UG的钟表机构设计及运动仿真

金 华 职 业 技 术 学 院JINHUA COLLEGE OF PROFESSION AND TECHNOLOGY毕业综合项目成果 （2011届）题 目 钟表机构设计及运动仿真 学 院 机电工程学院 专 业 数控技术 班 级 数控0902 学 号 200999020292031 姓 名 陈锦江 指导教师 章跃洪 2011年 01 月 06 日金华职业技术学院毕业综合项目成果 目 录摘要1 引言1 1 钟表设计原理及零件造型2 1.1 钟表设计方案2 1.1.1 设计题目2 1.1.2 设计目的2 1.1.3 设计要求 2 1.2 钟表应用原理2 1.2.1 钟表基本组成2 1.2.2 工作原理3 1.3 钟表零件造型3 1.3.1 表座3 1.3.2 表盘4 1.3.3 表壳10 1.3.4 时针10 1.3.5 分针11 1.3.6 秒针12 2 钟表的虚拟装配13 2.1 表座与表盘装配13 2.2 添加时针、分针与秒针13 2.3 添加表壳153 运动仿真17 3.1 添加旋转副18 3.1.1 运动副18 3.1.2 有关旋转副的添加18 3.2 设计运动19 3.3 运转仿真20 3.4 仿形结果分析21 4 总结21 谢辞22 参考文献22 钟表机构设计及运动仿真机电工程学院数控技术 陈锦江摘要:UG（Unigraphics NX）是EDS公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，并对其进行运动仿真，提供了经过实践验证的解决方案。本文主要以钟表机构为研究对象，对某型号钟表进行了参数化虚拟设计、分别建立了该钟表机构的表座、表盘、表壳、时针、分针、秒针的三维模型。根据钟表的机械原理，通过对钟表进行了建模和运动仿真，介绍了在零件上凸显文字或刻度的方法，通过给钟表的时针、分针和秒针添加角速度，使得它们按照给定的转速比运转。本文的设计方法通过虚拟设计、虚拟装配，运动仿真，可以验证设计、装配和操作过程与结果的正确与否，以便及早的发现机构设计的问题，对模型进行修改，减少成本损失，并通过可视化显示装配，然后以求达到准确仿真运动，使生产真正在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成，同时又具备了良好的服务。关键词: UG，参数化，建模，运动仿真，四连杆机构引言在机械设计中,尤其是在零件的三维造型和运动仿真方面,计算机辅助设计(CAD) 技术已经成为重要的设计工具。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。Unigraphics NX的优势在于：产品设计能依照数学原则建模，对高数和几何数学方面熟悉的人比较容易上手。UG NX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UG NX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。UG NX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流 NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于25轴或更多轴的铣削加工、24轴的车削加工和电火花线切割本文内容为运用UG NX零件制作的功能进行钟表机构设计及运动仿真，以及用其加工功能对模型进行加工。1 钟表设计原理及零件造型1.1 钟表设计方案1.1.1 设计题目UG的钟表机构设计及运动仿真。1.1.2 设计目的（1）熟悉UG的启动、工作环境及工具栏的定制等相关知识。（2）掌握UG的基本使用方法。（3）掌握钟表各连杆的特点及虚拟装配的方法。