基于UG的車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

宋　強(qiáng)

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210023）

基于UG的車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

宋強(qiáng)

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210023）

介紹了運(yùn)用UG軟件完成車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真。首先運(yùn)用UG中的CAD模塊完成各組成部件的三維建模，接著進(jìn)入裝配模塊將各個(gè)組件按照裝配原則裝配起來，最后運(yùn)用UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊，模擬其運(yùn)動(dòng)過程，使運(yùn)動(dòng)結(jié)果符合實(shí)際機(jī)床應(yīng)用，提高其可靠性。

UG縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)建模運(yùn)動(dòng)仿真

引言

臥式車床是金屬切削加工設(shè)備中較為廣泛的一種，在工作中運(yùn)用刀具和工件的相對運(yùn)動(dòng)完成多余金屬去除，使之形成符合圖紙要求的形狀和尺寸。在其運(yùn)動(dòng)過程中，縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是典型的運(yùn)動(dòng)形式之一。本文以CAD/CAM/CAE一體化的集成軟件UG為工具，完成車床工作臺(tái)縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真的過程。

UG軟件在汽車、交通、航空航天、日用消費(fèi)品、通用機(jī)械及電子工業(yè)等工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。其具有很好的人機(jī)對話界面，在設(shè)計(jì)與分析過程中展現(xiàn)出很強(qiáng)的交互性、集成性特點(diǎn)。不僅具有強(qiáng)大的曲面造型、實(shí)體造型和虛擬裝配等設(shè)計(jì)功能，而且可以對整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力學(xué)分析，以提高設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性［2］。

圖1　刀座

圖2　X軸底座

圖3　絲杠螺母

圖4　絲杠

圖5　主軸

圖6　導(dǎo)軌

圖7　齒輪

圖8　主軸靠板

1　車床三維建模

在CAD造型模塊中，通常情況下選用實(shí)體建模和特征建模的功能。實(shí)體建模通常采用基于約束條件的特征建模和顯性幾何建模兩種方法，提供各種綜合建模的方法，幫助用戶快捷地建立二維和三維線框模型、運(yùn)用掃描和旋轉(zhuǎn)實(shí)體、布爾運(yùn)算及其表達(dá)式等形式［3］。實(shí)體建模是進(jìn)行特征建模和自由形狀建模的重要基礎(chǔ)。而特征建模是基于位置尺寸驅(qū)動(dòng)編輯參數(shù)化定義的特征，常用的特征建模方法包括圓錐、圓臺(tái)、球、圓柱、腔體、鍵槽、倒圓角、凸臺(tái)及孔、倒角等。

1.1各組件建模

臥式車床主要由主軸機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀架、尾架、絲杠和床身等部件組成，首先在二維草圖繪制功能下，設(shè)計(jì)出各個(gè)組成部件的CAD圖形，然后運(yùn)用修剪功能、約束功能、旋轉(zhuǎn)功能、鏡像功能、拉伸功能、裁剪功能、布爾求和功能、布爾求差功能、并插入設(shè)計(jì)特征中孔、螺紋、鑄齒輪建模等軟件操作完成三維造型。各主要組成部件的三維建模成型圖，如圖1～圖8所示。

1.2車床裝配

裝配模塊是在UG中是一個(gè)重要的應(yīng)用模塊，它的主要用途是建構(gòu)局部的各個(gè)部件的子裝配、生成裝配圖紙的零件明細(xì)表并完成整個(gè)產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)。由于UG軟件提供的是模擬真實(shí)產(chǎn)品裝配過程，因此屬于虛擬裝配方式［5］。在整個(gè)裝配環(huán)境下，將之前設(shè)計(jì)好的組件與裝配基體進(jìn)行定位約束方式的設(shè)置，目的是檢驗(yàn)各個(gè)組成部件是否符合設(shè)計(jì)產(chǎn)品的形狀和尺寸等設(shè)計(jì)要求，而且運(yùn)用裝配樹可以查看設(shè)計(jì)結(jié)果內(nèi)部各部件之間的位置關(guān)系和約束關(guān)系。根據(jù)車床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過運(yùn)用裝配約束功能中的“接觸對齊”、“平行”、“距離”、“中心”等功能，首先完成機(jī)床各個(gè)組成模塊的子裝配圖，如下圖9～圖11所示，最后將各個(gè)子裝配在基體上裝配起來，進(jìn)而形成完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的裝配，如圖12所示。

圖9　絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)

圖10　導(dǎo)軌滑臺(tái)機(jī)構(gòu)

圖11　主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖12　機(jī)床結(jié)構(gòu)

2　車床縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)動(dòng)仿真模塊是UG/CAE（Computer Aided Engineering）模塊中的主要功能模塊［4］，首先運(yùn)用UG/Modeling的功能建立三維實(shí)體造型，接著根據(jù)車床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，將三維實(shí)體模型中的各個(gè)組成部件賦予特定的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，并使各個(gè)組成部件之間建立一定的聯(lián)接關(guān)系，最后就可以建立一個(gè)整體式的運(yùn)動(dòng)仿真模型，通過仿真時(shí)間的設(shè)置，就可以對這個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)分析，從而驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2.1創(chuàng)建連桿和運(yùn)動(dòng)副

