（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）机械手肋骨冷弯机运动仿真及有限元分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 计算机技术的发展推动了产品设计的多样化。只有不断保持产品创新，才 能在激烈的市场竞争中立于不败之地。c a d c a m 技术是实现创新的关键手段， 而c a e 是实现创新设计的最主要技术保障。在计算机技术迅猛发展的今天，要 求企业把产品设计与三维仿真及有限元分析系统有效的结合起来，以达到制造 业高效、低成本、自动化的市场要求。 肋骨成型加工是造船生产中船体建造的一个重要组成部分。采用数控肋骨 冷弯机加工肋骨可以达到比较理想的成形效果。随着机器加工尺寸更大的肋骨 时，现有的肋骨冷弯机就不能满足加工的需要，需要设计更大型的肋骨冷弯机 来满足造船生产的需要，由于要提高肋骨冷弯机的加工能力，就必须加大加工 时机器的夹紧力与弯曲力，这种改变加大了机器的变形，影响肋骨成形质量和 肋骨冷弯机的结构强度。 本文的一部分工作是以p r o e 为设计工具，分析了肋骨冷弯机结构特点及其 加工运动特征，讨论了肋骨冷弯机建模方法，建立了肋骨冷弯机三维实体模型， 并对其运动过程基于p r o m e c h a n i s m 进行仿真。 本文的另一部分工作是将有限元技术与中机架结构设计相结合，以 p r o 也c h a n i c a 为分析平台，对中机架实际受力情况、边界条件和施加载荷进 行研究。通过分析计算，确定了中机架的受到最大加紧载荷下最大应力和变形。 同时使用结构分析工具对中机架优化参数进行灵敏度分析，在中机架最大工作 应力满足许用应力和变形要求的条件下，优化中机架结构参数，达到目标函数， 即中机架质量最小。计算结果表明设计精确，能满足肋骨冷弯机的实际工况要 求。 关键词：肋骨冷弯机；中机架；应力；灵敏度；优化设计 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sd r i v e nt h ep r o d u c td e s i g n d i v e r s i f i c a t i o n o n l yk e e p 啦p r o d u c ti n n o v a t i v ea b i l i t yu n c e a s i n g l y , c a nt h ee n t e r p r i s e b a s e s e l fo ns u r eg r o u n di nf i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n t h ec a d c a mt e c h n o l o g yi s t h ek e ym e a n st or e a l i z ei n n o v a t i v e ，c a et e c hi st h em a i nt e c h n o l o g yg u a r a n t e et o r e a l i z et h ed e s i g n s t o d a y , d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g yi ss w i f ta n dv i o l e n t ，i t r e q u i r et h a te n t e r p r i s et oi n t e g r a t ep r o d u c td e s i g nw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t ea n a l y s is y s t e me f f e c t i v e l yt or e a e ht h em a r k e td e m a n d so f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yh i g h e f f e e t ，l o wc o s t ，a n da u t o m a t i o n r i b sf o r m i n gi nt h es h i p b u i l d i n gp r o d u c t i o no fh u l lc o n s t r u c t i o ni sa l li m p o r t a n t c o m p o n e n t f r a m eb e n d i n gb yn cf r a m eb e n d e rr i b sc a na c h i e v em o r es a t i s f a c t o r y r e s u l t sf o rt h ef o r m i n g ，b u tw h e np r o c e s s i n gl a r g e rf i b s ，t h ee x i s t i n gf r a m eb e n d e r w i l ln o tb ea b l et om e e tt h en e e d so fp r