兵器装备研究院, 北京 102209; 2.中国兵器工业第二〇八研究所, 北京 102202)

0 引言

NX是Siemens PLM Software公司出品的一个产品开发解决方案，通过为用户提供面向设计、仿真和制造的高性能集成解决方案，实现整个产品开发过程的转型[1]。

弹簧由于能吸收振动和冲击能量，且具有自动复位的功能，所以弹簧广泛应用于液压阀门、车辆减振装置、冲压设备的复位机构和枪械、火炮等机械设备中。随着数字化设计与制造技术的迅速发展，弹簧零件的手工设计步骤繁琐、工作量比较大并且容易出错，效率低、成本高，已不能满足新的设计模式与生产模式需要。

弹簧的设计计算属常规设计，但在三维模型设计过程中，计算繁琐，建模复杂，较适合CAD开发，因此利用三维CAD技术开发弹簧模型自动生成工具是必要的，也是可行的。

结合当前制造行业三维CAD的应用状况，选择基于NX软件进行三维弹簧设计软件开发，提高弹簧设计质量和效率。利用三维弹簧设计软件，输入相关参数，软件进行几何参数计算，几何参数通过驱动弹簧设计模板生成三维弹簧模型，并进行变形处理。

通过二次开发，直接提供特征参数输入界面，通过参数的交互输入，进行几何参数计算，并驱动设计模板生成三维零件模型，简化了零件设计流程，规范了零件特征结构，节省设计时间，提高工作效率[2-3]。

本文在论述了基于C#的NX10二次开发的环境设置、二次开发窗体设计以及二次开发的程序调试等模块设置，以矩形压缩弹簧为例，进一步说了基于C#的NX10二次开发方法及机械零件参数化设计的实现过程。

1 基于C#的NX二次开发主要技术

1.1 二次开发环境设置

在NX众多的二次开发技术中，NX Open API是NX提供的一个高级二次开发编程语言工具集，几乎所有能在NX界面上的操作都可以调用相应的NX Open API函数来实现，并同NX进行无缝连接，从而扩展NX的功能，使其更具专业化[4-5]。其中C#是面向对象的编程语言，作为一种解释性语言，编译的程序可以在32位与64位系统中完美运行，而且其操作方便易懂、语法简明。

二次开发环境设置主要包括开发工具配置和开发环境设置。

1.1.1 开发环境设置

基本环境变量：环境变量在NX的运行过程中有着重要的应用，一些环境变量在安装NX之后便已经设置。其中最常用的基本环境变量包括：

UGII_BASE_DIR：NX安装的文件夹路径；

UGII_ROOT_DIR：NX安装文件夹中UGII的位置；

UGS_LICENSE_SERVER：28000@#######(IP地址或主机名)；

UGII_LANG：ENGLISH。

其它常用的环境变量在ugii_env_ug.dat文件中定制。该文件默认位于UGII_ROOT_DIR目录下。用户可以修改同目录下的ugii_env.dat文件。添加一些环境变量覆盖已有的环境变量以控制NX的运行方式该文件可以通过环境变量UGII_ENV_FILE进行设定。

命令行环境变量设置：编辑%UGII_BASE_DIR%/UGOPEN/ufvars.bat，设定MS VC Dir到正确目录。具体配置如下所示：

Rem Your might install them in a different location.

Rem

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio/VC98

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio .NET/Vc7

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft SDK

Rem NX7

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio 8/VC

Rem set MSVCDir=C:/Program Files(x86)/Microsoft Visual Studio 8/VC

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio 9/VC

Rem set MSVCDir=C:/Program Files(x86)/Microsoft Visual Studio 9/VC

Rem NX8.0/NX8.5 wntx64

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio 10/VC

Rem NX8.0/NX8.5 wntx32

Rem set MSVCDir=C:/Program Files(x86)/Microsoft Visual Studio 10/VC

Rem NX9.0/NX10.0 wntx64

Rem set MSVCDir=C:/Program Files/Microsoft Visual Studio 11/VC

Rem NX9.0/NX10.0 wntx32

Rem set MSVCDir=C:/Program Files(x86)/Microsoft Visual Studio 11/VC

1.1.2 应用向导创建

开发工作开始前需对NX10.0以及Visual Studio 2010进行配置。Project Wizard是NX为用户提供的向导自动生成开发工程的工具，其VC#开发向导保存在%UGII_BASE_DIR%/UGOPEN/vs_files/VC#目录下,复制%UGII_BASE_DIR%/UGOPEN/vs_files/VC#/CSharp Projects文件夹中所有的文件到Microsoft Visual Studio2010/VC#/CSharp Projects目录中；复制%UGII_BASE_DIR%/UGOPEN/vs_files/VC#/VC#Wizards文件夹中所有的文件到Microsoft Visual Studio2010/VC#/VC#Wizards目录中。

