（精密仪器及机械专业论文）基于ProENGINEER的虚拟样机技术在三维雕刻机结构设计中的应用(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 本文讨论了虚拟样机技术在数控雕刻机的结构设计与运动学分 析上的应用。 利用三维参数化造型软件p r o e n g i n e e r 建立了三维雕刻机基 于特征的参数化模型，以此为基础建立了虚拟样机；对虚拟样机模型 进行了运动机构仿真，模拟了雕刻机的实际运动状态。 对雕刻机的虚拟样机进行了优化分析和模态分析。以雕刻头的x 向位移为目标函数，对导轨的直径和支架的厚度进行了优化分析；分 析了几种不同参数条件下雕刻机横梁的振型和固有频率。为雕刻机的 后续研究打下了坚实的基础。 关键词：雕刻机、虚拟样机、p r o e n g i n e e r 、运动仿真、优化 分析、模态分析 英文摘要 t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n i q u e o nt h es t r u c t u r ed e s i g na n dk i n e m a t i c sa n a l y s i so fn u m e r i c a lc o n t r o l l e d e n g r a v i n gm a c h i n e b yu t i l i z i n gp r o e n g i n e e rs o f t w a r e ，t h e3 de n g r a v i n gm a c h i n e m o d e lb a s e do nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ra n di t sp r o t o t y p ei ss e tu p t h e k i n e m a t i c se m u l a t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p em o d e li sb u i l d ，w h i c hs i m u l a t e s t h em e c h a n i s mm o t i o no fe n g r a v i n gm a c h i n e o p t i m a la n dm o d a la n a l y s i si st a k e n t a k i n gxd i s p l a c e m e n to fc u t t e r a so b j e c t i v ef u n c t i o n ，s l i d ed i a m e t e ra n db r a c k e t t h i c k n e s sa r eo p t i m i z e d ； v i b r a t i o nm o d ea n dn a t u r a lf r e q u e n c yo fc r o s sb e a ma r ea n a l y z e d t h e w o r k sl a yas o l i df o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w u ps t u d yo ft h ee n g r a v i n g m a c h i n e k e y w o r d s ：e n g r a v i n gm a c h i n e ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，p r o e n g i n e e r ， k i n e m a t i c se m u l a t i o n ，o p t i m a la n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s 5 第一章绪论 1 1 数控雕刻机及其发展现状 1 1 1 数控雕刻机 传统雕刻加工业是一门技术性要求很高的手工技艺，雕刻品的质量完全取决 于雕刻师的技艺水平，所以生产的效率低、成本高，制品的随意性强、一致性差， 严重制约了雕刻行业的发展。这使得雕刻机的产生成为必然。 雕刻机的功能决定了其使用范围。从工艺上，雕刻可分为全自由度空间雕刻、 三维立体雕刻和二维平面雕刻。其中，全自由度空间雕刻主要用于一些形状复杂 的工艺品或大型艺术作品的雕刻工作，如玉雕、木雕工艺品以及冰雕与沙雕等作 品。此类制品往往注重艺术创作性，制品的构成形状复杂、随意性强、工艺性差。 因此这类工艺迄今为止雕刻机尚无能为力，只能采用手工雕刻，制品的质量和艺 术性完全依赖于雕刻师的技艺水平。相比之下，在三维立体雕刻和二维平面雕刻 工艺中雕刻机则大有可为。三维立体雕刻类似于三维铣削加工，可以完成精密模 具、艺术浮雕曲面等雕n 3 n i ；而二维平面雕刻工艺主要用于标牌文字及平面几 何图形的雕刻加工。目前，三维立体和二维平面雕刻大部分已采用雕刻机完成， 克服了传统手工雕刻存在的缺陷。 根据控制原理的不同，雕刻机可分为仿形雕刻机和数控雕刻机( 采用c n c 系统) 两大类型。 仿形雕刻机的工作原理类似于仿形铣削，在加工前必须制作仿形模型，这一 过程通常需手工完成，周期长、效率低。 数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物，是一种专用的数控机床。 与通用数控机床类似，数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作， 实现雕刻加工的自动化。