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UG-NX运动仿真应用于机械结构设计

UG NX运动仿真应用于机械结构设计

作者：李凯

1 引言

NX是计算机辅助设计、制造和分析软件，即CAD/CAM/CAE集成工程软件系统，具有强大的设计、加工、分析能力。为汽车、机械、航天、航空、家电、医疗仪器和工模具等工业的生产提供了有力软件工具。

传统机械设计中。设计者仅仅是做出零件的二维或二维的装配图，无法准确地预测出机构在运行过程中各零件是否干涉、驱动力是否满足、运动部件的行程能否达到要求等细书问题。设计者对机构在运转中的情况停留在理论计算以及自己对机构的分析评估，在此条件下设计的机构不免会存在各种隐患和漏洞。制造完成的机构在运行中往往面临各种问题，可能需要对机构某部件再次进行设计或改进，影响了工作效率。

在机械设计过程中引入运动仿真功能可以直接避免上述种种问题。设计者可对仿真中发现的问题进行相应的处理，同时也能够为用户提供更加直观更有说服力的动画产品演示。

2 NX软件设计压铸机取料机械手

下面仅以NX软件设计压铸机取料机械手为例，说明运动仿直模拟分析过程（如图1）。

以设计压铸机取料机械手例（图2）、介绍NX软件在机构设计中的应用，可实现存模块的无缝连接。它具有强大的实体建模、曲面造型、工程制图以及装配功能，可以进行运动仿真分析。

图2 压铸机取料机械手
2.1 步骤1：实体建模

NX具有完善的实体建模功能，可根据零件外形先绘制草图，添加尺寸约束，然后通过拉伸、旋转、扫面、放样、倒角、切分、布尔运算、拔模、抽壳等命令完成行零部件的设计，每个部件录用参数化设计，在装配过程中发现问题后可直接修改零件刚中的尺寸参数。

该机构包括旋转装置、水平移动装置、竖直移动装置，涉及到的运动方式是电机驱动、齿轮齿条传动、皮带轮传动、气缸驱动等，建模的零件包括：机架、电机、气缸、齿轮、齿条、卡爪、直线导轨等70个，绘制完成后放入统一的文件夹内（如图3、4、5）。

图3 建模的一般工具

图4 零件建模设计

设计完成的部分零件模型
2.2 步骤2：零件的虚拟装配

NX软件提供了3种装配方法，第一种是自底向上装配。就是先创建部件几何模型，再组合成子装配，最后生成装配部件的装配方法，这是最常用的一种方法（如图6）；第二种是自顶向下装配。直接在装配层建立零件模型，然后边装配边建立其他部件模型，也就是在装配文件中创建模型。第三种是混合装配。即根据装配设计的需要，进行自底向上装配和自顶向下装配混合使用的装配方法。本文所涉及的机构采用混合装配方式，装配完成后为每个部件着色。

图6 装配完成
2.3 步骤3：机构运动仿真

了解了机构运动的原理及需要设定的运动副情况后，可以进行运动仿真。在NX主界而中选捧菜单开始/运动仿真，即可进入NX“运动仿真”主界面。新建一个运动学仿真，并在弹出的“主模型到仿真的配对条件转换”对话框中选择“否”。

步骤：

（1）创建连杆，即相对运动部件集合，本例中根据各部件相互运动方式需建立7个连杆，包括固定机架部分、水平横移部分，竖直运动部分、机械手水平旋转部分、机械手竖直旋转部分、卡爪开闭部分。

（2）在零件的外观模理建立好以后，需要对模型的材料特性进行加载，包括材料力学特性、弹性模量、泊松比、密度等（如图7）

（3）根据机构动作设定运动副，本例中用到的运动副包括滑动副、旋转副、齿轮副、齿轮齿条副。

（4）定位每个运动副的时间函数，在一个周期内完成所有的运动。

2.4 步骤4：添加机构载荷

向机构添加一定的外载荷，使整个机构工作在真实的工程状态下，尽可能地使其运动状态与真实的情况相吻合。一个被应用的力设置在机构的两连杆之间、运动副上或者是连轩与机架之间，可以被用来模拟两个零件之间的弹性连接，模拟弹簧和阻尼的状态，以及传动力与原动力等多种零件之间的相互作用（如图8）。

2.5 步骤5：运动驱动、关节运动和运动仿真

运动驱动是机构产生运动的原动力，根据运动驱动的形式，机构将产生相应的运动形式。NX运动的驱动有多种打式：恒定驱动，简谐运动驱动、运动函数、关节运动驱动。取料机械手采用恒定转速驱动，电机的调速系统采用恒转速调速，在设定时需要设置转速，我们的机构为低速机构，齿轮转速为10r/min。NX/Motion的运动分析类型有两类：静态分析和动力学分析（如图9、10）所示。

在设置分析结算参数时，需要设定运动时间和解算步数，解算步数越多，分析结果越准确，但需要的时间也就越长。

2.6 步骤6：仿真结果输出

当机构做运动仿真分析时，内部将生成一组输出数据表，表里面记录了整个仿真过程中各个零件的位移、速度、加速度和受力信息。分析完成后，可以将这些信息以Excel表格和图形的方式输出；根据这些结果，分析机构的力学性能，并作出改进（如图11、12、13）。

3 结论

借助NX软件强大的实体建模功能进行建模，并利用装配功能完成了虚拟模型的创建，然后进行了详细的运动仿真分析，主要对此机构进行运动学分析。利用NX软件的运动仿真功能，可以得出机构的运动动画，更加形象地了解其运动方式，并可以输出仿真的结果，可以生成所有运动副位移、速度随时间的变化情况。通过这些工作为进一步进行动力学分析奠定了基础，对缩短产品开发周期，提高产品质量和性能有积极的作用。