摘要：介绍了模具CAD系统中螺钉的自动化设计方法，阐述了参数化设计方法与关联技术在螺钉设计中的应用。在UG平台上开发了模具螺钉设计工具，实现了螺钉的批量生成和设计过程中的联动修改，提高了设计效率。

关键词：模具；螺钉设计；参数化设计；关联设计

1、引 言

在模具中，螺钉是最基本的零部件之一，其数量在一套模具中达到上百个。现有的螺钉设计方法，通常是采用以中心线代替螺钉或者调用螺钉标准件来实现。以中心线代替螺钉的方法虽然简化了设计过程，但降低了图纸的可读性，其潜在的问题，如螺钉的安装空间不够、螺钉与其它的零部件发生干涉等。而调用螺钉标准件的方法虽然一定程度提高了螺钉的设计效率，但螺钉的长度需要手工计算，自动生成2D工程图中的螺钉孔孔表及螺钉BOM表也较困难。因此，在UG上开发螺钉设计工具软件，快速方便的进行螺钉零件的批量生成，并完成螺钉孔表的生成和BOM表订料工作，对模具精细化设计、提高设计的效率有很大的意义。

2 、功能定义及设计

（1）功能定义

在模具CAD系统中设计螺钉，其主要要求有：界面便于操作，用户能方便的选择要设计的螺钉类型及其主要参数；根据螺钉所要连接的零件，自动确定螺钉位置及其所穿过零件，实现自动开孔功能；螺钉位置及其尺寸与所连接的零件之间建立关联的关系，当螺钉位置或尺寸发生变化时，相关联的零件上所生成的孔也要发生相应变化，实现设计过程中的联动修改；对于相同规格的螺钉，能够实现其批量生成；在设计螺钉及螺钉孔孔面上附有名字和属性，便于后续螺钉孔孔表和螺钉BOM表操作。

（2）功能设计

根据螺钉的设计要求，设计螺钉设计工具的操作界面如图1所示，用户可分别进行螺钉的生成、编辑和删除操作。在螺钉生成操作时，分别选择孔的类型及螺纹类型，然后按照操作步骤，依次选取螺钉开始面、螺纹孔开始平面以及螺钉放置位置点，选择螺钉型号，确认后即可生成螺钉。在螺钉的编辑及删除操作中，用户先选择要操作的螺钉，其类型参数会显示在界面上，用户可根据情况对其进行编辑或者删除操作。

螺钉设计工具中，用户可根据需求选择孔的类型为螺钉孔、沉头孔或螺丝孔；螺纹类型分为公制、英制及PT/NPT三种类型，螺钉型号根据所选螺纹类型进行自动更新，如公制螺钉所对应的螺钉类型分别为M3、M5、M8等，英制螺钉所对应的类型分别为NO6、NO8、NO10等，其类型及其相应尺寸均写在配置excel文件中，用户可根据需求进行修改。根据用户选择的不同类型，软件在生成过程中自动读取excel表格获得相应类型的尺寸，通过计算确定螺钉的位置后生成相应的螺钉。对于相同规格的螺钉，可以选择多个螺钉的放置位置点，从而实现螺钉的批量生成。

3、 关键技术：

（1）UG参数化设计：

参数化设计使参数与设计对象的控制尺寸一一对应，从而到达通过参数值来控制形状的变化。UG对于生成的特征模型零件，可设定零件的某些特征参数，并在特征参数和零件其他结构之间建立起尺寸关联，当需要修改零件模型时，可通过直接修改某一特征参数，方便快接的改变与其相关的参数，从而达到修改零件尺寸[1]。

对于螺钉的设计而言，通过参数化设计创建一个螺钉模板零件，对其尺寸的参数表达式进行命名。利用UG/Open API技术编写程序，通过设计用户界面操作来调用螺钉模板零件，通过参数化驱动来完成对模板零件尺寸的设置[2]。这样在每次创建螺钉时，用户只需选择螺钉的型号，即可在装配环境下得到相应尺寸螺钉零件。如图2所示螺钉，在对其进行尺寸设置时，不必将图中每个参数的值逐一设置。可以通过建立不同尺寸之间的变量表达式来实现尺寸的联动。设螺钉的公称直径为d，则需要建立的尺寸变量表达式有：过孔直径d1=d+1，保证过孔直径比螺钉直径大1，这样当螺钉的公称直径发生变化时，过孔的直径也相应的发生改变。同理，可以设置螺纹部分长度L1=1.5*d，螺帽高度L3=d等。