o c e s s i n g ，t h ed e s i g no fl a r g e rf r a m eb e n d e r m e e tt h en e e d s ，a n dt h i sn e e d sw i l lc h a n g et h eo r i g i n a lf r a m eb e n d e rs i z e a tt h es a m e t i m ed u et oi n c r e a s e dt h ep r o c e s s i n gc a p a c i t yo ff r a m eb e n d e r , w em u s ti n c r e a s et h e c l a m p i n gf o r c eo ft h ef o l d e r , t h i sc h a n g ew i l li n c r e a s e dt h ed e f o r m a t i o no fm a c h i n e s ， t h e q u a l i t yo fr i b sf o r m i n ga n ds t r u c t u r a ls t r e n g t ho ft h ef r a m eb e n d e rw i l lb e i m p a c t d o n ep a r tw o r ko ft h i sp a p e ri su s i n gp r olea st h ed e s i g no ft o o l s ，a n a l y s i s i n g t h ef e a t u r eo ff r a m eb e n d e ro ft h es t r u c t u r ea n dp r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m o v e m e n t ，d i s c u s s i n gt h ef r a m eb e n d e rm o d e l i n gm e t h o d s ，a n de s t a b l i s ha3 ds o l i d m o d e lo ft h em a n i p u l a t o rf r a m eb e n d e r , a n di t sm o v e m e n tp r o c e s sb a s e do i lp r o | 。 m e c h a n i s ms i m u l a t i o n a n o t h e rp a r to ft h i sw o r ki sc o m b i n i n gt h ef i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g yw i t h s t r u c t u r a l d e s i g no ft h e t h em i d d l eh o u s i n g ，t a k i n gt h ep r 0 m e c h a n i c aa sa p l a t f o r mf o rt h ea n a l y s i so fa c t u a lf o r c ei nt h em i d d l eh o u s i n g ，b o u n d a r yc o n d i t i o n s a n di m p o s e dl o a d b ya n a l y z i n g ，i d e n t i f i e db yt h el a r g e s tt h em i d d l eh o u s i n gi n s t e p p i n gu pt h eb i g g e s tl o a ds t r e s sa n dd e f o r m a t i o n u s es t r u c t u r e ( s t r u c t u r e ) a n a l y s i s 武汉理工大学硕士学位论文 t o o l ，a n a l y s i so p t i m i z e dp a r a m e t e r so fs e n s i t i v i t yo n t h em i d d l eh o u s i n g ，i nt h ef r a m e w o r ko ft h e l a r g e s t a l l o w a b l es t r e s sm e e t i n gt h e r e q u i r e m e n t s o fs t r e s sa n d d e f o r m a t i o nc o n d i t i o n s ，c o m p l e t i n gt h eo p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r so ft h ef r a m e s t r u c t u r et oa c h i e v et h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h