某通用电器试验台试验过程仿真实现

万宇杰，毕 翔，潘 高

(江汉大学 机电与建工学院，湖北 武汉 430056)

某通用电器试验台试验过程仿真实现

万宇杰，毕 翔，潘 高

(江汉大学 机电与建工学院，湖北 武汉 430056)

为了提高试验台设备的设计效率和减少开发成本，采用UG NX软件的Motion模块来实现试验台模型运动过程仿真，用STEP运动函数驱动方法实现试验台模型运动过程，其运动仿真结果为试验台优化设计和电气控制的软件编写提供了依据，为其他复杂机械产品设计提供了思路和借鉴。

试验台；仿真分析；STEP；UGNX

1 问题的提出

电器的机械寿命是通过试验台进行测试的，其机械寿命测试是一个模仿人工操作的过程，测试次数有成千上万次。为了保证测试的可靠性，首先要保证测试设备的稳定性，而测试设备的结构和性能决定了这些参数获取的有效性，为此，必须针对试验设备中的机械系统进行可靠性设计，从而保证试验台的安全可靠。

图1为某隔离开关示意图，为了测试其机械寿命，先将隔离开关置于ON(合闸)状态，再将直接手柄顺时针旋转90°，使隔离开关处于OFF(分闸)状态，完成一次合分闸过程，机械寿命试验记数一次，直到被测隔离开关不能正常分合主回路时，试验结束，统计试验次数。为了保证测试样品便于操作人员安装，本文创新性地采用方便安装样品旋转装置，其工作原理如下：180°旋转机构(Z轴)转到向外工位时安装样品，转到向内工位时样品处于测试状态，在样品处于测试状态时，系统落锁，Z轴不能旋转。机械寿命通用试验台如图2所示。

图1 某隔离开关示意图 图2 机械寿命通用试验台

为了检查设备是否达到了GB14048.3对隔离开关机械寿命试验的设计要求，鉴于UG NX软件强大的三维建模、虚拟装配、动画仿真、有限元分析和工程图生成的功能，本文利用UG NX软件的Motion模块对试验台模型运动过程进行仿真[1]。

2 建模及装配

使用UG NX软件对某电器的机械寿命通用试验台进行三维建模设计，遵循结构简单、功能齐全、模块化、节约成本的总体原则，将机械系统分为若干个子系统进行单独设计。

被测试的电器产品在试验台上的试验过程如下:准备试验→安装样品并连至测试主回路→旋转Z工作台至工作位置→插入Z轴锁止销→调整X、Y、Z轴至试验位置→锁定X、Y轴→开始试验记录合分闸次数。

根据机械寿命试验台的工作原理、预期实现的基本功能，结构设计时将整个机械部分分为三大部分：X轴部件、Y轴部件和Z轴部件，其坐标系如图2所示，依次按其功用分开设计。

根据人机工程原理和机械理论计算各部件的几何尺寸，然后分别建立其三维几何模型，根据各部件的相对位置关系分别组装成3个大的部件，其装配效果见图3。

在3个部件组装完成之后，进行设备的三维实体装配，并检查各零件设计是否合理、零件之间是否有干涉，并且可查看设备总装之后的总体效果是否达到设计要求[2-3]。

3 试验台工作过程仿真建立

依据样品在试验台上的实际试验过程，在UG NX中运用Motion模块，在运动仿真环境中建立试验台运动仿真模型。运用UG NX建立运动仿真的流程见图4。

3.1 创建连杆和运动副

在UG运动仿真模块中，创建试验台运动分析方案，创建连杆对话框将显示连杆默认的名字，格式为L001、L002、…、L00N。设置连杆的核心思想是将具有相同运动关系的部件设为一个连杆。先将设备底座没有运动关系的部件设为选择对象，勾选固定连杆，设为连杆L001。创建两个连杆间的运动副(Joints)，运动副是为了给机构中的连杆添加相互运动关系，使连杆能产生相互运动[4-6]。

图3 试验台X轴部件装配、Y轴部件装配、Z轴部件装配及总装效果图

图4 运用UG NX建立机构运动仿真流程图

运动副的创建步骤为：选择运动副中的第一个连杆，指定其原点与方向，勾选咬合连杆选项，重复上述步骤完成对第二个连杆的啮合。创建运动副的核心思想是将各个组件的运动关系解析清楚。