较传统的手工雕刻、仿形雕刻，数控雕刻具有生产效率 高、加工精度高、成品率高、对零件的适应性强等显著优势；同时，借助于专用 的雕刻c a d c a m 软件系统，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，数 控雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效手段，也是当今 雕刻机的发展主流，广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装潢等 众多领域。 根据雕刻对象和应用领域的不同，数控雕刻机可分为模具雕刻机、木工雕刻 机、广告雕刻机、激光雕刻机等多种类型。它们的加工性能要求出入很大，对机 床和数控系统的要求也各不相同。如模具雕刻机的加工材料为金属，所以对机床 本体的刚性要求较高，而且其加工对象是模具，所以对加工系统的精度要求高； 而广告机加工的是一般是塑胶板或有机玻璃等非金属材料，所以对机床刚性和加 工系统的精度都没有很高要求。但各类雕刻机都有一个共同的特点，也是数控雕 刻机与普通数控机床的一个显著区别，就是由于雕刻刀的特殊性，每次切削的有 效成形面积小，所以零件雕刻的刀具运动轨迹很长，加工时间往往也较长。因此， 提高雕刻机的刀具运动速度对缩短零件雕刻时间、提高加工效率具有特别重要的 意义。 按照伺服驱动控制的类型不同，数控雕刻机又可以分为步进驱动雕刻机和伺 服驱动雕刻机。步进驱动属于开环控制，控制精度较低，但价格便宜，适用于对 加工要求不高的中低档雕刻机，如木工、广告业的雕刻加工。伺服驱动控制精度 高，但价格较贵，主要用于模具加工等高精度雕刻机。 此外，还可根据运动坐标控制的联动轴数，将数控雕刻机分为三坐标数控雕 刻机、五坐标数控雕刻机等。三坐标数控雕刻机可以控制三个坐标轴联动，完成 浮雕等常规雕刻加工；五坐标数控雕刻机可以联动控制x ，y ，z 三个移动轴和 两个旋转轴，用来完成复杂形状零件的雕刻加工。 1 1 2 数控雕刻机的特点 数控雕刻机的主要特点如下： l 、自动化程度高。具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。 2 、产品的尺寸精度高，一致性好。数控雕刻过程是由计算机控制完成，可以达 到很高的精度和表面质量：批量加工时，产品的一致性好，这对于小模具行业十 分重要。 3 、拓展了雕刻领域。只需改变控制程序，数控雕刻机便可以雕刻浮雕、各种复 杂的曲面，支持各种刀具，改善了雕刻表面质量，提高了雕刻效率。 4 、数控雕刻机都有钻铣功能，可用于钻孔、切边、加工小模具，性价比高。 1 1 3 数控雕刻机的应用领域 数控雕刻机的应用领域广泛，举例如下： 1 、广告及礼品制作业，用于雕刻各类双色板标牌、有机玻璃、三维广告牌、双 色人物雕像、浮雕奖章、有机板浮雕、立体门头字等。 2 、模型制作业，制作沙盘模型、房屋模型等。 3 、模具制作业，雕刻纽扣浮雕模、印刷烫金模，注塑模、冲压模、鞋模等。 4 、木器业，用于浮雕图案设计及制作。 5 、印刷电路板( p c b ) 新产品开发中的电路制作，钻孔、铣槽等。 6 、印章业，各类字体各类材料的印章雕刻。 7 、电火花加工机床电极雕刻加工。 8 、机械加工业，刻度盘字轮及标尺刻度。 9 、汽车工业、轮胎模具，车灯模具及装饰品模具加工。 而且，随着各种新型装饰材料的不断出现，能用于雕刻的材料越来越多，使 得计算机数控雕刻机有了更大的用武之地。因此，计算机数控雕刻机的应用范围 还将不断扩大。 1 1 4 我国数控雕刻机的发展现状 随着近年来我国制造业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发展机 遇有效地促进了我国数控雕刻机的生产和推广应用。我国的数控雕刻机起步于经 济型数控机床，随着数控技术的进步，经过十多年的发展，已形成了多个国产品 牌的雕刻机，如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京糟雕公司生产的精 雕数控雕刻机和南京科能公司生产的威克数控雕刻机等。上述各类型雕刻机的机 床本体结构较为简单，控制器大多借鉴国外新技术，采用基于高档的微控制器或 p c 的数控系统，伺服部分以步进电机细分驱动为主，可获得中等控制精度，但 价格比较便宜，因此整机的性价比较高，适用于精度要求不太高的普及应用场合 对高精度的雕刻加工，目前我国尚以进口数控雕刻机为主，如意大利的左拉、日 本的全量等品牌的数控雕刻机。这类数控雕刻机机床本体设计刚度好、精度高， 采用伺服电机驱动，加工精度高，控制系统功能全、可靠性高，但价格昂贵，往 往数倍于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加工场合。 r 2 虚拟样机技术 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n i q u e ) 是指在产品设计开发过程中，将分 散的零部件设计和分析技术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并 针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而 改进产品设计，提高产品性能的种新技术。 随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期， 提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁 早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。 