UG軟件在真空泵渦旋盤(pán)建模與仿真中的應用
渦旋真空泵型線(xiàn)主要有圓漸開(kāi)線(xiàn)、線(xiàn)段漸開(kāi)線(xiàn)、正多邊形漸開(kāi)線(xiàn)、螺旋線(xiàn)、包絡(luò )型線(xiàn)以及通用集成型線(xiàn)等。由于圓漸開(kāi)線(xiàn)理論成熟且易于加工，一般用圓漸開(kāi)線(xiàn)作為渦旋齒壁型線(xiàn)。但單一型線(xiàn)渦旋齒難以實(shí)現完全嚙合，需對渦旋機械性能影響較大的渦旋齒齒頭型線(xiàn)進(jìn)行修正，以確保渦旋型線(xiàn)光滑連續，從而實(shí)現渦旋齒的正確嚙合。介紹了基于圓漸開(kāi)線(xiàn)參數方程和劉振全教授的圖解修正法，通過(guò)UG 軟件平臺對渦旋真空泵零部件進(jìn)行參數化建模仿真，為渦旋真空泵渦旋盤(pán)的設計和生產(chǎn)提供有效方案。
渦旋理論的提出, 可以追溯到20 世紀初。1905 年, 法國人Leon Creux 以渦旋膨脹機為題申請了專(zhuān)利，1925 年L.Nordi 以渦旋液體泵為題申請了的專(zhuān)利。在隨后的70 年里，由于渦旋盤(pán)渦旋齒型線(xiàn)的設計、加工以及檢測受限，渦旋機械沒(méi)有得到更深入的研究和發(fā)展，直到20 世紀70 年代，能源危機及溫室效應出現，節省能源和環(huán)境保護要求日益高漲，渦旋機械以其效率高、振動(dòng)噪聲低、結構簡(jiǎn)單和運轉平穩等特點(diǎn)重新受到人們尤其是真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)的重視，同時(shí)，隨著(zhù)計算機軟件以及高精度數控加工技術(shù)的更新?lián)Q代，為渦旋機械的發(fā)展帶來(lái)新的機遇。渦旋機械應用領(lǐng)域包括壓縮機、增壓器、液體泵、發(fā)動(dòng)機、膨脹機和真空泵等。渦旋真空泵的研制始于20 世紀80 年代末，1987 年，日本三菱電機首次成功開(kāi)發(fā)出渦旋真空泵，之后日本日立、巖田涂裝、英國Edwards、美國Varian 等公司也相繼推出了渦旋真空泵樣機[1~3]。
1、UG 軟件簡(jiǎn)介
UG NX 是UGS(Unigraphics Solution)公司推出的Microsoft Windows 環(huán)境下的CAD/CAE/CAM集成化軟件。功能強大、內容豐富，它支持產(chǎn)品結構設計，模具設計，數控加工編程和工程分析，實(shí)現了并行工程CAD/CAE/CAM的集成與聯(lián)動(dòng)。該軟件具有實(shí)體建模(Solid Modeling)、特征建模(Features Modeling) 、工業(yè)設計(Shape Studio)、制圖(Drafting)、裝配(Assemblies)、分析(Analysis)和運動(dòng)仿真(Dynamic Simulation)等功能，它采用單一數據、參數化、基于特征、完全關(guān)聯(lián)性以及工程數據再利用等新技術(shù)，改變傳統設計的觀(guān)念。用UG 進(jìn)行設計任何時(shí)間修改任何尺寸，其關(guān)聯(lián)的三維和二維實(shí)體模型都將可以自動(dòng)更改;基于特征參數化建模技術(shù)，以規則或代數方程的形式定義尺寸間約束關(guān)系，擺脫傳統基于點(diǎn)、線(xiàn)為主的構圖方式[4]。這種設計手段可大大避免設計人員重復勞動(dòng)，并為加快產(chǎn)品系列化生產(chǎn)、多品種設計節省時(shí)間，減少費用。
本文主要介紹基于圓漸開(kāi)線(xiàn)參數方程和劉振全教授的圖解修正法，通過(guò)UG NX6.0 軟件平臺對渦旋真空泵零部件進(jìn)行參數化建模仿真。
2、渦旋真空泵工作原理和特點(diǎn)
渦旋真空泵主要由動(dòng)靜渦盤(pán)支架、偏心軸以及防自轉機構組成, 其中靜盤(pán)型線(xiàn)展開(kāi)角比動(dòng)盤(pán)型線(xiàn)展開(kāi)角多出180°, 形成數對月牙形封閉壓縮腔,通過(guò)壓縮腔的變化改變容積,整個(gè)運動(dòng)包括吸氣、壓縮、排氣3 個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程，以此達到真空的目的[3]。