（4）掌握UG中运动仿真的方法。1.1.3 设计要求（1）钟表各构件的三维造型。（2）钟表够构件的虚拟装配。（3）UG中钟表够构件的运动仿真。（4）仿真结果的分析。1.2 钟表应用原理1.2.1 钟表基本组成钟表模型如图1-1所示，由表座、表盘、表壳、时针、分针和秒针组成。图1-1钟表三维模型1.2.2 工作原理首先秒针转360，也就是走一周是1分钟；如果分针也是360，那是多少？1小时，1小时60分，那么一分钟分针则360/60=6;如果时针也转360，那是12小时，也就是12*60=720分，那么一分钟时针则360/720=0.5 1.3 钟表零件造型1.3.1 表座绘制表座草图如图1-2所示，退出草图，旋转一周，得到表座，如图1-3所示。图1-2 表座草图图1-3 表座三维图形1.3.2 表盘在特征工具条中选择，输入数值如图1-4所示。图1-4 表盘内圆孔参数重复以上操作如图1-5所示，输入数值与刚得到的圆柱体做布尔差运算，得到表盘如图1-6所示。图1-5 表盘外圆参数图1-6 表盘三维图形在表盘表面插入草图，绘制一个辅助圆，尺寸如图1-7所示。图1-7 添加辅助圆退出草图，在曲线工具条中选择，弹出【文本】对话框如图1-8所示。在【文本属性】中输入数值12，【锚点位置】为中下方，选择辅助圆上象限点作为放置点。图1-8 添加文本12同样，重复【文本】对话框的操作，依次在【文本属性】中输入数值3，6，9，【锚点位置】为左中，中上，右中，选择辅助圆有象限点，下象限点，左象限点作为放置点。利用锚点来调整文本位置，文字大小可根据个人需要在尺寸栏里修改。这样便得到了表盘上需要的文字，如图1-9所示。图1-9 表盘所需文字选择【插入】/【设计特征】/【拉伸】，厚度为1mm，得到在表盘上刻出的文字，如图1-10所示。 图1-10刻出表盘文字再次在表盘上插入草图，绘制草图如图1-11所示。图1-11 插入辅助圆退出草图，选择【插入】/【设计特征】/【拉伸】，在弹出的拉伸对话框中输入数值如图1-12所示。拉伸切除，在表盘上刻出一道短刻度线。图1-12一短刻度线选择【插入】/【基准/点】/【基准轴】，选择表盘圆柱面，在圆心插入一基准轴，选择【插入】/【关联复制】/【实例特征】，在弹出的对话框中选择【圆形阵列】，以该基准轴圆周阵列短刻度线拉伸切除特征，填写参数如图1-13所示，单击【确定】按钮。在表盘上得到所有的短刻度线，如图1-14所示。图1-13 一短刻度线参数图1-14所有短刻度线同样，在表盘表面插入长刻度线草图。选择【插入】/【设计特征】/【拉伸】，在弹出的拉伸对话框中输入数值如图1-15所示拉伸切除，在表盘上刻出一道长刻度线。图1-15 一长刻度线选择【插入】/【关联复制】/【实例特征】,在弹出的对话框中选择【圆形阵列】，以该基准轴圆周阵列长刻度线拉伸切除特征，填写参数。单击【确定】按钮，在表盘上得到所有长刻度线，如图1-16所示。图1-16 所有长刻度线1.3.3 表壳绘制表壳草图如图1-17所示，退出草图，旋转一周，得到表壳，如图1-18所示。图1-17 表壳草图 图1-18 表壳三维图1.3.4 时针绘制时针草图如图1-19所示，退出草图，拉伸，厚度为1.0mm如图1-20所示，所有的外棱边倒角均为0.245,得到时针造型，如图1-21所示。图1-19时针草图图1-20 拉伸厚度参数图1-21 时针三维图1.3.5 分针将时针零件图文件另存为分针，修改草图如图1-22所示，退出草图，得到分针，如图1-23所示。图1-22分针草图图1-23 分针三维图1.3.6 秒针绘制秒针草图如图1-24所示，退出草图，拉伸，厚度为1.0mm，所有的外棱边倒角均为0.245，得到秒针，如图1-25所示。图1-24秒针草图图1-25 秒针三维图2 钟表的虚拟装配选择【文件】/【新建】，建立一个新模型文件，以文件“zhuangpeizhiti”保存该文件。