在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是 破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通 过周而复始的设计一试验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗 长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反 应了。样机的单机制造增加了成本，在大多数情况下，工程师为了保证产品按时 投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的缺陷在竞争的市场的 背景下，基于物理样机的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的 降低和对市场的占有。 虚拟样机技术从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决了传 统的设计与制造过程弊端。在该技术中，工程设计人员可以直接利用c a d 系统 所提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关 系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软 件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力 情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以在计算机上 9 方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直 至获得最优设计方案以后，再做出物理样机。 虚拟样机技术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助设计( c a d ) 技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先，( c a d ) 中的三维几何造型技术能 够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等繁琐的工作交给计算机去 做。这样，设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型 技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单。第三，由于c a d 强大的 三维几何编辑修改技术，使机械系统设计的快速修改变为可能，在这基础上，在 计算机上的设计、试验、设计的反复过程才有时间上的意义。 虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的 运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本 无法进行的试验，直到获得系统级的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯串在 整个设计过程当中，它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经 验与想象结合在计算机内的虚拟样机里，让想象力和创造力充分发挥。当虚拟样 机用来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率 得到了提高。 对于复杂机械系统人们关心的问题大致有三类：一是在不考虑系统运动起因 的情况下，研究各部件的位置与姿态及其他们变化速度与加速度的关系，称为系 统的运动学分析；二是当系统受到静载荷时，确定在运动副制约下的系统平衡位 置以及运动副静反力，这类问题称为系统的静力学分析；三是讨论载荷与系统运 动的关系，即动力学问题。研究复杂机械系统在载荷作用下各部件的动力学响应 是产品设计中的重要问题。f , 女i t j 1 力求系统运动的问题归结为求非线性微分方程 的积分，称为动力学正问题。己知系统的运动确定运动副的动反力的问题是系统 各部件强度分析的基础，这类问题称为动力学的逆问题。现代机械系统离不开控 制技术，产品设计中经常遇到这样的问题，即系统的部分构件受控，当它们按某 己知规律运动时，讨论在外载荷作用下系统其他构件如何运动。这类问题称为动 力学正逆混合问题。 虚拟样机技术最初是源于对多体系统动力学的研究。工程中的对象是由大量 零部件构成的系统对它们进行设计优化与性态分析时可以分为两大类：一类称为 结构，它们的特征是在正常的工况下构件间没有相对运动，如房屋建筑、桥梁、 航空航天器与各种车辆的壳体以及各种零部件的本身。人们关心的是这些结构在 受到载荷时的强度、刚度与稳定性；另一类称为机构，其特征是系统在运行过程 中这些部件间存在相对运动。如航空航天器、机车与汽车、操作机械臂、机器人 等复杂机械系统。此外，在研究宇航员的空间运动、在车辆的事故中考虑乘员的 运动以及运动员的动作分析时，人体也可认为是躯干与各肢体间存在相对运动的 系统。上述复杂系统的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系 统。 综上所述，虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动 学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时地 提供了求解这种问题的有效的快速算法。计算机可视化技术及动画技术的发展为 这项技术提供了友好的用户界面。