基于proe的绣花机的设计与运动仿真.doc

基于基于 Pro/E 的绣花机的设计与运动仿真的绣花机的设计与运动仿真 摘要摘要：绣花机广泛应用于纺织行业中，随着我国纺织行业的快速发展，绣花机市场 将面临着巨大的机遇，传统的设计方法已不能满足市场的需要。为了适应社会的发 展，本文对绣花机的结构特点和原理进行了分析，在 Pro/E 零件设计模块下建立万 向链式缝纫机的所有零件，然后在其 Mechanism 模块下建立各零件间的连接及装配 自由度，对输入轴添加相应马达来产生与实际情况相同的运动，再对样机做运动分 析，观察和记录分析过程中的一些测量值，以便对其结构进行改进及优化。该设计 可以有效降低成本，缩减产品的研发周期，提高了设计效率，为新产品的开发奠定 了基础。 关键词关键词：绣花机；设计方法；Pro/E；虚拟装配；运动仿真 Design and Motion Simulation of the Embroider Machine Based on Pro/E Abstract: Embroidery machine is widely used in textile industry,with the rapid development of Chinas textile industry,embroidery machine market will be faced with great opportunities, the traditional design methods can not meet the needs of the market. To meet the social development, this paper will analyze the embroidery machine structural characteristics and principle ，design all universal chain sewing machine parts by part design module in Pro/E, and then add connections between the various parts and assembly flexibility under the Mechanism module , add the corresponding input shaft motor to produce the same movement with the actual situation, and then do motion analysis to the prototype, observed and record some of the testing process ,what are to improve and optimize its structure. The design can effectively reduce costs, shorten the production development cycles, improve efficiency and the new Foundation for the development of products. Key word: Embroider Machine；Design Methods；Pro/E；Virtual Assembling；Motion Simulation 目目 录录 1 绪论 1 1.1 本课题研究的背景.1 1.2 研究的目的及意义.3 1.3 本课题研究的主要内容 3 1.4 本章小结 3 2 绣花机总体设计及三维零件建模4 2.1 PRO/E 在工业设计中的应用 .4 2.3 绣花机的总体设计.5 2.4 绣花机零件的三维设计.5 2.4.1 机头架组件的三维设计 .6 2.4.2 转向机构组件的三维设计 15 2.4.3 弯针操作曲柄组件的三维设计 18 2.4.4 机架的三维设计 20 2.4.5 锥齿轮的参数化设计 21 2.4.6 其他零件的三维设计 26 25 本章小结 30 3 绣花机的总体装配.31 3.1 装配概述31 3.2 绣花机的装配过程33 3.2.1 机头组件装配 33 3.2.2 转向机构装配 34 3.2.3 弯针操作组件装配 35 3.3 总装配36 3.4 本章小结36 4 绣花机的运动仿真.37 4.1 运动仿真的概述37 4.2 绣花机的运动仿真分析38 4.3 绣花机运动干涉检验39 4.4 伺服电机的设定39 4.5 运动仿真动画的制作39 4.6 仿真分析41 4.7 针迹模拟43 4.7.1 矩形针迹仿真 43 4.7.2 圆形针迹仿真 44 4.8 本章小结45 5 本文总结.46 致 谢.47 【参考文献】.48 附 录.49 1 1 绪论绪论 1.11.1 本课题研究的背景本课题研究的背景 绣花机从无到有，从简单到复杂，经历了漫长的过程，而国内绣花机的发展现 状是：中国既是世界缝制设备最大消费国，也是最大生产国。目前，中国工业缝纫 机产量已占世界总产量的 40%，出口量占世界销售量的 20%。其中，高速平缝机、高 速包缝机、圆头平缝机、电动裁剪机、电脑刺绣机等产品已完全可替代进口。