基于UG的車床縱向進給機構設計與運動仿真

宋　強

（南京信息職業技術學院，南京 210023）

基于UG的車床縱向進給機構設計與運動仿真

宋強

（南京信息職業技術學院，南京 210023）

介紹了運用UG軟件完成車床縱向進給機構的設計及運動仿真。首先運用UG中的CAD模塊完成各組成部件的三維建模，接著進入裝配模塊將各個組件按照裝配原則裝配起來，最后運用UG運動仿真模塊，模擬其運動過程，使運動結果符合實際機床應用，提高其可靠性。

UG縱向進給機構建模運動仿真

引言

臥式車床是金屬切削加工設備中較為廣泛的一種，在工作中運用刀具和工件的相對運動完成多余金屬去除，使之形成符合圖紙要求的形狀和尺寸。在其運動過程中，縱向進給運動是典型的運動形式之一。本文以CAD/CAM/CAE一體化的集成軟件UG為工具，完成車床工作臺縱向進給運動機構的三維建模和運動仿真的過程。

UG軟件在汽車、交通、航空航天、日用消費品、通用機械及電子工業等工程設計領域得到了廣泛的應用［1］。其具有很好的人機對話界面，在設計與分析過程中展現出很強的交互性、集成性特點。不僅具有強大的曲面造型、實體造型和虛擬裝配等設計功能，而且可以對整個設計結果進行有限元分析、機構運動分析和動力學分析，以提高設計結構的可靠性［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，通常情況下選用實體建模和特征建模的功能。實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、運用掃描和旋轉實體、布爾運算及其表達式等形式［3］。實體建模是進行特征建模和自由形狀建模的重要基礎。而特征建模是基于位置尺寸驅動編輯參數化定義的特征，常用的特征建模方法包括圓錐、圓臺、球、圓柱、腔體、鍵槽、倒圓角、凸臺及孔、倒角等。

1.1各組件建模

臥式車床主要由主軸機構、進給機構、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，設計出各個組成部件的CAD圖形，然后運用修剪功能、約束功能、旋轉功能、鏡像功能、拉伸功能、裁剪功能、布爾求和功能、布爾求差功能、并插入設計特征中孔、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中是一個重要的應用模塊，它的主要用途是建構局部的各個部件的子裝配、生成裝配圖紙的零件明細表并完成整個產品的裝配設計。由于UG軟件提供的是模擬真實產品裝配過程，因此屬于虛擬裝配方式［5］。在整個裝配環境下，將之前設計好的組件與裝配基體進行定位約束方式的設置，目的是檢驗各個組成部件是否符合設計產品的形狀和尺寸等設計要求，而且運用裝配樹可以查看設計結果內部各部件之間的位置關系和約束關系。根據車床的運動關系，通過運用裝配約束功能中的“接觸對齊”、“平行”、“距離”、“中心”等功能，首先完成機床各個組成模塊的子裝配圖，如下圖9～圖11所示，最后將各個子裝配在基體上裝配起來，進而形成完成整個運動機床的裝配，如圖12所示。

圖9　絲杠進給機構

圖10　導軌滑臺機構

圖11　主軸傳動機構

圖12　機床結構

2　車床縱向進給運動仿真

運動仿真模塊是UG/CAE（Computer Aided Engineering）模塊中的主要功能模塊［4］，首先運用UG/Modeling的功能建立三維實體造型，接著根據車床的運動特點，將三維實體模型中的各個組成部件賦予特定的運動學特性，并使各個組成部件之間建立一定的聯接關系，最后就可以建立一個整體式的運動仿真模型，通過仿真時間的設置，就可以對這個運動仿真模型可以進行運動學或動力學運動分析，從而驗證該運動機構設計的合理性。

2.1創建連桿和運動副

在該縱向進給機構的運動中，主要將主軸的轉動作為運動的動力源，通過主軸的旋轉運動帶動裝配齒輪副的轉動，再通過齒輪轉動帶動絲杠的轉動，進而絲杠的轉動帶動與螺母固定刀架臺縱向移動，而主軸的正轉或者反轉，使刀架臺作正向或反向的直線往復運動。在設置過程中，點擊“連桿”命令，選擇主軸、三個傳動齒輪、絲杠、螺母、底座、刀架臺，在“Links”選項中生成L001～L008，運動副將機構中的各個連桿聯接在一起，從而使相關連桿做相應的運動。運動副通常情況下具有允許所需運動和限制不需要運動的功能。根據車床縱向進給傳動特點，創建J001、J005為旋轉副，J002～J004為齒輪副，J006～J008為滑動副。

2.2定義運動驅動

在定義各個運動副的“驅動”時，注意齒輪副通常是不能夠定義運動驅動和位置極限，但是對于旋轉副來講，其驅動是完全能夠定義的。根據設計結構要求，對于創建的旋轉副可以設置位移、速度及加速度等形式的運動驅動。在本文中運動驅動機構為旋轉副J001，選擇“恒定驅動”，并設定其初始速度以45°/s的速度進行勻速轉動。

2.3運動仿真

ADAMS解算是UG運動仿真和分析的核心。打開“結算方案”功能，選擇“常規驅動”選項，分析類型選擇“運動學/動力學”，輸入時間16s（相當于主軸旋轉2圈），步數200，完成“重力指定方向”設置，勾選“通過按確定進行解算”選項，如圖13所示。UG中提供了可以采用“動畫”的形式表現縱向進給的運動仿真過程，如圖14所示。點擊“播放”按鈕，就可以得到工作臺縱向運動的實際工作狀態，如圖15～圖16所示。

圖13　結算方案設置

圖14　動畫播放

圖15　工作臺位置1

圖16　工作臺位置2

2.4縱向運動特性分析

當完成上述運動過程仿真后，就可以點擊“作圖”命令，選擇J007（縱向工作臺）為運動對象，在“請求”功能下選擇“位移”選項，組件功能選擇“幅值”選項，Y軸定義點擊添加，即可生成位移時間圖表，如圖17所示。相對應的也可以得到速度，力，加速度等的各種圖表。通過此表可做為判斷相應的運動學特性的參考依據。

圖17　縱向運動位移圖表

3　結束語

利用UG的建模和仿真功能，完成車床縱向運動機構的三維建模和運動仿真，通過相互運動關系的設置，得出工作臺中關鍵點的運動特性曲線，數據真實地反映工作臺縱向運動的工作狀態。通過該方法驗證了所建立的模型的正確性，在整個設計階段中，也可以直觀地觀察產品設計可能存在的不合理因素，對產品模型進行不斷修改，不斷完善，直到達到符合預期的結果為止［6］。運用軟件可以縮短產品的設計周期，減少相應的設計費用，更加方便地研究機構在各種條件下能夠發生的運動情況。

［1］羅春陽.UG NX 4.0基礎培訓標準教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010，06.

［2］王衛兵.UG NX機械機構設計仿真與優化［M］.北京：清華大學出版社，2014，10.

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

［4］曹巖.UG NX7.0裝配與運動仿真實例教程［M］.西安：西北工業大學出版社，2010，09.

［5］項智博.UG NX8.0運動仿真快速入門、進階與精通 ［M］.北京：電子工業大學出版社，2015，01.

［6］史永芳，朱茂華.基于UG的汽車傳動軸的三維建模及仿真［J］.現在制造技術與裝備，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

院科研基金項目（YK20150201）。