機械設計中UG軟件應用研究

涂祖蕾 高關勝

摘要：在機械設計中，常見的三維機械設計軟件品種繁多，各有側重，如SoildWorks、ProE、Catia、UG等，設計人員應根據自身設計領域、設計要求合理選擇適宜的設計軟件。UG軟件是三維設計軟件中的優秀產品，在汽車制造、模具設計、機械設計等領域應用廣泛，其造型靈活方便，曲面功能強大，集成了CAD、CAE、CAM等強大套件，可精確描述機械設計中各零件設計參數、運動仿真等參數。本文深入分析了UG軟件各模塊功能，并以壓鑄機取料手結構設計為例，詳細分析零件建模、虛擬裝配、運動仿真等過程，以期為機械設計研究提供有益參考。

關鍵詞：機械設計;UG軟件;CAD;CAE;CAM

UG軟件（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的產品設計解決方案，可為用戶產品設計和加工過程提供數字化造型和驗證手段，可滿足用戶虛擬化產品設計、工藝設計需求及各種工業化需求。由于UG軟件是一種交互式計算機輔助設計（CAD）/計算機輔助制造（CAM）系統，其功能強大，可實現各種復雜實體和造型建構，能夠為CNC加工、模具設計、二次開發設計等提供有效的設計平臺。如基于UG軟件刀具庫選擇初加工、半精加工、精加工等參數標準化，實現刀具軌跡延伸、縮短、修改等設計，并實現機械加工制造中按需設計。本文在研究UG軟件設計內容和特點的基礎上，研究了機械設計中UG軟件CAD模塊、CAM模塊和CAE模塊功能，并結合齒輪減速器設計分析了UG軟件設計流程和設計內容，以期為機械設計中UG軟件應用提供有益參考。

1 UG軟件概述及特點

1.1 UG軟件概述

UG軟件是美國UGS公司研制的三維立體設計軟件，是當前機械設計領域廣泛應用的輔助設計、研究、制造軟件。在機械設計領域中，UG軟件可按需生成三三維模型，并可在機械設計中實現有限元分析，從而顯著提高在機械設計的可靠性，為機械設計和數控機床加工、生產提供有力支持。同時，UG軟件可面向多個領域提供多類型開發模塊，支持多級用戶開發。借助UG軟件三維展示與設計，可實現產品造型設計、裝配式仿真、運動仿真干預檢查、運動軌跡干預檢查等，可及時發現機械設計中的錯誤，確保機械產品設計精確。此外，借助有限元分析，可對機械零件設計是否滿足設計要求進行判斷，當設計滿足設計要求時，可對產品設計進行二維設計和加工仿真驗證，經驗證合格后直接用以機械設備加工生產。當產品設計不滿足設計要求時，可根據設計反饋信息修改設計方案調整后后進行有限元分析。通過UG軟件應用，有效改善了傳統的機械設計中僅能出具二維圖紙或二維裝配圖且無法準確預測機械機構運行中各零件是否存在干涉、驅動力是否滿足、運動部件行程是否達到要求等細節問題，防止機械設計中存在各種隱患和漏洞，提高機械設計的可靠性、準確性。

1.2 UG軟件特點

UG軟件具有顯著的特點，主要體現在（1）設計界面交互，改善了其他設計方法的局限性，提高了機械設計效率;（2）軟件操作界面可根據實際需求或個人偏好定制;（3）軟件可需求自由定制工具條;（4）UG軟件操作遵循動態交互原則，可通過簡單操作設計對象實現機械設計;（5）實際設計中，設計人員點擊操作次數顯著減少，有利于提高設計速度和設計效率;（6）智能化操作效率高，可快速完成目標選擇任務，節省大量設計時間。

2 UG軟件在機械設計中的應用研究

在機械設計中，UG軟件可根據其功能模塊劃分為CAD模塊、CAM模塊、CAE模塊等。

2.1 CAD模塊

CAD模塊可實現設計文件的基本操作，包括文件的打開、查看、存儲、著色、擴大、縮放、測量、分析、布局等操作。由于機械設計中零件設計具有一定的差異性，各零件設計方法、構造存在顯著差異，但由于UG軟件具有簡單易學的阿特點，設計人員可根據實際需求選擇工具欄內工具或命令完成不同零件的參數化操作。同時，由于參數化設計與對應命令之間存在一定的關聯性，可快速、精準完成設計修改，并在設計修改后無需再調整關聯設計即可自動調整，減少了關聯調整步驟和操作，有效避免了因遺漏其他操作而造成機械零件設計錯誤，為設計人員集中精力進行零件設計提供了良好的條件，提高了機械零件設計的先進性和可靠性。

2.2 CAM模塊

CAM模塊主要面向機械設計提供多種功能加工模塊，該模塊可在一定條件下滿足各級用戶觀察需求，觀察內容包括刀具移動、圖形編輯、圖形修改等內容。同時，該模塊包括多種加工和設計任務等程序，可實現的任務類型包括鉆孔、攻絲等，功能菜單可根據用戶實際需求修改或自定義菜單，可提高用戶設計中零件粗、精加工操作，并為參數標準化提供支持。

2.3 CAE模塊

CAE模塊是一種高度集成化的實用工具模塊，可在短時間內完成零件有限元處理，完成設計階段零件設計有限元分析任務，并可通過設計優化得到高品質的設計產品，能夠在保證產品設計質量的基礎上進一步縮短機械零件設計時間。CAE模塊可將零件設計模型轉換為可用于有限元分析的工具，不僅可在設計模型上完成網格劃分，還能夠在特定條件下實現交互式劃分，能夠根據設計人員設計需求提供基本定義功能。在前后置處理完成后，CAE模塊可將在有限元分析結果輸出至以有限元為核心的解算器中并完成后續計算內容，在計算完成后以圖形或動畫形式輸出設計結果，并可根據形式要求輸出云圖、等值線圖等形式，可滿足機械設計人員多元化需求。

