（机械工程专业论文）基于ug的新型自动编烟机虚拟样机设计.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 我国普遍使用的睹烟工艺是把烟叶捆绑于烟杆上，然后将烟杆悬挂在烤房内 进行烘烤。编烟是在烟叶烘烤前一个重要的准备工作，是把分散的烟叶以束为单 位捆绑到烟杆上。传统的手工编烟占用大量的劳力，而且编烟效率低、劳动强度 大。由于手工编烟费时费力，制约了烟草的规模化种植，影响烟农的经济效益， 所以需要研制一种自动化机械来代替人工编烟，提高编烟效率、降低编烟劳动强 度。 目前，我国研制出的编烟机主要分为两类：摆杆式编烟机和缝纫式编烟机。 摆杆式编烟机并没有明显提高编烟效率，缝纫式编烟机虽然能够提高编烟效率， 但编烟过程中会对烟叶造成损伤，从而降低烤烟质量，影响烟农经济效益。所以 现在还没有一种自动化的编烟机机械能够很好的代替人工编烟。在综合考虑以前 编烟机优缺点的情况下，本文提出了一种新型自动编烟机的研制。主要从以下几 个方面进行研究： 结合我国烤烟工艺要求，分析国内编烟机的优缺点，提出新型自动编烟机 工作原理、工艺流程和设计方案。自动编烟机采用缝纫式编烟，间歇进给的方式 实现编烟。 介绍了大型c a d c 伽w c a e 软件u g 和虚拟样机技术。主要介绍了编烟机 设计过程中用到的建模模块、装配模块和运动仿真模块等功能模块，以及编烟机 设计基于u g 的意义。 对编烟机总体结构进行设计。设计了编烟机的刺料结构、挑线结构、传动 系统、及烟叶输送装置等。对主要零件进行了强度校核和寿命校核。 运用u g 对编烟机进行参数化建模和虚拟装配。对虚拟装配好的编烟机进 行静态干涉检验，发现零件设计不合理的地方，及时进行修改。 对虚拟装配的编烟机进行简化、创建运动副、施加驱动、施加载荷，生成 编烟机的虚拟样机。对虚拟样机进行运动学动力学仿真和动态干涉检验，根据仿 真结果对设计进行侦化。 在编烟机的设讨中，采用基于u g 的c a d c a m 技术和虚拟样机技术，通过 在虚拟环境下对编知1 机进行建模，仿真分析。减少了物理样机的制造成本，缩短 了设计周期，并且通过虚拟环境下的反复优化提高了设计质量。为物理样机的制 造提供了依据。 关键词：编烟机，参数化，u g ，虚拟样机技术，运动仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ew i d e l yu s e dt o b a c c ob a 虹n gp r o c e s si no u rc o u n 臼yi st ob u n d l et h et o b a c c o 1 e a v e st om et o b a c c or o d ，t h e nh a n gt h et o b a c c or o di nt h eb a b n gr o o mt ob a k e w e a v i n gt o b a c c ol e a v ：si s a 1 1i m p o r t a n tp r 印a r a t i o nw o r kb e f o r eb d i ( i n g ，i st ot i et h e d i s t r i b u t e dt o b a c c ol e av e sa sau 1 1 i t t ot h et o b a c c or o d t h e 位油t i o n a lm a n u a l 一w e a v i n g t o b a c c ol e a v e st a k e sll o to f1 a b o r b u tl o we 伍c i e n c ya i l dl a b o r i n t e n s i v e b e c a u s e m a n u a l w e a v i n g 证b a cc ol e a v e st 出e sa l o to fl a b o ra n dt i m e ，w h i c hr e s t r i c t e dt h el a r g e s c a l ep l a l l t i n go ft o b 1 c c oa n da 圩e c t e dm ee c o n o m i cb e n e f i t so ff 幻 1 1 e r s s oi ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pa na u t o m a t e dm a c h i n e r yt or e p l a c em a n u a l - w e a v i n gt o b a c c o 1 e a v e s ，w h i c hc a l li m p 】。