（机械制造及其自动化专业论文）数控平旋盘的研究与开发.pdf

数控平旋龠的研究j 开发 摘要 随着用户对产品质量要求的提高，越来越多的零件加工不仅需要机床x 、y 、 z 轴的联动，还需要b 轴、u 轴等轴的联动来实现复合加工。数控平旋盘是一种 具有u 轴功能的机床附件，可以加工许多复杂型面。现有的数控平旋盘内部机构 复杂、传递动力不足，不易维护。针对这些问题，本文提出了一种新的数控平旋 盘传动机构，它具有结构简单、传动链短、传递动力大、成本低的特点。由于数 控平旋盘的机械结构和特殊的运动规律，导致在实际运行中会出现动不平衡现 象。通过运用仿真分析，在一定程度上解决了旋转时的不平衡现象。本文主要包 含以下几个方面的研究： 一、介绍了数控平旋盘的国内外研究现状。 二、在充分研究现有数控平旋盘的基础上，提出了一种新的数控平旋盘传动 机构，对机械系统和传动系统进行了设计，并且介绍了工作原理。 三、利用u gn x 软件，建立数控平旋盘各个零部件的三维实体模型，对整体 模型进行虚拟装配，并且对模型进行间隙和干涉检测。 四、将转盘系统的三维模型导入a d a m s 软件中，对其进行运动仿真分析，在 一定程度上解决了动不平衡问题。 五、由于对伺服驱动器进行了更换，为让数控系统识别步进电机，对原有的 机床电气控制系统进行了变更设计。 本文运用虚拟样机技术，缩短了产品的开发周期，降低了开发成本，新的设 计解决了现有数控平旋盘存在的问题，适用于数控落地铣镗床、加工中心等。 关键词：数控平旋盘；传动系统；建模；仿真：动平衡；ug a d a m s a b s t r a c t w i t ht h ed e m a n d i n gd e v e l o p m e n to f p r o d u c tq u a l i t y ，m o r ea n dm o r ep a r t s p r o c e s s i n ga r en o to n l yxa x i s 、ya x i sa n dza x i sl i n k a g em a c h i n et o o l s ，b u ta l s o n e e dba x i sa n dua x i sl i n k a g ef o rc o m b i n e d m a c h i n i n g n cf a c i n gh e a di sak i n do f m a c h i n et o o la c c e s s o r i e s ，w h i c hh a su a x i s f u n c t i o n i tc a nm a c h i n e sa 1 1k i n d so f c o m p l e xs u r f a c e t h ep r e s e n tn cf a c i n gh e a dh a sc o m p l e xs t r u c t u r e s ，i ti s s h o r to f t r a n s f e rp o w e ra n dd i f f i c u l tt om a i n t a i n t h i sp a p e r p u t sf o r w a r dan e wt r a n s m i s s j o n m e c j l a n l s m ，i th a sf e a t u r e ss u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，s h o r td r i v ec h a i n ，s u f f i c i e n t t r a n s f e rp o w e ra n dl o wc o s tf o rt h e s eq u e s t i o n s b e c a u s eo ft h em e c h a n i c a l s t r u c t u r e o fi ta n dt h es p e c i a lm o t i o n ，d y n a m i cu n b a l a n c ea p p e a r si nm a c h i n e r o t 0r b yu s i n g t h es i m u l a t i o n a n a l y s i s ，i ts o l v et h i sp r o b l e mi naw a y t h i sp a p e ri n c l u d e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： l lh i sp a p e n t r o d u c ec u r r e n tr e s e a r c ho fn cf a c i n gh e a da t h o m ea n da b r o a d f i s t l y 2 t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n dd