基于UG NX8.0的數控銑鉆床虛擬設計制造研究
2018-7-24 來源： 河南工業和信息化職業學院 作者：劉曉超
摘要：運用UG NX8.0軟件構建數控銑鉆床機械部分的三維實體模型，并對其進行裝配，在UG NX8.0環境下進行了虛擬裝配干涉檢驗、仿真運動及零部件的優化設計，完成了數控銑鉆床的虛擬設計。通過虛擬設計，大大縮短了產品的設計開發周期，提高了設計效率及節約了開發成本，提高了數控機床的設計制造安全可靠性。
關鍵詞：數控銑鉆床；UG建模；虛擬裝配
0 引言
傳統機械產品開發周期長、成本高，設計與制造過程是按照一定步驟依次進行，各個部件制造完成后再進行裝配，在裝配過程中，當零部件之間裝配不成功后，只能返回重新設計，制造零部件，生成樣品，重新用真實裝配來檢驗。因此，傳統方式開發設計周期長，制造成本高，不能滿足現代企業對于產品快速設計、制造、盡快投放新產品到市場的要求。這就要求充分利用快速發展的計算機技術，提高產品的信息技術含量和創新能力，使產品開發多樣化、柔性化和個性化，最終提高企業的競爭力 。
隨著計算機軟硬件技術的發展，在機械制造領域中，零部件如何加工、裝配、各零部件是否發生干涉等都能在虛擬裝配環境中實現。同時，借助虛擬技術，在產品設計階段就能了解設計結果的裝配性。本文運用UGNX 的虛擬設計制造功能，建立數控銑鉆床關鍵零部件的三維模型并進行裝配、進行干涉檢驗、虛擬仿真優化，為產品的真實制造打下基礎。
數控銑鉆床是三軸聯動機床，該機床可分別實現鉆削、銑削、鏜孔、鉸孔，即可實現坐標鏜孔又可精確、高效地完成三維的各種復雜曲面如樣板、沖模、弧形槽等零件的自動加工。它的機械部分包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件。運用 UG NX8.0 軟件，設計人員可以在制造真實數控銑鉆床之前建立整個機構的虛擬樣機，然后模擬機床的運動過程，就可以在機床的設計開發過程中發現設計存在的不足、缺陷，從而實現設計的優化。
1、虛擬裝配及建模設計流程
一個產品往往是由多個部件組合而成的，裝配模塊用來建立部件間的相對位置關系，從而形成復雜的裝配體。部件間位置關系的確定主要通過添加約束來實現。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系。
虛擬裝配的優點有以下幾個方面。
（1） 虛擬裝配中的裝配體是引用各組件的信息，不是復制其本身，因不是復制其本身，因此改動組件時，相應的裝配體也自動更新；這樣當組件進行變動時，就不需要
對與之相關的裝配體進行修改，同時也避免了修改過程中可能出現的錯誤，提高了效率。
（2） 虛擬裝配中，各組件通過鏈接應用到裝配體中，比復制節省了存儲空間。
（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，簡化了組件的引用，提高了顯示速度。根據產品的設計過程，數控銑鉆床的虛擬設計過程概括起來分為產品初步設計、裝配建模及運動分析三個階段。其具體流程如圖1 所示。
2、數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、工作臺等零部件。
通過分析整個數控銑鉆床和零件造型設計，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、工作臺的裝配。
三部分部件裝配完成后，運用裝配約束里邊的配對、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、數控銑鉆床的運動仿真
整個數控銑鉆床，為完成零件的自動加工，必須涉及到以下重要零部件的運動：一、主軸箱的Z向沿導軌上下移動；二、水平工作臺的左右X向移動；三、滑座的前后Y向移動。為實現上述運動，需要有交流異步電機及伺服電機提供動力，帶動絲杠，來完成主軸箱、工作臺的平移。另外，通過齒輪的傳動來實現主軸的旋轉和變速。本設計采用UG NX
