UG軟件在真空泵渦旋盤建模與仿真中的應(yīng)用

2013-05-03 楊旭重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心

　　渦旋真空泵型線主要有圓漸開線、線段漸開線、正多邊形漸開線、螺旋線、包絡(luò)型線以及通用集成型線等。由于圓漸開線理論成熟且易于加工，一般用圓漸開線作為渦旋齒壁型線。但單一型線渦旋齒難以實(shí)現(xiàn)完全嚙合，需對(duì)渦旋機(jī)械性能影響較大的渦旋齒齒頭型線進(jìn)行修正，以確保渦旋型線光滑連續(xù)，從而實(shí)現(xiàn)渦旋齒的正確嚙合。介紹了基于圓漸開線參數(shù)方程和劉振全教授的圖解修正法，通過UG 軟件平臺(tái)對(duì)渦旋真空泵零部件進(jìn)行參數(shù)化建模仿真，為渦旋真空泵渦旋盤的設(shè)計(jì)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(jì)初。1905 年, 法國人Leon Creux 以渦旋膨脹機(jī)為題申請(qǐng)了專利，1925 年L.Nordi 以渦旋液體泵為題申請(qǐng)了的專利。在隨后的70 年里，由于渦旋盤渦旋齒型線的設(shè)計(jì)、加工以及檢測(cè)受限，渦旋機(jī)械沒有得到更深入的研究和發(fā)展，直到20 世紀(jì)70 年代，能源危機(jī)及溫室效應(yīng)出現(xiàn)，節(jié)省能源和環(huán)境保護(hù)要求日益高漲，渦旋機(jī)械以其效率高、振動(dòng)噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等特點(diǎn)重新受到人們尤其是真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)的重視，同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)軟件以及高精度數(shù)控加工技術(shù)的更新?lián)Q代，為渦旋機(jī)械的發(fā)展帶來新的機(jī)遇。渦旋機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域包括壓縮機(jī)、增壓器、液體泵、發(fā)動(dòng)機(jī)、膨脹機(jī)和真空泵等。渦旋真空泵的研制始于20 世紀(jì)80 年代末，1987 年，日本三菱電機(jī)首次成功開發(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(jī)^[¹^~³^]。

1、UG 軟件簡介

　　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(qiáng)大、內(nèi)容豐富，它支持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模具設(shè)計(jì)，數(shù)控加工編程和工程分析，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)(Shape Studio)、制圖(Drafting)、裝配(Assemblies)、分析(Analysis)和運(yùn)動(dòng)仿真(Dynamic Simulation)等功能，它采用單一數(shù)據(jù)、參數(shù)化、基于特征、完全關(guān)聯(lián)性以及工程數(shù)據(jù)再利用等新技術(shù)，改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的觀念。用UG 進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shù)化建模技術(shù)，以規(guī)則或代數(shù)方程的形式定義尺寸間約束關(guān)系，擺脫傳統(tǒng)基于點(diǎn)、線為主的構(gòu)圖方式^[⁴^]。這種設(shè)計(jì)手段可大大避免設(shè)計(jì)人員重復(fù)勞動(dòng)，并為加快產(chǎn)品系列化生產(chǎn)、多品種設(shè)計(jì)節(jié)省時(shí)間，減少費(fèi)用。

　　本文主要介紹基于圓漸開線參數(shù)方程和劉振全教授的圖解修正法，通過UG NX6.0 軟件平臺(tái)對(duì)渦旋真空泵零部件進(jìn)行參數(shù)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)靜渦盤支架、偏心軸以及防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成, 其中靜盤型線展開角比動(dòng)盤型線展開角多出180°, 形成數(shù)對(duì)月牙形封閉壓縮腔,通過壓縮腔的變化改變?nèi)莘e,整個(gè)運(yùn)動(dòng)包括吸氣、壓縮、排氣3 個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程，以此達(dá)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(dá)90%~98%,其結(jié)構(gòu)簡單、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(jié)能、省材、低噪的容積式流體機(jī)械。動(dòng)、靜渦盤是渦旋真空泵的關(guān)鍵零件,其加工精度,特別是渦盤的形位公差,端板平整度及其與渦盤側(cè)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(jì)性則影響其工業(yè)化生產(chǎn)程度。

3、渦旋真空泵參數(shù)化設(shè)計(jì)與建模

　　渦旋真空泵設(shè)計(jì)首先根據(jù)任務(wù)書的要求，如理論排氣量、轉(zhuǎn)速、壓縮比、渦旋圈數(shù)，渦旋齒厚、渦旋齒高以及圓漸開線基圓半徑發(fā)生角等參數(shù)，利用mat lab 的特征計(jì)算程序可方便計(jì)算圓漸開線等參數(shù)方程。渦旋盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，由于型線方程的不同, 其參數(shù)化的量不同。常用的型線有圓漸開線、線段漸開線、螺旋線、包絡(luò)型線以及通用集成型線等。由于圓漸開線理論成熟且易于加工，一般用圓漸開線作為渦旋齒壁型線，即渦旋體內(nèi)、外壁面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)滿足式(1)

