UG軟件在真空泵渦旋盤建模與仿真中的應用
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進行修正，以確保渦旋型線光滑連續，從而實現渦旋齒的正確嚙合。介紹了基于圓漸開線參數方程和劉振全教授的圖解修正法，通過UG 軟件平臺對渦旋真空泵零部件進行參數化建模仿真，為渦旋真空泵渦旋盤的設計和生產提供有效方案。
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利，1925 年L.Nordi 以渦旋液體泵為題申請了的專利。在隨后的70 年里，由于渦旋盤渦旋齒型線的設計、加工以及檢測受限，渦旋機械沒有得到更深入的研究和發展，直到20 世紀70 年代，能源危機及溫室效應出現，節省能源和環境保護要求日益高漲，渦旋機械以其效率高、振動噪聲低、結構簡單和運轉平穩等特點重新受到人們尤其是真空技術網(http://smsksx.com/)的重視，同時，隨著計算機軟件以及高精度數控加工技術的更新換代，為渦旋機械的發展帶來新的機遇。渦旋機械應用領域包括壓縮機、增壓器、液體泵、發動機、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發出渦旋真空泵，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 軟件簡介
UG NX 是UGS(Unigraphics Solution)公司推出的Microsoft Windows 環境下的CAD/CAE/CAM集成化軟件。功能強大、內容豐富，它支持產品結構設計，模具設計，數控加工編程和工程分析，實現了并行工程CAD/CAE/CAM的集成與聯動。該軟件具有實體建模(Solid Modeling)、特征建模(Features Modeling) 、工業設計(Shape Studio)、制圖(Drafting)、裝配(Assemblies)、分析(Analysis)和運動仿真(Dynamic Simulation)等功能，它采用單一數據、參數化、基于特征、完全關聯性以及工程數據再利用等新技術，改變傳統設計的觀念。用UG 進行設計任何時間修改任何尺寸，其關聯的三維和二維實體模型都將可以自動更改;基于特征參數化建模技術，以規則或代數方程的形式定義尺寸間約束關系，擺脫傳統基于點、線為主的構圖方式[4]。這種設計手段可大大避免設計人員重復勞動，并為加快產品系列化生產、多品種設計節省時間，減少費用。
本文主要介紹基于圓漸開線參數方程和劉振全教授的圖解修正法，通過UG NX6.0 軟件平臺對渦旋真空泵零部件進行參數化建模仿真。
2、渦旋真空泵工作原理和特點
渦旋真空泵主要由動靜渦盤支架、偏心軸以及防自轉機構組成, 其中靜盤型線展開角比動盤型線展開角多出180°, 形成數對月牙形封閉壓縮腔,通過壓縮腔的變化改變容積,整個運動包括吸氣、壓縮、排氣3 個同時進行的過程，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、靜渦盤是渦旋真空泵的關鍵零件,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、經濟性則影響其工業化生產程度。
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書的要求，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線基圓半徑發生角等參數，利用mat lab 的特征計算程序可方便計算圓漸開線等參數方程。渦旋盤結構復雜多變，由于型線方程的不同, 其參數化的量不同。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、外壁面上任一點的坐標滿足式(1)
式中r———基圓半徑;v———漸開線發生角;u———漸開線的漸開角,u=2πN+π/2; N 為渦旋線圈數;下標i、o———渦旋體內、外壁面漸開線另一個重要參數為漸開線節距p：
p = 2πr (2)
渦旋真空泵工作時,動渦盤基圓中心繞靜渦盤的基圓中心作半徑為R 的圓周運動。運動圓周半徑r 與節距p 和渦旋體壁厚t 有關。
r = p/2- t (3)
t = 2rv (4)
了解這些參數的相互關系后, 就利用UG 提供的特征功能來實現內外渦旋型線的繪制。但單一型線渦旋齒難以實現完全嚙合，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進行修正，以確保渦旋型線光滑連續，從而實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圓弧修正等。無論采取哪種修正方法,只要清楚零件的本質特征尺寸關系,從參數最少化角度出發,總是可以進行完全或部分參數化設計。
3.1、渦旋盤型線繪制
將坐標系原點移至需要建立漸開線的圓的中心。點擊工具圖標出現下拉菜單選擇表達式圖標，在出現的對話框中按所得漸開線參數輸入如下公式:
輸入完畢后點擊確定圖標。接著點擊規律曲線圖標, 在出現的對話框中點擊函數圖標后連續按確定鍵生成所需渦旋型線。
圖1 渦旋型線
然后利用“編輯”菜單中的“移動對象”指令,將原始漸開線繞Z 軸方向按同一個角度進行正反轉, 形成2 條新的規律曲線，運用刪除功能將原始漸開線刪除, 得到渦盤內外型線。點擊草繪圖標,開始繪制草圖。點擊插入圖標,在接下來的菜單中選擇現有曲線, 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變換后的漸開線進行修正，形成完整封閉的曲線[1]。投影到指定平面后點擊拉伸圖標, 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、孔、抽殼、倒角、拔模等命令繪制動渦盤、靜渦盤、殼體、偏心軸、防自轉機構等零部件，完成三維實體造型如下[5~6]：
4、虛擬裝配和運動仿真
在完成上述零部件的建模后，先進行虛擬裝配，狹義的虛擬裝配是把幾個零件套裝在一起形成一臺機器和一個部件的過程。而廣義的虛擬裝配在于產品生命周期的全過程，考核產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;當產品進行到并行設計階段時，虛擬裝配還可以幫助設計者預先確定產品上市時間，并提高產品的質量[6~7]。在UG 環境下裝配，即把設計好的各零件按UG 裝配約束關系，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 功能進行動態模擬。然后利用軟件的放大功能，在放大幾萬倍的條件下，嚙合點依然保持接觸，并且在動態模擬的過程中運轉正常[8]。同時UG 運動仿真模塊還可以進行機構干涉分析，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。運動仿真模塊的結果可以證明型線理論的正確性，同時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。拓寬了渦旋型線設計理論與方法研究的思路。圖7 所示為在UG 環境下渦旋真空泵的運動仿真示意圖。
5、結束語
利用UG 完成渦旋盤設計、G 代碼生成過程,不僅能極大提高修改編輯、系列化設計效率和產品的直觀性，同時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, 最終實現產品參數化、系列化的虛擬裝配和運動仿真，為渦旋類機械設計和生產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，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，然后再進行拉伸。可以運用表達式功能繪制渦旋盤的漸開線部分，再運用草圖設計功能對漸開線進行修正。
參考文獻
[1] 劉振全.渦旋式流體機械與渦旋壓縮機[M]. 北京:機械工業出版社, 2003.
[2] 楊靜,陳素君.渦旋真空泵：一種具有發展潛力的無油泵[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展趨勢分析[J].重慶工商大學自然科學版,2012,(3):83- 88.
[4] 謝國明.UG 相關參數化設計培訓教程[M].北京:清華大學出版社, 2003.
[5] 周虹, 仉毅. 基于UG 的漸開線齒輪參數化設計與實現[J].機械設計與制造，2007(2)：78- 79.
[6] 尚廣慶,孫春華.基于UG 的渦旋壓縮機渦盤設計和制造[J].煤礦機械，2007(5)：98- 100.