如 “上工” 、 “标准” 、 “华南” 、 “飞跃” 、 “达美”等品牌。在内外已具有很高的声望。 另外，合资企业的产品，也已大量返销世界各国，使我国有望发展成为世界缝制设 备制造、销售中心。 在绣花机领域，目前世界上著名的电脑绣花机品牌有日本田岛 （TAJIMA）公司 TMEF-H620 型、日本百灵达(BARUDAN)公司 BEMRH-YS-20 型 、日本 兄弟(BROTHER)公司 BAS-423 型、德国蔡斯克(ZSK)公司 174-12 型、德国百福(PFAFF)公 司的 KSM22112/260 型等。与这些大型国际公司相比，我国目前电脑刺绣机与他们 还存在较大的差距，尤其是在机械加工方面，在结构、精度、寿命以及噪音等方面 亟待提高和改进。目前国内绣花机产业的现状是生产厂家多、标准不统一、生产混 乱、竞争无序。这些主要表现在以下几个方面： 1.企业组织上 国内电脑绣花机生产企业约八十多家，主要分布在北京、上海、 山东、江苏、浙江、广东和福建一带，年产多头电脑刺绣机总量约 10000 台。在这 些企业中，除了中国标准缝纫机公司、中国长城光学仪器厂、上海协昌缝纫机厂、 青岛电脑刺绣机总厂、武汉美佳服装机械厂等部分厂家具有较大生产和开发规模外， 其他很多都是简单的组装生产，技术和服务都很难得到保证，从而造成市场一定程 度的混乱。 2.机械的生产上 电脑绣花机属于机电结合的高科技产物，其电路部分主要是对 机械部分进行控制，从而产品精度很大程度上取决于机械生产及装配的精度。由于 当前国内大部分绣花机生产厂家并不直接生产全部零部件，而是采取外协的方式， 在一些配件厂订购，这样就很难对零部件的质量进行很好的控制。在装配过程中， 由于电脑绣花机在精度上的严格要求，很难实现装配的自动化，只能由熟练装配师 手工操作。这也就是说，装配的质量完全取决于装配师的技术水平，在这种情况之 下装配的精度也比较难于控制。 3.电路控制部分 绣花机的电路部分相当于人的大脑及神经，绣花机的诸多功能 很大程度上都是由电路部分决定。当前国内有能力开发电控部分的厂家寥寥无几， 这当中以北京精大豪电脑控制设备有限公司的产品为最，其产品在国内外已处于较 为先进的地位。大部分电脑绣花机厂家产品的电控部分均为精大豪的产品。 近年来，从国际大型的展览会上可以看到，国内外电脑刺绣机的品种和技术的 发展也越来越快，质量水平也越来越高，竞争也越来越激烈。随着加入 WTO，日本、 德国和韩国的电脑刺绣机将对我国电脑刺绣机发展构成一定的威胁，作为中国电脑 刺绣机行业如何定位，如何抓住发展的机遇，缩短与国际水平的差距，都是我们当 前面临的重大课题。在市场竞争中，如何规范国内市场秩序，维护行业整体利益， 也需要我们电脑刺绣机企业共同作出努力，通过有序竞争，来促进我国电脑刺绣机 行业的健康发展。总之，绣花机的发展趋势就是高效、稳定、多功能。 本样机取自于武汉美佳服装机械股份有限公司制造的 GY101 型万向上链式绣 花机。采用钩针钩线，万向上送料机构，形成单线上链式线迹。该机具有结构合理， 操作轻松灵活，维修方便，润滑系统完备等特点。适用于女用外衣和套装、女帽、 制服、窗帘和帐帏等装饰的制造。其图像如图 1.1。 图图 1.11.1 GY101GY101 型万向上链式绣花机型万向上链式绣花机 本课题将在 Pro/E 零件设计模块下建立万向链式缝纫机的所有零件，然后在其 Mechanism 模块下建立各零件间的连接及装配自由度、对输入轴添加相应马达来产 生与实际情况相同的运动，再对机器的部件做运动分析，最终对样机运动进行分析， 观察和记录分析过程中的一些测量量，如位置、速度、加速度、力、测量图标，以 及建立表示零部件运动行为的轨迹曲线，运动包络线和运动干涉，以便研究机构模 型。如此能方便地得到准确的结果，且能灵活的改变运动方式，向最佳运动效果逼 近，以便对其结构进行改进及优化。 1.21.2 研究的目的及意义研究的目的及意义 随着我国纺织行业的快速发展，绣花机市场将面临着巨大的机遇，传统的设计 方法已不能满足市场的需要。为适应社会的发展，该课题通过对绣花机的结构特点 和原理进行分析，应用 Pro/E 三维软件高级建模技术和机构运动仿真功能对绣花机 进行三维建模、虚拟装配以及运动仿真，再对样机进行运动分析，观察和记录分析 过程中的一些测量值，以便对其结构进行改进及优化。通过该课题的研究，全面而 广泛地了解当前国内外相关领域的最新发展动态，对所学知识有进一步的认识和了 解。该设计可以有效降低成本，缩减产品的研发周期，提高设计效率，为新产品的 开发奠定了基础。 本课题的研究也具有一定的现实意义： 1）可以培养学生的现代化设计理念。 2）提高学生的形象思维和创造性思维能力及创新设计能力。 3）有利于培养良好的工程素质。 4）通过毕业论文的写作，提高学生独立完成任务的能力及自学能力，进一步提 高文献检索和信息处理能力。 1.31.3 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 本课题以绣花机为研究对象，利用 Pro/E 软件来完成绣花机的各个零部件的设 计，并且利用 Pro/E 的装配模块对各个零部件进行装配，同时利用 Pro/E 的运动仿 真模块对装配好的机构进行仿真分析，模拟机构的实际运动，便于以后的改进和结 构优化，为新产品的开发奠定了基础。 