o v et h ee 伍c i e n c ya 工l dr e d u c et 1 1 e1 a b o ri n t e n s i t y a tp r e s e n t ，t 1 1 et ob a c c o1 e a v e sw e a v i n gm a c h i n e st h a td e v e l o p e di no u rc o m l 仃yi s d i v i d e di n t o 时oc a t e ：o r i e s ：s w i n g 一1 i n kt y p ea n ds e w i n gt y p e t h et y p eo fs w i n g - 1 i n k t o b a c c ol e a v e sw e a v i 】l gm a c h i n ed on o ti m p r o v et h ee 伍c i e n c yo fw e a v i n gt o b a c c o l e a v e ss i 盟i f i c a n t l y a 【t h o u 曲t h et y p eo fs e w i n gt o b a c c ol e a v e sw e a v i n gm a c h i n ec a l l i m p r o v et h ee f f i c i e n cy ，b u td u r i n gt h ep r o c e s so ft h et o b a c c o1 e a v e sw e a v i n g ，1 e t o b a c c ol e a v e sw i l lb ( ：d 锄a g e d ，w h i c hw i l lr e d u c et h eq u a l i t yo ft o b a c c o1 e a v e sa j l d a 丘e c tt h ee c o n o m i cb ( n e f i t so ft h ef 妇e r s s ot h e r ei sn o ta na u t o m a t i ct o b a c c ol e a v e s w e a v i n gm a c h i n ec a i lr 印l a c em a i l u a l 一w e a v i n gt o b a c c o1 e a v e sw e l l c o n s i d 舐n gt h e a d v a n t a g e sa 工l dd i s a d a n t a g e so fp r e v i o u st o b a c c o 1 e a v e sw e a v i n gm a c h i n e s ，t h i sp a p e r p r e s e n t st h ed e v e l o p me n to fan e w 啪eo fa u t o m a t i ct o b a c c ol e a v e sw e a v i n gm a c h i n e r e s e a r c hh a sb e e nd o rem a i n l y 台o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： c o m b i n e dw i t = 1m ep r o c e s sr e q u i r e m e n t so ft o b a c c oba ：b n gi no u rc o u n t i y ， a 1 1 a l y z e 也e a d v a l l t a 萨s a 1 1 dd i s a d v a n t a g e so fd o m e s t i ct o b a c c ol e a v e sw e a v i n g m a c h i n e s ，an e ww o rd n gp r i n c i p l e ，t e c h n 0 1 0 垂c a lp r o c e s sa n dd e s i g ns c h e m eo ft h e a u t o m a t i ct o b a c c o1e ；l v e sw e a v i n gm a c h i n ei sp u tf o r w a r d t h ea m o m a t i ct o b a c c o 1 e a v e sw e a v i n gm a c h i l eu s et h et y p eo fs e w i n gm a c h i n ea i l di n t e m i t t e n tf e e d i n gm o d e t of i n i s hw e a v i n gt o b a ：c o1 e a v e s i n 仃o d u c i n g 曲el a r g ec a d c a m c a es o f h v a r eu ga 1 1 d v i n u a lp r o t o t y p e t e c l l i l 0 1 0 9 y t h i sp 印c rm a i n l yi n 仃o d u c et h em o d e l i n gm o d u l e ，a s s e m b l ym o d u l ea n d m o t i o ns i m u l a t i o nm cd u l ed u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g n ，a sw e l la sm es i g n i 6 c a n c eo f t o b a c c o1 