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基于 inventor 葡萄酒 开瓶器 三维 建模 运动 仿真 设计 图纸

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基于Inventor葡萄酒开瓶器的三维建模与运动仿真设计【4张图纸】 任务书.doc 基于Inventor葡萄酒开瓶器的三维建模与运动仿真开题报告.doc 基于Inventor葡萄酒开瓶器的三维建模与运动仿真设计说明书.doc 外文翻译--五轴磨床加工工具运动链的设计和分析.doc 封面.doc 开瓶器中轴.dwg 开瓶器外壳.dwg 手柄.dwg 承诺书.doc 摘要目录.doc 文献综述.doc 装配图.dwg

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中国地质大学长城学院毕业设计（论文）任务书学生姓名王嘉显学号05208311班 级08机制3班指导教师杨淑华职称工程师单 位中国地质大学长城学院毕业设计（论文）题目基于Inventor葡萄酒开瓶器的三维建模与运动仿真毕业设计（论文）主要内容和要求：设计一个葡萄酒开瓶器。设计时应满足如下基本要求：1） 设计结构合理，简便可靠。2） 对葡萄酒开瓶器的零件用Inventor进行三维实体建模。3） 对零件进行虚拟装配。4） 对葡萄酒开瓶器进行运动仿真。毕业设计（论文）主要参考资料：Inventor实体设计教程Inventor运动仿真与分析机械设计机械原理毕业设计（论文）应完成的主要工作：1）对葡萄酒瓶结构进行调查分析，确定设计方案。2）对葡萄酒开瓶器的零件用Inventor进行三维实体建模。3）对零件进行虚拟装配。4）对葡萄酒开瓶器进行运动仿真。毕业设计（论文）进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注1查阅资料，完成开题报告2011.12.102011.12.202结合课题进行外文资料阅读，完成英文翻译 2011.12.212011.12.313学习相关的知识、熟悉有关的资料，完成文献综述2012.1.12012.1.204设计葡萄酒瓶起盖器方案2012.1.212012.2.15设计并绘制起盖器的结构总图2012.2.22012.3.206设计并绘制起盖器的图形2012.3.212012.4.207整理资料，编写设计说明书；准备答辩。2012.4.212012.5.5课题信息：课题性质： 设计 论文 课题来源： 教学 科研 生产 其它发出任务书日期： 指导教师签名： 年 月 日教研室意见：教研室主任签名：年 月 日 学生签名：中国地质大学长城学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名王嘉显学号05208311专业班级08机制三班指导教师杨淑华职称工程师单 位中国地质大学长城学院课题性质设计 论文课题来源科研 教学 生产 其它毕业设计（论文）题目基于Inventor葡萄酒开瓶器的三维建模与运动仿真一选题的目的与意义 本课题是基于Inventor葡萄酒开瓶器设计与运动仿真。众所周知饮用适量的葡萄酒对人身体有很大的帮助。（1） 增进食欲 葡萄酒鲜艳的颜色，清亮透明的体态，使人心旷神怡，果香酒香扑鼻；品尝时酒中单宁微带涩味，促进食欲。（2） 滋补作用 葡萄酒中含有糖、氨基酸、维生素、矿物质。这些都是人体必不可少的营养素。它可以不经过预先消化，直接被人体吸收。经常饮用适量的葡萄酒具有防衰老、延年益寿的效果。（3） 助消化作用 葡萄酒能刺激胃酸分泌胃液，每60-100克葡萄酒能使胃液分泌增加120毫升。葡萄酒中单宁物质，可增加肠道肌肉系统中平滑肌肉纤维的收缩，调整结肠的功能。葡萄酒虽好，但是由于葡萄酒瓶盖的原因给我们日常生活中饮用葡萄酒带来了极大的不便。在我们开启瓶盖的时候如果不一不小心的话有可能把木塞弄断，木塞掉进瓶里的话会极大影响葡萄酒的口味。本课题选题的目的和意义主要是设计出一款轻巧、简便、容易使用的葡萄酒开瓶器，使其更好地服务于我们的生活。二研究现状及发展方向 1、现在市场上已经有不少葡萄酒瓶起盖器，但是许多起盖器多少存在着一些不利因素。如：图1 第一代开瓶器这款起盖器底部有一锋利的金属尖而且没有任何的防护措施，在使用的时候不小心的话很容易伤到人。第二，它的顶部是塑料材料，在使用工程中如果用力不当有可能使塑料把弄断，而使金属部分留在瓶中造成不必要的麻烦，反而是得其所。图2 第一代开瓶器这款葡萄酒瓶起盖器大体为塑料制品，底部虽然有挡板，但为塑料制品，使用时用力不当的话也可能折断，里面的金属尖容易伤到人。指导教师意见：指导教师签名：年 月 日图3 第二代开瓶器此款葡萄酒瓶起盖器，底部有一皮带保护措施使用过程不会有任何危险性，而且把手较长，根据力矩的传动原理，在使用的时候比较省力。而且这款葡萄酒瓶起盖器外观美观，便于操作。在使用时，首先把底部的皮赛部分插到葡萄酒瓶的盖上，然后拧顶部的把手把皮赛内的金属顶尖插到木塞里面，最后，提起起盖器两侧的双臂即可轻松的把葡萄酒瓶的盖子弄出来，比较简单而且容易操作。本课题就是基于Inventor软件根据其结构、原理、特征设计出此款葡萄酒瓶起盖器的运动仿真过程。2、发展方向随着近代工业的产生和发展葡萄酒瓶起盖器从最原始的使用费劲、不美观、不适合孩子使用到现在的省时省力的开启，经历了从传统到现代的发展过程。三研究内容（1）在进行葡萄酒瓶起盖器设计时，首先考虑的就是安全问题，在使用过程中不能存在任何的安全隐患问题。再一个就是使用简便、容易操作。本课题是基于Inventor软件进行葡萄酒瓶起盖器的三维实体建模。（2）掌握葡萄酒瓶起盖器工作原理，结构、特征。要根据要求达到的目的进行分析，如各部分的尺寸、形状、运转情况等内容。结构为把手、长脚插起、短脚插起等组成。特征在于把手的上端设有把手孔，把手的下端头固接有长脚插起和短脚插起，长脚插起和短脚插起活动插入护套内。它结构简单，省材省料，成本低廉，经济实惠，使用方便，是一种开启快捷、携带安全方便的葡萄酒开瓶器。（3）运用Inventor软件设计出葡萄酒瓶起盖器的运动仿真图。四、进度安排序号毕业设计各阶段内容时间安排备注1查阅资料，完成开题报告；2011.12.102011.12.202结合课题进行外文资料阅读，完成英文翻译； 2011.12.212011.12.313学习相关的知识、熟悉有关的资料，完成文献综述；2012.1.12012.1.204设计葡萄酒瓶起盖器方案2012.1.212012.2.15设计并绘制起盖器的结构总图2012.2.22012.3.206设计并绘制起盖器的图形2012.3.212012.4.207整理资料，编写设计说明书；准备答辩。 2012.4.212012.5.5五、预期结果 通过对葡萄酒瓶起盖器的了解，对葡萄酒瓶起盖器在基于Inventor上完成设计，并且尽量优化结构设计，使其操作简单、安全。达到使其服务于生活的目的。六、参考文献(1)陈伯雄，Autodest Inventor Professional 2008机械设计实战教程 化学工业出版社，2008 (2)唐湘民，Autodest Inventor有限元分析和运动仿真 机械工业出版社，2009(3)纪名刚，机械设计 高等教育出版社，2011(4)孙桓，机械原理 高等教育出版社，2011 指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日教研室意见：审查结果： 同 意 不 同 意教研室主任签 年 月 日中国地质大学长城学院2012届毕业设计1前 言葡萄酒瓶起盖器已经经历了很长的发展史，从开始的笨拙不方便到现在的轻巧灵便，正一步步的走向完善。第一代：传统型开瓶器传统开瓶器主要以塑料手动开瓶器为代表。这种开瓶器缺点很明显：1、费劲；2、不适合女士和小孩使用；3、外官不美观。图1第一代开瓶器第二代：不锈钢开瓶器、蝴蝶开瓶器、海马开瓶器、金属开瓶器等；多功能开瓶器；气压开瓶器和电动开瓶器（雏形）。这一代开瓶器开始出现功能多样化，使用方便省力，比如不锈钢开瓶器中出现小刀，起到一个割破锡纸的作用；而金属开瓶器中开始利用杠杆原理，达到方便省力的效果；这一代的开瓶器的突破在于出现了第三代气压开瓶器和电动开瓶器雏形，为第三代气压和电动开瓶器奠定了基础。