基于ProE的数控铣床的运动仿真 毕业论文(设计).doc

编 号 毕 业 设 计 技 术 报 告 课题名称：基于 pro/e 的数控铣床的运动 仿真 2011 年 5 月 目录 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题的技术背景与来源 1 1.2 传统模式下的产品开发过程 3 1.3 基于虚拟样机技术的产品开发过程 3 1.4 数控铣床设计开发中引入虚拟样机技术的必要性 4 2 1.5 课题的主要内容与研究方法 5 第 2 章 数控铣床的三维建模及装配 .6 2.1 数控铣床的组成及特点 .6 2.2 cad 造型软件的比较与选择 .7 2.3 pro/e 软件的介绍 .7 2.4 数控铣床的三维建模 9 2.4.1 虚拟建模技术基本理论 9 2.4.2 数控铣床主要零件的三维建模 .11 2.5 数控铣床的虚拟装配 16 2.5.1 虚拟装配技术基本理论 16 第 3 章 数控铣床的运动仿真 .21 3.1 机床爬行原因分析 .21 3.2 零件之间的位置连接设置 .23 3.3 机构连接检测 .25 3.4 数控铣床的机构分析 .26 3.5 拖动和快照确定运动初始位置 .26 3.6 定义伺服电动机 .27 3.7 定义并运行参数 .28 3.8 机构分析概述 30 3.9 测量和回放 32 3.10 测量 32 3.11 回放 32 结束语 .34 参考文献 .35 致谢 .36 ii 基于 pro/e 的数控铣床的运动学分析 摘要：传统的产品设计开发流程一般为方案设计、图纸设计、制造实物样机和实物样 机试验直至产品投产上市，该过程周期过长，成本费用过高，不能满足企业对质量、 效率以及成本的总管和要求。而虚拟样机作为产品设计开发的一项全新工程师在建立 产品的虚拟数字模型之后可以对它进行各种计算机仿真分析， 数控机床是改造传统产业并构造数字企业的重要基础装配。作为一种结构复杂且 高度自动化的机电产品，它的设计对于运动性能、动力学性能、机械结构性能以及加 工性能等方面都有着严格要求。为了保证数控机床的设计质量，缩短设计周期并有效 降低设计成本，要将虚拟样机技术应用到该产品的整个设计流程中。本文以立式数控 铣床为研究对象，建立了三维虚拟数字模型，并在该模型的基础上建立它的运动仿真 模型，并在完成仿真分析之后全面评估了数控铣床的运动及动力性能、结构性能以及 加工性能，为设计提供了质量保证，也为铣床的改进提供给了可靠的依据。同时在数 控铣床虚拟样机的建立及仿真过程中，充分考虑了制造生产因素和客户需求因素，确 保铣床的可制造行和人性化。 关键词: 虚拟样机；数控铣床；三维虚拟数字模型；仿真 ii kinematics analysis of nc milling machine abstract: traditional products design and development procedure generally contains sketch design, drawing design, physical prototype manufacture and prototype experiment. this procedure makes long period and costs highly, but virtual prototype technology is a kind of completely new one, whose products design. by applying this technology, engineer can make various simulation and analysis on the built virtual digital model of the product, which could help them to find cut the potential problems and mistakes of the product in the design period, and then they can amend the mistakes and improve the design sketch quickly. nc machine tool is important and infrastructural equipment for reconstructing traditional industry and building digital enterprise. as a mechanical and electrical product with complicated structure and high automation, dynamic capability, mechanical capability and machining capability. to assure the design quality of nc machine tool, cut the design period and reduce the design cost effectively, virtual prototype technology should be introduced into the whole design procedure of this product. this paper