（机械设计及理论专业论文）自动铝带绕片机的数字化设计.pdf

t j j 等 i 。 d t h ed i g i t a ld e s i g no f a u t o m 姐i ca l u m i n o u s w i n d i n g c a n d i d a t e ： m a c h i n e s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo f0 r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w u y o n g p r o f g ej i a n g h u a m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y m a r c h ，2 0 0 6 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y m 3 一饕 屯 吲 赫i 皇iil 字化设 计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或 撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 鬓蓼 日期：参硼6 年多月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 自动铝带绕片机的数字化设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留但不同意向有关部门提交 论文和电子版本，不允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，只允许公布论文的摘要。 本学位论文属于 ， 、 保密凹，在3 年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 储繇炎秀 一名：墨。1 l ，- 日期：乒伽厂年弓月厂日 日期：泖多年汐, gg 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 自动铝带绕片机的数字化设计 摘要 随着机械产品功能要求日益增多，产品更新换代的周期缩短，使得传统 的设计方法逐渐被现代设计方法所取代。数字化设计技术涵盖了现代设计的 最新技术，同时又是现代设计的前提，对其进行研究十分必要。绕片机是生 产翅片管的专用设备，而我国现有的绕片机多属于半机械半手工的操作方 式，效率低、质量不稳定、规格少。由于社会上对绕片机的需求量日益增 大，因此有必要对铝带绕片机进行数字化设计研究。 本文主要从自动铝带绕片机的功能要求出发，对各个部分的功能进行了 研究，并最终提出了完整的总体设计方案；本文以p r o e 为三维设计平台， 对绕片机中的上料装置、传送装置、加工装置和下料装置进行了详细的结构 设计。并且，在p r o e 平台上对各个部分进行装配和整体仿真。本文考虑到 绕片机在整个装配和仿真过程中会出现干涉等因素，因此在整个设计过程中 始终以并行工程为指导思想，并结合面向装配设计技术( d f a ) ，对装配仿 真进行检测和分析。最后，运用a n s y s 分析工具对绕片机的主要部件进行 动态模拟分析，确保部件能够达到要求。 本文解决了传统绕片机的半机械、半手工的操作方式，效率低，质量不 稳定，规格少的问题；实现了产品螺距的无级调速，并可实现程序管理、参 数预设置、自动和手动的功能。能够有效地提高企业的生产效率和自动化水 平，并最终提高企业在市场上的竞争力。 关键词现代设计技术；数字化设计；自动铝带绕片机；动态模拟分析 、 d a ya n dt h ep r o d u c tu p d a t i n gt i m ei sr e d u c i n g ，t h et r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o d o l o g y i s g r a d u a l l yr e p l a c e db ym o d e md e s i g nm e t h o d o l o g y i t i s n e c e s s a r yt os t u d yt h ed i g i t a ld e s i g n t e c h n i q u eb e c a u s e i tc o v e r st h el a t e s t t e c h n o l o g yo fm o d e md e s i g na n di sa l s ot h ep r e r e q u i s i t ef o rm o d e md e s i g n t h e a l u m i n o u s - w i n d i n gm a c h i n ei ss p e c i a le q u i p m e n tf