機構運動分析模塊Motion進行仿真分析，可以極其方便地對機構設計方案進行仿真、驗證、修改、優化，最終完成整體的運動仿真模擬。其具體過程如下。
（1） 選擇軟件界面開始、運動仿真命令，進入運動仿真界面，單擊“運動導航器”，鼠標右擊運動仿真圖標as sembly 圖標，選擇新建仿真，打開“環境”對話框，單擊
確定按鈕，激活運動工具欄。
（2） 創建連桿，分別設定基座、立柱為固定連桿L001，滑座為連桿 L002，工作臺為連桿 L003。
（3） 創建運動副，設定基座、立柱為固定副J001，滑座為滑動副 J002，工作臺為滑動副 J003，并設定阻尼器、彈簧。
（4） 在“運動導航器”上motion-1右擊鼠標，選擇新解算方案，設置時間為1 s，步數為50及其他參數設置。
（5） 在導航器文件 solution 上右擊鼠標，單擊“求解”按鈕，求解出當前解算方案的結果。單擊“播放”工具按鈕，運動開始。從仿真運動圖上很容易看到，滑座和
工作臺分別沿著導軌進行運動。
（6） 重復以上有關步驟，分別設定床身、立柱為固定連桿 L001，主軸箱為連桿 L002，并設定對話框中有關參數。設定床身、立柱為固定副J001，主軸箱為滑動運動副J002
及其他參數，在“運動導航器”上 motion-2 右擊鼠標，選擇新解算方案，設置時間為 1 s，步數為 50 及其他參數設置。觀察“動畫”，主軸箱沿導軌上下運動。
4、工作臺仿真運動圖表輸出結果分析
圖表命令輸出能對機構仿真的結果生成直觀的圖表數據。圖表輸出的是獨立的仿真解算器，輸出的為圖形分析。在此僅給出工作臺的位移、速度、加速度的運動圖表分析。
圖 3～5 表明工作臺在整個運動過程中位移、速度、加速度等的情況。在參數設置中設定了，如果發生運動干涉，運動將停止，從整個圖表中來看，運動一直進行，沒有干涉，運動良好。即沒有發生運動干涉，設計合格，裝配合格。如果存在干涉問題，可對模型進行修改，直到消除干涉現象。
5、主軸有限元分析及優化
在銑鉆床工作過程中，主軸承擔著主要的切削力，主軸的尺寸設計如何，將直接決定著切削強度、硬度。因此，將主要對主軸進行優化設計，以檢驗主軸是否滿足切削加工及尺寸的合理性。
（1） 創建有限元模型：創建有限元網格化模型，生成有限元網格，為確保分析過程合理又節省時間，需要對網格化的參數進行合理設定，指派材料屬性及劃分網格。零件材料為40Gr，泊松比為0.3，屈服強度為≥785 MPa，極限抗拉強度≥980 MPa，彈性模量211 GPa。如圖6為網格化后的模型 。
（2） 查看分析結果：分析向導，添加夾具，以主軸上配合刀柄內表面為摩擦受力面，主軸鍵槽兩側面為力偶受力面，總載荷為 6 530 N （按照 Y100-4 型電機最小轉速
40 r/min計算所得）。模型后選擇算例的“運行設計情形”項，對參數分析，可以在報告及結果中查看各項分析結果，包括主軸的安全系數、應力分布、位移情形都可以生成最終報告如圖。
圖7所示為有限元分析應力、變形形狀分布結果圖。
（3） 主軸結構優化：主軸優化目的是找到最佳的優化部位尺寸，減少主軸質量，主軸優化設計計算將以設定的范圍尺寸為基礎，根據機械設計手冊中 40Gr 設定安全系數為
1.5，優化后主軸質量減少，檢驗優化后的安全系數為1.8，尺寸滿足要求，優化后的主軸如圖8所示。
6、結語
UG NX8.0 軟件為數控銑鉆床的設計提供了一個高效的開發平臺。其虛擬設計、裝配及仿真技術是一種嶄新的產品數字化開發設計方法，是多個相關學科領域交叉、集成的產物。通過軟件在計算機上方便地確定、修改設計參數，逐步優化方案設計。這種可虛擬化設計、裝配和仿真運動試驗，節省了建立真實試驗平臺、生產樣機、安裝測試設備和儀表等有關的費用，更快地確定了影響設計方案性能的參數，達到了最優化設計目的且提高了設計質量，提高了數控機床的設計制造安全可靠性。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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