机械毕业设计（论文）-立式环缝自动焊接机虚拟设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 立式环缝自动焊接机虚拟设计立式环缝自动焊接机虚拟设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师：（职称：副教授） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 立式环缝自 动焊接机虚拟设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引 用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他 个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 94 学 号： 0923162 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 II I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 立式环缝自动焊接机虚拟设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 气电立焊是 80 年代发展起来的一种熔化极气体保护电弧垂直对 接焊方法，采用药芯焊丝作熔化极，用能自动控制的上升系统带动焊 枪进行连续焊接，在水冷滑块的强制成型作用下以 CO2 气体保护实 现单面焊双面一次成型。 过去我国对气电立焊的设备主要依赖进口，并被广泛应用于石油 天然气的储油罐建设这些设备，虽然性能良好但价格昂贵，国内一些 中小企业无力购买，受进口设备和国内药芯焊丝技术不过关的制约， 其应用范围和发展受到限制。所以，开发拥有我国自主知识产权的气 电立焊设备，以解决困扰我国众多企业的焊接问题，成为当务之急。 在开发气电立焊设备的过程中，如果在设计初告段落时采用计算 机虚拟技术进行运动仿真，将使产品设计更为可靠。采用计算机虚拟 技术，将使得设计者在产品制造出来前即能看到产品的装配信息和运 行状态，并能检测装配干涉，预先测得重要的运动参数，以便与设计 II 要求进行对比，提高了设计可靠性，缩短产品的设计周期。由此可知， 采用计算机运动仿真，将对气电立焊设备的设计开发产生重要的积极 影响。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求：本课题要求根据任务书 完成立式环缝自动焊接机虚拟设计。这个课题能充分体现专业知识， 对虚拟设计能力有较强锻炼。通过本课题的研究，我们需要达到的 要求有： 熟悉气电立焊的国内外历史及其发展前景； 正确合理分析理解气电立焊原理、特点及其工艺特点和设备知识； 了解立式环缝自动焊接机主要零部件的特点及作用； 充分理解，明白各个零部件的位置及作用； 对于虚拟设计，能够掌握各个部分的设计原则以及合理分析各因 素对设计的影响； 熟练运用 Pro/ENGINEER 软件。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 94 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 III 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所学科组组长研究所所 长长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 IV 摘摘 要要 气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电 弧焊方法,焊接效率及焊接质量均较高,主要应用于船舶的外壳板的中厚板焊接，也可应 用于相应尺寸的桥梁箱式梁腹板及大型储罐侧板的中厚板的焊接。为了提高快速响应能 力，必须实现快速虚拟设计。 本论文首先介绍了气电立焊机，包括它的原理、特点、工艺特点，并介绍了其设备 和用途，详细介绍了船体气电自动立焊机。 其次，我们完成了丝杆的三维建模。另外，为了应对繁多的齿轮传动，我们专门开 发了 PRO/E 参数化齿轮建模方法，完成了参数化齿轮建模。综合运用 PRO/ENGINEER 软件、CAXA 软件、AUTOCAD 软件，我们完成了轴承三维模型的创建。利用 PRO/E 的 零件族表功能，我们完成了大量标准件的三维建模，诸如轴承、螺栓、垫片、螺帽等等。 然后，我们在 PRO/E 中进行机构运动仿真，介绍一些具有代表性的装配过程，这些 装配过程用到了一些实用的装配技巧。我们介绍了基本装配约束，多个螺栓的重复性装 配，链条的阵列化装配，装配件中的改名操作，轴组件的装配。 最后，我们进行了机构运动虚拟设计。