机械设计中UG软件应用研究

涂祖蕾 高关胜

摘要：在机械设计中，常见的三维机械设计软件品种繁多，各有侧重，如SoildWorks、ProE、Catia、UG等，设计人员应根据自身设计领域、设计要求合理选择适宜的设计软件。UG软件是三维设计软件中的优秀产品，在汽车制造、模具设计、机械设计等领域应用广泛，其造型灵活方便，曲面功能强大，集成了CAD、CAE、CAM等强大套件，可精确描述机械设计中各零件设计参数、运动仿真等参数。本文深入分析了UG软件各模块功能，并以压铸机取料手结构设计为例，详细分析零件建模、虚拟装配、运动仿真等过程，以期为机械设计研究提供有益参考。

关键词：机械设计;UG软件;CAD;CAE;CAM

UG软件（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的产品设计解决方案，可为用户产品设计和加工过程提供数字化造型和验证手段，可满足用户虚拟化产品设计、工艺设计需求及各种工业化需求。由于UG软件是一种交互式计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助制造（CAM）系统，其功能强大，可实现各种复杂实体和造型建构，能够为CNC加工、模具设计、二次开发设计等提供有效的设计平台。如基于UG软件刀具库选择初加工、半精加工、精加工等参数标准化，实现刀具轨迹延伸、缩短、修改等设计，并实现机械加工制造中按需设计。本文在研究UG软件设计内容和特点的基础上，研究了机械设计中UG软件CAD模块、CAM模块和CAE模块功能，并结合齿轮减速器设计分析了UG软件设计流程和设计内容，以期为机械设计中UG软件应用提供有益参考。

1 UG软件概述及特点

1.1 UG软件概述

UG软件是美国UGS公司研制的三维立体设计软件，是当前机械设计领域广泛应用的辅助设计、研究、制造软件。在机械设计领域中，UG软件可按需生成三三维模型，并可在机械设计中实现有限元分析，从而显著提高在机械设计的可靠性，为机械设计和数控机床加工、生产提供有力支持。同时，UG软件可面向多个领域提供多类型开发模块，支持多级用户开发。借助UG软件三维展示与设计，可实现产品造型设计、装配式仿真、运动仿真干预检查、运动轨迹干预检查等，可及时发现机械设计中的错误，确保机械产品设计精确。此外，借助有限元分析，可对机械零件设计是否满足设计要求进行判断，当设计满足设计要求时，可对产品设计进行二维设计和加工仿真验证，经验证合格后直接用以机械设备加工生产。当产品设计不满足设计要求时，可根据设计反馈信息修改设计方案调整后后进行有限元分析。通过UG软件应用，有效改善了传统的机械设计中仅能出具二维图纸或二维装配图且无法准确预测机械机构运行中各零件是否存在干涉、驱动力是否满足、运动部件行程是否达到要求等细节问题，防止机械设计中存在各种隐患和漏洞，提高机械设计的可靠性、准确性。

1.2 UG软件特点

UG软件具有显著的特点，主要体现在（1）设计界面交互，改善了其他设计方法的局限性，提高了机械设计效率;（2）软件操作界面可根据实际需求或个人偏好定制;（3）软件可需求自由定制工具条;（4）UG软件操作遵循动态交互原则，可通过简单操作设计对象实现机械设计;（5）实际设计中，设计人员点击操作次数显著减少，有利于提高设计速度和设计效率;（6）智能化操作效率高，可快速完成目标选择任务，节省大量设计时间。

2 UG软件在机械设计中的应用研究

在机械设计中，UG软件可根据其功能模块划分为CAD模块、CAM模块、CAE模块等。

2.1 CAD模块

CAD模块可实现设计文件的基本操作，包括文件的打开、查看、存储、着色、扩大、缩放、测量、分析、布局等操作。由于机械设计中零件设计具有一定的差异性，各零件设计方法、构造存在显著差异，但由于UG软件具有简单易学的阿特点，设计人员可根据实际需求选择工具栏内工具或命令完成不同零件的参数化操作。同时，由于参数化设计与对应命令之间存在一定的关联性，可快速、精准完成设计修改，并在设计修改后无需再调整关联设计即可自动调整，减少了关联调整步骤和操作，有效避免了因遗漏其他操作而造成机械零件设计错误，为设计人员集中精力进行零件设计提供了良好的条件，提高了机械零件设计的先进性和可靠性。

2.2 CAM模块

CAM模块主要面向机械设计提供多种功能加工模块，该模块可在一定条件下满足各级用户观察需求，观察内容包括刀具移动、图形编辑、图形修改等内容。同时，该模块包括多种加工和设计任务等程序，可实现的任务类型包括钻孔、攻丝等，功能菜单可根据用户实际需求修改或自定义菜单，可提高用户设计中零件粗、精加工操作，并为参数标准化提供支持。

2.3 CAE模块

CAE模块是一种高度集成化的实用工具模块，可在短时间内完成零件有限元处理，完成设计阶段零件设计有限元分析任务，并可通过设计优化得到高品质的设计产品，能够在保证产品设计质量的基础上进一步缩短机械零件设计时间。CAE模块可将零件设计模型转换为可用于有限元分析的工具，不仅可在设计模型上完成网格划分，还能够在特定条件下实现交互式划分，能够根据设计人员设计需求提供基本定义功能。在前后置处理完成后，CAE模块可将在有限元分析结果输出至以有限元为核心的解算器中并完成后续计算内容，在计算完成后以图形或动画形式输出设计结果，并可根据形式要求输出云图、等值线图等形式，可满足机械设计人员多元化需求。

