基于UG軟件的虛擬仿真實驗研究與分析

楊武成，馬翔宇，孫俊茹，譚傳洲

(西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710077)

0 引言

在公差實驗中，長度測量實驗[1]是必做實驗項目。實驗過程中，主要是讓學(xué)生先了解各種長度測量工具[2]的原理，然后實際動手進(jìn)行各種測量方法和測量步驟的訓(xùn)練。因儀器使用方式和讀數(shù)準(zhǔn)確度的影響，常常導(dǎo)致一些隨機(jī)誤差[3]產(chǎn)生和儀表的損壞。而公差實驗中長度測量所用到的量具大多是游標(biāo)卡尺、千分尺和高度尺[4]，實驗中由于操作失誤[5]、操作者讀數(shù)誤差[6]、儀器磨損[7]、儀器測量精度[8]等原因很容易產(chǎn)生較大的誤差，且這些常見的誤差不易被消除。針對教學(xué)中公差實驗的改革，國內(nèi)很多學(xué)者做了相關(guān)研究。楊琪文簡述了測量數(shù)據(jù)中粗大誤差的概念，分析了粗大誤差產(chǎn)生的原因和消除方法，介紹了如何根據(jù)3σ準(zhǔn)則在測量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)并剔除粗大誤差[9]。關(guān)于公差實驗測量中產(chǎn)生誤差的研究文獻(xiàn)較少，大多是對公差實驗的教學(xué)方法進(jìn)行改革。王穎淑等人介紹了公差CAI實驗教學(xué)軟件系統(tǒng)，其中包括實驗原理、實驗操作、數(shù)據(jù)處理、實驗報告、自測題庫五部分，并結(jié)合實際教學(xué)進(jìn)一步論證了公差CAI實驗教學(xué)軟件在實驗教學(xué)中的作用。另外指出，將CAI與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合已成為現(xiàn)代教學(xué)的重要手段[10]。潘淑清針對實驗課教學(xué)質(zhì)量在工科機(jī)械類專業(yè)公差課程學(xué)習(xí)中的重要性，提出實驗儀器的改造和實驗方法的改革。通過改革，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，取得了良好的教學(xué)效果[11]。李益林結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)，對實驗教學(xué)實施拓展以加強(qiáng)實踐教育為教學(xué)重點(diǎn)的指導(dǎo)思想，最大限度地開設(shè)各類內(nèi)容不同的實驗項目與實驗室半開放形式相結(jié)合，保證學(xué)生有足夠的實踐操作時間[12]。丁愛玲等人研究開發(fā)了適用于公差實驗教學(xué)的計算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)軟件方法，以Visual Basic6.0為主要開發(fā)工具，綜合應(yīng)用文字、圖表、聲音、動畫等多媒體技術(shù)，設(shè)計了該應(yīng)用軟件。結(jié)論表明：該軟件已滿足部分實驗內(nèi)容的CAI教學(xué)，經(jīng)過進(jìn)一步的擴(kuò)展和完善，可在公差實驗教學(xué)中使用[13]。湯漾平等人為了滿足機(jī)械制造專業(yè)形位公差測量實驗教學(xué)的需求，設(shè)計并制造了一套新型的形位公差綜合測量設(shè)備，該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)備的局限性。在分析形位公差測量原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了該設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣結(jié)構(gòu)以及軟件設(shè)計原理。該設(shè)備在該校機(jī)械制造專業(yè)教學(xué)實驗應(yīng)用結(jié)果表明，該設(shè)備相比于傳統(tǒng)設(shè)備可以有效地提高機(jī)械零件典型形位公差測量實驗的效率[14]。上述文獻(xiàn)表明了公差實驗的改革方式與特點(diǎn)，且大多對實驗設(shè)備進(jìn)行了改革，或者設(shè)計一種與公差實驗相匹配的測量裝置。針對以上情況，本文提出了基于UG軟件的虛擬仿真實驗研究與分析，結(jié)合UG軟件的建模和運(yùn)動仿真等特性，對常用的測量工具游標(biāo)卡尺、圓度尺和千分尺等進(jìn)行建模，對測量工具的虛擬實驗進(jìn)行探究。