e s i g n sm e c h a n i c a l s y s t e m sa n dd r i v es y s t e m ，i ta l s oi n t r o d u c e si t sw o r k i n g p r i n c i p l e 3 i nu gn xs o f t w a r et ou s et e c h n o l o g yt ob u i l dat h r e e d i m e n s i o n a ls o l i d m o d e l t h ev l n u a la s s e m b l yo ft h ew h o l em o d e l a l s ob e e ns t u d i e d ，s p a c ea n di n t e r f e r e n c e d e t e c t i o n 4 t h er o t o r s t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lw i l l i m p o r t b e t w e e nk i n e m a t i c sa n d d y n a m i c ss i m u l a t i o n u n b a l a n c ei naw a y j n t oa d a m sa n d a n a l y z e ，i ts o l v e c a r r yo n d y n a m i c 5 a sar 髑u l to fr e p l a c e i n gs e r v o d r i v e r ，n cs y s t e mn e e dt oi d e n t i f ys t e p p e rm o t o r w en e e dt oc h a n g et h ed e s i g no ft h em a c h i n e w i t he l e c t r i cc o n t r o ls v s t e m i ts h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l ea n dr e d u c e dt h ed e v e l o p m e n tc o s t si n t h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y t h en e wd e s i g ns 0 1 v e st h e p 0 b l e m so ft h ep r e s e n tn cf a c i n gh e a d ，i tc a nb ef i t t e d t of l o o rt y p en cb o f i n g a n dm i l l i n gm a c h i n e s ，t om a c h i n i n gc e n t r e sa n ds oo n k e yw o r d s ：n cf a c i n gh e a d ；d r i v e s y s t e m ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n ；d y n a m i cb a l a n c e ； u g ；a d a m s i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 谐、f 日期：山易年多月7e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：2 ，= 18 6 2 0 7 4 n d ：2 7 9 m m d e = 2 4 13 m m 故满足要求。 1 9 数控平旋盘的研究与开发 置量曼曼! ! 暑皇! ! 曼曼皇暑鼍詈孽1 _ 一一一一一i 詈! 鼍曼曼詈詈鼍! ! 曼詈! ! 曼鲁皇寡暑! ! 曼曼詈詈! ! ! 曼皇 3 2 驱动电机的选型与计算 3 2 1 计算电动机轴上的负载力矩 轴上的负载力矩一般有三部分组成：其一是由切削分力产生的切削负载力 矩；其二是由导轨摩擦力产生的摩擦负载力矩；其三是由滚珠丝杠的预紧而产生 的附加负载力矩。每种负载力矩的计算方法不同。 ( 1 ) 切削负载力矩咒的计算 r 。型n m ( 3 12 ) 劢彬 式中：凡一在切削状态下的轴向负载力( n ) ； 一电机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离( m ) ； 刀一进给传动系统的总效率，丝杠与电机轴直连时，取刁= 0 9 0 ；丝杠与电 机轴不直连时取j 7 = 0 8 5 ； 卜传动比。 ( 2 ) 摩擦负载力矩无的计算 z ；f o l n m ( 3 1 3 ) “ 2 m l i 式中：丘厂不切削状态下轴向负载力( n ) 。 ( 3 ) 由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩乃的计算 乃；i f , _ l o ( 1 一，7 。