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UG三维模型中机械设计论文 篇1：
机械设计中三维设计软件的应用
摘要：机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。运用三维设计软件，将零部件建立成三维模型进行分析，使设计目标更立体化、更形象化、更直观、更准确地展现在人们面前，极大地提高了设计的效率和设计质量。
关键词：机械设计；三维模型；SolidWorks；有限元分析；优化设计
在机械设计中，三维设计软件的运用，能够使设计目标以完全三维模型的形式展现，而设计者即可以根据该三维模型，对零件或者设计元素的相互运动关系进行分析，这不仅促进了总体设计框架结构的合理把握，而且能够处理一些细微存在的不足之处，通过三维设计软件有限元分析技术的应用，可以有效地寻找出设计过程中存在的不足之处，并予以相应的优化设计，才能尽可能地保证产品的质量，同时省时省力地进行设计。
1 机械设计中三维软件的选择
在机械设计过程中，常用的三维设计软件有AutoCAD、SolidWorks、pro/e、UG等等。AutoCAD软件主要针对的是二维的设计方面，在三维上也涉及到一部分，在三维建模上比SolidWorks、pro/e、UG等稍微差一点，但是相对一些比较有规则的物体，AutoCAD的功能会显得比SolidWorks、pro/e、UG等更加具有优势，相对比较稳定，软件运行也较快。三维设计制作中， SolidWorks、pro/e、UG均有强大的机械设计功能，拥有针对于机械零件的设计模块，可以根据所设计的零件不同，进行不同方法的改进，随时对设计中的零件进行评估分析。通过对其的应用，能够将一些相对复杂的零件进行绘制，而且还能够便于3D图和2D图间的转换，同时还能够根据立体图形转成2D三视投影图。随着SolidWorks、pro/e、UG等版本的不断提高、性能的不断增强以及功能的不断完善，基本能满足现代企业机械设计的要求，并已广泛应用于机械设计和机械制造的各个行业。设计人员可根据平时学习的习惯或擅长来选择适合自己熟练使用的三维软件。
2 机械设计中，三维设计软件的具体应用
在机械设计中运用三维设计软件，首先是对所设计的产品进行初步建模，做好机械设计前期的准备工作，其次是对产品建立好的模型组装成整体，将产品的整体模型进行详细解析，对所设计的产品整体有大致的了解，并且通过设计软件特有的功能，对产品设计过程中存在的细节或者是一些没有考虑到的问题进行详细分析，对产品设计的工作流程和设计的合理程度进行检验，并由给出的分析结果，可做相应的调整及优化设计，将不正确的地方予以改正，最后设计出成品。
以SolidWorks软件为例，其设计过程我们可以分为三步来实现：首先是根据设计目标的各项要求初步建立三维模型；其次是对初步建立的三维模型进行模拟组装运行；最后利用软件对设计目标进行模拟分析及合理性检测，从而达到最终的设计要求。它主要包括机械零件设计、装配设计、动画和渲染、有限元分析技术、设计优化及钣金制作等模块，基本满足各种机械设计的需求。此软件采用参数化设计思路，各工具栏命令之间具有相应的设计关联性，对零件的设计修改具有快捷、准确、可靠的特点，对零件的尺寸修改和相似零件的结构设计具有独到的技术优势。在零件设计模块中所做的更改可以自动、快速、准确地反映到装配、工程图等相应关联模块中去，同样，在装配模型和工程图样中，更大程度地减少设计的出错率，提高了设计工作的效率。目前，诸如此类的三维设计软件在机械设计中得到了广泛的运用。
3 三维设计软件在机械设计中的优势
三维设计软件具有出图准确、设计方便、效率高、功能强大、简单易学等众多优势。设计者可自由选择相应的设计工具和命令，采用最合适的设计方法，直观、方便、高效、快捷地完成设计任务。
在机械设计中，三维设计软件的有限元分析模块是设计者最好的设计助手之一。下面简单介绍SolidWorks软件有限元分析模块。基于SolidWorks COSMOS Works有限元分析软件的特点及强大功能，对产品结构中进行静态分析，并为产品结构的优化设计提供可靠依据。COSMOS Works是一套强大的有限元分析软件，早期的有限元技术高高在上，只有一些国家的部门如宇航、军事部门可以使用，只有少数专业人员才能有机会接触，普通的工程师可望而不可及。然而自COSMOS Works出现后，有限元分析的大门终于向普通工程师敞开了，把高高在上的有限元技术平民化，它易学易用、简洁直观，能够在普通的电脑上运行，不需要专业的有限元经验。普通的工程师都可以进行工程分析，迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。传统的方法在分析装配体时是先把零件拆散，然后一个个分别处理，耗时耗力，又存在计算结果不精确的缺点。COSMOS Works提供了多场/多组件的复杂装配分析，从而大大简化工程师的劳动，使得分析能够更好地模拟真实情况，结果也就更精确。