a ti s ，i nt h e t h em i d d l eh o u s i n g m i n i n l u n lq u a l i t y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g ni sp r e c i s i o na n di tc a nm e e tt h e a c t u a lf r a m eb e n d e rc o n d i t i o nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：f r a m eb e n d e r ，t h em i d d l eh o u s i n g ，s t r e s sd e f o r m a t i o n ，s e n s i t i v i t y ， o p t i m u md e s i g n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：社日 关于论文使用授权的说明 期：鱼醴正矿 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的及问题的提出 船体型材加工是造船生产中船体建造的一个重要组成部分。非平直的船 体型材构件一般均需进行塑性成形加工，以便得到所要求的空间形状。型钢 构件主要由肋骨，横梁，纵骨等，其中肋骨的弯曲工作量很大。所以船体肋 骨的成型加工就成为造船生产的重要工序之一。肋骨成形质量直接影响到船 体建造的质量。因此一直以来，国内外都非常重视船舶肋骨成形加工设备的 研究。 本文的研究目的及问题的提出主要有以下两个方面： 1 ) 利用p r o m e c h a n i s m 进行肋骨冷弯机仿真设计装配设计是产品开发设 计过程的重要环节，装配设计技术已成为c a d 领域研究的关键技术。传统的 装配设计在很大程度上依赖于设计人员的经验，装配设计的效率低，而在信 息技术飞速发展的前提下，己经不能满足人们缩短产品开发周期，降低开发 成本的需要。因此，随着虚拟现实( v i r t u r lr e a l i t y ，v r ) 技术的日益成熟，为 设计者提供了视、听、触觉一体化的设计环境，也为产品装配性分析提供了 新的手段，虚拟装配己成为虚拟现实技术运用的重要研究方向。 p r o m e c h a n i s m 是p r o e 包含的运动分析模块，其机构运动学设计功能能 让设计人员使用预先定义好的连接( 铰链、滑动副等) ，快速方便地装配 p 耐e n g i n e e r 零件和组件，以建立机构装配。然后，可以在运动范围内交 互式拖动机械装置，或者通过使用“驱动器”，来建立、储存和重放预先定义 的运动动画。利用p r o m e c h a n i s m 对机构进行模拟仿真的校验，可实现运动仿 真显示、运动干涉检查、运动轨迹绘制及速度、加速度测量等多种功能，为 设计人员实现设计意图提供更加高效的设计手段。 利用p r o m e c h a n i s m 对肋骨冷弯机进行仿真分析，发现位移、力等问题， 解决零件间干涉、作用力、反作用力等问题。通过对三维数字设计模型进行 仿真和分析，能够模拟真实环境中的工作状况并对其进行分析判断，尽早发 现设计缺陷和潜在的失败可能，提前进行改善和修正，从而减少后期修改， 武汉理工大学硕士学位论文 减少设计周期【1 8 】。 2 ) 解决中机架结构变形问题近年来，武汉理工大学将数控( c n c ) 肋 骨冷弯机作为产品推向市场，在国内许多船厂中使用，并且出口，达到国际 一流水平。采用数控肋骨冷弯机加工肋骨可以达到比较理想的成形效果，随 着加工尺寸更大的型钢构件时，现有的肋骨冷弯机就不能满足加工的需要， 需要设计大型的肋骨冷弯机( 如8 0 0t 机械手肋骨冷弯机) 来满足造船生产的 需要，这样就需要改变原有的肋骨冷弯机的最大夹紧力和弯曲力。最大夹紧 力会使c 形机架开口，产生倾斜变形，无法夹持住型材面板，反弯时易产生 “皱折”变形，影响肋骨成型质量l l 】。 为此就需要设计结构合理，保证肋骨冷弯机结构强度的夹紧和弯曲机构， 本文通过有限元分析设计新的肋骨冷弯机( 确定主要的结构尺寸) ，确定其应 力和变形在可以接受的范围之内，以保证其结构强度安全和变形不影响加工 精度。 1 2 国内外研究现状与分析 虚拟装配是虚拟制造的一个重要组成部分，是实际装配过程的本质在计算 机上的反映，它可以解决设计与装配的对象在研制过程中难以实现的动态性能。 通过计算机仿真反映装配的本质是虚拟装配的特点。也就是说，虚拟装配设计 是在计算机上完成所设计零部件的装配模型，将不同的零件组装成一个装配体， 其基本功能是定义不同零件之间的相对位置约束关系，生成爆炸视图，进行零 件之间的静、动态干涉检查，发现零部件设计上的不合理结构部分，以改进设 计，并完成该装配体的动态模拟设计。因此，虚拟装配的实现有助于对产品零 部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零部件从设计到生产所出现的技术 问题，以达到缩短产品开发周期，降低生产成本以及优化产品性能等目的。