基于UGNX 共享自行车设计与动画装配

2021-06-23魏轶凡常天艺

科学技术创新 2021年18期

魏轶凡常天艺王程

（江苏大学京江学院江苏镇江212000）

为应对全球气候变化和环境污染带来的挑战，实现我国经济的可持续发展，2020 年中国首次向全球宣布，二氧化碳排放要力争于2030 年前达到峰值，努力争取在2060 年前实现碳中和[1]。同时中国快速的城镇化进程中，交通拥堵、空气污染、环境破坏等“城市病”引起了人们的广泛关注。在此背景下，健康城市、生态城市等城市发展理念逐渐兴起，为减少由于机动车出行而导致的能源消耗和环境污染问题，公共自行车逐渐进入公众视野，备受关注，成为一种重要的低碳出行交通方式。2016 年以来，共享单车迅猛发展，对城市居民出行产生了重大影响，为城市交通发展带来了新的契机[2]。

1 自行车设计

本文基于工程上广泛使用的计算机辅助设计软件UG（UnigraphicsNX），在保证自行车功能的前提下，设计有较少零件的自行车，以方便批量生产且节省材料、降低成本、组装便捷、减轻装配劳动强度。另外还可以演示自行车模型的内部结构及工作原理，用于教学。

1.1 车架设计

车架是自行车的主体，其它零件直接或间接地被安装在车架上。本设计车架由铁铝合金材料制成，性价比高，框架采用近似三角静定结构，结实耐用。

1.1.1 主框架草图绘制：打开UGNX 软件，选择建模环境，在xz 平面根据设计尺寸画出主框架草图。点击创建基准平面按键，创建基准平面（垂直于直线），作圆Φ50（本设计绘图单位均为毫米mm）。同法创建基准平面及草图，作大径60 小径50 的椭圆。然后在垂直最右端的直线上（车架尾部）创建基准平面作圆Φ50，再垂直于直线作圆Φ35，最后在垂直线轨迹的位置作圆Φ30。

1.1.2 草图扫略拉伸前主框架：选择此前三次所作圆，沿直线扫掠（插入-扫掠-沿引导线扫掠）。设置第一偏置为5，向内偏移。选择草图上的圆，沿直线扫掠，第一偏置为-5，向内偏移，布尔运算求和成为整体。继续选择xz 平面，在距y 轴198.8，x 轴79.0 的位置创建草图，对称拉伸35，倒R10 圆角（插入-细节特征-倒圆角）。

在圆柱顶端作圆Φ40 进行拉伸求差处理，使圆柱贯通形成框管。xz 平面作圆Φ60 和Φ40 双向拉伸50 与圆柱作布尔求和。

1.1.3 车架后支架：后支架承重为分叉对称设计，xz 平面绘制横向框管与内圆截面切。绘制竖立椭圆，大径R15，小径R10，扫掠形成实体。xz 平面拉伸后座支架另一条边形成静定三角结构，尺寸为对称拉伸200。点击插入-来自体的曲线-求交，第一组面选择刚刚的片体，第二组面选择圆柱外表面，得到相交曲线圆。利用相交曲线，在片体上创建绘制后支架曲线。选择上一步草图曲线，以类型为在曲线上创建基准面，弧长0%。在其上绘制圆Φ16，并沿创建的曲线扫掠得到实体。

绘制坐垫杆草图圆Φ40 并求差拉伸至贯通，再设计后轮轴座平面轮廓草图并拉伸，开始值0，结束值35，与车架管体布尔求和。开孔轴圆Φ16，求差拉伸至贯通，后倒圆角R3。最后使用镜像命令（插入-关联复制-抽取几何体-镜像）镜像扫掠所得实体，镜像平面为xz 平面，完成车架。

图1 自行车车架

1.2 握把及坐垫设计

1.2.1 握把：自行车握把用来保持平衡与控制行驶方向，主要分为平把、上翘把、下垂把。本设计采用平把，结构简单便于操控。

xy 平面原点绘制圆Φ17 和Φ25，完成草图后点击拉伸命令，限制选项结束选项为528。xz 平面利用回转命令，将草图回转成柱体和一个凸缘。将凸缘阵列，选择线性阵列节距6.2，数量15 个，形成握把纹路。xy 平面创建并绘制草图，并将其双向拉伸17.5。将握把与上步实体做求差处理，得到圆孔和刹车把装配孔。在刹车握把实体背面作草图做拉伸求差处理，后将刹车握把的实体边倒圆R5。

在刹车把前端双向拉伸求差3，xy 平面绘制刹车连接件轮廓双向拉伸2.5，并与刹车把求和。然后进行倒圆处理。最后以xz 平面镜像完成车把手创建。

1.2.2 坐垫：在离xy 平面下方20 的平面创建基准平面并绘制坐垫轮廓。xz 平面绘制中间曲线，用拉伸命令草图曲线拉伸成片体，数值设为对称值100。选用投影曲线命令，将俯视草图投影到上步拉伸而成的片体上，矢量方向竖直向。

在距yz 平面15 处平面描点，用艺术样条将其连起来，后用镜像使其沿z 轴对称。同法在距离yz 平面83 的平面绘制曲线并沿z 轴镜像。在距yz 平面145.5 处平面通过描点、样条连接点，镜像绘制坐垫下部轮廓。将上部草图曲线对称拉伸5 形成片体。选择通过曲线网格，主曲线为中间曲线，交叉曲线为竖着的3 个曲线，注意箭头方向要相同。后沿xz 平面镜像，将镜像实体缝合成一个实体。xy 平面绘制圆Φ30 和Φ40，后将草图拉伸为一个空心管，开始距离-49，结束距离310，完成坐垫设计。

