气动台钳的设计与仿真

湖北汽车工业学院毕业设计（论文） 毕业设计（论文）题 目 气动台钳的设计与仿真 学生姓名： 宋晓鹏 系 别： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 20090130541 班 级： T913-5 指导教师： 刘强 邓开榜 II湖北汽车工业学院毕业设计（论文）摘要本文对传统台钳进行升级改造，结合气动技术对原有传统台钳相关结构进行改进设计，并使用三维软件进行台钳三维建模、虚拟装配、机构仿真。使之在功能上满足实际生产的要求。降低操作工人的疲劳强度，提高人机功效。关键词：斜楔机构；自锁；虚拟装配；机构仿真；ABSTRACTIn this paper, the analysis of hydrocarbon solvent ultrasonic cleaning study identified through experiments selected hydrocarbon solvent detergent formulations, using orthogonal test method, ultrasonic cleaning range analysis to determine the optimum parameters are: Pressure sound pressure：2W/cm，Ultrasonic frequency：45KHz，Cleaning fluid: hydrocarbon solvent，Washing temperature: 45 . In cold forging parts cleaning in a good cleaning effect.Key words: clean technology; cold heading parts; hydro；Ultrasonic Cleaning目 录摘要IABSTRACTII第1章 概论11.1 课题背景11.2 国内外现状11.3 课题意义21.4 工作内容2第2章 气动台钳的设计32.1 台钳的介绍32.1.1 台钳的种类32.1.2 台钳的使用42.2 台钳设计方案确定42.2.1 方案1分析62.2.2 方案2分析72.2.3 方案对比及确定72.3 台钳参数的计算82.3.1 斜楔自锁计算82.3.2 夹紧力的计算 102.3.3 汽缸的选择10第3章气动台钳的仿真123.1 三维建模的意义123.1.1 台钳的三维建模123.2 虚拟装配的意义193.2.1 台钳的虚拟装配193.3 机构运动仿真的意义223.3.1台钳的机构运动仿真233.4 台钳仿真小结27第4章 结 论28第5章 致谢29第6章 参考文献30第1章 概论 气动技术，全称气压传动与控制技术，是生产过程自动化和机械化的最有效手段之一，具有高速高效、清洁安全、低成本、易维护等优点，被广泛应用于轻工机械领域中，在食品包装及生产过程中也正在发挥越来越重要的作用。 1.1 课题背景本课题来自郧西精诚汽配有限公司制造车间，该公司使用大量普通台钳。长期以来，根据车间操作工人反应，在长时间工作中，工人易产生疲劳，对产品的质量和工人的安全都带来不利影响。因此该公司决定对原有的传统台钳改为气动台钳，通过结构的设计以及机构运动仿真达到可以在现实中使用，这样也有利于公司实现自动化控制。1.2 国内外现状大约开始于1776年，Johnwilkimson发明能产生1个大气压左右压力的空气压缩机。1880年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地用到火车的制动上。20世纪30年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至50年代初，大多数气压元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。60年代，开始构成工业控制系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。在70年代，由于气动技术与电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。80年代进入气动集成化、微型化的时代。90年代至今，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，人们克服了阀的物理尺寸局限，真空技术日趋完美，高精度模块化气动机械手问世，智能气动这一概念产生，气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位，智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。