据 国外统计，目前制造业应用虚拟装配技术节约了大量的研制经费，并大大缩短 了研制周期1 2 j 。 针对肋骨冷弯机来讲，目前的国内基本上都是基于较老的二维设计，二维 设计与三维设计和仿真设计技术相比，由于三维c a d 系统具有可视化好、形象 直观、设计效率高、以及能为企业数字化的各类应用环节提供完整的设计、工 艺、制造信息等优势，在使用中可以看到：三维c a d 系统有较好的造型工具， 2 武汉理工大学硕士学位论文 能实现“自顶向底”和“自底向顶 等设计方法，实现装配等复杂设计过程， 使设计更加符合实际设计过程：随着零件复杂程度的增加，用三维造型系统来 表达零件的难度远比用二维图形系统增加得快；三维造型系统能方便地与c a e 系统相连，进行仿真分析；能提供数控加工所需的信息，实现c a d c a e c a p p c a m 的集成。比如对与不同吨位的肋骨冷弯机来讲，只需要改变原有肋 骨冷弯机零件的参数值即可生成新的肋骨冷弯机零件，并生成可供与生产的二 维图纸，并且可使用软件的有限元模块检验肋骨冷弯机各部件的应力和变形。 虚拟装配作为虚拟制造的核心技术之一，具有广阔的应用前景，世界各国 的政府，企业，大学等机构对其进行了全方位多层次的研究。目前，虚拟装配 在工业发达国家已经得到了广泛深入的研究和应用。 自有限元的概念提出以来，五十多年来得到了巨大的发展。4 相应地，市场 上也出现越来越多的成熟的商品化大型通用分析软件，如n a s t r a n 、m a r c 、 a d i n a 、a n s y s 、p r o m e c h a n i c a 这些软件的分析功能强，适应面宽、可靠 性高，因而在国内赢得广大用户。随着有限元分析的微机化以及它在c a d 环境 下日益占有支配地位的作用，这种分析在工业生产活动中具有缩短研究周期， 降低研制成本，提高产品质量等重要作用，也愈来愈得到工程界的公认。有限 元网格模型的建立是采用有限元法求解问题的先决条件。在整个求解过程中， 它通常具有最大的工作量。随着有限元技术的广泛使用，有关有限元网格生成 技术和可视化研究得到发展。 本文使用了有限元软件首次对对肋骨冷弯机的中机架进行应力和变形方面 的计算，对中机架相关的参数进行灵敏度特性分析，按照局部灵敏度分析与全 局灵敏度分析相结合的方法，筛选关键参数，提高了优化设计的可信度，有限 元分析、校核及优化设计等既保证了设计的合理性，又增加了设备的可靠性， 在此基础上达到了部分零部件的结构最优，成本最低。 1 3 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题 1 3 1 研究目标 1 ) 建立机械手肋骨冷弯机的装配模型，模拟出机器加工肋骨时的进料过程 和加工过程。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 对肋骨冷弯机的结构、设计参数、结构形状参数进行设计研究，使产品 结构性能达到最佳状态 1 3 2 研究内容 将c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ，计算机辅助工程) 的核心技术仿真模 型运动的运动动力学仿真技术( 即p r o m e c h a n i s m ) 和有限元分析技术( 即a n s y s ) 应用于肋骨冷弯机的设计，采用运动动力学理论、方法、通过p r o e n g i n e e r 软件绘出实体模型，建立产品的装配模型，进行装配规划，检查装配过程中的 干涉情况，验证与分析产品的装配性能。同时设计出会动的机构，模拟出肋骨 加工时的进料过程和加工过程。然后对整机进行运动动力学仿真，分析出如位 置、速度等具有修正机构设计参照价值的物理数据。 采用工程数值分析中的有限元技术来分析、计算出肋骨冷弯机结构的应力、 变形等物理量，分析出整个物理量在空间和时间上的分布，完成结构的线性、 静力计算分析。在满足设计要求条件下，对产品的结构、设计参数、结构形状 参数进行最优选择，设计新的肋骨冷弯机中机架，使产品结构性能达到最佳状 态【3 1 。 1 3 3 拟解决的关键性问题 为了完成所研究的内容，本课题的关键问题主要有以下三个方面： 1 ) 如何仿真肋骨进料的过程及加工过程 2 ) 在p r o m e c h a n i c a 分析过程中如何简化分析模型，使得模型受力情况 与实际情况一致， 3 ) 中机架优化参数的选择。 1 4 本章小结 本章介绍了课题研究的意义和本文的工作，对本课题的国内外研究情况做 了相应的概述。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于p r o m e c i 认n i s m 的程控机械手肋骨 冷弯机运动仿真研究 2 1 程控肋冷弯机的结构及加工方法 2 1 1 肋骨冷弯机的主要组成及其作用 本章主要以j x s 4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机为例介绍肋骨冷弯机的结构及 其加工方法。“j x s 4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机”是国际上的最新机型，是我国具 有自主知识产权的肋骨冷弯机。