1、 精密制造与自动化 2023年第1期 37 基于 UG 软件的弧面凸轮机构运动仿真分析*龙勇云（珠海城市职业技术学院 机电工程学院 广东珠海 519090）摘 要 弧面凸轮机构具有结构紧凑、承载能力强的特点，得到了越来越广泛的应用。弧面凸轮机构具有复杂难加工曲面，使用常规建模方法难以完成建模。如何快速、准确地建立圆柱滚子式弧面凸轮机构三维模型是一个值得研究的问题。通过采用了 UG Open Grip 二次开发工具，首先根据弧面凸轮廓面方程生成一系列离散点，再由点生成线，线生成面，面生成体的方法，完成弧面凸轮机构的建模，接着建立弧面凸轮与从动盘的装配模型，最后利用 UG 仿真模块进行弧面凸轮机构
2、的运动仿真分析，验证弧面凸轮机构模型建立的正确性，以及为后续弧面凸轮机构静力学分析、动力学分析打下基础。关键词 弧面凸轮 UG 运动仿真 1 1 引言引言 在弧面凸轮建模方面：赵世田1-3等人针对弧面分度凸轮机构,通过共轭曲面原理、微分几何学进行理论分析，提出了基于齐次坐标变换的通用弧面分度凸轮轮廓曲面方程建立方法；然后基于 VB 开发了弧面分度凸轮轮廓曲面数据采集系统；基于 Pro/E建立了凸轮机构的三维模型及运动仿真模型。邱有永4利用激光扫描仪测量了弧面分度凸轮的三维几何数据，利用 Geomagic Design X 软件逆向建模，构建出弧面凸轮的三维模型。龚青山5等分析圆柱滚子、圆锥滚子
3、、鼓形滚子和球锥滚子工作曲面参数，采用二分法思想提出一种弧面凸轮工作廓面通用建模方法，实现不同滚子曲面的弧面凸轮工作廓面建模，在 Creo 环境下实现弧面凸轮减速机构参数化建模。张文光6-7等采用 Matlab 软件分析改进正弦加速度运动规律曲线,根据滚珠运动规律进行编程,将编程程序输入到 Matlab 软件中进行计算,得出三维坐标点.将三维坐标点导入到 Solidworks 中拟合成曲线,通过曲线切割凸轮毛坯,最终生成弧面分度凸轮实体。本文采用的是基于 UG Open Grip 二次开发工具建立弧面凸轮三维模型，再使用 UG 仿真模块进行弧面凸轮机构装配模型的运动仿真，检测 弧面凸轮建模及弧
4、面凸轮机构装配模型是否正确，是否存在干涉，是否符合要求，进而为后续弧面凸轮机构的静力学、动力学分析打下基础。2 2 建立弧面凸轮三维模型建立弧面凸轮三维模型 在已经推导出的弧面凸轮廓面方程基础上，在已经编写好的弧面凸轮建模 GRIP 源程序基础上，然后使用 NX 工具 NX Open GRIP 对已经编写的GRIP 源程序进行编译(compile)、链接（link），进而得到 UG 可执行的程序文件。然后在 UG 建模环境中执行.grx 文件从而生成弧面凸轮三维实体模型。（1）打开 UG 建模环境界面，新建 UG 零件。（2）在编译完设计好的 Grip 源程序之后，找到与 Grip 源程序在同
5、一路径中的已经生成的相同文件名的可执行文件（后缀名为.grx）。在 UG 界面中，执行菜单工具栏文件执行Grip 然后在弹出的相应窗口中，运行刚生成的可执行文件即可。（3）设置生成弧面凸轮机构相应的参数，如中心距，滚子直径，滚子高度，从动盘节圆半径等一些控制参数。（4）首先绘制弧面凸轮的毛坯草图如图 1 所示，再对毛坯草图进行旋转生成毛坯实体，如图 2 所示。*基金项目：2020 年度广东省普通高校青年创新人才项目数控转台中不同滚子类型弧面凸轮机构机电耦合动力学研究 课题编号：2020KQNCX208 制造业信息化 精密制造与自动化 2023年第1期 38 图图 1 弧面凸轮毛坯草图弧面凸轮毛