3 基于UG软件的压铸机取料手结构设计

以某压铸机取料手结构设计为例，其设计过程为UG零件建模、虚拟装配、运动仿真等

3.1 零件建模

由于UG软件具有良好的实体建模功能，设计人员可根据零件外形绘制草图，添加零件尺寸约束，并通过拉伸、旋转、扫面、放样、切分、倒角、布尔运算、抽壳等命令完成各零件设计（如图1所示），并在零件装配中及时发现零件设计中尺寸参数存在的冲突问题并予以修改。在取料手结构设计中，机械零件装置包括旋转装置、水平移动装置、竖直移动装置等，涉及的装置运动方式是电机驱动、齿轮齿条转动、皮带轮传动、氣缸驱动等，需建模零件涉及机架、电机、气缸、齿轮、齿条、卡爪、直线导轨等，经绘制完成后放入取料手结构设计文件夹内（如图2所示）。

3.2 零件虚拟装配

UG软件提供了3种虚拟装配方法，包括自底而上的装配、自顶而下的装配、混合装配。

采用自底而上的装配方式时，先创建部件几何模型，再依次组合完成各零件装配，最后生成装配部件，完成整体装配。该方法是机械设计中最为常见的设计方法;采用自上而下的装配方式时，可在装配层上建立零件模型，并在建立其他零件设计的同时完成装配，即再装配文件中创建零件模型;采用混合式装配方式时，可根据装配设计需求灵活选择自底而上装配或自顶而下的装配方式。在该零件设计中采用混合式装配方式，在装置装配完成后对每个零件进行着色。以齿轮为例。齿轮装配方式包括面结合、对齐、定向三种约束条件，当约束条件不具备时无法完成齿轮啮合，需要在啮合齿轮上建立参考平面。建立参考平面时，先选中齿轮渐开线分度圆上一点，通过該点建立参考平面使其垂直于齿轮，即齿轮轮廓法线方向。并按相同方法在另一齿轮上设计参考平面，在两个参考平面上建立相对关系，即可实现齿轮的啮合。在虚拟装配过程中，如发现零件设计存在干涉或配合关系不合理的情况，应返回三维零部件状态修改，修改完成后继续进行虚拟装配，通过不断设计、装配、修改和完善，直至整个装配过程完成。

3.3 装置运动仿真

零件装配为系统后，需对装置运动轨迹进行分析，检查各零件运动轨迹和运动干涉情况，并通过三维动态仿真模拟真实的机构运动。动态仿真前，可对每个零件进行编号处理，并将每个零件按序设置为运动最小单元和副定义单元间运动，零件间的运动副主要包括旋转副、移动副、圆柱副、齿轮副等，完成运动副定义后可点击UG软件动画按钮观察零件运动轨迹，并借助Interference功能检查装置运动干涉，并可借助Aninmation选项获得运动过程速度、加速度等参数。在该装置运动仿真中，创建相对运动部件集合共计7个连杆，包括固定机架部分、水平横移部分、竖直部分、机械手水平旋转部分、机械手竖直旋转部分和卡爪开团部分，并按需加载模型材料特性，包括材料力学特性、弹性模量、泊松比、密度等参数，并根据装置机构动作设置运动副，包括滑动副、旋转副、齿轮副、齿轮条副，设置每个运动副时间函数，设计每个周期内完成所有运动参数。

3.4 添加机构载荷

在机构运动仿真后，为确保装置设计与真是的工程状态相符，可通过向机构添加一定的外载荷使其运动状态与真实状态相吻合。在取料手结构设计中，可在机构两连杆、运动副或连杆与机架之间添加机构载荷，用于模拟两个零件之间的弹性连接、模拟弹簧和阻尼状态，并对机构传动力、原动力等多零件之间的相互作用进行检查。

3.5 运动驱动、关键运动与运动仿真

运动驱动是装置产生运动的原动力。根据运动驱动形式可分为恒定驱动、 简谐运动驱动、运动函数、关节运动驱动等。取料手机构为低速机构，设计齿轮转速速率为10r/min即可满足装置功能需求。在设置运动驱动、关节运动和运动仿真时，需要设定的运动时间和解算步数越多，其分析结果越准确，但其花费的时间也越多。

3.6 仿真结果输出

运动仿真分析时，仿真结果输出生成一组数据表，可记录整个仿真过程中各零件位移、速度、加速度、受力等参数信息，仿真结果可以表格或图形形式输出，设计人员咋可根据输出结果分析装置设计成果。

4 结论

在机械设计中，虚拟设计是一种全新的设计理念，是当前技术革新的重要标志，UG软件高度集成了CAD、CAM、CAE等模块，具有强大的建模分析能力，可利用其装配功能可实现实现模拟装配、干涉检查、机构仿真等功能，能够及时发现机械设计中存在的错误，减少因设计错误造成的各种问题，缩短机械产品研发周期，并通过有限元分析、运动分析、运动仿真等功能对机械产品设计进行可靠性研究，对机械产品在质量和性能具有积极的促进作用。

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作者简介：涂祖蕾 性别：女 年月： 1978年9月 民族：汉族 籍贯：云南昭通 学历： 硕士研究生，职称：讲师   研究方向：机械制造及自动化