其机构简单、操作简便、荒料少、可靠性高、 半自动化水平高。是船厂进行肋骨加工的理想设备。 “s 4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机 ，可加工球扁钢、角钢、t 型材、扁钢， 通过对型材进行三维弯曲，可获得平整的内弯、外弯、s 弯形状的工件，也可进 行型材校直工作。 该“j x s 4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机”的主要特点是： 1 ) 具有两个机械手臂，能灵巧地完成夹紧型材，左右摆动进料和退料，同 时进行垂向预弯和水平弯曲的三维弯曲及完成一系列复杂动作，并能对肋骨加 工中的各种变形进行有效控制。 2 ) 一般只需一人协助吊装、一人进行操作；加工对象为球扁钢、不等边角 钢、“t 型材和扁钢；能加工出质量好的正弯、反弯和s 形的肋骨等工件和对 型材进行校直校平。使用方便，加工效率高。 3 ) “j x s 4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机”的机构合理，外形简洁灵巧，半自 动化水平高。是我国目前唯一能加工“t 型材和扁钢的肋骨冷弯加工设备 4 1 。 5 武汉理r 大学硕士学位论文 “j x s 一4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机”的外形及加工操作的图例见( 图2 - 1 ) 。 图2 1“ x s 一4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机”的有关图片 “j x s 4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机”三向视图见图2 - 2 。 地 图22j x s 一4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机三向视图 一中机架；2 一侧机架；3 一机座：4 一职活塞杆式弯曲油缸：5 一：6 一侧夹紧油缸 7 一进料油缸；8 一弯曲圆弧形肋骨用的程控装置：9 一反变形机构；1 0 一操作台； “一控制柜；1 2 一液压站 6 武汉理工大学硕士学位论文 “j x s 4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机”技术规格见表2 1 。 表2 1“j x s 4 0 0 程控机械手肋骨冷弯机”技术规格 序号名称单位技术参数 最大推、拉力 k n4 0 0 0 行程 n l m 2 8 0 l 水平弯曲油缸 最大工作速度 m m s 1 1 油路系统压力 m 咿a2 2 中夹最大夹力 k n1 0 0 0 2 夹紧油缸 侧夹最大夹力 l 洲6 0 0 油路系统压力 n i p a2 2 3 弯曲支点的运动范围m m1 2 0 0 1 7 0 0 4 消除“旁弯”的垂向预弯装置最大行程m m2 5 最大速度 m m s1 2 0 单次进料最大距离 m m5 0 0 5 进料机构 进料油缸最大推力k n2 4 6 油路系统压力 m p a1 6 材料屈服强度 n m m 2 3 4 5 ( 造船材料) 型材加上上艺范围 球扁钢m m1 6 0 4 3 0 6 不等边角钢最大m m 4 5 0 ( 最小弯曲支点时) t 型材最大m m 4 0 0 扁钢最大m m 4 0 0 4 0 7 型材加工成形功能外弯、内弯、s 弯、校直、校平 8 局部最小弯曲半径( h 腹板高度) m m l o h ，但最小为1 8 0 0 2 1 2 “j x s - - 4 0 0 机械手肋骨冷弯机”的主要机构与功能说明 1 ) 弯曲机构 “j x s 机械手肋骨冷弯机有两个机械手臂，参见( 图2 3 ) 。 弯曲时一般选择最小支点距离作为支点( 是机床设计的主要参数) ，弯曲油 缸驱动中机架前后运动，对型材进行三支点弯曲。如选用大支点距离弯曲加工 时，可获得更大的弯曲力矩，说明该弯曲机构有较大的加工储备能力。 弯曲油缸为稳定性好的双作用双活塞杆的液压缸，其推、拉力相同。 2 ) “机械手”式进料装置 “机械手式进料装置，利用本身的侧机架铰接在弯曲油缸座上，靠进料 油缸带动，两侧机架可以左右相对摆动，依靠两侧机架上的夹头对型材进行夹 7 武汉理工大学硕士学位论文 紧、夹松，与两侧机架的左右摆动组合，能连续自如地完成型材的进、退料。 本机的侧夹头同时兼有“弯曲”和“进料 的两种功能【3 j 。 进料时型材仅仅穿过不能再少的3 个夹头的约束，因而进料受阻小，配合 设有的“弯模自动避让装置”更加便于进料，机构也简单可靠，操作十分简便， 是目前比较先进的进料装置。 进料装置结构原理见( 图2 3 ) 。 图2 3 进料装置结构原理 1 、2 一侧机架；3 、4 一侧夹头；5 一弯曲油缸；6 、7 一进料油缸；8 一中机架； 9 一中夹头；1 0 一机座：1 1 一型材 3 ) 夹紧机构 在垂向上，设置有中夹紧机构和两个侧夹紧机构，可使被弯曲工件在夹持 的平面中弯曲，防止产生扭曲、皱折等变形。 4 ) 垂向预弯装置 由于被加工的型材多为非对称截面，型材弯曲回弹后，除获得水平方向上 的弯曲变形外，在垂直方向上也会自行产生有害的弯曲变形。