基于UG NX8.0的數(shù)控銑鉆床虛擬設(shè)計(jì)制造研究
2018-7-24 來(lái)源： 河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院 作者：劉曉超
摘要：運(yùn)用UG NX8.0軟件構(gòu)建數(shù)控銑鉆床機(jī)械部分的三維實(shí)體模型，并對(duì)其進(jìn)行裝配，在UG NX8.0環(huán)境下進(jìn)行了虛擬裝配干涉檢驗(yàn)、仿真運(yùn)動(dòng)及零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成了數(shù)控銑鉆床的虛擬設(shè)計(jì)。通過(guò)虛擬設(shè)計(jì)，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)效率及節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本，提高了數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)制造安全可靠性。
關(guān)鍵詞：數(shù)控銑鉆床；UG建模；虛擬裝配
0 引言
傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，設(shè)計(jì)與制造過(guò)程是按照一定步驟依次進(jìn)行，各個(gè)部件制造完成后再進(jìn)行裝配，在裝配過(guò)程中，當(dāng)零部件之間裝配不成功后，只能返回重新設(shè)計(jì)，制造零部件，生成樣品，重新用真實(shí)裝配來(lái)檢驗(yàn)。因此，傳統(tǒng)方式開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，制造成本高，不能滿足現(xiàn)代企業(yè)對(duì)于產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、制造、盡快投放新產(chǎn)品到市場(chǎng)的要求。這就要求充分利用快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，提高產(chǎn)品的信息技術(shù)含量和創(chuàng)新能力，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)多樣化、柔性化和個(gè)性化，最終提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力 。
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)械制造領(lǐng)域中，零部件如何加工、裝配、各零部件是否發(fā)生干涉等都能在虛擬裝配環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，借助虛擬技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就能了解設(shè)計(jì)結(jié)果的裝配性。本文運(yùn)用UGNX 的虛擬設(shè)計(jì)制造功能，建立數(shù)控銑鉆床關(guān)鍵零部件的三維模型并進(jìn)行裝配、進(jìn)行干涉檢驗(yàn)、虛擬仿真優(yōu)化，為產(chǎn)品的真實(shí)制造打下基礎(chǔ)。
數(shù)控銑鉆床是三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，該機(jī)床可分別實(shí)現(xiàn)鉆削、銑削、鏜孔、鉸孔，即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)鏜孔又可精確、高效地完成三維的各種復(fù)雜曲面如樣板、沖模、弧形槽等零件的自動(dòng)加工。它的機(jī)械部分包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。運(yùn)用 UG NX8.0 軟件，設(shè)計(jì)人員可以在制造真實(shí)數(shù)控銑鉆床之前建立整個(gè)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，然后模擬機(jī)床的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，就可以在機(jī)床的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的不足、缺陷，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。
1、虛擬裝配及建模設(shè)計(jì)流程
一個(gè)產(chǎn)品往往是由多個(gè)部件組合而成的，裝配模塊用來(lái)建立部件間的相對(duì)位置關(guān)系，從而形成復(fù)雜的裝配體。部件間位置關(guān)系的確定主要通過(guò)添加約束來(lái)實(shí)現(xiàn)。虛擬裝配是建立各組件的鏈接，裝配體與組件是一種引用關(guān)系。
虛擬裝配的優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。
（1） 虛擬裝配中的裝配體是引用各組件的信息，不是復(fù)制其本身，因不是復(fù)制其本身，因此改動(dòng)組件時(shí)，相應(yīng)的裝配體也自動(dòng)更新；這樣當(dāng)組件進(jìn)行變動(dòng)時(shí)，就不需要