该课题主要研究的是在以前的结构方案中利用气动技术进行改进，气动技术是一门应用很广泛的学科。在工业各个领域中都大量使用。在以后的发展中结合气动技术的产品以及装备其发展趋势主要有以下几个方面：体积更小，重量更轻，功耗更低。在电子元件、药品等制造行业中，由于被加工件体积很小，势必限制了气动元件的尺寸，小型化、轻型化是气动元件的第一个发展方向。 执行元件的定位精度提高，刚度增加，活塞杆不回转，使用更方便.为了提高气缸的定位精度，附带制动机构和伺服系统的气缸应用越来越普遍。多功能化，复合化，为了方便用户，适应市场的需要开发了各种由多只气动元件组合并配有控制装置的小型气动系统。与电子技术结合，大量使用传感器，气动元件智能化。带开关的气缸国内已普遍使用，开关体积将更小，性能更高，可嵌入气缸缸体;有些还带双色显示，可显示出位置误差，使系统更可靠。用传感器代替流量计、压力表、能自动控制压缩空气的流量、压力，可以节能并保证使用装置正常运行。高速、高频、高响应、高寿命方向发展。为了提高生产设备的生产效率，提高执行元件的工作速度势在必行。气动技术在国民经济中多数领域中的应用都得到了大幅提高。可以说，气动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标准之一。1.3课题意义气动技术，全称气压传动与控制技术，是生产过程自动化和机械化的最有效手段之一，具有高速高效、清洁安全、低成本、易维护等优点，被广泛应用于轻工机械领域中，在食品包装及生产过程中也正在发挥越来越重要的作用。 通过该公司长期的调查统计发现，普通台钳结构简单，机械效率高，但是操作消耗体力较大，工人在长期的工作中容易产生疲劳，影响生产效率以及有一定的危险性。改用气动结构，降低操作人员体力劳动强度，提升人机功效。综合运用机械设计基础，机械制造基础的知识和绘图技能，完成传动装置的绘制，分析与仿真，通过这一过程全面了解一个机械产品所涉及的结构、强度、制造、装配以及表达方面的知识，培养综合分析、实际解决问题的能力。1.4工作内容本文根据课题要求查阅了大量和台钳相关的资料，台钳在机械行业中的应用以及台钳未来的发展趋势，在这次毕业设计中主要做了如下工作：(1)查阅了台钳结构和相关参数的资料以及气动技术在夹具中的应用。(2)对斜楔的结构、相关参数做了详细的了解，比如自锁、增力等。(3)对气动技术的特点及应用、气路、气动原件等做了相关了解。(4)三维软件的应用，包括三维建模、虚拟装配、机构运动仿真。第2章 气动台钳的设计2.1 台钳的介绍台钳，又称虎钳，台虎钳。为钳工必备工具，也是钳工的名称来源原因，因为钳工的大部分工作都是在台钳上完成的，比如锯，锉，以及零件的装配和拆卸。安装在钳工台上，以钳口的宽度为标定规格。常见规格从75mm到300mm。2.1.1 台钳的种类根据台钳动力源的不同，台钳一般可以分为手动台钳，气动台钳和液动台钳，三种台钳各有优缺点，目前机械加工中应用最广的是手动台钳，气动和液动应用的比较少。但是随着技术的进步和工业自动化的要求，气动和液动作为动力源的台钳在加工制造中变得越来越重要。手动台钳的结构是由钳体、底座、导螺母、丝杠、钳口体等组成。活动钳身通过导轨与 固定钳身的导轨作滑动配合。丝杠装在活动钳身上，可以旋转，但不能轴向移动，并与安装在固定钳身内的丝杠螺母配合。当摇动手柄使丝杠旋转，就可以带动活动钳身相对于固定钳身作轴向移动，起夹紧或放松的作用。弹簧借助挡圈和开口销固定在丝杠上，其作用是当放松丝杠时，可使活动钳身及时地退出。在固定钳身和活动钳身上，各装有钢制钳口，并用螺钉固定。钳口的工作面上制有交叉的网纹，使工件夹紧后不易产生滑动。钳口经过热处理淬硬，具有较好的耐磨性。固定钳身装在转座上，并能绕转座轴心线转动，当转到要求的方向时，扳动夹紧手柄使夹紧螺钉旋紧，便可在夹紧盘的作用下把固定钳身固紧。转座上有三个螺栓孔，用以与钳台固定。 气动和液压台钳在结构上大致与手动台钳相同，只是动力源由液压缸或气压缸提供，通过局部的结构改变，加上一些自锁机构。采用气动控制的台钳有很多优点：操作方便，能大大地减轻劳动强度气动反应速度快，因而在生产过程中能缩短辅助时间，提高劳动生产效率气动夹具中的气动原件允许有少量泄漏，因而对气动原件的精度要求不高，易于制造采用气动夹具便于实现自动化控制。2.1.2 台钳的使用在台虎钳的使用过程中，应注意一下要求：固定钳身的钳口工作面应处于钳台边缘安装台虎钳时，必须使固定钳身的钳口工作面处于钳台边缘以外，以保证夹持长条形工件时，工件的下端不受钳台边缘的阻碍。 