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基於UG NX8.0的數控銑（xǐ）鑽床虛擬設計製造研究

2018-7-24 來源（yuán）：河南工業和信息化職業學院作者：劉曉（xiǎo）超

摘要（yào）：運（yùn）用UG NX8.0軟件構建數（shù）控銑鑽床機械（xiè）部分（fèn）的三維實體（tǐ）模型（xíng），並對其進行裝配，在UG NX8.0環境下進行了虛擬裝（zhuāng）配幹涉檢驗、仿真運動及零（líng）部件（jiàn）的優化設計，完成了（le）數控銑鑽床的虛擬設（shè）計。通過虛擬設計，大大縮短（duǎn）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製造安全可靠性。

關鍵詞：數控銑鑽床；UG建模；虛擬裝配

0 引言

傳統機械產品開發周期長、成本高，設計與製造過程是按照一定步（bù）驟依次進行（háng），各個部（bù）件製造完成後再進行（háng）裝配，在裝配過程中，當零（líng）部件之間（jiān）裝配不（bú）成功後，隻能返回重新設計，製造零（líng）部（bù）件（jiàn），生成樣品，重新用真實裝配來檢驗。因此，傳統方式開發設計（jì）周期長，製造成本高，不能滿足現代企業對於產品快速設計、製造、盡快投放新產品到市場的要求。這就要求充（chōng）分利用快速（sù）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（chǎn）品開發多樣（yàng）化、柔性化和個性化，最終提高企業的競爭力（lì）。

隨（suí）著計算（suàn）機軟硬件技術的發展，在機械製造領（lǐng）域中，零部件如何加工、裝配、各零部件（jiàn）是否發生幹涉（shè）等都能在虛擬裝配環境中實（shí）現。同時，借助虛擬技術（shù），在產品設計階段就能了解設計結果的裝配性（xìng）。本文運（yùn）用UGNX 的虛擬設計製（zhì）造功能，建立數控銑鑽床關鍵零部件的三維模型並進行裝配、進行幹涉檢驗、虛擬（nǐ）仿真（zhēn）優化，為產品的真實製（zhì）造打下基礎。

數控銑鑽床是三軸聯（lián）動機床，該機床可分別實現鑽削、銑削、鏜孔、鉸（jiǎo）孔，即可實現坐標鏜（táng）孔又可精確、高效地完成三維的（de）各種複雜曲麵（miàn）如（rú）樣板、衝模（mó）、弧形槽等零件的自動加工。它的機（jī）械部（bù）分包括機床身、立柱、主軸、進給機構（gòu）等機械部件。運用 UG NX8.0 軟件（jiàn），設計人員可以在（zài）製造真實（shí）數控銑鑽床之前建立整個機構（gòu）的虛擬樣機，然後模擬機床的運動過程，就可以（yǐ）在機床的設計開發（fā）過程中（zhōng）發現設計存在的不足、缺陷，從而實現設（shè）計的優（yōu）化（huà）。

1、虛擬裝配及建模設計流程

一（yī）個產品往往是由多（duō）個部（bù）件組合而成的，裝（zhuāng）配模塊用來建立部件間（jiān）的相對位（wèi）置關係，從而形成複雜（zá）的裝配體。部件間位置關係的確（què）定主要（yào）通過添加約束來實現。虛擬裝配是建立（lì）各組件的鏈接，裝配體與組件是一種引（yǐn）用（yòng）關係。

虛擬裝配的優點有以下幾個方（fāng）麵。

（1）虛擬裝配中的裝配體是引用各組件的信息，不是複製其本（běn）身，因不是複製其本身（shēn），因此改動組件時（shí），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（zhōng）可能出現的錯誤，提高了效率（lǜ）。

（2）虛擬裝（zhuāng）配中，各組件（jiàn）通過鏈接應用到裝配體中，比（bǐ）複製節省了存儲空間。

（3）控製部件可以引用集的引用，下層部件不需要在裝（zhuāng）配體中顯示，簡化了組件的引用，提高了顯（xiǎn）示速度。根據產品（pǐn）的設計過程，數控銑鑽床的虛擬設計過程概括起來分為產品初（chū）步設計、裝配（pèi）建（jiàn）模及運（yùn）動分析三個階段。其具體流程如圖1 所示（shì）。

2、數控銑鑽床的三維建模（mó）

建立模型主要（yào）用到（dào）繪製輪廓圖、拉伸、孔定位、肋板（bǎn）、求和、求差等（děng）命令，分別完（wán）成主軸箱、立柱、基（jī）座、工作（zuò）台等零部件。

通過分析整個數控銑鑽（zuàn）床和零件（jiàn）造型設計，以及各部分功用，可將（jiāng）裝配分成以下三步（bù）完成：一、主軸箱的裝配；二、立（lì）柱的裝配；三、基座、工作台的裝配。

三部分部件裝配完成後，運用裝配約束裏（lǐ）邊的配對、中心、平行、距離等約束條件（jiàn），完成（chéng）銑鑽床的裝配（pèi），完成後的裝配體如圖（tú）2所示。

3、數控銑鑽床（chuáng）的運動（dòng）仿真

整個數控銑鑽床，為完（wán）成零（líng）件的自動加工，必須涉及到（dào）以下重要零部件的運動：一、主軸箱的Z向（xiàng）沿導軌（guǐ）上下移動；二、水平工作台的左右X向移動；三、滑座的前（qián）後Y向移動。為實現上述運（yùn）動，需要有交流異（yì）步電機及（jí）伺服電（diàn）機（jī）提供動力，帶動絲杠，來完（wán）成主軸箱、工作台（tái）的平移。另外，通過齒輪（lún）的（de）傳動來實（shí）現主軸的旋轉和變速。本設（shè）計采用UG NX