6、坯草图 图图 2 弧面凸轮毛坯实体弧面凸轮毛坯实体 （5）根据弧面凸轮工作廓面方程，选取合适的角度步长和滚子高度方向长度步长生成一系列的坐标点如图 3 所示，再将滚子高度方向同一长度步长的点生成相应的 B 样条曲线，如图 4 所示。图图 3 生成点生成点 图图 4 生成样条曲线生成样条曲线 （6）将已生成的曲线分为 2 组，每组曲线将通过线组生成B曲面的方法生成弧面凸轮工作廓面的一组廓面，如图 5 所示。然后将再生成两组廓面间的上下底面，前后端面，最后将生成的六个曲面缝合成实体，如图 6 所示。图图 5 生成生成 B 曲面曲面 图图 6 生成缝合实体生成缝合实体 （7）以弧面凸轮机构三维毛坯实
7、体为目标体，把刚生成的缝合实体作为刀具体，将这两个实体进行布尔差运算如图 7 所示，最终得到弧面凸轮三维模型如图 8 所示。图图 7 布尔差运算实体布尔差运算实体 图图 8 圆柱弧面凸轮圆柱弧面凸轮 龙勇云 基于 UG 软件的弧面凸轮机构运动仿真分析 39 3 3 建立弧面凸轮机构装配模型建立弧面凸轮机构装配模型 （1）首先新建 UG 装配文件，以“绝对原点“方式添加第一个几何体即弧面凸轮；（2）以选择“原点方式“添加第二个几何体从动盘；（3）对弧面凸轮添加一个固定约束，如图 9所示；（4）添加一个平行约束：从动盘的 YZ 平面与弧面凸轮的 YZ 平面设置平行约束；（5）添加一个距离约束：从动
8、盘的 YZ 平面与弧面凸轮的 YZ 平面之间距离为 0mm；（6）添加一个距离约束：从动盘轴线与弧面凸轮的 XY 平面距离为中心距 100mm；（7）添加一个距离约束：从动盘轴线与弧面凸轮 XZ 平面距离为 0mm；（8）添加一个接触约束：在圆柱滚子曲面与弧面凸轮工作廓面之间设置一个接触约束。至此完成了圆柱滚子式弧面凸轮与从动盘的装配模型，其结果如图 10 所示。图图 9 弧面凸轮装配约束弧面凸轮装配约束 图图 10 圆柱弧面凸轮圆柱弧面凸轮装配模型装配模型 4 4 弧面凸轮机构运动仿真弧面凸轮机构运动仿真 （1）进入运动仿真模块：在 UG 界面中点击选择开始运动仿真，在运动仿真导航器中，将自
9、动生成以装配文件名作为运动导航器中的目录节点名称；（2）创建仿真：用鼠标右击仿真节点，选择“新建仿真”，将生成系统默认名称为 motion_1 的运动仿真节点，仿真中所创建的连杆、运动副和载荷等都在此节点下；（3）创建连杆：在 UG 仿真工具栏中点击“创建连杆”图标，在弹出的对话框中，需要选择一些三维实体或者曲线做连杆对象然后确定即可；（4）创建运动副：UG 仿真模块中运动副有很多种类譬如有移动副、旋转副、齿轮副等，在定义运动副时往往需要确定好运动副的连杆、方向和作用点；当创建齿轮副这种耦合副时，则需要输入“比率”参数；（5）添加驱动：一般在运动副中的“驾驶员”选项卡中可以设置驱动，也可以在运
10、动工具栏中选择“驾驶员”设置驱动；前者的驱动称之为默认驱动，后者称之为独立驱动，当设置好独立驱动时，默认驱动将不发挥作用；（6）创建计算方案：右击 motion_1新建解算方案，在这里面可以设置仿真时间、步长等相关参数，设计好后点击确定，便可出现以 solution_1命名的节点；（7）求解：右击 solution_1 节点选择“求解”即可；（8）观察动画：可以在 UG 仿真模块运动工具栏中点击“动画”按钮观察动画。（9）检查干涉：在 UG 仿真中，通过动画对话框进行动画的播放，此外还有一个重要的功能就是检查机构在运动过程中是否存在干涉。通过菜单栏工具封装干涉，选择需要检查干涉的两个实体，便可