这一代开瓶器的缺点也很明显，首先没有摆脱费力的缺点，仍然不适合女士使用；金属的开瓶器开始利用一些物理原理，但是产品体积庞大，笨拙。气压和电动开瓶器在技术上还不成熟，外观上也不美观。图2第二代开瓶器第三代：气压开瓶器电动开瓶器。这一代开瓶器包括气压开瓶器，电动开瓶器（干电电动开瓶器和充电电动开瓶器）是在第二代的基础上发展起来，以气压和电动开瓶器为代表，摆脱了一二代红酒开瓶器费力、笨拙的缺点，技术上臻于成熟，外观上时尚美观。这一代红酒开瓶器的显著特点是自动化操作，将现代科技完美运用到红酒开瓶器中，省时、省力、方便快捷，更适合女士使用。一般来说，开瓶器经历了这三个阶段的发展。虽然说第三代已经相对成熟，但仍然存在一些缺陷，比如：价格贵，携带不方便，有时得借助一些外界条件来使用。现在市场上第二代仍是主流，而且第二代中也有一些比较完善的作品，使用比较方便。因此，此次设计为基于 Inventor 软件，完成开瓶器的三维建模及运动仿真，使人们更加了解开瓶器运动的过程，使其更好地服务于我们的生活。2 Inventor 软件介绍Inventor是美国AutoDesk公司推出的一款三维可视化实体模拟、三维设计软件。Autodesk Inventor 提供了一个无风险的二维到三维转换路径。Autodesk Inventor 软件是一套全面的设计工具，用于创建和验证完整的数字样机；帮助制造商减少物理样机投入，以更快的速度将更多的创新产品推向市场。Autodesk Inventor 产品系列正在改变传统的 CAD 工作流程,简化了复杂三维模型的创建，通过快速创建数字样机，并利用数字样机来验证设计的功能，并能够加速概念设计到产品制造的整个流程。Autodesk Inventor Professional 提供了一套全面、集成的设计工具，可用于创建完整的数字样机，以验证设计的外型、结构和功能。Inventor 创建的模型是一种精确的三维数字样机，支持用户在工作过程中验证设计和工程数据，尽量减少对于物理样机的依赖，这将减少进入制造环节后代价高昂的原型设计变更。2.1 零件设计 Inventor 可以帮助设计人员更为轻松地重复利用已有的设计数据，生动地表现设计意图。借助其中全面关联的模型，零件设计中的任何变化都可以反映到装配模型和工程图文件中。由此，设计人员的工作效率将得到显著提高。Inventor 可以使经常使用的自定义特征和零件的设计标准化和系列化，从而提高客户的生产效率。利用 Inventor 中的 iPart技术，设计公司可以轻松设置智能零件库，以确保始终以同种方式创建常用零件。 2.2草图绘制 在创建零件和装配模型之前对不同的结构方案进行评估。通过使用 Inventor 的草图环境，可以像使用二维布局一样快速表达设计构思。使用几何约束功能与草图修改工具，并结合颜色和线型的设置，更好地表达设计构思。2.3载荷定义可以添加不同的驱动载荷、扭矩以及基于时间的力函数。用于研究设计模型在不同载荷条件下的性能。2.4可视化全面体现设计模型的运行情况和性能。三维动画可以显示基于实体模型和施加载荷条件下的动态运动。2.5应力分析 Autodesk Inventor Professional的应力分析功能是分析零件的应力应变，以确保零件的强度和刚度。应力分析工具与运动仿真工具全面集成，可以直接利用从运动仿真中计算出的准确载荷条件，执行零件的应力分析。2.6易用性Autodesk Inventor Professional能够帮助用户充分利用原有的 AutoCAD 技能和 DWG 设计数据，从而体验数字样机带来的种种优势。Autodesk Inventor Professional集成了业界领先的二维和三维设计功能。无需使用数据转换器，利用 DWG TrueConvert 就能直接读写DWG文件，同时还能保持与三维模型的关联性。使AutoCAD用户快速熟练掌握三维设计工作流程 ，减少相关培训。利用带有可识别图标、AutoCAD兼容快捷键、光标提示以及撤销命令的熟悉设计环境，简化从AutoCAD软件向Inventor的过渡。此外，用户可以将配置导出为XML文件，然后将其配置传输到另一台电脑上。DWG保存可将三维设计的结果表达保存为 DWG 格式。2.7运动仿真Inventor软件能够实现物体的运动仿真，借助其运动仿真功能，用户能了解机器在真实条件下如何运转。通过仿真机械装置和电动部件的运转以来确保您的设计有效，同时减少制造物理样机的成本。可以计算设计模型在其整个运转周期内的动态运行条件，并精确调整电动机和传动器的尺寸，以便承受实际的运转载荷。可以分析机械装置中每个零部件的位置、速度、加速度以及承受的载荷。2.8装配设计Inventor将设计加速器与易于使用的装配工具相结合，使用户可以确保装配设计中每一个零部件的安装正确。精确地验证干涉情况和各种属性，以便一次性创建高质量的产品。Inventor提供的强大工具可有效控制和管理大型装配设计中创建的数据，因此用户只需专心工作在所关心的部分零部件上。快速装配独立的零件和子装配，以定义完整的产品结构并验证产品是否可以正确装配。在装配中插入和放置新部件，再使用约束定义固定部件和移动部件的位置关系。3模型的构建3.1木塞模型构建图3木塞实体模型现在市场上葡萄酒瓶木塞一般尺寸为，直径22.5mm高44mm。根据此尺寸在 Inventor软件中进行建模过程。打开Inventor 软件，点击新建，在草图模式下画出一直径为22.5mm的圆，然后单击“拉伸”按钮。将打开“拉伸”对话框，“选择”按钮已启用。图4拉伸指令选择图形窗口中的圆形，单击鼠标右键，然后从关联菜单中选择“继续”，这将松开“拉伸”对话框中得“选择”按钮而按下“基点”按钮。然后使用指针拉伸方式定义拉伸操作的基点和端点，在图形窗口中单击以设置拉伸操作的起始点。设置基点后，即开始动态预览，选定的圆形将连接到指针。在图形窗口中拖动指针，不用按住鼠标来拖动，状态栏将显示指针的绝对草图坐标。当移动指针时，图形窗口中的新位置和形状将不断更新。动态预览将以虚线显示原始位置和形状，以实线显示新图形的位置和形状。然后单击鼠标左键提交圆形的位置。如果有约束阻止拉伸操作，则可以点击按钮设置替代以放宽尺寸约束或断开几何约束，以达到拉伸的目的。3.2开瓶器把手的模块构建3.2.1 轮齿的建模在草图模式下建造图形如下图5轮廓图圆形直径为1.27cm，然后单击拉伸指令，对此圆形进行拉伸，拉伸0.254cm得到图形图6拉伸图形使用填充指令对以上图形进行填充，得到图形图7实体图根据测得的尺寸，在图7的基础上创建草图8，画出一个齿轮的轮廓线如下图所示 图8齿轮轮廓图 图9齿轮拉伸图然后使用拉伸指令对齿轮的轮廓线进行拉伸得到图9使用“环形阵列”指令图10环形阵列指令对图9进行设置。单击“草图”工具栏上的“环形阵列“工具。选中齿轮的轮廓线，单击“轴”按钮，然后选择顶点作为阵列轴，在“数量”框中指定阵列中元素的数量，在“角度”框中指定用于环形阵列的角度360度，单击“确定”创建阵列，如图11 图11齿轮阵列图 图12齿轮实体图对图11进行填充，得到图12。3.2.2手柄的建模在草图中画出手柄轮廓线图13手柄轮廓图在垂直于图13的底部建工作平面一，在此工作平面内，画出手柄底端的轮廓图。图14手柄底端轮廓图在齿轮中心部位建立一个平行于工作平面一的工作平面二，在工作平面二内画出手柄顶端的轮廓图。图15手柄顶端轮廓图创建手柄两弯折点的轮廓线 图16手柄上弯折点轮廓图 图17手柄下弯折点轮廓图对图14、图15、图16、图17放样。使用放样指令，单击“放样”工具，在“曲线”选项卡上选中图14、图15、图16、图17的轮廓线，在“截面”表头下单击，然后按照手柄的形状光滑过渡的顺序选择四个截面，在“输出”下选择“曲面”。单击“封闭回路”复选框以连接放样的起始和终止截面，单击“合并相切面”复选框以无缝合并放样面。在“操作方式”下单击“切削”。单击“确定”完成放样，结果如图图18手柄放样图去除齿轮底部的部分齿轮。根据测量实体得，齿轮底部99度没有齿轮，创建草图图19齿轮底部草图对图19进行拉伸得到开瓶器把手的实体模块。图20手柄实体图3.3 开瓶器转轴的模块构建3.3.1螺旋杆的建模根据测量实体得，螺旋杆高度为4cm，长度为10.75cm，宽度为0.63cm，在三维草图中画出轮廓线如图。图21螺旋杆草图螺旋杆上端直杆长度为0.76cm，在二维草图中画出轮廓线。图22螺旋杆顶部轮廓线创建螺旋杆顶部轮廓线，直径为0.127cm。