课题基本结构： （1）绣花机总体结构设计。 （2）绣花机的主要零件的三维造型设计。 （3）绣花机结构方案的优化设计。 （4）绣花机的三维装配。 （5）绣花机的运动仿真 1.41.4 本章小结本章小结 本章主要对课题的研究目的和意义及主要内容进行了说明，通过对这些问题的 分析和探讨,更加深入了解对课题研究的必要性。 2 2 绣花机总体设计及三维零件建模绣花机总体设计及三维零件建模 2.12.1 Pro/EPro/E 在工业设计中的应用在工业设计中的应用 一、设计方法概述 现在产品的竞争越来越激烈，如何缩短产品的开发周期，及时推出适合市场的 新产品成为各大公司共同关心的问题。Pro/E 软件以其强大的造型及结构设计功能 在产品的开发设计中得到越来越广泛的应用，为有效缩短产品的开发周期提供了条 件。 使用 Pro/E 软件进行虚拟产品设计总的来说有两种设计方法，它们分别是由底 向上的产品设计和自顶向下的产品设计。 由底向上的产品设计就是先设计好产品的各个零部件，然后再把各个零部件逐 一装配成完整产品的设计方法。由底向上的产品设计方法是一种比较简单、低级的 方法，其设计思路比较清晰，设计原理也比较容易被广大用户接受。 但是其设计理念还不够先进，设计方法还不够灵活，还不能完全适应现代设计 的基本要求。这种方法主要使用于一些已经比较成熟的产品设计过程，可以获得比 较高的设计效率。 由顶向下的装配设计与由底向上的设计方法正好相反。设计时，首先从整体上 画出产品的整体结构关系或创建装配体的二维零件布局关系图，然后再根据这些关 系或布局逐一设计出产品的零件模型。 在现代的虚拟产品设计中，往往都是先设计出整个产品的外在概念和功能概念 后，逐步对产品进行设计上的细化直至单个零件。 二、Pro/E 设计工作流程 1. 机构总体分析 根据机构功能参数进行产品的总体设计。 2. 创建零件模型 使用各种特征实体工具创建所需要的零件模型。 3. 零件的基本特征修改 零件模型是否满足要求，不满足重新修改便更。 4. 组装零件模型 使用装配命令组装零件模型，生成连接。 5. 产品机构仿真设计 进行设计计算，有限元分析，优化设计，仿真分析，材料 分析等。 6. 产品变更设计 如不能满足要求，需再次修改设计，进行各零部件的装配。 7. 输出结果。 2.32.3 绣花机的总体设计绣花机的总体设计 绣花机主要由机头组件，转向机构，弯针操作组件、机架、带轮轴、带轮、皮 带轮滑动轴轴套、上轴、弯针驱动凸轮、弯针操作连杆、线机旋转齿轮轴、和线机 旋转齿轮轴相装配的两对锥齿轮、机针驱动凸轮、机针驱动凸轮滚珠及滚珠销，弯 针驱动球及球组件、机头定位销、机头固定螺钉、压脚杆连接轴螺钉、针板、机头 轴套等部分组成。 该机采用上钩针钩线、下弯针形成线环、万向上送料机构、形成单向上链式线 迹。 针杆机构由曲柄滑块机构组成，它将主轴的旋转运动，变成针杆的上，下往复 运动。主要完成刺料，钩线等工作。 弯针机构由曲柄连杆机构组成，将主轴的旋转运动转化成弯针的摆动，主要完 成线环的工作。 送料抬牙机构由曲柄滑块机构组成，主要完成缝料的移送工作。 万向送料机构由组锥齿轮组成，负责改变缝料移送的方向。 图图 2.12.1 绣花机样机总图绣花机样机总图 2.42.4 绣花机零件的三维绣花机零件的三维设计设计 绣花机零件众多，主要分别是机头组件，弯针驱动组件和转向机构组件和机架、 带轮、齿轮等近百个零件组成。Pro/E 的各种基础特征的创建方法都得到了充分应用。 2.4.12.4.1 机头架组件的三维机头架组件的三维设计设计 机头主要由：机头支架，针杆套轴，送料导向轴，压脚提升杆，针架压紧调节 螺钉，压脚压紧杆，压脚压力调节螺钉，针杆套轴齿轮，送料轴，送料轴前齿轮， 压脚杆连接轴，送料导向托架，针杆驱动滑套，送料架，压脚扳手，送料曲柄，针 杆曲柄，压脚提升曲柄，针夹，针架提升导架，送料导向托杆架导块盖，压脚等零 件组成。 1、机头架组件的主要零件的结构设计 （1）机头支架 利用拉伸，剪切，倒角等命令完成三维建模。其结构图 2.2 如下所示： 图图 2.22.2 机头支架结构图机头支架结构图 （2）针架提升导杆 利用拉伸，剪切，倒角等命令完成三维建模。其结构图 2.3 如下所示： 图图 2.32.3 针架提升导杆结构图针架提升导杆结构图 （3）压脚提升导杆 利用拉伸，剪切，倒角完整三维建模，其结构图如下 2.4： 图图 2.42.4 压脚提升导杆结构图压脚提升导杆结构图 （3）针杆驱动滑套 利用拉伸，倒圆角，剪切完成三维建模。其结构图 2.5 如下： 图图 2.52.5 针杆驱动滑套结构图针杆驱动滑套结构图 （4）送料架 利用旋转，拉伸，镜像，倒角完成三维建模。其结构图 2.6 如下： 图图 2.62.6 送料架结构图送料架结构图 （5）送料导向轴 利用拉伸，剪切完成三维建模。其结构图 2.7 如下： 图图 2.72.7 送料导向轴结构图送料导向轴结构图 （6）送料导向头架 利用拉伸，剪切，倒角完成三维建模。其结构图 2.8 如下： 图图 2.82.8 送料导向头架结构图送料导向头架结构图 （7）针杆曲柄 利用拉伸，剪切，倒圆角完成三维建模。