UG軟件在真空泵渦旋盤建模與仿真中的應(yīng)用 - 圓漸開線理論

　　式中r———基圓半徑;v———漸開線發(fā)生角;u———漸開線的漸開角,u=2πN+π/2; N 為渦旋線圈數(shù);下標(biāo)i、o———渦旋體內(nèi)、外壁面漸開線另一個(gè)重要參數(shù)為漸開線節(jié)距p：

p = 2πr (2)

　　渦旋真空泵工作時(shí),動(dòng)渦盤基圓中心繞靜渦盤的基圓中心作半徑為R 的圓周運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)圓周半徑r 與節(jié)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(shù)的相互關(guān)系后, 就利用UG 提供的特征功能來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外渦旋型線的繪制。但單一型線渦旋齒難以實(shí)現(xiàn)完全嚙合，不能兼顧壓縮、排氣和加工等方面要求，往往需對(duì)渦旋機(jī)械性能影響較大的渦旋齒齒頭型線進(jìn)行修正，以確保渦旋型線光滑連續(xù)，從而實(shí)現(xiàn)渦旋齒的正確嚙合。修正方程不同，其參數(shù)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圓弧修正等。無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(shù)最少化角度出發(fā),總是可以進(jìn)行完全或部分參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3.1、渦旋盤型線繪制

　　將坐標(biāo)系原點(diǎn)移至需要建立漸開線的圓的中心。點(diǎn)擊工具圖標(biāo)出現(xiàn)下拉菜單選擇表達(dá)式圖標(biāo)，在出現(xiàn)的對(duì)話框中按所得漸開線參數(shù)輸入如下公式:

漸開線參數(shù)輸入

　　輸入完畢后點(diǎn)擊確定圖標(biāo)。接著點(diǎn)擊規(guī)律曲線圖標(biāo), 在出現(xiàn)的對(duì)話框中點(diǎn)擊函數(shù)圖標(biāo)后連續(xù)按確定鍵生成所需渦旋型線。

UG軟件在真空泵渦旋盤建模與仿真中的應(yīng)用 - 渦旋型線

圖1 渦旋型線

　　然后利用“編輯”菜單中的“移動(dòng)對(duì)象”指令,將原始漸開線繞Z 軸方向按同一個(gè)角度進(jìn)行正反轉(zhuǎn), 形成2 條新的規(guī)律曲線，運(yùn)用刪除功能將原始漸開線刪除, 得到渦盤內(nèi)外型線。點(diǎn)擊草繪圖標(biāo),開始繪制草圖。點(diǎn)擊插入圖標(biāo),在接下來的菜單中選擇現(xiàn)有曲線, 選擇之前變換后的兩條漸開線, 按照劉振全教授雙圓弧圖解法對(duì)變換后的漸開線進(jìn)行修正，形成完整封閉的曲線^[¹^]。投影到指定平面后點(diǎn)擊拉伸圖標(biāo), 選擇繪制好的封閉曲線,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，通過拉伸、凸臺(tái)、孔、抽殼、倒角、拔模等命令繪制動(dòng)渦盤、靜渦盤、殼體、偏心軸、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等零部件，完成三維實(shí)體造型如下^[⁵^~⁶^]：

UG軟件在真空泵渦旋盤建模與仿真中的應(yīng)用 - 三維實(shí)體造型

4、虛擬裝配和運(yùn)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(tái)機(jī)器和一個(gè)部件的過程。而廣義的虛擬裝配在于產(chǎn)品生命周期的全過程，考核產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的可裝配性、可維修性以及零部件間的干涉情況;當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)行到并行設(shè)計(jì)階段時(shí)，虛擬裝配還可以幫助設(shè)計(jì)者預(yù)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(shè)計(jì)好的各零件按UG 裝配約束關(guān)系，如對(duì)齊、貼合、插入等，其模型的裝配圖如圖6 所示。

UG軟件在真空泵渦旋盤建模與仿真中的應(yīng)用 - 模型的裝配圖

　　裝配體上所需的標(biāo)準(zhǔn)件(如螺栓、螺母、墊片)可以從標(biāo)準(zhǔn)庫中調(diào)用，在裝配體上建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)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)模擬的過程中運(yùn)轉(zhuǎn)正常^[⁸^]。同時(shí)UG 運(yùn)動(dòng)仿真模塊還可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)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(yùn)動(dòng)仿真模塊的結(jié)果可以證明型線理論的正確性，同時(shí)指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或調(diào)整零件的材料。設(shè)計(jì)的更改可以反映在裝配主模型的復(fù)制品仿真方案中，然后重新仿真，一旦確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)更改可以直接反映到裝配主模塊中。拓寬了渦旋型線設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)仿真示意圖。

5、結(jié)束語

　　利用UG 完成渦旋盤設(shè)計(jì)、G 代碼生成過程,不僅能極大提高修改編輯、系列化設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品的直觀性，同時(shí)減少繪圖和編程的工作量,而且能較好滿足渦旋盤加工精度要求, 最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化、系列化的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，為渦旋類機(jī)械設(shè)計(jì)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(duì)于繪制拉伸體可以運(yùn)用草圖設(shè)計(jì)功能先在草圖中繪制好可以拉伸的封閉曲線，然后再進(jìn)行拉伸�？梢赃\(yùn)用表達(dá)式功能繪制渦旋盤的漸開線部分，再運(yùn)用草圖設(shè)計(jì)功能對(duì)漸開線進(jìn)行修正。