固定稳固必须把台虎钳牢固地固定在钳台上，工作时两个夹紧螺钉必须扳紧，保证钳身没有松动现象，以免损坏台钳和影响加工质量。 只允许用手扳紧手柄夹紧工件时，只允许用手的力量扳紧手柄，不能用手锤敲击手柄或套上长管子扳手柄，以免丝杠、螺母或钳身因受力过大而损坏。 施力应朝向固定钳身方向强力作业时，应尽量使力量朝向固定钳身，否则丝杠和螺母会因受到过大的力而损坏。 不允许在活动钳身的光滑面上作业不要在活动钳身的光滑平面上进行敲击作业，以免降低活动钳身与固定钳身的配合性能。 应保持清洁丝杠、螺母和其他活动表面应经常加润滑油和防锈，并注意保持清洁。 2.2 台钳设计方案确定 该课题提出了两种改进方案，都使用汽缸提供动力，但在结构上还是有很大的差别，两种方案各有优缺点，两种方案的设计机构大致如下图:图2.1 方案一图2.2 方案二 根据实际生产要求，台钳的夹紧与松开应实现快进与快退。由于产品的不同以及不同材料的零件，在加工过程中需要的夹紧力也不一样，根据要求，以上两种设计方案的气路图如下：图2.3 气路图在该气路图中使用了两个调速阀，一个控制快进速度，一个控制快退速度。一个两位五通电池阀，用于控制顶杆的伸出和收回。一个过滤减压器，用来调节输出气压的大小(根据不同的工件或者不同的加工方法)。其他部分装置为气路系统一些必要的装置。2.2.1 方案一分析 图2.4 方案一在该方案中，结构比较简单，汽缸和钳身组合在一起，占用面积小。该气动台钳的结构组成为：气动台钳(如图所示)是以高压气体为工作动力。气动机构由空压机、电磁换向阀、调速阀、双作用单活杆塞气缸(工作执行气缸)、各种管路与接头等组成。该气动台钳是依靠空压机向双作用单活塞杆气缸(工作执行气缸)输入高压气体，并通过电磁换向阀控制双作用单活塞杆气缸(工作执行气缸)活塞杆伸出与收回，以活塞杆伸出时所产生的顶力来实现对零件的夹紧。该气动台钳气动工作原理如下：气动台钳的启动工作原理，在使用气动台钳时，首先启动空压缩机使压力达到规定值，打开空压缩机的出气阀向气动台钳输入高压气体。高压气体经过电磁换向阀进入气缸的有杆腔，此时双作用单活塞杆气缸(工作执行气缸)的活塞杆处于收回状态，当接通电磁换向阀的电源时电磁换向阀换向，高压气体经过电磁换向阀进入气缸的无杆腔，活塞杆在高压气体的作用下伸出对零件实行夹紧，当断开电磁换向阀的电源时电磁换向阀换向，高压气体经过电磁换向阀进入气缸的有杆腔，活塞杆在高压气体的作用下收回松开被夹紧的零件，完成一次装夹工作。活塞杆伸出和收回的速度可以通过两个调速阀进行调节。2.2.2 方案二分析图2.5该方案中利用了一个气缸，一个滑块机构，再加上局部结构的改进完成了此次方案的改进。在该方案中利用一个滑块机构将气缸输出力方向改变，滑块机构也可以形成自锁，方案中的活动钳口和钳身利用导柱导套连接，使其可以在钳身上来回滑动。其气动方案和方案一相同。 该系统的运行过程如下，夹紧过程：打开气缸控制阀，气路启动，活塞推动，滑块移动，通过滑块机构，將气缸的动力实现转向，活动钳口移动，进行工件夹紧。夹紧之后，进行工件加工，为了防止气源不稳或者意外，滑块设有自锁机构已提高稳定性。加工完毕，打开气缸反向控制阀，气缸归位，钳口松开。2.2.3 方案的对比及确定 上述两种方案中，气路部分都相同，主要的差别就是在台钳的结构中。其中方案一：这种方案结构简单，体积小，占用面积小。缺点是：气缸和台钳组合于一体，在出现故障后，进行检测维修比较麻烦，而且在该装置中，没有自锁机构，给工作带来一定的危险性。方案二:该结构中，气缸和台钳分离开，利用一个滑块机构将力的方向改变，其中滑块可以起到自锁的作用，台钳结构相比方案一复杂一些，但是该方案的安全性高，这样的组合结构也便于维修。 经过上述分析，以及现场的实际要求，在实际工作中对安全性要求比较高，需要自锁的要求，因此选用方案二比较合适。2.3 台钳参数的计算2.3.1 斜楔自锁计算斜楔机构既可以设计为夹紧装置，也可以被设计成运动变换机构。当被设计为夹具时，希望它定位夹紧可靠，当被设计成运动变换机构时，希望它运动轻快。在选中的方案二中，利用了一个斜楔机构，并且该机构有自锁的要求。该机构的模型如下图： 图2.6 图一 图2.7 图二在图一中的斜楔机构中，123表示构件之间的摩擦角，为斜楔，L为顶杆2的支撑长度，b为顶杆2的悬臂长度，d为顶杆的宽度。设P为驱动力，Q为工作阻力，R21为顶杆2对斜楔1的总推力，R31为机架3对斜楔1的总支反力，则P、R21和R31所组成的力的三角形如图二所示。