其结构图 2.9 如下 图图 2.92.9 针杆曲柄结构图针杆曲柄结构图 （8）压脚 利用拉伸，剪切，倒角等命令完成三维建模：其结构图 2.10 如下： 图图 2.102.10 压脚结构图压脚结构图 （9）针夹 利用拉伸，剪切，倒圆角完成三维建模。其结构图 2.11 如下: 图图 2.112.11 针夹针夹 （10）针杆套轴 利用旋转，剪切完成三维建模。其结构图 2.12 如下： 图图 2.122.12 针杆套轴针杆套轴 （11）针杆夹紧套 利用拉伸，剪切，倒角完成三维建模。其结构图 2.13 如下： 图图 2.132.13 针杆夹紧套针杆夹紧套 （12）针杆提升导架 利用拉伸，剪切，倒圆角完成三维建模。其结构图 2.14 如下 图图 2.142.14 针杆提升导架针杆提升导架 （13）针架提升导杆套 利用拉伸，剪切，倒角完成三维建模。其结构图 2.15 如下 图图 2.152.15 针架提升导杆套针架提升导杆套 （14）压脚杆连接轴 利用拉伸，剪切，倒角完成三维建模。其结构图 2.16 如下： 图图 2.162.16 压脚杆连接轴压脚杆连接轴 （15）送料导块 利用拉伸，剪切，倒角完成三维建模。其结构图 2.17 如下： 图图 2.172.17 送料导块送料导块 2、机头架组件中其它零件的三维设计 图图 2.192.19 针架压紧杆针架压紧杆 图图 2.202.20 针架压紧调节螺钉针架压紧调节螺钉 图图 2.212.21 针架移动螺钉销针架移动螺钉销 图图 2.222.22 压脚提升导杆压脚提升导杆 图图 2.232.23 送料导向托架导块图送料导向托架导块图 图图 2.242.24 曲柄偏心销曲柄偏心销 图图 2.252.25 压脚提升曲柄压脚提升曲柄 图图 2.262.26 垫板垫板 图图 2.272.27 针杆提升导架螺钉针杆提升导架螺钉 图图 2.282.28 针针 图图 2.292.29 送料导向托架导块盖送料导向托架导块盖 图图 2.302.30 压脚架套压脚架套 图图 2.312.31 压脚垫圈压脚垫圈 2.322.32 送料曲柄滚珠螺钉送料曲柄滚珠螺钉 送图送图 2.332.33 料杆压料杆压 图图 2.342.34 脚扳手脚扳手 2.4.22.4.2 转向机构组件的三维转向机构组件的三维设计设计 转向机构是由线机旋转齿轮架，送料曲轴，线机旋转轴齿轮，线机旋转杆，齿 轮，固定螺钉等组成。转向机构主要零件结构设计： （1）线机旋转齿轮架 利用拉伸，剪切，倒角完成三维建模。其结构图 2.35 如下： 图图 2.352.35 线机旋转齿轮架结构图线机旋转齿轮架结构图 （2）固定螺钉 利用旋转，倒角，剪切完成三维建模。其结构图 2.36 如下： 图图 2.362.36 固定螺钉结构图固定螺钉结构图 （3）线机旋转轴齿轮 其结构图如 2.37 所示: 图图 2.372.37 线机旋转轴齿轮结构图线机旋转轴齿轮结构图 (4) 线机旋转杆 利用拉伸，剪切，倒角完成三维建模。其结构图 2.38 如下: 图图 2.382.38 线机旋转杆结构图线机旋转杆结构图 2.4.32.4.3 弯针操作曲柄组件的三维弯针操作曲柄组件的三维设计设计 弯针槽组成为：弯针槽座曲柄架，弯针槽座曲柄，下轴导套，下轴齿轮，下轴 导块，下轴，弯针槽座曲柄滑块，弯针架，针定位板，弯针驱动斜齿轮簧，轴颈圈， 弯针驱动斜齿轮。主要零件建模： （1） 弯针槽座曲柄架 利用拉伸，剪切，倒角，倒圆角等完成三维建模，其结构图 2.39 如下： 图图 2.39 弯针槽座曲柄架弯针槽座曲柄架结构图结构图 （2） 弯针操作曲柄 利用拉伸，剪切，倒角完成三维建模，其结构图 2.40 如下： 图图 2.402.40 弯针操作曲柄结构图弯针操作曲柄结构图 （3）弯针架 利用拉伸，剪切，倒角等完成三维建模，其结构图 2.41 如下 图图 2.412.41 弯针架结构图弯针架结构图 （4）下轴导杆 利用拉伸，剪切，倒角等完成三维建模，其结构 2.42 图 图图 2.422.42 下轴导杆结构图下轴导杆结构图 2.4.42.4.4 机架的三维设计机架的三维设计 机架是绣花机中的主要零件，通过轴和连杆连接机头组件，转向机构，弯针操 作组件等部件，主要起固定作用。前面设计成凹槽以便装配轴、连杆及齿轮等零件， 下面的桌面设计作为主要操作区域，其结构及建模过程如图 2.43 所示。工程图如图 2.44 所示。 图图 2.432.43 机架的结构图机架的结构图 图图 2.44 机架的工程图机架的工程图 2.4.52.4.5 锥齿轮的参数化设计锥齿轮的参数化设计 由于在上述零件的设计过程中多次用到锥齿轮，现在重点介绍其设计过程。 其模型树为下图 2.45 所示： 图图2.452.45 锥齿轮锥齿轮 1 1设置锥齿轮的设计参数设置锥齿轮的设计参数 在本模型中主要设置8个独立参数作为驱动参数来控制三维模型的几何尺寸，其 参数如下表所示： 参数表参数表2.462.46 锥齿轮的设置参数名称数值 M 模数 1 Z 齿数 20 Z_ASM 与之啮合的齿轮的齿数 20 B 齿宽 20 Alpha 压力角 20 HAX 齿顶高系数 1 CX 顶隙系数 0.25 X 变位系数 0 2.2.