把各个零部件通过装配模块组装成一个完整 的机构后，在 PRO/E 中直接启动机构运动分析模块，定义机构中的连接，设置伺服电机， 分析运行机构，观察机构的整体运动轨迹和各零件之间的相对运动，进行运动仿真举例， 最终能将机构运动录制成 JPEG 格式的动画。 关键词：关键词：气电立焊；三维建模；虚拟设计；仿真 V Abstract Electro-gas welding is a kind of melting by the ordinary gas metal arc welding and electro-slag welding development and the formation of polar gas shielded arc welding method, welding efficiency and welding quality is high, thick plate welding of the shell plate is mainly applied to the ship, but also can be applied to the corresponding size of bridge box girder webs and large storage tank side welding of plate. In order to improve the rapid response capability, to achieve rapid virtual design. This paper firstly introduces the electro-gas welding machine, including the principle, characteristics, its process characteristics, and introduces the equipment and use, details of the ship body electric automatic vertical welding machine. Secondly, we completed the three-dimensional modeling of wire rod. In addition, in order to deal with various kinds of gear transmission, we specializes in the development of gear parametric modeling method of PRO/E, the parametric modeling of gear. Comprehensive use of PRO/ENGINEER software, CAXA software, AUTOCAD software, we completed the creation of three-dimensional model of bearing. With the family table function parts of PRO/E, we completed the three-dimensional modeling of many standard parts, such as bearings, bolts, gaskets, nut etc Then, we performed the mechanism movement simulation in PRO/E, introduces some representative assembly, the assembly process to use some practical assembly skills. We introduced the basic assembly constraints, repeated assembly of a plurality of bolt, chain array assembly, assembly of renaming operation, shaft assembly. Finally, we carried out the movement of virtual design. The assembled into a complete mechanism of each parts of the assembly module, direct start mechanism motion in PRO/E analysis module, connect definition mechanism, a servo motor is arranged, analysis of the operation mechanism, the relative movement between the overall trajectory of institutions and all parts of the simulation exercise, for example, can finally