由此可得R21、R31分别为：R21=Pcos1/sin(+2+1) (1)R31=Pcos(+2)/sin(+2+1) (2) 设R3b、R3c为机架对顶杆的支反力，R12为斜楔对顶杆的总支反推力，则顶杆的力、力矩平衡方程分别为： R3b-R3ccos3-R12sin(+2)=0-(R3b+R3c)sin3-Q+R12cos(+2)=0R3b*L*cos3+R3b*dsin3+0.5d*Q-(b+L)R12sin(+2)-0.5d*R12cos(+2)=0化简后得Q、R3b和R3c分别为：Q=(Pcos1/sin(+1+2)cos(+2)-tan3*sin(+2)(1+2b/L-(d/L)tan3) (3) R3b=(1/(Lcos3+dsin3) R21(b+L)sin(+2)+0.5d*R21cos(+2)-0.5d*Q (4) R3c=R3b-R21sin(+2)/cos3 (5) 该种机构的增力比ip =Q/P为：ip =( cos1/sin(+1+2)cos(+2)-tan3*sin(+2)(1+2b/L-d/Ltan3) (6)在理想状态下，1=2=3=0，得在理想状态下的工作阻力Q0=P/tan。于是该机构的机械效率1=Q/Q0= （tan*cos1/sin(+1+2)）cos(+2)-tan3sin(+2)(1+2b/L-d/Ltan3) (7)若10，则驱动力p无法克服工作阻力Q而做功，于是得P为驱动力、自锁状态下的斜楔角c=tan-11/(1+2b/L-d/L)tan32)- 2 (8) 只要c，则P就不能使顶杆运动。由式（7）可知，随b的减小而增加，d的大小对的影响较小。当Q为斜楔机构的驱动力时，将式（3）中的1、2和3取负号得Q和P的关系式为： Q=(Pcos1/sin(-1-2)cos(-2)-tan3*sin(-2)(1+2b/L-(d/L)tan3) (9)此种状态下的机械效率2=Q0/Q= sin(-1-2)/( cos1 *tan)( cos(-2)+ tan3* sin(-2)( 1+2b/L+(d/L) tan3) (10)若20，可得该工作状态（夹紧状态）下的自锁条件为1+2。由以上计算可得，该机构的自锁条件为1+2。1为斜楔与台钳底座的摩擦角，2为两滑块之间的摩擦角，因为摩擦角的大小与摩擦因素有关，摩擦因素又与所接触面的材料有关，根据=arctanf求得，f为摩擦因素。根据情况，斜楔的材料选用钢，型号为Cr12MoV ，台钳底座采用铸铁HT200。查表得，钢与钢的摩擦因数为0.15，钢与铸铁的摩擦因数为0.17。得：1=arctan0.17, 2=arctan0.15,求得1=9.6，2=8.5。9.6+8.5=18.1。取15。2.3.2 夹紧力的计算 该台钳作为一个夹紧装置，夹紧力的大小应该根据实际的零件以及加工环境的不同而变化，根据输入不同的气压，台钳输出的夹紧力随之而变化。由前面的的气缸模型分析，得出气缸的输出力P与夹紧力Q的关系为：Q=(Pcos1/sin(+1+2)cos(+2)-tan3*sin(+2)(1+2b/L-(d/L)tan3)。 （1）代入台钳的实际数据求的：Q=1.63P。 （2）设供气系统输出的气压为pMPa。则气缸输出的推力P为：P=D2p /4， （3）代入P，得Q=1.63*（D2p /4）， （4）代入气缸直径，得出 Q=2*104pN。 （5）式（5）为最后输入气压与夹紧力的关系，表示为输入pMPa的气压，台钳的夹紧力为2*104pN。根据不同的加工环境，合理选择输入气压。气压的大小可以根据供气系统进行调节。2.3.3 气缸的选择该台钳采用的气缸提供动力，因此要选择合理的气缸以及气缸的结构，气缸是标准件，查相关标准合理选择就可以了。根据标准JB/T 73771994，实际工作环境，选择的气缸机构为MS2,即侧面脚架式，相关简图如下： 图2.7 气缸简图气缸各个安装尺寸如下表： 单位 mm气缸直径SBTSUSLHKKAMXSSS63129511938M16X1.5323576该气缸的伸出杆前端采用螺纹连接，气缸固定方式采用侧面脚架式。根据实际生产情况及工作环境，气缸的行程选用110mm。气缸在安装时应该注意如下事项：(1)气缸安装使用前，应先检查气缸在运输时是否损坏，连接部位有没有松动等。(2)安装时，气缸的活塞杆不得承受偏心负载或横向负载，应使负载方向和活塞杆轴线相一致。(3)管道接入气口前，要清除管道内的脏物，管道不能锈蚀，检查清理后方可安装。(4)速度调整：先将速度控制阀(单向节流阀)调整在中间位置后，逐渐调节减压阀输出压力，当气缸接近预定速度时可确定工作压力，然后用速度控制阀进行微调，最后用调节针调节气缸的缓冲速度。(5)气缸安装完后，在工作压力范围内，无负载情况下先运走2-3次，检查气缸工作是否正常。