添加齿轮各几何尺寸间的关系添加齿轮各几何尺寸间的关系 HA=(HAX+X)*M HF=(HAX+CX-X)*M H=(2*HAX+CX)*M DELTA=ATAN(Z/Z_ASM) D=M*Z DB=D*COS(ALPHA) DA=D+2*HA*COS(DELTA) DF=D-2*HF*COS(DELTA) DDA=(DA/2)*COS(DELTA) DD=(D/2)*COS(DELTA) DDF=(DF/2)*COS(DELTA) DDB=(DB/2)*COS(DELTA) 3.3. 创建齿轮的基本圆曲线创建齿轮的基本圆曲线 （1）在 Front 面上草绘如图 2.47 所示草绘 1。 图图 2.472.47 草绘草绘 1 1 在 Pro/ E 的“工具/ 关系”中直接添加参数间的关系式，角度尺寸：90- DELTA，四个直线尺寸从大到小依次为：DDA, DD, DDB, DDF，另外顶角为直角。 （2）在Front面和Top面两基准面的相交线上建立回转中心线。 （3）建立垂直于Front面并且穿过红色曲线的法向剖平面。其图形2.48如下所 示： 图图 2.482.48 基准平面的建立基准平面的建立 图图 2.492.49 基准点的建立基准点的建立 （4）在上图草绘（草绘 1）中的线段于 Top 面的交点上添加两基准点(PNT0 和 PNT1)，其 如图 2.49 所示： （5）在法向剖平面上草绘齿轮的基本圆曲 线，其如图 2.50 所示草绘 2： 在法向剖平面内草绘四个基础圆，点击“工具/ 关系”中直接添加参数间的关 系式以确定齿轮的基本圆尺寸，直径从大到小依次为：DA, D, DB, DF。 4.4. 创建齿槽的轮廓曲线创建齿槽的轮廓曲线 （1）在 PNT1 上添加渐开线坐标系 CS0 如图 2.51（笛卡尔） 。为以后用方程绘制 渐开线齿廓做准备。 图图 2.512.51 渐开线坐标系渐开线坐标系 （2）绘制齿槽的轮廓曲线 1 选取基准曲线的约束选项: 从方程/完成/笛卡尔, 此时系统弹出记事本。 输入以下渐开线参数方程： r = db/2 theta=t*45 x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*(pi/180) y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*(pi/180) z=0 （3）过分度圆与渐开线齿廓的交点创建啮合点(PNT2)，其图 2.52 如下所示： 图图 2.502.50 草绘草绘 2 2 图图 2.522.52 啮合点啮合点 （4）创建穿过啮合点和回转中心线的基准平面。 （5）镜像上步中所得的基准平面，将“过啮合点的平面”绕“回转中心线”旋 转 90/Z 度。 （6）使用镜像基准平面镜像得到渐开线轮廓 2。 5.5.创建齿轮的轮齿特征创建齿轮的轮齿特征 （1）草绘齿轮体如图 2.53 所示： 图图 2.532.53 齿轮体齿轮体 点击“工具/ 关系”中直接添加参数间的关系式以确定尺寸关系，三个尺寸 分别为：上边 B，左边 0.8*H，右边 H。然后拉伸实体，使用“旋转”命令，旋转 360 度。 （2）创建齿槽。用“扫描混合/切口”实现。 （3）列阵齿槽。以“回转中心线”为阵列中心，阵列齿轮的槽数，角度为 360/Z 6 6锥齿轮参数菜单的设计锥齿轮参数菜单的设计 由于需多次调用锥齿轮，希望能将其做成模板，以便于提高效率，现介绍其设 计过程：点击“工具/程序/编辑程序” ，在弹出来的记事本中的“INPUT”和“END INPUT”之间添加如下程序： M NUMBER “M:” Z NUMBER “Z:” Z_AM NUMBER “Z_AM:” B NUMBER “B:” ALPHA NUMBER “ALPHA:” HAX NUMBER “HAX:” CX NUMBER “CX:” C NUMBER “C:” 7.7.齿轮的调用以及辅助特征的创建齿轮的调用以及辅助特征的创建 调用锥齿轮时，只需点击“再生模型/输入”选择需要修改的参数，完成参数的 修改，就能生成需要的锥齿轮模型，再进行轴孔、倒角等特征。 2.4.62.4.6 其他零件的三维设计其他零件的三维设计 1.带轮的三维设计 带轮的设计主要使用旋转命令实现。其结构及建模过程如图 2.54 所示。工程图 如图 2.55 所示： 图 2.54 带轮的结构图 图 2.55 带轮的工程图 2.连杆的三维设计 利用拉伸，剪切、倒圆角完成连杆的三维设计，其建模过程如图 2.56 所示，工 程图 2.57 所示： 图图 2.562.56 连杆结构图连杆结构图 图图 2.572.57 连杆工程图连杆工程图 3.弯针驱动凸轮的三维设计 其结构及建模过程如图 2. 58 所示。工程图如图 2.59 所示： 图图 2.582.58 弯针驱动凸轮的结构图弯针驱动凸轮的结构图 图图 2.592.59 弯针驱动凸轮工程图弯针驱动凸轮工程图 4.带轮轴的三维设计 其建模过程如图 2.60 和工程图 2.61 所示: 图图 2.602.60 带轮结构图带轮结构图 图图 2.612.61 带轮轴的三维设计带轮轴的三维设计 5.机针驱动凸轮 利用拉伸，剪切、完成三维设计，其结构图和工程图 2.62 如下： 图图 2.622.62 机针驱动凸轮机针驱动凸轮 6.弯针驱动球组件 其结构图 2.63 和工程图 2.64 如下: 图图 2.632.63 弯针驱动球组件结构弯针驱动球组件结构 图图 2.642.64 图弯针驱动球组件工程图图弯针驱动球组件工程图 7.