对X轴的丝杠螺母副创建运动副，首先考虑到丝杠(连杆L002)是做旋转运动(J002)，而X轴工作台(L003)相对底座(L001)沿X轴存在一滑动副(J001)，创建滑动副J001，选取X轴工作台(L003)，指定原点为丝杠滑块圆心、方位为X轴负方向，勾选住啮合连杆选项，选择底座(L001)，啮合的指定原点选择和之前设置的一样。接下来创建旋转副J002，选取丝杠(L002)指定原点为丝杠端面圆心、方位为X轴负方向，用下列方案比较好地解决了丝杠螺母副仿真问题，具体是在插入下拉菜单中传动副选项中有一个“2-3传动副”命令(见图5)，在第一运动副驱动中选择J002旋转副，第二运动副传动中选择J001滑动副，点击确定完成创建2-3传动副J003。至此，X轴丝杠螺母副运动副创建完成。

用类似的方法创建Y轴部件运动副，包括Y轴工作台滑动副(J004)、Y轴丝杠旋转副(J005)、Y轴2-3传动副(J006)和Y轴减速机输出轴旋转副(J007)。

对Z轴方向部件模块也进行了创建，包括Z轴工作台滑动副(J008)、Z轴手柄旋转副(J009)和Z轴丝杠旋转副(J010)、Z轴2-3传动副(J011)、Z轴工作台旋转副(J012)、样品滑动副(J013)和样品手柄旋转副(J014)。因Z轴方向手柄与丝杠之间还存在Z轴减速机，在此用2-3传动副中的3联接传动副模拟，其中第3传动副的比例设为减速机减速比为7.5，能比较好地解决该类运动副仿真问题。

此外还有几个锁定运动，包括X/Y轴的丝杠锁定件旋转副(J015和J016)、Z轴工作台锁定手柄滑动副(J017)和4个样品固定螺钉柱面副(J018～J021)。限于篇幅，这里每一运动副的解算方案不再详述，至此所有运动副创建完成。

图5 2-3传动副控件窗口

3.2 定义运动驱动

运动驱动是赋予运动副上控制运动的参数,UG NX共有5种类型：①无驱动；②恒定驱动，设置某一运动副为等常运动(旋转或线性位移)；③简谐运动驱动,产生一个光滑的向前或向后的正弦运动；④运动函数,运动副按照给定的数学函数运动；⑤关节运动驱动，设置某一运动副以特定的步长(旋转或线性位移)和特定的步数运动。要实现对整个试验过程的精确仿真模拟，首先需要对运动进行分步处理。

3.2.1 仿真时间序列规划

对于一个复杂运动系统进行仿真设计，就需要明确各运动副的运动顺序，对创建的运动副有一个完整规划，对于本系统可按下列顺序执行：T1→T2→T3→T4→T5→T6→T7→T8。其中：T1为样品滑动副(J013)(持续1 s)；T2为4个固定样品螺钉柱面副(J018～J021)(持续1 s)；T3为Z轴工作台旋转副(J012)(持续5 s)；T4为Z轴工作台锁定手柄滑动副(J017)(持续1 s)；T5为Z轴工作台滑动副(J008)、Z轴手柄旋转副(J009)、Z轴丝杠旋转副(J010)及Z轴2-3传动副(J011)(持续5 s)；T6为X轴工作台滑动副(J001)、X轴丝杠旋转副(J002)、X轴2-3传动副(J003)、Y轴工作台滑动副(J004)、Y轴丝杠旋转副(J005)及Y轴2-3传动副(J006)(持续10 s)；T7为X/Y轴的丝杠锁定件旋转副(J015～J016)(持续1 s)；T8为Y轴减速机输出轴旋转副(J007)和样品手柄旋转副(J014)(间隔2 s往复运动，持续14 s)。整个仿真运动共计38 s。

3.2.2 STEP函数驱动动画仿真

本文利用STEP函数对比较复杂的减速机主轴驱动函数和比较典型的X轴丝杠运动函数进行仿真。减速机主轴(Y轴)驱动函数建立的具体方法如下：

在驱动界面中选择函数选项，函数数据类型选择速度，点击选择函数管理器step函数的定义，起格式为：STEP(x,x0,h0,x1,h1)。其参数说明如下：x为自变量，可以是time，也可以是time的函数时间；x0为自变量中STEP函数初始值，可以是常数、函数表达式或设计变量；x1为自变量中step函数结束值，可以是常数、函数表达式或设计变量；h0为step函数的初始值，可以是常数、设计变量或其他函表达式；h1为STEP函数的最终值，可以是常数、设计变量或其他函表达式[7]。