機構運動分析模塊Motion進行仿真（zhēn）分析，可以極其方（fāng）便地對機構（gòu）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（jiè）麵開始、運動仿真命令，進入運動仿真界麵，單擊“運動導航器”，鼠標右擊運動（dòng）仿（fǎng）真（zhēn）圖標as sembly 圖標，選擇新建仿真（zhēn），打開“環境”對話（huà）框，單擊

確定按鈕，激活運動工具欄。

（2）創建連杆，分別設定基座、立柱為（wéi）固定連杆L001，滑座為連杆 L002，工作台為（wéi）連杆 L003。

（3）創建運動副，設定（dìng）基座（zuò）、立柱為固（gù）定副J001，滑座為滑（huá）動副 J002，工作台為滑動副 J003，並設定阻尼器、彈簧。

（4）在“運動導航器”上motion-1右（yòu）擊鼠標，選擇新解（jiě）算方案，設置（zhì）時間為（wéi）1 s，步數為50及其他參（cān）數設置。

（5）在導航器文件 solution 上右（yòu）擊鼠（shǔ）標，單擊“求解”按鈕，求解（jiě）出當前解算（suàn）方案的結果。單擊“播放”工（gōng）具按鈕，運動開始。從（cóng）仿真運動圖上很容易（yì）看到，滑座和（hé）

工作台分別沿著導軌（guǐ）進行運動。

（6）重複以上有關（guān）步驟，分別設定床身、立柱為固定連（lián）杆 L001，主（zhǔ）軸箱為連杆 L002，並設定對話框中（zhōng）有關參（cān）數。設定床身、立柱為固定副J001，主軸（zhóu）箱為滑動運動副J002

及其（qí）他參數，在“運（yùn）動導航器”上 motion-2 右擊鼠標（biāo），選擇新解算方案（àn），設置時間為（wéi） 1 s，步數為 50 及其他參數設置。觀察“動畫”，主軸箱（xiāng）沿導（dǎo）軌上下運動（dòng）。

4、工作台（tái）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（gěi）出工作台的位移、速度、加速度（dù）的運動圖表分（fèn）析。

圖（tú） 3～5 表明（míng）工作台在整個運（yùn）動過程中位移、速度、加速度等的情況。在參數設置中（zhōng）設定了，如（rú）果發生（shēng）運動幹涉（shè），運動將停止，從整個圖表中來看（kàn），運動一直進行，沒有幹涉，運動良好。即沒有發生運動幹涉，設計合格，裝（zhuāng）配合格。如（rú）果存在幹涉問題（tí），可對模型進行（háng）修改，直到消除幹涉現象。

5、主軸有限元分析及優化

在銑鑽床工作過程中，主軸承擔著主要的切削力，主軸（zhóu）的尺寸設計如何，將直（zhí）接決定著切削強度、硬度。因（yīn）此（cǐ），將主要對（duì）主軸進（jìn）行優化設計，以檢驗（yàn）主（zhǔ）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（chéng）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（xìng）及劃分（fèn）網格（gé）。零件材料為40Gr，泊鬆比為0.3，屈服強度為≥785 MPa，極限抗拉強（qiáng）度≥980 MPa，彈性模量211 GPa。如（rú）圖6為網格（gé）化後的模型。

（2）查看分析（xī）結果：分析向導，添加夾具，以主（zhǔ）軸上配合刀柄內表麵為摩擦受力麵，主軸鍵槽兩側麵為力偶（ǒu）受力（lì）麵，總載荷為 6 530 N （按照 Y100-4 型電（diàn）機最小（xiǎo）轉速

40 r/min計算所得）。模型後（hòu）選擇算例的（de）“運行設計情形”項，對參數分析，可以（yǐ）在報告及結果中（zhōng）查看（kàn）各項（xiàng）分析結果，包（bāo）括主軸（zhóu）的安全（quán）係數、應力分布、位移情形（xíng）都可以生成最終報告（gào）如圖。

圖7所示為有限元分析應力、變形（xíng）形狀分布結果圖。

（3）主（zhǔ）軸（zhóu）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（huà）設計計算（suàn）將以設（shè）定的（de）範圍尺寸為（wéi）基礎，根據機械設計手冊中 40Gr 設定安全係數為

1.5，優化（huà）後主軸質量減少，檢驗優化後的（de）安全係（xì）數為1.8，尺寸滿足要求，優化（huà）後的主軸如（rú）圖8所示。

6、結語

UG NX8.0 軟件為數控銑鑽床的設計提供了一（yī）個高效（xiào）的開發平台。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（fā）設（shè）計方法，是多（duō）個相關學（xué）科領域交叉、集成的產物（wù）。通過軟件（jiàn）在計算機上方（fāng）便地確（què）定、修（xiū）改設計參數，逐步優化方案設計。這種可虛擬化（huà）設計、裝配和仿真運動（dòng）試驗，節省了建立真實試驗平台、生（shēng）產樣機、安裝測試設備和儀表等有關的費用，更快地確定了（le）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（le）數（shù）控機床的設計（jì）製（zhì）造（zào）安全（quán）可靠性。

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