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

(西安航空學院 機械工程學院，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，主要是讓學生先了解各種長度測量工具[2]的原理，然后實際動手進行各種測量方法和測量步驟的訓練。因儀器使用方式和讀數(shù)準確度的影響，常常導致一些隨機誤差[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。針對教學中公差實驗的改革，國內很多學者做了相關研究。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準則在測量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)并剔除粗大誤差[9]。關于公差實驗測量中產(chǎn)生誤差的研究文獻較少，大多是對公差實驗的教學方法進行改革。王穎淑等人介紹了公差CAI實驗教學軟件系統(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，并結合實際教學進一步論證了公差CAI實驗教學軟件在實驗教學中的作用。另外指出，將CAI與傳統(tǒng)教學相結合已成為現(xiàn)代教學的重要手段[10]。潘淑清針對實驗課教學質量在工科機械類專業(yè)公差課程學習中的重要性，提出實驗儀器的改造和實驗方法的改革。通過改革，充分調動了學生學習的積極性，取得了良好的教學效果[11]。李益林結合學生特點，對實驗教學實施拓展以加強實踐教育為教學重點的指導思想，最大限度地開設各類內容不同的實驗項目與實驗室半開放形式相結合，保證學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的計算機輔助教學(CAI)軟件方法，以Visual Basic6.0為主要開發(fā)工具，綜合應用文字、圖表、聲音、動畫等多媒體技術，設計了該應用軟件。結論表明：該軟件已滿足部分實驗內容的CAI教學，經(jīng)過進一步的擴展和完善，可在公差實驗教學中使用[13]。湯漾平等人為了滿足機械制造專業(yè)形位公差測量實驗教學的需求，設計并制造了一套新型的形位公差綜合測量設備，該設備具有結構簡單、集成度高的特點，克服了傳統(tǒng)教學設備的局限性。在分析形位公差測量原理的基礎上，詳細介紹了該設備的機械結構、電氣結構以及軟件設計原理。該設備在該校機械制造專業(yè)教學實驗應用結果表明，該設備相比于傳統(tǒng)設備可以有效地提高機械零件典型形位公差測量實驗的效率[14]。上述文獻表明了公差實驗的改革方式與特點，且大多對實驗設備進行了改革，或者設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，結合UG軟件的建模和運動仿真等特性，對常用的測量工具游標卡尺、圓度尺和千分尺等進行建模，對測量工具的虛擬實驗進行探究。

1 虛擬仿真實驗方案

采用UG軟件中的運動仿真模塊[15]進行長度測量實驗的仿真，運動仿真模塊提供了運動仿真和評估機械系統(tǒng)的最大位移復雜運動的工具，并且結果可以生成表格，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，因此會使得測量結果出現(xiàn)誤差。而如果采用軟件進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，達到公差實驗精密測量的要求。

2.1 游標卡尺的建模

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

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

圖1游標卡尺模型圖

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卡尺高，可以達到毫米的千分位上。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動一周，螺桿便沿著旋轉軸的軸向方向前進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，可動刻度旋轉一周，測微螺桿可前進或后退0.5mm。因此，可動刻度盤每個小分度相當于將螺桿前進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動的部分，如測微螺桿、微分筒等。將兩部分模型進行裝配，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卡尺，主要結構有平板、固定尺身、測爪、游標等，它的原理和普通游標卡尺相同，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行實際測量，并且在UG里面按照1:1的比例對高度尺進行建模，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，運動副的設置，驅動的設置以及時間與步數(shù)的設定。在設置完成之后會生成一個動畫，這時需要設置干涉檢查，當兩個物體觸發(fā)干涉后運動即刻停止。

3.1 仿真過程中運動副驅動方案的確定

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

3.1.1 驅動方式的分類與確定

仿真模塊提供了5種運動副的驅動。

(1)無：即表示此運動副沒有驅動，它將會在其他連桿的作用下而運動；

(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動；

(3)簡諧：表示該連桿按照一定的幅值、頻率、相位角、位移進行簡諧振動運動；

(4)函數(shù)：表示該連桿按照設置的函數(shù)進行運動；

(5)鉸鏈運動驅動：表示按照轉動副的形式進行驅動。

給運動副設置的驅動只表示運動副的運動狀態(tài)，與物體的受力無關。依據(jù)仿真的要求，選擇STEP函數(shù)驅動。

3.1.2 STEP函數(shù)的應用

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：橫坐標定義(一般為時間)；

X0：時間開始的起點；

Y0：開始遞加或者遞減的初始數(shù)值；

X1：時間結束的終點時刻；

Y1：相對于Y0結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軟件提供的運動仿真模塊來進行仿真實驗，運動仿真模塊主要用于建立運動機構模型，分析其運動規(guī)律。運動仿真模塊可以進行機構的運動干涉分析，跟蹤物體的運動軌跡，分析機構中零件的速度、加速度、作用力、反作用力以及力矩等。根據(jù)仿真結果可以指導修改零件的設計形狀、尺寸、調整材料等。

本文以游標卡尺為例進行說明。

(1)選擇連桿：選擇游標卡尺的固定尺身為L001號連桿，游標部分設為L002連桿；

(2)設置運動副：選擇連桿，本文選擇L001號連桿，指定原點時選擇絕對原點，指定矢量選擇X軸；

(3)對運動副設置驅動：STEP函數(shù)即step(x,3,25,10,-25)；

(4)假設仿真時長是10秒，設置解算方案如下：

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仔細觀察仿真運動過程，每秒1000步；④仔細觀察仿真運動的細節(jié)運動，每秒2000～10000步。

(5)設置檢查干涉元素：選擇游標卡尺的測頭和被測物體分別為兩組對象，當兩個面接觸時即為發(fā)生干涉，用此來判斷游標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，點擊確定。

依據(jù)上述步驟，對游標卡尺進行運動仿真，仿真結果如圖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行反算出來；同理，求得高度尺和千分尺的運動仿真，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 仿真實驗的應用

(1)應用場景：本文所述的虛擬仿真實驗方法適合在公差與技術測量課堂上講述測量方法時使用，也可供學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)設置好仿真驅動。零件的測量，是由UG軟件提供的運動仿真模塊進行運動仿真實現(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置運動驅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。當然，也可反向計算被測物體的長度，辦法是用初始設定的位移減去發(fā)生干涉前仿真運動步數(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)境中進行裝配、約束，仿真測量過程和預設零件相同。

(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)，結合三維軟件UG的特性，對多種測量工具進行建模、分析，利用軟件來模擬公差實驗的測量過程。采用UG軟件中的運動仿真模塊對游標卡尺的運動進行干涉分析，結合STEP函數(shù)的特點和仿真時長的設置，以達到游標卡尺的虛擬測量。

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改革積累了一些經(jīng)驗。本文僅對測量工具進行建模分析，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)相關的程序和模塊，以保證虛擬實驗的完整性。

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