UG软件在真空泵涡旋盘建模与仿真中的应用
涡旋真空泵型线主要有圆渐开线、线段渐开线、正多边形渐开线、螺旋线、包络型线以及通用集成型线等。由于圆渐开线理论成熟且易于加工，一般用圆渐开线作为涡旋齿壁型线。但单一型线涡旋齿难以实现完全啮合，需对涡旋机械性能影响较大的涡旋齿齿头型线进行修正，以确保涡旋型线光滑连续，从而实现涡旋齿的正确啮合。介绍了基于圆渐开线参数方程和刘振全教授的图解修正法，通过UG 软件平台对涡旋真空泵零部件进行参数化建模仿真，为涡旋真空泵涡旋盘的设计和生产提供有效方案。
涡旋理论的提出, 可以追溯到20 世纪初。1905 年, 法国人Leon Creux 以涡旋膨胀机为题申请了专利，1925 年L.Nordi 以涡旋液体泵为题申请了的专利。在随后的70 年里，由于涡旋盘涡旋齿型线的设计、加工以及检测受限，涡旋机械没有得到更深入的研究和发展，直到20 世纪70 年代，能源危机及温室效应出现，节省能源和环境保护要求日益高涨，涡旋机械以其效率高、振动噪声低、结构简单和运转平稳等特点重新受到人们尤其是真空技术网(http://www.chvacuum.com/)的重视，同时，随着计算机软件以及高精度数控加工技术的更新换代，为涡旋机械的发展带来新的机遇。涡旋机械应用领域包括压缩机、增压器、液体泵、发动机、膨胀机和真空泵等。涡旋真空泵的研制始于20 世纪80 年代末，1987 年，日本三菱电机首次成功开发出涡旋真空泵，之后日本日立、岩田涂装、英国Edwards、美国Varian 等公司也相继推出了涡旋真空泵样机[1~3]。
1、UG 软件简介
UG NX 是UGS(Unigraphics Solution)公司推出的Microsoft Windows 环境下的CAD/CAE/CAM集成化软件。功能强大、内容丰富，它支持产品结构设计，模具设计，数控加工编程和工程分析，实现了并行工程CAD/CAE/CAM的集成与联动。该软件具有实体建模(Solid Modeling)、特征建模(Features Modeling) 、工业设计(Shape Studio)、制图(Drafting)、装配(Assemblies)、分析(Analysis)和运动仿真(Dynamic Simulation)等功能，它采用单一数据、参数化、基于特征、完全关联性以及工程数据再利用等新技术，改变传统设计的观念。用UG 进行设计任何时间修改任何尺寸，其关联的三维和二维实体模型都将可以自动更改;基于特征参数化建模技术，以规则或代数方程的形式定义尺寸间约束关系，摆脱传统基于点、线为主的构图方式[4]。这种设计手段可大大避免设计人员重复劳动，并为加快产品系列化生产、多品种设计节省时间，减少费用。
本文主要介绍基于圆渐开线参数方程和刘振全教授的图解修正法，通过UG NX6.0 软件平台对涡旋真空泵零部件进行参数化建模仿真。
2、涡旋真空泵工作原理和特点
涡旋真空泵主要由动静涡盘支架、偏心轴以及防自转机构组成, 其中静盘型线展开角比动盘型线展开角多出180°, 形成数对月牙形封闭压缩腔,通过压缩腔的变化改变容积,整个运动包括吸气、压缩、排气3 个同时进行的过程，以此达到真空的目的[3]。
涡旋真空泵相邻压缩腔之间的气体压差小,气体泄漏少,容积效率高,可达90%~98%,其结构简单、体积小、重量轻、零件少(特别是易损件少)、可靠性高，是一种新型、节能、省材、低噪的容积式流体机械。动、静涡盘是涡旋真空泵的关键零件,其加工精度,特别是涡盘的形位公差,端板平整度及其与涡盘侧壁面的垂直度, 直接影响涡旋真空泵的工作性能,它的加工效率、经济性则影响其工业化生产程度。
3、涡旋真空泵参数化设计与建模
涡旋真空泵设计首先根据任务书的要求，如理论排气量、转速、压缩比、涡旋圈数，涡旋齿厚、涡旋齿高以及圆渐开线基圆半径发生角等参数，利用mat lab 的特征计算程序可方便计算圆渐开线等参数方程。涡旋盘结构复杂多变，由于型线方程的不同, 其参数化的量不同。常用的型线有圆渐开线、线段渐开线、螺旋线、包络型线以及通用集成型线等。由于圆渐开线理论成熟且易于加工，一般用圆渐开线作为涡旋齿壁型线，即涡旋体内、外壁面上任一点的坐标满足式(1)
式中r———基圆半径;v———渐开线发生角;u———渐开线的渐开角,u=2πN+π/2; N 为涡旋线圈数;下标i、o———涡旋体内、外壁面渐开线另一个重要参数为渐开线节距p：
p = 2πr (2)