1 虛擬仿真實驗方案

采用UG軟件中的運(yùn)動仿真模塊[15]進(jìn)行長度測量實驗的仿真，運(yùn)動仿真模塊提供了運(yùn)動仿真和評估機(jī)械系統(tǒng)的最大位移復(fù)雜運(yùn)動的工具，并且結(jié)果可以生成表格，能很清楚的知道每一時刻的各種參數(shù)值，這樣就避免了因為讀數(shù)而引起的誤差。被測物體是被約束的裝配體，避免了因為被測物體和量具擺放引起的誤差。量具也是根據(jù)實測出來的尺寸進(jìn)行建模的，而且在仿真過程中不會出現(xiàn)失靈的問題，避免了因為儀器本身而引起的誤差。

2 長度測量量具的建模

用于長度測量實驗的量具種類有很多，如游標(biāo)卡尺、千分尺、高度尺等，而在做長度測量公差實驗的時候，會出現(xiàn)許許多多的誤差，這些誤差有的是不可避免的，因此會使得測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。而如果采用軟件進(jìn)行長度測量公差實驗的虛擬仿真實驗，就可以很大程度的減小誤差，達(dá)到公差實驗精密測量的要求。

2.1 游標(biāo)卡尺的建模

本次建模選取量程200mm、精度0.02mm的普通游標(biāo)卡尺，能直接測量物體的長度、內(nèi)徑、外徑。主要結(jié)構(gòu)：內(nèi)測量爪、外測量爪、尺身、游標(biāo)尺、推把、固定螺釘、深度尺。游標(biāo)卡尺的讀數(shù)方法：先在主尺尺身上讀出游標(biāo)尺上0刻度線前和0刻度線對齊的數(shù)值，再在游標(biāo)尺上找出與主尺刻度線對齊的刻度，兩部分?jǐn)?shù)值之和即為游標(biāo)卡尺完整的讀數(shù)。

對游標(biāo)卡尺建模之前先對其進(jìn)行測量，按照1：1的比例在UG中進(jìn)行建模。尺寸經(jīng)過測量實際的游標(biāo)卡尺得出，對其進(jìn)行約束、標(biāo)注尺寸，建立的游標(biāo)卡尺模型如圖1所示。

圖1游標(biāo)卡尺模型圖

2.2 螺旋千分尺的建模

螺旋千分尺為25mm量程，千分尺的精度比游標(biāo)卡尺高，可以達(dá)到毫米的千分位上。螺旋測微器是根據(jù)將螺紋放大到圓柱面上的原理制造而成的，具體原理是螺桿在螺母中轉(zhuǎn)動一周，螺桿便沿著旋轉(zhuǎn)軸的軸向方向前進(jìn)或者后退一個螺距的距離。因此，沿軸線方向移動的微小距離，就能利用圓周上的可動刻度讀取出來。螺旋測微器的精密螺紋的螺距是0.5mm，可動刻度有50個等分刻度，可動刻度旋轉(zhuǎn)一周，測微螺桿可前進(jìn)或后退0.5mm。因此，可動刻度盤每個小分度相當(dāng)于將螺桿前進(jìn)或者后退的距離等分為50等份，即0.5/50=0.01mm，由此可得可動刻度盤每一小格表示0.01mm，所以以螺旋測微器可精確到0.01mm，因為還能再估讀一位，可讀到毫米的千分位，故又名千分尺。

千分尺建模時主要分為兩部分：第一部分包括尺架、測砧、固定套筒等在測量中不動的部分；第二部分為在測量中需要運(yùn)動的部分，如測微螺桿、微分筒等。將兩部分模型進(jìn)行裝配，使用的約束有兩個測頭的接觸約束；螺桿和固定套筒的同心約束。保證歸零時兩個零刻度線對齊，總裝配圖如圖2所示。

圖2 螺旋千分尺總裝配圖

2.3 高度尺的建模

高度尺也被稱為高度游標(biāo)卡尺，主要結(jié)構(gòu)有平板、固定尺身、測爪、游標(biāo)等，它的原理和普通游標(biāo)卡尺相同，主要用途是測量工件的高度，另外也經(jīng)常用于物體的形位誤差測量，有時也用于劃線。它的使用方法：(1)歸零；(2)測量、劃線。