e a v e sw e a v i ngm a c h i n ed e s i g l lb a s e do nu g d e s i 弘i n gt h e o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h et o b a c c ol e a v e sw e a v i n gm a c h i n e i i 重鏖奎堂塑兰兰燮一 菱奎垫茎一一：7 j 唧：并 u e s l 盟1 n gt h et h o m n 【a t 嘶a 1s 咖c m r e ，p i c k l i n es 缸e m r e ，缸觚s m i s s i o n ，a 1 1 dt o b a c c o t r a n s p o r t a t l o nd e v i c e so ft h et o b a c c ol e a v e sw e a v i n gm a c h i n e c h e c kt h es 妇1 酣1a n d l i f eo f t h em 面o r p a n s a p p l 姐n gu gc of i n i s ht l l ep a r a m e t r i cm o d e l i n ga n dt h e 、，i r t u a la s s 锄b l vo f t o b a c c ol e a v e s w e a 奶n gm a c h i n e c h e c k i n gt h es t a t i ci n t e r f e r e n c eo ft h ev i 巾l a l a 8 s e m b l yt o b a c c o1 e i t v e s w e a v i n gm a c h i n e d i s c o v e r i n gt h eu 1 1 r e a s o n a b l eo ft h e d e s i 印e dp a i t sa 1 1 dm o il i 瓤n gi nt i m e s i m p l i 劬n gt h ；v i n u a la s s e m b l e dt o b a c c ol e a v e sw e a v i n gm a c h i n e ，c r e a t i n g k l n e m a t l c s p a l r ，a p p 】：抽gd r i v e f sa 1 1 d a p p l y i n g1 0 a d s t h e ng e n e r a t i n gm ev i n u a l p r o t o 咖e m 出n g1 【i re m a t i c s d y l l 锄i c ss i m u l a t i o na 1 1 dd y i l 锄i ci 1 1 t e r f e r e n c et e s tt o h ev 1 咖a lp r o t o t y p e ( ) p t i m i z i n gt h ed e s i 9 1 1 a c c o r d i n gt on l es i m u l a t i o nr e s u l t s d u n n gt h ed e s i g 1o ft h et o b a c c ol e a v e sw e a v i n gm a c h i n e ，a d o p t i n gt 1 1 e m e a i l s b a s e do nu gc a d c a mt e c h n 0 1 0 9 y a 1 1 dv i n u a l p r o t o t y p et e c h n 0 1 0 蹦 m a l ( i n g m o d e l l n ga 1 1 ds l m u l 醣o na 1 1 a l y s i st ot h et o b a c c ol e a v e sw e a v i n gm a c h i n em r o u g ht h e r c u a le n v l m n m e n t f - e d u c i n gt h em 龃u f a c n l r i n gc o s t so f p h y s i c a lp r o t o 帅e ，s h o r t i n g t n ed e s l g l lc y c l e a n di m p r o v i n gd e s i 班q u a l i t yt h r o u 曲r 印e a t e d o p t i m i z a t i o no ft h e v i r 吣a 1e n v i r o n m e n t p 的v i d i n ga b a s i sf o rt h em a n u f a c 臼l l r i n go f t h ep h y s i c a lp m t o t y p e k e yw 。r d s ：t b b a c c 。l e a v e sw e a v i n g m a c h i n e ，p a r a m e t e r i z a t i 。n ，u gv i r t u a ip r o t 。