c a d f e a 等技术的发展为虚拟样机技术的应 用提供了技术环境。目前，虚拟样机技术己成为一项相对独立的产业技术，它改 变了传统的设计思想，对制造业产生了深远的影响。 第二章雕刻机的机械结构 2 1 雕刻机的工作原理 计算机数控雕刻机实际是一个三维数控系统，其工作原理如图所示 图2 - l 数控雕刻机工作原理 通用微型计算机内安装专用的设计排版软件进行图形、文字的设计、排版， 自动生成加工路径信息，通过u s b 接口或其他数据传输接口将刀具路径数据传输 给单片机，数控系统接收刀具路径数据，完成显示、和用户交互等一系列功能后， 用特定的算法将输入的路径信息转化为数控信息，控制器把这些信息转化为驱动 步进电机或伺服电机的信号( 脉冲串) ，控制雕刻机x ，y ，z 三轴的走刀。同时， 雕刻机的高速旋转主轴，通过按加工材质配各的刀具，对固定于主机工作台上的 工件进行铣削，即可雕刻出在计算机上设计的各种平面或立体的图形文字，实现 雕刻自动化加工。 2 2 整体结构 机械结构作为雕刻机的硬件部分，对雕刻机的加工过程、刻字效果等有着重 要的影响。下面对数控雕刻机的机械结构作详细介绍。 雕刻机总体布局的基本要求有以下几点： 1 、首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等各种要求； 2 、确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在经济、 合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率： 3 、确保雕刻机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音 水平： 4 、应便于观察加工过程，便于操作、调整和维修，便于输送、装卸工件和清理， 注意防护，确保安全； 5 、结构简单，合理可靠，便于加工和装配； 在满足总体布局的基本要求的基础上，还应当考虑影响雕刻机布局的基本因 素： 1 、表面形成运动的影响 不同形状的加工表面往往采用不同的刀具来加工，从而表面形成运动的形式 和数目就不同，并导致布局的差异。相同形状的加工表面，由于工件的技术要求 和生产率要求等不同，也可以采用不同的刀具、不同的表面形成运动来加工，从 而形成不同的布局。由此可知，工件表面形成运动直接决定了雕刻机布局的形式， 是影响雕刻机布局的决定性因素。因而，在布局雕刻机时，必须根据加工要求， 全面、综合地考虑工件的表面形成方法及运动，以期作出具有较好技术经济效果 的布局设计。 2 、雕刻机运动分配的影响 工件表面形成方法及运动相同，而雕刻机的运动分配不同，雕刻机的布局也 会不同。对于同一种运动分配的布局，由于导轨的布置和其它结构形式的不同， 也将使雕刻机的布局出现变化。在分配雕刻机运动时，一般应注意以下几点： 1 ) 移动部件的重量应尽量轻。在其它条件相同的情况下，移动部件的重量 越小，所需电机功率和传动件的尺寸也越小 2 ) 应有利于提高加工精度 3 ) 应有利于提蒿i 雕刻机剐度，缩小占地面积 3 、工件的尺寸重量和形状的影响 工件的表面形成运动及雕刻机部件的运动分配基本相同，而工件尺寸、重量 和形状不同，雕刻机的布局也会有很大差异。 另外，还应考虑雕刻机性能要求的影响，如振动、噪声、热变形、刚度和抗 振性，操纵方便形的影响，模块化设计法的影响等。 本数控雕刻机体积较小，精度要求较高，承载工件重量轻、尺寸小。综合几 点考虑，雕刻机的整体机械结构示意图如下所示： 图2 - 2 雕刻机的整体结构 图2 - 3 雕刻机正视图 图2 - 4 雕刻机俯视图 图2 5 雕刻机侧视图 该三维雕刻机的机械几何结构，由以下几部分组成： 1 、底座部分 作为整机的基础，承担整个机体的重量，要求稳定坚固。底座由底下的四只支撑 脚与地面接触； 2 、工作台部分 工作台部分由工作台，y 方向的丝杠和导轨，以及支架组成。工作台作为雕刻机 工作时承载雕刻物体的部件，表面有t 形沟槽，由丝杠驱动，导轨导向： 3 、横梁部分 横梁由x 方向的丝杠和导轨，以及支架组成。横梁承载机头的重量，驱动机头运 动，容易弯曲变形，在结构仿真和运动仿真中是重要的分析对象： 4 、机头部分 机头部分由主轴组件，z 方向的丝杠和导轨，以及支架组成。丝杠驱动主轴组件 的上下运动，主轴组件在加工过程中直接带动雕刻头的高速旋转运动。 下面从雕刻机的功能角度，介绍一下各部分的结构及设计： 1 6 2 3 进给系统 进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。 它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转 换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等 执行部件实现工作进给和快速运动。数控系统的伺服进给系统与一般机床的进给 系统有本质上的区别，它能根据指令信号精确的控制执行部件的运动速度和位 置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。 下面介绍下雕刻机的进给系统的机械结构和电机驱动。 雕刻机的进给运动方式如下： 工作台带动工件做y 方向的进给运动，机头沿x 方向横梁做进给运动，雕刻 头在直流电机的带动下做高速旋转，并在z 方向做上下运动。刀具和工件的运动 的合成就可以得到文字和图案的轮廓。 1 、机头沿x 方向的丝杠左右运动，实现雕刻宽度； 图2 - 6x 方向机构 2 、工作台沿y 方向的丝杠前后运动，实现雕刻长度 图2 7 y 方向机构 3 、机头沿z 方向的丝杠上下运动，实现雕刻深度。 