图23螺旋杆底部轮廓线对图21、图22、图23进行扫掠。单击“扫掠”工具，单击“截面轮廓”然后选中图21中的轮廓线，单击“路径”选择路径草图，从“类型”列表中选择“路径和引导轨道”，在图形窗口中选中图22和图23作为引导曲线。单击图21的轮廓缩放选项，来指示如何缩放扫掠截面，和图21中的轮廓线“求交”，单击“确定”形成扫掠图。图24螺旋杆扫掠图3.3.2 螺旋杆顶部顶板建模根据测量实体知其直径为0.5cm，长度为6.98cm在草图中画出轮廓线如图。图25轮廓线对图25进行拉伸得到实体图形。图26螺旋杆顶部实体图3.3.3 螺旋杆把手建模根据测出的尺寸在草图中画出轮廓图。图27把手轮廓线对图27进行拉伸得到实体图形图28手柄实体图3.3.4螺旋杆底部针尖的建模根据尺寸在草图中画出轮廓线如图图29针尖轮廓线拉伸图29得到开瓶器转轴的实体模型图30转轴实体图3.4 开瓶器中心杆的模块构建3.4.1 中心轴建模根据测得的尺寸，中心杆长5.84cm，宽0.57cm。齿槽高0.076cm，长0.168cm。两端无齿槽部分长0.508cm，在草图中画出轮廓线，如图图31中心轴草图 对图31进行拉伸处理图32拉伸图在图32顶部拉伸曲面，在草图模式下，在垂直于中心轴的上方画出一直径为5.84cm的圆形。图33草图的构建对图33进行拉伸，在中心轴上方会得到一平面如图图34圆的拉伸图镜像图34，得到图35中心轴实体图3.4.2 中心轴孔建模草图模式下，在中心轴一端画出孔的轮廓线，大圆直径0.5cm，小圆直径0.29cm。 图36大孔轮廓线图 图37小孔轮廓线图对上图进行拉伸便得到开瓶器中心杆的实体模块 图38中心轴实体图3.5 开瓶器外壳的模块构建3.5.1 壳体建模在草图中画出壳体的轮廓线图39壳体轮廓线对图39进行拉伸，得到其实体模型图40壳体实体图在外壳中的手臂部位应该留有装手柄的空隙，而图39中由于是完全拉伸，所以中间是实体，于是应在其手臂原有部位创建于手柄尺寸一致的轮廓线，进行拉伸得到实体以后于图39求差便可得到装配手柄的空隙。然后使用镜像指令，做出外壳的另一半。如图图41壳体镜像图3.5.2 螺旋杆孔建模在图40中心轴底部画出直径0.858cm的圆，进行拉伸，然后于图40求交。再在同一部位画一直径为0.508cm的圆，进行拉伸，于图40求差，便可得到螺旋杆孔的实体模型。图42螺纹孔实体图3.5.3 底座模型构建在图42底部画出底座轮廓线 图43底座轮廓线对图43进行旋转，得到底座的实体模型。图44底座实体图 对外壳进行倒角得到外壳的实体模型。图45外壳实体图4 运动仿真 选择主菜单“应用程序”中的“运动仿真”命令，进入运动仿真环境。图46仿真面板 图47运动仿真环境在inventor 中打开例配文件,选中钻子并拖动它，可以旋转，也可以做上下运动。在部件环境下，可以用鼠标向下拖动并侧向拖动，手柄可以旋转自由，在装配部件环境下，可以用鼠标向下拖动并侧向拖动，是转动手把旋转并向下运动，也可以用鼠标拖动旋转两个手柄中的任何一个来驱动钻子作上下运动，前者模拟将钻子钻入瓶塞运动，后者模拟将钻子提上来把瓶塞打开的运动。在装配部件的构件“手柄”、“转动手把”和“钻子”只能分别作旋转运动，旋转运动和上下运动、旋转运动和上下运动。一个构件的运动能带动另一个或者多个构建运动。这是因为在部件环境中构件相互之间是被约束的，它们只能够以一定的方式运动。运动的方式取决于构件的自由度。图48运动仿真环境图49运动仿真环境在运动仿真环境中，运动仿真浏览器在其“固定”项下列出了所有的零部件如图49这意味着目前条件下没有任何一个零件可以在运动仿真环境中运动，即在默认情况下，所有零件有0个自由度。运动仿真使用户可以对装配部件构造一个运动机理，在部件环境中，与装配约束相关的自由度不会完全转换为运动仿真中的自由度。因为在运动仿真环境中，通过“连接”来定义零件的自由度。连接，或机械连接，是运动仿真环境中两个零部件的运动关系。它决定零部件如何相对运动或相互作用。我们知道，开瓶器的钻子应该允许上下运动。为此，在运动仿真环境中，应该产生一个连接来确立开瓶器主框架和齿条之间的运动关系。5 结论通过这次毕业设计让自己提高了动手实践能力，提高了自己分析问题、解决问题的能力，丰富了自己的知识储备；同时也让我认识到了自己的很多不足之处，使自己在以后的学习和研究更有针对性，为今后打下了良好的基础。本次设计应用三维建模软件 Inventor 对葡萄酒瓶起盖器进行建模和运动仿真，更加形象的理解了葡萄酒瓶开瓶器的工作原理，同时认识到 Inventor 软件在同系列软件中的一些优点和智能操作系统。参考文献(1)陈伯雄，Autodest Inventor Professional 2008机械设计实战教程 化学工业出版社，2008 (2)唐湘民，Autodest Inventor有限元分析和运动仿真 机械工业出版社，2009(3)纪名刚，机械设计 高等教育出版社，2011(4)孙桓，机械原理 高等教育出版社，2011(5)编辑委员会编， 现代机械传动手册 机械工业出版社，2002年3月(6)杨玉英,工程制图,纺织工业出版社,1997年(7)徐尊平 ，雷斌隆，陈 辉压力钢管弧坑缺陷有限元分析叨J电焊机，2005(8)王文斌,机械设计手册 (M)北京：机械工业 出版社，2004致 谢时光如流水，日月次穿梭，不知不觉中大学四年的时光马上就走到了终点，在这四年内我有太多的不舍和留恋，也有许多的感叹和遗憾，唯一让自己欣慰的是我并没有荒废这四年的时光，在老师和同学的帮助下，我学到了很多东西，丰富了自己的知识储备。在本次设计中，我特别感谢杨淑华老师。从课题的准备到设计的最终完成，杨老师都始终给予我细心地指导和不懈的支持。同时杨老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，深深地感染和激励着我。在此谨向杨老师致以诚挚的谢意。论文即将完成，我心情十分高兴。从论文的选题、资料的收集到论文的撰写编排整个过程中，得到了许多的热情帮助。通过这次毕业设计所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这四年来我遇到了这许多的恩师益友，无论在学习上、生活上还是在工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。在此我深深的感谢帮助过我的老师和朋友，谨以最朴实的话语致意最崇高的敬意，谢谢你们。24中国地质大学长城学院本科毕业设计外文资料翻译系 别： 工程技术系 专 业： 机械设计制造及其自动化姓 名： 学 号： 2011年 12 月 18 日外文资料翻译译文五轴磨床加工工具运动链的设计和分析E.L.J. Bohez，设计与制造工程部门，亚洲技术研究所摘 要五轴CNC加工中心现在应用得非常广泛。大多数机器的运动学原理都是以直角笛卡儿坐标系统为基础的。这篇文章对有可能的概念上的设计和基于理论上有可能的自由度的结合并且真实存在的器械进行了分类。本文还定义了一些有用的定量参数，例如：工作空间利用因素、机器加工工具的空间利用率、方位空间的指标和方位角。同时还分析了不同概念的优缺点，给出了选择的标准和机器结构的设计。最近在工业中提出的一些基于斯图尔特平台的概念也将在这篇文章中进行简要的论述。关键词：五轴；机器加工工具；运动链；工作空间；CNC；旋转轴1.介绍机器加工工具的主要设计规范应该满足以下法则：1） 运动件在工具和零件的定位和安置上应该 有足够的弹性。2） 以可能的最快的速度进行定位和安置。 3） 以可能的最高的精确度进行定位和安置。 4） 加工工具和工件的快速切换。5） 保护环境。6） 可能的高速材料移动率。 一台机器的加工工具的轴的个数通常是由机器自由度数或者是在机器滑动过程中独立可控的运动数来决定的。随着加工工具轴对应Z坐标轴的产生，ISO轴命名法推荐使用右手坐标法则。一个三轴磨床有三个方向的线性滑动：X、Y和Z，这使得机器能放置在相应轴向滑动范围内的任何一个位置。加工工具轴的方向在加工的时候保持不变。这就限制了与工件连接的加工工具的弹性，并最终导致很多不同的结构。为了增加在可能的加工工具、工件定位中的弹性而不用重新设计结构，我们将要在增加更多的机器的自由度。对于一个传统的三线性轴机器，能通过提供旋转滑动来实现。图1就展示了一个五轴磨床的例子。2.运动链接图制作一个机器的运动链接图对于分析机器是很有用的。从运动链接图中我们可以很快区别两组轴：图2展示了在图1中五轴磨床的运动链接图。