1.3 运动系统设计

1.3.1 前叉：xz 平面绘制前叉架草图双向拉伸16。在离xy 平面39 处绘制圆Φ17 拉伸开始值-10，结束值18。在实体的侧壁绘制圆Φ12 拉伸求差，使其形成孔。最后将实体各边倒R2 圆角，完成前叉设计。

1.3.2 车轮：xz 平面绘制圆Φ20，Φ40 和Φ520。将Φ20 进行双向20 拉伸。Φ40 拉伸开始距离20，结束距离25，并且与Φ20 拉伸而成的实体求和。后再次将Φ20 拉伸，开始距离20，结束距离40，并与上步实体求和。xz 平面绘制Φ20.2 的半圆弧。将上步草图沿着Φ520 回转，形成车轮外轮廓。yz 平面绘制轮辐线草图，用管道（插入-扫掠-管道）命令形成轮辐。在管道创建的实体上绘制圆Φ5.7。拉伸开始距离-2，结束距离0。用圆形阵列在圆形实体上均布12 个，将管道进行圆形阵列，得到12 个均布的车轮辐条。最后将左边辐条多次镜像到右面，从而得到完整24 根辐条。

雪萤从窗台上摸出钥匙开了门，直奔卧室，趴在地上，拉出床下一双统靴，伸手一摸，没有。于是把手伸进另一只鞋子。里面果然有一个油腻腻的小本子，还有一个U盘，用一块布包着。她把证据捂在胸前，长长地出了一口气，忍不住翻开来，快速地扫了一眼，心都快跳出来了。

1.3.3 脚踏板：xz 平面绘制圆Φ40 双向拉伸75，得到一个实体圆柱。yz 平面绘制脚踏板俯视图草图，将脚踏板俯视草图进行拉伸结束值7.5，并且与先前的圆柱实体布尔求和。后对脚踏板周边倒R3 圆角。在脚踏板上平面绘制孔洞草图，进行拉伸求差，以方便鞋底泥沙漏出。

1.3.4 牙盘及飞轮：调用出圆柱齿轮建模命令，选择创建齿轮，齿轮模数选择3，齿数为48。yz 平面以原点为圆心绘制圆Φ40，四周圆形阵列圆Φ20，拉伸求差得到圆孔。调用出圆柱齿轮建模命令，选择创建齿轮，齿轮模数3，齿数24。yz 平面绘制圆Φ12 拉伸求差，得到通孔，完成脚踏板设计。

1.4 链条设计

链条由链条体、片体、固定销三个部分装配而成，每单各链条体由两个片体联接而成。前段链条的尾部链接片体前部，后端链条前部链接片体尾部，由此首尾依次相连形成整个链条。

1.4.1 链条体：yz 平面绘制链节外轮廓拉伸，从距离草图平面0.31 拉伸到1.0。在所得拉伸平面绘制圆Φ7.7 拉伸开始值0，结束值0.31。

将上步拉伸的实体通过xz 平面，由yz 平面镜像，布尔求和将镜像过去的实体与原来的整体合并成一个实体。在拉伸而成的实体上绘制圆Φ3.9，拉伸求差成通孔。后将通孔由xz 平面镜像。

1.4.2 片体：xz 平面绘制尺寸草图（与链条体第一步草图相同）。后拉伸成实体，要求从距离草图平面1 的位置开始，在距离草图平面2 的位置结束。最后由yz 平面镜像。

1.4.3 固定销：yz 平面绘制圆弧Φ3.9，拉伸尺寸为对称2。将拉伸实体圆形阵列，其中节距角是根据齿轮分度圆Φ，结合余弦定理，反余弦函数计算链条体长度。同法对右边进行圆形阵列，计算过程与上步相同。

将实体线性阵列在直线上，节距12.6 与链条体两个圆心距相同。后将链节对xy 平面镜像。

1.4.4 链条装配：先以绝对原点载入上面固定销实体，在用约束载入链条体，最后用中心约束2 对2 进行与销的配对。同法用约束方式载入片体，将独立的链条体首尾相接起来。完成链条装配。

至此自行车的主要部件已设计完成，可实现自行车功能。还可根据需要加装一些附件，如支撑架、吊架、叉、挡泥板等。

2 自行车动画装配

2.1 创建装配序列

首先将自行车各部件依次组装形成装配体文件，然后创建动画文件，选择菜单中“装配”→“序列”的命令（或单击装配工具条中的“装配序列”图标），系统将出现“装配序列”工具条，单击“新建序列”图标，激活“序列”下拉框。

2.2 拆卸组件

单击“插入运动”图标，系统将会弹出“录制组件运动”工具条，系统提示“选择要移动的组件”，选中某一部件。此时，“录制组件运动”工具条中其余的工具图标被激活，单击“移动对象”图标和“拆卸”图标，选中部件从视图中消失。

按照上述的方法，依次拆卸其余组件，拆卸顺序按照装配顺序的倒序拆卸，即后装的先拆，先装的后拆，一直拆卸到只剩一个部件为止。装配的顺序是车架→后轮→脚踏→齿轮链条→坐垫→上套筒车把→下套筒→前叉→前轮，拆卸顺序正好与之相反，拆卸完成后，单击“×”按钮，退出“录制组件的运动”。此时，“系列回放”工具条显示帧数默认为64。