在NX10.0命令提示符窗口执行“devenv”运行VS2010，在Visual C#工程模板中选择NX10 Open C# Wizard向导创建工程。

图1 向导创建

利用向导创建的程序由“引用”和“主程序”两部分组成：其中“引用”中包含了NX自带的函数库(如NXOPEN.dll等)和程序中的数据包(如System等)。“主程序”的默认名称为mycalss.cs，主要负责执行程序的开始、调用及结束。调用的程序一般写在窗体程序中，窗体通过主程序激活。

1.2 二次开发窗体设计

采用NX Block UI Styler制作对话框，使用Block UI Styler可以生成包含文本输入、参数输入、目标选择、按钮响应、图片插入等要素的对话框，完全支持NX操作。创建对话框后，生成C#语言源程序代码文件(.cs文件)与NX对话框文件(.dlx文件)。其中.cs文件需要通过API进行编译，生成动态链接库即可以在NX中执行的.dll文件。

通过 Block UI Styler设计的对话框文件是后缀名为“dlx”的文件通常称其为DLX文件。从文件格式上来说.DLX档是一个标准的XML文件，包含了在运行时构建对话框的所有信息客户应用程序使用了DLX对话框文件和编译生成的DLL文件一样，都需要放置在开发根目录的 Application路径下，提供给NX运行时加载使用。

Block UI Styler用户接口主要包含以下几个部分：菜单工具栏，配置对话框，包括布局设计器，属性编辑器，代码生成管理器。

组块目录如图2所示。

图2 组块目录

1.3 二次开发程序调试

第一次运行程序调试时，需要将程序附加到NX进程中，在“工具”选项下选择“附加到进程”。

在弹出的窗口中，选择NX10进程，单击“附加”完成。此时，运行调试命令，程序将启动NX10软件，同时程序将自动生成动态链接库文件(*.dll)。激活NX10，按下Ctrl+U，将弹出调试串口，选择动态链接库文件，完成调试操作。

图3 调试串口

程序调试没有问题后，需要对应用程序进行签名后，才能正式发布，应用程序签名主要包括：添加NXSigningResource.res到方案中，编译成功后，执行SignDotNet.exe,也可以设定在方案中的Post-Bulid event来自动执行签名。

2 开发实例

2.1 程序结构

弹簧设计向导工具在NX建模环境下具备快速打开的接口，并能方便的选择所需设计的弹簧零件向导工具。提供与NX一致的交互式、向导式用户界面，并通过指定矢量和点指定弹簧在三维NX CAD模型空间的位置，包括矩形压缩弹簧、矩形拉伸弹簧、扭簧、多股压缩弹簧、多股拉伸弹簧和片簧等六种类型的定义、参数的输入界面、几何参数的计算结果显示界面。利用交互式用户界面，通过对弹簧名称的定义、弹簧位置的确定、弹簧参数化的输入以及显示结果的检查，将自动生成矩形拉伸弹簧三维模型，并同时完成对弹簧三维模型的变形处理[6]，以上六类弹簧的输入输出参数如表1～6所示。

表1 矩形压缩弹簧输入输出参数

表2 矩形拉伸弹簧输入输出参数

续表2

输入参数输出结果3)圆钩环压中心7)螺旋角提供如下参数的输入:8)K1)中间直径2)垂直边长3)平行边长4)有效圈数

表3 扭簧输入输出参数

表4 多股压缩弹簧输入输出参数

表5 多股拉伸弹簧输入输出参数

表6 片簧输入输出参数

典型弹簧设计向导结构方案如图4所示。

图4 设计向导结构

2.2 接口

在NX环境中，创建典型弹簧三维设计、弹簧简化视图的接口，方便调用。

2.3 逻辑流程图

在NX建模环境中，选择“典型弹簧三维设计”菜单，在弹出的下拉菜单中选择“XX簧”，或者在“典型弹簧三维设计”工具条中选择“XX簧”图标，即可进入相应的弹簧向导界面；

在弹簧向导界面中“名称与位置”步骤，在“弹簧名称”控件中输入弹簧的名称，在“指定矢量”和“指定点”控件中选择弹簧旋转的方向及放置位置；

进入“输入参数”步骤界面，进行一些参数的选择或者输入，在“旋向”控件中可选择“左旋”或者“右旋”。在“弹簧样式”中可选择“矩形”或者”圆柱形”，在“端部结构”控件中，选择“并紧磨平”、“并紧不磨平”、“不并紧”三种端部情况。然后在“输入参数”中输入：中间直径、自由高度、有效圈数等弹簧参数；

进入“显示结果”步骤界面，在此步骤中，可以查看弹簧的相关输入参数及一些计算参数，若符合设计要求，点击完成即可生成相应的弹簧三维模型。若不符合则可以点击“上一步”进行参数修改，生成相应的弹簧三维模型。