t y p e t e c l u l 0 1 0 彤m o t i o ns i m u l a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 烟草作为我国重要的经济作物，为我国创造了可观的税收，仅2 0 0 7 年中国烟 草业税收就有38 8 0 亿元【lj 。但是烟草的生产十分费工，其中烘烤约占总用工量的 三分之二，绑烟和解：因又约占烘烤用工量的7 0 。编烟即绑烟是烟叶烘烤前期的 一项准备工作，是烟砰。生产环节最繁琐的劳动之一。将分散的烟叶以束( 把) 为单位， 绑在烟竿上，悬挂于湾房内进行烘烤【2 。编烟机就是代替人工将烟叶绑在烟竿上， 以提高编烟效率，减：j 劳动强度的编烟设备。 1 1 国内编烟机发展现状 自我国烟草专卖蜀提出烟草农业要努力实现由传统烟草农业向现代烟草农业 转变以来，全国各地开始积极的探索和推进烟草农业现代化。烟草农业的现代化 离不开机械化，机械比是烟草农业现代化的中心环节。近年来烟草农业朝着现代 化方向迅速发展，烤烟种植的规模化和机械化程度己有较大的提高。目前除烟叶 采收和编烟环节外，郭分烤烟生产工序都已实现机械化，并朝着智能化和自动化 方向发展。 1 9 8 4 年河南农业大学开始承担编烟机的设计和实验研究任务。并于1 9 8 5 年研 制出第一代样机。在；雷建省龙岩市进行实验后加以改进，于1 9 8 6 年和1 9 8 7 年先 后设计了第二代和第三代样机，样机基本成功，但由于一些缺陷没有得到推广。 后来福州革新厂、福建工程学院、河北青工厂开始研制编烟机，并推出了各自的 样机，样机比以前的样机在实验中有更好的表现，但还是存在缺陷，而无法得到 推广 3 1 。 1 2 国外编烟机发展现状 国外一些烟草生产发达的国家，如加拿大、巴西等国，早已开始研制编烟机， 7 0 年代初已相当普及。但由于加拿大等国的农户生产烟草的规模远大于我国的农 户，其绑烟机的外形，己寸都是较大的，不适合我国烟农使用。2 0 世纪7 0 8 0 年代， 美国也开始研究烟草农业的机械化。目前，美国北卡罗里纳州己成功设计了大箱 式烘烤设备与机械采恢联合作业机组，并应用于生产；巴西、加拿大、津巴布韦 等国也成功试验了散 十烤房，散叶烤房即烟叶采收后不用编烟，直接将烟叶放入 烤箱中，然后通过机械设备将烤箱放入烤房中进行烘烤；还有一些国家采用烟夹， 烟叶采收后将烟叶放入特制的烟夹中，每夹5 0 0 片左右，装烟密度是手工编烟的4 倍，并且夹烟和装烟速度较快，大幅度降低了烘烤的劳动强度：也有少数国家根 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 据实际情况研发编烟机。 1 3 本课题研究意义 2 0 世纪末，随癯：我国烟叶种植规模的扩大，部分产烟区先后从国外引进了密 集烤房和烟夹等设备，但由于和烟夹配套的密集烘烤工艺没有突破，烟叶烘烤效 果不很理想，所以在我国推广得不是很好。随后，贵州、湖南、黑龙江、湖北等 烟区又从巴西引进了散叶烤房，并进行小范围的示范推广。由于散叶烤房配套的 加热通风设备及烘烤工艺和烟叶回潮技术尚不完善，烤后烟叶经常出现僵硬、不 收缩和烤褐等现象，影响了该技术的推广。 尽管散叶烤房和烟夹在减少编烟用工方而成效显著，但不符合我国烟叶生产 要求，在我国各地应用最多的烤烟方式还是手工将烟叶绑在烟竿上，悬挂于烤房 内进行烘烤。熟练烟农编烟速度一般为3 6 m i n 杆。人工编烟这种简单、机械、重 复性强的工作占用了大量的劳动力和时间，无形中增加了烟农负担，降低了烟农 的生产效率和经营管理能力。并且随着烟叶种植规模化程度的提高，编烟效率低 下，严重影响烘烤进度，常常造成当天采的烟叶不能当天烘烤，增加了烟叶变质 的风险，同时也降低了烤房周转能力。 人工编烟虽然耗时耗力，但是人工编烟编持均匀、牢固，目前还没有一种编 烟机能够代替人工编烟得到很好的推广，因此在我国编烟工序仍主要由人工完成 h j 。综上所述，研制一种适合于我国烟叶生产特点和农村自然经济文化特点的自动 编烟机械来代替人工痛烟是解决我国烟草生产费时费力问题的关键。 1 4 本课题研究内容 根据我国烤烟工艺的要求，针对手工编烟费时费力的缺点，参考和分析国内 外编烟机的优缺点，以u g 为平台设计出一种新型自动编烟机械，以提高编烟效 率，降低编烟劳动强变。本文主要研究内容为： 提出总体方案 结合我国烤烟工艺要求，分析国内编烟机的优缺点，提出新型自动编烟机工 作原理、工艺流程和发计方案。 机械结构设计 对编烟机总体结陶进行设计。设计编烟机的刺料结构、挑线结构、传动系统、 及烟叶输送装置等。讨主要零件进行了强度校核和寿命校核。 零件建模和虚以装配 运用u g 对编烟机进行参数化建模和虚拟装配。对虚拟装配好的编烟机进行 静态干涉检验，发现零件设计不合理的地方，及时进行修改。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 虚拟样机仿真 对虚拟装配的编姻机进行简化、创建运动副、施加驱动、施加载荷，生成编 烟机的虚拟样机。对虚拟样机进行运动学动力学仿真和动态干涉检验，根据仿真 结果对设计进行优化， 1 5 本章小结 本章阐述了国内外烤烟工艺现状和我国编烟工艺的发展现状，根据编烟机发 展现状和具体问题提出新型自动编烟机的研究意义及内容。 