为消除有害的垂 向变形，本机设有自动控制的垂向预弯装置，三个夹头夹紧后，使型材在垂向 上预先发生与垂向变形相反的弯曲。 进行水平弯曲时，实际上是对型材进行了水平和垂向两个方向的弯曲，即三 8 武汉理工大学硕士学位论文 维弯曲，待型钢水平弯曲回弹和夹头升起发生垂向回弹后，从而可获得平整的肋 骨加工件。可减少以后的校平工序，省时省工。 垂向预弯装置原理见( 图2 - 4 ) 。 图2 - 4 垂向预弯装置 l 一侧下夹头；2 一侧上夹头；3 一中下夹头；4 一中上夹头；5 一侧夹紧油缸：6 一： 7 一侧机架；8 一中机架；9 一机座轨道；1 0 一蜗杆；1 l 一蜗轮；1 2 一升降螺杆；1 3 一肋骨 5 ) 组合弯模装置与模具 因中夹头设计为组合弯模，其喉口间距( 即前弯模与后弯模之间的距离) 可以通过喉口垫块前后摆放的不同位置进行调节，如将喉口垫块放在如图的右 边，喉口间距变大，可加工大的型材；反之，如将喉口垫块放在如图的左边， 喉口间距变小，也可加工小的型材，如此便能达到扩大加工范围的目的。因而 本机可加工的型材规格数量多、范围大，成型质量好。 配备的模具共有3 套： ( 1 ) 加工角钢和“t ”型材模具； ( 2 ) 用于加工球扁钢模具； ( 3 ) 用于加工扁钢模具。 模具换装方便。组合弯模装置之一见( 图2 5 ) 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 组合弯模装置图 l 一中上夹头：2 一可调中上弯模；3 一中后弯模；4 一可调中下前弯模：5 一中下夹头； 6 一喉口垫块；7 一固定螺栓；8 一型材 2 2 基于p r o e 的肋骨冷弯机装配设计 2 2 1p r o e n g i n e e r 特性及模块简介 p r o e n g i n e e r 是美国p a r a m e t r i et e e h n o l o g yc o r p o r a t i o n ( p t c ) 公司开发的一套 集c a d c 小w c a e 功能于一身的三维造型设计软件。它具有单一数据库、参数 化、基于特征、全相关的特点。被广泛的用于造型设计、机械设计、模具设计、 加工制造、机构分析、有限元分析及相关数据库管理系统等的各个领域 p r o e n g i n e e r 软件包的产品开发环境在支持并行工作，它通过一系列完全相关的 模块表述产品的外形、装配及其他功能。p r o e 能够让多个部门同时致力于单一 的产品模型。包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。 p r o e 的主要特性有： 1 ) 实体模型 实体模型除了可以将用户的设计思想以最直观的模型在计算机上表现之 外，借助于系统参数( s y s t e mp a r a m e t e r s ) ，用户还可以随时计算出产品的体积、 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 面积、重心、惯性大小等，以了解产品的真实性，弥补传统的面结构、线结构 的不足。用户在产品设计过程中，可以随时掌握以上情况，调整物理参数，并 减少许多人为的计算时间。 2 ) 单一数据库 p r o e 可随时修改由实体模型产生的2 d 工程图，而且自动标注工程图尺寸。 不论在3 d 还是2 d 图形上作尺寸修改，其相关的3 d 和2 d 默许均自动修改，并 避免反复修正的耗时性。由于采用单一的数据库，提供了所谓双向关联性的功 能，这种功能也正符合了现代产业中所谓的同步工程。 3 ) 以特征作为设计的单位 p r o e 以最自然的思考方式从事设计工作，如孔、开槽、倒圆角等均被视为 零件设计的基本特征，可随时对特征做合理、不违反几何顺序的调整、插入、 删除、重新定义等修正动作，使设计更具有直观化。 4 ) 参数化设计 配合单一数据库，所有设计过程中所使用的尺寸( 参数) 都存在于数据库中， 设计者只需更改3 d 零件的尺寸，则2 d 工程图、3 d 组合、模具等就会依照尺寸 的修改作几何形状的变化，以达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图 的疏漏情形，且减少许多人为改图的时间和精力消耗。也正因为有参数化的设 计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式，使得 模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸逐一修改的繁琐，并减少错误发生。 p r o e 具有多种功能模块，p r o e 功能模块主要包括： 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。 工业设计模块包括：p r o 3 d p a i n t ( 3 d 建模) 、p r o 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 r k a n i m a t o r ( 网络动画合成) 、p r o p e r s p e c t a s k e t c h ( 图片转三维模型) 、p r o p h o t o 砌狲d e r ( 图片渲染) 几 个子模块。 