第3章 气动台钳的仿真目前，随着CAD/CAM/技术的发展，三维实体造型、虚拟技术、工况仿真模拟已成为CAD的重要发展方向，并在产品设计和制造方面引起了重大变革。对有复杂运动产品的机械产品，建立三维动态图形和三维虚拟虚拟环境模拟，可以很好的描述其数学模型的准确性、装配过程的合理性、作业过程动态性、运动轨迹的正确性。因此，了解和掌握三维建模方法和动态模拟技术十分重要。此外，在机械产品零部件的设计过程中，运动机构的的空间干涉问题历年来都是机械设计工程师深感到头疼的事。按传统设计模式，是、设计人员咋一些细节问题上耗费了很大精力，降低了设计效率。而有些错误又往往有很强的隐蔽性，给生产造成不应有的损失，因此，利用计算机三维设计工具合理地解决这些问题无疑具有一定的现实意义。目前，许多国内外的大型辅助设计软件都包含了机械装配和运动学仿真的功能模块，例如PTC的PRO/ME2 CHANICA，SDRC的I-DEAS，MATRA的EUCLID软件及DES的UG，达索公司的CATIA等。这给设计人员提供了更完善的机械设计途径。文章主要基于法国达索公司的CATIA软件，模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA无论从设计工作中的结构设计，以及装配图的成型方式，都有操作容易、使用方便、修改方便的特点，因此在机械三维实体造型设计中得到了广泛的使用。在台钳进行仿真之前，要进行台钳零部件的三维建模，之后将零部件进行装配，再对台钳进行运动仿真，进行数据分析，找出不合理的地方，对结构进行优化。3.1 三维建模的意义三维建模，就是根据图纸，把零件的实体构造出来，让人们对该零件有有更直观的了解。三维模型，更有利于人们对它进行分析，进行局部优化。如要进机构仿真，装配检验，就必须进行三维建模，因此三维建模有着很重要的作用。3.1.1 台钳的三维建模该台钳的三维建模，主要是将台钳的各个零部件建立出来，对其进行在装配，仿真，进行分析。该台钳主要由19个零部件组成。将这些零部件装配之后如下图：图3.1 台钳装配图底座的建模，台钳中最大的部件就是底座，它确定了台钳的外形尺寸，占地面积等。底座主要起支撑，固定作用，其结构比较简单，精度要求低，一般采用铸造成型，对局部进行加工，材料一般采用铸铁，底座的三维模型如下图：3.2 底座模型该底座的结构比较简单，主要由一个底板，两边两个立板，左端立板旁的凸台，右边立板的一对加强筋。底板两端的两个U型槽组成。其中在右边的立板上有一个燕尾槽，左边的立板上有四个螺纹孔，凸台上有8个螺纹孔。建模的过程如下：1）绘制底板和两个立板的截面，将截面进行拉伸生成实体 2）绘制凸台截面，截面拉伸生成实体，再切除多余部分。 3）绘制燕尾槽截面，进行拉伸切除。 4）打螺纹孔，建立加强筋，切U型槽，倒角等。垫块的建模，垫块主要起支撑作用，上面放的加工的零件，因此对垫块的硬度及平面度，粗糙度有一定的要求，材料选择钢。模型如下：图3.3 垫块模型该垫块结构简单，就是一个长方体块上有3个沉头螺纹孔，对该垫块的上表面质量要求较高，三个孔的位置度也有一定的要求，因为这三个孔需要和底座进行装配。建模过程如下：1）绘制长方体截面，拉伸成长方体实体。 2）建立第一个沉头螺纹孔，使用阵列完成后两个沉头螺纹孔。固定钳口垫块的建模，该垫块主要起夹紧作用，和零件直接接触，因此对垫块的硬度及平面度，粗糙度有一定的要求，材料选择钢。模型如下：图3.4 固定钳口垫块模型该垫块结构简单，就是一个长方体块上有4个螺纹孔，对该垫块的上表面质量要求较高，4个孔的位置度也有一定的要求，因为这4个孔需要和底座进行装配。建模过程如下：1）绘制长方体截面，拉伸成长方体实体。 2）建立第一个螺纹孔，使用阵列完成后三个螺纹孔。活动钳口垫块的建模，该垫块主要起夹紧作用，和零件直接接触，因此对垫块的硬度及平面度，粗糙度有一定的要求，材料选择钢。模型如下：图3.5 活动钳口垫块该垫块结构简单，就是一个长方体块上有4个沉头螺纹孔，对该垫块的上表面质量要求较高，4个孔的位置度也有一定的要求，因为这4个孔需要和其他部件进行装配。建模过程如下：1）绘制长方体截面，拉伸成长方体实体。 2）建立第一个沉头螺纹孔，使用阵列完成后三个沉头螺纹孔。活动钳口导向块的建模，该导向快主要起两个作用：一是起导向作用可以使整个活动钳口来回移动，二是起固定作用，通过螺纹孔固定活动钳口垫块和斜楔。该导向块的两个大平面表面加工有一定的要求，需要平面接触装配。材料选用铸铁，模型如下图：图3.6 活动钳口导向块该导向块结构比较简单，一个多方体块上有4个沉头螺纹孔，四个一般螺纹孔以及两个通孔，八个带有螺纹的孔用于连接其他部件，两个通孔用于导向使用。