重庆大学硕士学位论文 2 u n i 乒印h i c s 的应用 2u n i g r a p h i c s 的应用 2 1u g 软件简介 u n i g r 印h i c s ( 简称u g ) 是当今世界上最先进的、紧密集成的p l m 软件，它为整 个制造行业提供了全面的产品生命周期解决方案。已成为全球最具影响力，最先 进的c a d c 舢w c a e 软件之一，广泛的用于航空、汽车、船舶、通用机械、模具、 家电等领域，如通用气车、波音飞机、通用电气、爱立信、松下等世界5 0 0 强企 业都是u g 软件的重：要客户。自从1 9 9 0 年u g 软件进人中国以来，得到了越来越 广泛的应用，现己成为我国工业界主要使用的大型c a d c a e c 川软件 5 】。 u gc a d c a m ( a e 系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从 设计到加工，真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。 u g 面向过程驱动技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境 中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持 相关，从而有效地实现了并行工程。u g 软件覆盖了整个产品的设计过程，其涵盖 的技术包括：概念设计与可视化、产品设计、系统设计与管理、协作与通信、基 于过程的设计、过程自动化、产品质量、产品制造与工具管理 6 。 u g 是一种交互式的计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c 触) 和计算机 辅助工程分析( c a e ) 孟统。该软件主要包含以下一些常用的应用模块： c a d 模块： 1 ) u g g a t e w a y ( u g 入口) u g g a t e w a y 是连接u g 软件所有其他模块的基本框架，是启动u g 软件时运 行的第一个模块，该：奠块为u g 软件的其他各模块运行提供了底层的统一数据库 支持和一个窗口化的图形交互环境，执行包括打开、创建、存储、屏幕布局、图 层管理、绘图输出、绘图机队列管理、模块使用权浮动管理等关键功能。 2 ) u g s o l i d sm o d e l i i 喀( u g 实体建模) u g s 0 1 i d sm o d e i n g 基于约束的特征造型功能和显示的直接几何造型功能无 缝地集成一体，使用户可以充分利用集成在先进的参数化草图工具、尺寸驱动编 辑和用于一般建模和编辑工具，使用户既可以进行参数化建模又可以方便地用非 参数方法生成二维、三维线框模型，扫掠和旋转实体以及进行布尔运算；也可以 部分参数化或将非参故化模型后参数化，方便地生成复杂机械零件的实体模型。 3 ) u g f e a t u r e sm o d c l i n g ( u g 特征建模) u g f e 孤l r e sm o ie l i n g 特征建模模块用工程特征来定义设计信息，在u g s 0 1 i d s m o d e l i n g 建模模块基础上提高了用户设计意图表达特征的生产和编辑，包括各种 重庆大学硕士学位论文 2 u n i g r a p h i c s 的应用 孔、键、槽、凹腔、方形凸垫、圆柱凸台以及各种圆柱、方块、圆锥、球体、管 道、杆、倒圆、倒角等，同时也包括抽空实体模型、产生薄壁实体的能力。这些 特征均被参数化定义可对其大小及位置进行尺寸驱动编辑。 4 ) u g d r a m n g ( u g 工程制图) u g d r a r i n g 使月户可以从u g 三维实体模型得到完全双向相关的二维工程 图。该模块可生成与实体模型相关的尺寸标注，保证工程图随实体模型的改变而 同步更新。可快速布置二维图的多个视图，包括各种剖视图、向视图和局部放大 图，可根据装配信息自动生成零件明细表。 5 ) u g a s s e m b l ym o ( 【e l i n g ( u g 装配建模) u g a s s 锄b l ym 3 d e l i n g 提供并行的自项而下和自下而上的产品开发方法，其 生成的装配模型中零件数据是对零件本身的链接映象，保证装配模型和零件设计 完全双向相关，并改进了软件操作性能，减少了对存储空间的需求。零件设计修 改后装配模型中的零件会自动更新，同时可在装配模型下的零件直接修改零件设 计。该模型提供包括坐标定位和逻辑对齐、贴合、偏移等灵活的定位方式和约束 关系，在装配中安放零件或子装配件，并可定义不同零件或组件间的参数关系。 参数化的装配建模提供描述组件间配合关系的附加功能，也可用于说明通用紧固 件组和其他重复部件， 6 ) u g s h e e t m e t a ld e s i g i l ( u g 饭金设计) u g s h e e t m e t a ld e s i g i l 提供基于参数、特征方式的饭金零件建模功能，可生成 复杂的零件，可对其进行参数化编辑，能够定义和仿真饭金零件的制造过程，对 饭金零件模型进行展开和折叠的模拟操作。可为后续的应用生成精确的二维展开 图样数据。 