基于UG的新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋虛擬設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

韓 威，武美萍

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122)

基于UG的新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋虛擬設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

韓 威，武美萍

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122)

針對(duì)當(dāng)今社會(huì)人們對(duì)身體健康的重視和市場(chǎng)上現(xiàn)有自動(dòng)炒菜鍋的現(xiàn)狀，提出了新概念健康廚房的特點(diǎn)和概念。運(yùn)用UG軟件，對(duì)新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬裝配，使機(jī)構(gòu)的造型形象化、可視化。同時(shí)針對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題做出了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)在工作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真，使原來(lái)在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得非常直觀和易于修改。UG軟件的應(yīng)用為該自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋的整體設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了技術(shù)支持，縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi)，并為后續(xù)研究奠定了良好基礎(chǔ)。

新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋;虛擬裝配;虛擬設(shè)計(jì);運(yùn)動(dòng)仿真

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視自身的健康，做菜時(shí)油煙對(duì)人體的危害以及飲食健康等問(wèn)題早就成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前炒菜做飯大多停留于人工操作階段，已產(chǎn)生多種弊端。而僅有的幾種自動(dòng)炒鍋不是價(jià)格昂貴就是操作復(fù)雜繁瑣，且很難實(shí)現(xiàn)對(duì)菜料的均勻加熱，由于翻炒菜料不徹底，從而出現(xiàn)焦糊或者未熟等問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)實(shí)情況，提出新概念健康廚房的構(gòu)想，讓人遠(yuǎn)離油煙就能做出美味可口的飯菜，從而避免做菜時(shí)油煙對(duì)人體的危害。同時(shí)，可按照人體所需，科學(xué)地制定菜譜、合理控制各種調(diào)味品的加入量(避免人體過(guò)多攝入食用油或食鹽等調(diào)味品)，從而嚴(yán)格保證人們的飲食健康，避免出現(xiàn)三高等現(xiàn)代人普遍容易患上的疾病。因此，有必要對(duì)此構(gòu)想的核心部分——新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋進(jìn)行深入的研究與探討。新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋可實(shí)現(xiàn)菜料的全方位翻炒，使其受熱均勻，能烹飪出更加美味的菜肴，并具有安全方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可在“自動(dòng)炒菜鍋和廚房一體化”領(lǐng)域做進(jìn)一步推廣。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping，VP)是一種嶄新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法，它是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。具體說(shuō)來(lái)就是在建造第一臺(tái)物理樣機(jī)之前，設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品系統(tǒng)的數(shù)字化模型，進(jìn)行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)［1］。機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)，是指在機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，綜合運(yùn)用相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)手段，在計(jì)算機(jī)上建造出機(jī)械產(chǎn)品的模型，并對(duì)該機(jī)械系統(tǒng)整體在投入運(yùn)行后的工作情況進(jìn)行分析研究的一種高新技術(shù)手段［2］。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是近些年在CAD、CAE、CAM等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，將分散的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和分析過(guò)程集成在一起，是一種從系統(tǒng)的層面由上至下的復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式。利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估，可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高面向客戶與市場(chǎng)需求的能力［3］。

2 新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋工作原理

新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括主體部分和一套完整的動(dòng)力輸出與傳動(dòng)系統(tǒng)。其中主體部分包括鍋蓋、底板和封裝盒;動(dòng)力輸出和傳動(dòng)系統(tǒng)包括布置在頂部的電動(dòng)機(jī)、主軸、連接電動(dòng)機(jī)和主軸的聯(lián)軸器、一對(duì)相互嚙合從而實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的錐齒輪、一組用于傳動(dòng)的直齒圓柱齒輪、一把鏟刀、若干軸承。