弯针驱动球 其建模过程和工程图 2.65 如下:： 图图 2.652.65 弯针驱动球的结构弯针驱动球的结构 2 25 5 本章小结本章小结 本章是对 PRO/E 三维建模特征工具的综合运用。确定创建实体特征的方法是创 建实体特征的前提。设计人员通过对模型结构的分析，选择一种创建实体特征的方 法，然后再去考虑如何创建实体特征。选择的创建实体特征的方法的正确与否，直 接关系着模型设计的复杂程度、可修改型的好坏甚至设计的装配形状。 3 3 绣花机的总体装配绣花机的总体装配 3.13.1 装配装配概述概述 机构的装配过程主要分为两大类：以约束条件装配固定不动的原件和以连接条 件装配可移动的原件。 1、以约束条件装配固定不动的原件: 在装配机构的原件时，若欲装配的原件为固定不动的原件，则操作者直接在现 有的组件上及欲装配的原件上选取点、线、面等几何元素，Pro/E 系统即会自动给 定贴合、对齐、插入等约束条件，以将原件固定在现有的组件上，此外，操作者也 可自行指定元件固定住的约束条件。 约束条件的类型共有 11 种，在这些约束条件中，固定及缺省只需点选其命令图 标，即可完成元件的装配，坐标系仅需 1 个约束条件，即可元件的装配，其余的皆 需给定 2 个或 2 个以上的约束条件，方能完成元件的装配。其中还包括自动 、匹配 、对齐、插入、坐标系、相切 、线上点、曲面上的点、曲面上的边、固定、缺省等 约束条件。 2、以连接条件装配可移动的原件： 在装配元件的过程时，如此元件为机构中可移动的元件，则需设置适当的“连 接条件” ，使此元件与现有组建上的元件连接在一起。不同的连接条件提供不同的自 由度及不同的移动机能，以使元件在机构运作时有正确的运动方式。 在进行元件的装配时，按主窗口右侧增加元件至组件的图标，打开一个 零件或组件时，在仪表板的“连接条件”选项中，即可显示众多的连接条件，连接 条件共有 11 种。分述如下：刚性（rigid） 、销钉（pin） 、滑动杆（slide） 、圆柱 （cylinder） 、平面（planar） 、球（ball） 、焊接（weld） 、轴承（bearing） 、常规 （general） 、6DOF、槽（slot）等连接条件。这些命令如下表 3.1 所示： 表表 3.13.1 连接类型连接类型 自由度 连接的类型连接的符号 旋转平移 操作步骤运动方式 刚性 (rigid) 00 由组件及元件选 几何图元，直至 完全约束住 将连个零件黏合 在一起，形成一 个缸体，其作用 相当于使用约束 条件将元件固定 住 销钉 (pin) 10 选两个轴，再选 两个平面 元件绕着一个轴 旋转 滑动杆 (slider) 01 选两个边或轴， 再选两个平面 元件沿着一个边 （或轴）平移 圆柱 (cylinder) 11 选两个轴 元件沿着一个轴 平移，且绕着此 轴旋转 平面 (planar) 12 选两个平面 元件沿着平面移 动，且绕着平面 的垂直方向旋转 球 (ball) 30 选两个点 元绕着一个点任 意方向旋转 焊接 (weld) 00 选两个坐标系 将连个元件黏合 在一起 轴承 (bearing) 31 选一个点及一个 轴 元件绕着一个点 任意方向旋转， 且沿着一个轴平 移 常规 (general) 自由度和所选 的图元有关 选任意两个图元 元件的运动方式 与所选的图元有 关 6DOF33 选两个坐标系 元件可任意方向 平移和旋转 槽 (slot) 元件沿着线条 运动 选元件的点，再 选取组件的线条 元件沿着线条运 动 3.23.2 绣花机的装配过程绣花机的装配过程 零件进行装配前，确定装配路径是有一定规律可循的，也就是必须装配完一个 零部件后再根据已装配好的装配体和进一步需要装配的零件的特点确定其装配路径。 由此，我们对复杂装配体的装配形成了如下思路： 首先确定第一个进行装配的零件作为基准零件，它将作为后续要装配到其上的 零件的基准零件。在基准零件中做出将要装配到其上的零件 n(n1;其中 n 零件数) 的装配路径草绘。使该零件装配到构件上，并保证所要求的自由度。以此类推，直 至在所有的待装配零件正确的装配到构件上。 绣花机主要由机头组件，转向机构，弯针操作组件、机架、带轮轴、带轮、皮 带轮滑动轴轴套、上轴、弯针驱动凸轮、弯针操作连杆、线机旋转齿轮轴、和线机 旋转齿轮轴相装配的两对锥齿轮、机针驱动凸轮、机针驱动凸轮滚珠及滚珠销，弯 针驱动球及球组件、机头定位销、机头固定螺钉、压脚杆连接轴螺钉、针板、机头 轴套等部分组成。每一部份确定一个基准零件，其余各个零件通过由底向上的装配 路径依次装配到构架上。 3.2.13.2.1 机头组件装配机头组件装配 在装配机头组件的过程中，首先装配机头架，选择“用户自定义”装配，其他 的零件依下表编号顺序装配，约束类型如下表 3.2： 表表 3.23.2 机头组件装配机头组件装配 其中一对齿轮啮合实现运动的换向，针杆提升导架与针杆曲柄之间用凸轮连接 将摆动运动换向为竖直运动。