o rp r o d u c i n gt h ew i n gp i e c e t u b e ，a n do u re x i s t i n gw i n d i n gm a c h i n e sb e l o n gt ot h es e m i - m e c h a n i c a la n d s e m i m a n u a lo p e r a t i o nm e t h o dw h i c hh a sl o we f f i c i e n c y , u n s t a b l eq u a l i t ya n d f e w e rs p e c i f i c a t i o n s b e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tf o ri ti no u rs o c i e t y , i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ea l u m i n o u s - w i n d i n gm a c h i n ew i t ht h ed i g i t a ld e s i g n t e c h n i q u e s t h ef u n c t i o n so fe a c hp a r ta r er e s e a r c h e da n df i n a l l yt h ew h o l ed e s i g np l a n i sp r o p o s e do nt h eb a s i so ft h ea u t oa l u m i n o u s w i n d i n gm a c h i n e sf u n c t i o n r e q u e s t s t h el o a d i n ge q u i p m e n t ，t h et r a n s p o r tu n i t ，t h ep r o c e s s i n ge q u i p m e n t a n dt h eu n l o a d i n ge q u i p m e n to ft h ea u t oa l u m i n o u s w i n d i n gm a c h i n ea r e d e s i g n e di nd e t a i lw i t hp r o er e g a r d e da sat h r e ed i m e n s i o n a ld e s i g np l a t f o r m t h ea s s e m b l a g ea n dt h es i m u l a t i o no fe a c hp a r ta r ec a r r i e do ni np r o ep l a t f o r m c o n s i d e r i n gi n t e r f e r e n c e a n do t h e rf a c t o r si nt h ee n t i r e a s s e m b l ya n dt h e s i m u l a t i o np r o c e s so ft h ea u t oa l u m i n o u s - w i n d i n gm a c h i n e ，t h ee x a m i n i n ga n d a n a l y s i so ft h ea s s e m b l ya n ds i m u l a t i o na r ec a r r i e do nw i t ht h ei n s t r u c t i o no f c o n c u r r e n te n g i n e e r i n ga n dw i t ht h ei n t e g r a t i o no fd f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ) t e c h n o l o g y f i n a l l y , t h ed y n a m i c a l l ys i m u l a t i o na n a l y s i so ft h em a jo rp a r t so ft h e a u t oa l u m i n o u s w i n d i n gm a c h i n ei sc a r r i e do nw i t ht h ea n s y sa n a l y s i st o o l st o g u a r a n t e et h a tt h e s ep a r t sc a na c h i e v er e q u e s t s t h ep r o b l e m so fh a l fm a c h i n e r y , h a l fm a n u