在建模之前同樣也需要對高度尺進(jìn)行實際測量，并且在UG里面按照1:1的比例對高度尺進(jìn)行建模，模型如圖3所示。

圖3 高度尺總裝配圖

3 基于UG的虛擬仿真分析

仿真實驗方案主要包括連桿選擇，運(yùn)動副的設(shè)置，驅(qū)動的設(shè)置以及時間與步數(shù)的設(shè)定。在設(shè)置完成之后會生成一個動畫，這時需要設(shè)置干涉檢查，當(dāng)兩個物體觸發(fā)干涉后運(yùn)動即刻停止。

3.1 仿真過程中運(yùn)動副驅(qū)動方案的確定

運(yùn)動副是兩個連桿直接接觸并能產(chǎn)生相對運(yùn)動的活動連接，而在仿真過程中，需要對運(yùn)動副設(shè)置驅(qū)動，使運(yùn)動副能夠輸出運(yùn)動并且作用于連桿，使連桿產(chǎn)生運(yùn)動。

3.1.1 驅(qū)動方式的分類與確定

仿真模塊提供了5種運(yùn)動副的驅(qū)動。

(1)無：即表示此運(yùn)動副沒有驅(qū)動，它將會在其他連桿的作用下而運(yùn)動；

(2)恒定：即表示此連桿按照一定的初位移、初速度或者恒定的加速度運(yùn)動；

(3)簡諧：表示該連桿按照一定的幅值、頻率、相位角、位移進(jìn)行簡諧振動運(yùn)動；

(4)函數(shù)：表示該連桿按照設(shè)置的函數(shù)進(jìn)行運(yùn)動；

(5)鉸鏈運(yùn)動驅(qū)動：表示按照轉(zhuǎn)動副的形式進(jìn)行驅(qū)動。

給運(yùn)動副設(shè)置的驅(qū)動只表示運(yùn)動副的運(yùn)動狀態(tài)，與物體的受力無關(guān)。依據(jù)仿真的要求，選擇STEP函數(shù)驅(qū)動。

3.1.2 STEP函數(shù)的應(yīng)用

STEP函數(shù)是遞加遞減類型的函數(shù)，它的基本格式為：

STEP(X,X0,Y0,X1,Y1)

其中，X：橫坐標(biāo)定義(一般為時間)；

X0：時間開始的起點(diǎn)；

Y0：開始遞加或者遞減的初始數(shù)值；

X1：時間結(jié)束的終點(diǎn)時刻；

Y1：相對于Y0結(jié)束時位置遞加或者遞減的數(shù)值。

3.2 仿真方案的確定

采用UG軟件提供的運(yùn)動仿真模塊來進(jìn)行仿真實驗，運(yùn)動仿真模塊主要用于建立運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型，分析其運(yùn)動規(guī)律。運(yùn)動仿真模塊可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動干涉分析，跟蹤物體的運(yùn)動軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力以及力矩等。根據(jù)仿真結(jié)果可以指導(dǎo)修改零件的設(shè)計形狀、尺寸、調(diào)整材料等。

本文以游標(biāo)卡尺為例進(jìn)行說明。

(1)選擇連桿：選擇游標(biāo)卡尺的固定尺身為L001號連桿，游標(biāo)部分設(shè)為L002連桿；

(2)設(shè)置運(yùn)動副：選擇連桿，本文選擇L001號連桿，指定原點(diǎn)時選擇絕對原點(diǎn)，指定矢量選擇X軸；

(3)對運(yùn)動副設(shè)置驅(qū)動：STEP函數(shù)即step(x,3,25,10,-25)；

(4)假設(shè)仿真時長是10秒，設(shè)置解算方案如下：

①驗證仿真正確性和可行性：步數(shù)10(也就是每秒10步)；②用UG直接輸出仿真動畫：每秒步數(shù)24步；③仔細(xì)觀察仿真運(yùn)動過程，每秒1000步；④仔細(xì)觀察仿真運(yùn)動的細(xì)節(jié)運(yùn)動，每秒2000～10000步。

(5)設(shè)置檢查干涉元素：選擇游標(biāo)卡尺的測頭和被測物體分別為兩組對象，當(dāng)兩個面接觸時即為發(fā)生干涉，用此來判斷游標(biāo)卡尺測頭和被測物體是否接觸。