studied the vertical nc milling machine, built its 3d virtual digital model. on the basis of this model and machining simulation model, which could be use to evaluate kinematic dynamic capability, structure capability and machining capability roundly after completing the simulation analysis. it also provided the design with quality assurance and the milling machine improvement with reliable warrant. simultaneously, in the process of building the nc machine tool virtual prototype and simulation, this paper fully considered the manufacture factors and customers different needs, which could make sure that the milling machine could be manufactured and with more humanity. key words: virtual prototype；nc milling machine；3d virtual digital model ；simulation 1 第 1 章 绪论 1.1 课题的技术背景与来源 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要 基础装备，它的发展一直备受人们的关注。数控机床以其卓越的柔性自动化性能、优 异稳定的精度表现以及敏捷而多样化的功能引以世人瞩目，它开创了机械产品向机电 液一体化发展的先河。因为数控机床已经成为先进制造技术中的一项核心组成。而另 一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升和完善。 进入 21 世纪，我国机床的制造业既面临着提升机械制造业总体水平的需要而引 发的制造装备发展良机，也遭遇到了加入 wto 后激烈的市场竞争压力。从技术层面上 讲，加速推进数控机床研发技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。2001 年， 我国机床工业总产值已经进入世界前 5 名，机床消费额在世界排名上升到了第 3 位， 达到了 47.39 亿美元，消费额比上年增长约 25.近年来我国企业的数控机床占有率逐 年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。 是、但由于国产数控机床不能满足市场的需求，致使我国机床进口额逐年上升态势， 2001 年进口数控机床跃升至世界第 2 位，达 24.06 亿美元，比上年增长 27.3.2003 年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国， 2005 年我国机床的数控化率约为 9.5至 10.36，据专家预测分析，到 2010 年将到 达 16.5至 19.27. 由于中国数控机床市场的巨大潜力，众多国外注明机床制造企业纷纷来华投资， 甚至有些内地民营企业也看好了这这一市场并斥资跟进。 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响 到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工 业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 2 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。 特别是在通用微机数控领域，以 pc 平台为基础的国产数控技术，已经走在了世界前列。 但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、 商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些 问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使 我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重 要任务。 4 月 19 日从第七届中国国际机床展获悉，随着科学技术不断发展，数控机床的发 展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向 发展。 高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远 距离遥控。高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性 要好。