图2 8z 方向机构 各个传动链中均采用丝杠螺母传动副，保证了运动的传递平稳和结构的紧 凑。 丝杠一端通过联轴器与电机轴相联，由步进电机驱动丝杠，将旋转运动转化 为直线运动。另一端采用轴承为支承。步进电机的旋转方向和转速，由指令脉冲 决定。指令脉冲数就是电动机的转动步数，即角位移的大小。只要改变指令脉冲 1 8 频率，就可以使步进电动机的旋转速度在很宽范围内连续调节。它具有以下特点： 1 、位置控制功能 可预先发出具体的脉冲数量，从而得到需要输出的角度。 2 、无极调速功能 可根据发送脉冲的速度，得到需要的电机的转速。 3 、正反，急停及锁定功能 通过对系统的高低电平控制，得到正反旋转的效果，在电机锁定情况下( 电机 绕组中存在电流，外部没有要求旋转的电脉冲) ，仍有静止力矩的输出。 4 、低转速及高精度位置功能 通过对脉冲速度的控制，可直接得到极低的转速而不需要通过齿轮箱的过渡，从 而避免了功率的损耗和角度位置的偏差。 5 、长寿命 不需要象普通的直流电动机通过电刷和换相器换相，从而减少了摩擦，增长了寿 命。 日 出e 要 _ _ 二 ；一 c j = 广 l f 斗斋习卜 j 一一i | 【l 儿l 卜l 山 幸 三 = 一 睢 图2 - 9 丝杠与电机轴的连接 刚性联轴器用于丝杆与电机的联接，可提高两轴头连接的固定精度。它的特 点有： 1 、可用于小型、瞬间惯量小和高速转动的场合； 2 、安装后无反作用力，而且维护简单： 3 、提高丝杠的强度时，跳动不会受到影响 4 、依靠锁紧螺栓施加的摩擦紧固，无需键 6 、在高速转动时可保持平稳。 导轨的主要功能是导向和承载作用。导轨使运动部件沿一定的轨迹运动，从 而保证各部件的相对位置和相对位置精度。导轨承受运动部件及工件的重量及切 削力，在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。 雕刻机的x 向和y 向丝杠两侧各采用一对圆柱形导轨作为导向件，另外可以 分担丝杠所承受的机头和工作台的重量。圆柱形导轨加工容易，导向精度高，可 满足定位精度的要求。 z 向丝杠不承受径向载荷，为保证精度，采用三根导轨导向。z 向的固定依 靠丝杠螺纹的自锁来实现。 圆形导轨两端通过螺钉固定在丝杠支架上，并与导轨套形成移动副。 阳 三型归 虽确 邦圳 壶 稆 甘 图2 1 0 丝杠和圆导轨支承方式 各个传动链上的丝杠螺母与不同零件以螺钉固定连接，通过与丝杠的相对运 动实现传动： 1 、与工作台固定连接，相对于y 向丝杠运动 2 、与机头x 向支架固定连接，相对于x 向丝杠运动 3 、与机头z 向支架固定连接，相对于z 向丝杠运动 图2 1 1y 向丝杠螺母副 图2 1 2x 向丝杠螺母哥 2 1 2 4 主轴组件 主轴组件是雕刻机的执行件。它的功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切 削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。主轴组件由主轴及其支承 和安装在主轴上的传动件、密封件等组成，要求良好的回转精度、结构刚度、抗 振性、热稳定性及精度的保持性。 雕刻机的主轴部分固定在z 向丝杠的支架上，采用直流电机驱动主轴高速旋 转，实现刀具的切削运动。直流电机具有以下特点： l 、调速范围宽 其转子转速可在宽广的范围内连续调节并稳定运行。 2 、特性呈线性 不论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度。即在整个调节范围内，转速随 转矩的变化关系或是转速随控制电压的变化关系都是线性的。 3 、快速反应 在输入控制信号的作用下，转子能迅速的反应动作，时间常数小。 图2 1 3 主轴部分 第三章雕刻机的虚拟样机建模 3 1p r o e n g i n e e r 软件介绍 p r o e n g i n e e r 是美国p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 公司于 1 9 8 8 年开发的参数化设计系统，是一套由设计至生产的机械自动化软件，广泛 应用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关 系数据库管理等领域。该软件由于强大的功能，很快被广大用户所接受，目前该 软件已经成为应用最广泛的c a d c a e c a m 软件之一。 p r o ，e n g i n e e r 软件的功能非常强大，它可以完成从产品设计到制造的全过 程，为工业产品设计提供了完整的解决方案。该软件主要包括三维实体建模、装 配模拟、加工仿真、n c 自动编程、有限元分析等常用功能模块，还包括模具设 计、钣金设计、电路布线、装配管路设计等专用模块。 p r o e n g i n e e r 也是最先进的c a d c a e c a m 软件的代表。由它所提出的 基于特征、全参数化、全相关、单一数据库及数据再利用等概念改变了传统的 m d a ( 机械设计自动化) 观念。这种全新的观念已成为当今世界机械设计自动 化领域的新标准，并指明了机械c a d c a e c a m 软件的趋势。利用此概念开发 的p m ，e n g i n e e r 软件实现了并行工程，能够让多个用户同时进行同一产品的 设计、制造。这大大缩短了产品开发的周期，降低了产品设计、生产、产品测试 等环节的生产成本。 3 1 1p r o e n g i n e e r 的系统特征 l 、参数化设计和特征功能 p r o e 采用参数化设计、基于特征的实体模型化系统，可采用具有智能特性 的功能去生成模型，如轴、孔、槽、壳、管道、倒角及圆角，可以随意勾画草图 和改变模型。 