萬宇杰，畢 翔，潘 高

(江漢大學(xué) 機電與建工學(xué)院，湖北 武漢 430056)

某通用電器試驗臺試驗過程仿真實現(xiàn)

萬宇杰，畢 翔，潘 高

(江漢大學(xué) 機電與建工學(xué)院，湖北 武漢 430056)

為了提高試驗臺設(shè)備的設(shè)計效率和減少開發(fā)成本，采用UG NX軟件的Motion模塊來實現(xiàn)試驗臺模型運動過程仿真，用STEP運動函數(shù)驅(qū)動方法實現(xiàn)試驗臺模型運動過程，其運動仿真結(jié)果為試驗臺優(yōu)化設(shè)計和電氣控制的軟件編寫提供了依據(jù)，為其他復(fù)雜機械產(chǎn)品設(shè)計提供了思路和借鑒。

試驗臺；仿真分析；STEP；UGNX

1 問題的提出

電器的機械壽命是通過試驗臺進行測試的，其機械壽命測試是一個模仿人工操作的過程，測試次數(shù)有成千上萬次。為了保證測試的可靠性，首先要保證測試設(shè)備的穩(wěn)定性，而測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能決定了這些參數(shù)獲取的有效性，為此，必須針對試驗設(shè)備中的機械系統(tǒng)進行可靠性設(shè)計，從而保證試驗臺的安全可靠。

圖1為某隔離開關(guān)示意圖，為了測試其機械壽命，先將隔離開關(guān)置于ON(合閘)狀態(tài)，再將直接手柄順時針旋轉(zhuǎn)90°，使隔離開關(guān)處于OFF(分閘)狀態(tài)，完成一次合分閘過程，機械壽命試驗記數(shù)一次，直到被測隔離開關(guān)不能正常分合主回路時，試驗結(jié)束，統(tǒng)計試驗次數(shù)。為了保證測試樣品便于操作人員安裝，本文創(chuàng)新性地采用方便安裝樣品旋轉(zhuǎn)裝置，其工作原理如下：180°旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(Z軸)轉(zhuǎn)到向外工位時安裝樣品，轉(zhuǎn)到向內(nèi)工位時樣品處于測試狀態(tài)，在樣品處于測試狀態(tài)時，系統(tǒng)落鎖，Z軸不能旋轉(zhuǎn)。機械壽命通用試驗臺如圖2所示。

圖1 某隔離開關(guān)示意圖 圖2 機械壽命通用試驗臺

為了檢查設(shè)備是否達到了GB14048.3對隔離開關(guān)機械壽命試驗的設(shè)計要求，鑒于UG NX軟件強大的三維建模、虛擬裝配、動畫仿真、有限元分析和工程圖生成的功能，本文利用UG NX軟件的Motion模塊對試驗臺模型運動過程進行仿真[1]。

2 建模及裝配

使用UG NX軟件對某電器的機械壽命通用試驗臺進行三維建模設(shè)計，遵循結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、模塊化、節(jié)約成本的總體原則，將機械系統(tǒng)分為若干個子系統(tǒng)進行單獨設(shè)計。

被測試的電器產(chǎn)品在試驗臺上的試驗過程如下:準(zhǔn)備試驗→安裝樣品并連至測試主回路→旋轉(zhuǎn)Z工作臺至工作位置→插入Z軸鎖止銷→調(diào)整X、Y、Z軸至試驗位置→鎖定X、Y軸→開始試驗記錄合分閘次數(shù)。

根據(jù)機械壽命試驗臺的工作原理、預(yù)期實現(xiàn)的基本功能，結(jié)構(gòu)設(shè)計時將整個機械部分分為三大部分：X軸部件、Y軸部件和Z軸部件，其坐標(biāo)系如圖2所示，依次按其功用分開設(shè)計。

根據(jù)人機工程原理和機械理論計算各部件的幾何尺寸，然后分別建立其三維幾何模型，根據(jù)各部件的相對位置關(guān)系分別組裝成3個大的部件，其裝配效果見圖3。

在3個部件組裝完成之后，進行設(shè)備的三維實體裝配，并檢查各零件設(shè)計是否合理、零件之間是否有干涉，并且可查看設(shè)備總裝之后的總體效果是否達到設(shè)計要求[2-3]。

3 試驗臺工作過程仿真建立

依據(jù)樣品在試驗臺上的實際試驗過程，在UG NX中運用Motion模塊，在運動仿真環(huán)境中建立試驗臺運動仿真模型。運用UG NX建立運動仿真的流程見圖4。

3.1 創(chuàng)建連桿和運動副

在UG運動仿真模塊中，創(chuàng)建試驗臺運動分析方案，創(chuàng)建連桿對話框?qū)@示連桿默認(rèn)的名字，格式為L001、L002、…、L00N。設(shè)置連桿的核心思想是將具有相同運動關(guān)系的部件設(shè)為一個連桿。先將設(shè)備底座沒有運動關(guān)系的部件設(shè)為選擇對象，勾選固定連桿，設(shè)為連桿L001。創(chuàng)建兩個連桿間的運動副(Joints)，運動副是為了給機構(gòu)中的連桿添加相互運動關(guān)系，使連桿能產(chǎn)生相互運動[4-6]。