从图中我们可以看到，工件由四根轴运载，而加工工具只由一根轴运载。 五轴机器就像两个相互协作的机器人，一个机器人运载工件，另一个机器人则运载加工工具。为了得到工件和工具定位上最大的弹性，机器至少需要5个自由度，这意味着工具和工件能在任何角度下连接起来。从一个刚性的物体运动连接点的观点来说，我们也可以理解对轴的个数的最低要求。为了定位两个在空间上相互连接的刚体，每个刚体（工具和工件）需要6个自由度或者12个自由度。然而，任何不改变两者之间定位的共同的平移和旋转的存在将会使自由度数目减少6个。两个刚体之间的距离是由工具的加工路径来决定的，这个距离也将会允许减少一个多余自由度，这样就使得最小的自由度数为5。3.五轴机器运动结构的分类按照机器的旋转和平移轴分类，我们可以把机器运动结构分为四大类：（1）三个平移轴和两个旋转轴；（2）两个平移轴和三个旋转轴；（3）一个平移轴和四个旋转轴；（4）五个旋转轴。近乎所有存在的五轴机器设备都属于（1）类。很多的定位焊接机器人、圈丝机器和激光加工中心也属于这一类。只有有限的一些用来加工轮船推进器的五轴机器属于（2）类。（3）和（4）类只有在设计需要增加更多自由度的机器人的时候才会用到。五根轴可以分布在工具和工件之间的结合处。第一种分类是根据运载轴的工具和工件的数量和在运动链中各个轴的次序来划分的。另一种分类是根据旋转轴放置的位置（是在工具那边还是在工件那边）来划分的。基于笛卡儿坐标的机器中的五个自由度是：三个平移运动X、Y、Z（一般表示为TTT）和两个旋转运动AB、AC、BC（一般表示为RR）。三个旋转轴（RRR）和两个直线运动轴（TT）的结合是很少见的。如果一根轴承载着工件，习惯上是用一个附加的标记来注释它。图1中的机器能以XYABZ。XYAB轴运载着工件，Z轴运载着工具。图3中展示的是XYZAB，三根直线运动轴运载工具,两根旋转轴运载着工件。3.1基于工件和工具运载轴次序的分类理论上，如果认为在工具和工件运载轴的两个运动链上的轴的次序有不同的结构，可能的结构的数目会非常大。同时只有两根直线运动轴和三根旋转轴结合也包括在内。在一个五轴机器中能以以下方式将一根工具运载轴和四根工件运载轴结合：对于X，Y，Z，A，B，C中任意一个可能作为工具运载的轴，其他工件运载轴可以在剩下的五根轴中选取。所以，对于任意可能的工具运载轴选择（六选一或者有六种可能），在剩下的五根轴中选取四根进行不同结构的排列个数为5*4！=120。所以，理论上只有一根工具运载轴的五轴机器就有6*120=720种可能。其他的结合方式也可以用这种方法分析。假设t代表工具运载轴的数目，w表示工件运载轴的数目（w+t=5），那么全部可能的结合数如下所示：这个方程式的值恒等于6！或者当w+t=5时这个值等于720。在这些720的结合中，有一些只包含两根直线运动轴。如果只考虑有三根直线运动轴的五轴机器，只有3*5！=360的结合也是仍是有可能的。这些结合的预设值Gt主要是由t的预设值决定的。这个预设值和由w的预设值所决定的Gw 的预设值是一致的，其中w=5-t。运用以上的定义，我们可以把五轴机器分为以下小群：（1）G0/G5组；（2）G1/G4组；（3）G2/G3组；（4）G3/G2组；（5）G4/G1组；（6）G5/G0组。3.2基于旋转轴的位置的分类我们能根据旋转轴装配的位置对机器进行分类。只有那些有两根旋转轴和三根线性轴的机器我们才会进一步考虑。可能的结构如下：（a）旋转轴装配在工具杆上；（b）旋转轴装配在机器平台；（c）两者的结合。如果机器的轴的R或者T的类型一样，那么在工具或者工件运载运动链中轴的次序就不重要了。一般来说，如果在工件运载运动链中有根平移轴和根旋转轴，在工具运动链中有根平移轴和根旋转轴，那么结合的个数为11：其中每一组的结合的个数在下面中将会一个个给出。所有组的结合总数为60。从设计的观点来说，这是我们所考虑的选择的数量中较为容易处理的一个。4.五轴机器的工作空间在定义五轴机器设备的工作空间之前，要适当的定义加工工具的工作空间和工件的工作空间。加工工具的工作空间就是通过沿着工具运载轴路线描绘出工具扫过参考点（例如工具尖端）而得到的。工件运载轴的工作空间也是用同样方法定义的（把机器平台的中心选择作为参考点）。这些工作空间能由计算扫过过的体积决定6。基于以上的定义，我们能定义一些对于不同类型机器比较、选择和设计有用的定量参数。4.1.工作空间利用因素 这个因素可以定义为，工件空间和工具空间的交集与工具空间和工件空间的并集的比。公式为4.2.可加工的体积大小一旦工件相对于工件参考点是固定的，并且一个特殊的工具相对于工具参考点也是固定的，那么我们就有可能确定可加工的体积的大小。可加工的体积就是能够在工件上切除的全部体积。机器工具空间和工件的交集给出了可以切除的材料的总量，或者说是可加工的体积（这是对于特殊的工件和工具机构来说的）。4.3.机器工具空间效率机器工具空间效率的定义为：机器工具空间（省略了一部分）和包含着机器的最小凸起体积。4.4.五轴机器的定位空间指数一个我们用来估计定位的最大范围的方法是为了决定能在机器上用两根旋转轴加工的球的最大部分。空间定位指数定义为能够由用所有旋转轴加工的机器来加工的最大的球顶体积除以机器工具空间。如果这个指数趋近于1，这就意味着所有的旋转轴能够在整个机器工具空间中运用。如果这个指数比1小，这就意味着大概百分之的工作空间能运用所有的旋转轴。以上的定义都是理论上的定义。实际上的定位空间指数会因为避免零件和机器、工具和工件之间的碰撞而进一步受到限制。能够加工的球顶变小就说明了这一点。5.五轴机器的选择标准我们的目的不是对五轴机器对于某一项特定的运用的选择或者设计进行一个彻底的研究。我们只是论述能用来判断五轴机器的选择的主要的标准。5.1.五轴机器设备的应用 应用能在布置和造型上进行区分。图12和图13说明了五轴的布置和五轴造型上的区别。5.1.1.五轴布置 如图12所示，一个在不同角度有着很多孔和平面板的零件，仅仅用一台三轴磨床来加工这个零件是不可能的。如果我们在用一台五轴机器，那么工具能在任何方向和工件定位连接起来。一旦达到了正确的位置，在大多数轴固定的情况下，我们就可以对孔和平面板进行加工了。平面板中能包括独立结构的2D平面。如果我们仅仅是要钻孔，那么理论上一轴CNC同步控制就足够了，而加工2D平面时两轴同步控制就够了。然而，三轴同步现在也很普遍了。当我们把工件和工具放置在连接在一起的时候，这就增加了在开始切削前的快进的速度。5.1.2.五轴造型 图13所示为一个五轴造型的例子，为了加工这个形状复杂的表面，我们需要在切削时控制好与零件接触的刀具的位置。刀具工件的位置在每一步工序中都会改变。CNC控制器需要在材料切除过程中同步控制五轴。更多关于造型的细节能在参考文献13中找到。五轴的机器有如下的应用：（1）生产刀刃，如： 压缩机和涡轮的浆；（2）燃料泵的注射器；（3）头饰的外形；（4）医学器官例如人造心脏阀；（5）复杂表面的铸型。5.2.轴结构的选择在设计和选择一个结构时，零件的尺寸和重量是首要的标准。重型工件要求工件运动链短。同时，水平加工平面又是较好的一种设计，这种设计会使定位和处理工件变得很便利。把一个重型工件放在一个单独旋转轴运动链上将会很大程度上增加定位的弹性。从图4中我们可以看出，用一个单独水平旋转轴来运载工件会使得机器更加具有弹性。在很多情况下，我们应该把工具运动链保持得尽量短，因为我们还必须运载工具轴驱动装置。6.结论理论上，五轴机器有很多构成方式。近乎所有经典的笛卡儿坐标五轴机器都属于由三根线性轴和两根旋转轴，或者三根旋转轴和两根线性轴组成的系列。这个系列又可以细分为有着720种情况的六组。就算只考虑三根线性轴的情况，在每个系列中仍然有360种组合。这些不同的组合是根据在工具和工件运载运动链中轴的次序来区分的。如果在对由三根线性轴和两根旋转轴组成的五轴机械进行分组时，只考虑在工具和工件运动链中旋转轴的位置，那么我们能五轴机器分为三组。在第一组中，两根旋转轴安置在工件运动链。在第二组中，两根旋转轴安置在工具运动链。在第三组中，每个运动链都安置一根旋转轴。每一组仍然有20种可能的情况。对于一个特定的应用领域，要从这些组合中选出一组最好的是一项很复杂的工作。为了使这项工作变得容易些，我们定义了一些用于比较的指数，例如：机器刀具空间、空间利用因素、定位空间指数、定位角度指数和机器刀具空间效率。列出了用来计算机器刀具空间和在机器上能加工的最大球顶的直径的算法。