2 、单一数据库 p r o e n g i n e e r 是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的 c a d c a m 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部 来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部 门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设 计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，n c ( 数控) 工具路径也会 自动更新；组装图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。 3 、行为建模功能 行为建模技术功能主要体现在智能模型和目标驱动式设计两个方面。智能 模型表现为捕捉设计和过程信息以及定义产品所需要的各种工程规范。作为一种 智能设计，它提供了一组远远超过传统核心几何特征范围的自适应过程特征，这 种特征提供了大量信息，进一步详细确定了设计意图，是生产模型的一个完整的 部分，它们使得智能模型具有高度灵活性，从而对环境的变化反应迅速。目标驱 动式设计表现为优化每个产品的设计，以满足使用自适应过程特征从智能模型中 捕捉多个目标和不断变化的要求，同时解决相互冲突的目标问题。规范是智能模 型中固有的，一旦模型被修改，就能重新生成和重新校验是否符合规范，即用规 范来实际地驱动设计。 4 、机构设计技术 p r o e n g i n e e r2 0 0 1 以后版本包含了在整个装配过程中评估行为的功能。 在装配零件时，设计人员可以快速简单地把连接类型应用于零件，然后评估真实 的产品将如何动作。可以定义己知运动自由度的运动副，为实体模型增加智能成 分。机构装配完成后，可以对整个装配进行工程分析。 3 1 2p r o e n g i n e e r 主要功能模块 1 、工业设计( c a i d ) 模块 工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是 无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用3 d s 可以生成 实体模型，但用3 d s 生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。用p r o e 生 成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，p r o e 后阶段的各个工作数 据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。包括：p r o 3 d p a i n t ( 3 d 建模) 、 p r 0 ，a n i m a t e ( 动画模拟) 、p r o d e s i g n e r ( 概念设计) 、 p r o n e t w o 础 a n i m a t o r ( 网络动画合成) 、p r o p e r s p e c l 、a s k e t c h ( 图 片转三维模型) 、p r o p h o t o r e n d e r ( 图片渲染) 几个子模块。 2 、机械设计( c a d ) 模块 机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零 件。p r o e 生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于 生成曲面的方法较多，因此p r o e 可以迅速建立任何复杂曲面。它既能作为高 性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用，它支持g b 、a n s i 、 i s o 和j i s 等标准。包括：p r o a s s e m b l y ( 实体装配) 、p r o c a b l i n g ( 电 路设计) 、p r o p i p i n g ( 弯管铺设) 、p r o r e p o r t ( 应用数据图形显示) 、 p r o s c a n t o o l s ( 物理模型数字化) 、p r o s u 趾a c e ( 曲面设计) 、 p r 0 w e l d i n g ( 焊接设计) 。 3 、功能仿真( c a e ) 模块 功能仿真( c a e ) 模块主要进行有限元分析。机械零件的内部变化情况是难 以知晓的。有限元仿真使我们有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。 利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。包括： p r o f e m 冲o s t ( 有限元分析) 、p r o m e c h a n i c a c u s t o m l o a d s ( 自定义 载荷输入) 、p r o m e c h a n i c a e q u a t i o n s ( 第三方仿真程序连接) 、 p r o m e c h a n i c p d 讧0 t i o n ( 指定环境下的装配体运动分析) 、 p r o m e c h a n i c a t h e r m a i ，( 热分秒i ) 、p r o 删e c h a n i c a t i r e m o d e l ( 车 轮动力仿真) 、p r o ，m e c h a n i c a v i b r a t i o n ( 震动分析) 、p r o m e s h ( 有限 元网格划分) 。 