基于UGNX的数字化设计与制造技术的应用

K ey word s : digital des ign and manufac turing technique; CAD /CAM; zero tooth difference m echanis m 应用的广度和深度 都不断 加大。不 但可以实 现对 产品设 计和功能的仿真以及原型制 造 , 进而快速制造出满足要求 的产品 , 还可以减少样机的数量 , 从而降低成本 , 缩短生产 周期。这里将数字化 设计与 制造技 术应用于 潜油 螺杆泵 的零齿差机构齿轮 的设计制造中 , 选用 UG NX 软 件 , 实现 潜油螺杆泵联轴节 中关键部件的设计。
图 1 潜油螺杆泵采油系统专用联轴节
1 . 2 机构数字化设计
数字化建模是产品 数字 化设计 的关 键 , 在 UG NX 软
图 2 变位后的渐开线齿廓方程
件的 CAD 模块中 , 利用表达 式强 大的参 数化 建模功 能实 现对零齿差内啮合 齿轮副 的参数 化实体 建模。其核 心思 想是 : 利用多组参数驱动零部件的特征尺寸和位置尺寸以 完成零部件的三维 建模。通 过对参 数的不同 赋值实 现对 三维模型的重建或修 改。 在设计阶段 , 由于渐开 线内齿 轮采用 双向 变位 , 外齿 轮径向变位 x 1 和切向变位 x t1越大 , 则齿顶厚越薄 , 甚至会 变尖 , 从而影响轮齿的强度。要保证外齿轮的齿顶具有足 够的厚度 , 必须考虑到以下方面 : 1) 外齿轮齿顶厚系数 sa 1 cos = + 2x1 tan - xt1 - z ( inv a 1 - inv ) ( 1) m cos a 1 2 r 式中 , a 1为外齿轮的齿顶压力角 , cos a 1 = b 。 ra 1 2 ) 外齿轮齿顶厚系数 sa 2 cos - 2x2 tan - xt2 - z ( inv a 2 - inv ) = ( 2) m cos a 2 2 r 式中 , a 2为内齿轮的齿顶压力角 , cos a 2 = b 。 ra 2 s s 在零齿 差齿 轮副 中 , 只要 满足 a 1 , a 2 % 0. 1 (试 验证 m m 明 ) 即可。同理 , 内齿轮。 1. 2 . 1 齿轮实体建模 在 UG 环境 中选 择 & T oo ls∋ Express ion(选 项 , 将 弹出 表达式对话框 , 即 可以在 其中 输入变 量和 表达 式 , 如图 2 所示。其中 , t 为系统内部变量 , 0) t) 1 , 此参数 是表达功 能中所必需 的 ; x t, y t 为随 t 变化的 x, y 的值 ; zt = 0( 只生成 平面图 形 ) 。利 用镜 像 , 画 出 齿廓 的 另 一半 对 称 的 渐开 线 , 对渐开线进行截取。基 圆内没 有渐开 线 , 基圆与 齿根 圆之间的齿廓为圆弧 过渡 , 所以可利用圆弧过渡功能进行 渐开线与齿根圆之间 的圆弧过渡 , 圆弧半径 r = 0. 38 m, 在 UG 中只需在齿廓 与齿根圆之 间倒圆 , 即可 进行齿 根圆角 的绘制 , 从而得到一个 完整的 齿廓。然后 对其 拉伸 , 生成 三维的实体模 型 , 将轮齿 与齿 根圆 圆柱进 行布 尔 & 加 ( 运 算 , 最后利用圆周阵列形成轮齿。生成的外齿轮实体模型 如图 3 所示。 1. 2 . 2 装配建模 利用 UG NX 的虚拟装配功能 , 通过关联条件在部件间 102
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唐红品 , 等
基于虚拟样机技术的 6 SPS 并联机器人的优化设计 不但 缩短了 产品 的研 制周期 , 节 省了 制造真 实样 机的材 料 , 还能方便快 捷的检查 产品的 功能缺陷 , 及 时更新。同 时利 用多变 量重 复试 验的方 法 , 减少 误差还 可以 观察到 各个变量对 机构 性能 影响 程度。结 果表 明 , 通 过这 种优 化方 法省去 了繁 琐的 数学计 算 , 便捷 的得到 了满 意的结 果。因此更能抓住设计的核心部分。 参考文献 :
Autom a tion, D ec 2010, 39 ( 6 ) : 101 ~ 102, 139
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信息技术
韩立 , 等
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例 , 由于油井的尺寸有要求 , 潜油螺杆泵 的尺寸受到限制 , 所以零齿差齿轮副径向比较小 。在零齿 差输出机构中 , 中 心距 a∃ 比零大 很多 , 因此要求 有较大的齿 侧隙存在 , 否则 就不能安装和运转。最终 , 同时采用径向和切向两种变位 方法 , 使内齿轮的齿槽增宽、 外齿轮的齿 厚变薄 , 以获得较 大的齿侧隙。
图 4 齿轮装配模型 1. 2. 3 三维运动机 构的分析和仿真功能 应用 UG 中的运动 仿真功 能对 所建立 的装 配模 型进 行运动仿真 , 通过运动仿 真 , 可以利 用计算机 更好 的观察 零齿差内啮合齿轮 副啮合 过程。即 对两个运 动齿 轮机构 的运动参数、 运动轨迹、 干涉 校核进行研究 , 以及对运动系 统的仿真等进行研 究 , 从 而为设 计人员 提供直 观、 可以仿 真的交互式设计技 术。 ( 下转 第 139 页 )
