基于UG的数控钢管管端相贯线火焰切割机设计

毛建秋，黄志荣，丁仕燕

(常州工学院机电工程学院，江苏 常州 213002)

0 引言

产品虚拟技术主要包括实体建模和仿真两方面，是利用计算机来完成整个产品的开发过程，以数字化形式虚拟地、可视地、并行地开发产品，并在制造实物之前对产品结构和性能进行分析和仿真，实现制造过程的早期反馈，及早发现问题和解决问题。与传统设计方法相比，减少甚至取消了物理样机研制次数，降低了开发周期和成本，提高了设计质量。［1］虚拟设计是近年来计算机辅助设计(CAD)技术和虚拟现实(VR)技术相结合而发展起来的一种新兴的设计技术，大型CAD/CAM/CAE集成化工程软件UG可以很好地实现机械产品的虚拟设计。［2］

UG是功能强大的三维CAD/CAM/CAE软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、工程图、制造加工等全过程，应用范围涉及机械、航天航空、汽车等领域。［3］

本文以数控钢管管端相贯线火焰切割机为对象，详细介绍UG在虚拟设计中的应用情况。根据钢管管端相贯线切割原理可知，对于切割管端且管—管垂直相交状态下所产生的相贯线及定角度坡口，一个三轴联动的数控系统即可实现运动轨迹，数控系统提供的主要运动方式为钢管回转运动、轴向进给运动以及割炬的摆角运动。［4］在充分研究和比较普通车床的运动方式之后，本次数控钢管管端相贯线火焰切割机的虚拟设计工作在普通车床C616A上改造完成，其虚拟设计流程如图1所示。

图1 数控钢管管端火焰切割机虚拟设计流程图

1 零件三维虚拟设计

UG作为工程软件领域中的标准，采用了基于特征和约束的参数化建模技术，具有交互建立和编辑复杂实体模型的能力，可以方便、快速、正确地完成产品从概念设计到结构细节设计以及后续加工的全部过程。它在三维虚拟设计方面提供了多种不同的模块和方法，如实体建模、工业产品造型设计、复杂曲面设计、特征细节等，功能十分强大。

此处以车床上的溜板为例进行三维虚拟建模分析。首先利用UG中的草图功能绘制溜板零件的主要二维截面图，使用实体造型的拉伸功能完成其大致三维虚拟建模，然后在各个具体细节部分绘制其相关二维截面图，同时用拉伸功能进行三维造型，并将所得模型与前面所完成模型进行相关的布尔运算，最后使用细节中的倒圆角功能完成其最终的三维虚拟设计，如图2所示。由此可见，对于一般机械类零件，只需使用UG中草图功能、实体建模和特征细节便可完成该零件的三维虚拟设计，对于工业产品造型设计，由于具有较多较复杂的曲面，必须使用UG中其他相关功能。

图2 溜板三维虚拟设计图

2 三维虚拟设计装配

为了便于工程设计人员完成虚拟样机设计工作，UG提供了装配组件的导航器及装配约束关系，功能十分强大。同时为了便于查看相关装配组件以及相互位置，UG提供了装配爆炸图以及装配序列功能，其装配序列功能可以根据设计人员的要求生成虚拟样机装配每一步动作的动画过程，有利于用户了解虚拟样机的基本结构和功能，为后续实际生产装配打下良好的基础，易于理解。在具体操作时，UG中的装配约束关系主要有接触、对齐、同心、距离、固定、平行、垂直、拟合、胶合和中心等几种。

2.1 钢管回转装置虚拟装配

钢管回转运动装置主要是在车床主轴箱上进行改造，其运动方式是通过步进电机带动主轴旋转，从而使主轴上的三爪卡盘和管件进行回转运动，其二维图如图3所示，虚拟装配如图4所示。

图3 钢管回转装置二维图

图4 钢管回转装置虚拟装配图

2.2 轴向系统进给装置虚拟装配

该轴向进给系统装置主要是在车床的进给运动装置上完成，其运动方式主要是通过步进电机带动传动丝杠旋转运动，从而使溜板作直线运动，其二维图如图5所示，轴向系统进给装置床身的虚拟装配图如图6所示。

图5 轴向系统进给装置二维图

图6 轴向系统进给装置及床身虚拟装配图

2.3 割炬运动装置虚拟装配

割炬运动装置二维图如图7、图8所示，割炬、电机及相关传动部件安装在线性模组上，并且固定在车床溜板上，实现整体轴向运动，同时通过线性模组可实现割炬的上下运动。其主要完成动作是通过电机和中间传动部件，实现割炬的摆动，从而实现钢管管端相贯线切割。割炬运动装置虚拟装配图如图9所示。

2.4 虚拟样机设计装配

在完成上述钢管回转装置、轴向系统进给装置以及割炬运动装置三大主要组成部分的虚拟设计装配基础上，进行该数控钢管管端相贯线火焰切割机虚拟样机的总体装配，如图10所示。在实际产品设计中，当完成整体虚拟样机装配后，必须进行产品中各个零部件之间干涉情况的检查，当然也可以在每一个主要组成部分先进行装配干涉检查，UG提供了该项功能，在此不再一一阐述。

图7 割炬运动装置二维图

图8 割炬运动装置A向和B向剖视图

图9 割炬运动装置虚拟装配图

图10 虚拟样机图

3 结论

基于UG平台所完成的数控钢管管端相贯线火焰切割机的虚拟样机，结合UG强大的参数化设计功能可以非常方便地进行优化设计，为后续零部件有限元分析、整机运动仿真分析提供了良好的基础，大大简化了机床设计和开发过程，缩短了开发周期，减少了开发费用，为进一步优化结构提供了可靠的依据。通过案例分析可见，UG在虚拟设计应用中的强大功能，利用其自身强大的功能不仅可以减轻工程设计人员的劳动强度，而且还能更好地发挥工程设计人员的想象力和创新能力。

［1］李伟.先进制造技术［M］，北京:机械工业出版社，2005.

［2］李锐，汪小芳.基于UG的三缸活塞式空气压缩机的虚拟设计［J］.机械工程与自动化，2008(5):65-66.

［3］展迪优.UG NX8.0快速入门教程［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［4］王国栋，阎祥安，肖聚亮，等.管端相贯线坡口切割割炬位姿控制［J］.天津大学学报，2005，38(8):684-688.