4 、制造( c a m ) 模块 在机械行业中用到的c a m 制造模块中的功能是n cm a c h i n i n g ( 数控加工) 。 p r o e s 的数控模块包括：p r o c a s t i n g ( 铸造模具设计) 、p r o m f g ( 电加工) 、 p r o m o l d e s i g n ( 塑料模具设计) 、p r o n c c h e c k ( n c 仿真) 、p r o n c p o s t ( c n c 程序生成) 、p r o s h e e t m e t a l ( 钣金设计) 。 5 、数据管理( p d m ) 模块 p r o e 的数据管理模块就像p r o e 家庭的一个大管家，将触角伸到每一个 任务模块。并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零 件的数据。这个管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。它包 括：p r o p d m ( 数据管理) 、p r o r e v i e w ( 模型图纸评估) 。 6 、数据交换( g e o m e t r yt r a n s l a t o r ) 模块 在实际中还存在一些别的c a d 系统，如u g i i 、e u c l i d 、c i m a t r t o n 、 m d t 等，由于它们门户有别，所以自己的数据都难以被对方所识别。但在实际 工作中，往往需要接受别的c a d 数据。这时几何数据交换模块就会发挥作用。 p r o e 中几何数据交换模块有好几个，如：p r o c a t ( p r 0 e 和c a t i a 的数据 交换) 、p r o c d t ( 二维工程图接口) 、p r o d a r a f o r p d g s ( p r o e 和福特汽 车设计软件的接口) 、p r o d e v e l o p ( p r o e 软件开发) 、p r o d r a w ( 二维数 据库数据输入) 、p r o i n t e r f a c e ( 工业标准数据交换格式扩充) 、 p r o i n t e 1 a c e f o r s t e p( s t e p i s 0 1 0 3 0 3数据和p r o e交换) 、 p r o l e g a c y ( 线架曲面维护) 、p r o l i b r a r y a c c e s s ( p r o e 模型数据库 进入) 、p r o p o l t ( h p g l 伊o s t s c r i p t a 数据输出) 。 3 2 雕刻机虚拟样机模型的建立 3 2 1 基于特征的参数化建模 为建立雕刻机的三维虚拟样机模型，首先需要在p r o e n g i n e e r 标准模块 下，对单个零件进行建模。 为便于修改和进行参数优化，对零件采取参数化建模。参数化建模是p r o e n g i n e e r 最主要的特征之一。所谓的参数化是指创建的零件模型完全使用参 数来进行约束。它包括截面图形的参数化，零件模型的参数化以及装配体模型的 参数化。 截面的参数化是指在p r o e n g i n e e r 软件的二维截面图形中，每一个尺寸 对应于唯一的参数，通过修改或调整参数可改变图形几何元素的大小和形状。 零件的参数化是指系统将构成模型的特征的位置尺寸、形状尺寸参数化，尺 寸和参数之间一一对应，通过修改尺寸可以调整和改变特征的位置和形状。这使 得图形的修改变得简便快捷。 装配体模型的参数化是指创建装配体模型中的相对位置的尺寸、形状尺寸也 是由对应的参数来决定。通过修改这些参数值可以直接调整、改变装配零、部件 之间的相对位置。 p r o e n g i n e e r 软件全参数化结合p r o e n g i n e e r 软件的单一数据库的功 能，使得无论是在零件模块、装配模块、制造模块、工程图模块或者其他任何模 块中修改特征参数，相对应的零件立即得到更新，大大简化了零件的修改过程。 在p r o e n g i n e e r 软件中，零件的创建过程就是特征的累加过程。“特征” 是指有一定拓扑关系的一组实体体素构成的特定形体，及附加在形体之上的工程 信息。基于特征的零件模型于常规的几何模型之间的最大区别就是它所具有的工 程制造等信息。 使用特征累加的方法来创建零件模型具有以下优点： 1 、更加符合工程技术人员按照实际的加工过程来创建零件的习惯，使得软件容 易使用和学习。 2 、特征创建的过程也是增加工程制造信息的过程。 3 、使用特征创建零件模型，能够有效的支持创建特征后零件的加工工作，例如 c a p p 、n c 加工等过程的自动化。 3 2 2 建立零件模型 为简化运动学仿真和分析的处理过程和降低计算量，对雕刻机的模型进行了 简化，如忽略倒角等特征，去除螺钉等连接件。 根据雕刻机的整体机械结构，共建立了3 1 个零件模型。主要零件包括底座， 工作台，支架，三个方向的丝杠、导轨，主轴等。 以下是主要零件的三维模型图： 图3 - 1底座 图3 - 2 丝杠 图3 - 3工作台 2 8 图3 4 机头侧支架 图3 - s 机头电机支架 图3 - 6 枕头上支架 2 9 3 2 3 零件装配 图3 7 横向丝杠支架 图3 - 8 主轴 在完成单个零件的特征创建之后，使用零件装配模块可以将多个零件进行安 装配合，从而生成复杂的组件、部件。零件装配就是将多个零件按照一定的配合 关系组合在一起。