有限元分析過程中几乎所有的设计量，如厚度、长度、半径等几何尺寸、材料特性、载荷位置与大小等都可以用变量参数表示，只要改变这些变量参数的赋值就能获得不同的设计方案的分析过程。
经软件COSMOS Works优化设计后，顶面加厚，底面加强筋加厚及加高，应力分布均匀，离屈服点更远，如图2所示，优化后的中心底面应力扩散，变形量减小，均在<1mm的范围内，可以满足使用要求。
三维设计软件还包含钣金、焊接、管道设计、模具、数控编程等多个模块，机械设计工作者通过学习使用，为机械设计带来方便，提高了工作效率。
4 结语
在现今机械设计的过程中，运用三维设计软件已经成为现代机械设计发展的关键因素之一，在时间、人力的耗费上都有了很大程度的改善作用，为设计人员创造新的产品提供了有效的作用，在产品设计过程中，根据设计者自身的特点以及设计模型的要求，对适合该模型建立的软件进行合理的选择，再通过后续的加工制造将设计过程变得更加合理，能对产品生产之前进行模拟操作，同时可以及时发现产品之中所出现的问题，能够在第一时间里将问题解决，大大降低产品的设计以及人工操作所消耗的时间，促进工厂效率的提升。在机械设计中，合理地运用三维设计软件，不仅仅能够对产品的大致结构有一定的了解，还能够适当地激发起设计人员的思维能力以及创新能力，将问题第一时间解决的同时，又为产品提供了更多有效的优化方案，这对于工厂或者所设计的产品来说，在其效益上、质量上以及实用性上都有了很大的提升，根据三维模型，展现出所设计的产品具体的结构特点，使得产品整体更为清晰明了地展现在设计人员面前。三维软件在机械设计中的应用推广，加快了当今机械工业的发展步伐。
参考文献
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作者简介：刘国利（1972-），男，河南信阳人，东莞宏威数码机械有限公司工程师，研究方向：机械设计制造。
作者：刘国利?姜勋祥?李亮生
UG三维模型中机械设计论文 篇2：
机械设计中UG软件应用研究
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圖，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、气缸驱动等，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，通过该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、关节运动驱動等。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
作者：涂祖蕾 高关胜
UG三维模型中机械设计论文 篇3：
运用机械动力学软件ADAMS进行辅助教学的研究
摘 要： 本文阐述了利用机械动力学软件ADAMS进行辅助教学的主要过程：在分析机械手抓取机构的工作原理的基础上，运用理论力学基础对它做受力分析，得出输入力和输出力之间的关系公式。运用专业三维设计软件UG建立三维模型，通过PARASOLID传输标准将三维模型导入专业仿真软件ADAMS中。对其进行仿真分析，对比仿真实验数据与理论数据。最后建立合适的变量对模型进行优化处理。
关键词： 机械类课程教学 机械手抓取机构 ADAMS软件 仿真分析
在机械类课程教学中，往往由于在课堂上没有机械设备的实物，导致教学缺乏直观性。由于目前的一线教学条件及场所的限制，各学校也很难在课堂上配备机械设备的实物。鉴于此，我们可以借助现代化多媒体教学手段，充分利用机械设计、仿真等软件，从而改变现状。以机械手抓取机构的教学为例，在教学过程中灵活运用机械动力学仿真软件ADAMS来讲解其运动及受力特征，效果很好。
机械手（图1）是模仿人手工作的机械，它可将工件或工具按预定程序自动地送到所需要的位置。推广使用机械手，可以提高劳动生产率，保证产品质量。改善工人劳动条件是实现生产自动化的有效途径之一。抓取机构是机械手的主要部件之一，它直接用来抓取工件或操纵工具［1，2］。
由于工件或工具的形状、大小、重量等不同，抓取的方式也不同，抓取机构可分为手爪式、真空吸盘式和电磁吸盘式三种类型。本文以手爪式抓取机构作为研究对象，其结构如图2所示。研究的整体过程可分为力学计算，UG建模、装配、定义连杆，导入ADAMS，加约束添加驱动，运动仿真及后置处理，优化模型，等等［３］。