对该垫块的两个大表面质量要求较高，用于接触装配，6个孔的位置度也有一定的要求，因为这4个孔需要和其他部件进行连接装配。建模过程如下：1）绘制多方体截面，拉伸成多方体实体。 2）建立第一个沉头螺纹孔，使用阵列完成后三个沉头螺纹孔。 3）建立第一个一般螺纹孔，使用阵列完成后三个螺纹孔。 4）建立第一个通孔，使用镜像完成第二个。导向柱的建模，该导向柱主要起两个作用，一是导向作用，二是支撑作用，导向是给活动钳口提供导向方向，支撑是支撑整个活动钳口。因此导向柱要有一定的硬度和耐磨性，该导向柱的外圆柱面有一定的粗造度要求，材料使用钢。模型如下图：图3.7 导向柱模型该导向柱结构简单，左边一端有外螺纹，退刀槽，外圆面上有一对称平面，用于安装导向柱，右端有一个比较大的倒角，为了便于导向。建模过程如下：1）绘制圆柱截面，拉伸截面成实体。 2）绘制右端螺纹截面，拉伸截面成实体，建立外螺纹。 3）利用旋转切除，建立退刀槽，建立截面拉伸切除建立外圆平面。 倒右端圆角。斜楔镶块的建模，该镶块主要起一个作用，就是导向作用。对导向孔的内表面粗造度要求较高，因为需要进行装配。材料使用铸铁，模型如下图：图3.8 斜楔镶块模型该镶块结构简单，一个方体上有两个大通孔，两个小螺纹孔，大通孔用来导向，对内表面要求较高。小螺纹孔同来固定该镶块，通过两个螺纹孔进行装配，因此四个孔的位置度有一定的要求。对镶块的两个大表面平面度及粗造度有要求，装配的时候，两个大表面需要进行配合。建模过程如下：1）绘制长方体截面，拉伸截面成实体。 2）在长方体上直接建立通孔，利用镜像建立第二个。 3）在长方体上直接建立螺纹孔。轴套的建模，轴套主要起导向作用，轴套在装配过程中有两个配合，及内孔和轴配合，外圆和孔配合，因此对轴套的尺寸精度要求较高。因为采用轴套傻主要是为了耐磨和发热量小，因此材料选用黄铜，模型如下图：建模过程如下：1）绘制大圆截面，拉升成实体。 2）绘制小圆截面，拉伸切除。 图3.9 轴套大斜快的建模，斜楔的作用主要是改变运动的方向，通过两个斜块，可以使两个运动的方向垂直。斜快的一面为压力面，另一面用于装配和固定斜楔。因为斜楔在工作中受力较大，而且属于平面滑动接触，因此，斜快在要求上要有一定的硬度和耐磨性。斜楔的材料选为45钢，模型如下图：图3.10 大斜楔的模型该斜楔的结构比较复杂，主体由一个斜块构成，在上面进行局部结构修改，斜楔的装配面上有六个螺纹孔，两个通孔，一个大凹糟。六个螺纹孔主要用来连接其他零部件，两个大通孔用来装配导向柱，其他结构由于结构需要或者防止运动干涉修改而成。斜楔的装配面以及大凹槽的内面需要一定的粗造度，平面度等。建模过程如下：1）绘制斜楔截面，拉伸成实体。绘制大凹槽截面，拉伸切除。 2）在斜楔上打大螺纹孔，用阵列生成另外三个。 3）在斜楔上打小螺纹通孔，用镜像生成另外一个。 4）在斜楔上打通孔，用镜像生成另外一个 5）对其他局部进行切除。小斜快的建模，小斜快与大斜快配合使用，共同组成了滑块机构，将力传动的方向改变，这是滑块主要作用。小斜快的一端受力移动，通过斜面讲力传给大斜快。小斜块与大滑块靠面接触传递动力，因此小滑块要有一定的耐磨性及硬度，材料选用45钢，模型如右图： 图3.11 小斜快模型该小斜块结构简单，斜块大端面有一个螺纹孔和一个燕尾体，螺纹孔用于和气缸连接，燕尾体和底座的燕尾槽进行配合，用于导向。斜块的燕尾槽配合面要求有一定的平面度度及粗造度。压力面对平面度和粗造度也有一定的要求。建模过程如下：1）绘制斜块截面，拉伸成实体。 2）打端面螺纹孔。 3）在端面建立建立燕尾体截面，拉伸切除。连接杆的建模，连接杆的作用是将小滑块与气缸的活塞杆连接起来，两端都采用螺纹连接，材料选用铸铁即可。模型如下图：图3.12 连接杆该连接杆结构简单，一端有一个螺纹孔，一端有螺杆 ，螺杆处有一个退刀槽，外圆柱面上有一对称平面，用于安装该杆。左边的螺纹孔和右端的螺杆对同轴度有一定的要求。建模过程如下：1）绘制圆柱截面，拉伸成实体，打左端面螺纹孔。 2）在右端面绘制螺杆外圆，拉伸成实体，建立外螺纹。 3）绘制截面，截面对称，截面拉伸切除，建立外圆柱面槽。气缸的建模，气缸属于标准件，结构和尺寸都是有规定的，根据国家标准的相关尺寸，气缸的模型如下:图3.13 气缸模型气缸建模过程如下：1）建立缸体截面，拉伸生成实体。 2）缸体一端面绘制截面拉伸，生成实体。镜像另一端面。 3）左端面建立圆凸台，圆凸台上面打孔。 4）建立固定脚，画截面拉伸生成实体，在实体上面打孔。利用两次镜像，生成四个固定脚。 5）根据缸体内径，建立活塞杆，通过两次圆拉伸形成阶梯圆， 在小圆柱端面建立外螺纹，切螺纹槽。