涡旋真空泵工作时,动涡盘基圆中心绕静涡盘的基圆中心作半径为R 的圆周运动。运动圆周半径r 与节距p 和涡旋体壁厚t 有关。
r = p/2- t (3)
t = 2rv (4)
了解这些参数的相互关系后, 就利用UG 提供的特征功能来实现内外涡旋型线的绘制。但单一型线涡旋齿难以实现完全啮合，不能兼顾压缩、排气和加工等方面要求，往往需对涡旋机械性能影响较大的涡旋齿齿头型线进行修正，以确保涡旋型线光滑连续，从而实现涡旋齿的正确啮合。修正方程不同，其参数量也不同，常用的方法有图解法和解析法。而图解法中又分为双圆弧修正和直线圆弧修正等。无论采取哪种修正方法,只要清楚零件的本质特征尺寸关系,从参数最少化角度出发,总是可以进行完全或部分参数化设计。
3.1、涡旋盘型线绘制
将坐标系原点移至需要建立渐开线的圆的中心。点击工具图标出现下拉菜单选择表达式图标，在出现的对话框中按所得渐开线参数输入如下公式:
输入完毕后点击确定图标。接着点击规律曲线图标, 在出现的对话框中点击函数图标后连续按确定键生成所需涡旋型线。
图1 涡旋型线
然后利用“编辑”菜单中的“移动对象”指令,将原始渐开线绕Z 轴方向按同一个角度进行正反转, 形成2 条新的规律曲线，运用删除功能将原始渐开线删除, 得到涡盘内外型线。点击草绘图标,开始绘制草图。点击插入图标,在接下来的菜单中选择现有曲线, 选择之前变换后的两条渐开线, 按照刘振全教授双圆弧图解法对变换后的渐开线进行修正，形成完整封闭的曲线[1]。投影到指定平面后点击拉伸图标, 选择绘制好的封闭曲线,输入拉伸高度,完成拉伸操作。
3.2、涡旋真空泵零部件建模
利用UG 的特征造型功能，通过拉伸、凸台、孔、抽壳、倒角、拔模等命令绘制动涡盘、静涡盘、壳体、偏心轴、防自转机构等零部件，完成三维实体造型如下[5~6]：
4、虚拟装配和运动仿真
在完成上述零部件的建模后，先进行虚拟装配，狭义的虚拟装配是把几个零件套装在一起形成一台机器和一个部件的过程。而广义的虚拟装配在于产品生命周期的全过程，考核产品设计方案的可装配性、可维修性以及零部件间的干涉情况;当产品进行到并行设计阶段时，虚拟装配还可以帮助设计者预先确定产品上市时间，并提高产品的质量[6~7]。在UG 环境下装配，即把设计好的各零件按UG 装配约束关系，如对齐、贴合、插入等，其模型的装配图如图6 所示。
装配体上所需的标准件(如螺栓、螺母、垫片)可以从标准库中调用，在装配体上建立曲柄滑块机构后可利用ANIMATE 功能进行动态模拟。然后利用软件的放大功能，在放大几万倍的条件下，啮合点依然保持接触，并且在动态模拟的过程中运转正常[8]。同时UG 运动仿真模块还可以进行机构干涉分析，跟踪零件轨迹，分析零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动仿真模块的结果可以证明型线理论的正确性，同时指导修改零件的结构设计或调整零件的材料。设计的更改可以反映在装配主模型的复制品仿真方案中，然后重新仿真，一旦确定优化的设计方案，设计更改可以直接反映到装配主模块中。拓宽了涡旋型线设计理论与方法研究的思路。图7 所示为在UG 环境下涡旋真空泵的运动仿真示意图。
5、结束语
利用UG 完成涡旋盘设计、G 代码生成过程,不仅能极大提高修改编辑、系列化设计效率和产品的直观性，同时减少绘图和编程的工作量,而且能较好满足涡旋盘加工精度要求, 最终实现产品参数化、系列化的虚拟装配和运动仿真，为涡旋类机械设计和生产提供一套行之有效的方法。UG 是集CAD、CAM功能于一体的较完善高端软件，在建模时，对于绘制拉伸体可以运用草图设计功能先在草图中绘制好可以拉伸的封闭曲线，然后再进行拉伸。可以运用表达式功能绘制涡旋盘的渐开线部分，再运用草图设计功能对渐开线进行修正。
参考文献
[1] 刘振全.涡旋式流体机械与涡旋压缩机[M]. 北京:机械工业出版社, 2003.
[2] 杨静,陈素君.涡旋真空泵：一种具有发展潜力的无油泵[J].真空,2009,(1):42- 46.
[3] 杨旭,张贤明,王立存,等.涡旋式真空泵现状和发展趋势分析[J].重庆工商大学自然科学版,2012,(3):83- 88.
[4] 谢国明.UG 相关参数化设计培训教程[M].北京:清华大学出版社, 2003.
[5] 周虹, 仉毅. 基于UG 的渐开线齿轮参数化设计与实现[J].机械设计与制造，2007(2)：78- 79.
[6] 尚广庆,孙春华.基于UG 的涡旋压缩机涡盘设计和制造[J].煤矿机械，2007(5)：98- 100.
