基于UG NX8.0的数控铣钻床虚拟设计制造研究
2018-7-24 来源： 河南工业和信息化职业学院 作者：刘晓超
摘要：运用UG NX8.0软件构建数控铣钻床机械部分的三维实体模型，并对其进行装配，在UG NX8.0环境下进行了虚拟装配干涉检验、仿真运动及零部件的优化设计，完成了数控铣钻床的虚拟设计。通过虚拟设计，大大缩短了产品的设计开发周期，提高了设计效率及节约了开发成本，提高了数控机床的设计制造安全可靠性。
关键词：数控铣钻床；UG建模；虚拟装配
0 引言
传统机械产品开发周期长、成本高，设计与制造过程是按照一定步骤依次进行，各个部件制造完成后再进行装配，在装配过程中，当零部件之间装配不成功后，只能返回重新设计，制造零部件，生成样品，重新用真实装配来检验。因此，传统方式开发设计周期长，制造成本高，不能满足现代企业对于产品快速设计、制造、尽快投放新产品到市场的要求。这就要求充分利用快速发展的计算机技术，提高产品的信息技术含量和创新能力，使产品开发多样化、柔性化和个性化，最终提高企业的竞争力 。
随着计算机软硬件技术的发展，在机械制造领域中，零部件如何加工、装配、各零部件是否发生干涉等都能在虚拟装配环境中实现。同时，借助虚拟技术，在产品设计阶段就能了解设计结果的装配性。本文运用UGNX 的虚拟设计制造功能，建立数控铣钻床关键零部件的三维模型并进行装配、进行干涉检验、虚拟仿真优化，为产品的真实制造打下基础。
数控铣钻床是三轴联动机床，该机床可分别实现钻削、铣削、镗孔、铰孔，即可实现坐标镗孔又可精确、高效地完成三维的各种复杂曲面如样板、冲模、弧形槽等零件的自动加工。它的机械部分包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。运用 UG NX8.0 软件，设计人员可以在制造真实数控铣钻床之前建立整个机构的虚拟样机，然后模拟机床的运动过程，就可以在机床的设计开发过程中发现设计存在的不足、缺陷，从而实现设计的优化。
1、虚拟装配及建模设计流程
一个产品往往是由多个部件组合而成的，装配模块用来建立部件间的相对位置关系，从而形成复杂的装配体。部件间位置关系的确定主要通过添加约束来实现。虚拟装配是建立各组件的链接，装配体与组件是一种引用关系。
虚拟装配的优点有以下几个方面。
（1） 虚拟装配中的装配体是引用各组件的信息，不是复制其本身，因不是复制其本身，因此改动组件时，相应的装配体也自动更新；这样当组件进行变动时，就不需要
对与之相关的装配体进行修改，同时也避免了修改过程中可能出现的错误，提高了效率。
（2） 虚拟装配中，各组件通过链接应用到装配体中，比复制节省了存储空间。
（3） 控制部件可以引用集的引用，下层部件不需要在装配体中显示，简化了组件的引用，提高了显示速度。根据产品的设计过程，数控铣钻床的虚拟设计过程概括起来分为产品初步设计、装配建模及运动分析三个阶段。其具体流程如图1 所示。
2、数控铣钻床的三维建模
建立模型主要用到绘制轮廓图、拉伸、孔定位、肋板、求和、求差等命令，分别完成主轴箱、立柱、基座、工作台等零部件。
通过分析整个数控铣钻床和零件造型设计，以及各部分功用，可将装配分成以下三步完成：一、主轴箱的装配 ；二、立柱的装配；三、基座、工作台的装配。
三部分部件装配完成后，运用装配约束里边的配对、中心、平行、距离等约束条件，完成铣钻床的装配，完成后的装配体如图2所示。
3、数控铣钻床的运动仿真
整个数控铣钻床，为完成零件的自动加工，必须涉及到以下重要零部件的运动：一、主轴箱的Z向沿导轨上下移动；二、水平工作台的左右X向移动；三、滑座的前后Y向移动。为实现上述运动，需要有交流异步电机及伺服电机提供动力，带动丝杠，来完成主轴箱、工作台的平移。另外，通过齿轮的传动来实现主轴的旋转和变速。本设计采用UG NX