3.2虚拟装配的意义虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。3.2.1台钳虚拟装配 该台钳由十几个零部件组成，要想知道这些零件，在结构上是否有干涉，在尺寸上是否配合等等一些问题。在单个零件下是很难看出来的，装配在一起的时候，就能一目了然，结构上有问题很快就能发现。因此在实际装配前是很有必要进行虚拟装配的，这样可提高准确性。 在装配之前应该熟悉各个零件的结构，在装配时知道该零件的作用，装配的位置，采用什么约束进行等等，装配过程一般采用从整体到局部，结构复杂的装配，也可以分层划成多个子块，先对每个子块进行装配，再将每个子块进行装配。这样可以提高效率。 该台钳结构比较简单，零部件数量也不多，采用一般方法装配，每个零件逐一装配，从整体到局部，装配过程图如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12图3.14 装配过程图装配过程：在三维建模软件中，进入装配模式，建立新的装配文件名。1）调入底座三维模型。2）调入固定钳口垫块，适当调整位置。利用同轴约束，将固定钳口垫块上的螺纹孔轴线与底座的螺纹孔轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面相合约束，将固定钳口垫块的一面与底座的一面相合。3）调入垫块三维模型，利用同轴约束，将垫块上的沉头螺纹孔轴线与底座凸台上的螺纹孔轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面相合约束，将固垫块的一面与底座凸台的一面相合。利用镜像功能，生成另外一个点垫块。4）调入导向柱三维模型，利用同轴约束，将导向柱的轴线与底座凸台侧面的螺纹孔轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面的相合约束，讲导向柱的端面与底座凸台侧面相合。利用镜像功能，生成另外一个导向柱。5）调入弹簧三维模型，利用同轴约束，将弹簧轴线与长销轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面的相合约束，将弹簧的端面与底座凸台侧面相合。利用镜像功能，生成另外一个弹簧。6）调入活动钳口导向块三维模型，利用同轴约束，将活动钳口导向块大通孔轴线与长销轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面的相合约束，将活动钳口导向块的一面与底座凸台侧面相合。 7）调入活动钳口垫块三维模型，利用同轴约束，将活动钳口垫块沉头孔轴线与活动钳口导向块与之配合的螺纹孔轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面的相合约束，将活动钳口垫块的一面与底座活动钳口导向块的一面相合。8）调入大斜块三维模型，利用同轴约束，将大斜块大通孔轴线与导向柱轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面的相合约束，将大斜块的一面与底座活动钳口导向块的一面相合。9）调入斜楔镶块三维模型，利用同轴约束，将斜楔镶块大通孔轴线与导向柱轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面的相合约束，将斜楔镶块的一面与大斜块的一面相合。 10）调入轴套三维模型，利用同轴约束，将斜轴套轴线与导向柱轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面的相合约束，将轴套的一面与大斜块的一面相合，然后利用镜像功能生成另外一个。11）调入小斜块三维模型，利用两次面与面相合，首先将小斜块的燕尾体端面与底座的燕尾槽体面相合。然后将小斜块的压力面面与大斜块的压力面相合即可。12）调入连接杆三维模型，利用同轴约束，将入连接杆轴线与小斜块螺纹孔轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面的相合约束，将连接杆的一面与小斜块的一面相合。 13）调入气缸三维模型，活塞杆和气缸已装配好，利用同轴约束，将活塞杆的轴线与连接杆的轴线对齐，再进行轴线相合约束。然后利用面与面的相合约束，将活塞杆的一面与连接杆的一面相合。 经过上述步骤，整个台钳的装配就结束了，装配好后，整个台钳的布局就可以一目了然的看到，可以有更直观的了解。3.3 运动仿真的意义 三维机械仿真动画简称“机械仿真”，是指采用三维动画技术模拟机械的外形、材质、零部件和内部构造，把机械的设计原理、工作过程、性能特征、使用方式等一系列真实的事物以动态视频的形式演示出来。