2 ) 机械设计( c a d ) 模块 武汉理工大学硕士学位论文 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。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，这些称为自由曲面。随着人 们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用p r o e 生成曲面仅需2 步3 步操作。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。 机械设计模块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 饼s c a n t o o l s ( 物理模型数字化) 、 p r 0 s u 砌1 a c e ( 曲面设计) 、p r o 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个强大的工具，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。著名 的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近 2 0 ，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经济效益。 功能仿真( c a e ) 模块包括：p r o f e m p o s t ( 有限元分析) 、 p r o m e c h a n i c ac 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 m 气n i c am o 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 at h e r m a l ( 热分析) 、 p r o m e c h a n i c at i r em 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一位保健医生，它在计算机上对产品性能进行测 试仿真，找出造成产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障，改 进产品设计。它就像p r o e 家庭的一个大管家，将触角伸到每一个任务模块。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 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 gi 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 o e 和c a t i a 的 数据交换) 、p r 创c d t ( 二维工程图接口) 、p r o 仍a t af o rp d g s ( p r 机座及弯曲油缸套组件。机座的作用主要用来是支撑肋骨冷弯机，是肋 骨冷弯机加工的基础。中机架、侧机架、进料油缸，弯曲油缸等结构都在机座 上进行肋骨的加工，它主要承受一个中机架，两个侧机架以及弯曲油缸等一系 列组件的重量，设计要满足承受设备自重，其次要满足设备中心高等一系列要 求。机座固定不动的，因此在组建安装的过程中，要使其六自由均为0 。机座及 弯曲油缸套的组件具体结构如图2 - 6 所示： 1 6 武汉理工人学硕士学位论文 图2 - 7 中机架及弯曲油缸活塞杆组件 7 武汉理上大学硕士学位论文 3 ) 左右侧机架及侧机架臂组件。侧机架设计中考虑的要求是在进料油缸和 夹紧油缸的作用下对加紧的肋骨进行加工，在中机架左右俩侧各设一个，夹头 下弯曲模，由于侧机架也是在机座轨道的固定下沿着轨道做等直径的圆周运动， 因此在安装组件过程中使其在工作方向可以圆周运动，侧机架机架主体自由度 为1 ，侧央头在央紧油缸力的作用下，沿着油缸套上下行程运动，相对与中机架 的自由度为1 ，左右架具体结构如图2 - 8 ： 图2 - 8 左右侧机架及侧机架臂组件 4 ) 双活塞杆式弯曲油缸。主要作用推动中机架来弯曲肋骨，在油缸套的固 定下沿着中机架轨道方向运动，设定其自由度为1 。具体结构如图2 - 9 ： 图2 - 9 双活塞杆式弯曲油缸活塞杆 5 ) 中夹紧油缸及中上夹头组件。主要是用来夹紧肋骨以便进行肋骨的弯曲 加工，沿着油缸套方向做上下运动，其相对于中机架的自由度为1 。中夹紧油缸 杆及固定在上面的中上夹头的具体结构如图2 1 0 ： 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 一1 1 侧夹紧油缸及中上夹头组件 装配过程中要注意的问题有，组件中凡是用螺栓联接的均采用刚性连接 武汉理工大学硬士学位论文 中机架与弯曲油缸杆之间采用刚性连接：中央紧油缸杆和侧夹紧油缸杆与夹头 之间采用刚性连接；夹紧油缸杆及央头( 刚性连接组件) 与和夹紧油缸采用滑 动杆连接装配：只有采用连接装配才能在以后的运动仿真中添加伺服电机和建 立运动副，进而进行运动仿真。 