涂祖蕾 高關(guān)勝

摘要：在機(jī)械設(shè)計(jì)中，常見的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件品種繁多，各有側(cè)重，如SoildWorks、ProE、Catia、UG等，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)自身設(shè)計(jì)領(lǐng)域、設(shè)計(jì)要求合理選擇適宜的設(shè)計(jì)軟件。UG軟件是三維設(shè)計(jì)軟件中的優(yōu)秀產(chǎn)品，在汽車制造、模具設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其造型靈活方便，曲面功能強(qiáng)大，集成了CAD、CAE、CAM等強(qiáng)大套件，可精確描述機(jī)械設(shè)計(jì)中各零件設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)動仿真等參數(shù)。本文深入分析了UG軟件各模塊功能，并以壓鑄機(jī)取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)分析零件建模、虛擬裝配、運(yùn)動仿真等過程，以期為機(jī)械設(shè)計(jì)研究提供有益參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);UG軟件;CAD;CAE;CAM

UG軟件（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的產(chǎn)品設(shè)計(jì)解決方案，可為用戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工過程提供數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段，可滿足用戶虛擬化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)需求及各種工業(yè)化需求。由于UG軟件是一種交互式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)，其功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體和造型建構(gòu)，能夠?yàn)镃NC加工、模具設(shè)計(jì)、二次開發(fā)設(shè)計(jì)等提供有效的設(shè)計(jì)平臺。如基于UG軟件刀具庫選擇初加工、半精加工、精加工等參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)刀具軌跡延伸、縮短、修改等設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工制造中按需設(shè)計(jì)。本文在研究UG軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究了機(jī)械設(shè)計(jì)中UG軟件CAD模塊、CAM模塊和CAE模塊功能，并結(jié)合齒輪減速器設(shè)計(jì)分析了UG軟件設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)內(nèi)容，以期為機(jī)械設(shè)計(jì)中UG軟件應(yīng)用提供有益參考。

1 UG軟件概述及特點(diǎn)

1.1 UG軟件概述

UG軟件是美國UGS公司研制的三維立體設(shè)計(jì)軟件，是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的輔助設(shè)計(jì)、研究、制造軟件。在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，UG軟件可按需生成三三維模型，并可在機(jī)械設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)有限元分析，從而顯著提高在機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性，為機(jī)械設(shè)計(jì)和數(shù)控機(jī)床加工、生產(chǎn)提供有力支持。同時，UG軟件可面向多個領(lǐng)域提供多類型開發(fā)模塊，支持多級用戶開發(fā)。借助UG軟件三維展示與設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、裝配式仿真、運(yùn)動仿真干預(yù)檢查、運(yùn)動軌跡干預(yù)檢查等，可及時發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)中的錯誤，確保機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)精確。此外，借助有限元分析，可對機(jī)械零件設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行判斷，當(dāng)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求時，可對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行二維設(shè)計(jì)和加工仿真驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證合格后直接用以機(jī)械設(shè)備加工生產(chǎn)。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)不滿足設(shè)計(jì)要求時，可根據(jù)設(shè)計(jì)反饋信息修改設(shè)計(jì)方案調(diào)整后后進(jìn)行有限元分析。通過UG軟件應(yīng)用，有效改善了傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)中僅能出具二維圖紙或二維裝配圖且無法準(zhǔn)確預(yù)測機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)行中各零件是否存在干涉、驅(qū)動力是否滿足、運(yùn)動部件行程是否達(dá)到要求等細(xì)節(jié)問題，防止機(jī)械設(shè)計(jì)中存在各種隱患和漏洞，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性、準(zhǔn)確性。

1.2 UG軟件特點(diǎn)

UG軟件具有顯著的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在（1）設(shè)計(jì)界面交互，改善了其他設(shè)計(jì)方法的局限性，提高了機(jī)械設(shè)計(jì)效率;（2）軟件操作界面可根據(jù)實(shí)際需求或個人偏好定制;（3）軟件可需求自由定制工具條;（4）UG軟件操作遵循動態(tài)交互原則，可通過簡單操作設(shè)計(jì)對象實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì);（5）實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員點(diǎn)擊操作次數(shù)顯著減少，有利于提高設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)效率;（6）智能化操作效率高，可快速完成目標(biāo)選擇任務(wù)，節(jié)省大量設(shè)計(jì)時間。