运动仿真是指通过构建运动机构模型，分析其运动规律，进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。其分析结果可以修改零件的结构设计或调整零件材料。DMU是CATIA中运动分析模块，他完全集成于CATIA中，可直接调用建模参数进行优化分析，可以进行较为简单的运动机构仿真分析。3.3.1 台钳的运动仿真 在进行机构运动仿真之前，要对机构的原理有一定的了解，该台钳的运动原理比较简单，就利用了一个斜楔机构，将传递力的方向改变，主要活动部件就是一个斜楔和气缸的活塞杆以及斜块上的一些组合配件。弄清楚运动运动原理及过程了，就可以进行运动仿真的设置了。 仿真设置过程如下：首先将装配好的三维模型进入DMU运动机构模块。 在左边的产品过程树中会增加一条，即Applications，点击展开下面有二级菜单，如机械装置的自由度，接合，命令，固定零件，法线和加速度。这些目录下面的信息显示了你的对该机构的一些约束，仿真输入塑数据等等。Applications目录如下图3.15： 图3.15其中机械装置，自由度这一栏，表示运动机构经过约束后的自由度，只有当自由度为1的时候机构才能进行机构仿真。结合这一栏下面显示的是各个零件的约束关系，命令这一栏下面显示的是你的整个机构的驱动源，比如电机的旋转，活塞的运动等等。发现和加速度是用来进行机构运动数据分析所要输入的原始数据。了解该目录后，我就可以进行机构部件的运动约束了，在该模块中共有16个结合约束，其中常用的结合约束有旋转接合，菱形接合，圆柱接合，平面结合，刚性接合，齿轮结合，在该台钳的约束中，主要用到了圆柱接合，平面结合和刚性接合。该台钳采用气缸作为动力源，因此气缸的活塞杆运动作为驱动命令，通过底座来固定整个台钳。结合约束的过程如下：首先确定固定件，选择底座为固定件。点击菜单（如图3.16）中的第四个图标，然后选择底座，将底座进行固定，固定之后左边的图形树的固定零件下就会出现如下（图3.17）所示： 图3.16 图3.17固定件选择好以后，可把其它在仿真过程不需要动的零部件全部和底座进行刚性连接。比如可以将固定钳口垫块，垫块，导向柱，弹簧，气缸和底座进行刚性连接。过程如下，点击菜单第三个下的第七个图标，出现如下（图3.18）对话框，依次点击两个需要连接的零件即可。这样可以将固定钳口垫块，垫块，导向柱，弹簧，气缸和底座进行刚性连接，让它们保持相对静止。 固定件约束完毕后，就可以进行活动件的约束了，活动件的运动只要在两个方向上，活塞杆运动的方向及钳口移动的方向，且两个方向互为垂直。活动部件分为两大部分，即两个斜块的运动部分。一个斜块依靠导柱导向运动，一个滑块依靠燕尾槽导向运动，这个滑块和气缸相连。 图3.18 约束过程如下： 点击菜单（图3.19）第三个图标下的第三个约束，圆柱结合约束，出现如下（图3.20）对话框，分别选择导向柱的轴线和轴套的轴线，即导向柱和轴套之间有了圆柱面结合约束。利用相同的方法將四个轴套和导向柱进行圆柱面约束。 图3.19 图3.2 将轴套约束好以后，再将沿导向柱运动的所有部件和轴套进行刚性连接，将活动钳口垫块，活动钳口导向块，大斜快，斜楔镶块以及固定镶快的螺杆与轴套进行刚性连接。这样所有和轴套进行刚性连接的零件就相当于一个整体。 沿着导向柱运动的零件约束完毕后，再对沿活塞杆运动的零件进行约束，即小滑块的约束，利用两个平面接合约束，将小滑块的一面和大滑块的一面进行平面接合约束，然后将小滑块的一面和底座的一面进行平面接合约束。约束过程如下： 点击菜单（图3.21）第三个图标下的第六个约束，平面结合约束，出现如下（图3.22）的对话框，选择大斜块的压力面和小斜块的压力面，创建两个斜块的平面结合，然后如上选择平面结合约束，选择底座燕尾槽的底面与小斜块燕尾体的外端面进行平面结合约束。这样两个斜块的运动约束就完成了。然后将和小滑块相连的零件进行刚性结合约束。分别将连接杆，活塞杆与小滑块进行刚性结合约束，这样他们三个部件记忆成为了一个整体。 图3.21 图3.22 最后进行气缸运动的约束，气缸作为动力源，因设为驱动装置。在气缸运动时缸体静止，活塞杆运动，因此因将缸体与底座进行刚性结合约束。气缸运动的约束过程如下：活塞杆与缸体应选择圆柱面结合约束，点击菜单（图3.23）第三个图标下的第三个约束，圆柱结合约束，出现如（图3.24）对话框，分别选择缸体的轴线和活塞杆的轴线，即缸体和活塞杆之间有了圆柱面结合约束。因为气缸作为驱动装置，所以勾选窗口中的驱动长度选项，在下方的结合限制中分别填上第一下限和第一上限的值，这个值可以根据气缸的行程来适当选择。 图3.23 图3.24 这样就完成了