mechanism motion records into JPEG format animation. Keywords：electro-gas welding; 3D modeling; virtual design; simulation VI V 目目 录录 摘 要.IV ABSTRACT .V 目 录 V 1 绪论.1 1.1 本课题的研究内容和意义1 1.2 国内外的发展概况1 1.3 本课题应达到的要求3 2 气电立焊机介绍.4 2.1 气电立焊的原理4 2.2 气电立焊的特点4 2.3 气电立焊工艺特点5 2.4 气电立焊设备介绍7 3 主要零部件建模.9 3.1 丝杠的三维建模9 3.2 参数化齿轮建模11 3.3 轴承三维模型的创建16 3.4 垫片的创建19 4 零部件虚拟装配.22 4.1 基本装配约束介绍22 4.2 多个螺栓的重复性装配22 4.3 链条的阵列化装配24 4.4 装配件中的改名操作25 4.5 轴组件的装配.25 5 机构运动虚拟设计.27 5.1 机构运动虚拟设计功能概述27 5.1.1 机构运动虚拟设计功能概述.27 5.1.2 机构运动虚拟设计功能的一般步骤.27 5.2 连接定义27 5.3 定义伺服电机28 5.4 创建运动分析28 5.5 运动仿真举例29 VI 5.5.1 定义链条运动.29 5.5.2 定义丝杠传动.30 6 结论与展望.33 致 谢.34 参考文献.35 立式环缝自动焊接机虚拟设计 1 1 绪论绪论 1.11.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义 气电立焊是 80 年代发展起来的一种熔化极气体保护电弧垂直对接焊方法，采用药芯 焊丝作熔化极，用能自动控制的上升系统带动焊枪进行连续焊接，在水冷滑块的强制成 型作用下以气体保护实现单面焊双面一次成型。 2 CO 图 1.1 气电立焊 在焊接前，首先在焊接接头的坡口反面安装固定铜滑块，坡口正面安装一块可随焊 枪一起运动的水冷滑块。焊接时，药芯焊丝和母材被电弧熔化形成熔池，并被限制在前 后两块水冷滑块及未熔化的母材之间，这样，熔池上部受到及熔渣的保护，药芯焊丝 2 CO 熔化后产生的部分熔渣渗入到熔池与两块水冷滑块的接触面之间，对熔池起保护作用， 同时也避免了铜滑块被熔池熔化产生的粘连，保证了焊接接头的质量。熔池下部被水冷 铜滑块冷却凝固形成焊缝。随着焊缝的形成，送丝机构的小车和正面的铜滑块沿垂直导 轨自动向上移动，并保持距熔池的相对位置不变，以保证焊接过程的稳定。 1.21.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电 弧焊方法。目前气电立焊焊接材料主要采用(金属芯)药芯焊丝，其特点是生产效率高、 成本低。气电立焊属于窄间隙焊，与其它窄间隙焊的主要区别是焊缝一次成型，而不是 多道多层焊。所以其焊接效率及焊接质量均较高，主要应用于船舶的外壳板的中厚板焊 接，也可应用于相应尺寸的桥梁箱式梁腹板及大型储罐侧板的中厚板的焊接。目前通过 船级社认可的气电立焊药芯焊丝全部为国外厂商，而国内研究生产的焊丝常常出现焊 2 CO 接力学性能不稳定的情况，不能满足国内客户的需求。所有气电立焊药芯焊丝的使用全 无锡太湖学院学士学位论文 2 都依赖进口，而国内目前应用最多的是日本神钢生产的 DWS-43G 和 DWS-1LG 两种气电 立焊药芯焊丝。 过去我国对气电立焊的设备主要依赖进口，并被广泛应用于石油天然气的储油罐建 设这些设备，虽然性能良好但价格昂贵，国内一些中小企业无力购买，受进口设备和国 内药芯焊丝技术不过关的制约，其应用范围和发展受到限制。所以，开发拥有我国自主 知识产权的气电立焊设备，以解决困扰我国众多企业的焊接问题，成为当务之急。 为了提高快速响应能力，气电立焊企业首先应能迅速捕捉复杂多变的市场动态信息， 并及时作出正确的预测和决策，以决定新产品的功能特征和上市时间。明确了新产品的 开发项目以后，实现快速虚拟设计就成为重要的一环。工程设计的重要性是不言而喻的。 据统计，工程设计的费用虽然只占产品最终成本的一小部分(不到10)，但往往决定了 它的80以上的制造成本，而且还决定性地影响产品的性能和交货期。现代机械产品由 于用户的要求越来越高，产品结构日益复杂，科技含量愈来愈高，从而使得产品的开发 周期同趋延长。如何解决好产品市场寿命缩短和新产品开发周期长的尖锐矛盾，已经成 为决定企业成败兴衰的生死攸关问题。产品开发周期包括设计、试制、试验和修改等一 系列环节，除了设计以外的后几个环节可以统称为试制定型阶段。 由此可知，实施虚拟快速设计，至少有如下优点：及时交货，争先抢占市场，因缩 短制造时间和消除各种浪费而降低制造成本，因加快产品更新换代而向市场大量提供质 量更高、价格更低的高性能产品。其结果就大大提高了企业的综合竞争力和持续发展的 生命力。 本文主要采用PRO/ENGINEER软件对气电立焊及进行快速虚拟设计，该软件有如下特 点： 全相关：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。 