7 ) u g 惭( a v e ( u g 产品参数化设计) u g 懈( a 、，e 技术使总体设计更改自上而下自动传递。该技术可用于从产品初步 设计到详细设计的每个阶段。u g 佩( a v e 技术帮助用户找出驱动产品设计变化的关 键设计变量并将这些：变量放入u g 佩( a v e 项层控制机构中子部件和零件的设计则 与这些变量有关，对这些变量的更改将自动更新顶层结构和与其相关的子部件和 零件u g 啊a v e 解移：了大型产品设计中的设计更改控制问题，是面向产品级的并 行工程技术。 c a m 模块： 1 ) u g c a mb a s e ( u g 力口工基础模块) u g c a mb a s e 提供连接u g 所有加工模块的基础框架，它为所有u g 的加工 模块提供了一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观 察刀具沿轨迹运动的隋况并可对其进行图形化修改，如对刀具轨迹进行延伸、缩 重庆大学硕士学位论文 2 u n i g r a p h i c s 的应用 短或修改等。该模块司时还可用于钻孔、攻丝和键孔等加工编程。 2 1u g p o s te x e c b u j l d e r ( u g 加工后处理) u g p o s te x e c b u i l d e r 使用户可方便地建立自己的加工后处理程序，该模块 适用于目前世界上几乎所有主流n c 机床和加工中心，该模块在多年应用实践中己 被证明适用于2 5 轴或更多轴的铣削加工、2 4 轴的车削加工和电火花加工。 3 ) u g c a mv i s u a l i z e ( u g 2 5 轴数控加工仿真) 该模块采用人机变互方式，可模拟、检验和显示n c 刀具的路径，是一种花费 少、效率高，不用机床就能验证数控程序的好方法。通过定义被切零件的毛坯形 状，调用n c 轨迹数据，就可以检验由u g 生成的刀具路径的正确性。 c a e 模块： 1 ) u g s c e n 撕of o rm o t i o n ( u g 机构运动及动力学分析) u g s c e n a i i of o rm o t i o n 是一个集成的关联的运动分析模块，提供了机械运动 系统的虚拟样机。能够对机械系统的大位移复杂运动进行建模、模拟和评估，提 供了对静态、运动学和动力学模拟的支持。通过使用各种各样的运动对象，包括 运动副、弹簧、阻尼器、运动驱动器、力、扭矩和柔性套管，来创建和评估虚拟 样机。此外，还可以限容易对刚体的自由运动和刚体接触进行建模、模拟。 2 ) u g s c e n 撕of o rs = m e t l l r e ( u g 结构分析建模与解算) u g s c e n 撕of o r ：；t m c t u r e 是一个集成化的有限元建模及解算的工具，它能够对 u g 的零件和装配件进行前后处理，用于工程学仿真和性能评估。它便于用户快 速地预测和优化仿真工程，以对不同的设计方法做出反应。通过提供强大的仿真 建模工具，不可一整套的n x 建模工具和高级仿真建模工具，用户可以轻易地改 变模型特征参数，快速创建众多结合的仿真模型，以便性能评估 ”。 2 2 基于u g 的( ：a d c a m 技术 2 2 1c a d c 舢技术概述 计算机辅助设计：c o m p u t e ra i d e dd e s i 盟，简称c a d ) 和计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u i n 简称c a m ) 技术是一项涉及多个学科交叉的综合性应用技术。 c a d c a m 技术是产品设计人员和组织产品制造的工艺技术人员在计算机辅助之 下，根据产品的设计和制造程序进行设计和制造的一项新技术，是传统技术与计 算机技术的有机结合，c a d c a m 技术的普及和应用不仅是对传统制造业提出新的 挑战，而且对新兴产业的发展、劳动生产率的提高、材料消耗的降低、国际竞争 能力的增强具有重要作用，己成为衡量一个国家科学技术现代化水平和工业现代 化水平的重要标志之一。 据统计，机械制造领域的设计工作有5 6 属于适应性设计，2 0 属于参数化设 6 重庆大学硕士学位论文 2 u n i g r a p h i c s 的应用 计，只有2 4 属于创新设计。某些标准化程度高的领域，参数化设计达到5 0 左 右。上述数据说明，工程技术人员的大部分时间和精力是消耗在重复性工作或局 部小修小改之中了，不可能有充沛精力去从事创造性劳动，也不会有足够的时间 去学习掌握新知识和新技能，久而久之，人的创造性思维能力也会随着日复一日、 年复一年的重复、繁琐的劳动而萎缩。尤其在市场竞争剧烈的条件下，很难适应 发展的需要。加工方面，一个零件在车间的平均停留时间中，只有5 的时间是在 机床上，而在这个5 的时间中，又只有3 0 的时间用于切削加工。由此可见，零 件在机床上的切削时匍只占零件在车间停留时间的1 5 。要提高零件的加工效率、 改善经济性，就要减少零件在车间的流通时间和在机床上装卸、调整、测量、等 待切削的时间。从计算机科学的角度看，设计与制造的过程是一个关于产品信息 的产生、处理、交换和管理的过程。