这里需要实现减速机主轴间隔2 s的往复运动，持续14 s，根据以上的定义可以写出函数：STEP(time,24,0,24.001,45)+STEP(time,26,0,26.001,-45)+STEP(time,28,0,28.001,-45)+STEP(time,30,0,30.001,+45)+STEP(time,32,0,32.001,45)+STEP(time,34,0,34.001,-45)+STEP(time,36,0,36.001,-45)+STEP(time,38,0,38.001,+45)。函数实现微小时移区间0.01 s内主轴速度从0°/s变为45°/s，在14 s的时间内完成两次合闸分闸操作。

用相同的方法完成其余各个运动副的驱动之后，通过修改X、Y、Z三轴滑动副中啮合原点的点对话框中的相关坐标值可以使各轴都运动到指定位置。最后将解算方案中的时间修改为38 s，步数设为500，重新求解一次，完成系统的运动仿真过程。点击动画控制模块中的导出至电影图标将运动仿真导出成avi格式的影片。其仿真过程如图6所示。

3.3 仿真分析

启动运动仿真过程,解算分析完成后，可以观看试验台运动过程。从仿真过程可以看出,各机构之间没有发生相互碰撞、相互交错的现象，运动稳定，装配达到了约束要求。在运动仿真动画过程中可以观察到:试验开始拨杆逆时针旋转90°，再顺时针旋转90°，完全模仿人的手工操作，传动比符合设计要求，验证了该试验台传动机构的设计正确性。

图6 试验台工作过程仿真重点工位截图

4 结语

本文运用UG NX软件对通用试验台进行了机构设计和运动仿真。首先准确、快速地完成了试验台的三维建模，然后通过Motion模块对其进行运动仿真。虚拟运动仿真分析表明，设计的试验台装置各构件运动平稳，未发生干涉，其传动符合设计要求；通过UG的STEP运动控制函数可以对运动时间进行控制,能够对机构的运动时间和运动范围的有效控制提供保障,为试验台优化设计和电气控制的软件编写提供依据。

[1] 张晋西,张甲瑞,郭雪琴.UG NX/motion机构运动仿真基础[M].北京:清华大学出版社,2009.

[2] 焦丽丽,张达明.UG在机构运动分析应用中关键技术的研究[J].机械设计与制造,2009(5):94-96.

[3] 傅航,饶锡新,谢达城.基于UG/motion五轴光学检测仪的运动仿真[J].机械设计与制造,2012(1):191-193.

[4] 李锐.基于UG的机构运动仿真和分析[J].机械工程与自动化,2010(5)：44-46.

[5] 张恩光,占向辉,王丽.基于UG NX的2K-H型差动轮系的参数化设计及运动仿真[J].煤矿机械,2012,33(12):27-29.

[6] 何耀华,周少颖.基于UG的一种动力合成与切换装置的运动仿真分析[J].机械设计与制造,2007(8):165-167.

[7] 陈正水,邓益民.基于UG的STEP运动仿真函数对运动时间的控制分析[J].宁波大学学报(理工版)，2012,25(10):103-106.

Test Process Simulation of A General Electric Appliance Test Bed

WAN Yu-jie, BI Xiang, PAN Gao

(School of Electro-mechenical and Architectural Engineering, Jianghan University, Wuhan 430056, China)

In order to improve the design efficiency of test equipment and reduce the cost of development, we used Motion module of UG NX software to set up the model of motion test bench, applying STEP motion function driving method to realize the motion process of test bed. The motion simulation results lays the basis for the design of the test bed and electrical control software, and provides a reference for other complex mechanical product design.

test bed; simulation analysis; STEP; UG NX

1672- 6413(2015)06- 0043- 03

2015- 01- 16；

2015- 08- 30

万宇杰(1969-)，男，湖北孝感人，副教授，硕士，主要从事CAD/CAM、机电一体化、工程材料方向的教学研究工作。

TP391.9

A

武汉市属高校教学研究项目(2013002)；江汉大学机电与建筑学院项目(JD008(2013))