机构运动分析模块Motion进行仿真分析，可以极其方便地对机构设计方案进行仿真、验证、修改、优化，最终完成整体的运动仿真模拟。其具体过程如下。
（1） 选择软件界面开始、运动仿真命令，进入运动仿真界面，单击“运动导航器”，鼠标右击运动仿真图标as sembly 图标，选择新建仿真，打开“环境”对话框，单击
确定按钮，激活运动工具栏。
（2） 创建连杆，分别设定基座、立柱为固定连杆L001，滑座为连杆 L002，工作台为连杆 L003。
（3） 创建运动副，设定基座、立柱为固定副J001，滑座为滑动副 J002，工作台为滑动副 J003，并设定阻尼器、弹簧。
（4） 在“运动导航器”上motion-1右击鼠标，选择新解算方案，设置时间为1 s，步数为50及其他参数设置。
（5） 在导航器文件 solution 上右击鼠标，单击“求解”按钮，求解出当前解算方案的结果。单击“播放”工具按钮，运动开始。从仿真运动图上很容易看到，滑座和
工作台分别沿着导轨进行运动。
（6） 重复以上有关步骤，分别设定床身、立柱为固定连杆 L001，主轴箱为连杆 L002，并设定对话框中有关参数。设定床身、立柱为固定副J001，主轴箱为滑动运动副J002
及其他参数，在“运动导航器”上 motion-2 右击鼠标，选择新解算方案，设置时间为 1 s，步数为 50 及其他参数设置。观察“动画”，主轴箱沿导轨上下运动。
4、工作台仿真运动图表输出结果分析
图表命令输出能对机构仿真的结果生成直观的图表数据。图表输出的是独立的仿真解算器，输出的为图形分析。在此仅给出工作台的位移、速度、加速度的运动图表分析。
图 3～5 表明工作台在整个运动过程中位移、速度、加速度等的情况。在参数设置中设定了，如果发生运动干涉，运动将停止，从整个图表中来看，运动一直进行，没有干涉，运动良好。即没有发生运动干涉，设计合格，装配合格。如果存在干涉问题，可对模型进行修改，直到消除干涉现象。
5、主轴有限元分析及优化
在铣钻床工作过程中，主轴承担着主要的切削力，主轴的尺寸设计如何，将直接决定着切削强度、硬度。因此，将主要对主轴进行优化设计，以检验主轴是否满足切削加工及尺寸的合理性。
（1） 创建有限元模型：创建有限元网格化模型，生成有限元网格，为确保分析过程合理又节省时间，需要对网格化的参数进行合理设定，指派材料属性及划分网格。零件材料为40Gr，泊松比为0.3，屈服强度为≥785 MPa，极限抗拉强度≥980 MPa，弹性模量211 GPa。如图6为网格化后的模型 。
（2） 查看分析结果：分析向导，添加夹具，以主轴上配合刀柄内表面为摩擦受力面，主轴键槽两侧面为力偶受力面，总载荷为 6 530 N （按照 Y100-4 型电机最小转速
40 r/min计算所得）。模型后选择算例的“运行设计情形”项，对参数分析，可以在报告及结果中查看各项分析结果，包括主轴的安全系数、应力分布、位移情形都可以生成最终报告如图。
图7所示为有限元分析应力、变形形状分布结果图。
（3） 主轴结构优化：主轴优化目的是找到最佳的优化部位尺寸，减少主轴质量，主轴优化设计计算将以设定的范围尺寸为基础，根据机械设计手册中 40Gr 设定安全系数为
1.5，优化后主轴质量减少，检验优化后的安全系数为1.8，尺寸满足要求，优化后的主轴如图8所示。
6、结语
UG NX8.0 软件为数控铣钻床的设计提供了一个高效的开发平台。其虚拟设计、装配及仿真技术是一种崭新的产品数字化开发设计方法，是多个相关学科领域交叉、集成的产物。通过软件在计算机上方便地确定、修改设计参数，逐步优化方案设计。这种可虚拟化设计、装配和仿真运动试验，节省了建立真实试验平台、生产样机、安装测试设备和仪表等有关的费用，更快地确定了影响设计方案性能的参数，达到了最优化设计目的且提高了设计质量，提高了数控机床的设计制造安全可靠性。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