高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将 向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块 化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商 又有利于客户。 我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要 表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩小与世界先 进水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下 6 个方面着力研究： 1加大力度实施质量工程，提高数控机床的无故障率。 2跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发展。 3加大成套设计开发能力上求突破。 4发挥服务优势，扩大市场占有率。 5多品种制造，满足不同层次的用户。 6模块化设计，缩短开发周期，快速响应市场。数控机床使用范围越来越大，国 内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我们只有紧跟先进技术进步的大方向， 并不断创新，才能赶超世界先进水平。 尽管中国数控机床市场具有广阔的前景。但随着进入该行业的企业增多（特别是 一些国外技术含量较高的企业），对中国数控机床制造企业的竞争日趋激烈。因此所 3 有的中国数控机床企业都面临着这样一个问题和挑战：如何以最短的时间、最好的质 量、最低的成本设计生产出数控产品，并以最好的服务来满足不同顾客的要求，只有 达到上述要求的企业才能占领市场并取得良好的经济效益。由于现在的数控机床逐渐 向功能强、速度高、精度高、刚度高、的方向发展，而且其结构日趋复杂，对它工作 性能的要求也越来越高。可见数控铣床的设计开发是个技术难度比较大的任务，因此 数控机床企业需要引进一些先进的设计制造技术解决这个难题。 1.2 传统模式下的产品开发过程 早期传统的设计制造过程中，其流程一般为方案设计、图纸设计、制造物理样机、 物理样机试验、根据试验得出数据改进设计、重新制造物理样机或部件、再对物理样 机试验，直至测试数据达到设计要求，最后进入实际生产阶段。图 1.1 为传统模式下 的产品开发过程。 概念设计 详细设计 经验设计 物理样机（模型） 样机测试 标准化 结果分析 产品制造 图 1.1 传统的产品开发过程 在上述过程中，为了验证设计质量，制造物理样机并进行试验来试验设计是个必不 可少的环节。这种试验往往具有破坏性和反复性直至产品达到性能要求为止。传统的 机床设计开发一般采用上述过程，这一过程往往很漫长，而且物理样机制造成本也很 高，尤其当机床结构比较复杂时。可以说传统的基于物理样机的产品设计手段已经走 到了尽头，取而代之的将是基于虚拟样机技术的设计方法。 4 1.3 基于虚拟样机技术的产品开发过程 从前节看出，传统的产品开发过程周期过长，开发费用比较高，已经不适于设计 开发数控机床这类复杂的机电产品。因此，全新的额基于虚拟样机技术的产品设计开 发方法开始逐步应用于数控机床产品。这里所谓的虚拟样机就是在计算机上构造产品 数字模型。物理样机是实际生产加工中存在并使用的实物样机，而虚拟样机则是计算 机中物理样机的一种数字描述与映射，它不仅可以反映物理样机的全部特性，包括外 观、质量尺寸、尺寸、重心等特征，而且可以反映各个零部件之间的相互装配关系， 甚至可以放映物理样机的零部件成本及其装配的时间和成本。一般意义上过来说，虚 拟样机是指样机的整机，它可以包括机械系统、液压系统、气动系统、管路系统、电 气线路系统以及控制系统等，它是由数字化的零部件在计算机上虚拟装配而成，其中 还包含一些重要的仿真信息和数据用于后续的仿真分析。图 1.2 是基于虚拟技术的产 品开发过程： 概念经验设 计 虚拟样机构 建 虚拟样机仿 真 物理样机试 验 物理样机构 造 设计定型 投产 满意？ 满意？ 图 1.2 基于虚拟样机技术的产品开发过程 虚 拟 样 机 的 定 义 ： 在 建 模 和 仿 真 领 域 比 较 通 用 的 关 于 虚 拟 样 机 的 概 念 是 美 国 国 防 部 建 模 和 仿 真 办 公 室 （ dmso） 的 定 义 。 dmso 将 虚 拟 样 机 定 义 为 对 一 个 与 物 理 原 型 具 有 功 能 相 似 性 的 系 统 或 者 子 系 统 模 型 进 行 的 基 于 计 算 机 的 仿 真 ； 而 虚 拟 样 机 则 是 使 用 虚 拟 样 机 来 代 替 物 理 样 机 ， 对 候 选 设 计 方 案 的 某 一 方 面 的 特 性 进 行 仿 真 测 试 5 和 评 估 的 过 程 . 1.4 数控铣床设计开发中引入虚拟样机技术的必要性 虚拟样机技术是一门综合多科学的技术，它是在制造第一台物理样机之前，以机械 系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心，运用成熟的计算机图形技 术，将产品各零部件的设计和分析集成在一起，建立机电系统的数字模型，从而为产 品的设计、研究、优化提供基于计算机虚拟现实的研究平台。因此虚拟样机亦被称为 数字化功能样机。随着现代科技的快速发展，工程设计的理论和手段都发生了很大的 变化。