立式环缝自动焊接机虚拟设计 3 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。 我们最终选择PRO/ENGINEER作为虚拟设计软件,主要是由于其在机构运动仿真功能 方面强大的功能、易操作性和直观性。同时，在大型组件的创建过程中， PRO/ENGINEER的单一数据库、参数化建模和全相关性将使零部件的创建和修改变得非 常容易，这对缩短建模周期将起到显著的作用。 1.31.3 本课题本课题应达到的要求应达到的要求 在开发气电立焊设备的过程中，如果在设计初告段落时采用计算机虚拟技术进行运 动仿真，将使产品设计更为可靠。采用计算机虚拟技术，将使得设计者在产品制造出来 前即能看到产品的装配信息和运行状态，并能检测装配干涉，预先测得重要的运动参数， 以便与设计要求进行对比，提高了设计可靠性，缩短产品的设计周期。由此可知，采用 计算机运动仿真，将对气电立焊设备的设计开发产生重要的积极影响。 本课题要求根据任务书完成立式环缝自动焊接机虚拟设计。这个课题能充分体现专 业知识，对虚拟设计能力有较强锻炼。通过本课题的研究，我们需要达到的要求有： 熟悉气电立焊的国内外历史及其发展前景； 正确合理分析理解气电立焊原理、特点及其工艺特点和设备知识； 了解立式环缝自动焊接机主要零部件的特点及作用； 充分理解，明白各个零部件的位置及作用； 对于虚拟设计，能够掌握各个部分的设计原则以及合理分析各因素对设计的影响； 熟练运用 Pro/ENGINEER 软件。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 气电立焊机介绍气电立焊机介绍 气电立焊EGW(Electro-gas Welding)是20世纪80年代初由普通的熔化极气体保护焊和 电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧垂直对接焊方法，其能量密度比电渣焊高， 而焊接技术基本相同，主要应用于天然气、石油化工、电力、造船等行业的大型储罐安 装、容器制造、船舶制造等的纵向立焊缝的自动焊接，单面一次成形厚度最大可达46 mill，焊接工效相对于传统的焊条电弧焊可提高1020倍。 2.12.1 气电立焊的原理气电立焊的原理 气电立焊机是通过焊接电弧电压信号反馈调节焊接电流，焊接电流信号反馈来控制 焊丝干伸长和焊接小车自动提升的一种专用焊接设备。它利用类似于电渣焊所采用的移 动式水冷铜滑块挡住焊缝正面熔融的金属，背面采用固定式水冷铜垫板封底，强迫焊缝 成形，以实现立缝向上位置的焊接，保护气体为。气电立焊在焊接电弧和熔滴过渡方CO 面类似于普通熔化极气体保护焊，而在焊缝成形和机械系统方面又类似于电渣焊。单丝 气电立焊原理如图2.1所示。 （a） （b） 图 2.1 单丝气电立焊原理图 气电立焊与电渣焊的主要区别在于熔化金属的热量是电弧热而不是熔渣的电阻热。 板的厚度在 1280 mm 最适宜。 2.22.2 气电立焊的特点气电立焊的特点 工艺过程稳定、操作简便、焊缝质量优良，如图 2.2 所示：生产效率比焊条电弧焊高 10 倍以上，因此这种方法在船体焊接应用中不断发展，现在已具备单丝、双丝两种送丝 方式，双丝气电立焊原理如图 2.3 所示。主要根据所焊船体的板厚来确定采用单丝还是双 丝，如何根据板厚范围来确定送丝数如图 2.4 所示；双丝焊时，第一根焊丝需要沿焊缝的 立式环缝自动焊接机虚拟设计 5 熔深方向进行摆动。 图 2.2 焊缝宏观组织 图 2.3 双丝气电立焊原理 2.32.3 气电立焊工艺特点气电立焊工艺特点 (1)焊缝背面垫板(相对焊机操作台)。 焊缝背面垫板有三种形式：背面采用陶瓷衬垫，正面采用水冷铜滑块强制成形；焊 缝双面均采用水冷铜滑块强制成形；无需外加气体，采用自保护药芯焊丝单面水冷铜滑 块强制成形(注意：三种方法的焊接材料都有所区别)。 (2)气电立焊关键参数的控制。 气电立焊的焊接位置垂直或接近于垂直方向，电孤轴线方向与母材熔深方向成直角， 熔化的焊丝金属堆积叠加，熔池不断水平上移形成焊缝，其熔深产生所需热量的传递方 式与其他电弧焊有所不同。气电立焊焊接电弧产生的热量主要流向三个方向：熔化焊丝、 熔化母材、滑块吸收。 a母材坡门截面积控制。 它是影响熔深的主要参数之一，熔深反映了坡口两侧母材的熔化量，直接决定焊接 无锡太湖学院学士学位论文 6 质量。增加坡口截面积就增加了焊接线能量，增加熔深：熔深的大小南熔池过热金属的 过热度即温度梯度决定；影响熔池熔融金属过热度的因素也就是影响熔深大小的因素。 b线能量控制。 一般电弧焊焊接线能量；气电立焊焊接时，采用等速送丝、大电流密度、较=IU/vwE 高的电弧电压，其送丝速度等于熔化速度正比于向坡口填充金属的速度，经推导可得焊 接线能量 (为焊丝熔化系数，为坡口截面积)。增加电弧电压可增加焊接线=E KiUSKiS 能量。 c冷却速度控制。 