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韩立 , 等
基于 UG NX 的数字化设计与制造技术的应用
基于 UG NX 的数字化设计与制造技术的应用
韩立 , 姜彤 , 李增威
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( 1. 沈阳工业大学 机械工程学院 , 辽宁 沈阳 110870; 2 . 沈阳市蓝光自动化技术有限公司 , 辽宁 沈阳 110179) 摘 要 : 利用 UG NX 优秀的 CA D /CAM 功能 , 对潜油螺杆泵联轴节中的渐开线内啮合零齿差机
[ 1] 李瑞涛 , 方湄 , 张文明 . 虚拟样机技术的概念及应用 [ J] . 机 电
图 14 DV_6 对应的角度变 化曲线 表 1 各变量的优化值
D igital D esign and M anufacturing Techn ique App lication Based on UG NX
HAN L i1, JI ANG T ong1 , L I Zeng w e 2 i ( 1. Schoo l o fMe chanica l Eng inee ring , Shenyang Un ive rs ity o f Techno logy , Shenyang 110870, Ch ina ; 2. Shenyang B l ue ray Dr ive Techno logy Company, Shenyang 110179, Ch i na) Abstrac t : This paper uses the powerful CAD /CAM funct io n of UG NX to ana lyze the tooth prof ile curve of invo lu te interna l gear
0 引言
数字化设计与制 造技术是 指利用 计算机 软硬件 及网 络环境 , 实现产品开发全 过程的 一种技 术 , 即 全面模 拟产 品的设计、 分析、 装配、 制造等过程。数字化设计技术是以 计算机辅助设计为主的技术。对于一个 工程设计对象 , 不 仅仅要描述它的几 何图形 , 还要 描述它 的装配 关系、 材料 特征、 功能特征等 , 这些信息在计算机中 即为数字信息 , 用 数字信息描述的工 程对象 称为对 象的数 字化模 型。数字 化设计的基 本概 念就 是数 字模 型加 上数 字化 处 理方 法。 它是先进制造技术的 核心技术。 数字化设计与制 造技术集 成了现 代设计 制造过 程中 的多项先进 技术 , 是 制造 企业 提高 产品 竞争 力 的先 进手 段。在数字状态下对产品进行设计制造 , 对提高产品的精 度、 提高生产效率和降低成本越来越重要。在计算机上完 成产品的开发 , 从概念设 计到制 造完成 , 所需 时间仅 为传 统方法的 1 /3 左右 , 而成本也仅为传统方法的 1 /4左 右。 在数字化设计与 制造环境下 , 在广域内形成了一个由 数字和信息织成 的网 , 个人、 企业、 车间、 设 备、 产品、 经销 商和市场都将成为 数字网 中的一 个结点 , 产品 在设计、 制 造、 销售、 维护过程中 所赋予 的数字 制造信息 和技术 成为 主宰制造业最活跃的 驱动因素 , 数字化设计与制造科学也 就成为 21 世纪制造科学的核心。
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图 3 外齿轮 建立约束关系从而确定部件 在产品中的位置 , 对建好的 零 齿差机构进行虚拟装配。当构成 装配体的部件 修改时 , 装 配体会自动更新。 UG NX 采用的 是具有 智能功 能的虚 拟 装配模式。同时 , 通过虚拟装 配功能可检验 所设计的结 构 是否存在结构缺陷等。进入装配环境 , 设定约束 , 中心距为 总偏心量的 1 /2, 则内外齿轮装配的截面图如图 4 所示。
1 . 1 应用背景
电动潜油螺杆 泵采油系统 是一种 井下电 动机 驱动的 无杆采油设备。系统 利用动 力电缆 将电力传 送至 潜油电 动机 , 通过减速器减速和 联轴节 将运动 形式转 换后 , 带动 螺杆泵转子在低速下做往复 直线运动 , 井液经过螺杆泵增 压后 , 通过油管被举升到地面。潜油螺杆泵由转子和定子 ( 橡胶材料 ) 组 成 , 转 子和 定子 啮合形 成一 个个 连续 的密 封腔室。当转子在定子内转 动时 , 由于密封腔室的不断形 成、 推移和消失 , 使油液通过 一个个密封腔室 , 从吸入端被 推进至排出端 , 直至送达地面 , 从而起到泵送作用。 联轴节 ( 图 1) 连 接减 速器 输出 轴与 螺 杆泵 转子 ( 螺 杆 ), 根据潜油螺杆泵采油系统的工况要求和螺杆泵的偏心 量要求 , 考虑到电动机、 减速器和螺 杆泵已标准 化、 系列 化 和通用化 , 所需的联轴节必须 具备以下 3 个 功能 : 1) 传 递 输入轴和输出轴之间的扭矩 ; 2) 保证输出轴 相对于输入轴 有一定的偏心量并且其轴心线绕输入轴的轴心线作行星偏 摆运动 ; 3) 传递输出轴的反向力作用 ( 轴向压力 ) 。 零齿差齿轮机 构是潜油螺 杆采油 系统中 专用 联轴节 的关键部件 , 其功能、 性能的 好坏将 影响整个 潜油 螺杆采 油系统。现以潜油螺 杆泵联 轴节中 的零齿差 机构 齿轮为