在【开始】菜单中选择【装配】，打开装配应用模块，开始装配。2-1表座与表盘装配选择【插入】/【组件】/【添加组件】，插入表座和表盘；选择进行【配对】装配如图2-1所示；选择进行【中心】装配如图2-2所示。图2-1 表座表盘配对图2-2（表座表壳中心装配）2.2 添加时针、分针与秒针选择【插入】/【组件】/【添加组件】，插入时针；选择进行【距离】装配如图2-3所示，选择表盘和时针的两相对面，距离表达式中输入数值1.1；选择进行【中心】装配，如图2-4所示。图2-3添加时针图2-4与时针中心装配同样的，将分针添加起来，将其端面与时针距离配合，距离为0.1mm，然后再与时针进行同轴心配合，如图2-5所示。图2-5 添加分针将秒针添加进来，将其端面与分针距离配合，距离为0.1mm，然后再与分针进行同轴心配合，如图2-6所示。图2-6 添加秒针用鼠标右键分别单击三个指针，选取【重定位】将这三个指针移动到六点钟的位置如图2-7所示，以确定各指针之间保持正确的初始位置关系。图2-7 三个指针重定位2.3 添加表壳选择【插入】/【组件】/【添加组件】，插入表壳；选择 进行【配对】装配如图2-8所示，将表壳端面与表座重合配合；选择 进行【中心】装配如图2-9所示，是表壳与表座重合同轴心配合。图2-8 插入表壳图2-9 与表壳中心装配装配完毕后如图2-10所示，所有的配合关系如图2-11所示。图2-10 装配完钟表模型图2-11 各配合关系用鼠标右击表壳，选择【编辑显示】，在弹出的【编辑对象显示】对话框中更改透明度，得到表的形状，如图2-12所示。图2-12更改表壳透明度3 钟表运动仿真在【开始】菜单中选择【运动仿真】，打开仿真模块。右击【运动导航器】上的装配文件名，选择【新建仿真】，在弹出的【环境】对话框中选择【动力学】，单击【确定】。在弹出的【机构运动副向导】对话框中单击【确定】按钮，把装配图中的构件自动转换成连杆，装配关系映射成仿真模块里的运动副。在弹出的【主模型到仿真的配对条件】对话框中选择【是（Y）】，本例把表座、表壳连杆接地。在后面补充把表壳、表盘设置为固定连杆。3.1 添加旋转副3.1.1 运动副由两个构件直接接触而组成的可动的连接称为运动副。两个构件上参与接触而构成运动副的点、线、面等元素被称为运动副元素。 运动副有多种分类方法： 按照运动副的接触形式分类:面和面接触的运动副在接触部分的压强较低，被称为低副，而点线接触的运动副称为高副，高副比低副容易磨损。 按照相对运动的形式分类。构成运动副的两个构件之间的相对运动若是平面运动则为平面运动副，若为空间运动则称为空间运动副，两个构件之间只做相对转动的运动副被称为转动副，两个构件之间只做相对移动的运动副称为移动副。 按照运动副引入的约束分类。引入一个约束的运动副称为一级副、引入两个约束的运动副称为二级副，还有三级，四级，五级副。按照接触部分的几何形状分类。可以分为圆柱副、平面与平面副、球面副、螺旋副等。3.1.2 有关旋转副的添加选择【插入】/【运动副】，给时针加上一个旋转副如图3-1所示，第一个连杆选择时针轴孔的圆周，这样就完成了“选择连杆”（时针）、“指定原点”（圆心）、“指定方位”（圆所在平面的法线）三个步骤，此时，相应的步骤名称前将出现路色的号。然后，可直接单击【应用】按钮，第二个连杆默认接地，这样就完成了一个旋转副的添加。随以同样的方法添加分针，秒针，如图3-2和3-3所示。图3-1 时针旋转副图3-2 分针旋转副图3-3 秒针旋转副3.2 设计运动击时针接地的旋转副J004，选择【编辑】，在【驱动类型】中选择【恒定】，在【初速度】中填写时针转速如图3-4所示。这里，模拟在1s内时针走过1h的情况，因此设置其运动为每秒钟匀速转动30。