详细论述了两个运用这些指数的例子。第一个例子论述的是加工珠宝的五轴机器的设计。第二个例子则阐明了一台机器在线性轴中有着相同范围，在这种情况下，旋转轴选项的选择（略）。运用得最广泛的五轴机器的两根旋转轴安置在运动链末端处的工件一侧。这种结构给出了一种对于机器刀具结构的模块设计。然而，从应用的观点来说，这种模块设计并不总是最理想的。因为理论上存在很多可能的结构，很明显的是，对于一个特殊的工件装置需要一个合适的特定的五轴机器。模块设计应该以在所有的五轴结合中的模块性为基础。当前在设计中的模块性是以三线性轴机器为基础的。五轴磨床使得机器结构的数量变小。这对增加精确度和减小大部分尺寸是有帮助的。然而，它也有一些缺点：（1）五轴机器的高价；（2）增加的旋转轴的同时也增加了定位误差；（3）在同等的进给下，在机器轴上的切削速度更高。在购买五轴机器之前必须要对需要加工的产品的范围进行深入的研究。那些零件也应该分为五轴定位或者是五轴造型，或者两者都是。例如，有着旋转平台的机器对于生产诸如压缩机的旋转工件是很好的。一根旋转轴在刀具侧，一根旋转轴在工件侧，这样的布置将会提供更大的工作空间利用因素。最近所介绍的虚拟轴机器有着一个主要的优点：潜在的更高的动力响应和更高的硬度。然而，它的工作空间利用因素比经典的五轴机器要低。这些机器的更高强度使得他们非常适于高速磨所需要的高速杆19的设计。外文原文Five axis grinding machining tools sports chain design and analysisAbstract: five axis CNC processing center now very widely applied in most machine of the kinematic theory is right Angle Descartes coordinate system is the basis of this article to likely conceptual designs and based on the theory of the combination of may have freedom and real devices are classified this paper also define some useful quantitative parameters, such as: work space use machine tools factors space utilization orientation of the space index and azimuth and analyzes the advantages and disadvantages of different concepts are given, and the standard of the choice and machine structure design in industry recently proposed some based on the concept of Stewart platform will also in this article briefly discussed.Keywords: five axis; Machine tools; Sports chain; Working space; CNC; axis1. Introduction The main machine tool design code should meet the following rules: 1) moving parts in the tool and parts localization and placed it should be Have enough flexibility. 2) may be the fastest speed positioning and placement. 3) the accuracy of the highest possible location and placement. 4) processing tools and workpieces quickly switch. 5) to protect the environment. 6) possible high-speed materials mobile rate. A machine processing tools of the number of shaft is usually free degree or by machine is in the machine in the process of independent controllable sliding movement to the number of decision. Along with the machining tools shaft corresponding Z coordinate transformation of produce, ISO shaft nomenclature recommend using the right hand coordinate law. A three axis grinding machine has three of the direction of linear slide: X, Y and Z, which make the machine should be placed in the corresponding axial sliding range of any one place. The direction of the axis machining tools in processing remain unchanged. This limits the workpiece machining tools of connection with the flexibility, and eventually lead to a lot of different structure. In order to increase the processing tools in May, workpiece position of elastic and need not to design structure, we are going to add more machine of freedom. For a traditional three linear axis machine, can provide rotation to realize by sliding. Figure 1 shows a five axis grinding machine example. 2. Sports link figure Make a machine for the movement of the link chart analysis machine is very useful. Links from sports graph, we can quickly difference between two groups of shaft: figure 2 shows in figure 1 5 axis grinding machine movement link figure. We can see from the graph, the four shaft by carrier, and only by machining tools to carry a shaft.Five axis machine like two cooperation robot, a robot carrying workpiece, the other a robot is carrying machining tools. In order to get the workpiece and tools on the elasticity of the largest position, the machine will need at least five degrees of freedom, this