對(duì)與之相關(guān)的裝配體進(jìn)行修改，同時(shí)也避免了修改過(guò)程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，提高了效率。
（2） 虛擬裝配中，各組件通過(guò)鏈接應(yīng)用到裝配體中，比復(fù)制節(jié)省了存儲(chǔ)空間。
（3） 控制部件可以引用集的引用，下層部件不需要在裝配體中顯示，簡(jiǎn)化了組件的引用，提高了顯示速度。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，數(shù)控銑鉆床的虛擬設(shè)計(jì)過(guò)程概括起來(lái)分為產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)、裝配建模及運(yùn)動(dòng)分析三個(gè)階段。其具體流程如圖1 所示。
2、數(shù)控銑鉆床的三維建模
建立模型主要用到繪制輪廓圖、拉伸、孔定位、肋板、求和、求差等命令，分別完成主軸箱、立柱、基座、工作臺(tái)等零部件。
通過(guò)分析整個(gè)數(shù)控銑鉆床和零件造型設(shè)計(jì)，以及各部分功用，可將裝配分成以下三步完成：一、主軸箱的裝配 ；二、立柱的裝配；三、基座、工作臺(tái)的裝配。
三部分部件裝配完成后，運(yùn)用裝配約束里邊的配對(duì)、中心、平行、距離等約束條件，完成銑鉆床的裝配，完成后的裝配體如圖2所示。
3、數(shù)控銑鉆床的運(yùn)動(dòng)仿真
整個(gè)數(shù)控銑鉆床，為完成零件的自動(dòng)加工，必須涉及到以下重要零部件的運(yùn)動(dòng)：一、主軸箱的Z向沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)；二、水平工作臺(tái)的左右X向移動(dòng)；三、滑座的前后Y向移動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)，需要有交流異步電機(jī)及伺服電機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)絲杠，來(lái)完成主軸箱、工作臺(tái)的平移。另外，通過(guò)齒輪的傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)和變速。本設(shè)計(jì)采用UG NX
機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊Motion進(jìn)行仿真分析，可以極其方便地對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真、驗(yàn)證、修改、優(yōu)化，最終完成整體的運(yùn)動(dòng)仿真模擬。其具體過(guò)程如下。
（1） 選擇軟件界面開(kāi)始、運(yùn)動(dòng)仿真命令，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真界面，單擊“運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器”，鼠標(biāo)右擊運(yùn)動(dòng)仿真圖標(biāo)as sembly 圖標(biāo)，選擇新建仿真，打開(kāi)“環(huán)境”對(duì)話框，單擊
確定按鈕，激活運(yùn)動(dòng)工具欄。
（2） 創(chuàng)建連桿，分別設(shè)定基座、立柱為固定連桿L001，滑座為連桿 L002，工作臺(tái)為連桿 L003。
（3） 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副，設(shè)定基座、立柱為固定副J001，滑座為滑動(dòng)副 J002，工作臺(tái)為滑動(dòng)副 J003，并設(shè)定阻尼器、彈簧。
（4） 在“運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器”上motion-1右擊鼠標(biāo)，選擇新解算方案，設(shè)置時(shí)間為1 s，步數(shù)為50及其他參數(shù)設(shè)置。
（5） 在導(dǎo)航器文件 solution 上右擊鼠標(biāo)，單擊“求解”按鈕，求解出當(dāng)前解算方案的結(jié)果。單擊“播放”工具按鈕，運(yùn)動(dòng)開(kāi)始。從仿真運(yùn)動(dòng)圖上很容易看到，滑座和
工作臺(tái)分別沿著導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
（6） 重復(fù)以上有關(guān)步驟，分別設(shè)定床身、立柱為固定連桿 L001，主軸箱為連桿 L002，并設(shè)定對(duì)話框中有關(guān)參數(shù)。設(shè)定床身、立柱為固定副J001，主軸箱為滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)副J002
及其他參數(shù)，在“運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器”上 motion-2 右擊鼠標(biāo)，選擇新解算方案，設(shè)置時(shí)間為 1 s，步數(shù)為 50 及其他參數(shù)設(shè)置。觀察“動(dòng)畫(huà)”，主軸箱沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)。