a lo p e r a t i o nw a y , l o we f f i c i e n c y , i i 冬7 二二二一 u n s t a b l eq u a l i t ya n df e ws p e c i f i c a t i o no ft h et r a d i t i o na u t oa l u m i n o u s w i n d i n g m a c h i n ea r es o l v e di nt h i st h e s i s t h es e r i e so ft h em o d u l a t i n gv e l o c i t yo ft h e p r o d u c ts c r e w 。p i t c hg a u g ea r er e a l i z e d ，a n dt h ep r o g r a m m a n a g e m e n t p a r a m e t e r p r e 。e s t a b l i s h m e n t ，a u t o m a t i ca n dm a n u a lf u n c t i o n sa r er e a l i z e d t o o t h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n da u t o m a t i z a t i o nl e v e lo ft h ee n t e r p r i s ec a nb ee n h a n c e d a n df i n a l l yt h ec o m p e t i t i v ea b i l i t yo ft h ee n t e r p r i s ec a n b ei m p r o v e d k e y w o r d sm o d e m d e s i g nt e c h n o l o g y ；d i g i t a lt e c h n o l o g y ；a u t oa l u m i n o u s w i n d i n gm a c h i n e ；d y n a m i cs i m u l a t i v ea n a l y s i s i l l - 。i i i 1 1 2 计算机辅助设计的发展现状和趋势2 1 2 自动铝带绕片机的设计需求分析4 1 3 课题研究的目的和意义6 1 4 本课题主要研究的内容7 第2 章自动铝带绕片机设计的理论与方法8 2 1 传统设计与现代设计方法8 2 1 1 现代设计技术8 2 1 2 现代设计方法的特点9 2 2 现代设计技术在铝带绕片机中的应用。9 2 2 1 自动铝带绕片机现代设计的一般过程1 0 2 2 2 现代设计技术在绕片机结构设计中的运用1 1 2 3 自动铝带绕片机的三维设计方法1 3 2 3 1 从底到上和从顶到下的设计方法1 3 2 3 2 从底到上的设计方法1 4 2 3 3 从顶到下的设计方法1 5 2 4 面向装配的设计d f a 。1 6 2 4 1d f a 的基本概念和产生的背景1 6 2 4 2 面向装配的设计的原理及重要性1 6 2 5 面向装配设计系统的总体结构1 8 2 5 1 面向装配设计( d f a ) 与c a d 的信息集成2 1 2 5 2 面向装配设计系统在绕片机结构中的干涉检查2 2 2 6 本章小结2 3 第3 章自动铝带绕片机的结构设计2 4 3 1 自动铝带绕片机的基本结构设计2 4 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 2 自动上料装置的结构设计2 4 3 3 自动传送装置的结构设计2 6 3 4 自动进给和缠绕装置设计2 8 3 5 本章小结3 3 第4 章自动铝带绕片机的设计建模及仿真3 4 4 1 自动铝带绕片机三维实体设计平台的选择3 4 4 1 1p r o e n g i n e e r 简介3 4 4 1 2p r o e n g i n e e r 的主要特点3 5 4 1 3p r o e n g i n e e r 的功能简介3 6 4 2 自动铝带绕片机的三维设计流程3 8 4 3 装配的基本概念3 9 4 4 自动铝带绕片机的装配建模4 0 4 4 1 装配建模的概述4 0 4 4 2 装配建模的主要方法4 l 4 4 3 装配关系和装配约束4 3 4 5 自动铝带绕片机的机构运动仿真4 4 4 6 运动仿真的主要内容及实现方法和过程4 5 4 7 本章小结4 7 第5 章自动铝带绕片机主要部件有限元分析4 8 5 1 有限元方法概述4 8 5 1 1a n s y s 有限元分析软件4 9 5 1 2a n s y s 软件的几个方面优势5 0 5 2a n s y s 的功能介绍5 l 5 3 自动铝带绕片机重要部件的有限元分析5 2 5 3 1 机头齿轮的模态分析5 2 5 3 2 进给轮轴的静力分析5 6 5 4 本章小结5 8 结论5 9 参考文献。