UG-NX運(yùn)動(dòng)仿真應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

UG-NX運(yùn)動(dòng)仿真應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)UGNX運(yùn)動(dòng)仿真應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作者：李凱1引言

NX是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造和分析軟件，即CAD/CAM/CAE集成工程軟件系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、加工、分析能力。為汽車、機(jī)械、航天、航空、家電、醫(yī)療儀器和工模具等工業(yè)的生產(chǎn)提供了有力軟件工具。

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)者僅僅是做出零件的二維或二維的裝配圖，無法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中各零件是否干涉、驅(qū)動(dòng)力是否滿足、運(yùn)動(dòng)部件的行程能否達(dá)到要求等細(xì)書問題。設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)中的情況停留在理論計(jì)算以及自己對(duì)機(jī)構(gòu)的分析評(píng)估，在此條件下設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)不免會(huì)存在各種隱患和漏洞。制造完成的機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中往往面臨各種問題，可能需要對(duì)機(jī)構(gòu)某部件再次進(jìn)行設(shè)計(jì)或改進(jìn)，影響了工作效率。

在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中引入運(yùn)動(dòng)仿真功能可以直接避免上述種種問題。設(shè)計(jì)者可對(duì)仿真中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)也能夠?yàn)橛脩籼峁└又庇^更有說服力的動(dòng)畫產(chǎn)品演示。

2NX軟件設(shè)計(jì)壓鑄機(jī)取料機(jī)械手

下面僅以NX軟件設(shè)計(jì)壓鑄機(jī)取料機(jī)械手為例，說明運(yùn)動(dòng)仿直模擬分析過程（如圖1）。以設(shè)計(jì)壓鑄機(jī)取料機(jī)械手例（圖2）、介紹NX軟件在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)存模塊的無縫連接。它具有強(qiáng)大的實(shí)體建模、曲面造型、工程制圖以及裝配功能，可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。

圖2壓鑄機(jī)取料機(jī)械手2.1步驟1：實(shí)體建模

NX具有完善的實(shí)體建模功能，可根據(jù)零件外形先繪制草圖，添加尺寸約束，然后通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃面、放樣、倒角、切分、布爾運(yùn)算、拔模、抽殼等命令完成行零部件的設(shè)計(jì)，每個(gè)部件錄用參數(shù)化設(shè)計(jì)，在裝配過程中發(fā)現(xiàn)問題后可直接修改零件剛中的尺寸參數(shù)。

該機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)裝置、水平移動(dòng)裝置、豎直移動(dòng)裝置，涉及到的運(yùn)動(dòng)方式是電機(jī)驅(qū)動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、皮帶輪傳動(dòng)、氣缸驅(qū)動(dòng)等，建模的零件包括：機(jī)架、電機(jī)、氣缸、齒輪、齒條、卡爪、直線導(dǎo)軌等70個(gè)，繪制完成后放入統(tǒng)一的文件夾內(nèi)（如圖3、4、5）。

圖3建模的一般工具

圖4零件建模設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)完成的部分零件模型2.2步驟2：零件的虛擬裝配

NX軟件提供了3種裝配方法，第一種是自底向上裝配。就是先創(chuàng)建部件幾何模型，再組合成子裝配，最后生成裝配部件的裝配方法，這是最常用的一種方法（如圖6）；第二種是自頂向下裝配。直接在裝配層建立零件模型，然后邊裝配邊建立其他部件模型，也就是在裝配文件中創(chuàng)建模型。第三種是混合裝配。即根據(jù)裝配設(shè)計(jì)的需要，進(jìn)行自底向上裝配和自頂向下裝配混合使用的裝配方法。本文所涉及的機(jī)構(gòu)采用混合裝配方式，裝配完成后為每個(gè)部件著色。

圖6裝配完成2.3步驟3：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

了解了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的原理及需要設(shè)定的運(yùn)動(dòng)副情況后，可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在NX主界而中選捧菜單開始/運(yùn)動(dòng)仿真，即可進(jìn)入NX“運(yùn)動(dòng)仿真”主界面。新建一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并在彈出的“主模型到仿真的配對(duì)條件轉(zhuǎn)換”對(duì)話框中選擇“否”。

步驟：

（1）創(chuàng)建連桿，即相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件集合，本例中根據(jù)各部件相互運(yùn)動(dòng)方式需建立7個(gè)連桿，包括固定機(jī)架部分、水平橫移部分，豎直運(yùn)動(dòng)部分、機(jī)械手水平旋轉(zhuǎn)部分、機(jī)械手豎直旋轉(zhuǎn)部分、卡爪開閉部分。

（2）在零件的外觀模理建立好以后，需要對(duì)模型的材料特性進(jìn)行加載，包括材料力學(xué)特性、彈性模量、泊松比、密度等（如圖7）

（3）根據(jù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作設(shè)定運(yùn)動(dòng)副，本例中用到的運(yùn)動(dòng)副包括滑動(dòng)副、旋轉(zhuǎn)副、齒輪副、齒輪齒條副。

（4）定位每個(gè)運(yùn)動(dòng)副的時(shí)間函數(shù)，在一個(gè)周期內(nèi)完成所有的運(yùn)動(dòng)。2.4步驟4：添加機(jī)構(gòu)載荷

向機(jī)構(gòu)添加一定的外載荷，使整個(gè)機(jī)構(gòu)工作在真實(shí)的工程狀態(tài)下，盡可能地使其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與真實(shí)的情況相吻合。一個(gè)被應(yīng)用的力設(shè)置在機(jī)構(gòu)的兩連桿之間、運(yùn)動(dòng)副上或者是連軒與機(jī)架之間，可以被用來模擬兩個(gè)零件之間的彈性連接，模擬彈簧和阻尼的狀態(tài)，以及傳動(dòng)力與原動(dòng)力等多種零件之間的相互作用（如圖8）。

2.5步驟5：運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)是機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力，根據(jù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的形式，機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)形式。NX運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)有多種打式：恒定驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)函數(shù)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。取料機(jī)械手采用恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)采用恒轉(zhuǎn)速調(diào)速，在設(shè)定時(shí)需要設(shè)置轉(zhuǎn)速，我們的機(jī)構(gòu)為低速機(jī)構(gòu)，齒輪轉(zhuǎn)速為10r/min。NX/Motion的運(yùn)動(dòng)分析類型有兩類：靜態(tài)分析和動(dòng)力學(xué)分析（如圖9、10）所示。在設(shè)置分析結(jié)算參數(shù)時(shí)，需要設(shè)定運(yùn)動(dòng)時(shí)間和解算步數(shù)，解算步數(shù)越多，分析結(jié)果越準(zhǔn)確，但需要的時(shí)間也就越長(zhǎng)。

2.6步驟6：仿真結(jié)果輸出

當(dāng)機(jī)構(gòu)做運(yùn)動(dòng)仿真分析時(shí)，內(nèi)部將生成一組輸出數(shù)據(jù)表，表里面記錄了整個(gè)仿真過程中各個(gè)零件的位移、速度、加速度和受力信息。分析完成后，可以將這些信息以Excel表格和圖形的方式輸出；根據(jù)這些結(jié)果，分析機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能，并作出改進(jìn)（如圖11、12、13）。3結(jié)論

借助NX軟件強(qiáng)大的實(shí)體建模功能進(jìn)行建模，并利用裝配功能完成了虛擬模型的創(chuàng)建，然后進(jìn)行了詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，主要對(duì)此機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。利用