2 ) n m ( 3 1 4 ) 1 4 乃；i _ ( 1 一，7 0 ) n 。m ( z z r t 式中：后一滚珠丝杠螺母副的预紧力( n ) 只= 尼。，3 ； 广滚珠丝杠螺母副的基本导程( m ) ； 刀厂滚珠丝杠螺母副的效率，一般取刁产0 9 8 。 ( 4 ) 折算到电机轴上的负载力矩的计算 ( 1 ) 空载时( 快速力矩) ，有 i x r = t ，t f n m ( 2 ) 切削时( 工进力矩) ，有 t 6 r = t 寸t f n m 由于本设计采用电机与滚珠丝杠直连的形式，所以i = 1 。 由公式( 3 1 2 ) 得：疋5 0 3 n m 由公式( 3 13 ) 得：无0 5 6 n m 只= 尼。，3 = 1 8 3 2 1 8 n 由公式( 3 1 4 ) 得： 2 0 、j、j 式u 6 ， l q u 口ol ，l 硕+ 学位论文 。= 筹( 1 - r i 0 2 ) = 裟( 1 - 0 9 8 2 ) 一o 啪 由公式( 3 15 ) 和( 3 1 6 ) 得： t x t 0 6 3 7n m聍5 1 0 7 n m 3 2 2 计算各坐标轴折算到电机轴上的负载惯量 各坐标轴上的负载惯量由两部分组成的：一部分是做回转运动的传动件的转 动惯量折算到电机轴e 的负载惯量厶，另一部分是做直线运动的移动部件折算到 电机轴上的负载惯量。 ( 1 ) 齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算 圆柱体转动惯量： j ：m d 2k 1 4 , g c i l l 2= x c 8 对于钢材： j ；翌丝1 0 ，o 7 8 d 4 1 0 3k g c m 2( 3 17 ) 3 2 9 。 式中：肛圆柱体质量( k g ) ； 肛圆柱体直径( c m ) ； 卜圆柱体长度( c m ) ： ，一材料比重( n c m 3 ) ，y = pg - ； p 一材料密度( k g c m 3 ) ，钢材的密度p ：7 8x1 0 。3k g c m 3 ； 厂重力加速度g = 9 8 0 c m s 2 。 ( 2 ) 丝杠折算到电机轴上的转动惯量 厶= 鲁 k g c m 2 ( 3 1 8 ) 式中：上一丝杠转动惯量( k g c m 2 ) ； 卜传动比。 ( 3 ) 折算到电机轴上的移动部件的转动惯量正计算 小历( 爿k g c m 2 式中：犷机床执行部件的总质量( k g ) ； 卜电机每转圈，机床执行部件在轴向移动的距离( c m ) 。 ( 4 ) 加在电机上总的负载转动惯量以的计算 j 严j i 声j lk g c m 2 ( 、3 2 0 、) 由公式( 3 1 7 ) 和( 3 1 8 ) 得：j ，= 0 7 8 d 4 lx 1 0 - 3 3 6 8k g c l l l 2 2 1 数控平旋盘的研究与开发 j fj 忒6 8k g a m l 由公式得“= 肌2 剐7 “8 ( 蒜) 乩4 4 睁c m z 联轴器的转动惯量为3 9 k g c m 2 由公式( 3 2 0 ) 得：序3 6 8 + 1 4 4 + 3 9 = 9 0 2 k g c m 2 3 2 3 计算折算到电机轴上的假设力矩 由文献 2 4 - - 2 7 可知，数控机床进给伺服系统的加速形式有三种：前两种是 在空载状态下的直线加速和指数加速( 阶跃加速) ；第三种是在切削状态下进给 速度突然发生变化时，机床执行部件的加速形式，这实质上也是指数加速形式。 这三种加速形式从不同的角度反映了进给伺服系统的加速能力。 1 阶跃加速力矩t 。的计算 l 。；_ 兰坠l u 肿+ i ，d ) k g f c m ( 3 2 1 ) j 皇一1 ， + ， - ， 一6 0 x9 8 0 t 、。肿4 7 。 式中：仇。广机床执行部件以最快速度运动时电机的转速( r m i l 3 ) ； 山一电机的转动惯量( k g a m 2 ) ； 卜坐标轴的负载惯量( k g c m 2 ) ； 。一加速时间( s ) 。 由公式( 3 2 1 ) 得：乙1 6 0 8 k g f c m 1 5 8 n m 2 在切削状态下，进给速度突然变至最大进给速度时的加速力矩乃。的计算 乙：塑l u 。+ j d ) k g f c m ( 3 2 2 ) i = 一- i + i - - “ 6 0 x 9 8 0 f r 肼一4 7 、 式中：力。一在切削状态下进给速度突然变至最大进给速度时电机的转速( r m i n ) 五一电机的转动惯量( k g c 1 1 2 ) ； 卜坐标轴的负载惯量( k g c m 2 ) ； 乙一加速时间( s ) 。 由公式( 3 2 2 ) 得：无。3 6 2 k g f c m 0 3 5 n m 3 各坐标轴折算到电机上的加速力矩无的计算 该加速力矩无就是各坐标轴上所需的加速力矩。一般有两种情况：一是机 床移动部件空载快速启动时，系统所需要的空载启动加速力矩兀：二是在机床切 削状态下，进给速度突然变化时，系统所需要的切削时的加速力矩兀。 ( 1 ) 空载启动力矩力的计算 弘咒广无手乃 k g f c m ( 3 2 3 ) ( 2 ) 切削时的力矩兀 兀= 乃。+ 乃+ 乃 k g f c m ( 3 2 4 ) 硕十学何论文 由公式( 3 2 3 ) 得：兀= 1 5 8 + 0 6 3 7 2 2 l7n i n 由公式( 3 2 4 ) 得：兀= 5 1 0 7 + 0 3 5 5 4 5 7n m 4 确定最大静扭矩 步进电机最大静扭矩无的确定分以下三步进行。 ( 1 ) 由公式( 3 2 3 ) 计算所得的进给传动系统的空载启动力矩正和表3 4 所示的关系，计算系统空载启动时所需的步进电机的最大静扭矩咒，。 ， 表3 4 系统空载启动力矩l 与所需的最大静扭矩疋的关系 ( 2 ) 由公式( 3 2 4 ) 计算所得的进给传动系统在切削状态下的负载力矩兀， 采用下式计算在切削状态下，所需的步进电机的最大静扭矩乙； 兀严兀( 0 3 0 5 )( 3 2 5 ) ( 3 ) 根据乃，和乙中较大者取为步进电机的最大静扭矩咒，并要求 乃m a x ( 乃，无，) ( 3 2 6 ) 由表3 4 、公式( 3 2 5 ) 和公式( 3 2 5 ) 得无1 0 9n m 5 选择驱动电机的型号 根据以上计算出的数据，选择型号为ll o b y g 3 5 0 c h 的混合式步进电机，其相 数为5 ；步距角为0 6 。1 2 。：最大静转矩为1 2 n i l l ；转动惯量为1 3 5 6 0 9 c m 2 。 6 转动惯量匹配验算 在数控机床进给伺服系统的设计中，最终折算到电机轴上的负载惯量j 。与 电动机自身的转动惯量j 之比值，应控制在一定的范围内，既不能太大，也不 能太小。如果这个比值太大，则进给伺服系统的动态特性主要取决于负载特性， 此时，工作条件( 如工作台位置、切削参数) 的变化将引起负载质量、刚度、阻 尼等的变化，会使整个系统的综合性能变差；如果这个比值太小，则表明电动机 的选择或进给传动系统的设计不太合理，经济性较差。为使系统的负载惯量达到 较合理的匹配，一般将该比值控制在下式所规定的范围内，即 0 2 5 4 生1( 3 2 7 ) jm 己知j 。= 9 0 2 k g a m 2 ，j 。：1 3 5 6 k g a m 2 ，由公式( 3 2 7 ) 得： r 0 2 5 j d - - - 9 0 2 13 5 6 0 6 6 5 l ，满足惯量匹配要求。 j 埘 数控平旋盘的研究与开发 3 3 本章小结 本章对数控平旋盘的径向进给系统进行了分析计算，得出进给传动系统的轴 向负载，确定了滚珠丝杠尺寸，计算出电机轴上的转矩和负载惯量，确定了步进 电机的型号。 硕十学位论文 第4 章数控平旋盘的虚拟建模及分析 4 1 三维实体建模概述 三维实体建模是一种集计算机辅助绘图与参数化实体造型、装配造型、二维 和三维双向关联绘图以及p a r a s o lid 、i g e s 、s t e p 图形转换器等模块为一体的 现代机械设计手段。三维实体建模是从设计角度打破了传统的由手工草图、二维 装配图、二维零件图到三维样机的设计方法。设计者借助于计算机系统将头脑中 的产品设计构思或者已有的产品形体转变为可视可利用的实体模型的新技术。它 是计算机辅助设计和计算机辅助制造的核心，在c a d c a m 中为产品的设计、分 析、制造提供了基础。 三维实体建模技术有如下优点： 1 由于三维实体建模的过程就如同在计算机上制造产品一样，产品设计上 有无缺陷、各零件间装配关系、空间干涉情况等都可以通过直接观察或者截面的 剖切检查出来。如果有问题马上就能改正，避免了做成实物后发现问题而造成的 材料、工时等的浪费。因此，利用这样的技术可提高新产品的一次设计成功率。 2 在事先建立的产品的常用件、标准库的基础上，在设计产品时，直接将 所用的零部件从库中调出后使用，可以大大缩短设计周期。 3 更直观全面地反映设计对象。通过在屏幕上的旋转，不同位置或者做成 剖面并着色以后观察，生成彩色带阴影的逼真图像，使得表达效果更好。而且在 三维实体模型基础上，物体的几何特性等计算非常容易，如面积、体积、重量、 重心和惯性矩等。 4 通过软件可以自动生成有限元网格，极方便地完成有限元前处理工作； 分析结果在实体上以颜色显示，直观明了，比人工方式节省大量前后处理时间。 通过有限元分析可以使材料分布更为合理，使产品的技术经济性更好。 5 通过软件进行n c 工具轨迹的生成与检测并完成编程工作，然后在数控 机床上加工出三维实体建模的原型来。对于复杂曲面组成的零件，特别是对复杂 形状的模具加工更具明显的优点。 4 2u n i g r a p h i c sn x ( u gn x ) 简介 u gn x 是美国e d s 公司的产品( 现属于s i e m e n sp l ms o f t w a r e ) ，它是当今 世界上最先进和紧密集成的面向制造行业的c a d c a e c a m 高端软件之一。