means that the tool and workpiece can connect all the way down. From a rigid motion connection point point of view, we can also understand the number of shaft of the minimum requirements. In order to positioning two in space connected rigid body, each rigid body (tool and workpiece) need six degrees of freedom or 12 degrees of freedom. However, any not change the location of the common between translation and rotation of the existence of freedom will make cutting the number six. The distance between the two rigid bodies is the tools to the processing route, this distance will also allow reduce a redundant freedom, this make the smallest degree freedom for five.3、Five axis machine movement structure of the classification According to the rotation of the machine moving axis peace classification, we can get the machine movement structure are divided into four categories: (1) three translation axis and two axis; (2) two translation axis and three axis; (3) a translation axis and four axis; (4) five axis of revolution. Almost all existing five axis machine equipment belong to (1) type. A lot of positioning welding robot, silk machine and laser processing center also belong to this category. Only limited some used to ship propulsion five axis of processing machine belong to (2) class. (3) and (4) class only in design needs to increase more degrees of freedom when the robot will be used. Five shaft can be spread in the tool and workpiece department between. The first kind of classification is carrying the shaft according to the number of tool and workpiece and in sports in the order of the chain of each axis to differentiate. Another classification is placed on the axis of the position (is there or in the workpiece in tool there) to differentiate. Based on Descartes coordinates of machine five of the degree of freedom is: three translation movement X, Y, Z (usually expressed as TTT) and two rotation movement AB, AC, BC (usually expressed as RR). Three degrees of rotation (RRR) and two linear motion axes (TT) is a rare combination of. If a root bearing carrying workpiece, the custom is with an additional signs to note it. The machine in figure 1 to X Y A B Z. XYAB axis is carrying the Z axis is carrying tools. Figure 3 shows XYZA B, three straight line moving axis vehicles, carrying two of the axis of the workpiece. 3.1 the workpiece and tools based on the classification of the carrier shaft order In theory, if think tool and workpiece axis in carrying the two movement on the order of the chain of shaft have different structure, the number of possible structure will be very big. And only two straight line moving axis and three root the axis of the combination is also included. In A five axis machine in the following way can put A tool carrier axis and the four pillars carry axial workpiece with: for X, Y, Z, A, B, and C at any of the shaft may be as A tool to carry, other workpiece axis can carry in the remaining five selected from the shaft. So, for any possible tool carrier shaft choice (six choose a or are six may), in the rest of the five shaft from the four pillars of different structure arrangement for 5 * number 4! = 120. So, in theory only a piece of the five shaft carrying tool axis machine will have six * 120 = 720 possible. The combination of the other way also can use this method analysis. Assumption t represent tool carrier to the number of the shaft, w said the number of carrying the axis (w + t = 5), so all the possible combination number shown below: The value of this equation in identical 6! Or