2 UG軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，UG軟件可根據(jù)其功能模塊劃分為CAD模塊、CAM模塊、CAE模塊等。

2.1 CAD模塊

CAD模塊可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件的基本操作，包括文件的打開、查看、存儲、著色、擴(kuò)大、縮放、測量、分析、布局等操作。由于機(jī)械設(shè)計(jì)中零件設(shè)計(jì)具有一定的差異性，各零件設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造存在顯著差異，但由于UG軟件具有簡單易學(xué)的阿特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際需求選擇工具欄內(nèi)工具或命令完成不同零件的參數(shù)化操作。同時，由于參數(shù)化設(shè)計(jì)與對應(yīng)命令之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，可快速、精準(zhǔn)完成設(shè)計(jì)修改，并在設(shè)計(jì)修改后無需再調(diào)整關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)即可自動調(diào)整，減少了關(guān)聯(lián)調(diào)整步驟和操作，有效避免了因遺漏其他操作而造成機(jī)械零件設(shè)計(jì)錯誤，為設(shè)計(jì)人員集中精力進(jìn)行零件設(shè)計(jì)提供了良好的條件，提高了機(jī)械零件設(shè)計(jì)的先進(jìn)性和可靠性。

2.2 CAM模塊

CAM模塊主要面向機(jī)械設(shè)計(jì)提供多種功能加工模塊，該模塊可在一定條件下滿足各級用戶觀察需求，觀察內(nèi)容包括刀具移動、圖形編輯、圖形修改等內(nèi)容。同時，該模塊包括多種加工和設(shè)計(jì)任務(wù)等程序，可實(shí)現(xiàn)的任務(wù)類型包括鉆孔、攻絲等，功能菜單可根據(jù)用戶實(shí)際需求修改或自定義菜單，可提高用戶設(shè)計(jì)中零件粗、精加工操作，并為參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化提供支持。

2.3 CAE模塊

CAE模塊是一種高度集成化的實(shí)用工具模塊，可在短時間內(nèi)完成零件有限元處理，完成設(shè)計(jì)階段零件設(shè)計(jì)有限元分析任務(wù)，并可通過設(shè)計(jì)優(yōu)化得到高品質(zhì)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，能夠在保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮短機(jī)械零件設(shè)計(jì)時間。CAE模塊可將零件設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為可用于有限元分析的工具，不僅可在設(shè)計(jì)模型上完成網(wǎng)格劃分，還能夠在特定條件下實(shí)現(xiàn)交互式劃分，能夠根據(jù)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)需求提供基本定義功能。在前后置處理完成后，CAE模塊可將在有限元分析結(jié)果輸出至以有限元為核心的解算器中并完成后續(xù)計(jì)算內(nèi)容，在計(jì)算完成后以圖形或動畫形式輸出設(shè)計(jì)結(jié)果，并可根據(jù)形式要求輸出云圖、等值線圖等形式，可滿足機(jī)械設(shè)計(jì)人員多元化需求。

3 基于UG軟件的壓鑄機(jī)取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以某壓鑄機(jī)取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，其設(shè)計(jì)過程為UG零件建模、虛擬裝配、運(yùn)動仿真等

3.1 零件建模

由于UG軟件具有良好的實(shí)體建模功能，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)零件外形繪制草圖，添加零件尺寸約束，并通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃面、放樣、切分、倒角、布爾運(yùn)算、抽殼等命令完成各零件設(shè)計(jì)（如圖1所示），并在零件裝配中及時發(fā)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)中尺寸參數(shù)存在的沖突問題并予以修改。在取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，機(jī)械零件裝置包括旋轉(zhuǎn)裝置、水平移動裝置、豎直移動裝置等，涉及的裝置運(yùn)動方式是電機(jī)驅(qū)動、齒輪齒條轉(zhuǎn)動、皮帶輪傳動、氣缸驅(qū)動等，需建模零件涉及機(jī)架、電機(jī)、氣缸、齒輪、齒條、卡爪、直線導(dǎo)軌等，經(jīng)繪制完成后放入取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件夾內(nèi)（如圖2所示）。

3.2 零件虛擬裝配

UG軟件提供了3種虛擬裝配方法，包括自底而上的裝配、自頂而下的裝配、混合裝配。

采用自底而上的裝配方式時，先創(chuàng)建部件幾何模型，再依次組合完成各零件裝配，最后生成裝配部件，完成整體裝配。該方法是機(jī)械設(shè)計(jì)中最為常見的設(shè)計(jì)方法;采用自上而下的裝配方式時，可在裝配層上建立零件模型，并在建立其他零件設(shè)計(jì)的同時完成裝配，即再裝配文件中創(chuàng)建零件模型;采用混合式裝配方式時，可根據(jù)裝配設(shè)計(jì)需求靈活選擇自底而上裝配或自頂而下的裝配方式。在該零件設(shè)計(jì)中采用混合式裝配方式，在裝置裝配完成后對每個零件進(jìn)行著色。以齒輪為例。齒輪裝配方式包括面結(jié)合、對齊、定向三種約束條件，當(dāng)約束條件不具備時無法完成齒輪嚙合，需要在嚙合齒輪上建立參考平面。建立參考平面時，先選中齒輪漸開線分度圓上一點(diǎn)，通過該點(diǎn)建立參考平面使其垂直于齒輪，即齒輪輪廓法線方向。并按相同方法在另一齒輪上設(shè)計(jì)參考平面，在兩個參考平面上建立相對關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)齒輪的嚙合。在虛擬裝配過程中，如發(fā)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)存在干涉或配合關(guān)系不合理的情況，應(yīng)返回三維零部件狀態(tài)修改，修改完成后繼續(xù)進(jìn)行虛擬裝配，通過不斷設(shè)計(jì)、裝配、修改和完善，直至整個裝配過程完成。