下图为机头组件装配图 3.3 所示： 图图 3.3 机头组件装配图机头组件装配图 3.2.23.2.2 转向机构装配转向机构装配 先装线机旋转齿轮架固定件，再使用“销钉”命令装入线机旋转轴，使之能够 在齿轮架上转动，用同样的方法装入线机旋转齿轮架轴，而两个齿轮，线机旋转杆 和七个螺钉都使用“用户定义”和“插入”装配，最后手把使用“销钉”装配，其 装配如图 3.4 所示： 图图 3.4 转向机构装配图转向机构装配图 3.2.33.2.3 弯针操作组件装配弯针操作组件装配 在弯针操作组件装配过程中，同样需先固定弯针操作曲柄架，弯针操作曲柄采 用“销钉”以便能够摆动，下轴导套轴与弯针操作曲柄架之间也采用“销钉” ，而下 轴则采用“圆柱”以便能够带动弯针操作曲柄摆动，两个弯针操作曲柄滑块和弯针 操作斜齿轮簧都使用“销钉”约束，弯针架采用“圆柱”约束，其装配如图 3.5 所 示： 图图 3.5 转向机构装配转向机构装配 3.33.3 总装配总装配 装配中用到了前面介绍的大部分命令，先装配机架固定件,再装入机头组件，然 后固定转向机构组件和弯针操作曲柄架组件，带轮轴使用“销钉”与机架连接，再 将带轮与带轮轴固定，上轴同样要使用 “销钉”连接，将弯针驱动凸轮固定在上轴 上，再将连杆与弯针驱动凸轮使用”销钉“连接，线机旋转齿轮轴也是使用“销钉” 与机架连接，四个齿轮分别固定在两个轴的端头，插入机针驱动凸轮滚珠销，滚珠 则是销钉连接，弯针驱动球组件与弯针操作组件之间也用销钉连接，弯针驱动球与 之使用“球连接” ，机头定位销，机头固定螺钉，压脚杆连接轴螺钉和针板都是使用 “用户定义”来装配。虚拟转向轴使用销钉，布则采用平面连接，机头轴套采用 “用户定义”和“插入”命令装配。其总装图 3.6 如下： 图图 3.6 总装配图总装配图 3.43.4 本章小结本章小结 本章的主要内容就是零部件之间的装配。零件的装配式依靠所选择的面以及特 征来约束空间的。在开始装配之前，应该决定哪一个零件用来作为装配的基础零件。 该零件应该是不能从装配件中删除，绣花机的装配式将装配分成三个子装配，再将 三个子装配生成总装配。 如何正确的选取装配的基准零件及装配关系是装配过程的关键之所在，通过装 配能够及时发现设计问题，优化系统结构。 4 4 绣花机的运动仿真绣花机的运动仿真 4.14.1 运动仿真的概述运动仿真的概述 机构运动分析模块（mechanism）是 Pro/E 中的一个集成运动仿真和机构分析于 一身的、功能强大的模块。当各个零件通过装配模块组装成一个完整的机构以后， 就可以在 PRO/E 中直接启动机构运动分析模块，根据设计者的设计意图定义机构中 的连接，设置伺服电机，运行机构分析，观察机构的整体运动轨迹和个零件之间的 相对运动，检测机械干涉，还可以进行各种的测量，最后把分析的结果保存为影片 的形式。 在 PRO/E 中创建一个机械装置的机构运动仿真的一般步骤如下： 1、新建装配文件，选择“组件” ，输入文件名，点击“确定”按钮。 2、进入装配模块，建立一个装配模型文件。模型装配好以后，单击菜单栏中“应用” -“机构”,就可以进入机械运动仿真模块： (1)这时菜单栏中出现一个“机构”选项，右侧工具条也出现了新的工具图标。 机构运动仿真模块的大部分功能都由他们实现。 (2)对机构中的连接进行定义。 (3)在机构中添加伺服电机。 (4)建立机构分析，保存分析结果，制作动作仿真。 (5)观察机构中的轨迹曲线和运动包络。 (6)对运动中的关键物理量进行测量。 运动分析不考虑受力，它模拟除质量和力之外的运动的所有方面。运动分析忽 略模型中的所有动态图元，如弹簧、阻尼器、重力、力/力矩以及执行电动机等，所 有动态图元都不影响运动分析结果。使用运动分析可获得以下信息：几何图元和连 接的位置、速度以及加速度元件间的干涉机构运动的轨迹曲线 通过机构仿真,可以在进行整体设计和零件设计后,对各种零件进行装配后模拟机 构的运动,从而检查机构的运动是否达到设计的要求,可以检查机构运动中各种运动构 件之间是否发生干涉。 同时,可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间 的相互运动关系及关键部件的受力情况。从而可以将整机设计中可能存在的问题消 除在萌芽状态,减少试制样机的费用,并大大缩短机械产品的开发周期整个装配仿真操 作的大体流程如图 4.1 所示： 图图 4.1 仿真流程图仿真流程图 4.24.2 绣花机的运动仿真分析绣花机的运动仿真分析 当对机构的装配完成以后，就可以进入机构仿真模块，点选“机构” ，结果如图 4.2 所示。 图图 4.24.2 绣花机的运动仿真分析图绣花机的运动仿真分析图 该图所示出现了“销钉” 、 “圆柱”和“滑动杆”等连接符号及伺服电机符号， 这些构建之间的连接是可动的连接。 4.34.3 绣花机运动干涉检验绣花机运动干涉检验 干涉检验是进行机构运动仿真的最重要的检测环节，如果出现干涉的现象，从 而可以将整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状态,能够及时发现问题，减少试制 样机的费用,并大大缩短机械产品的开发周期。干涉检验图如图 4.4 所示： 图图 43 干涉检验图干涉检验图 通过选手动拖动按钮可以直观的显示出所设计的绣花机是否存在干涉现象。 4.44.4 伺服电机的设定伺服电机的设定 伺服电动机提供机构运动所需的动力源，我们可以直接将电动机设置在“销钉” 、 “滑动杆” 、 “圆柱” 、 “平面” 、 “轴承”等连接对的轴线上，提供元件平移或旋转所 需的动力；也可以指定驱动图元及参照图元，以设置元件之间的相对运动，来设定 电动机的传动轴。 