when w + t = 5 when the value is equal to 720. In the combination of these 720, some contain only two straight line moving axis. If only consider three straight line moving axis five axis machine, only 3 x 5! The combination of = 360 also is still possible. The combination of the default value Gt is mainly composed of t the default value of the decision. The default value and the default value by w determined G w the default value is consistent, including w = 5-t. Using the above definition, we can put the five axis machine divided into the following a small group of: (1) G0 / G 5 groups; (2) the G1 / G 4 groups; (3) the G2 / G 3 groups; (4) G3 / G 2 groups; (5) G4 / G 1 group; (6) G5 / G 0 group.3.2 Based on the classification of the axis of the position We can on the axis of the position of the assembly of the machine are classified. Only those who have the two root and the axis of the three pillars of the linear axis machine we will further consideration. The structure of the may be as follows: (a) the axis of the assembly in the tool pole; (b) the axis of the assembly in machine platform; (c) the combination of both. If the machine of shaft or the type of T R, so in the tool carrier movement or the axis of the order of the chain is not important. Generally speaking, if the carrier movement in the chain with roots translation axis and the axis of the root, the tools of kinematic chains root translation axis and the axis of the root, so the number of combination for 11 :Among them Each of the combination of the number below will give one. All set for the total number of combinations of the 60. From a design point of view, this is what we consider the number of choice in to deal with a relatively easy. 4. Five axis machine work space Five axis machine equipment in the definition of the work before space, to the proper definition machining tools work space and the work space. Machining tools work space is along the tool carrier axis line through paint tools swept reference points (such as tool tips) and get. The carrier of shaft space also is working with the same methods defined (the center of the machine platform choice as a reference point). These work space can have the volume by calculating and decision 6. Based on the above definition, we can define some for different types of machine more, selection and design of useful quantitative parameters. 4.1. Work space using factorThis factor can be defined as the work space and tools of the space with tools with space and the space and set than. Formula for 4.2. Can be processed to the volume of the size Once the relative to the workpiece reference point is fixed, and a special tool relative to tool reference point is fixed, so we probably can determine the size of the processing. But the volume of processing is to the all the volume resection. The machine tool and workpiece with space of given the amount of material can be removed, or is it can be processed to volume (this is the special workpiece and tools for institutions). 4.3. Machine tools space efficiency The machine tool is the definition of efficiency of space for: machine tools space (omitted part) and contains the minimum volume machine raised4.4. Five axis machine positioning space index A we used to estimate the positioning of the maximum range of method is to determine in the machine with two of the processing of the axis of the ball the most. Space positioning index is defined as can use all of the processing by axis machine to the biggest ball processing top volume divided by machine