3 基于UG軟件的壓鑄機取料手結構設計

以某壓鑄機取料手結構設計為例，其設計過程為UG零件建模、虛擬裝配、運動仿真等

3.1 零件建模

由于UG軟件具有良好的實體建模功能，設計人員可根據零件外形繪制草圖，添加零件尺寸約束，并通過拉伸、旋轉、掃面、放樣、切分、倒角、布爾運算、抽殼等命令完成各零件設計（如圖1所示），并在零件裝配中及時發現零件設計中尺寸參數存在的沖突問題并予以修改。在取料手結構設計中，機械零件裝置包括旋轉裝置、水平移動裝置、豎直移動裝置等，涉及的裝置運動方式是電機驅動、齒輪齒條轉動、皮帶輪傳動、氣缸驅動等，需建模零件涉及機架、電機、氣缸、齒輪、齒條、卡爪、直線導軌等，經繪制完成后放入取料手結構設計文件夾內（如圖2所示）。

3.2 零件虛擬裝配

UG軟件提供了3種虛擬裝配方法，包括自底而上的裝配、自頂而下的裝配、混合裝配。

采用自底而上的裝配方式時，先創建部件幾何模型，再依次組合完成各零件裝配，最后生成裝配部件，完成整體裝配。該方法是機械設計中最為常見的設計方法;采用自上而下的裝配方式時，可在裝配層上建立零件模型，并在建立其他零件設計的同時完成裝配，即再裝配文件中創建零件模型;采用混合式裝配方式時，可根據裝配設計需求靈活選擇自底而上裝配或自頂而下的裝配方式。在該零件設計中采用混合式裝配方式，在裝置裝配完成后對每個零件進行著色。以齒輪為例。齒輪裝配方式包括面結合、對齊、定向三種約束條件，當約束條件不具備時無法完成齒輪嚙合，需要在嚙合齒輪上建立參考平面。建立參考平面時，先選中齒輪漸開線分度圓上一點，通過該點建立參考平面使其垂直于齒輪，即齒輪輪廓法線方向。并按相同方法在另一齒輪上設計參考平面，在兩個參考平面上建立相對關系，即可實現齒輪的嚙合。在虛擬裝配過程中，如發現零件設計存在干涉或配合關系不合理的情況，應返回三維零部件狀態修改，修改完成后繼續進行虛擬裝配，通過不斷設計、裝配、修改和完善，直至整個裝配過程完成。

3.3 裝置運動仿真

零件裝配為系統后，需對裝置運動軌跡進行分析，檢查各零件運動軌跡和運動干涉情況，并通過三維動態仿真模擬真實的機構運動。動態仿真前，可對每個零件進行編號處理，并將每個零件按序設置為運動最小單元和副定義單元間運動，零件間的運動副主要包括旋轉副、移動副、圓柱副、齒輪副等，完成運動副定義后可點擊UG軟件動畫按鈕觀察零件運動軌跡，并借助Interference功能檢查裝置運動干涉，并可借助Aninmation選項獲得運動過程速度、加速度等參數。在該裝置運動仿真中，創建相對運動部件集合共計7個連桿，包括固定機架部分、水平橫移部分、豎直部分、機械手水平旋轉部分、機械手豎直旋轉部分和卡爪開團部分，并按需加載模型材料特性，包括材料力學特性、彈性模量、泊松比、密度等參數，并根據裝置機構動作設置運動副，包括滑動副、旋轉副、齒輪副、齒輪條副，設置每個運動副時間函數，設計每個周期內完成所有運動參數。

3.4 添加機構載荷

在機構運動仿真后，為確保裝置設計與真是的工程狀態相符，可通過向機構添加一定的外載荷使其運動狀態與真實狀態相吻合。在取料手結構設計中，可在機構兩連桿、運動副或連桿與機架之間添加機構載荷，用于模擬兩個零件之間的彈性連接、模擬彈簧和阻尼狀態，并對機構傳動力、原動力等多零件之間的相互作用進行檢查。

3.5 運動驅動、關鍵運動與運動仿真

運動驅動是裝置產生運動的原動力。根據運動驅動形式可分為恒定驅動、 簡諧運動驅動、運動函數、關節運動驅動等。取料手機構為低速機構，設計齒輪轉速速率為10r/min即可滿足裝置功能需求。在設置運動驅動、關節運動和運動仿真時，需要設定的運動時間和解算步數越多，其分析結果越準確，但其花費的時間也越多。

3.6 仿真結果輸出

運動仿真分析時，仿真結果輸出生成一組數據表，可記錄整個仿真過程中各零件位移、速度、加速度、受力等參數信息，仿真結果可以表格或圖形形式輸出，設計人員咋可根據輸出結果分析裝置設計成果。

4 結論

在機械設計中，虛擬設計是一種全新的設計理念，是當前技術革新的重要標志，UG軟件高度集成了CAD、CAM、CAE等模塊，具有強大的建模分析能力，可利用其裝配功能可實現實現模擬裝配、干涉檢查、機構仿真等功能，能夠及時發現機械設計中存在的錯誤，減少因設計錯誤造成的各種問題，縮短機械產品研發周期，并通過有限元分析、運動分析、運動仿真等功能對機械產品設計進行可靠性研究，對機械產品在質量和性能具有積極的促進作用。

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作者簡介：涂祖蕾 性別：女 年月： 1978年9月 民族：漢族 籍貫：云南昭通 學歷： 碩士研究生，職稱：講師? ?研究方向：機械制造及自動化