涂祖蕾 高關(guān)勝

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

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計;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)計解決方案，可為用戶產(chǎn)品設(shè)計和加工過程提供數(shù)字化造型和驗證手段，可滿足用戶虛擬化產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計需求及各種工業(yè)化需求。由于UG軟件是一種交互式計算機輔助設(shè)計（CAD）/計算機輔助制造（CAM）系統(tǒng)，其功能強大，可實現(xiàn)各種復雜實體和造型建構(gòu)，能夠為CNC加工、模具設(shè)計、二次開發(fā)設(shè)計等提供有效的設(shè)計平臺。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)標準化，實現(xiàn)刀具軌跡延伸、縮短、修改等設(shè)計，并實現(xiàn)機械加工制造中按需設(shè)計。本文在研究UG軟件設(shè)計內(nèi)容和特點的基礎(chǔ)上，研究了機械設(shè)計中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)計分析了UG軟件設(shè)計流程和設(shè)計內(nèi)容，以期為機械設(shè)計中UG軟件應(yīng)用提供有益參考。

1 UG軟件概述及特點

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)計軟件，是當前機械設(shè)計領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的輔助設(shè)計、研究、制造軟件。在機械設(shè)計領(lǐng)域中，UG軟件可按需生成三三維模型，并可在機械設(shè)計中實現(xiàn)有限元分析，從而顯著提高在機械設(shè)計的可靠性，為機械設(shè)計和數(shù)控機床加工、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，可實現(xiàn)產(chǎn)品造型設(shè)計、裝配式仿真、運動仿真干預(yù)檢查、運動軌跡干預(yù)檢查等，可及時發(fā)現(xiàn)機械設(shè)計中的錯誤，確保機械產(chǎn)品設(shè)計精確。此外，借助有限元分析，可對機械零件設(shè)計是否滿足設(shè)計要求進行判斷，當設(shè)計滿足設(shè)計要求時，可對產(chǎn)品設(shè)計進行二維設(shè)計和加工仿真驗證，經(jīng)驗證合格后直接用以機械設(shè)備加工生產(chǎn)。當產(chǎn)品設(shè)計不滿足設(shè)計要求時，可根據(jù)設(shè)計反饋信息修改設(shè)計方案調(diào)整后后進行有限元分析。通過UG軟件應(yīng)用，有效改善了傳統(tǒng)的機械設(shè)計中僅能出具二維圖紙或二維裝配圖且無法準確預(yù)測機械機構(gòu)運行中各零件是否存在干涉、驅(qū)動力是否滿足、運動部件行程是否達到要求等細節(jié)問題，防止機械設(shè)計中存在各種隱患和漏洞，提高機械設(shè)計的可靠性、準確性。

1.2 UG軟件特點

UG軟件具有顯著的特點，主要體現(xiàn)在（1）設(shè)計界面交互，改善了其他設(shè)計方法的局限性，提高了機械設(shè)計效率;（2）軟件操作界面可根據(jù)實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)計對象實現(xiàn)機械設(shè)計;（5）實際設(shè)計中，設(shè)計人員點擊操作次數(shù)顯著減少，有利于提高設(shè)計速度和設(shè)計效率;（6）智能化操作效率高，可快速完成目標選擇任務(wù)，節(jié)省大量設(shè)計時間。

2 UG軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用研究

在機械設(shè)計中，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模塊可實現(xiàn)設(shè)計文件的基本操作，包括文件的打開、查看、存儲、著色、擴大、縮放、測量、分析、布局等操作。由于機械設(shè)計中零件設(shè)計具有一定的差異性，各零件設(shè)計方法、構(gòu)造存在顯著差異，但由于UG軟件具有簡單易學的阿特點，設(shè)計人員可根據(jù)實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)計與對應(yīng)命令之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，可快速、精準完成設(shè)計修改，并在設(shè)計修改后無需再調(diào)整關(guān)聯(lián)設(shè)計即可自動調(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械零件設(shè)計錯誤，為設(shè)計人員集中精力進行零件設(shè)計提供了良好的條件，提高了機械零件設(shè)計的先進性和可靠性。

2.2 CAM模塊

CAM模塊主要面向機械設(shè)計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)計任務(wù)等程序，可實現(xiàn)的任務(wù)類型包括鉆孔、攻絲等，功能菜單可根據(jù)用戶實際需求修改或自定義菜單，可提高用戶設(shè)計中零件粗、精加工操作，并為參數(shù)標準化提供支持。

2.3 CAE模塊

CAE模塊是一種高度集成化的實用工具模塊，可在短時間內(nèi)完成零件有限元處理，完成設(shè)計階段零件設(shè)計有限元分析任務(wù)，并可通過設(shè)計優(yōu)化得到高品質(zhì)的設(shè)計產(chǎn)品，能夠在保證產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的基礎(chǔ)上進一步縮短機械零件設(shè)計時間。CAE模塊可將零件設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為可用于有限元分析的工具，不僅可在設(shè)計模型上完成網(wǎng)格劃分，還能夠在特定條件下實現(xiàn)交互式劃分，能夠根據(jù)設(shè)計人員設(shè)計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)計算內(nèi)容，在計算完成后以圖形或動畫形式輸出設(shè)計結(jié)果，并可根據(jù)形式要求輸出云圖、等值線圖等形式，可滿足機械設(shè)計人員多元化需求。

3 基于UG軟件的壓鑄機取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計

以某壓鑄機取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，其設(shè)計過程為UG零件建模、虛擬裝配、運動仿真等

3.1 零件建模

由于UG軟件具有良好的實體建模功能，設(shè)計人員可根據(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、布爾運算、抽殼等命令完成各零件設(shè)計（如圖1所示），并在零件裝配中及時發(fā)現(xiàn)零件設(shè)計中尺寸參數(shù)存在的沖突問題并予以修改。在取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計中，機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，涉及的裝置運動方式是電機驅(qū)動、齒輪齒條轉(zhuǎn)動、皮帶輪傳動、氣缸驅(qū)動等，需建模零件涉及機架、電機、氣缸、齒輪、齒條、卡爪、直線導軌等，經(jīng)繪制完成后放入取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計文件夾內(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。該方法是機械設(shè)計中最為常見的設(shè)計方法;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)計中采用混合式裝配方式，在裝置裝配完成后對每個零件進行著色。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，通過該點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)計參考平面，在兩個參考平面上建立相對關(guān)系，即可實現(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)進行虛擬裝配，通過不斷設(shè)計、裝配、修改和完善，直至整個裝配過程完成。

3.3 裝置運動仿真

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

3.4 添加機構(gòu)載荷

在機構(gòu)運動仿真后，為確保裝置設(shè)計與真是的工程狀態(tài)相符，可通過向機構(gòu)添加一定的外載荷使其運動狀態(tài)與真實狀態(tài)相吻合。在取料手結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可在機構(gòu)兩連桿、運動副或連桿與機架之間添加機構(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)，并對機構(gòu)傳動力、原動力等多零件之間的相互作用進行檢查。

3.5 運動驅(qū)動、關(guān)鍵運動與運動仿真

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

3.6 仿真結(jié)果輸出

運動仿真分析時，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)計人員咋可根據(jù)輸出結(jié)果分析裝置設(shè)計成果。

4 結(jié)論

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

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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 學歷： 碩士研究生，職稱：講師? ?研究方向：機械制造及自動化