同时，对于螺钉的其他参数，可以通过程序读取excel表格的方式来获取，利用读取的数据来驱动参数化的模型，如表1所示螺钉参数excel表。这样，用户能够根据不同需求，修改excel表的数据即可完成对螺钉尺寸的修改。

（2）关联设计技术

关联是指事物之间所具有的彼此约束的关系。关联设计的目的就是要实现自动响应变更，以保证设计结果的一致性[3]。通过利用UG/WAVE技术则是将一个零件的集合信息提取出来，作为其他零件的基准从而达到几何关联的目的。利用WAVE集合链接器可以在工作部件中建立相关的几何体，它可以链接到同一装配体的其他部件中，链接的几何体相关到它的父几何体，改变父几何体可以引起在所有其他部件中链接的几何体的自动更新[4]。

在螺钉的设计中，通过参数化驱动添加到装配部件里的螺钉模板零件（包含螺钉实体和螺钉孔剪切FALSE体）为父几何体，分别将螺钉穿过的需要剪孔的板料零件所在的部件作为工作部件，如图3所示部件1.。通过WAVE几何链接器将螺钉孔的FALSE剪切体链接到此工作部件中，即得到此剪切体在板料零件所在的工作部件中的相关几何体。通过判断板料零件与此几何相关体之间的位置关系，对其进行布尔运算剪操作，这样就在板料零件中就生成了相应的螺钉孔（装配孔）特征。

通过这样的操作，螺钉模板零件父几何体和板料零件上的螺钉孔特征之间就达到了关联目的，通过改变父几何体的位置或者尺寸参数，螺钉紧固件的位置与尺寸也可相应的变化。

4、螺钉的生成算法：

在进行螺钉的生成操作时，需要知道紧固件放置的位置点、螺钉起始平面、螺纹开始平面及螺钉类型。在操作之前需要建立一个螺钉零件的模型，它包含螺钉的实体和螺钉孔剪切体，并且对其设置引用集，其中螺钉实体设为TRUE，螺钉孔剪切体设置为FALSE，这样就可以在装配中通过设置不显示螺钉孔剪切体部分的对象。

当设计人员给定了这些参数后，即可确定螺钉的位置并生成相应的孔，其具体算法如下：

（a）从螺钉放置点开始，向螺纹开始平面的垂直方向作射线，记录射线所穿过的所有实体，并计算螺钉放置点到螺纹开始平面之间的垂直距离L。

        （ b）由用户选择的螺钉类型读取配置excel表格获取螺钉的主要参数。

（c）用（2）中计算的螺钉长度与标准螺钉长度进行比较，取其较小的标准值，即可确定螺钉及其螺钉孔剪切体的长度尺寸。

（d）将螺钉零件添加装配到放置点位置，通过上一步得到的具体参数将其尺寸更新，以符合设计要求。

（e）分别将（1）中所得到的板料实体所在的部件设为工作部件，将螺钉剪切FALSE体通过UG/WAVE技术链接到此工作部件中。判断板料实体与WAVE链接的FALSE体之间是否有相交，若有则对板料进行剪操作。这样，在板料中剪出的孔与螺钉孔剪切FALSE体之间就有尺寸关联。

（f）在螺钉面和板料中所产生的螺钉孔面上命名并赋予属性，以便在后续自动生成螺钉孔孔表及螺钉BOM表[5]。

5、应用实例

通过上述原理与算法，利用UG二次开发技术开发相应的模具螺钉自动生成系统。用户通过选择螺钉型号、螺钉插入点、螺钉起始面和螺纹起始面，即可自动生成相应的螺钉和螺钉孔，如图4所示。在生成螺钉孔的孔表，其程序通过螺钉孔孔面上所附的名字和属性，可自动的生成螺钉孔孔表，如图5所示。