基于变量化技术实现机床主轴箱变型设计.pdf

2008年9月第36卷第9期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSSep12008Vol136No19收稿日期:2007-12-07基金项目:广东省科技攻关项目(2003C101003)作者简介:鲍仲辅(1984),男,华南理工大学汽车工程学院硕士。主要研究机械现代设计方法。电话E-mail:bzfjixieyahoo1cn。基于变量化技术实现机床主轴箱变型设计鲍仲辅,杜群贵(华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640)摘要:在现代机械设计方法中,参数化设计已经被广泛应用。随着这种新的设计思想的发展,变量化技术也开始逐渐在现代设计中得到重视。变量化技术有着灵活机动等诸多优点。笔者利用变量化技术实现了机床主轴箱的变型设计,从而简化了主轴箱的后续分析工作。关键词:变量化；主轴箱；UG；变型设计中图分类号:TH13214文献标识码:A文章编号:1001-3881(2008)9-027-3VariantDesignofSpindleBoxofMachineBasedonQuantityTechnologyBAOZhongfu,DUQungui(CollegeofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,GuangzhouGuangdong510640,China)Abstract:Inthemodernmechanicaldesignmethods,paramerermethodhasbeenappliedwidely.Asdevelopmentofthenewconcepts,quantitytechnologyhasbeenacceptedincreasingly.Themethodhasmanyadvantagessuchasagility.Aspindleboxwasdesignedbythisnewmethodtosimplifythenextprocessofanalysis.Keywords:Quantitytechnology；Spindlebox；UGsoftware；Variantdesign0前言随着参数化技术在计算机辅助设计中的广泛应用,很多设计成型的零件就具有了很好的弹性,只要根据实际的工作情况就可以调整参数以适应要求。对于装配成型的机械设备就可以综合参数化技术和变量化技术来实现更高层次的变型设计。以机床主轴箱中的以下2个问题为例说明问题:(1)主轴箱提供的转速一般分为很多级,原来虚拟装配时只能以其中的一种配对方式安装,引入变量化技术之后就可以在一套模型实现所有可能的传动路线按用户要求自动切换；(2)根据研究问题角度的不同,让主轴箱模型可以实现空间装配布局到平面展开布局的自动转换。为了能够简单地说明问题,笔者以较为基础的滑移齿轮12级转速的卧式车床主轴箱为例来建立模型。1实现思路与方法的概述本质上参数化和变量化都是利用参数驱动模型的技术,两者的区别就在于参数化技术驱动零件的几何几寸和一些相关的几何特征,而变量化技术则可以改变影响零件装配布局和功能特性。从这个意义上讲,可以简单地认为变量化技术就是参数化技术的发展的高级结果,就是和变量约束技术综合应用的效果。111变量约束关系分析在高级的工程软件中都提供了虚拟装配的功能模块,在这个模块中将各个零件按照实际装配的约束关系装配在一起不是难事,但是关键就在于要插入可以随时改变约束的控制变量。图1机床主轴箱传动系统图机床的转速级数的切换就是依靠各级变离合器或改变各级滑移齿轮的位置实现的,如图1所示。在一般的虚拟装配中,对于滑移齿轮一般有3个约束关系:(1)滑移齿轮的内孔曲面与花键轴的外表面同心；(2)滑移齿轮的一个端面和与之啮合的齿轮端面对齐；(3)相互啮合的2个齿轮要保证轮齿相切。为了让模型实现自动变型,现在引入2个变量控制约束:(1)距离变量d,该变量控制滑移齿轮与轴颈端面的距离,以保证滑移齿轮在不同的位置能和其它各级齿轮配合上；(2)角度变量,该变量控制各对齿轮基准面之间的夹角,以保证各对齿轮都能正确地啮合。112程序流程的分析在各种高级的工程软件中都提供了与高级语言的接口,可以利用二次开发来实现这个功能。由于在UG的表达式中已经提供了很多可以用于逻辑判断和1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.运算的语句,因此笔者直接利用UG这一简洁的功能来实现。在UG的表达式语句中,其中就有一个条件判别的语句。格式如下:If(判别条件)(指令A)else(指令B)；当判别条件为真时执行指令A,当判别条件为假时执行指令B。由于转速总共有12级,就需要进行嵌套12次判别,具体判别流程如图2所示。首先定义一个用户可以自由赋值的整数变量,user_class。要求该变量取值只能在112之间,所赋的值就表示用户所制定的转速。要实现转速的切换就要能根据要求选择搭配滑移齿轮,其中三联滑移齿轮有左、中、右3个位置,双联滑移齿轮也有左、右2个位置。因此就需要定义尺寸约束变量,在12级的主轴箱中一共用到了3个滑移齿轮组,因此分别定义d1、d2、d3和图2第k步判别的程序流程图1、2、3来控制。其中前3个是控制齿轮端面与轴端的距离,以保证滑移齿轮在正确的位置上配合；后3个是控制3个滑移齿轮所在轴的转角,以保证其上齿轮的轮齿能正确地啮合。根据笔者实践所建立的模型,第一个三联滑移齿轮在距轴左端面10mm时,即该齿轮在左位,此时一轴齿数36的齿轮就和二轴齿数为36的齿轮联通起来。同理当该距离为55mm时,该滑移齿轮在中位,此时一轴齿数为24的齿轮就和二轴齿数为48齿的齿轮联通起来。当该距离为100mm时,一轴齿数为30的齿轮就和二轴齿数为42的齿轮联通起来。