4、工作臺(tái)仿真運(yùn)動(dòng)圖表輸出結(jié)果分析
圖表命令輸出能對(duì)機(jī)構(gòu)仿真的結(jié)果生成直觀的圖表數(shù)據(jù)。圖表輸出的是獨(dú)立的仿真解算器，輸出的為圖形分析。在此僅給出工作臺(tái)的位移、速度、加速度的運(yùn)動(dòng)圖表分析。
圖 3～5 表明工作臺(tái)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中位移、速度、加速度等的情況。在參數(shù)設(shè)置中設(shè)定了，如果發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，運(yùn)動(dòng)將停止，從整個(gè)圖表中來(lái)看，運(yùn)動(dòng)一直進(jìn)行，沒(méi)有干涉，運(yùn)動(dòng)良好。即沒(méi)有發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，設(shè)計(jì)合格，裝配合格。如果存在干涉問(wèn)題，可對(duì)模型進(jìn)行修改，直到消除干涉現(xiàn)象。
5、主軸有限元分析及優(yōu)化
在銑鉆床工作過(guò)程中，主軸承擔(dān)著主要的切削力，主軸的尺寸設(shè)計(jì)如何，將直接決定著切削強(qiáng)度、硬度。因此，將主要對(duì)主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以檢驗(yàn)主軸是否滿足切削加工及尺寸的合理性。
（1） 創(chuàng)建有限元模型：創(chuàng)建有限元網(wǎng)格化模型，生成有限元網(wǎng)格，為確保分析過(guò)程合理又節(jié)省時(shí)間，需要對(duì)網(wǎng)格化的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)定，指派材料屬性及劃分網(wǎng)格。零件材料為40Gr，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為≥785 MPa，極限抗拉強(qiáng)度≥980 MPa，彈性模量211 GPa。如圖6為網(wǎng)格化后的模型 。
（2） 查看分析結(jié)果：分析向?qū)В砑訆A具，以主軸上配合刀柄內(nèi)表面為摩擦受力面，主軸鍵槽兩側(cè)面為力偶受力面，總載荷為 6 530 N （按照 Y100-4 型電機(jī)最小轉(zhuǎn)速
40 r/min計(jì)算所得）。模型后選擇算例的“運(yùn)行設(shè)計(jì)情形”項(xiàng)，對(duì)參數(shù)分析，可以在報(bào)告及結(jié)果中查看各項(xiàng)分析結(jié)果，包括主軸的安全系數(shù)、應(yīng)力分布、位移情形都可以生成最終報(bào)告如圖。
圖7所示為有限元分析應(yīng)力、變形形狀分布結(jié)果圖。
（3） 主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化：主軸優(yōu)化目的是找到最佳的優(yōu)化部位尺寸，減少主軸質(zhì)量，主軸優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算將以設(shè)定的范圍尺寸為基礎(chǔ)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中 40Gr 設(shè)定安全系數(shù)為
1.5，優(yōu)化后主軸質(zhì)量減少，檢驗(yàn)優(yōu)化后的安全系數(shù)為1.8，尺寸滿足要求，優(yōu)化后的主軸如圖8所示。
6、結(jié)語(yǔ)
UG NX8.0 軟件為數(shù)控銑鉆床的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)高效的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其虛擬設(shè)計(jì)、裝配及仿真技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品數(shù)字化開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法，是多個(gè)相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。通過(guò)軟件在計(jì)算機(jī)上方便地確定、修改設(shè)計(jì)參數(shù)，逐步優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。這種可虛擬化設(shè)計(jì)、裝配和仿真運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，節(jié)省了建立真實(shí)試驗(yàn)平臺(tái)、生產(chǎn)樣機(jī)、安裝測(cè)試設(shè)備和儀表等有關(guān)的費(fèi)用，更快地確定了影響設(shè)計(jì)方案性能的參數(shù)，達(dá)到了最優(yōu)化設(shè)計(jì)目的且提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高了數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)制造安全可靠性。
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