Nx在电动工具中的应用

青华工作室

        一、前言
* f2 i+ B1 G% z" n; B$ b: F* |        激烈的市场竞争使制造业对快速反应市场和一次制造成功等要求日益迫切。消费者追求的不仅仅是产品的质量，进一步的要求是艺术与美的享受。这就要求设计者开发出的产品更符合需求，力求实现产品的造型、合理的功能以及生产工艺达到艺术与科技的完美结合，使产品在市場上更有竞争力。这对于机械工艺设计师来说，既是巨大的挑战，也是巨大的机遇。对于企业来说，最关心的已不仅仅是要高效率地设计出某个零件产品，而是要高质量、低成本及时地向市场推出满足市场需要的产品，以获得最大的经济效益。也就是说，企业关心的是其产品从市场需求到设计、分析、制造，以至到质检、营销这一过程如何实现高效、优质、低耗这一目标。传统的二维设计已基本不能满足上述要求，选择新的CAD软件已成了未来发展方向。TTi是国际上研发生产电动工具的巨擎，该公司选择了NX作为公司的设计应用软件。以下就以TTi为例，介绍NX在电动工具中的应用。
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        二、电动工具产品的特点
  `: d& @3 X8 C4 W6 A9 x        1.结构复杂。电动工具既要满足手感要求，还要考虑美感，甚至连不同地区客户的区域性差异、不同的手型大小都需要考虑在内，因而90%的外观都是由复杂的自由曲面生成。
8 y! _, C% }, R5 E        2.安全性要求高。TTi的产品大部分是销往北美、欧洲、日本等地，产品必须符合国际和区域标准。为了防止因质量问题而影响公司的形象，产品在设计和生产过程中的每一个环节都必须时时把关，成品在出厂前都要经过严格的性能测试。
        3.设计周期短。企业为了在市场中能占据优势，每一款产品从市场调研、概念设计、结构设计到定型、模具图及二维图，都需要在短时间内完成。

4 w) E3 b7 a# y* o0 @5 M        三、新产品开发过程
       1.概念形成
7 s8 Y) G, Z* y, E) C       新产品的设计主要是客户的需求和集团内新类型产品的开发，而资料的来源往往是客户提供的手绘产品外型草图、照片、DXF文檔、CGM文档、点云数据或手板等。这些数据NX都提供了转化接口，可以直接传递。
       NX/Styling Design和Studio提供了产品外观曲面生成、评估分析、和修剪的功能，它具有参数化的自由曲线和曲面的建模特点，而其中的freeform feature和shape可完成复杂的外观设计及创意，完成了的外观再经过NX/Photo渲染成逼真的三维实体模型(如图1)送给客户确定或进行市场调研，再进行产品开发、试产、生产。

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7 W$ K( e4 P6 k. ^; N2 m       NX/Capture模块，它可根据得到的大量点云(Points Cloud)数据，自动智能化地抽象出三维形体特征，重构测量实物形体的几何数字特征。此外，国际上著名的工业设计软件AliasV9.0与NX的数据可以直接传递。NX软件的功能模块基本上满足了新产品开发需要。
7 i7 S" N$ ^. o, h' p; v4 `8 K       2.概念设计
       创建几何图形。例如，当产品开发的原始资料仅仅是图片时，可通过NX/RasterImage调入等比例的TIFF文档。(如图2)
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: A6 A, t6 o, a4 h# }        利用NX的曲线(spline、curves、sketch)造型功能进行外观描绘及截面绘制。曲线在外观造型中起到主导作用，曲线的曲率光顺度将决定曲面的光顺度、模型的合理性及美感。生成的曲线用NX Free Form Feature和shape进行产品外观曲面构造和修剪，然后依据功能准则、美学准则、检查准则进行评估分析，在作出必要修改后进行NX/photo产品真实性渲染(如图3)。完成后的产品外观图再送给客户确定或进行市场调研，可行后将进行产品内部结构设计。

