基于UG NX的锤片式粉碎机的三维建模及运动仿真教程

摘 要 锤片式粉碎机广泛应用于饲料加工行业。为了便于设计和仿真，利用UG NX的三维建模功能，建立粉碎机的三维模型。同时，用UG NX的模型分析和运动仿真模块，对粉碎机进行分析，提高了设计的可靠性，并对锤片进行了有限元分析，找出了锤片的危险截面。

粉碎工序是饲料厂最重要的工序之一，其主要功能在于：根据生产产品的特性要求、动物生长的需要，对饲料原料进行粒度的再分布，以达到理想的综合效应[1]。锤片式粉碎机具有结构简单、适应性强、造价低、通用性好等优点, 因而被广泛应用于饲料加工行业。锤片式粉碎机的性能与其结构和主要参数有着密切的关系，所以在设计上要求严格。粉碎机主要由机盖、机座、电机、转子、筛片等组成[2]。传统的方法是利用工程图纸或CAD制图来设计零件，抽象性强，不直观，修改不方便。UG NX以其强大的三维建模功能克服了这些困难，给锤片式粉碎机设计带来了方便。本研究将建立粉碎机模型，并对其做模型分析和运动仿真。

1 UG NX简介

UG NX是集CAD/CAE/CAM一体化的三维参数化软件，是当今世界上最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件之一，广泛用于航空、汽车、造船、通用机械、模具和家电领域。它具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能，而且可以进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高了产品设计的可靠性。该软件具有以下特点[3]：①集成的产品开发环境；②产品设计相关性与并行协作；③基于知识的工程管理；④设计的客户化；⑤采用复杂的复合建模技术，可将各种建模技术融为一体；⑥用基于特征的参数驱动建模和编辑方法作为实体造型基础；⑦便捷的复杂曲面设计能力；⑧强大的工程图功能，增强了绘制工程图的实用性；⑨提供了丰富的二次开发工具。

UG NX的三维建模与Pro/E的三维建模方式相同,可以参照Pro/E的三维造型的过程[4]：首先，根据二维的设计数据来生成三维零件；然后，对三维零件进行虚拟装配，装配完毕后进行模型分析，也可以对装配体实现动画仿真，观察其运动状态；最后，根据模型分析和动态仿真结果确定修改方案。UG的锤片式粉碎机三维设计流程如图1所示。

图1 UG的锤片式粉碎机三维设计流程

2 锤片式粉碎机的三维建模

本研究是以自行设计的锤片式粉碎机（SFSP40×700）为设计原型，利用UG NX建模及分析其设计情况是否优良。粉碎机零件的结构简单，可以用简单的命令实现建模。

2.1 零部件的建模

该锤片式粉碎机的零件数量有上百个，所以在这里只是列出部分零件的建模。部件主要有机盖、机座、转子。

2.1.1 上机壳

上机壳是构成机盖的一部分，并与喂料器直接连接。在上机壳上有辅助调风孔，可以实现风量的调节。它结构比较简单，利用草图(sketch)、拉伸(extrude)及孔（hole）的功能就可以实现。上机壳的三维设计模型如图2所示。

图2 上机壳的三维设计模型

2.1.2 底座

粉碎机底座是机座的一部分，起着支撑整个粉碎机的作用。它也是物料的出口部分，与料仓相连。底座的材料是槽钢，全部采用手工在平台上焊合。底座的三维设计模型如图3所示。

图3 底座的三维设计模型

2.1.3 主轴

主轴是粉碎机转子的重要组成部分，起着传递动力的作用。电机通过皮带轮传递动力给主轴，主轴传递给锤片来达到粉碎物料的目的。主轴上有两个键槽，长键槽与锤架板和套筒配合；短键槽与带轮配合。主轴的建立方式有多种，其中通过旋转体(REVOLVED)功能比较简单，再在圆柱表面开键槽与添加螺纹。主轴的三维设计模型如图4所示。

图4 主轴的三维设计模型

2.1.4  锤架板

锤架板是转子的骨架，起着固定销轴和锤片的作用。锤架板的圆形结构可以利用草图(sketch)及拉伸(extrude)功能，再在上面挖孔(hole)及引用特征(features－modeling)进行阵列孔。锤架板的三维设计模型如图5所示。

图5 锤架板的三维设计模型

2.1.5 锤片

锤片是粉碎机的核心工作部件，起着粉碎物料的作用。粉碎机的性能与锤片的数量、排列方式、厚度有着密切的关系，该粉碎机可以实现这些参数的可调性。常用的锤片是矩形锤片，它结构简单、易于制造。锤片的排列方式有四种：螺旋排列、对称排列、交错排列、对称交错排列，本次建模使用的是对称排列。锤片的建模只需要利用草图（sketch）和拉伸(extrude)就可以完成，它的三维设计模型如图6所示。

图6 锤片的三维设计模型

2.1.6  带轮

带轮是传递动力的零件，通过三角皮带与电机上的皮带轮相连。它的建模利用草图（sketch）与旋转体(REVOLVED)实现。其三维设计模型如图7所示。

图7 带轮的三维设计模型

2.2 部件的虚拟装配

UG的装配模块不仅能快速组合零件成为产品，而且在装配中，可以参考其它部件关联设计，并可以对装配模型进行间隙分析、质量管理等相关操作。按照自上往下的装配原则，通过组件的定位和配对操作，建立对应的装配关系，装配完成部件及整机。以下图8～图11分别是机盖的虚拟装配模型、机座的虚拟装配模型、转子的虚拟装配模型、整机的虚拟装配模型。

3 模型分析

装配完成后的锤片式粉碎机可以在UG中进行结构分析、间隙分析、质量管理、有限元分析等，可以提高产品设计的可靠性。UG的菜单中有分析的功能，可以得到零部件的体积、质量、惯量、转矩的信息。现以锤片的有限元分析为例：锤片在运行过程中，主要受到离心力、重力、物料的冲击力,受力后发生形变。通过有限元分析找出易损部位（危险截面）。有限元分析的步骤：创建解法；对需要理想化的几何体（如对称结构）进行理想化；设置锤片的材料属性；给锤片施加约束与载荷；划分网格；有限元模型检查；解算；进入后处理。锤片的有限元后处理如图12、图13所示。

4 运动仿真

运动仿真模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动仿真的分析结果可以指导修改零件的结构设计（加长或者缩短构件的力臂长度、修改凸轮型线、调整齿数比等）或调整零件的材料（减轻或加重以及增加硬度等）[5]。该模块与ADAMS的功能有着一致性,产生运动仿真的步骤有:第一步,创建连杆(Links)；第二步,创建运动副(Joints)；第三步,定义运动驱动(Motion Driver)。完成后可以创建动画仿真，并作出速度、加速度、力等图表，还可以导出MPEG、GIF格式等视频。

5 小结

UG NX以其强大的建模、模型分析和仿真功能应用于饲料机械的设计上，打破了传统的二维设计方式，给设计带来了便捷，提升了产品设计的可靠性。它的虚拟技术为机械设计及试验研究开创了另一个环境，可以直接在软件中仿真与分析。同时，可以利用UG NX直接生成CAD工程图纸，应用于生产。

参考文献：略

文章来源：饲料天地