人们利用计算机作为主要技术手段，对产品 从构思到投放市场的整个过程中的信息进行分析和处理，生成和运用各种数字信 息和图形信息，进行产品的设计与制造。c a d c a m 技术不是传统设计、制造流程 和方法的简单映像，也不是局限于在个别步骤或环节中部分地使用计算机作为工 具，而是将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代的科学 方法为指导结合起来，在设计、制造的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机 代替工程技术人员完戎整个过程，以获得最佳效果。c a d c a m 系统以计算机硬件、 软件为支持环境，通过各个功能模块( 分系统) 实现对产品的描述、计算、分析、 优化、绘图、工艺规程设计、仿真以及n c 加工。从而提高产品设计质量、缩短产 品开发周期、降低产占i 设计成本、实现产品制造过程的自动加工、装配、检测等 8 j0 1 。 2 2 2u g 软件在c a d c a m 应用中的优势 作为机械设计c 久d c a m 软件应具有较好的数据交换性能、软件集成性能和 二次开发性能。能够提供强大的绘图、三维建模、工程计算与分析、数控编程等 综合功能模块。u g 作为最先进的c a d c a m 软件之一，提供了强大的c a d c a m 功能模块，包括： 复合建模 与p r o e 的全参数化不同，u g 采用尺寸驱动技术，具有全相关的参数功能的 复合建模，能够满足复杂曲面设计要求【1 1 l 。u g 提供了显示建模、参数化建模、基 于约束建模三种建模方式。在设计过程中更具灵活性。有一组丰富的支持各种建 模操作的工具集，用户可以根据设计意图选择正确的建模策略。建立了全相关参 数化的模型。用户可以方便地通过编辑参数修改模型而维持设计意图的完整性。 许多传统的曲线已改造成参数化曲线：如直线、弧、二次曲线和规律曲线。大多数 推衍曲线已和原曲线保持相关联能够有效地使用遗留的产品模型数据，包括来自 其它c a d 系统的数彩 。直接建模扩展( d m x ) 提供一套强有力的工具，用户可以直 重庆大学硕士学位论文 2 u n i g r a p h i c s 的应用 接遗留的和基于历史的模型，添加新的特征和“在表面上进行智能化操作”。 虚拟装配 u g 软件采用的装配模式是虚拟装配模式，即装配件中的零件与原零件之间是 指针引用链接关系，对原零件的修改会自动反映到装配件中。运用u g 虚拟装配 技术进行装配建模，还可以及时检查装配模型是否存在设计尺寸干涉为将来实际 装配的顺利进行提供可靠保证由此所产生的装配信息可以方便地绘制装配图，并 能快速生成分解图，节省绘制装配图和零件图的时间和成本。 自动生成工程图 利用u g 的m o d ：l i n g ( 实体建模) 功能创建的零件和装配模型，可以引用到u g 的d r a 衔n g ( 工程图) 攻能中，快速的生成二维工程图。并能按i s o 标准和国际标注 尺寸、形位公差和汉字说明等，并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖和轴测图挖切 生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。由于u g 的d r a 衔n g 功能是基于创 建三维实体模型的二维投影所得到的二维工程图，因此，工程图与三维实体模型 是完全关联的，实体模型的尺寸、形状和位置的任何改变，都会引起二维工程图 作出时时变化【l 2 1 。 强大的c a m 功能 u g 加工模块提供了强大的数控加工功能。对于使用u g 建模模块或者其他 c a d 软件建立的实体模型，均可在u g 加工应用中生成精确的刀具路径。在交互 操作过程中，可在图形方式下编辑刀具路径，观察刀具运动过程，生成刀具位置 源文件；同时，可应用其可视化功能在屏幕上显示刀具轨迹，模拟刀具的真实切 削过程，并通过过切俭查和残留材料检查检测相关参数设置准确性。生成的刀具 路径，可以通过后置处理生成用于指定机床的加工程序【1 3 。 2 2 3c a d c 触技术在本课题的应用及意义 自动编烟机设计过程中，c a d c a m 工作流程如图2 1 所示。根据编烟机的设 计要求，提出总体方案。然后设计每个零件并运用u g 建模模块建立实体模型， 进行虚拟装配。对装配好的虚拟样机进行干涉分析，运动学及动力学仿真，如果 发现设计不合理的地疗又返回重新设计建模，直到得到合理的模型。运用u g 工 程图模块可以很方便的生成零件工程图及装配图，但是有三维模型生成的二维图 标准件画法是一种规定画法，不是三维模型的真实投影，有些复杂零件在投影过 程中难以反映绘图规足0 。因此通过u g 生成的工程图和装配图还需要在a u t o c a d 中进行修改和完善。对于编烟机中一些复杂零件可以通过u g 的c 蝴功能进行加 工仿真，自动生成数控代码。 重庆大学硕士学位论文 2u n i g r a p h i c s 的应用 图2 1c a d c a m 工作流程 f i g 2 1c a d c a mf l o wc h 砌 在自动编烟机设汁过程运用u g 的c a d c a m 功能，在设计中可以很方便根 据需要进行零件设计，特别是对于复杂，形状不规则的的零件显得更快捷方便。 