渦旋真空泵相鄰壓縮腔之間的氣體壓差小,氣體泄漏少,容積效率高,可達90%~98%,其結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、零件少(特別是易損件少)、可靠性高，是一種新型、節能、省材、低噪的容積式流體機械。動(dòng)、靜渦盤(pán)是渦旋真空泵的關(guān)鍵零件,其加工精度,特別是渦盤(pán)的形位公差,端板平整度及其與渦盤(pán)側壁面的垂直度, 直接影響渦旋真空泵的工作性能,它的加工效率、經(jīng)濟性則影響其工業(yè)化生產(chǎn)程度。
3、渦旋真空泵參數化設計與建模
渦旋真空泵設計首先根據任務(wù)書(shū)的要求，如理論排氣量、轉速、壓縮比、渦旋圈數，渦旋齒厚、渦旋齒高以及圓漸開(kāi)線(xiàn)基圓半徑發(fā)生角等參數，利用mat lab 的特征計算程序可方便計算圓漸開(kāi)線(xiàn)等參數方程。渦旋盤(pán)結構復雜多變，由于型線(xiàn)方程的不同, 其參數化的量不同。常用的型線(xiàn)有圓漸開(kāi)線(xiàn)、線(xiàn)段漸開(kāi)線(xiàn)、螺旋線(xiàn)、包絡(luò )型線(xiàn)以及通用集成型線(xiàn)等。由于圓漸開(kāi)線(xiàn)理論成熟且易于加工，一般用圓漸開(kāi)線(xiàn)作為渦旋齒壁型線(xiàn)，即渦旋體內、外壁面上任一點(diǎn)的坐標滿(mǎn)足式(1)
式中r———基圓半徑;v———漸開(kāi)線(xiàn)發(fā)生角;u———漸開(kāi)線(xiàn)的漸開(kāi)角,u=2πN+π/2; N 為渦旋線(xiàn)圈數;下標i、o———渦旋體內、外壁面漸開(kāi)線(xiàn)另一個(gè)重要參數為漸開(kāi)線(xiàn)節距p：
p = 2πr (2)
渦旋真空泵工作時(shí),動(dòng)渦盤(pán)基圓中心繞靜渦盤(pán)的基圓中心作半徑為R 的圓周運動(dòng)。運動(dòng)圓周半徑r 與節距p 和渦旋體壁厚t 有關(guān)。
r = p/2- t (3)
t = 2rv (4)
了解這些參數的相互關(guān)系后, 就利用UG 提供的特征功能來(lái)實(shí)現內外渦旋型線(xiàn)的繪制。但單一型線(xiàn)渦旋齒難以實(shí)現完全嚙合，不能兼顧壓縮、排氣和加工等方面要求，往往需對渦旋機械性能影響較大的渦旋齒齒頭型線(xiàn)進(jìn)行修正，以確保渦旋型線(xiàn)光滑連續，從而實(shí)現渦旋齒的正確嚙合。修正方程不同，其參數量也不同，常用的方法有圖解法和解析法。而圖解法中又分為雙圓弧修正和直線(xiàn)圓弧修正等。無(wú)論采取哪種修正方法,只要清楚零件的本質(zhì)特征尺寸關(guān)系,從參數最少化角度出發(fā),總是可以進(jìn)行完全或部分參數化設計。
3.1、渦旋盤(pán)型線(xiàn)繪制
將坐標系原點(diǎn)移至需要建立漸開(kāi)線(xiàn)的圓的中心。點(diǎn)擊工具圖標出現下拉菜單選擇表達式圖標，在出現的對話(huà)框中按所得漸開(kāi)線(xiàn)參數輸入如下公式:
輸入完畢后點(diǎn)擊確定圖標。接著(zhù)點(diǎn)擊規律曲線(xiàn)圖標, 在出現的對話(huà)框中點(diǎn)擊函數圖標后連續按確定鍵生成所需渦旋型線(xiàn)。
圖1 渦旋型線(xiàn)
然后利用“編輯”菜單中的“移動(dòng)對象”指令,將原始漸開(kāi)線(xiàn)繞Z 軸方向按同一個(gè)角度進(jìn)行正反轉, 形成2 條新的規律曲線(xiàn)，運用刪除功能將原始漸開(kāi)線(xiàn)刪除, 得到渦盤(pán)內外型線(xiàn)。點(diǎn)擊草繪圖標,開(kāi)始繪制草圖。點(diǎn)擊插入圖標,在接下來(lái)的菜單中選擇現有曲線(xiàn), 選擇之前變換后的兩條漸開(kāi)線(xiàn), 按照劉振全教授雙圓弧圖解法對變換后的漸開(kāi)線(xiàn)進(jìn)行修正，形成完整封閉的曲線(xiàn)[1]。投影到指定平面后點(diǎn)擊拉伸圖標, 選擇繪制好的封閉曲線(xiàn),輸入拉伸高度,完成拉伸操作。