当焊接规范和坡口参数确定后，焊丝和母材吸热可以认为是不变的，而强制成形的 铜滑块吸热，则随冷却介质水变化较大。水温度和流量对吸热影响很大，低水温和大流 速带走的热量远大于高水温低流速的情况，所以在焊接厚板时应减少水流量；焊接薄板 时可增加水流量；通过调节水流量来调节熔池的冷却速度可有效控制熔深大小。由于气 电立焊熔池与普通未受约束的焊接熔池状态不同，熔深的形成方式和影响熔深的因素也 不同。 两种厚板EGW焊接工艺如表2-1所示。 表2-1典型EGW焊接工艺参数 板厚 /mm 焊根间隙 /b mm 焊丝 数 丝速 -1 /minv m 电流 / I A 电压 / I U 焊速 -1 /cm minv 线能量 -1 E/kJ cm 358 1 2 13 13 360 370 38 37 9.6171 8 1 2 15 15 400 410 44 41 3.8551 80 10 1 2 15 15 420 410 45 41 3.4630 (3)几种实用的焊接材料。 a目前国内用量较大的是神户制钢公司生产的DWS03G和DWS一60G型药芯焊丝， 具有电弧稳定、飞溅小、气渣保护好、焊缝质量稳定等特点。使用时，应在焊缝背面配 用l(I御型陶瓷衬垫，在衬垫表面覆盖一层玻璃布，可使衬垫与钢材紧密相贴，防止跑渣。 在衬垫的背面还有一块钢板，便于在装配衬垫时用钢楔子将衬垫与钢板压紧，避免陶瓷 衬垫破碎。 立式环缝自动焊接机虚拟设计 7 b自保护自动立焊焊丝一般采用林肯(Lincoln)公司NR43l药芯焊丝。自动立焊工艺大 都在露天或高空场合施工，在有大风的情况下，自保护焊可以不受风的影响而停止施工。 另外，目前自保护立焊设备的价格也比气保护立焊设备的价格低得多。 2.42.4 气电立焊设备介绍气电立焊设备介绍 (1)气电立焊设备主要组成。 气电立焊设备主要由携焊机头升降的机械系统；快速送丝系统；水冷强迫成型系统； 焊接电源及供(保护)气系统；焊枪及焊枪摆动控制系统；焊接过程自动控制系统等组成， 如图2.4所示。 图 2.4 气电立焊设备示意 型号：SEG-1；输入电压：AC 38010V；行走速度O530mmmin；驱动方式i齿轮齿条；质量22 kg；最大负载50 kg；立焊；外型尺寸：360 mmx665 minx365 mm适合板厚：932 mm；单面V型坡口； 19-80双面x型坡口。 (2)船体气电自动立焊机的要求。 气电自动焊最适用于船体总段大合拢缝的焊接，如图2.5所示，多个永磁体吸盘将铝 合金齿条轨道固定在船体钢板上，其轨道可以接长数十米。焊机的整体机架内具有自动 提升机构和自动锁定装置，便于船体立缝焊接时的高空作业，使操作安全可靠，使焊接 熔池始终处于最佳观察状态。 另外，送丝系统控制箱、焊接电源、循环冷却器等都安装在焊机整体机架内，与被 焊物体较近，故各配套线管大为缩短，有利于焊前准备和设备操作，也便于安装运输； 焊接控制系统中设置了电压、电流传感器，能自适应焊接坡口变化。设置了供气控制传 感器和循环冷却水压指示调节器，能保证焊接质量控制。 瑞典ESAB公司采用悬挂在焊缝顶部的牵引电机的动链条牵引机头上升的方案，既节 无锡太湖学院学士学位论文 8 省了磁力轨道和装卸工时费用，叉减轻了工人的劳动强度。 图 2.5 油轮船侧分段大合拢焊缝 立式环缝自动焊接机虚拟设计 9 3 主要零部件建模主要零部件建模 立式焊机结构设计大致完成后，即可对主要零部件进行三维建模，为进一步的装配 工作打好基础。在建模过程中有时不仅仅是单个零件的创建，而是从整个系统设计出发， 综合考虑装配、制造等问题，有时甚至要用程序来解决零件的建模问题。在三维建模过 程中，我们充分利用了 TOP-DOWN 的设计方法，以确保整机设计不出错误，同时也利用 一些建模技巧，尽量缩短了建模过程所占的时间。 气电立焊设备是一个复杂的装配体，仅零件建模总数就超过三百个，所以，如何对 建模数据进行妥善管理，是一个非常重要的问题。我们对每个组件或部件都创建了相应 的文件夹，为保证最后总装不出零件冲突问题，对名称相同的零件，如螺栓、螺冒等， 后面都加上所属组件的缩写名。由于零部件总数众多，对每个零件的建模过程都作相应 介绍显然是不现实的。为此，我们挑选了一些具有代表性的零件，在创建这些零件时运 用了相当多的技巧，所以着重介绍它们的建模过程。 3.13.1 丝杠的三维建模丝杠的三维建模 丝杠是此次立式焊机设计中传动装置的核心零件，创建时主要运用了螺旋扫描功能。 但考虑到仿真运动时需定义螺母沿螺旋线的槽机构运动，所以在螺旋扫描切材料前必须 先将螺旋曲线做出，而螺旋曲线创建需要一定的技巧，所以丝杠的创建具有一定的代表 性。 （1）绘制丝杠二维截面，用旋转加材料做出丝杠外圆柱面如图 3.1 和图 3.2； （2）利用螺旋扫描功能创建一螺旋曲面,必须与圆柱面相交如图 3.3； （3）选择螺旋曲面和整个丝杠外圆柱面,点击“编辑”-“相交” ，软件自动创建 螺旋曲面和外圆柱面的交线，即螺旋线； （4）利用螺旋扫描在外圆柱面上切出牙形，同时其螺距应与螺旋曲面螺距相同； （5）倒角并隐藏螺旋面螺旋线后，丝杠零件如图 3.4。 