通过在虚拟环境下进行设计、建模、装配，能够在设计阶段对零件进行优化并反 复修改，提高设计零，牛的质量。u g 强大的计算机辅助功能能够自动生成工程图和 n c 代码，节省了大盔 计算和绘图时间，能够提高编烟机设计效率。在零件加工之 前，在u g 环境下建加工进行仿真，及时发现零件设计不合理的地方，对设计进 行修改，提高产品设汁质量，降低加工成本 1 4 1 。 2 3 基于u g 的虚拟样机技术 虚拟样机技术( vr t u a lp r o t o t y p i n g ，v p ) 是一种基于产品的计算机仿真模型的数 字化设计方法。机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国 际上2 0 世纪8 0 年巾：随计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程 ( c a e ) 技术【l5 | 。它是( ：剧d f x 技术的发展和延伸，进一步融合先进建模仿真技术、 现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品 全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。现已广泛地应用于汽车、工程机 械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、人机工程学、生物学、医 学、以及工程咨询等很多方面。应用最多的是虚拟样机的虚拟制造及其以设计为 中心的虚拟制造。以设计为中心的虚拟制造技术以统一的信息数据库为基础，对 数字化虚拟样机进行防真分析、优化，同时进行产品结构性能、动力学、运动学、 热力学等多方面的分析和可装配性分析，以获取对未来产品的性能预测结果和可 制造性分析【1 6 j 。 2 3 1 虚拟样机技；忙原理 传统模式新产品从设计到定型过程如图2 2 所示。需要经过设计、样机试制、 样机评价，若评价满意即可进行定型生产，若不满意，则进行修改设计、再试制， 9 下卜 一方计一 一体设 一总案一 重庆大学硕士学位论文 2 u n i 铲a p h i c s 的应用 重复试制循环，直到满意，然后定型生产。这种产品研发模式成本高，研发周期 较长，样机的性能测式不够全面，设计师对局部修改给整机带来的结果难以预知， 导致所研发产品的性毙缺乏竞争力，难以满足市场要求。 图2 2 传统模式的新产品研发过程 f i g 2 21h et r a d i t i o n a lm o d e lo fn e wp r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s 随着社会需求日益多元化和生产力的迅速发展，传统产品研发模式已经不能 适应市场竞争。为了提高新产品竞争力，提出了新的产品研发模式如图2 3 所示。 在新的产品研发模式中运用了虚拟样机技术，与传统模式相比增加了数字样机的 试制和数字样机的仿真评价过程。新产品试制过程包含了数字样机试制和物理样 机试制过程。数字样j 叽设计工程中，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 最优数字样机后，再做出物理样机 19 1 。 图2 3 新型模式的产品研发过程 f i g 2 3n e w m o d e lo fn e w p r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s 2 3 2 虚拟样机技；：忙在本课题中的应用及意义 传统编烟机开发过程要经过样机设计、样机试制、实地试验、改进设计、再 试制、试验直到达到满意效果。这样的开发过程成本高、周期长、很多机构参数 只能靠设计人员根据经验确定，从而严重制约了产品质量的提高。由于烟草机械 l o 重庆大学硕士学位论文 2 u n i g r a p h i c s 的应用 自身特点和工作对象拘复杂性，所以研制中存在较大困难，机械系统一般由几百、 几千个零件组成，要对每个零件进行解析，计算量相当大，依靠人工几乎不可能 完成。为了解决这些司题，在新型编烟机设计中，采用基于u g 的虚拟样机技术。 具体设计方法和流程f ! 口图2 4 所示。通过运用u g 强大的c a d 功能，建立编烟机 所有零件实体模型，虚拟装配成初步的数字样机。然后对装配好的样机进行模型 干涉分析，如果发现干涉问题对有问题的零件进行修改，如果没有干涉问题就对 数字样机进行运动仿真。运动仿真运用的是u g s c e n a r i of o rm o t i o n 模块，对编烟 机主要机构进行运动学和动力学仿真，发现问题又重新修改模型。如此往复，直 到得到满意的数字样机。 ， 建立零件模型 一l 7 虚拟装配 | l 弋夕 模型干涉分析 u g c a d 、 运动仿真 7 动力学仿真 数字样 1rr 机定型 弋夕 运动干涉分析 u g m o t i o n 图2 4 基于u g 的虚拟样机设计流程 f i g2 4 、_ n u a lp r o t o t y p i n gd e s i g np r o c e s sb a s e do nu g 在编烟机样机试制中采用虚拟样机技术，改变了传统串行产品研发模式，实 现了并