虽然广泛应用的 cad 技术将设计从大量的重复的劳动中解脱出来，fea 技术使设 计人员分析机械系统零部件的结构强度、刚度、热特性和动态特性，但是上述的手段 无法解决系统的问题，也就是说，即使零部件达到最优，但往往系统的整体性能无法 满足设计和使用的要求。换句话说，系统的性能不是零部件性能的简单线性叠加。因 此我们必须引入一种从机电系统整体角度考虑问题的设计开发手段。在现阶段，虚拟 样机技术是比较有效的技术手段。 1.5 课题的主要内容与研究方法 本 课 题 的 主 要 内 容 是 关 于 数 控 铣 床 的 设 计 开 发 过 程 中 和 应 用 虚 拟 样 机 技 术 ， 运 用 pro/e 软 件 对 数 控 进 行 虚 拟 建 模 和 运 动 仿 真 分 析 ， 即 以 数 控 铣 床 为 研 究 对 象 ， 构 建 其 完 整 的 虚 拟 数 字 样 机 ， 并 针 对 该 样 机 进 行 各 种 计 算 机 仿 真 分 析 ， 在 设 计 阶 段 全 面 预 测 它 的 各 种 性 能 ， 最 终 合 理 运 用 仿 真 分 析 结 果 来 改 善 优 化 设 计 。 本 课 题 研 究 的 数 控 铣 床 是 三 轴 联 动 立 式 数 控 铣 床 ， 它 可 以 完 成 一 般 的 铣 削 加 工 ， 也 可 以 进 行 钻 、 镗 、 绞 孔 等 加 工 。 适 用 于 机 械 、 汽 车 、 轻 工 待 腻 子 以 及 纺 织 行 业 的 各 种 中 、 小 型 复 杂 零 件 的 加 工 。 机 床 具 有 占 地 面 积 小 ， 行 程 范 围 宽 等 特 点 。 根 据 数 控 铣 床 的 自 身 特 点 ， 可 以 将 其 分 为 机 械 系 统 、 数 控 系 统 以 及 管 路 系 统 等 ， 本 文 着 重 研 究 了 应 用 pro/e 软 件 对 数 控 铣 床 进 行 虚 拟 建 模 和 设 计 ， 并 对 其 进 行 运 动 仿 真 和 机 构 运 动 分 析 。 6 第 2 章 数控铣床的三维建模及装配 2.1 数控铣床的组成及特点 数 控 铣 床 是 一 种 加 工 功 能 很 强 的 数 控 机 床 ， 目 前 迅 速 发 展 起 来 的 加 工 中 心 、 柔 性 加 工 单 元 等 都 是 在 数 控 铣 床 、 数 控 镗 床 的 基 础 上 产 生 的 ， 两 者 都 离 不 开 铣 削 方 式 。 由 于 数 控 铣 削 工 艺 最 复 杂 ， 需 要 解 决 的 技 术 问 题 也 最 多 ， 因 此 ， 人 们 在 研 究 和 开 发 数 控 系 统 及 自 动 编 程 语 言 的 软 件 系 统 时 ， 也 一 直 把 铣 削 加 工 作 为 重 点 。 一 . 数 控 铣 床 的 分 类 1. 按 主 轴 的 位 置 分 类 1) 数 控 立 式 铣 床 立 式 数 控 铣 床 数 控 立 式 铣 床 在 数 量 上 一 直 占 据 数 控 铣 床 的 大 多 数 ， 应 用 范 围 也 最 广 。 从 机 床 数 控 系 绕 控 制 的 坐 标 数 量 来 看 ， 目 前 3 坐 标 数 控 立 铣 仍 占 大 多 数 ； 一 般 可 进 行 3 坐 标 联 动 加 工 ， 但 也 有 部 分 机 床 只 能 进 行 3 个 坐 标 中 的 任 意 两 个 坐 标 联 动 加 工 (常 称 为 2.5 坐 标 加 工 )。 此 外 ， 还 有 机 床 主 轴 可 以 绕 x、 y、 z 坐 标 轴 中 的 其 中 一 个 或 两 个 轴 作 数 控 摆 角 运 动 的 4 坐 标 和 5 坐 标 数 控 立 铣 。 2) 卧 式 数 控 铣 床 卧 式 数 控 铣 床 与 通 用 卧 式 铣 床 相 同 ， 其 主 轴 轴 线 平 行 于 水 平 面 。 为 了 扩 大 加 工 范 围 和 扩 充 功 能 ， 卧 式 数 控 铣 床 通 常 采 用 增 加 数 控 转 盘 或 万 能 数 控 转 盘 来 实 现 4、 5 坐 标 加 工 。 这 样 ， 不 但 工 件 侧 面 上 的 连 续 回 转 轮 廓 可 以 加 工 出 来 ， 而 且 可 以 实 现 在 一 次 安 装 中 ， 通 过 转 盘 改 变 工 位 ， 进 行 “四 面 加 工 ”。 3) 立 卧 两 用 数 控 铣 床 立 卧 两 用 数 控 铣 床 目 前 ， 这 类 数 控 铣 床 已 不 多 见 ， 由 于 这 类 铣 床 的 主 轴 方 向 可 以 更 换 ， 能 达 到 在 一 台 机 床 上 既 可 以 进 行 立 式 加 工 ， 又 可 以 进 行 卧 式 加 工 ， 而 同 时 具 备 上 述 两 类 机 床 的 功 能 ， 其 使 用 范 围 更 广 ， 功 能 更 全 ， 选 择 加 工 对 象 的 余 地 更 大 ， 且 给 用 户 带 来 不 少 方 便 。 特 别 是 生 产 批 量 小 ， 品 种 较 多 ， 又 需 要 立 、 卧 两 种 方 式 加 工 时 ， 用 户 只 需 买 一 台 这 样 的 机 床 就 行 了 。 2. 数 控 铣 床 按 构 造 上 分 类 1)工 作 台 升 降 式 数 控 铣 床 这 类 数 控 铣 床 采 用 工 作 台 移 动 、 升 降 ， 而 主 轴 不 动 的 方 式 。 小 型 数 控 铣 床 一 般 采 用 此 种 方 式 。 