1.抓取机构力学分析
整个机构（图3（a））是沿中心平面对称的，所以在力学分析过程中取左连杆和左手指为对象（图3（b））。对左连杆对象而言为二力杆件［4］，如图3（c）所示，沿杆线力平衡，则有公式：
2.仿真分析
2.1 虚拟样机技术及ADAMS软件
虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）是当前设计制造领域的一门新技术，涉及系统动力学、计算方法与软件工程学等学科。它利用软件建立机械设计系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。
ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形软件环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷，以及计算有限元的输入载荷，等等［5,6］。本文的研究载体即为ADAMS软件。
2.2 模型建立
ADAMS软件在动力学分析及后置处理有着非常强大的功能，但其造型能力相对较差。对本文机构可采用专业三维设计软件完成，考虑和ADAMS做联合仿真时，优先选择UG软件。主要是这两款软件都支持Parosolid标准，且在UG的运动仿真模块任何一步骤均可以直接导出ADAMS的.cmd文件，可做到无缝对接。在做两者联合建模仿真时最好均采用英文界面，这样可大大减少错误［7］。
在UG中的抓取机构的造型如图4所示，导入ADAMS软件中的模型如图5所示。采用在UG中造型后，添加连杆（UG中把运动单元称为连杆）后导入ADAMS中，再在ADAMS中添加约束完成后续的仿真分析。
2.3 仿真分析
对其施加约束，进行动力学分析。首先在大地和机架之间添加固定副，使大地和机架形成一体。然后再分别添加各连杆之间的运动副：在导杆与机架之间添加移动副，导杆分别与左、右连杆之间添加旋转副，左连杆与左手指添加旋转副，右连杆与右手指之间添加旋转副。同时在左右连杆之间添加一个弹簧，实际物理样机是不存在这个弹簧，在此虚拟样机中的目的是测量抓取力量。最后在导杆与机架之间添加的移动副上添加驱动力驱动。暂定驱动力取700N。
在ADAMS的Build菜单建立模型中的两个角度α+β、α随时间的变化曲线，如图6所示。为后续的验证工作做准备。
（b）角度α随时间的变化曲线
图6 角度α+β、α随时间的变化曲线
在ADAMS的后置处理模块中生成弹簧力随时间的变化曲线，如图7所示，通过曲线查找得弹簧力为1663N。
利用ADAMS的Fuction Buider功能建立式（4）的表达式，并生成公式中f力曲线，如图8所示。通过曲线查找得弹簧力为1650 N。
通过对比发现，公式计算的输出力值1650N与虚拟样机仿真实验的输出力1663N基本重合，这其中误差还包含了样机的本身重力等影响。由此可见，仿真实验数据的可靠性很高，完全可用仿真分析来代替繁杂的计算过程，节省大量的设计计算时间。
3.优化
通过更改模型中机构的几何位置、尺寸等来细化模型。但从该虚拟样机的三维模型中，可清晰地看到机构左右成对称，若要对其细化，最好是更改沿其对称轴线上的几何关系。鉴于此，选择更改导杆与左右连杆的旋转副作用点位置，来细化模型。观察在不同位置时机构输出力的变化及跟随的两个角度α+β、α的变化。
在虚拟样机中设置导杆与左右连杆的旋转副作用点的竖直方向Y坐标为变量DV_1，以此来模型细化处理。分别得到五种不同坐标下的角度变化曲线如图9所示，弹簧力变化曲线如图10所示。
通过图10可以发现，随着坐标值增大输出力增大，由此可得出在其他条件不变的情况下，将导杆与左右连杆的旋转副作用点向上提高即可增大输出力，具体增大量可参照图10。
4.结语
机械手在工业生产中的运用非常广泛，所涉及的专业也相当多。本文仅对其中的一小部分抓取机构作虚拟样机分析，通过分析其理论力学上输入力与输出力的关系，在ADAMS中对其进行分析，发现虚拟样机实验中的力关系与理论力关系基本吻合，这样就对后续的研究分析提供了可靠性。在后续的研究开发过程中可对样机添加材料特性、惯性矩等，进一步与物理样机靠近。虚拟样机技术的应用大大缩短了抓取机构的设计研发周期，降低了产品生产成本，为抓取机构的设计提供了一个高效的开发途径［8］。
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徐燕（1981-），女，江苏溧阳人，助理讲师，硕士（在研），主要从事金属切削加工与数控技术的教研工作。
作者：徐燕 申如意 赵钱