完成了上面部件的装配后，我们就可以进行整机的装配了，整机的装配过 程与组件的装配过程相似。整机的装配过程中我们要注意的问题有：1 ) 保证整 机中各个部件的位置准确；2 ) 保证装配后各个部件的自由度和约束符合各自的 实际运动状态：3 ) 相对运动的各部件要采用连接装配。 在本设计中机身座为基本部件，其它部件相对机身座来确定位置和装配 关系。其中，弯曲油缸套和机身座采用刚性连接装配：中机架及弯曲油缸杆与 机座采用滑动杆连接装配：但4 机架与机座采用销钉连接装配：完成后的整机图 2 1 2 如下： 图2 1 2 肋骨冷弯机整机装配图 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 运动仿真概述 2 3 1 计算机仿真的基本概念及特点 计算机仿真( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) 是指对于某个待研究的系统模型建立其仿 真模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验( 仿真实验) 研究的过程。 所以计算机仿真是通过对系统模型的实验去研究一个真实系统。 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，计算机仿真在诸多方面都发生了十分重大的 转变：仿真研究的对象已由对连续系统转向离散事件系统；由重视实验转向重视 建模与结果分析：由强调并重视与人工智能结合转向强调与图形技术和对象技术 结合，使仿真的交互性大大增强。就应用领域方面而言，计算机仿真已由航空 航天转向制造业，并从研究制造对象( 产品) 的动力学、运动学特性及加工、装配 过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管 理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到企业制造活动的各个方面。现 代制造的分布性也使得计算机仿真与网络技术相结合，出现了分布式仿真技术。 计算机仿真技术集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、面向对象 技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。 计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域 有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型 对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。 2 3 2 计算机仿真技术在制造业中的应用 计算机仿真技术作为一门新兴的高科技技术，在制造业产品设计和制造， 尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，一直是不 可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方 面发挥了巨大的作用。在从产品的设计、制造至测试维护的整个生命周期中， 计算机仿真技术贯穿始终。 1 ) 虚拟制造( v m ) 虚拟制造是在二十世纪九十年代提出的一种全新的制造理念，虚拟制造采 用计算机虚拟仿真技术，以新产品及其制造系统的全局最优化为目标，通过仿 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 真模型，在计算机上仿真生产全过程，实现产品的工艺规程、加工制造、装配 和调试，预估产品的功能、性能和加工性等方面可能存在的问题，从而更加有 效地组织生产，增强决策与控制水平，缩短产品开发周期，提高产品质量。目 前虚拟制造技术的研究和应用主要侧重于运动仿真、加工模拟、装配检查、性 能评测等方面，其核心技术包括虚拟现实技术、仿真技术、建模技术和可制造 性评价。可制造性评价是在给定的环境信息和制造资源下，确定设计特性( 如形 状、尺寸、公差等) 是否是可制造的及制造的难易程度。 2 ) 虚拟产品开发( v p d ) 虚拟产品开发是实际产品开发过程在计算机上的本质实现，即采用计算机 仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、 加工制造、性能分析、质量检验等。虚拟产品开发源于并行工程( c e ) 思想。c e 的思想是将现代先进的组织形式跟现代的哲学、文化混合为一体，是对产品设 计及其相关过程进行并行的、一体化设计的一种系统化工作模式。虚拟产品开 发技术从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产和产品维护的传统模 式，在产品开发的前期即考虑了投资、生产、装配、销售及维修等问题，因而 能够大大提高产品质量，降低产品成本，缩短产品开发周期，提高其市场的竞 争能力。 3 ) 虚拟样机 虚拟样机技术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，并对该产品在投入使