2)主 轴 头 升 降 式 数 控 铣 床 这 类 数 控 铣 床 采 用 工 作 台 纵 向 和 横 向 移 动 ， 且 主 轴 沿 垂 向 溜 板 上 下 运 动 ； 主 轴 头 升 降 式 数 控 铣 床 在 精 度 保 持 、 承 载 重 量 、 系 统 构 成 等 方 面 具 有 很 多 优 点 ， 已 成 为 数 控 7 铣 床 的 主 流 。 3) 龙 门 式 数 控 铣 床 这 类 数 控 铣 床 主 轴 可 以 在 龙 门 架 的 横 向 与 垂 向 溜 板 上 运 动 ， 而 龙 门 架 则 沿 床 身 作 纵 向 运 动 。 大 型 数 控 铣 床 ， 因 要 考 虑 到 扩 大 行 程 ， 缩 小 占 地 面 积 及 刚 性 等 技 术 上 的 问 题 ， 往 往 采 用 龙 门 架 移 动 式 。 龙 门 式 数 控 铣 床 虚 拟 建 模 及 装 配 的 软 件 平 台 构 建 数 控 铣 床 虚 拟 样 机 的 首 要 步 骤 就 是 要 在 计 算 机 上 建 立 其 机 械 结 构 的 虚 拟 数 字 模 型 ， 这 也 是 实 现 整 个 虚 拟 样 机 过 程 的 核 心 内 容 之 一 ， 而 这 一 步 骤 主 要 依 靠 目 前 成 熟 的 cad 造 型 软 件 来 完 成 。 2.2 cad 造型软件的比较与选择 目 前 市 场 技 术 成 熟 且 用 户 比 较 多 的 商 业 cad 造 型 软 件 比 较 多 ， 其 中 主 要 包 括 高 端 的 unigraphics (简 称 ug)catta， 中 低 端 的 pro/e、 solidedge、 solid work、 inventor 以 及 caxa 等 ， 各 个 软 件 都 有 其 自 身 的 特 点 并 拥 有 一 定 的 用 户 群 体 。 中 低 端 cad 软 件 的 造 型 技 术 非 常 成 熟 ， 可 以 高 效 便 捷 地 建 立 各 种 复 杂 机 械 结 构 模 型 并 快 速 准 确 地 完 成 装 配 ， 但 它 们 在 其 它 方 面 的 变 现 不 尽 如 人 意 。 因 虚 拟 样 机 的 实 现 过 程 是 一 个 非 常 完 整 的 过 程 ， 其 中 包 括 运 动 仿 真 、 结 构 仿 真 、 加 工 仿 真 、 管 路 布 置 、 产 品 渲 染 甚 至 厂 房 布 局 等 ， 2.3 pro/e 软件的介绍 pro/e 是美国 ptc 公司旗下的产品 pro/engineer 软件的简称。 pro/e（pro/engineer 操作软件）是美国参数技术公司（parametric technology corporation，简称 ptc）的重要产品。是一款集 cad/cam/cae 功能一体化的综合性三 维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械 cad/cae/cam 领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的 cad/cam 软件之 一。 在 中 国 也 有 很 多 用 户 直 接 称 之 为 “破 衣 ”。 1985 年 ， ptc 公 司 成 立 于 美 国 波 士 顿 ， 开 始 参 数 化 建 模 软 件 的 研 究 。 1988 年 ， v1.0 的 pro/engineer 诞 生 了 。 经 过 10 余 年 的 发 展 ， pro/engineer 已 经 成 为 三 维 建 模 软 件 的 领 头 羊 。 目 前 已 经 发 布 8 了 pro/engineer proewildfire5.0。 ptc 的 系 列 软 件 包 括 了 在 工 业 设 计 和 机 械 设 计 等 方 面 的 多 项 功 能 ， 还 包 括 对 大 型 装 配 体 的 管 理 、 功 能 仿 真 、 制 造 、 产 品 数 据 管 理 等 等 。 pro/engineer 还 提 供 了 目 前 所 能 达 到 的 最 全 面 、 集 成 最 紧 密 的 产 品 开 发 环 境 本 章 主 要 应 用 pro/e 软 件 的 建 模 模 块 ， 在 基 于 特 征 的 基 础 上 快 速 准 确 地 建 立 数 控 铣 床 主 要 零 部 件 的 数 字 模 型 ； 应 用 pro/e 装 配 模 块 完 成 了 零 部 件 模 型 的 装 配 并 获 得 了 铣 床 的 完 整 虚 拟 数 字 模 型 ； 同 时 在 进 行 装 配 的 过 程 中 ， 还 采 用 了 其 非 常 仙 境 的 wave 技 术 完 成 了 一 些 铣 床 附 件 自 顶 向 下 （ top-down） 的 设 计 。 全 相 关 性 ： pro/engineer 的 所 有 模 块 都 是 全 相 关 的 。 这 就 意 味 着 在 产 品 开 发 过 程 中 某 一 处 进 行 的 修 改 ， 能 够 扩 展 到 整 个 设 计 中 ， 同 时 自 动 更 新 所 有 的 工 程 文 档 ， 包 括 装 配 体 、 设 计 图 纸 ， 以 及 制 造 数 据 。 全 相 关 性 鼓 励 在 开 发 周 期 的 任 一 点 进 行 修 改 ， 却 没 有 任 何 损 失 ， 并 使 并 行 工 程 成 为 可 能 ， 所 以 能 够 使 开 发 后 期 的 一 些 功 能 提 前 发 挥 其 作 用 。 