圖3 試驗臺X軸部件裝配、Y軸部件裝配、Z軸部件裝配及總裝效果圖

圖4 運用UG NX建立機構(gòu)運動仿真流程圖

運動副的創(chuàng)建步驟為：選擇運動副中的第一個連桿，指定其原點與方向，勾選咬合連桿選項，重復(fù)上述步驟完成對第二個連桿的嚙合。創(chuàng)建運動副的核心思想是將各個組件的運動關(guān)系解析清楚。

對X軸的絲杠螺母副創(chuàng)建運動副，首先考慮到絲杠(連桿L002)是做旋轉(zhuǎn)運動(J002)，而X軸工作臺(L003)相對底座(L001)沿X軸存在一滑動副(J001)，創(chuàng)建滑動副J001，選取X軸工作臺(L003)，指定原點為絲杠滑塊圓心、方位為X軸負方向，勾選住嚙合連桿選項，選擇底座(L001)，嚙合的指定原點選擇和之前設(shè)置的一樣。接下來創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副J002，選取絲杠(L002)指定原點為絲杠端面圓心、方位為X軸負方向，用下列方案比較好地解決了絲杠螺母副仿真問題，具體是在插入下拉菜單中傳動副選項中有一個“2-3傳動副”命令(見圖5)，在第一運動副驅(qū)動中選擇J002旋轉(zhuǎn)副，第二運動副傳動中選擇J001滑動副，點擊確定完成創(chuàng)建2-3傳動副J003。至此，X軸絲杠螺母副運動副創(chuàng)建完成。

用類似的方法創(chuàng)建Y軸部件運動副，包括Y軸工作臺滑動副(J004)、Y軸絲杠旋轉(zhuǎn)副(J005)、Y軸2-3傳動副(J006)和Y軸減速機輸出軸旋轉(zhuǎn)副(J007)。

對Z軸方向部件模塊也進行了創(chuàng)建，包括Z軸工作臺滑動副(J008)、Z軸手柄旋轉(zhuǎn)副(J009)和Z軸絲杠旋轉(zhuǎn)副(J010)、Z軸2-3傳動副(J011)、Z軸工作臺旋轉(zhuǎn)副(J012)、樣品滑動副(J013)和樣品手柄旋轉(zhuǎn)副(J014)。因Z軸方向手柄與絲杠之間還存在Z軸減速機，在此用2-3傳動副中的3聯(lián)接傳動副模擬，其中第3傳動副的比例設(shè)為減速機減速比為7.5，能比較好地解決該類運動副仿真問題。

此外還有幾個鎖定運動，包括X/Y軸的絲杠鎖定件旋轉(zhuǎn)副(J015和J016)、Z軸工作臺鎖定手柄滑動副(J017)和4個樣品固定螺釘柱面副(J018～J021)。限于篇幅，這里每一運動副的解算方案不再詳述，至此所有運動副創(chuàng)建完成。

圖5 2-3傳動副控件窗口

3.2 定義運動驅(qū)動

運動驅(qū)動是賦予運動副上控制運動的參數(shù),UG NX共有5種類型：①無驅(qū)動；②恒定驅(qū)動，設(shè)置某一運動副為等常運動(旋轉(zhuǎn)或線性位移)；③簡諧運動驅(qū)動,產(chǎn)生一個光滑的向前或向后的正弦運動；④運動函數(shù),運動副按照給定的數(shù)學(xué)函數(shù)運動；⑤關(guān)節(jié)運動驅(qū)動，設(shè)置某一運動副以特定的步長(旋轉(zhuǎn)或線性位移)和特定的步數(shù)運動。要實現(xiàn)對整個試驗過程的精確仿真模擬，首先需要對運動進行分步處理。

3.2.1 仿真時間序列規(guī)劃

對于一個復(fù)雜運動系統(tǒng)進行仿真設(shè)計，就需要明確各運動副的運動順序，對創(chuàng)建的運動副有一個完整規(guī)劃，對于本系統(tǒng)可按下列順序執(zhí)行：T1→T2→T3→T4→T5→T6→T7→T8。其中：T1為樣品滑動副(J013)(持續(xù)1 s)；T2為4個固定樣品螺釘柱面副(J018～J021)(持續(xù)1 s)；T3為Z軸工作臺旋轉(zhuǎn)副(J012)(持續(xù)5 s)；T4為Z軸工作臺鎖定手柄滑動副(J017)(持續(xù)1 s)；T5為Z軸工作臺滑動副(J008)、Z軸手柄旋轉(zhuǎn)副(J009)、Z軸絲杠旋轉(zhuǎn)副(J010)及Z軸2-3傳動副(J011)(持續(xù)5 s)；T6為X軸工作臺滑動副(J001)、X軸絲杠旋轉(zhuǎn)副(J002)、X軸2-3傳動副(J003)、Y軸工作臺滑動副(J004)、Y軸絲杠旋轉(zhuǎn)副(J005)及Y軸2-3傳動副(J006)(持續(xù)10 s)；T7為X/Y軸的絲杠鎖定件旋轉(zhuǎn)副(J015～J016)(持續(xù)1 s)；T8為Y軸減速機輸出軸旋轉(zhuǎn)副(J007)和樣品手柄旋轉(zhuǎn)副(J014)(間隔2 s往復(fù)運動，持續(xù)14 s)。整個仿真運動共計38 s。