同理,可以得到另外2个滑移齿轮的定位情况,整理可以得到表1。该表数据将提供以后程序编写之用。由于取值的随机性很大且取值不唯一,此处就不给出了。表1各级滑移齿轮的定位约束等级d1/mm位置d2/mm位置d3/mm位置110左位280左位445左位2100右位280左位445左位355中位280左位445左位410左位335右位445左位5100右位335右位445左位655中位335右位445左位710左位280左位515右位8100右位280左位515右位955中位280左位515右位1010左位335右位515右位11100右位335右位515右位1255中位335右位515右位113代码的编写和执行结果在给出程序之前先有一点说明,表达式语句不能输入希腊字母,因此记为alf。另外限于篇幅,也仅给出主要的语句,至于模型数据的赋值方法不再赘述,请参考文献3。程序代码如下:user_class=k(1=k=12)d1=if(user_class=1)(10)elseif(user_class=2)(100)elseif(user_class=3)(55)elseif(user_class=4)(10)elseif(user_class=5)(100)elseif(user_class=6)(55)elseif(user_class=7)(10)elseif(user_class=8)(100)elseif(user_class=9)(55)elseif(user_class=10)(10)elseif(user_class=11)(100)else(55)其它变量取值类似d1,因此不再赘述。现在只要更改user_class就可以实现变型。例如当给其分别赋值1、6、8、12,就会分别得到这几级的传动路线,如图3所示。图3主轴箱装配形式的变型示意根据图3,可以得到机床以上四级的传动路线。当user_class=1时,如图3(a)所示,传动路线为:36/3642/4260/30当user_class=6时,如图3(b)所示,传动路线为:24/4822/6260/30当user_class=8时,如图3(c)所示,传动路线为:30/4242/4218/7282机床与液压第36卷1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.当user_class=12时,如图3(d)所示,传动路线为:24/4822/6218/72通过以上的验证,结合转速图4,结果完全正确。这样就实现了主轴箱可以自由变速的变型设计。图4主轴箱转速图2变量化技术在主轴箱设计中的另一个应用前文介绍了在一个装配模型中让齿轮的配对方式能够符合用户的要求并且可以任意更改,这样就极大地提高了模型的适应性。其实,变量化技术可以应用在很多方面,下面应用这种技术来实现另一种装配变型。在主轴箱的分析研究中,一般针对两种主要的模型。一种是空间装配模型,是为了反映力的空间传递,各个零件的空间布局,应力分布以及振动规律。另一种是展开模型,是为了反映传动路线以及传动比的分配等信息。但是建立2套独立模型显然工作量相当大,在此只要应用变量化的技术就可以很快实现一套能够按照要求自动地改变两种装配方式。通过以上的步骤,建立起各轴之间的夹角变量,只要改变这几个变量就可以在空间中任意布置各轴的位置。当各角度取值为0时,即得到平面展开图,如图5所示,图5(a)是展开图,图5(b)是装配图。图5主轴箱装配形式的变型示意3结束语笔者所提出的这种方法本质是一种简单高效的设计思路。就是变化的思想,让变量代替常量实现可变约束代替固定约束,以实现设计结果的多样化和弹性化。这种方法的适用性十分广泛,尤其在集成设计这一块有着很突出的作用,能极大地提高效率。本文所实现的方法是在高端的3D工程设计软件的基础上实现的,在一些较为简单的变型设计中这是可以满足的。对于复杂的机械系统设计就需要借助于高级编程语言的帮助。很多的工程软件不仅提供了和通用编程语言的接口还提供了可供二次开发的语言。例如UG平台上即可以通过C+语言也可以用自带的UG/OPENGRIP和UG/OPENAPI来实现更加复杂的变形设计。由此可以看出这种技术实现的条件还是充足的,这样就更反映了变量化设计技术广阔的应用前景。参考文献【1】王学军,李玉龙.CAD/CAM应用软件UG训练教程M.北京:高等教育出版社,2003.【2】鲍仲辅,李玉龙,张国富.基于UG实现齿轮泵轴端变型设计的研究J.机械工程师,2007(1).【3】鲍仲辅,李玉龙,张厚芳.UG下标准件实体变型的参数化研究J.机械工程师,2006(11).【4】齿轮手册编委会.齿轮手册:上册M.北京:机械工业出版社,1992.【5】李洪.实用机床设计手册M.沈阳:辽宁科技出版社,1999.【6】戴曙.金属切屑机床M.北京:机械工业出版社,2000.(上接第16页)3结论(1)建立机床导轨的热阻虚拟样机,其温度变化周期和变化趋势与实际检测到的温度变化相符,并且经过拟实化,虚拟样机的特性接近实物样机；(2)提出机床导轨热态控制中的广义热阻概念,使机床导轨热控制效果的表达式变得明了、简单,而广义热阻的概念,尤其是零广义热阻的控制思想,与当前微处理器和功率器件快速散热的关键技术相吻合。参考文献【1】李永祥,焦万堂,武文斌.机床导轨误差对零件加工精度的影响J.制造技术与机床,2006(8):82-85.【2】顾崇衔.机械制造工艺学J.西安:陕西科学技术出版社,1981.【3】许霜玉,胡旭晓,张淑亭.基于受热变形体温度场建模的仿真与研究J.组合机床与自动化加工技术,2006(12):1-4.【4】V.Szekely,A1Nagy,S1Torok1,G1Hajas.RealizationofanelectronicallycontrolledthermalresistanceJ.Mi2croelectronicsJournal,2000,31:811-814