tools space. If the index is approaching to 1, this means that all the axis in the whole machine tool can be used in space. If the index greater than 1 small, that means about of working space can use all the axis of revolution. The above definition is theoretical definition. In fact the positioning of the space index will avoid components and machine, because the collision between tool and workpiece and further limited. Can the header smaller processing is showed this point.5. Five axis machine selection criteria Our purpose is not to the five axis machine to one a specific use of choice or design for a thorough research. We just discussed five axis machine can be used to judge the choice of the main criteria. 5.1. Five axis machine equipment used Application in decorate on modelling and can distinguish. Figure 12 and figure 13 shows the five axis decorate and five axis modelling difference. 5.1.1. Five axis layout As shown in figure 12 shows, a different Angle in a very porous peace panel parts, with only a three axis grinding machine to processing the parts is impossible. If we use a five axis machine, so tools can in any direction and workpiece positioning joined up. Once reached the correct position, In the most fixed a number line, we can carry on the processing of hole peace panel. Graphic board can include independence structure of 2 D plane. If we merely to drilling, so in theory a axis CNC synchronous control is enough, and processing 2 D plane two-axle synchronous control is enough. However, three axis synchronous now also very popular. When we put the workpiece and tools placed in together, this increases the start before cutting in the speed of fast forward.5.1.2. Five axis modelling Figure 13 shows is a 5 axis of modelling example, in order to processing the complex shape of the surface, we need to be in control when the cutting tool parts contact with good position. The position of the tool workpiece in every step process will change. CNC controller needs in the material removal process of synchronous control five axis. More about the details of the modelling in reference 13 find. Five axis machine has the following: (1) the application of blade production, such as: the compressor and turbine blades; (2) the fuel pump injector; (3) tire appearance; (4) medical organs such as artificial heart valve; (5) complex surface of the casting. 5.2. The choice of shaft structure In the design and choose a structure, part size and weight is the first standard. Heavy workpiece requirements workpiece sports chain short. At the same time, the plane is a good level processing a design, the design can make positioning and processing workpiece become very convenient. Put a heavy work in a single axis motion chain will greatly increase the elasticity of the positioning. In figure 4 we can see that, with a single level to carry workpiece axis will make the machine more flexible. In many cases, we should put the tool to keep sports chain short, because we must also the vehicle shaft drive device. 6. Conclusion In theory, the five axis machine has many structure mode. Almost all the classic Descartes coordinates five axis machines are belong to by three root linear axis and the axis of the two root, and two or three root the axis of the root of linear axis of the series. This series can be divided into 720 and has a sort of six group. Even if only consider three pillars of linear axis, and in every series 360 is still kind of combination. These different combinations is according to the tool and workpiece axis o