基 于 特 征 的 参 数 化 造 型 ： pro/engineer 使 用 用 户 熟 悉 的 特 征 作 为 产 品 几 何 模 型 的 构 造 要 素 。 这 些 特 征 是 一 些 普 通 的 机 械 对 象 ， 并 且 可 以 按 预 先 设 置 很 容 易 的 进 行 修 改 。 例 如 ： 设 计 特 征 有 弧 、 圆 角 、 倒 角 等 等 ， 它 们 对 工 程 人 员 来 说 是 很 熟 悉 的 ， 因 而 易 于 使 用 。 装 配 、 加 工 、 制 造 以 及 其 它 学 科 都 使 用 这 些 领 域 独 特 的 特 征 。 通 过 给 这 些 特 征 设 置 参 数 （ 不 但 包 括 几 何 尺 寸 ， 还 包 括 非 几 何 属 性 ） ， 然 后 修 改 参 数 很 容 易 的 进 行 多 次 设 计 叠 代 ， 实 现 产 品 开 发 。 数 据 管 理 ： 加 速 投 放 市 场 ， 需 要 在 较 短 的 时 间 内 开 发 更 多 的 产 品 。 为 了 实 现 这 种 效 率 ， 必 须 允 许 多 个 学 科 的 工 程 师 同 时 对 同 一 产 品 进 行 开 发 。 数 据 管 理 模 块 的 开 发 研 制 ， 正 是 专 门 用 于 管 理 并 行 工 程 中 同 时 进 行 的 各 项 工 作 ， 由 于 使 用 了 pro/engineer 独 特 的 全 相 关 性 功 能 ， 因 而 使 之 成 为 可 能 。 装 配 管 理 ： pro/engineer 的 基 本 结 构 能 够 使 您 利 用 一 些 直 观 的 命 令 ， 例 如 “啮 合 ”、 “插 入 ”、 “对 齐 ”等 很 容 易 的 把 零 件 装 配 起 来 ， 同 时 保 持 设 计 意 图 。 高 级 的 功 能 支 持 大 型 复 杂 装 配 体 的 构 造 和 管 理 ， 这 些 装 配 体 中 零 件 的 数 量 不 受 限 制 。 9 易 于 使 用 ： 菜 单 以 直 观 的 方 式 联 级 出 现 ， 提 供 了 逻 辑 选 项 和 预 先 选 取 的 最 普 通 选 项 ， 同 时 还 提 供 了 简 短 的 菜 单 描 述 和 完 整 的 在 线 帮 助 ， 这 种 形 式 使 得 容 易 学 习 和 使 用 。 2.4 数控铣床的三维建模 2.4.1 虚拟建模技术基本理论 在 本 课 题 的 研 究 中 ， 主 要 是 建 立 数 控 铣 床 的 虚 拟 样 机 并 在 此 基 础 上 进 行 各 种 仿 真 ， 所 以 建 立 该 铣 床 的 数 字 化 模 型 是 进 行 后 续 仿 真 的 前 提 条 件 。 而 所 建 立 的 模 型 质 量 将 直 接 影 响 其 仿 真 结 果 。 虚 拟 建 模 技 术 要 求 产 品 的 数 字 化 模 型 能 够 提 供 几 何 模 型 为 后 续 的 运 动 仿 真 模 型 、 有 限 元 模 型 以 及 加 工 仿 真 模 型 提 供 基 础 模 型 。 所 以 ， 几 何 模 型 是 所 有 模 型 的 基 础 与 关 键 ， 通 过 在 几 何 模 型 上 添 加 其 它 信 息 数 据 就 可 以 构 成 所 需 的 仿 真 模 型 。 对于不同的机床，主运动参数有不同的要求。装用机床和组合机床是为某一特定 工序面设计制造的，每根主轴参数有不同的要求。根据最有利的切削速度和直径而定， 故没有变速要求。通用机床是为适应多种零件加工而设计制造的，主轴需要变速。因 此需确定它的变速范围，及最低与最高转速。如果采用分级变速，则还应确定转速级 数。 目 前 ， 产 品 的 虚 拟 建 模 方 法 比 较 多 。 本 课 题 利 用 美 国 公 司 开 发 pro/e 软 件 平 台 关 采 用 目 前 应 用 最 广 的 建 模 技 术 基 于 特 征 的 参 数 化 建 模 技 术 建 立 数 控 铣 床 零 部 件 的 虚 拟 数 字 模 型 。 在 pro/e 建 模 过 程 中 的 特 征 主 要 包 括 ： 成 型 特 征 、 草 图 特 征 、 辅 助 特 征 以 及 其 他 特 征 。 其 中 ， 成 型 特 征 是 创 建 特 征 的 主 要 部 分 也 是 基 础 特 征 ， 它 是 描 述 零 件 几 何 形 状 及 尺 寸 的 相 关 信 息 集 合 。 草 图 特 征 是 在 一 些 复 杂 建 模 中 将 草 图 进 行 拉 伸 旋 转 等 来 完 成 成 型 特 征 无 法 完 成 的 功 能 。 辅 助 特 征 是 虚 拟 建 模 的 辅 助 工 具 ， 不 包 括 在 虚 拟 模 型 中 。 还 有 其 它 一 些 特 征 如 材 料 颜 色 、 透 明 度 等 。 图 2.1 描 述 了 机 床 在 pro/e 虚 拟 样 机 建 模 中 的 特 征 分 类 ： 10 模型特征 成型特征 草图特征 辅助特征 其他特征 立方体特征 圆柱特征 凸台特征 凹槽特征 圆孔特征 拉伸特征 旋转特征 扫描特征 管路特征 自由形状特 征 基准面特征 基准轴特征 基准点特征 无限平面特 征 材料特征 线型特征 颜色特征 透明特征 图 2.1 虚 拟 建 模 特 征 分 类 基 于 特 征 的 实 体 参 数 建 模 技 术 利 用 尺 寸 驱 动 原 理 ， 在 零 件 拓 扑 机 构 不 变 的 情 况 下 ， 把 特 征 作 为 组 成 零 件 实 体 模 型 的 基 本 元 素 ， 把 零 件 尺 寸 定 义 参 数 变 量 ， 利 用 参 数 驱 动 特 征 几 何 形 状 ， 从 而 该 百 年 零 件 模 型 ， 最 后 把 多 个 特 征 按 照 一 定 的 设 计 方 案 组 合 在 一 起 就 构 成 产 品 的 零 件 模 型 。 