将零件装配到一起形成组件的过程，也是通过p r o e n g i n e e r 软件指定零件之间约束的过程。通过指定零件之间的约束关系，确定零件之间的 相对位置，从而完成零件装配。 在装配过程中，可以检验零件设计是否合理，组成装配的零件之间是否有干 涉情况发生，零件与零件之间的相对位置如何，使用何种关系对位置进行约束。 创建一个装配体的过程如下： 1 、创建新的装配体文件； 2 、调入基础零件模型，通过元件放置对话框设置约束关系，确定零件的位置； 3 、调入要装配的第二个零件模型，分析两个零件之间的装配约束关系，并选择 相应的约束选项装配零件； 4 、调入与装配模型有关的其他零件模型进行装配。 装配约束是指一个零件模型相对于另一零件模型的放置方式和偏距。装配约 束的类型包括匹配、对齐、插入等。使用装配约束方式将零件模型加入到装配体 模型中，并形成父子关系后，零件的位置会根据其父零件位置的改变而改变。可 以随时修改约束中的参数，并可以与其他的参数建立关系式。 3 2 4 干涉检查 完成装配体模型后，除了可以从全局的角度来对装配体进行分析，还可以检 查组成装配的各元件之间的干涉情况，包括是否有干涉发生，干涉量是多少。 检查干涉情况的步骤如下： l 、激活干涉检查命令 2 、设置模型分析对话框 3 、系统计算 激活干涉检查命令，选择分析种类，进行系统计算。计算完成后，系统显示 干涉分析的结果，包括干涉的零件名称，干涉的体积大小，同时在图形显示窗口 将干涉部分用红色加亮显示。 3 2 5 装配完成 通过定义各个零件之间的约束，并进行了干涉检查，建立起了雕刻机的虚拟 样机装配模型。 装配完成后建立的雕刻机三维实体模型如图： 图3 - 9 雕刻机的三维实体模型 该装配模型仅仅具有零件之间的相对位置约束关系，并不具备运动关系。想 对其进行运动学分析和结构分析，必须进入p r o e n g i n e e r 的m e c h a n i c a 模块， 进行进一步的运动连接定义。 第四章运动仿真与结构优化 对于复杂机械系统人们关心的问题大致有三类：一是在不考虑系统运动起因 的情况下研究各部件的位置与状态及其变化速度与加速度的关系，称为系统的运 动学分析。二是当系统受到静载荷时，确定在运动副制约下的系统平衡位置及运 动副静反力，这类问题称为系统的静力学分析。三是讨论载荷与系统运动的关系， 即动力学问题。 本章通过p r o m e c h a n i c a 模块对雕刻机进行运动学分析和静力学分析，主要 包括运动仿真和结构优化两部分。 4 1p r o m e c h a n i c a 模块 p r o m e c h a n i c a 是p r o e n g i n e e r 软件中的机械仿真模块。 p r o m e c h a n i c a 的特点如下： i 、完整的设计分析 p r o ，m e c h a n i c a 有一个基于用户界面的新窗口，它为设计工程师提供了熟 悉的外观，因此支持自身c a d 环境中的产品仿真。p r 0 ，m e c h a n i c a 提供了与 其它p t c 产品和数据管理工具以及连接其它c a d 工具的真正互操作性。 2 、快速、准确的解决方案 p r 0 m e c h a n i c a 是提供c a d 几何体精确表示的唯一分析系统，而且，它 的前所未有的自适应解决方案技术，可以自动提供质量有保证的结果。 p r o ，m e c h a n i c a 自1 9 9 0 年起就是一个广泛应用于全球的、得到行业证实的解 决方案，成为无与伦比的快速仿真“转折点”，该系统能让设计工程师非常自信 地做出决定。 3 、参数化优化 结合了p r o e n g i n e e r 的全部功能后，p r v i e c h a n i c a 可以提供真正的 参数化分析，而且，使用相关仿真特征，设计更改后，不需要重新定义分析。因 为与后续产品( 图形、刀路轨迹等) 完全相关，所以，p r o m e c h a n i c a 是唯一 真正集成的设计分析产品。 4 、多学科仿真和优化 p r o m e c h a n i c a 提供了结构、振动、热和机械动力问题等多重相关的解决 方案类型。使用多学科研究，可以快速和方便地找到根据指定目标而优化的设计 和性能极限。 5 、公共仿真环境 p r o m e c h a n i c a 通过继承p r o e n g i n e e r 机械设计扩充功能中的机械连 接定义，可以再用设计意图。而且，如果需要专用分析，p m m e c h a n i c a 可以 为n a s t r a n 和a b a q u s 等产品建立完全相关的f e a 网。使用公共仿真环境， 只需定义一次边界条件。 p m m e c h a n i c a 主要包括以下三个模块： p m m e c h a n i c as t r u c t u r e 结构仿真模块；p r o m e c h a n i c a t h e r m a l 温度 分析模块；p r o m e c h a n i c am o t i o n 运动仿真模块。 下面主要介绍p r o m e c h a n i c a 的结构仿真模块和运动仿真模块。 4 1 1 结构仿真模块 p r o m e c h a n i c a 结构仿真模块能让工程师评估、理解和优化他们设计在现 实环境中的静态和动态结构性能。c a d 几何体的精确表示以及独特的自适应解 决方案技术，可以自动提供快速、准确的解决方案，该解决方案有助于提高产品 质量，并减少与延长开发时间相关的费用和无效原型。另外，结构仿真模块还提 供了专用分析，它能够自动建立n a s t r a n 等产品完全相关的f e a 网以及与其 它p t c 产品和数据管理工具的端到端