图3-4 时针运动参数由钟表的工作原理可知，时针转1h，即30，分针转60min，即360，秒针转3600s，即21600。所以，分别右击分针和秒针接地的旋转副J005和J006，在【驱动类型】中选择【恒定】，在【初速度】中分别填写分针转速如3-5所示和秒针转速如图3-6所示。图3-5 分针运动参数图3-6 秒针运动参数3.3 运转仿真右击【运动导航器】上的仿真项目motion-1，选择【新建解算方案】。【时间】设置为1，【步数】设置为500，单击【确定】。右击【运动导航器】上新建立的解算方案Solution-1，选择【求解】，进行仿真计算，计算完毕后在【运动分析】工具条中选择动画图标，在弹出的【动画】对话框中单击播放键进行仿真。由仿真过程可以看见，三个指针按照给定的转动关系，时针转一格（1h），分针转1周（60min），秒针转60周（3600s）。仿真过程中0.5s即6点30分时的位置如图3-7所示，1s即7点钟是的位置如图3-8所示.图3-7 仿真0.5s的钟表图图3-8 仿真1.0s的钟表图3.4 仿真结果分析1s内时针分针秒针的各自位移图形如下所示，根据钟表的工作原理，秒针转360，相当于走一圈是1分钟；分针转360，等于1小时，1小时60分，那么一分钟分针则360/60=6;时针转360是12小时，也就是12*60=720分，那么一分钟时针则是360/720=0.5。而在本次模拟仿真中是虚拟1s内钟表走过一小时，那么时针走过30，分针走过3600，秒针走过21600，分析位移图形与钟表的工作原理相结合，得出运动仿真是正确的。4 总结 经过长时间的努力，终于把毕业设计和论文完成了，中间碰到了很多的问题。通过这次毕业设计，使我是我受益非浅。虽然我们学过一个学期的UG的课，但那是远远的不够的。这次毕业设计不但让我熟练的掌握UG的基本命令和怎么去把一个东西很好的去完成。在遇到问题时要想尽办法把它克服，在用好的办法把它解决。这样才不断的完善毕业设计。通过自己切身的体验，在做毕业设计的过程中，不断的发现问题，然后去解决问题的，渐渐的熟练起来了，为以后的工作中增加的经验，也检验了三年自己学习的成果。 谢辞感谢我的指导老师章跃洪老师对我细心指导。我才能顺利的完成这次毕业设计。在校学习期间，我得到各位老师在学习和生活上最大限度的帮助和支持。他们严谨的治学态度、宽阔的心胸给我树立了为人处事的榜样，没有老师们的帮助，我的毕业设计完成会是非常困难，学习也不会如此顺利，在这里，我衷心的感谢各位老师和同学对我的帮助和支持。 感谢各位老师不仅教给我专业知识，也教给我许多课外知识，这些知识将对我今后踏入社会工作起到了很重要的作用。同时我也从各位老师那里学到了许多做人的原则，这些将有益于我的终身，我在此再次感谢各位老师。在这里，我衷心的感谢各位老师，并祝他们身体健康，工作顺利。参考文献1 张治,洪雪.Unigraphics NX 三维工程设计与渲染教程M.北京:青华大学出版社,2004,32.濮良贵，纪名刚.机械设计.第八版.北京：高等教育出版社，20063.EDS. UG NX 5.0 中文帮助 4. 张晋西，张甲瑞，郭学琴.UG NX/Motion 机构运动仿真基础及实例. 北京：清华大学出版社，2009 5张云杰，尚蕾.UG NX 5.0中文版零件设计。北京：清华大学出版社，2008.6郑贞平，喻德，张小红，中文版UG NX 5.0数控加工范例.北京:电子工业出版社，2008.7杨光，王沁峰.精通. UG NX 4UG NX 5.0中文版产品设计.北京：电子工业出版社，2008.8 余强、魏青周、周京平等.UG零件设计技术与实践M.北京：电子工业出版社，2007,39 美NX4 CAST Online LibraryM. UGS Corp.，200610高长银，邓力，王乐. UG NX 5中文版完美自学手册 .北京：电子工业出版社，2008.-23-