圖1 新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋結(jié)構(gòu)圖

具體實(shí)施方式如下:首先，將菜料放入鍋中加熱，然后蓋上鍋蓋1，接通電源，打開(kāi)電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)，電動(dòng)機(jī)3通過(guò)聯(lián)軸器9帶動(dòng)封裝盒2的底板6，在使得錐齒輪8開(kāi)始繞著軸7轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)鏟刀10的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中鏟刀會(huì)緩慢的向下移動(dòng)直至鍋蓋密封炒鍋。由于錐齒輪8不轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪5會(huì)沿著錐齒輪8的外輪廓做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，傳到直齒圓柱齒輪4處的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)經(jīng)過(guò)兩級(jí)齒輪傳動(dòng)傳到鏟刀處，從而實(shí)現(xiàn)鏟刀的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，鏟刀的公轉(zhuǎn)周期為4s/圈，自轉(zhuǎn)周期是公轉(zhuǎn)周期的3～4倍，由齒輪的傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)與人工翻炒相比，速度相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)菜料運(yùn)動(dòng)的掌控度更高，效率較高;與現(xiàn)有的自動(dòng)炒菜技術(shù)相比，實(shí)現(xiàn)了菜料的全方位翻炒，使其受熱均勻，能烹飪出更加美味的菜肴。

3 基于UG的三維建模

UG的建模方式根據(jù)建模對(duì)象的不同可以分為實(shí)體建模、曲面建模和混合建模，根據(jù)建模方式的不同又可以分為參數(shù)化建模和非參數(shù)化建模［4］。

3.1 新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋零部件設(shè)計(jì)

在UG中，生成零件的方法有很多，即使是同一個(gè)零件也可以采用多種成形方法。新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋的主要零部件有軸、聯(lián)軸器、齒輪、軸承、軸承支架、鍋蓋、鏟刀等。在對(duì)以上零部件的三維建模過(guò)程中主要采用的方法［5］有:

a.拉伸和回轉(zhuǎn)成形。通過(guò)拉伸，可以將截面線圈沿著指定方向拉伸一段距離來(lái)創(chuàng)建拉伸實(shí)體;通過(guò)回轉(zhuǎn)，可以將截面線圈繞一根軸線旋轉(zhuǎn)一定角度形成回轉(zhuǎn)特征體。圖2所示零件采用的就是拉伸和回轉(zhuǎn)成形。

圖2 拉伸和回轉(zhuǎn)成形

b.打孔成形。孔特征在設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)碰到，創(chuàng)建的孔的類(lèi)型包括“常規(guī)孔”、“鉆形孔”、“螺釘間隙孔”、“螺紋孔”和“孔系列”(沉頭孔)等。設(shè)置好孔類(lèi)型后，一般還要定義孔放置位置、孔方向、形狀和尺寸(或規(guī)格)等。圖3所示零件為常規(guī)的沉頭孔。

圖3 打孔成形

c.曲面成形。“一般曲面”的創(chuàng)建主要分為“依據(jù)點(diǎn)創(chuàng)建曲面”、“由曲線創(chuàng)建曲面”和一些其他的創(chuàng)建方法(其典型方法命令有“規(guī)律延伸”、“輪廓線彎邊”、“偏置曲面”、“修剪與延伸”和“分割面”等)。圖4所示零件為通過(guò)曲線網(wǎng)格創(chuàng)建的曲面，即通過(guò)一個(gè)方向的截面網(wǎng)格和另一個(gè)方向的引導(dǎo)線來(lái)創(chuàng)建片體或?qū)嶓w。

此外還有掃掠、布爾運(yùn)算和抽殼等成形方法以及倒斜角、邊倒圓、面倒圓、樣式圓角、樣式拐角和美學(xué)面倒圓等多種進(jìn)一步修飾方法，以獲得更細(xì)的模型結(jié)構(gòu)。另外，值得一提的是，在 UG NX 7.5中，系統(tǒng)為用戶提供了“GC工具箱”這類(lèi)新的本地化軟件工具包，在本次建模過(guò)程中進(jìn)行了多次應(yīng)用，如調(diào)用齒輪、軸承等。通過(guò)應(yīng)用“GC工具箱”，大大提高了進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化程度和工作效率。

圖4 曲面成形

3.2 新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋虛擬裝配設(shè)計(jì)

在進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)時(shí)主要有2種方法:自下向頂(Down－Top Design)和自頂向下(Top－Down Design)［6］。