6 0 附录6 3 攻读学位期间发表的学术论文6 6 致j 射6 7 ， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 数字化设计概述 第1 章绪论 随着市场竞争的日趋严峻，企业面临着越来越大的压力。企业要想生存和 发展就必须要在尽可能短的时间内，用尽可能低的成本，生产出质量尽可能高 的产品。而数字化设计技术就是在这样的背景下产生的，它是2 0 世纪9 0 年代 末最新的产品设计开发技术。 数字化设计是现代产品设计方法的关键技术之一，是利用现代高科技手段 和技术来改造传统的产品设计方法，从而建立起一套适用于现代社会的产品设 计方法。其结合了先进的基于计算机的自动化设计软件和数据管理技术，以计 算机仿真和产品生命周期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、并行工 程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实等技术为一体，覆盖了从概念设计、详 细设计、工程分析、数控加工、虚拟制造到产品维护等产品设计和制造的整个 产品生命周期，通过缩短产品研制周期和降低成本，并全面模拟产品的设计、 分析、装配、制造等过程，实现产品开发全过程的技术【1 1 。它的显著特点之一 是利用在计算机内部存储的数字化模型来代替实物模型进行仿真、分析，从而 提高产品在时间、质量、成本等中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成 功的目的。计算机内部的数字化模型不仅可以真正实现设计与过程的集成，同 时它还可以有效地组织市场信息、技术信息、资源信息，促使在不同的地方对 产品开发的实现和为创新产品开发提供良好的运行条件和机制。数字化产品开 发应用技术的核心为三维计算机辅助设计软件，以三维手段数字化定义组成产 品的任何数据并通过网络进行协同作业，再配合产品数据管理系统( p d m ) ， 使制造业实施基于数字化技术的、完全优化的产品开发和制造流程。 1 1 1 数字化设计在国内外的发展现状 由于数字化技术的应用，美国b o e i n g 公司得以实现以无纸作业的电子样 机手段开发新一代的b o e i n 9 7 7 7 客机，使其开发周期从原来所需要的8 年降低 到5 年：由于数字化技术的应用，欧洲空客公司一架新的飞机的研制周期从4 年降至2 5 年；克莱斯勒公司同样用该技术才能把一辆全新的小轿车的周期缩 短到十八个月，因此，数字化设计技术越来越受到企业广泛的重视，并成为当 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 前设计的研究热点。如今越来越多的企业加入到这一技术变革的行列，包括从 航空、航天、汽车、造船等多种行业。 我国的数字化设计技术起源于2 0 世纪末，各主要的设计制造企业通过与 国外协作项目的不断扩大，在产品的数字化设计方面进行了深入的研究，取得 了很好的成绩。1 9 9 5 年西安飞机工业公司与美国的波音公司签订承制7 3 7 7 0 0 飞机垂直尾翼合同，同意接收产品数据集( 波音公司不在提供任何图纸) ，承 诺在产品数据集的基础上完成后续设计。这个项目最终取得了很大的成功，同 时也使我国的飞机设计水平上了一个新台阶。在我国的汽车设计方面，数字化 设计技术为其设计和开发提供了快捷的方式。所有设计和开发人员，包括设计 师、工程师、供应商、制造商和生产线的工作人员等通过网络协同工作，自始 至终都在参与整个设计和开发过程。电脑网络的动作使几个月的设计变成了几 天。电脑网络也使该项目的不同工作人员共享信息，协同工作，不必等到前一 个部门完成工作后才进行下一个部门的工作。所有的开发人员都可以共享电脑 文件，并用电脑三维设计技术设计车型，而不需再用手工绘图。所有的优化设 计都可以在电脑上实现，而无需再制造出样本模具和零部件。 数字化设计技术在各个领域的不断应用，不断更新，促使了该技术迅速成 熟，并且推动企业以更快的速度推出更加创新的产品，而同行的回应又兴起新 一轮的市场竞争。数字化设计技术和网络技术正把这种循环的速度加快。由数 字化工艺流程设计到数字化制造，整个数字化设计技术逐步发展而成为数字化 企业的核心。但是由于我国工艺问题存在着多样性与理论复杂性，在c a p p 方 面发展相对滞后，制约了数字化设计技术的整体发展速度。因此，针对我国制 造业普遍存在的产品创新设计能力不足、新产品制造周期过长、制造管理水平 低等问题，结合技术难度高的重大复杂产品和设备的设计与制造过程，进行创 新研究和开发，为企业提供共性的数字化设计与制造方法、软件工具集和集成 化系统，有效提升制造企业的设计和制造能力。 1 1 2 计算机辅助设计的发展现状和趋势 几十年来，c a d 技术不断成熟，它已经广泛应用于航空，航天，汽车， 机械，电子，电器等等领域，它已经成为工业发达国家制造业竞争的优势、开 拓市场的重要手段，有力地促进了新技术的发展和新产品的更新。 