无锡太湖学院学士学位论文 10 图 3.1 绘制丝杠外圆二维截面 图 3.2 丝杠外圆柱面创建 立式环缝自动焊接机虚拟设计 11 图 3.3 创建螺旋曲面 图 3.4 丝杠零件 3.23.2 参数化齿轮建模参数化齿轮建模 在立式焊机的结构设计中，很多地方需要用到齿轮传动，所以，如何创建具有严格渐 开线齿廓的齿轮三维模型，成了一大难题。在很多资料中，齿轮的创建是以圆弧线代替 渐开线，我们认为这样的建模思路是不严谨且不科学的。为此，我们专门开发了 PRO/E 参数化齿轮建模方法，只需要创建一个标准齿轮，其余只需要输入模数、齿数、压力角 无锡太湖学院学士学位论文 12 等参数，软件即能自动生成新的齿轮三维模型。齿轮本身有很多种类，由于此次自动焊 接机的仿真过程中只用到直齿轮，同时也是受时间的约束，我们只对直齿轮做了参数化 设计。下面用较为详细的篇幅，来说明我们是如何创建这些齿轮模型的。 在立式环缝自动焊接机的结构设计中，很多地方需要用到齿轮传动，所以，如何创建 具有严格渐开线齿廓的齿轮三维模型，成了一大难题。在很多资料中，齿轮的创建是以 圆弧线代替渐开线，我们认为这样的建模思路是不严谨且不科学的。为此，我们专门开 发了 PRO/E 参数化齿轮建模方法，只需要创建一个标准齿轮，其余只需要输入模数、齿 数、压力角等参数，软件即能自动生成新的齿轮三维模型。齿轮本身有很多种类，由于 此次自动焊接机的仿真过程中只用到直齿轮，同时也是受时间的约束，我们只对直齿轮 做了参数化设计。下面用较为详细的篇幅，来说明我们是如何创建这些齿轮模型的。 （1）首先，在记事本中创建如下三段程序并保存： 程序 1： tooth_number number=20 “enter the number of teeth:“ module number=3 “enter the module:“ pressure_angle number=20 “enter the pressure angle:“ face_width number=15 “enter the face width:“ rad_fillet number=0.4 “enter the fillet:“ 程序 2： rad_pitch=0.5*tooth_number*module rad_base=rad_pitch*cos(pressure_angle) circular_pitch=pi*module tooth_thick_on_pitch=circular_pitch/2 rad_addendum=rad_pitch+1*module rad_dedendum=rad_pitch-1.157*module inv_phi=tan(pressure_angle)-pressure_angle*2*pi/360 tooth_thick_on_base=2*rad_base*(tooth_thick_on_pitch/(2*rad_pitch)+inv_phi) ang_tooth_thick=tooth_thick_on_base/rad_base*360/(2*pi) ang_tooth_space=360/tooth_number-ang_tooth_thick 程序 3： todeg=180/pi roll_angle=0 solve roll_angle*todeg-atan(roll_angle)=trajpar*ang_tooth_thick for roll_angle sd7=rad_base*(1+roll_angle2)0.5 立式环缝自动焊接机虚拟设计 13 （2）运行 PRO/ENGINEER 软件，新建一个文件，命名为“CHILUN”零件，注意 不要用缺省模板，利用 mmns_prt_solid 模板创建。 （3）点击“工具”-“程序”-“编辑设计” ，在弹出的程序编辑对话框中按照如 下方式输入程序： VERSION REVNUM 78 零件 CHILUN 的列表 INPUT 此处插入程序此处插入程序 1 END INPUT RELATIONS 此处插入程序此处插入程序 2 END RELATIONS ADD FEATURE (initial number 1) 内部特征标识 1 点击“文件”-“保存” ，系统会询问是否将所做修改体现到当前模型中，点击“是”- “当前值” 。至此，系统程序已经创建完毕。 （4）创建齿轮本体。点击“插入”-“拉伸” ，选择 FRONT 面为草绘面，TOP 面为 向上面。草绘一圆，直径取任意值，拉伸长度也取默认值。点击“工具”-“关系” ，弹 出参数关系对话框，在“查找范围”中选择“特征” ，在模型树中选择刚才创建的拉伸特 征。在关系输入框中输入“=2*rad_addendum”和“=face_width”两个关系式。点击 2 d 1 d “确定”-“编辑”-“再生”-“当前值” 。 如图 3.5 和图 3.6。 （5）经过轴线创建一基准平面，与 TOP 面的夹角取默认的 45。