11、以得出是否存在干涉。还可以设置当干涉发生时的动作，如高亮显示、创建实体、显示相交曲线等。在弧面凸轮机构运动仿真中，由于机构比较简单，它只包含两个连杆，每个连杆上都创建一个相对机架固定的旋转副，在这两个旋转副之间创建一个齿轮副，将齿轮副的比率设为 1/8。驱动添加在 (下转第 43 页)盛 杰 等 电測仪表计量检定工作质量自动评估模型构建 43 参考文献 1 刘仍礼.石墨制化工装置自控仪表工程施工质量控制分析J.全面腐蚀控制,2022,36(09):50-52.2 胡方铮,林振强,王新军,等.计量助推仪器仪表产业高质量 发 展 的 策 略 研 究 J.中 国 计 量,2022,(08):32-3
12、3;93.3 刘博唯.炼化企业仪表仪器的维护保运质量体系的实际应用J.山东化工,2022,51(07):197-199.4 伍源林,崔龙国.浅析重庆市仪器仪表行业质量和标准 化 现 状、问 题 及 对 策 J.仪 器 仪 表 用户,2021,28(11):105-108.(上接第 39 页)弧面凸轮的旋转副上，并在其上添加一个恒定的转速，创建出的运动仿真界面如图 11 所示。仿真结果如图 12 所示，结果显示“仅面或边缘干涉”，因此表明所创建弧面凸轮机构三维装配模型基本正确。图图 11 运动仿真导航器运动仿真导航器与对话框与对话框 图图 12 运动仿真运动仿真结果结果 5 何彦,肖圳,李育锋,
13、等.使用 CNN-SVR 的汽车组合仪表组装质量预测方法J.中国机械工程,2022,33(07):825-833.6 李克伟.热工仪器仪表计量检定及自动化发展研究J.中国高新科技,2022(16):47-49.7 丁彦星.热工仪器仪表计量检定与自动化分析J.仪器仪表标准化与计量,2021(06):36-38.8 郭晨晨,陈晗.测绘仪器计量检定自动校准系统设计J.自动化技术与应用,2022,41(04):122-126.5 5 结语结语 利用 UG Open/Grip 二次开发工具编写了圆柱型弧面凸轮的 Grip 建模源程序，并在此基础上建立了圆柱滚子式弧面凸轮机构，并对弧面凸轮机构的装配模型进
14、行了运动仿真，弧面凸轮机构啮合传动过程仿真结果显示“仅存在面或边缘干涉”，验证了弧面凸轮机构三维实体装配模型的正确性，为后续弧面凸轮机构的静、动态特性分析打下基础。参考文献 1 赵世田,付莹莹,卢倩,等.基于 Creo 和 ADAMS 的弧面分度凸轮机构建模与运动仿真研究J.机械设计与制造,2020(04):111-114.2 赵世田,付莹莹,杨相国,等.圆锥滚子弧面分度凸轮机构 建 模 与 Adams 运 动 学 仿 真 研 究 J.机 械 传动,2019,43(12):61-65.3 赵世田,付莹莹,曾勇,等.基于齐次坐标变换的弧面分度凸 轮 建 模 与 运 动 仿 真 研 究 J.机 械 传动,2018,42(10):64-67.4 邱有永.基于 Geomagic Design X 的弧面分度凸轮逆向建模J.黑龙江工业学院学报(综合版),2020,20(04):81-84.5 龚青山,田省洋,张光国,等.基于可拓的弧面凸轮减速机构设计及廓面通用建模J.机械设计,2022,39(06):90-99.6 张文光,王大镇,袁静云,等.弧面分度凸轮建模方法及有限元分析研究J.制造技术与机床,2019(08):68-72.7 张文光,王大镇,应帅,等,采用 Solidworks 弧面分度凸轮建模新方法及静态分析J.中国工程机械学报,2018,16(05):410-415.