现在，工业比较发达国家的计算机辅助设计技术不断完善，不断创新，慢 慢发展形成了一个从研究开发、生产制造、推广应用到销售服务的完善的一个 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 高科技产业。如今，c a d 技术的应用领域进一步扩展，从机械产品的设计、 分析、制造和管理到气象预报、地质绘图等都涉及到了。其应用领域不仅遍及 所有工业部门，而且在体育、医疗、电影、动画、电视和广告领域也有广泛的 前景【2 1 。 计算机软、硬件水平的不断提高为c a d 技术的发展提供了必要条件，全 球化激烈的市场竞争为c a d 的普及应用提供了动力。c a d 技术在现代制造系 统起着举足轻重的作用，伴随着制造业信息化的进程，c a d 将获得更大的发 展和更广泛的应用。c a d 技术在近期的发展趋势可概括为如下几方面【2 j ： 1 微机化：过去，c a d 主要以工作站为硬件平台，目前，以w i n d o w s 体 系为主的微机己经占有计算机应用的大部分市场，随着w i n d o w s 技术的发 展，使得微机环境的可靠性、安全性和运行效率得到极大改善。 2 集成化：集成化就是共享数据。针对制造业而言，集成化就是把设计、 工艺、加工、管理等各个环节的各种功能软件有机地结合起来，统一数据的描 述及交换，协调各功能软件有效运行。其中计算机集成制造系统( c i m s ) 是 c a d 系统集成发展的一个重要方向。 3 智能化：初级的智能化表现在c a d 软件的人性化、使用方便，典型是 应用动态导航技术，引导设计者一步步进行设计。更进一步，根据具体设计方 法、技术及经验，在处理数值性的工作的基础上，进行推理型工作，这些工作 需要知识、经验与推理。将专家系统技术与c a d 技术结合起来，是智能化 c a d 系统发展的必然趋势。 4 规范化：规范化的趋势体现在数据模型的标准化、数据交换格式的标准 化及c a d 资源的规范化三个方面。 5 个性化：对于c a d 软件供应商来说，c a d 软件的通用化可以使产品占 领更广阔的c a d 用户市场。而对于c a d 的具体用户来说，又希望c a d 软件 个性化，即具有更强的针对具体产品的设计功能。 6 网络化：c a d 系统只有通过网络互连起来，才能达到资源共享和协同 作用，发挥更大的效益。c a d 的公用信息、图形、编码、标准零部件等都存 贮在服务器的公用数据库中，用户c a d 工作站通过网络共享其中的数据，进 行各自的工作，交换所需的中间处理数据和最终结果。 7 并行化：并行设计作为并行工程在产品设计开发活动中的体现，是从传 统串行顺序方式演化到合作并行求解方式的一项重要技术。c a d 的集成化与 网络化为c a d 实现并行设计提供了软硬件基础。 总之，从设计过程的总体结构来看，计算机辅助设计的过程和阶段与传统 图1 1 计算机辅助设计过程及其计算机辅助工具 f i e u r e l 1c o m p u t e r - a i d e dd e s i g np r o c e s sa n di t sc o m o u t e r - a i d e dt o o l s 1 2 自动铝带绕片机的设计需求分析 用 设 我国绕片机的大量使用从8 0 年代开始，但多数为引进设备。由于翅片管 是空气冷却器管束上的最基本、最重要的热交换元件，随着我国空调、制冷业 的发展，对翅片管的需求量日益增加，作为翅片管生产的专用设备，绕片机仅 靠进口已不能适应市场竞争的要求。为此，我国各企业，如开封市红日散热器 厂、哈尔滨空调机厂等，都纷纷开发、研制了适合自己企业发展的设备，并取 得了较好的经济效益。经过不断的改进和完善，绕片机的性能和各项参数都得 到了很大的提高，但这些改进多数都只限于对机械结构的改进，绕片机自动控 制能力相对较低。现在国内市场上所用的翅片管总的来说有以下两种： 一种是在钢管外表面绕有连续薄带状的螺旋形的铝片，这种铝带翅片管是 通过钢管转动使铝带变成螺旋状，进而靠铝带自身的张力紧紧地包裹在钢管上 形成的。由于铝带将钢管全部包裹，并且铝带自身的散热效果很好，因此通过 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 热量全部传给铝带，经过铝带向外部散热，这样就更好的达到了散热的 并且增大了散热面积。由于现在国内对铝带翅片管的加工技术还处于半 手工状态，因此所加工的翅片管的精度就相对比较低，而且加工出来的 较多，从而浪费了铝片。， 外一种是被称为高频焊螺旋翅片管，其工作时把钢带固定在钢管上，高 开启后，高频电流通过馈电系统在钢管和钢带很小的范围内流过，由于 流的作用，在极短的时间内，把电流经过区域的钢管和钢带加热到呈塑 态。两个待结合的金属表面在项锻力的作用下形成牢固的焊缝。随着钢 不断地旋转和轴向移动，以及钢带的同步殊荣，钢带就形成绕焊在钢管 上的翅片【5 1 。如图1 2 所示。 