创建夹角的关系， 点击“工具”-“关系” ，选择“特征” ，点击刚才创建的基准平面，将 “=360/tooth_number”输入关系对话框，电击“确定”-“编辑”-“再生”- 0 d “当前值” ，生成与 TOP 面成 18的一个基准平面。如图 3.7。 无锡太湖学院学士学位论文 14 图 3.5 拉伸一圆柱体 图 3.6 定义齿轮本体参数 立式环缝自动焊接机虚拟设计 15 图 3.7 创建镜像基准平面 （6）在齿轮本体端面上画一曲线，以端面为草绘面，DTM1 为向上面。点击“工具” -“关系” ，在弹出的关系设置对话框中选择“特征” ，点选刚才创建的曲线，在关系对 话框中输入=ang_tooth_space/2、=ang_tooth_thick、=rad_base，其中、 3 d 4 d 5 d 3 d 4 d 分别为中心线角度、圆弧弧度、及圆弧半径的参数符号。点击“确定”-“编辑”- 5 d “再生”-“当前值” 。最后，将该曲线镜像到齿轮本体的背面。 （7）点击“插入”-“可变截面扫描” ，按住 CTRL 键选择刚才创建的两条曲线， 点击草绘按纽，绘制截面如图 3.8。点击“工具”-“关系” ，在关系对话框中输入程序 3。完成可变截面扫描齿廓曲面创建， （8）镜像上一步创建的渐开线齿廓面，以基准平面 DTM1 为镜像面。 （9）以齿轮本体端面为草绘面，DTM1 为向下面，草绘一截面切减出第一个齿槽。 同时，以关系式来控制草绘中大圆的直径，关系式的输入在此不再赘述，如果屏幕上显 示大圆直径符号为，则输入关系为=rad_dedendum，表示将其值定义为基圆直径。 13 d 13 d 最后齿槽如图 3.9 对齿廓的棱线倒圆角。 （10）点击“编辑”-“特征操作”-“组”-“局部组” ，设置好组的名称后， 在模型树中选择从 DTM1 特征开始到倒圆角特征为止，点击确定。 （11）阵列刚才的组特征，以 DTM1 特征的 18尺寸为增量尺寸，增量 18，个 数为 2 个，点击确定 （12）点击“工具”-“关系”,弹出关系对话框。选择“特征” ，选择刚才创建 的阵列特征，输入=360/tooth_number 和=tooth_number 两个公式，其中为增量 15 d 16 p 15 d 尺寸的符号，为增量数目的符号。点击“确定”-“编辑”-“再生”-“当前值” 16 p 无锡太湖学院学士学位论文 16 。 （13）设置新的图层将多余的曲面、曲线隐藏掉。 （14）参数化齿轮模型创建好以后,如果需要其他参数的直齿轮模型,仅需更改相应 参数即可。比如，需要创建齿数为 30，模数为 4 的直齿轮，则先打开上述过程创建的标 准模型，点击“工具”-“参数” ，在弹出的参数对话框中更改相应参数, 改好后,点击 “确定”-“编辑”-“再生”-“当前值”,系统立即产生相应的齿轮模型,最后, 将多出来的曲面和曲线隐藏掉,即产生出新的齿轮,如图 3.10。 （15）由此可知,创建标准齿轮,然后以此为模板再生新的各种齿轮,是十分精确和方 便的。同时，这种建模方法也为整个建模过程节省了大量的时间，以将更多的精力投向 其他过程。 图 3.8 草绘齿廓截面 立式环缝自动焊接机虚拟设计 17 图 3.9 第一个齿槽成型 图 3.10 新的齿轮模型 3.33.3 轴承三维模型的创建轴承三维模型的创建 在产品三维建模过程中，有很多情况下并不是依靠一种软件完成的，而是多种软件的 综合运用，以充分利用这些软件的各种优点。同样，我们在气电立焊设备三维建模过程 中，并不是仅仅只用 PRO/ENGINEER 一种软件，还用到了北航海尔开发的 CAXA 软件， 以及 AUTOCAD 软件。面对设备中大量的标准件，我们充分利用了 CAXA 软件自带的标 无锡太湖学院学士学位论文 18 准件库，快速而又准确地创建了诸如螺栓、轴承等零件。下面，介绍一下如何将 PRO/E 和 CAXA 相结合来创建圆锥滚子轴承零件。 （1）打开 CAXA2005 软件，点击“绘图”-“库操作”-“提取图符” ，出现提取 标准件图符对话框如图 3.11； （2）点选“轴承”大类，选择“圆锥滚子”小类，点击“下一步” ，选择 30202 型 圆锥滚子轴承，点击“确定” ，则 30202 型圆锥滚子轴承的二维图被调出如图 3.12； （3）将轴承图上的中心线、剖面线、尺寸线全部删除，并将二维图平移到原点； （4）点击“另存” ，保存成“IGES”格式，以利于 PRO/E 直接调用； （5）打开 PRO/E 软件，点击“插入”-“模型基准”-“曲线”-“自文件” ，选 择坐标系后，调入刚才创建的轴承曲线； （6）利用旋转命令，创建轴承外圈和轴承内圈，注意草绘截面时需使用曲线； （7）利用上述方法创建第一个滚子，然后阵列如图 3.13； （8）进行倒角操作、隐藏曲线后，完成轴承的创建 3.14； 从轴承零件的创建过程来看，由于采用了 CAXA 的标准件库，所以节省了大量的查 表时间，同时也使建模过程变得相当简单，在轴承零件种类不多的情况下，这是一种非 常可取的方法。 