u g 软 件被当今许多领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及 数控平旋盘的研究与开发 工程仿真和数字化的制造等各个领域。u n i g r a p h i c s 是知识驱动自动化技术领域 中的领先者。它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，显著 地改进了汽车、航天、航空、机械、消费产品、医疗仪器和工具等工业的生产。 u n ig r a p h i c s 为各种规模的企业带来了显而易见的价值，更快地递交产品到市 场，使复杂产品的设计简化，减少产品成本和增加企业的竞争实力。 u g 的主要功能及特点如下乳2 引： ( 1 ) 轮廓的参数化设计 参数化的轮廓及路径的设计方法被称为草绘。所生成的轮廓和路径一般用于 零件的实体造型。零件的大部分尺寸是在草绘过程中产生的。这些尺寸在产品设 计的各个阶段都能修改。尺寸修改以后，零件的形状将随之改变。设计人员可以 在草绘模块中体现自己的设计思想。草绘是先进c a d 系统的基木功能，草绘与 零件造型往往是密不可分的。 ( 2 ) 零件造型 零件造型是指在计算机中建立零件的二维实体模型。设计人员可以根据自己 的设想将零件从计算机中逐步制作出来。在制作过程中，设计人员可以从各个角 度观察具有真实感的零件造型。如果对模型不满意，可以立即修改零件造型。常 用的零件可以存储在零件库中供需要时调用。零件造型能够准确表达零件的形 状、尺寸、色泽、体积、重心、材料信息等。对已有的零件造型提供方便的管理， 以便存储、归档或与其他系统交换数据。先进的c a d 系统都提供参数化的基于 特征的实体造型方法。 ( 3 ) 曲面造型 现在日常生活用品越来越注重人性化的外观设计。在飞机、汽车、轮船的外 形设计中则必须提供具有良好流体动力学特性的曲面，以改善其运动性能。曲面 造型提供了在计算机中生成、编辑自由曲线和曲面的方法，比采用石膏造型更快 速、更精确、效果更好。曲面造型完成以后可以直接送到零件造型模块中进行零 件设计，也可以送到分析系统中分析其流体动力学特性。曲面造型有时也可以在 设计完成后和在产品出厂前产生供产品宣传使用的仿真图片。 ( 4 ) 装配造型 装配造型能够模仿实际的装配过程，生成产品的装配。通过装配造型可以发 现由于设计不当在实际装配时可能出现的问题，如间隙过小或过大、零件之间的 干涉等。装配造型还能够提供产品的外观效果图和反映装配关系的零件散开分布 的爆炸图。对于复杂的产品装配造型可提供多样的方法提高造型的效率。装配造 型还提供了完善的系列化产品的设计方法，如通过更换部分零件来改变一种产品 类型。 硬士学位论文 ( 5 ) 工程图生成 大型c a d 系统均提供了很强的生成工程图的能力，其目的是生成符合标准 的工程图纸。同样是生成标准的工程图纸，计算机辅助设计的工程图生成方法与 计算机辅助绘图有很大的差异。先进的c a d 系统根据零件和装配造型自动生成投 影图、辅助图、剖面图和局部视图，自动标注尺寸，其工程图样与零件造型密切 相关。如果改变了图纸中的尺寸，相关零件的造型尺寸也将随之改变，图纸中的 线条长度和位置也将反映这种变化，从而保证能够对设计进行快速、一致的修改。 ( 6 ) 数据交换功能 数据交换功能提供与其他设计自动化系统之叫的各种标准数据交换。其主要 交换标准有p a r a s o l i d 、i g e s 、s t e p 等。交换内容包括三维模型、三维线框模型、 三维曲面模型、任意形状曲面、光栅图像等。数据交换使得利用不同c a d 系统的 优势共同协作完成同一产品的开发成为可能。 4 3 数控平旋盘三维实体模型的建立 由于数控平旋盘的零件较多，按功能部件分为两大类：转盘系统和定盘系统， 其中有些零件是标准件大多数零件采用参数化草图建模。 采用拉伸、旋转、布尔操作等命令实现复杂零件的建模。 部分零件建模如下： a ) b ) 罂鳘：璧耋墼! 【圣皇薹垄 田4l 主要零部件的三维模型 a 丝杠6 滑板c 压扳d 步进电机e7 6 0 3 0 2 0 t v p 轴承 f8 0 3 0 4 轴承g3 2 9 6 0 轴承h 螺母座l 转盘j 定盘 4 4 数控平旋盘的虚拟装配 441u g 装配模块 u g 装配模块不仅能快速地将零部件组合成产品，而且在装配中，可参照其 他部件进行部件关联设计，并可对装配模型进行间隙分析和重量管理等操作。装 。嗣。o 。瓷 硕十学位论文 配模型产生后，可建立爆炸视图，并可将其引入到装配工程图中。同时，在装配 工程图中可自动产生装配明细表，并能对轴测图进行局部挖切伯0 1 。 1 装配模式 在大多数c a d c a m 系统中，有两种不同的装配模式：多组件装配和虚拟装配。 多组件装配：该装配模式是将部件的所有数据复制到装配中，装配中的部件 与所引用的部件没有关联性。当部件修改时，不会反映到装配中，因此，这种装 配属于非智能装配。同时，由于装配时要引用所有部件，需占用较大的内存空间， 因而影响装配工作速度。 虚拟装配：该装配模式是利用部件链接关系建立装配。该装配模式有如下优 点。 ( 1 ) 由于是链接部件而不是将部件复制到装配，因此，装配时要求的内存 空间小。 ( 2 ) 装配中不需要编辑的下层部件可简化显示，提高显示速度。 ( 3 ) 当构成装配的部件修改时，装配自动更新。 u g 软件采用虚拟装配模式。 2 装配部件 装配部件是由零件和子装配构成的部件。在u g 中，允许向任何一个p a r t 文件中添加部件构成装配，因此任何一个p a r t 文件都可以作为一个装配部件。 在u g 中，零件和部件不必严格区分。值得注意的是，当存储一个装配时，各部 件的实际几何数据并不是存储在装配部件文件中，而是存储在相应的部件中。 3 子装配 子装配是在高一级装配中被用做组件的装配，子装配也拥有自己的组件。子 装配是一个相对的概念。任何一个装配部件都可以在更高装配中用作子装配，如 图4 2 所示。 图4 2 装配关系 4 组件对象 组件对象是一个从装配部件链接到部件主模型的指针实体。一个组件对象记 罂蓦：鉴耋墼罂耋主錾篓 录的信息有：部件名称、层、颜色、线型、引用集和装配条件等。 5 组件 组件是在装配中由组件对象所指的部件文件。组件既可以是单个部件( 即零 件) ，也可以是一个子装配。组件是由装配部件引用而不是复制到装配部件中。 6 单个零件 单个零件是指在装配外存在的零件几何模型，它可以添加到一个装配中去， 但它本身不能含有下级组件。 7 自顶向下装配 自顶向f 装配，是指在装配级中创建与其他部件相关的部件模型，是在装配 部件的项部向下产生子装配和部件( 即零件) 的装配方法。 8 自底向上装配 自底向上装配是先创建部件几何模型，再组合成子装配，最后生成装配部件 的装配方法。 9 混合装配 混合装配是指将自顶向下装配和自底向上装配结台在一起的装配方法。 1 0 主模型 主模型是供u g 各模块共同引用的部件模型。同一主模型可同时被工程图、 装配、加工、机构分析和有限元等模块引用。主模型修改时，相关应用自动更新。 4 42 装配过程 本课题采用自底向上的装配方法，首先由建模模块转入装配模块，打开主体 文件，然后选择“添加现有的组件”l “选择部件文件”，如图4 3 所示，按照 装配关系逐一添加零件，可先进行部装，然后进行总装。 国43 灞加组件 最终装配完成的数控平旋盘如图4 4 a 所示。装配关系可以通过查看装配导 航器得出，如图4 4 b 所示。 鼍警 矗i 一 争鼍 一d 。一 一d - 一 ： 器：= 鼬 。口兽；= ：- 。m g g ：7 霄 一1 ”- t f 日o l m 。戤一一 o 日1 m 一 n 器器盐 “ d w m z 一* 日o “q - i 06 ” 口0 t * 。羔二二二：二二j 匿 4 ： i i i 。 b ) 图44 鼗控平旋盘的总装配模型 4 43 装配间隙 在u gn x4 0 中，可对装配件的全部或部分进行间隙分析。间隙分析将所 有组件或部分组件之间进行间隙干涉检查。问隙分析不考虑组件可能的运动，只 处理静态问题。 在u gn x4 0 中共有5 种认可的干涉类型。 1 不干涉：对象问的距离大于间隙区域。 2 接触干涉：两个对象接触但不干涉。此时程序将查出接触干涉的位置，建 立一个表示接触干涉的点。 3 硬干涉：两个对象彼此相交，程序将建立一个表示干涉的干涉实体。 4 软干涉：对象间的最小距离小于间隙区域，但是两个对象不接触。程序将 建立表示最小距离的一条线，代表查出的干涉。 5 包容干涉：一个对象完全包容在另一个对象内，程序将建立表示干涉被包 容实体的副本，并给出包容干涉报告。 过切检查主要用于检测装配模型中含有的干涉类型。在菜单栏中单击“装 配”l “组件”i “间隙分析”命令，进行过切检查。在绘图工作区中选取要进 行过切检查的组件。这里选择旋转盘组件，程序随即对模型进行分析，最后弹出 “过切检查”对话框如图45 所示。其中列出了模型中选取的组件之间的干涉 类型。 间隙分析该命令用于具体分析和显示组件之间的干涉情况。在菜单栏中单击 “分析装配间隙”l “执行分析”命令，进行间隙分析。如果在该装配文件中是 鍪彗：要耋兰2 耋皇垂鉴 第一次执行此命令，将弹出。间隙属性”对话框，如图46 所示。在该对话框中 共有三个选项用于设置间隙分析的属性。 基本符号该选项用于设置分析时，间隙集的名称、分析模式和间隙值。高级 该选项用于设置组件在装配模型中进行分析时的配对方式。干涉几何体该选项用 于设置是否保存干涉的实体和干涉体的颜色。 在“间隙属性”对话框中设置完成后，单击“确定”按钮，程序随即对模型 进行间隙分析分析完成后将弹出“间隙浏览器”对话框，同时模型中也将显示 干涉位置和干涉类型。这里对总装配体进行分析，如图4 7 所示，各个组件之间 均为接触干涉，符合装配要求。 图47 间隙浏览器 如果在“叫隙浏览器”对话框中的“干涉”项目中勾选其中一个干涉位置， 程序立即将显示发生干涉的位置和产生干涉的组件，便于进行识别和修改。如图 4 8 所示。 4 44 装配爆炸视图 图48 干涉检查 利用生成爆炸图工具生成没有间距的初始爆炸视图，然后利用自动爆炸组件 工具，使各零件沿约束方向偏离指定的距离，生成最终的爆炸视图。具体过程如 下。 