自頂向下設(shè)計(jì)是由整體到局部的設(shè)計(jì)方法，適用于對(duì)某些成熟產(chǎn)品，或雖是初次設(shè)計(jì)但對(duì)整個(gè)組件所包含的零件數(shù)目及空間位置關(guān)系都清楚的場(chǎng)合。采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法可以將設(shè)計(jì)思想一步一步向下傳遞，并逐步完善，像畫(huà)一棵大樹(shù)一樣，先考慮樹(shù)干，再充實(shí)枝條，最后完善樹(shù)葉。這樣，樹(shù)干的變化就等同于主設(shè)計(jì)參數(shù)的變更，從而可以保證設(shè)計(jì)思想有效向下傳遞。自頂向下設(shè)計(jì)的基本步驟是:設(shè)計(jì)產(chǎn)品中各個(gè)組件的邏輯關(guān)系，即在設(shè)計(jì)樹(shù)上添加新組件或新產(chǎn)品;在線架零件中添加主要尺寸;利用已有各主要尺寸生成零件;根據(jù)主控尺寸，調(diào)整線架零件尺寸，進(jìn)而直接調(diào)整各個(gè)零件尺寸。

自下向頂是一種從局部到整體的設(shè)計(jì)方法，當(dāng)裝配體中零部件較少，或包含有較多重復(fù)出現(xiàn)的零部件，或裝配體零部件之間的配合關(guān)系較為簡(jiǎn)單時(shí)，優(yōu)先考慮此方法。在一般情況下，將兩者結(jié)合起來(lái)使用會(huì)取得更好的效果。新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋的最終裝配圖如圖1所示。

UG NX 7.5的裝配功能提供了7種不同的約束類(lèi)型，分別是接觸對(duì)齊、角度、中心、平行、垂直、距離、同心。在裝配時(shí)通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)募s束類(lèi)型，可以將各零件按照現(xiàn)實(shí)中的情況進(jìn)行拼裝，并最終組合成一個(gè)完整的三維實(shí)體模型。虛擬裝配環(huán)境中的裝配建模是通過(guò)三維可視化圖形界面以及對(duì)模型的三維操作實(shí)現(xiàn)的，虛擬裝配的主要過(guò)程是在零件識(shí)別、特征對(duì)識(shí)別、特征元素約束的基礎(chǔ)上完成的。當(dāng)完成一個(gè)裝配設(shè)計(jì)之后，還要進(jìn)行許多后續(xù)工作才能保證虛擬裝配的正確性。其主要工作包括:(1)干涉和間隙計(jì)算，主要用于檢測(cè)零件之間的間隙大小以及是否存在干涉現(xiàn)象;(2)約束分析，主要用于對(duì)一個(gè)活動(dòng)主件的約束進(jìn)行分析，可以分類(lèi)展示所有約束;(3)從屬分析，利用關(guān)系樹(shù)可以觀察組件和約束之間的依附性和從屬性;(4)更新分析，在大型裝配時(shí)，可以檢測(cè)移動(dòng)組件與添加約束對(duì)整體裝配的影響;(5)自由度分析，在不牽涉到零件設(shè)計(jì)時(shí)的約束的情況下，可以檢測(cè)當(dāng)前組件是否需要添加或減少約束。

裝配體爆炸圖是工程實(shí)踐中體現(xiàn)結(jié)構(gòu)空間位置及其關(guān)系的有效手段，因此在某些場(chǎng)合特別是維修過(guò)程中，爆炸視圖有著不可忽視的作用，新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋的裝配爆炸圖如圖5所示。

4 機(jī)構(gòu)虛擬運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)動(dòng)仿真是UG/CAE(Computer Aided Engineering)模塊中的主要部分，它能對(duì)任何二維或三維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力分析和設(shè)計(jì)仿真。

UG/Motion可以對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行大量的裝配分析和運(yùn)動(dòng)合理性分析，諸如干涉檢查、軌跡包絡(luò)等，得到大量運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)分析，可以驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，以便對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。運(yùn)動(dòng)仿真模塊自動(dòng)復(fù)制主模型的裝配文件，并實(shí)現(xiàn)一系列不同的運(yùn)動(dòng)仿真，每個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真均可獨(dú)立修改，而且不影響裝配主模型，一旦完成優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，即可直接更新裝配主模型，以反映優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果［7］。