图 3.11 CAXA 提取图符对话框 立式环缝自动焊接机虚拟设计 19 图 3.12 调出标准件图 图 3.13 创建滚子 无锡太湖学院学士学位论文 20 图 3.14 圆锥滚子轴承创建完毕 3.43.4 垫片的创建垫片的创建 立式焊机的三维建模，需要用到大量的标准件，诸如轴承、螺栓、垫片、螺帽等等。 如果数量不是很多，我们可以一一创建，但是如果是一台复杂的机器，那标准件的数量 是很大的，每一个都创建一次将非常耗时。如果对于多种相同的标准件，只是规格参数 不一样，我们可以利用 PRO/E 的零件族表功能来创建，也就是说对于一组标准件，我们 只要创建一个模板零件，其余零件通过零件族表直接调出，不需要再创建。此功能类似 创建标准件库，每一个规格的零件都能随时呼出。下面以垫片标准件为例，讲述如何使 用零件族表来创建标准件库 （1）打开 PRO/E 软件，创建一个新零件，命名为 DIANPIAN。用两侧拉伸创建垫 片模板零件如图 3.15； （2）双击垫片三维模型,出现三个尺寸，点击“信息”-“切换尺寸” ，三个尺寸 值变为、，点击代表垫片厚度的，右键弹出属性对话框，在尺寸文本中将 d0 0 d 1 d 2 d 0 d 改成 thick，代表厚度。点击确定；如图 3.16； （3）点击“工具”-“族表” ，弹出族表对话框； （4）点击“插入”-“列” ，弹出族项目对话框，点击“尺寸” ，双击垫片三维模 型，出现尺寸符号； （5）按住 CTRL 键依次复选，thick，点击确定，弹出族表栏； 1 d 2 d 点击“插入”-“实例行” ，按照自己需要的垫片尺寸在相应栏里填入尺寸，每一个实 例行均代表一种垫片。完成后点击确定。保存并关闭窗口； （6）重新打开刚才的垫片文件，会发现软件弹出零件选择对话框，让我们选择需要 立式环缝自动焊接机虚拟设计 21 的垫片模型，如图 3.17； 从垫片标准件族表的创建过程和结果来看，当遇到多种相同标准件的三维建模问题 时，创建族表是一种行之有效的方法。而且，我们可以利用此功能开发符合国家标准的 标准件库，为三维建模乃至装配提供了极大的方便，而且缩小了占用硬盘的空间。 图 3.15 垫片模板零件的创建 图 3.16 更改尺寸代表符号 无锡太湖学院学士学位论文 22 图 3.17 软件要求选择打开零件 立式环缝自动焊接机虚拟设计 23 4 零部件虚拟装配零部件虚拟装配 在 PRO/E 中进行机构运动仿真，必须要将创建好的零件三维模型一一组装起来，同 时在装配时定义零件与零件、组件与零件、组件与组件之间的各种运动副，以便装配好 以后进行机构运动仿真。由于立式焊机结构复杂，将整台机器的装配过程统统介绍一遍 显然是不现实的，在此，我们仅介绍一些具有代表性的装配过程，这些装配过程用到了 一些实用的装配技巧。不管设备多么复杂，装配过程都是由常用装配方法和一些装配技 巧来完成的。 4.14.1 基本装配约束介绍基本装配约束介绍 PRO/ENGINEER 软件系统的装配环境提供了很多种约束方法，一共 9 种，现在将其 作一简单介绍。 （1）匹配约束：定位两个平面，并使它们的法线正向相对。 （2）对齐约束：使用该约束，能将两轴线同轴，两平面法向平行，两点重合。 （3）插入约束：使用该约束可以将一旋转曲面插入另一旋转曲面中，以使它们各自 的轴线重合。 （4）坐标系约束：该约束能将元件的坐标系和组件的坐标系相重合。 （5）相切约束：使得两曲面在切点接触。 （6）线上点约束：使用该约束控制边、轴线或基准曲线与点的接触。 （7）曲面上的点：使用该约束控制曲面和点之间的接触。 （8）曲面上的边：使用该约束来控制曲面与平面边界之间的接触。 （9）自动约束：“自动”约束就是 PRO/ENGINEER 的默认约束，使用该约束将系 统创建的元件的默认坐标系与系统创建的组件的默认坐标系对齐，系统就放置原始组件 中的元件。该约束的另一种使用方法是，分别选择元件和组件中的几何元素，系统将自 动为操作者选择约束，从而将元件装配好。但是，系统分配的约束往往是不正确的，这 时就必须由操作者自己来进行修改。 尽管 PRO/ENGINEER 系统提供了相当多的约束方法，但大多数实际情况中并不能只 使用一种约束就能把元件装配好，而是需要多种约束共同来完成。比如把销放孔里，则 至少需要“插入” 、 “对齐”或“匹配”两种约束，同时还要允许系统假设才能完全约束。 所以，装配约束如何灵活使用，需要操作者自己来体会，通过一定的实践锻炼后肯定会 有所提高。 4.24.2 多个螺栓的重复性装配多个螺栓的重复性装配 螺栓是用的最多的一种紧固件，当数量大时，逐个装配会带来很多麻烦，而且也浪 费大量的时间。所以，如果在装配中采用重复性装配，就能够快速地解决此类问题。 （1）运行 PRO/E 软件，打开相应组件，点击“插入”-“元件” ，调出螺栓零件， 如图 4.1； （2）点击“插入”约束，选择螺纹外径和垫片孔，点击“匹配”约束，选择螺栓头 无锡太湖学院学士学位论文 24 底面和垫片顶面，实现第一个螺栓的装配，如图 4.2； （3）点