零 件 虚 拟 建 模 技 术 采 用 自 上 而 下 的 方 式 进 行 。 首 先 规 划 方 案 设 计 ， 完 成 零 件 的 概 念 设 计 。 然 后 根 据 零 件 功 能 结 构 把 多 个 特 征 的 组 合 并 确 定 大 致 的 特 征 顺 序 。 接 着 就 创 建 模 型 的 成 型 特 征 、 草 图 特 征 以 及 辅 助 特 征 等 。 当 然 ， 在 创 建 完 成 后 还 要 对 特 征 进 行 合 理 性 检 查 （ 这 通 常 是 由 特 征 以 及 由 特 征 本 身 尺 寸 及 其 定 位 尺 寸 不 匹 配 所 完 成 ） ， 如 果 合 理 则 按 照 合 理 则 按 照 修 改 特 征 参 数 甚 至 更 换 特 征 类 型 ， 最 后 完 成 零 件 的 虚 拟 模 型 建 立 。 图 2.2 描 述 了 基 于 特 征 的 参 数 化 建 模 流 程 ： 11 规划设计方案 特征类型及顺序 成 型 特 征 草 图 特 征 辅 助 特 征 其 它 特 征 满意？ 零件模型确定 图 2.2 零 件 虚 拟 建 模 流 程 2.4.2 数控铣床主要零件的三维建模 虚 拟 建 模 技 术 为 复 杂 零 件 的 结 构 设 计 提 供 了 强 有 力 的 技 术 支 持 ， 它 可 以 包 含 丰 富 的 产 品 信 息 （ 包 括 外 观 、 颜 色 、 质 量 、 重 心 、 材 质 以 及 惯 性 矩 等 ） ， 能 够 可 视 地 完 成 复 杂 结 构 技 术 ， 达 到 高 效 、 直 观 、 一 次 成 型 的 目 的 。 同 时 还 便 于 设 计 人 员 和 用 户 惊 醒 沟 通 ， 有 利 于 产 品 的 编 辑 和 进 一 步 改 进 ， 提 高 产 品 设 计 的 市 场 适 应 能 力 和 竞 争 能 力 。 下 图 所 示 了 数 控 铣 床 的 主 要 零 部 件 ， 由 于 其 中 的 基 础 件 结 构 复 杂 ， 特 征 过 多 ， 而 且 篇 幅 所 限 ， 在 本 章 主 要 给 出 了 底 座 、 滑 鞍 、 工 作 台 、 立 柱 及 箱 体 这 五 大 基 础 件 的 建 模 实 例 ， 并 且 在 给 出 的 实 体 模 型 中 加 入 剖 面 图 使 零 件 的 内 部 结 构 更 加 清 晰 明 了 。 除 此 之 外 还 讨 论 了 一 些 标 准 件 的 模 型 建 立 方 法 和 内 容 。 主 轴 组 件 是 机 床 的 一 个 重 要 组 成 部 分 。 主 轴 组 件 由 主 轴 、 轴 承 、 传 动 件 和 固 定 件 等 组 成 。 机 床 工 作 时 ， 由 主 轴 夹 持 着 工 作 （ 车 床 ） 或 道 具 （ 钻 床 、 镗 床 、 铣 床 、 磨 床 等 ） 直 接 参 加 表 面 成 形 运 动 。 所 以 主 轴 组 件 的 工 作 性 能 ， 对 加 工 质 量 和 机 床 生 产 率 ， 有 重 要 的 影 响 。 12 （ 1） 底 座 虚 拟 模 型 ， 如 图 2.3 所 示 图 2.3 底 座 模 型 （ 2） 滑 鞍 虚 拟 模 型 ， 如 图 2.4 所 示 ： 图 2.4 滑 鞍 模 型 13 （ 3） 端 盖 模 型 如 图 2.5 所 示 ： 图 2.5 端盖模型 （ 3） 工 作 台 虚 拟 模 型 ， 如 图 2.6 所 示 ： 图 2.6 工 作 台 模 型 14 （ 4） 滚 珠 丝 杠 如 图 2.7 所 示 ： 图 2.7 滚 珠 丝 杠 模 型 （ 5） 手 柄 模 型 如 图 2.8 所 示 ： 图 2.8 手柄模型 15 （6）转轮模型 如图 2.9 所示： 图 2.9 转轮模型 （ 5） 立 柱 模 型 ， 如 图 2.10 所 示 ： 图 2.10 立 柱 模 型 16 （ 6） 标 准 件 的 建 模 一 般 情 况 下 ， 在 一 个 大 中 型 的 机 械 产 品 中 ， 除 了 一 些 关 键 零 部 件 以 外 ， 一 般 还 包 括 很 多 标 准 件 ， 其 中 包 括 各 种 螺 栓 、 螺 母 、 垫 片 、 法 兰 、 轴 承 、 键 甚 至 链 条 等 。 尽 管 缺 少 这 些 标 准 之 后 才 能 构 建 完 整 意 义 上 的 虚 拟 样 机 ， 而 且 在 后 学 的 装 配 中 也 能 发 现 这 些 件 和 整 机 的 关 系 ， 甚 至 干 涉 。 因 此 有 必 要 建 立 这 些 标 准 件 的 模 型 ， 使 拟 样 机 结 构 不 复 杂 ， 但 一 般 也 需 要 多 个 特 征 才 能 建 立 其 完 整 模 型 2.5 数控铣床的虚拟装配 2.5.1 虚拟装配技术基本理论 虚 拟 样 机 技 术 是 在 虚 拟 设 计 环 境 下 ， 根 据 产 品 的 形 状 特 征 、 精 度 特 性 ， 真 实 地 模 拟 产 品 三 维 装 配 过 程 ， 并 允 许 用 户 以 交 互 方 式 控 制 产 品 的 三 维 装 配 过 程 来 检 验 产 品 的 可 装 配 性 。 