利用UG建立新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋三維實(shí)體模型后，并不能直接將各個(gè)部件按一定的連接關(guān)系連接起來(lái)，必須給各個(gè)部件賦予一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，讓其成為一個(gè)可以與別的有著相同特性部件之間相連接的連桿構(gòu)件。同時(shí)，為了組成一個(gè)能運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，必須把相鄰的構(gòu)件以各種運(yùn)動(dòng)副連接起來(lái)，并設(shè)置原動(dòng)件、從動(dòng)件和機(jī)架。這樣，就建立了一個(gè)新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋的運(yùn)動(dòng)仿真模型，其運(yùn)動(dòng)仿真各狀態(tài)時(shí)效果如圖6和圖7所示。

圖6 外觀仿真效果圖

圖7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真效果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

作為新概念健康廚房的核心部分，新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋的研發(fā)充分考慮了當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)和需求，對(duì)家電廚具自動(dòng)化領(lǐng)域乃至人們?nèi)粘Ｉ钫w質(zhì)量的提高都具有重要意義。在研究中，針對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)炒鍋的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了大膽創(chuàng)新，在鏟刀軌跡方面，考慮到普通的自動(dòng)炒鍋對(duì)片狀的菜翻炒不夠，本產(chǎn)品的鏟刀加上了自身的翻轉(zhuǎn)，使菜料能得到充分翻炒，不僅將人從廚房的油煙中解放出來(lái)，還能夠做出既營(yíng)養(yǎng)又可口的菜肴，提高人們的生活質(zhì)量。

通過(guò)UG強(qiáng)大的實(shí)體建模與動(dòng)態(tài)虛擬裝配功能，建立了新型自動(dòng)炒鍋配套鍋蓋三維實(shí)體模型，并通過(guò)UG/Motion模塊對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，不但使機(jī)構(gòu)的造型形象化、可視化，而且也使整個(gè)仿真過(guò)程精確、高效，這是傳統(tǒng)的靜態(tài)方法無(wú)法比擬的。整個(gè)虛擬設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程解決了大量的機(jī)構(gòu)匹配和運(yùn)動(dòng)合理性問(wèn)題，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案，文中設(shè)計(jì)的基于UG的虛擬樣機(jī)，為以后的繼續(xù)深入研究提供了良好基礎(chǔ)。

［1］王立權(quán)，王曉東，陳德望，等.基于虛擬樣機(jī)的控制系統(tǒng)仿真研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(6):26 －29.

［2］張旭，毛恩榮.機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(2):94－96.

［3］張悅刊.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的液壓支架設(shè)計(jì)方法研究［D］.青島:山東科技大學(xué)，2007.

［4］夏德偉，張俊生，陳樹(shù)勇，等.UG NX 4.0中文版機(jī)械設(shè)計(jì)典型范例教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［5］博創(chuàng)設(shè)計(jì)坊.UG NX 7.5完全自學(xué)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［6］野火科技.UG NX 7.5產(chǎn)品設(shè)計(jì)一體化解決方案［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［7］胡小康.UG NX6運(yùn)動(dòng)仿真培訓(xùn)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

Virtual Design and Moving Simulation for Cover of Automatic Cookware Based on UG

HAN Wei，WU Meiping
(Jiangnan University，Jiangsu Wuxi，214122，China)

According to the automatic cookware in existing market and the orientation of healthy life in society nowadays，it introduces the characteristics and ideas of the new concept healthy kitchen.Using UG software，it designs the structure and virtual assembly of this automatic cookware cover，realizes the moving simulation in working process，provides an easy understanding and a possibility to modify directly.The UG software provides some technical supports to the overall design of this cover of automatic cookware and a good foundation of the follow-up researches，shortens the period of the design and saves the development budget.

Cover of Automatic Cookware;Virtual Assembly;Virtual Designs;Moving Simulation

TH12;TH16

A

2095－509X(2013)02－0014－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.02.004

2012－12－05

韓 威(1990—)，男，河北唐山人，江南大學(xué)本科生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)闄C(jī)械工程及自動(dòng)化。