1 基管2 钢带3 带电极4 压紧缸5 压带轮6 管电极 图1 ：2 高频焊接螺旋翅片管焊接过程 f i g u r e l - 2h i g hf r e q u e n c yw e l d i n gs p i r a lw i n gp i e c ep i p ew e l dp r o c e s s 以上两种翅片管生产线的缠绕机头牵引运动和旋转运动合用一个电机驱 动。电机旋转，有两个输出，一个是直接带动钢管旋转，一个是通过传动齿 轮，拖动钢管及辅件做直线运动。螺距的变化调整，是通过很多组备用齿轮组 及齿轮箱共同调节，而且，螺距受齿轮比的限制，不能达到无级设定，往往不 能满足客户的需求，达不到最佳的效果，时常出现质量问题。 早于我国，7 0 年代初期，美国m e e l o r y 公司就已经开始研制绕片机。目 前，该公司的绕片机已具备p l c 控制和自动化加工功能。意大利c m s 公 司、a l i b a b a 公司等许多国家都在不断研制、开发不同规格的绕片机。 因此，针对我国绕片机多数都仅限于对机械结构的改进，并没有解决其自 动控制问题，仍满足不了对换热元件的物理结构参数和性能技术参数的要求， 哈尔滨理t 大学t 学硕： 学位论文 技术落后的情况。借鉴国外先进技术，开发自动铝带绕片机是一项具有很大开 发潜力的项目，能够产生可观的经济效益和社会效益作为散热器元件的一个关 键设备，该自动机床的主要性能和要求都能达到国内领先水平，填补国内相关 领域的空白。 1 3 课题研究的目的和意义 铝带绕片机是生产散热器用翅片管的专用设备，翅片管是指金属外表面绕 有连续薄带状的螺旋形金属翅片，利用翅片进行热交换的一种换热元件。这种 翅片管是目前国内外一致公认的一种新型高效热交换元件，是先进的节能产 品，可广泛应用于机械、冶金、石油、化工、电站、汽车、医疗等行业的热交 换器及各种散热器、暖风机等设备上。由于我国现有的绕片机多属于半机械半 手工的操作方式，效率低、质量不稳定、规格少、不能满足用户日益增长的对 质量、品种和规格的要求，因而对自动铝带绕片机的开发就显得尤为迫切。本 课题是在数字化平台上设计的一种新型铝带绕片机，开发后的机床功能齐全， 使用可靠，并采用开放性数控系统为核心的控制系统总体结构，控制系统总的 控制思想是基于p m a c 运动控制器的i p c c n c 型开放式数控系统( “i p c + 运 动控制卡+ 外围辅助设备”：将p m a c 运动控制板插入工控机的标准插槽中 作实时控制，工控机用作人机交互的界面和系统的管理。通过模块化的设计方 法，建立统一的可重构的系统工具平台，极大地增强了数控系统的柔性和适应 性。根据自动控制铝带绕片机的要求，进行机床机械结构、上下料装置设计及 工艺设计。在以往的基础上进行改进和创新，具体表现在以下几个方面： 1 实现不同管径和长度钢管绕片的自动控制和铝带螺距的无级调整。 2 用自动控制系统代替原来的手工操作，提高加工精度。 3 通过自动控制，减少人为操作造成的误差。 4 提高企业的自动化程度，提高生产效率和加工精度，大大降低了企业的 生产成本。 5 易于调整，所需调整时间少。 6 采用报警装置，当发生故障时，可以得到及时的处理，减少损失。实现 生产过程的自动化、智能化，提高控制精度，稳定加工质量，提高了企业的自 动化程度，提高生产效率和加工精度，其换热元件的传热效率可提高3 0 ，生 产率提高6 倍，直接节约原材料( 铝带) 1 5 ，从而更好地满足客户对产品的 需求，大大降低了企业的生产成本，提高了企业的效益和市场竞争力，是一项 哈尔滨理丁火学工学硕l 学位论文 极具开发潜力的项目。该数控铝带绕片机的主要性能和要求均可达到国内领先 水平，将填补国内相关领域的空白。本论文主要是研究铝带绕片机的结构设 计。 经调查，全国使用该设备的企业有上万家，该设备批量生产后，按市场份 额的2 0 - 3 0 计算，年产值可达到7 0 0 0 万：销售收入：6 3 0 0 万：利润：6 0 0 多万： 税金：1 0 7 0 万具有可观的经济效益。 1 4 本课题主要研究的内容 本课题来源于哈尔滨市攻关项目：“自动铝带绕片机的研究与开发 。 本课题主要是通过对国内外铝带绕片机进行研究的基础上，提出了一种全 新的自动铝带绕片机的设计方案。本方案能够实现自动上下料、自动加工和实 现不同的螺距等功能，使其加工的产品精度达到更高水平。具体有以下研究内 容： 1 总体设计调研，进行项目总体方案制定。确定机床的整体方案，拟定采 用开放性数控系统为核心的控制系统。 2 机床的结构设计。根据数控铝带绕片机的加工工艺要求，进行机床自动 传动装置、自动上下料装置等机构的结构设计。 3 全面考虑产品的总体布置、人机工程等因素，在数字化平台上进行机构 的三维设计，运动仿真，强度计算，受力分析。 4 进行机构的详细设计。确定零部件形状、材料和尺寸，并进行必要的强 度、刚度、可靠性计算，用分析软件，对零件进行受力及运动分析，完成全部 的零件生产用图纸。 5 资料整理。整理机床使用说明书及相关材料。