按伺服电动机定义对话框的“轮廓”页签，即可描述伺服电动机的概况，包括 电动机的位置、速度、或加速度的规格及其方程式的图形。点选伺服电动机的图标 再分别点选两个零件的相匹配的运动轴即可设置电机。 本文设有四个电机，主轴上的主轴电机，转向机构上的换向电机，布料上控制 X,Y 方向上运动的 X 电机与 Y 电机。 （ServoMotor1-换向电机；ServoMotor2-主轴 电机；ServoMotor3-X 电机；ServoMotor4-Y 电机） 4.4.5 5 运动仿真动画的制作运动仿真动画的制作 1、仿真分析的定义 当定义好元件之间的连接条件，并设置好电动机后，即可按主窗口右侧的图标 ，进行机构分析，机构的分析可分为位置分析、运动分析、静态分析、动态分析 及力平衡分析。 进行位置分析的目的是要求得机构运动的各个元件的位置、元件之间的干涉状 况及元件之间的轨迹曲线。位置分析如图 4.4 所示： 图图 4.44.4 运动分析图运动分析图 点击“运行”就可以对机构进行位置分析。 2、仿真动画的制作 运动分析的结果通过 Pro/E 可以录制成动画。即点击“回放”选项中的“捕获” 按钮就可以将分析的结果录制成动画。如图 4.5 所示： 图图4.54.5 运动仿真制作运动仿真制作 4.64.6 仿真分析仿真分析 本部分主要对机针就行仿真分析。 针对于以上各零件，提取较重要部位（如针尖、压脚、针夹、弯针驱动斜齿轮 簧等）的进行分析。分析建立在没有换向的直线针迹的基础上，主轴转速 720deg/s，分析时间为 4.5 秒。 下面首先给出针尖和压脚曲线 4.6 图以及针夹的位置曲线 4.7 图： 图图 4.6 针尖，压脚的位置曲线针尖，压脚的位置曲线 图图 4.7 针夹的位置曲线针夹的位置曲线 由分析结果可以看出：当针处于较低位置（即针刺入缝料）时，压脚的位置应 较高（即抬起压脚） ，且在纸平面上有位移，以完成压脚的复位。当针处于较高位置 （即针离开缝料）时，压脚的位置应较低（即压下压脚） ，在纸平面上有位移，以完 成缝料的推进。针夹的位置曲线和压脚接近，只是提前一个时间段，保证针刺下时， 缝料处于静止状态。 下面是弯针驱动斜齿轮簧的位置曲线 4.8 图： 图图 4.8 弯针驱动斜齿轮簧的位置曲线弯针驱动斜齿轮簧的位置曲线 由图 4.8 可看出，弯针驱动斜齿轮簧作一定角度内的摆动，以形成线环，当针钩 起线环便完成一针的刺绣动作。 图图 4.9 针尖、压脚、针夹、弯针驱动斜齿轮簧轨迹曲线针尖、压脚、针夹、弯针驱动斜齿轮簧轨迹曲线 图 4.9 是针尖、压脚、针夹、弯针驱动斜齿轮簧相对于机架的轨迹曲线（倒置） ：由图 4.9 可看出压脚在压下后有一个比较大的推缝料的动作，针的轨迹就是上下 移动，弯针驱动斜齿轮簧的轨迹为一摆动曲线，由于视角关系，图中显示为一直 线。 4.74.7 针迹模拟针迹模拟 下面详细介绍两个特定针迹的运动模拟：矩形运动和圆运动。 4.7.14.7.1 矩形针迹仿真矩形针迹仿真 运动分析：给定运动周期为 20 秒。在整个运动过程中，换向机构的运动为前 5 秒保持 90不变，当到达第 5 秒时，换向机构运动 90，5 秒和 10 秒之间又保持 90不变。当到达第 10 秒时，换向机构再运动 90，10 秒和 15 秒之间又保持 180不变。当到达第 15 秒时，换向机构再运动 90，15 秒和 20 秒之间又保持 180不变。如此完成一个循环。下表 4.10 是电机的定义(位置)： 表表 4.10 换向电机的定义换向电机的定义 值表达式时间段 00=t=5 300*(t-5)5t=5.3 905.3t=10 90+300*(t-10)10t=10.3 18010.3t=15 180+300*(t-15)15t=15.3 27015.3t=20 由于压脚推缝料涉及到动力学分析，这里暂不加研究，缝料的平面运动用 X-Y 电机控制，因此两电机必须配合换向机构的角度改变（既压脚推向的改变） 。 整个运动过程中前 5 秒 X 电机匀速运动，5-10 秒间停止不动，10-15 秒间以于前 5 秒大小相同，方向相反的速度返回，15-20 间又停止不动。Y 电机与 X 电机运动形 式一样，只是运动时间滞后 5 秒，也就是 X 电机运动时 Y 电机静止，X 电机静止时 Y 电机运动。两电机的定义如下表 4.11： 表表 4.11 X-Y 电机的定义电机的定义(速度速度) X 电机定义Y 电机定义 值表达式时间段值表达式时间段 200=t=500=t=5 20-200*(t-5)5t=5.1200*(t-5)5t=5.1 05.1t=10205.1t=10 -200*(t-10)10t=10.120-200*(t-5)10t=10.1 -2010.1t=15010.1t=15 200*(t-15)-2015t=15.1-200*(t-5)15t=15.1 015.1t=20-2015.1t=20 主轴电机的转速为常数，Q=720deg/s. 缝料上模拟的针迹曲线如下： 图图 4.12 矩形针迹曲线矩形针迹曲线 4.7.24.7.2 圆形针迹仿真圆形针迹仿真 运动分析：给定运动周期为 10 秒。整个运动过程中换向机构连续匀角速度运行， 取 Q=36deg