首先打开爆炸视图级联菜单与爆炸视图工具栏。 单击菜单命令“装配”l “爆炸视图”l “自动爆炸组件”，出现“类选择” 噌重毫啡醣噩噩m 数控平旋盘的研究与开发 工具栏。 2 选择组件( 可以选择多个) ，在“爆炸距离”对话框中指定至爆炸位置距 离，单击“确定”按钮完成操作。完成的装配爆炸图，如图4 9 所示。 45 工程图的构建 图49 装配爆炸图 利用u g 的实体建模模块创建的零件和装配体主模型，可以引用到u g 的工程 图( 1 ) r a f t i r i g ) 模块中，通过投影快速地生成二维工程图。由于u g 的工程图功 能是基于创建的三维实体模型的投影所得到，因此工程图与三维实体模型是完全 相关的，实体模型进行的任何编辑操作，都会在二维工程图中引起相应的变化。 工程图纸的建立如下：打开三维模型文件，从建模模块转到制图模块，此时 弹出“插入图纸页”对话框，如图4 1 0 所示，选用 o 的图纸，比例设置为1 ： 2 ，单位选择毫米，按g b 的要求应该选择第一象限角投影的投影方式。 打开基本视图命令，可以构建三维模型的基本视图。 曙嗍离黑黑争警詈鼍呵曼舅烹鼍_ _ _ 甲 0 u x “i 7 1 v。 甲l ：1 一二蔷一车牟。二盅 后了、i 一 图41 0 操作过程 打开剖视图命令，可以绘制三维实体的剖视图，以方便观察内部结构，如图 41 1 所示。 riii一一 b _ ；f ：j ：_ 。! ，蠹赢一一 w 一一 = ! ! ! ! = 一 4 6 本章小结 图41 l 二维视图 本章首先简要介绍了三维实体建模，然后用u gn x 对数控平旋盘的零部件进 行了建模和装配，并且对模型进行间隙和干涉检测，生成了装配爆炸图和二维剖 视图。 叠澎 ，垃睡。 猩 数控平旋衙的研究与开发 第5 章转盘旋转平衡的仿真研究 使用u 轴加工，加工精度受离心力的影响是不可避免的( 即便机床具有平衡 配重机构) ，平旋盘旋转时的离心力，受刀具重量、长度、回转速度、切削状态 等因素影响而成为一个不确定量他1 。首先分析转子旋转时的不平衡情况。 5 1 转子不平衡的情况 根据转子惯性力系简化的结果不同，转子不平衡的情况有以下四种口n ： ( 1 ) 主矢不为零主矩为零 这种不平衡相当于把一个不平衡质量i n 加在一个质量为m 、半径为r 的平衡 转子的中心平面上。如图5 1 所示，这时转子新的重心位于原来重心平面内，距 原来重心的距离为e ( e 为偏心距) ，新的中心惯性主轴和转动轴线始终平行，当 转子旋转时，由偏心距引起离心惯性力使轴承产生振动，要使这种转子平衡，只 需在中心平面内m 的对称位置加一相等的质量，转子就平衡了。这种惯性力系简 化为一通过质心的合力的不平衡称为静不平衡。 图5 1 r 。o ，m 。= 0 ( 2 ) 主矢和主矩不为零但相互垂直 这时，主矢l 乏。在合力偶的作用平面内，由于良。一o ，庸。乒o ，但r 。垂直于m 。， 故可进一步向d 点简化，使砺口= 0 ，而毯= 咒事0 。这样新的主矢良。便是惯性 力系的合力，作用于d7 点( 不是质心) 。这种不平衡相当于在平衡转子m 的过d 点 的平面上加上不平衡量m ，这时中心惯性主轴和转动轴线相交，如图5 2 所示。 由于转子的惯性力系最后的简化仍可以得到一个单独的合力定，这种不平衡称 为准不平衡，平衡这种转子也只需在某一特定的平面上加上或去除一定的质量。 硕十学位论文 图5 2 r 。0 ，m 。0 ，r 。上m 。 ( 3 ) 主矢为零主矩不为零 即最。= 朋，c 刀2 = 0 ，r c = 0 ，故转动线通过质心。m 0 ，j w 0 ，j 。0 。这说 明惯性力系合成一个力偶，可以用两个等重量的不平衡量分别加至平衡转子的两 个平面上表示，如图5 3 所示。因不平衡量为力偶，故称为偶不平衡，中心惯性 主轴通过质心而与转动轴线相交成口7 角。要平衡这种转子不能单独用一个力来 平衡，即不能在一个平面上加重或去重，而必须在两个平面上加重或去重，而必 须在两个或多个平面上加重或去重，方能使得转子得到平衡。 一- 一 l - 一一- 一 z 图5 3r 。= 0 ，m 。乒0 ( 4 ) 主矢和主矩不为零且不相互垂直 即良。0 ，庸。0 且良。和厨。不垂直，这是最普遍的不平衡现象，如图5 4 所示。这相当于静不平衡和偶不平衡的组合，称为动不平衡。转子的中心惯性主 轴和转动轴线既不平行也不相交，这种不平衡不能在进一步简化，既不可能在某 一个平面上，而必须在两个或多个平面上加重或去重才能使转子平衡。 z 图5 4r 。一0 ，m 。0 ，r 。上m 。 上述四种情况中，对前两种的校正平衡称为静平衡，而对后两种则称为动平 衡。任何一个不平衡的转子经过动平衡校正后，不仅消除了偶不平衡，同时也消 数控平旋盘的研究与开发 除了静不平衡。这时转子的中心惯性主轴和转动轴线也就完全一致了。 由文献 3 3 - - 3 7 可知，一个转子究竟需要静平衡还是动平衡，这要根据具体 情况如转子的重量、形状、转速、支座条件及用途等而定。