平面运动结构设计与运动仿真

平面传动机构设计与运动仿真 摘 要 机械科技不断发展，给我国机床加工设备的现代化提供了强有力的技术支持。为了充分发挥设备效能，提升机床科技水平，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式机床进行改造，而平面传动机构是各种机床的基础，研究好它对机床的改造有很大帮助。 本文设计提出了基于XY轴的平台的滚珠丝杠传动技术的方法，在设计中，主要分硬件、软件两个大部分来设计。在硬件方面，首先设计出滚珠丝杠传动系统的机械系统，并对其中的主要部件进行了校核、验算；其次，利用UG绘图软件进行三维绘图，然后利用 UG 绘图软件自身的转换器将三维图转成二维装配图，操作简单、容易实现；在软件部分，本次设计研究平面传动系统的运动过程；最后，利用组态王监控软件实现对整个滚珠丝杠传动系统的监控。通过组态王的配置建立软件与计算机的连接，最终通过组态王软件的仿真功能实现系统的仿真，完成本次设计。 关键字：UG,平台,组态王III 平面传动机构设计与运动仿真 Abstract With the development of mechanical science and technology， the technology sustainability has provided for our machine tools equipment modernization . In order to play their efficiency, improve the level of machine tool technology, more and more companies invest a lot of money and technology to transform the traditional old-fashioned machine each year, and the flat transmission is the basis of various machine tools, to study the transformation of a good machine has a big help. The proposes of this paper is design platform，based on XY -axis ball screw drive technology approach in the design, the main points have hardware, software. On the hardware side, the first ball screw drive system design of mechanical systems, and one of the main parts of the check; Secondly, the use of three-dimensional graphics drawing software UG, UG graphics software and then use the converter itself three-dimensional Figure converted into two-dimensional assembly drawing, operation is simple, easy to implement; in the software section, this design of planar transmission of the movement; Finally, the king of monitoring software configuration of the entire ball screw drive system monitoring. Configuration established by the configuration of the kings connection with the computer software, ultimately through the Configuration software simulation function for system simulation, complete this design. key words: UG,platform,kingview IV 平面传动机构设计与运动仿真 目录 第一章 绪 论 .1 1.1 选题背景.1 1.2 研究意义.1 1.3 国内外平面进给机构的发展现状.3 1.3.1 国内发展现状 .3 1.3.2 国外发展现状 .3 1.3.3 发展方向 .3 1.4 本文研究的主要内容.4 第二章 滚珠丝杠传动系统的设计 .5 2.1 平面进给机构运动方式的拟定.5 2.1.1 齿轮传动 .5 2.1.2 带传动 .6 2.1.3 链传动 .6 2.1.4 滚珠丝杠 .7 2.2 平面进给机构的设计.7 2.3 确定工作台的重量.8 2.4 传动系统设计计算.9 2.5 滚珠丝杠的设计计算.10 2.6 滚动导轨的设计计算.12 2.7 电动机的选择.14 2.8 本章小结.14 第三章 平面传动机构的三维建模 .15 3.1 滚珠丝杠的建模.15 3.2 完成其他零件的建模.16 3.3 装配零件.18 3.4 平面传动系统的仿真.19 3.5 本章小结.21 第四章 组态王监控软件设计 .22 V 平面传动机构设计与运动仿真 4.1 组态王软件介绍.22 4.2 组态王的特点.23 4.3 组态王软件编程.23 4.3.1 组态王实现控制监控的基本设计步骤 .23 4.3.2 本设计组态王监控的实现 .24 4.3 组态王软件与 PLC、计算机的连接.32 4.4 本章小结.36 第五章 结论与展望 .37 5.1 结论.37 5.2 技术经济性分析.37 5.3 对进一步研究的展望.38 参考文献 .39 致谢 .40 声明 .41 VI 平面传动机构设计与运动仿真 第一章 绪 论 1.1 选题背景 随着社会的进步，人们开始从手工制 造发展成了机械制造，机床的应用越来越广泛。 工业革命导致了各种机床的产生和改进 十八世纪的工业革命推动了解的发展。1774年，英国人威尔金森 发明了较精密的炮筒镗床。次年，他用这台炮筒镗床镗出的汽缸，满足了瓦特蒸汽 机的要求。