图5 典型弹簧三维设计逻辑流程图

2.4 设计实例

以矩形压缩弹簧为实例，主要包括建立弹簧相关参数表达式，创建弹簧三维模型，进行二次程序开发。矩形压缩弹簧按钢丝旋转方向可分为左旋和右旋，按弹簧横截面可分为圆柱形截面和矩形截面，按端部结构可分为端部不并紧、端部并紧、端部并紧并磨平。在进行参数表达式建立以及二次开发时，都要能够满足。

建立弹簧相关参数表达式，基于表达式驱动创建弹簧三维模型。

图6 参数表达式

主要包括创建项目、编写代码、进行程序编辑与调试、编制菜单文件，进行程序注册。

其中源代码最主要的就是建立程序与表达式之间的联系，使用C#语言与NX Open API完成表达式与程序之间关系的建立，主要代码如下：

stringarraylist01[1] = "输入参数：";

stringarraylist01[2] = "弹簧中径D = " + eD.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

stringarraylist01[3] = "垂直边长a = " + ea.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

stringarraylist01[4] = "平等边长b = " + eb.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

stringarraylist01[5] = "自由高 H0= " + eH0.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

stringarraylist01[6] = "有效圈数n = " + en.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

stringarraylist01[7] = "总圈数 n1= " + en1.GetProperties().GetDouble("Value").ToString();

编制菜单文件：

VERSION 143

EDIT UG GATEWAY_MAIN_MENUBAR

AFTER UG HELP

!MENU INTEGRAT

CASCADE_BUTTON_MENU_CLASSIC_PART_DESIGN

LABEL 典型弹簧三维设计

！END_OF_MENU

END_OF AFTER

MENU_MENU_CLASSIC_PART_DESIGN

BUTTON BTN SPRING_Rectangle_Cylinder_Compression

LABEL 矩形压缩弹簧

BITMAP Rectangle_Cylinder_Compression_Spring.bmp

ACTIONS Rectangle_Cylinder_Compression_Spring _cs.dll

基于上述创建的表达式，利用NX的规律曲线命令创建弹簧螺旋线，如图7所示。

图7 螺旋线视图

利用草图命令创建弹簧矩形截面，再利用扫掠命令创建弹簧实体模型，如图8所示。

图8 截面及实体视图

2.5 实验结果与分析

二次开发调试完成后，可形成弹簧设计向导，本次以矩形压缩弹簧为例，首先分析矩形弹簧的主要参数如下。

弹簧丝截面尺寸：垂直轴向方向的垂直边长a，平行轴向方向的边长b，其对角线长度为d；

弹簧外径D：弹簧的最大外径；

弹簧内径D1：弹簧的最小内径；

弹簧中径D2：弹簧的平均直径，计算公式为：D2=(D+D1)÷2=D1+a=D-a。

有效圈数n：弹簧能保持相同节距的圈数。

支撑圈数n2：为了使弹簧在工作时受力均匀，保证轴线垂直端面，制造时，常将弹簧两端并紧。并紧的圈数仅起支撑作用，称为支撑圈。一般有1.5、2 T、2.5 T，常用的是2 T。

总圈数n1：有效圈数与支撑圈的和。即n1=n+n2。

自由高H0：弹簧在未受外力作用下的高度。

其次明确弹簧的计算输出参数，主要包括螺距、展开长度、螺旋角、曲度系数。

展开长度：绕制弹簧时所需钢丝的长度。L≈πD2(2+n)。

设定其几何参数为：中间直径20 cm、垂直边长1 cm、平行边长4 cm、自由高度65 cm、有效圈数6、总圈数8；其特性参数为：工作高度1为59 cm、工作高度2为54 cm、试验高度为51 cm、工作载荷1为15 N、工作载荷2为30 N、试验载荷为39 N。

根据输入的弹簧参数进行理论计算，可生成螺距t=9.83 mm、展开长度L=502.65 mm、螺旋角α=8.9、曲度系数K=1.32，随后即可在NX环境内生成具体弹簧模型。

3 结论

从图9可以看出，应用此设计程序建成的矩形压缩弹簧符合设计输入要求，其三维标注的参数与理论计算保持一致，且能便捷的生成二维简化弹簧图。

图9 弹簧视图

本文应用基于C#的NX OPEN API二次开发的方法以及三维零件参数化设计，最终实现了矩形压缩弹簧、矩形拉伸弹簧、扭簧、多股压缩弹簧、多股拉伸弹簧和片簧等6种弹簧的快速设计以及弹簧简化视图。目前，已经在实际产品设计过程中得到了应用和验证，大幅减少了设计师的重复劳动，有效提升了常用弹簧设计效率和质量。