这 是 一 种 零 件 模 型 按 约 束 关 系 进 行 重 新 定 位 的 过 程 ， 也 是 分 析 产 品 可 装 配 性 和 可 制 造 性 的 一 种 有 效 手 段 。 数 控 铣 床 主 要 部 件 及 整 机 的 虚 拟 装 配 ： 在 数 控 铣 床 的 装 配 中 ， 底 座 和 立 柱 是 固 定 不 动 的 基 础 件 ， 所 以 将 一 些 主 要 零 件 和 标 准 件 进 行 装 配 来 完 成 子 装 配 ， 再 将 这 些 子 装 配 安 装 到 固 定 部 件 上 来 完 成 整 体 装 配 ， 下 面 给 出 铣 床 的 一 些 主 要 子 装 配 和 最 终 的 装 配 图 。 （ 1） 滑 鞍 装 配 模 型 如 图 2.11 所 示 ： 图 2.11 滑 鞍 装 配 模 型 17 （ 2） 滚 珠 丝 杠 与 头 山 装 配 模 型 如 图 2.12 所 示 ： 图 2.12 滚 珠 丝 杠 与 头 山 装 配 模 型 （ 3） 手 动 转 轮 装 配 模 如 图 2.13 所 型 示 ： 图 2.13 手动转轮装配模型 18 （ 4） 主 轴 装 配 模 型 如 图 2.14 所 示 图 2.14 主 轴 装 配 模 型 （ 5） 箱 体 装 配 模 型 如 图 2.15 所 示 图 2.15 箱 体 虚 拟 模 型 19 （ 6） 立 柱 与 转 轮 的 装 配 模 型 如 图 2.16 所 示 ： 图 2.16 立柱与转轮的装配模型 （7）箱体与立柱装配模型 如图 2.17 所示： 图 2.17 箱体与立柱装配模型 20 （8）底座与工作台装配模型 如图 2.18 所示： 图 2.18 底 座 与 工 作 台 装 配 模 型 （ 3） 总 装 配 图 如 图 2.19 所 示 ： 图 2.19 总装配图 21 第 3 章 数控铣床的运动仿真 数 控 铣 床 主 要 是 通 过 伺 服 电 机 来 驱 动 工 作 台 、 滑 鞍 和 箱 体 完 成 x、 y、 z 方 向 的 进 给 运 动 ， 并 使 工 件 和 刀 具 按 照 数 控 程 序 产 生 相 应 的 位 置 变 化 来 达 到 工 作 材 料 去 除 的 目 的 ， 显 然 铣 床 本 身 的 运 动 特 性 也 是 衡 量 铣 床 性 能 的 重 要 指 标 之 一 。 因 此 本 文 主 要 在 前 章 建 立 的 整 机 装 配 基 础 上 直 接 应 用 pro/e 运 动 模 块 （ motion） 建 立 了 其 运 动 仿 真 模 型 并 完 成 了 一 些 重 要 的 运 动 分 析 。 爬行是机床常见而不正常的运动状态，主要出现在机床各传动系统的执行部件上 （如刀架系统、工作台等） ，且一般在低速行时出现较多。运动速度低时，润滑油被压 缩，油膜变薄，油楔作用降低，部分油膜破坏，摩擦面阻力发生变化。通常情况下， 轻微程度的爬行有不易察觉的振动，显著的爬行则是大距离地跳动。 3.1 机床爬行原因分析 引起爬行的主要原因，是摩擦因数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。机床 在实际使用中，爬行现象主要是在传动系统刚性不足，驱动力与负载摩擦阻力波动变 化的情况下形成。机床液压系统侵入空气，液压元件间隙增大及机械装置自身原因都 可能引起爬行故障。 我们知道爬行是指机床运动部件慢速动行时的不平稳性，表现为有规律的一停一 跃。这种现象的出现，以磨床居多数，会严重影响工作的表面质量和尺寸精度。产生 原因可用实例来说明：假设有一原动件通过弹簧推动另一从动件，当原动件以等速向 前运动，通过弹簧推动从件在平面上滑行时，当原动件启动后，首先需压缩弹簧一段 距离，直到足以克服从动件的静摩擦力时，从动件才会起动，此时弹簧蓄能。当从动 件起动后，由于动摩擦系数小于静摩擦系数，于是使从动件获得一个加速度，此时弹 簧放能。如果移动速度很慢，弹簧的压缩量又较大，那么从动件的速度很快就会超过 原动件，产生一个跳跃，直到弹簧压力和动摩擦力平衡后，从动件开始减速，但因为 惯性，还会再向前冲一段距离。至此，从动件因为失去了原动力就会停下来，直到原 动件重新压缩弹簧到能克服从动件的静摩擦力时，又重复上述循环。 此实例和实际导轨副产生爬行的机理十分相似。从动件可以视作溜板或工作台， 平面可以视作导轨。二驱动系统不可能是完全刚性的，在驱动过程中不可避免地会有 22 弹性变形，因而可以认为是弹簧起同样作用。 爬行现象容易产生在传动系统刚度低、滑动面润滑不良的运动系统中。在机械传动 中，两滑动面间有压力时就有摩擦阻力产生。摩擦力 f 决定于滑动面间的正压力 n 及 摩擦系数 ，即 f=n。摩擦系数的大小决定了摩擦表面粗糙度、摩擦面材料性质、 摩擦面间的润滑条件、相对运动速度及摩擦面运动前的停止时间等。 机床爬行现象是在滑动摩擦副中从动件在匀速驱动和一定摩擦条件下产生的周期 性时停时走或时慢时块的运动现象。爬行是机械振动中自激振动的一种形式。每一个 爬行周期都分两个阶段：一个是能量的贮存，另一个是能量达到临界值时的立即释放。 爬行是机床滑动导轨中常见的不正常的运动状态。程度较轻时爬行表现为肉眼所不能 察觉的振动，显著时表现为较大距离的跳动。爬行会显著降低工件的加工精度。此外， 汽车离合器接合时可能引起的冲击，对某些仪器微调时可能发生的跃动，也都是爬行 的实例。爬行大多在低速时出现。引起爬行的原因很多：如法向载荷过大，滑动系统 弹性元件刚度较小，滑动副间