3.2.2 STEP函數(shù)驅(qū)動動畫仿真

本文利用STEP函數(shù)對比較復(fù)雜的減速機主軸驅(qū)動函數(shù)和比較典型的X軸絲杠運動函數(shù)進行仿真。減速機主軸(Y軸)驅(qū)動函數(shù)建立的具體方法如下：

在驅(qū)動界面中選擇函數(shù)選項，函數(shù)數(shù)據(jù)類型選擇速度，點擊選擇函數(shù)管理器step函數(shù)的定義，起格式為：STEP(x,x0,h0,x1,h1)。其參數(shù)說明如下：x為自變量，可以是time，也可以是time的函數(shù)時間；x0為自變量中STEP函數(shù)初始值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達式或設(shè)計變量；x1為自變量中step函數(shù)結(jié)束值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達式或設(shè)計變量；h0為step函數(shù)的初始值，可以是常數(shù)、設(shè)計變量或其他函表達式；h1為STEP函數(shù)的最終值，可以是常數(shù)、設(shè)計變量或其他函表達式[7]。

這里需要實現(xiàn)減速機主軸間隔2 s的往復(fù)運動，持續(xù)14 s，根據(jù)以上的定義可以寫出函數(shù)：STEP(time,24,0,24.001,45)+STEP(time,26,0,26.001,-45)+STEP(time,28,0,28.001,-45)+STEP(time,30,0,30.001,+45)+STEP(time,32,0,32.001,45)+STEP(time,34,0,34.001,-45)+STEP(time,36,0,36.001,-45)+STEP(time,38,0,38.001,+45)。函數(shù)實現(xiàn)微小時移區(qū)間0.01 s內(nèi)主軸速度從0°/s變?yōu)?5°/s，在14 s的時間內(nèi)完成兩次合閘分閘操作。

用相同的方法完成其余各個運動副的驅(qū)動之后，通過修改X、Y、Z三軸滑動副中嚙合原點的點對話框中的相關(guān)坐標(biāo)值可以使各軸都運動到指定位置。最后將解算方案中的時間修改為38 s，步數(shù)設(shè)為500，重新求解一次，完成系統(tǒng)的運動仿真過程。點擊動畫控制模塊中的導(dǎo)出至電影圖標(biāo)將運動仿真導(dǎo)出成avi格式的影片。其仿真過程如圖6所示。

3.3 仿真分析

啟動運動仿真過程,解算分析完成后，可以觀看試驗臺運動過程。從仿真過程可以看出,各機構(gòu)之間沒有發(fā)生相互碰撞、相互交錯的現(xiàn)象，運動穩(wěn)定，裝配達到了約束要求。在運動仿真動畫過程中可以觀察到:試驗開始撥桿逆時針旋轉(zhuǎn)90°，再順時針旋轉(zhuǎn)90°，完全模仿人的手工操作，傳動比符合設(shè)計要求，驗證了該試驗臺傳動機構(gòu)的設(shè)計正確性。

圖6 試驗臺工作過程仿真重點工位截圖

4 結(jié)語

本文運用UG NX軟件對通用試驗臺進行了機構(gòu)設(shè)計和運動仿真。首先準(zhǔn)確、快速地完成了試驗臺的三維建模，然后通過Motion模塊對其進行運動仿真。虛擬運動仿真分析表明，設(shè)計的試驗臺裝置各構(gòu)件運動平穩(wěn)，未發(fā)生干涉，其傳動符合設(shè)計要求；通過UG的STEP運動控制函數(shù)可以對運動時間進行控制,能夠?qū)C構(gòu)的運動時間和運動范圍的有效控制提供保障,為試驗臺優(yōu)化設(shè)計和電氣控制的軟件編寫提供依據(jù)。

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Test Process Simulation of A General Electric Appliance Test Bed

WAN Yu-jie, BI Xiang, PAN Gao

(School of Electro-mechenical and Architectural Engineering, Jianghan University, Wuhan 430056, China)

In order to improve the design efficiency of test equipment and reduce the cost of development, we used Motion module of UG NX software to set up the model of motion test bench, applying STEP motion function driving method to realize the motion process of test bed. The motion simulation results lays the basis for the design of the test bed and electrical control software, and provides a reference for other complex mechanical product design.

test bed; simulation analysis; STEP; UG NX

1672- 6413(2015)06- 0043- 03

2015- 01- 16；

2015- 08- 30

萬宇杰(1969-)，男，湖北孝感人，副教授，碩士，主要從事CAD/CAM、機電一體化、工程材料方向的教學(xué)研究工作。

TP391.9

A

武漢市屬高校教學(xué)研究項目(2013002)；江漢大學(xué)機電與建筑學(xué)院項目(JD008(2013))