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章自动铝带绕片机设计的理论与方法 2 1 传统设计与现代设计方法 最早的机械设计是由经验丰富、技术熟练的手工艺人进行的，这种设计只 存在于手工艺人的头脑中，机械设计的产品也是比较简单的。随着生产的发 展，需要更多、更好、更复杂的机械产品。因而出现了图纸，开始按照图纸制 造机械产品。通过图纸，既可满足许多人同时参加制造的需要，又使手工艺人 的经验和知识被记录并流传下来，还可以用图纸对产品进行分析和改进，推动 设计工作向前发展，从而使设计工作具有相对独立的性质1 6 l 。 2 1 1 现代设计技术 通常所说的机械产品设计是根据社会的需求为设计目标，在一定的设计原 则下，利用设计方法和设计手段，创造出产品的过程。下图就是机械产品的设 计流程图。 f i g u r e 2 1m e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g nf l o wc h a r t 在科学技术飞速发展的今天，人们对机械产品的功能要求日益增多，同时 产品的复杂性也随之增加。产品的淘汰时间明显缩短。这些因素就迫使产品的 设计加快，尤其是机械产品传统的设计手段和方法明显跟不上现在的时代需 求。以往的传统设计方法是专业设计主管指导设计，采用一级级往下传递设计 参数的串行设计方法以及封闭的设计思维，再加上建立在经验基础上的主观决 策，过早地对机械产品定型，等设计出来进入样机试验，样机试制后，要对样 机进行各种模拟工况下的动力学分析，然后依据分析的结果，重新来修改设计 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 方案，再次修改样机并且再次进行样机试验。以这种方式循环下去，直到满足 客户及市场的需求为止。所以，这种方法在很大程度上延长了产品开发的周 期，不能得到相互作用的零件产生干涉，故障的原因，这样下来得到的设计方 案往往不是最佳、最优的设计方案。因此根据上述设计方法的不足，就产生了 以研究程序设计、设计规律、设计思维与工作方法为中心的一门综合学科 现代设计方法。现代设计方法是以设计产品为目标的一个知识群体的总称，它 运用了系统工程，实行人一机一环境系统一体化设计，使设计思想、设计进 程、设计组织更合理化、现代化；大力采用许多动态分析方法，使问题分析动 态化；设计进程和战略、设计方案和数据的选择广义优化：计算、绘图等计算 机化，所以有人以动态、优化、计算机化来概括其核心。 2 1 2 现代设计方法的特点 1 程式性：设计者从产品规划、方案设计、技术设计、总体设计、施工设 计到试验、试制进行全面考虑，按步骤有计划的进行设计。 2 创造性：突出人的创造性，充分发挥设计者的创造性思维能力及集体智 慧，运用各种创造方法，力求探索更多的突破性方案，开发创新产品。 3 系统性：现代设计强调用系统工程处理技术系统问题。设计时分析各部 分的有机联系，力求系统整体最优，同时要考虑系统与外界的联系，即人一 机一环境的大系统关系。 4 优化性：通过优化理论及技术，对技术系统进行方案优选，参数优化， 结构优化，争取使技术系统整体最优，以获得功能全、性能好、成本低、价值 优的产品。 5 综合性：现代设计方法是一门综合性的边缘性学科、突破了传统、经 验、类比的设计。 6 c a d ：c a d 不仅在于计算和绘图，在信息储存、预测、评价决策、动态 模拟、特别是人工智能方面，将发挥更大的作用。支持c a d 机械设计的方法 最初是以二维绘图为主，之后经过线框模型，表面模型到实体模型的发展以及 曲面造型技术的出现，c a d 技术能在空间上对机械设计提供支持【7 1 。 2 2 现代设计技术在铝带绕片机中的应用 自动铝带绕片机的现代设计技术就是综合运用现代设计理论和方法，结合 自动铝带绕片机的工作原理，将复杂的工程问题转化成数学力学模型，用计算 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 机求解的过程通过在计算机上分析、动态仿真，对其的动态性能和可能出现的 故障进行预测和诊断，这样在设计阶段就能将未来的绕片机的性能、结构等确 定下来，从而提高设计的质量和设计成功率，获得最优的设计结果。 2 2 1 自动铝带绕片机现代设计的一般过程 好的设计方法来源于好的设计理论，设计理论的发展是推动设计方法变革 的根本原因f 8 l 。因此自动铝带绕片机的设计过程根据设计人员自身的知识结构 以及所能利用的资源和软硬件环境而言，多种多样。为了保证设计的质量，提 高设计效率，缩短设计周期，其设计过程如2 2 所示。 图2 2 自动铝带绕片机的机构设计流程图 f i g u r e 2 2a u t oa l u m i n o u s - w i n d i n gm a c h i n eo r g a n i z a t i o nd e s i g nf l o wc h a r t 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 2 2 2 现代设计技术在绕片机结构设计中的运用 从图2 2 中可以看出，基于现代设计方法的绕片机结构的设计，体现了现 代设计方法的综合运用。