为了镗制更大的汽缸，他又于 1775年制造了一台水轮驱 动的汽缸镗床，促进了蒸汽机的发展。从此，机床开始用蒸汽机通过曲轴驱动。 1797年，英国人莫兹利创制成 的车床由丝杠传动刀架，能实现机动进给和车削螺纹，这是机床结构的一次重大 变革。莫兹利也因此被称为“英国机床工业之父”。 目前数控机床加工已经得到了广泛的应用，如车床、铣床、镗床、线切割、电火花等等。机床的结构也力求简单、可靠、部件要求也日益专业化，其中组成部分已经可以分为数控部分、传动部分、加工部分，而平面传 动机构是机床重要组成部分之一。 其中的传动部分原理基本相同，包含横向进给机构和纵向进给机构。 平面传动机构作为主要的传动部件之一，已经有50多年等的发展历史了，但其大规模的应用却是近几年的事情，我国在这方面的技术还不够成熟，随着机床加工业的发展，其有待完善。随着科学技术的发展，制造技术的进步，社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈，中、小批量生产的比重明显增加，复杂形状的零件加工和高精度零件加工要求越来越高，将不能满足此刚性需求。 所以，研究结构简单，运行可靠，高精度，功能多，稳定性强的平面传动机构将适应当今高速的机械加工需要。 1.2 研究意义 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机1 平面传动机构设计与运动仿真 技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，是紧迫而又艰巨的任务。 在美国，政府重视机床工业，美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。 在德国，政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。特别讲究“实际”与“实效”，坚持“以人为本”，师徒相传，不断提高人员素质。在发展大量大批生产自动化的基础上，于1956年研制出第一台数控机床后，一直坚持实事求是，讲求科学精神，不断稳步前进。德国的机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界，尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和Heidenhain公司之精密光栅，均为世界闻名，竞相采用。 在我国，机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然广大众人，但形成不了合力。 平面运动结构为我国机电一体化技术的发展提供了很好的试验、研究平台，对2平面传动机构设计与运动仿真 于提高我国的工业发展速度具有很深的指导意义，综合国力自然就会增强。 1.3 国内外平面进给机构的发展现状 1.3.1 国内发展现状 现代机床业的发展日益向着自动化、高速化、精密化、柔性化、智能化的方向发展，机床的结构也力求简单、可靠、部件要求也日益专业化。目前，平面传动机构正沿着高速度、高精度、高载荷、高复合化，高智能化的方向飞速发展。但跟国外还有很大差距。 1.3.2 国外发展现状 在现阶段，国外的平面传动机构一般生产规模都比较大，信息化管理的水平业非常高，凭借他们的大规模化、集约化制造来降低滚珠丝杠的生产成本和生产速度，给用户提供全方位、个性化的众多系列的产品。因此，国外在平面传动机构动研发上和成本上都有很大的竞争优势，对市场需求反应也比较灵敏，能很快适应市场的需求，推出具有时代气息的自主知识产权的新产品，并能很快申请专利。 另外，在工艺上，国外的装备数控化成分比较高、生产效率也高、产品质量非常稳定。并且拥有世界上比较先进的检测仪器和领先的技术检验设备检验产品性能，这为批量生产的产品和新产品的研发提供了品质保证，用检测数据和性能对比曲线取信用户，因此国外的平面传动机构生产在某些方面是遥遥领先于国内的生产水平的。 1.3.3 发展方向 绿色机床将成为研究热点。将毛坯转化为 零件的工作母机，在使用过程中不仅消耗能源，还会产生固体、液体 和气体废弃物，对工作环境和自然环境造成直接或间接的污染。据此，绿色 机床应该具有以下特点：机床主要零部件由再生材料制造；机床的重量和体积减 少 50%以上；通过减轻移动质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少 30 40；使用过程中产生的各种废弃物减少 5060%，保 证基本没有污染的工作环境；报废后机床材料 100%可回收。据统计，机床使用过程中用于 切除金属的功率只占到 25%左右，各种损耗和辅助功能占去大部分。机床绿色 化的第一个措施，是通过大幅度降低3平面传动机构设计与运动仿真 机床重量和减少驱动功率来构建具有生 态效益的机床。绿色机床提出一种全新的概念，大幅减少重量，力求节省材 料，同时降低能耗。这一概念直接驱使着平面传动结构的升级。 总之，随着计算机技术不断发展，我国的机电一体化技术一定会有突飞猛进的发展，对平面传动结构的研究也会更进一步的深入，对于进一步提高、改进我国的机电一体化技术具有举足轻重的意义。 1.4 本文研究的主要内容 本课题主要是设计机床平面传动进给机构并实现运动的仿真。根据平面传动系统及控制系统设计的组成情况以及课题的工作要求本设计有一下两点内容： 1. 设计出平面传动进给系统的三维模型，绘制三维模型并进行三维运动仿真。 首先，对平面传动进给系统进行三维实体建模。在三维实体建模部分选择了 UG 三维造型软件，这个软件操作起来比较方便而且操作起来比较广泛，无论是对造型设计、工程出图、以及3D装配等方面，该软件对于计算机的要求也不是很高。 2. 运行程序实现运动，并用组态王软件实现对平面进给运动的监控。 PLC需通过程序来驱动初始化，通过设置参数、命令，以实现基本的控制功能。 PLC根据定位剪头的起始位置、设定的速度和目标位置进行计算，大致分为启动、行走、停止三个阶段，具体步骤如下： （1）根据设计要求了解平面传动系统的运动程序。 （2）利用组态王进行对监控界面的设计。 4平面传动机构设计与运动仿真 第二章 滚珠丝杠传动系统的设计 本课题主要是设计机床传动机构的机械结构并实现其运动仿真。要求设计出平面传动机构的机械结构，在设计中机床的传动形式、传动方式是研究的主要内容。 在现在机械