3.3 裝置運(yùn)動仿真

零件裝配為系統(tǒng)后，需對裝置運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析，檢查各零件運(yùn)動軌跡和運(yùn)動干涉情況，并通過三維動態(tài)仿真模擬真實(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動。動態(tài)仿真前，可對每個零件進(jìn)行編號處理，并將每個零件按序設(shè)置為運(yùn)動最小單元和副定義單元間運(yùn)動，零件間的運(yùn)動副主要包括旋轉(zhuǎn)副、移動副、圓柱副、齒輪副等，完成運(yùn)動副定義后可點(diǎn)擊UG軟件動畫按鈕觀察零件運(yùn)動軌跡，并借助Interference功能檢查裝置運(yùn)動干涉，并可借助Aninmation選項(xiàng)獲得運(yùn)動過程速度、加速度等參數(shù)。在該裝置運(yùn)動仿真中，創(chuàng)建相對運(yùn)動部件集合共計(jì)7個連桿，包括固定機(jī)架部分、水平橫移部分、豎直部分、機(jī)械手水平旋轉(zhuǎn)部分、機(jī)械手豎直旋轉(zhuǎn)部分和卡爪開團(tuán)部分，并按需加載模型材料特性，包括材料力學(xué)特性、彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)，并根據(jù)裝置機(jī)構(gòu)動作設(shè)置運(yùn)動副，包括滑動副、旋轉(zhuǎn)副、齒輪副、齒輪條副，設(shè)置每個運(yùn)動副時間函數(shù)，設(shè)計(jì)每個周期內(nèi)完成所有運(yùn)動參數(shù)。

3.4 添加機(jī)構(gòu)載荷

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真后，為確保裝置設(shè)計(jì)與真是的工程狀態(tài)相符，可通過向機(jī)構(gòu)添加一定的外載荷使其運(yùn)動狀態(tài)與真實(shí)狀態(tài)相吻合。在取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可在機(jī)構(gòu)兩連桿、運(yùn)動副或連桿與機(jī)架之間添加機(jī)構(gòu)載荷，用于模擬兩個零件之間的彈性連接、模擬彈簧和阻尼狀態(tài)，并對機(jī)構(gòu)傳動力、原動力等多零件之間的相互作用進(jìn)行檢查。

3.5 運(yùn)動驅(qū)動、關(guān)鍵運(yùn)動與運(yùn)動仿真

運(yùn)動驅(qū)動是裝置產(chǎn)生運(yùn)動的原動力。根據(jù)運(yùn)動驅(qū)動形式可分為恒定驅(qū)動、 簡諧運(yùn)動驅(qū)動、運(yùn)動函數(shù)、關(guān)節(jié)運(yùn)動驅(qū)動等。取料手機(jī)構(gòu)為低速機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)齒輪轉(zhuǎn)速速率為10r/min即可滿足裝置功能需求。在設(shè)置運(yùn)動驅(qū)動、關(guān)節(jié)運(yùn)動和運(yùn)動仿真時，需要設(shè)定的運(yùn)動時間和解算步數(shù)越多，其分析結(jié)果越準(zhǔn)確，但其花費(fèi)的時間也越多。

3.6 仿真結(jié)果輸出

運(yùn)動仿真分析時，仿真結(jié)果輸出生成一組數(shù)據(jù)表，可記錄整個仿真過程中各零件位移、速度、加速度、受力等參數(shù)信息，仿真結(jié)果可以表格或圖形形式輸出，設(shè)計(jì)人員咋可根據(jù)輸出結(jié)果分析裝置設(shè)計(jì)成果。

4 結(jié)論

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，虛擬設(shè)計(jì)是一種全新的設(shè)計(jì)理念，是當(dāng)前技術(shù)革新的重要標(biāo)志，UG軟件高度集成了CAD、CAM、CAE等模塊，具有強(qiáng)大的建模分析能力，可利用其裝配功能可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)模擬裝配、干涉檢查、機(jī)構(gòu)仿真等功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)中存在的錯誤，減少因設(shè)計(jì)錯誤造成的各種問題，縮短機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)周期，并通過有限元分析、運(yùn)動分析、運(yùn)動仿真等功能對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性研究，對機(jī)械產(chǎn)品在質(zhì)量和性能具有積極的促進(jìn)作用。

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作者簡介：涂祖蕾 性別：女 年月： 1978年9月 民族：漢族 籍貫：云南昭通 學(xué)歷： 碩士研究生，職稱：講師? ?研究方向：機(jī)械制造及自動化