以下就对其所用到的现代设计方法给予简单的介绍。 1 最优化设计方法在一个新产品设计方案推出时，设计者必须判明它是 否是最优化的方案，才能决策投产；对已有的产品，必须不断地改进，保证在 整个寿命周期各个阶段，它始终是市场上最优的产品。产品的优化过程是一个 宏观到微观，从全局到局部，从总体方案到零件设计的优化过程。因此，把其 分为参数优化，结构优化，总体方案优化三个设计优化层，统称为广义设计优 化。 设计参数包括工作参数、性能参数、结构参数、工艺参数和经济参数等 等。在同样完成各项功能的情况下，它们构成了产品内在的素质。产品优化设 计前必须建立数学模型，它反映设计中各主要因素的内在联系。数学模型的三 个要素分别是设计变量、目标函数和约束条件。以下是以齿轮的优化设计为例 来介绍最优化设计方法的应用。齿轮进行优化设计的流程图如2 3 所示。 轮的设计要求 各个参数 数学模型的建立 垡些茎竺一 - 一 厮知 ，_ 。- _ j _ 。、t 、 可行最优解p 参数圆整，得条件最优解 输出计算结果 得到最优解 图2 - 3 齿轮最优化设计流程图 f i g u r e 2 - 3g e a ro p t i m i z a t i o nd e s i g nf l o wc h a r t 在设计齿轮时，在满足齿轮的强度和刚度要求的前提下，尽量使两个啮合 齿轮的结构紧凑，体积小。这样，不仅节省了材料，安全性和可靠性也得到相 虑问 必须 设计 变量 种性 不同 头的 的限 要某 轮的 约束条件由几何限制条件及强度限制条件决定。 ( 4 ) 选择优化方法及计算结果：一旦设计变量、目标函数以及约束条件 建立后，就能利用计算机编制算法进行优化计算。计算前先根据数学模型编写 一个主程序，以及标准格式的目标函数和约束函数子程序，在分别输入设计常 量与设计变量等参数后，自编程序马上与标准子程序链接，进行优化迭代计 算。 2 有限元法有限元法是现代设计方法中的一个重要的方法，它是一些结 构比较复杂和多自由度构件应力分析的重要工具，通过这种方法可以得到构件 的应力分布图，就可以从图中看出那个部位受应力大和小，从而给改变结构本 身提供重要依据 9 1 。对于自动铝带绕片机的具体有限元分析将在本论文的第五 章具体讲述，这里就不做过多描述。图2 4 有限元的分析流程图。 p r o e 设 计的 自动 铝带 绕片 机的 模型 转化为有限元模型 机构的后置处理 机构的前置处理 得到最后数据 查看分析结果 有 限 一 兀 分 析 程 序 图2 - 4 自动铝带绕片机的有限元分析流程图 f i g u r e 2 - 4a u t oa l u m i n o u s - w i n d i n gm a c h i n ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf l o w sc h a t 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 计算机仿真与动态模拟方法这种方法运用到自动铝带绕片机中就是虚 拟装配和虚拟样机技术。由于现代设计是以三维实体造型为基础的设计，它从 零件的初始设计开始就给零件赋予三维模型，从而给零件的虚拟装配提供了条 件。通过虚拟装配，就可以使工程师能够在装配环境中参考装配体其他零件的 位置和尺寸设计出新的零件，让其更加符合工程的习惯，通过干涉检查，验证 产品的结构，分析设计的不足，查找设计中的错误，并及时修改设计中的错 误，提高设计质量。对产品进行运动仿真分析和动态仿真，能够描绘自动铝带 绕片机的运动轨迹，演示绕片机的装配工艺，模拟其加工过程，生成真实的效 果图等等。 在自动铝带绕片机的设计中，设计者利用计算机中的样机模型，进行其各 种动态性能分析，然后根据分析结果改进自动铝带绕片机样机模型，从而改变 了传统的实物样机实验，提高了设计质量，缩短了设计周期，最终要的是减少 了设计总成本，因此该技术受到了广大设计人员的重视。图2 5 就是完成机械 仿真分析的步骤。 机的模 型施加 运动副 和运动 约束， 并却施 加载荷 进行影 响设计 因素研 究，进 行最优 化研究 对整个 机构设 置仿真 输出并 进行仿 真分析 设置可 变的参 数，重 新仿真 分析 根据绕 片机的 仿真结 果绘制 其结果 图 输入数 据和曲 线，验 证仿真 分析结 果 i 实验结 一致吗? 。t l 是 图2 - 5 机械仿真分析流程图 f i g u r e 2 5m e c h a n i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sf l o wc h a r t 2 3 自动铝带绕片机的三维设计方法 2 3 1 从底到上和从顶到下的设计方法 机械结构的设计过程其实是一个相当复杂和困难的创新活动，机