      
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        3.详细设计
       (1)设计内部结构筋骨位
% G, S( S( [2 e+ q在概念设计阶段，结构设计组已经着手进行内部结构设计(如齿轮箱组)，这是一个由计算机支持的协同工作(CSCW:Computer Supported Cooperative Work)进行产品设计过程，产品数据由NX/Manager管理。NX/Manager应用主模型方法创建Part的数据，主模型是以软件为中心的一个中央数据库，它包括与产品相关的所有几何和非几何信息，用来为产品在生命周期中产品开发过程的各个阶段和各个部门提供服务，所有用户均可通过这个单一的主模型完成其技术任务，如3D图、2D图、NC刀位数据、模具图和装配信息等。这些任务可由不同的工程师完成，主模型可保证操作者工作的独立性、安全性和工程数据的集中性。筋骨位设计中必须应NX/Wave Geometry Link来实现零件与机壳之间全相关，这样在零件修改的情况下，机壳筋位相应位置尺寸就会自动更新。如果用了Wave Geometry Link，零件与机壳却没有相关性，可通过改变参数设置文件ugenglish.def和UGmetric.def中的Assemblies Allow Inter Part:no改为yes即可。
" {; H. b# |5 x8 [       (2)检查几何尺寸和公差配合
+ y  f8 i7 a) p" x* A6 K/ b" _这是产品设计中较关键的一步。在装配中可利用Analysis simple interference进行静态干涉检查，确定相邻两零件间是否有干涉情况；如有干涉，两零件的干涉区域将生成干涉条块，呈高亮显示。设计者可据此对主模型进行相应的修改，消除两零件间的静态干涉。
       NX/Advanced assembly提供了clearance analysis，它可检查一个群组中所有零件的五种干涉情况(No、Soft、Touching、Hard、Containment interference)。当输入一公差值时，选择相应的待检查零件群组，就可生成一张对应零件间的五种干涉情况报表，设计者可根据报表内容进行相应的修改以满足功能要求。
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       四、样品制造与实验
6 |" r3 ^. ?7 ~4 ~/ Z       1.制作样板
干涉检查过的NX三维模型，用激光快速成型(RP&M)进行原型手板制作，主要采用光固化成型法(Stereolithography，SL)制成SLA样板。原理是将激光聚焦到液态光敏树脂表面令其有规律地固化，由点到线到面，完成一个层的建造;然后升降台移动一个层片的距离，重新覆盖一层液体材料，再建造一个层面，由此迭加成为一个三维实体。工序就是将NX三维模型档案转化成STL格式，用3Dlightyear软件进行设计支撑和分层处理，再把档案输进激光快速成型系统，完成工件，去掉支撑，经过打磨，便得成品。SLA样板采用SL7540材料，接近PP和ABS，但韧性没PP高，是目前SLA材料中吸水性低，能实现一定功能的光敏树脂。SLA样板改变了传统靠手板师傅制作手板来确定外观的这种落后工艺，大大缩短了制板时间及费用，并且SLA板可装样板机进行性能测试，且精度很高。
" B& I% l4 ]4 C1 q       2.物理测试
. ^% }- ]* g: w' V3 Y  t6 G* B+ @5 t       相关部门可以利用快速成型样板进行性能测试，在产品开模之前就获得第一手数据资料，改变了传统产品设计要等到开模后才能进行测试这种落后的运作方式，节省的时间可想而知。
       3.分析验证测试结果
       NX/CAE、Mechanisms可验证和评估测试结果。电动工具最要把关的性能就是跌落测试结果，一把电动工具经过十个方位跌落后，必须保持客户要求的一切性能。实验分析的运动学机理是一个典型的瞬态碰撞过程，由于碰撞过程的动力学方程具有瞬态，高度非线性特性，不能用一般的静力及模态分析方法求解 。
       4.模具制造
5 D" c+ _1 v. \3 ]4 M3 V       为了缩短产品的开发周期，在产品外观确定之后就可以着手进行外模设计，NC编程及刀路编排等相关的准备工作，这样可实现产品模具设计和内部结构设计同时并进，使设计与制造有机结合，且相关的产品数据由NX/Manager统一管理在一个主模型中。当产品文件的某个面或特征数据被修改时，相应的二维图、模具图和NC刀位数据信息将会自动更新，这个过程与传统模具设计制造相比就缩短了产品外模设计与制造的时间。
       在产品内部结构完成之后，模具部门也就可以着手进行内模设计、NC刀路编排等。NX/CAM支持高速加工，以及复杂的曲面加工（如五轴铣）。高速铣(HSM)其转轴速度可达10000转/分以上，配以高强度超微型铣刀，内模加工可以一次性成型，且不用手工抛光，提高了加工质量，也保证了内部结构的精确位置尺寸。最后，再辅以电火花(EDM)加工进行修整。
       根据批量大小，模具制造也可直接采用快速成型(RP&M)原型复制软质的硅橡胶模具。制作方法是将快速成型原型放入做好的铸型架中，将经抽真空的混合硅胶倒入铸型架中制作硅胶模，再将恒温硬化后的硅胶模分模，取出原型。
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       五、总结
       NX在TTi的应用是成功的。与传统的二维软件设计产品相比，产品从概念形成到投产的开发时间可缩短60%，并且提高了产品质量。改模次数也从原来的几十次减少到现在的几次，甚至不用修改，大大节省了改模费用和宝贵的时间，在激烈的市场竞争中占据优势。用UG/Photo渲染过的三维产品形象逼真，在产品开发前期就可在计算机中看到虚拟样图，深受客户的青睐。
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