3.2、渦旋真空泵零部件建模
利用UG 的特征造型功能，通過(guò)拉伸、凸臺、孔、抽殼、倒角、拔模等命令繪制動(dòng)渦盤(pán)、靜渦盤(pán)、殼體、偏心軸、防自轉機構等零部件，完成三維實(shí)體造型如下[5~6]：
4、虛擬裝配和運動(dòng)仿真
在完成上述零部件的建模后，先進(jìn)行虛擬裝配，狹義的虛擬裝配是把幾個(gè)零件套裝在一起形成一臺機器和一個(gè)部件的過(guò)程。而廣義的虛擬裝配在于產(chǎn)品生命周期的全過(guò)程，考核產(chǎn)品設計方案的可裝配性、可維修性以及零部件間的干涉情況;當產(chǎn)品進(jìn)行到并行設計階段時(shí)，虛擬裝配還可以幫助設計者預先確定產(chǎn)品上市時(shí)間，并提高產(chǎn)品的質(zhì)量[6~7]。在UG 環(huán)境下裝配，即把設計好的各零件按UG 裝配約束關(guān)系，如對齊、貼合、插入等，其模型的裝配圖如圖6 所示。
裝配體上所需的標準件(如螺栓、螺母、墊片)可以從標準庫中調用，在裝配體上建立曲柄滑塊機構后可利用ANIMATE 功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。然后利用軟件的放大功能，在放大幾萬(wàn)倍的條件下，嚙合點(diǎn)依然保持接觸，并且在動(dòng)態(tài)模擬的過(guò)程中運轉正常[8]。同時(shí)UG 運動(dòng)仿真模塊還可以進(jìn)行機構干涉分析，跟蹤零件軌跡，分析零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運動(dòng)仿真模塊的結果可以證明型線(xiàn)理論的正確性，同時(shí)指導修改零件的結構設計或調整零件的材料。設計的更改可以反映在裝配主模型的復制品仿真方案中，然后重新仿真，一旦確定優(yōu)化的設計方案，設計更改可以直接反映到裝配主模塊中。拓寬了渦旋型線(xiàn)設計理論與方法研究的思路。圖7 所示為在UG 環(huán)境下渦旋真空泵的運動(dòng)仿真示意圖。
5、結束語(yǔ)
利用UG 完成渦旋盤(pán)設計、G 代碼生成過(guò)程,不僅能極大提高修改編輯、系列化設計效率和產(chǎn)品的直觀(guān)性，同時(shí)減少繪圖和編程的工作量,而且能較好滿(mǎn)足渦旋盤(pán)加工精度要求, 最終實(shí)現產(chǎn)品參數化、系列化的虛擬裝配和運動(dòng)仿真，為渦旋類(lèi)機械設計和生產(chǎn)提供一套行之有效的方法。UG 是集CAD、CAM功能于一體的較完善高端軟件，在建模時(shí)，對于繪制拉伸體可以運用草圖設計功能先在草圖中繪制好可以拉伸的封閉曲線(xiàn)，然后再進(jìn)行拉伸�？梢赃\用表達式功能繪制渦旋盤(pán)的漸開(kāi)線(xiàn)部分，再運用草圖設計功能對漸開(kāi)線(xiàn)進(jìn)行修正。
參考文獻
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[2] 楊靜,陳素君.渦旋真空泵：一種具有發(fā)展潛力的無(wú)油泵[J].真空,2009,(1):42- 46.
[3] 楊旭,張賢明,王立存,等.渦旋式真空泵現狀和發(fā)展趨勢分析[J].重慶工商大學(xué)自然科學(xué)版,2012,(3):83- 88.
[4] 謝國明.UG 相關(guān)參數化設計培訓教程[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2003.
[5] 周虹, 仉毅. 基于UG 的漸開(kāi)線(xiàn)齒輪參數化設計與實(shí)現[J].機械設計與制造，2007(2)：78- 79.
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