在該縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中，主要將主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)作為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，通過主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)裝配齒輪副的轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)與螺母固定刀架臺(tái)縱向移動(dòng)，而主軸的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，使刀架臺(tái)作正向或反向的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在設(shè)置過程中，點(diǎn)擊“連桿”命令，選擇主軸、三個(gè)傳動(dòng)齒輪、絲杠、螺母、底座、刀架臺(tái)，在“Links”選項(xiàng)中生成L001～L008，運(yùn)動(dòng)副將機(jī)構(gòu)中的各個(gè)連桿聯(lián)接在一起，從而使相關(guān)連桿做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副通常情況下具有允許所需運(yùn)動(dòng)和限制不需要運(yùn)動(dòng)的功能。根據(jù)車床縱向進(jìn)給傳動(dòng)特點(diǎn)，創(chuàng)建J001、J005為旋轉(zhuǎn)副，J002～J004為齒輪副，J006～J008為滑動(dòng)副。

2.2定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)

在定義各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的“驅(qū)動(dòng)”時(shí)，注意齒輪副通常是不能夠定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)和位置極限，但是對于旋轉(zhuǎn)副來講，其驅(qū)動(dòng)是完全能夠定義的。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，對于創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)副可以設(shè)置位移、速度及加速度等形式的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。在本文中運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)副J001，選擇“恒定驅(qū)動(dòng)”，并設(shè)定其初始速度以45°/s的速度進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3運(yùn)動(dòng)仿真

ADAMS解算是UG運(yùn)動(dòng)仿真和分析的核心。打開“結(jié)算方案”功能，選擇“常規(guī)驅(qū)動(dòng)”選項(xiàng)，分析類型選擇“運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)”，輸入時(shí)間16s（相當(dāng)于主軸旋轉(zhuǎn)2圈），步數(shù)200，完成“重力指定方向”設(shè)置，勾選“通過按確定進(jìn)行解算”選項(xiàng)，如圖13所示。UG中提供了可以采用“動(dòng)畫”的形式表現(xiàn)縱向進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)仿真過程，如圖14所示。點(diǎn)擊“播放”按鈕，就可以得到工作臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)的實(shí)際工作狀態(tài)，如圖15～圖16所示。

圖13　結(jié)算方案設(shè)置

圖14　動(dòng)畫播放

圖15　工作臺(tái)位置1

圖16　工作臺(tái)位置2

2.4縱向運(yùn)動(dòng)特性分析

當(dāng)完成上述運(yùn)動(dòng)過程仿真后，就可以點(diǎn)擊“作圖”命令，選擇J007（縱向工作臺(tái)）為運(yùn)動(dòng)對象，在“請求”功能下選擇“位移”選項(xiàng)，組件功能選擇“幅值”選項(xiàng)，Y軸定義點(diǎn)擊添加，即可生成位移時(shí)間圖表，如圖17所示。相對應(yīng)的也可以得到速度，力，加速度等的各種圖表。通過此表可做為判斷相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的參考依據(jù)。

圖17　縱向運(yùn)動(dòng)位移圖表

3　結(jié)束語

利用UG的建模和仿真功能，完成車床縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，通過相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系的設(shè)置，得出工作臺(tái)中關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性曲線，數(shù)據(jù)真實(shí)地反映工作臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)。通過該方法驗(yàn)證了所建立的模型的正確性，在整個(gè)設(shè)計(jì)階段中，也可以直觀地觀察產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能存在的不合理因素，對產(chǎn)品模型進(jìn)行不斷修改，不斷完善，直到達(dá)到符合預(yù)期的結(jié)果為止［6］。運(yùn)用軟件可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，減少相應(yīng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用，更加方便地研究機(jī)構(gòu)在各種條件下能夠發(fā)生的運(yùn)動(dòng)情況。

［1］羅春陽.UG NX 4.0基礎(chǔ)培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010，06.

［2］王衛(wèi)兵.UG NX機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真與優(yōu)化［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014，10.

［3］何冰強(qiáng)，劉顯龍.UG NX7.5工程建模與裝配［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012，06.

［4］曹巖.UG NX7.0裝配與運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)例教程［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010，09.

［5］項(xiàng)智博.UG NX8.0運(yùn)動(dòng)仿真快速入門、進(jìn)階與精通 ［M］.北京：電子工業(yè)大學(xué)出版社，2015，01.

［6］史永芳，朱茂華.基于UG的汽車傳動(dòng)軸的三維建模及仿真［J］.現(xiàn)在制造技術(shù)與裝備，2014，06：65-67.

LatheLong itudinalFeedMechanismDesignand Motion Simulation Based on UG

SONG Qiang
（Nanjing College of Information Technology，Nanjing，210023）

The paper introduced a method for Using UG software to complete the vertical lathe of longitudinal feed mechanism and motion simulation.First use UG CAD module to complete the various components of the three-dimensional modeling，then assembly into the module assembled of longitudinal feed part，finally use the motion simulation module to show its movement process，make the movement result conforms to the practical application，improve its reliability.

UG，longitudinal feed mechanism，modeling，motion simulation

院科研基金項(xiàng)目（YK20150201）。