一般可以按以下原则 考虑： ( 1 ) 转子外径d 与长度1 满足旦5 时，由于此时转子必然是一较薄圆盘 z 形状，其主矢较大，主矩相对较小，故一般不论其工作转速高低只需进行静平衡 即可。 ( 2 ) 当kd 时，只要工作转速大于l0 0 0 ( 转分) ，都要进行动平衡。 5 2 质量代换法 质量代换法，是将机构的质量用若干集中质量来代换，使这些代换质量与原 有质量在动力学上等效。 1 质量代换的条件 设一个构件如图5 5 所示，其质量为m ，质心位于s ，构件对质心s 的转动 惯量为j 。则构件惯性力f 在x 、y 方向之投影为 o 图5 5 构件的惯性力和惯性力矩 r i 一磁，1 e 一一彬， - j ( 5 1 ) 惯性力矩为 m 一一j ，口 ( 5 2 ) 式中戈、爹为质心s 的加速度在x 、y 方向的分量，口为构件的角加速度。 现以1 3 个集中质量砌，飓，砚来代替原有构件的质量m 和转动惯量石。若 使代换后的系统与原来构件在动力学上等效，应使这些代换质量的惯性力的合力 等于原构件的惯性力，同时，各代换质量对构件质心的惯性力矩应等于原构件对 质心的惯性力矩。这样，代换时应满足如下三个条件： ( 1 ) 各代换质量的总和应等于原构件的质量，即 硕十学位论文 胁r = 川 ( 5 3 ) ( 2 ) 各代换质量的总质心应与原来的质心相重合，即 p 眦， 。 历t y = m y j ( 5 4 ) 式中t 、y ，为构件质心在图示坐标系中的坐标，薯、y ；为第i 个集中质量在 图示牮标系中的坐标。 ( 3 ) 各代换质量对坐标原点的转动惯量之和应等于原构件对坐标原点的转 动惯量，即 善m t ? + y ；) = j s + ，咒 ；+ y ；) ( 5 5 ) 将( 5 4 ) 式求导两次变号，有： 一蟛；一磁， 一m r 歹r = 一m y ， 此式左边为代换质量惯性力的合力，右边为原构件惯性力之合力。这说明满 足了条件l 、2 ，则代换后惯性力不变。 若取坐标原点与质心s 重合，并将式( 5 5 ) 两边同乘以一a ，口为构件的角 加速度，则有 一a 研t o ? + y m j ，口 此式两边为代换f ； 后的惯性力矩。这说明满足了第3 个条件，代换前后的惯 性力矩才能相等。满足前两个条件，使惯性力保持不变的代换称为静代换。满足 全部三个条件，使惯性力和惯性力矩均保持不变的代换称为动代换。在研究摆动 力的平衡时，不涉及惯性力矩，可以采用静代换；而当同时研究摆动力矩的平衡 时，则必须采用动代换。 2 刚性转子的平衡 对于刚性转子，不平衡离心力引起的转子挠曲可以忽略，因此可以用刚体力 学的办法处理其平衡问题。这时平衡转速一般选低于第一临界转速，故又称低速 平衡。刚性转子二面平衡原理如下：任一不平衡的刚性转子都可以在两个与转轴 垂直的平面上进行校正地得到平衡。一般刚性转子便是遵照此原理在一个或两个 与转轴垂直的平面上加重或去重以实现平衡的。 数挖平旋盘的研究与开发 i-z 3 转子平衡的目标 转子的不平衡是旋转机械的主要激振源，也是许多自激振动的触发因素。不 平衡会引起转子的挠曲和内应力，使机器产生振动和噪声，加速轴承、轴封等零 件的磨耗，降低机器的工作效率，此外振动还会通过轴承、基座等传到基础和建 筑物，恶化附近的工作环境。为了改善其工作转况，转子在制造、安装调试或修 理时，常要进行平衡，所谓平衡就是通过改变转子质量分布的方法，在转子适当 的地方，加上( 或减去) 一些质量，从总体上尽可能地减少转子的不平衡。平衡 的具体目标是减少转子的挠曲、减少机器振动以及减少轴承动反力。这三个目标 有时是一致的，有时是矛盾的，但是他们必须统一于平衡的最终目标一保证机器 平稳地安全可靠地运行8 1 。 5 3a d a ms 简介 虚拟样机仿真分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m s ) 是对机械系统的运动学与动力学进行仿真计算的商用软件，由美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m ic si n c ) 开发，在经历了12 个版本后，被美国m s c 公司 收购引。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的 机械系统设计和模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日第一方 程建立系统最大量坐标动力学微分一代数方程，求解器算法稳定，对刚性问题十 分有效，可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，后处理程序可 输出位移、速度、加速度和反作用力曲线以及动画仿真。该系统的仿真可用于预 测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷 等，可在汽车、飞机、铁路、工程机械、一般机械、航天机械等领域得到广泛应 用。 a d a m s 软件包括核心模块a d a m s v i e w ，a d a m s s l o v e r ，以及其他扩展模块、 接口模块等。 a d a