(6)滑動模式選擇步數(shù)：播放模式選擇播放一次，勾選干涉和暫停事件，點(diǎn)擊確定。

依據(jù)上述步驟，對游標(biāo)卡尺進(jìn)行運(yùn)動仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。由此，被測物體的長度可由干涉時的步數(shù)、時間以及初始的位移來進(jìn)行反算出來；同理，求得高度尺和千分尺的運(yùn)動仿真，二者的干涉提示分別如圖5和圖6所示。若需要測量不同的零件，則僅需對更換的零件進(jìn)行建模，并放置在裝配環(huán)境下重新約束，即可仿真。

圖4游標(biāo)卡尺的干涉提示圖5高度尺的干涉提示圖6千分尺的干涉提示

4 仿真實驗的應(yīng)用

(1)應(yīng)用場景：本文所述的虛擬仿真實驗方法適合在公差與技術(shù)測量課堂上講述測量方法時使用，也可供學(xué)生在公差實驗時熟悉測量器具和操作方法使用。在使用前，游標(biāo)卡尺、螺旋千分尺、高度尺的模型已經(jīng)建立，并參考前述已經(jīng)設(shè)置好仿真環(huán)境。

(2)零件測量過程：虛擬仿真實驗環(huán)境中已經(jīng)預(yù)先建立了一個典型的階梯軸零件模型，并按照仿真實驗方案已經(jīng)設(shè)置好仿真驅(qū)動。零件的測量，是由UG軟件提供的運(yùn)動仿真模塊進(jìn)行運(yùn)動仿真實現(xiàn)的。仿真過程中，選擇干涉檢查和干涉停止選項。仿真模擬中，零件的一端與量具的固定測量頭是直接接觸的，量具的活動測量頭設(shè)置運(yùn)動驅(qū)動并逐漸靠近零件的另一端，直到仿真系統(tǒng)報告出現(xiàn)“部件干涉”并停止。此時，從仿真量具上讀取數(shù)值獲得測量結(jié)果，讀取數(shù)值的辦法與實際量具讀取數(shù)值的辦法相同。當(dāng)然，也可反向計算被測物體的長度，辦法是用初始設(shè)定的位移減去發(fā)生干涉前仿真運(yùn)動步數(shù)與時間的乘積即可得到被測物體的長度。如果要測量不同的零件，需要預(yù)先將待測量零件在UG軟件中建立模型，并在仿真環(huán)境中進(jìn)行裝配、約束，仿真測量過程和預(yù)設(shè)零件相同。

(3)測量誤差分析：根據(jù)前文所述，測量誤差主要有操作失誤誤差、讀數(shù)誤差、儀器磨損誤差、測量精度誤差等。因整個虛擬仿真實驗測量過程是真實測量過程的仿真模擬，采用虛擬仿真辦法，無儀器磨損現(xiàn)象，運(yùn)用仿真干涉檢查可以消除人為操作失誤，儀器的測量精度理論上為零，因此可以消除操作失誤誤差、儀器磨損誤差、測量精度誤差等，大大減小了誤差來源。

5 結(jié)語

為了有效控制和降低測量過程中的誤差，本文從公差實驗中的誤差來源出發(fā)，結(jié)合三維軟件UG的特性，對多種測量工具進(jìn)行建模、分析，利用軟件來模擬公差實驗的測量過程。采用UG軟件中的運(yùn)動仿真模塊對游標(biāo)卡尺的運(yùn)動進(jìn)行干涉分析，結(jié)合STEP函數(shù)的特點(diǎn)和仿真時長的設(shè)置，以達(dá)到游標(biāo)卡尺的虛擬測量。

試驗表明：基于UG軟件的虛擬仿真實驗使學(xué)生加深了對測量工具的理解，有效地降低了誤差的產(chǎn)生，同時也為公差實驗測量的教學(xué)改革積累了一些經(jīng)驗。本文僅對測量工具進(jìn)行建模分析，并沒有完全實現(xiàn)誤差測量分析的完整性。下一步將開發(fā)相關(guān)的程序和模塊，以保證虛擬實驗的完整性。

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