（轻工技术与工程专业论文）五坐标加工弧面凸轮数控铣床的虚拟样机研究与开发.pdfVIP

五坐标加工弧面凸轮数控铣床的虚拟样机研究与开发 摘要 本文在详细分析了弧面凸轮机构的特点与发展、以及弧面凸轮加工专用 数控机床的现状的基础上，根据弧面凸轮的加工特性，研究开发具有双回转 坐标的专用数控设备，提出了重新开发和研制新一代加工弧面凸轮的专用数 控机床的必要性。根据已有的设计理论及发展状况，参考已经成熟的经验和 理念，针对当前国内弧面加工凸轮专用数控铣床的缺陷，提出了加工弧面凸 轮专用数控机床的两种方案，通过论证比较，选择了较为合理的方案。并对 于工作台大角度摆动引起的干涉问题、机床整体结构刚度问题等有关技术难 点，制定了相应的技术路线，完成了一种新型的可实现弧面凸轮加工的五坐 标专用数控铣床的方案设计与结构设计，进行了零部件、总装配三维实体造 型和虚拟样机开发，该机床目前在国内属于首创。 弧面凸轮机构是一种高速、高精度空间垂直轴传动的分度机构，它具有 良好的运动特性和动力特性，但由于凸轮工作曲面轮廓要求精度高，形状较 复杂，故其加工制造难度较大，需要用具有双回转坐标、且在空间位置有特 定要求的数控设备来加工。目前，从国内加工弧面凸轮专用数控铣床的情况 来看，高精度弧面凸轮加工的专用数控机床普遍存在一定的缺陷，有待进一 步发展和改进。因此有必要重新开发和研制新一代加工弧面凸轮的专用数控 机床。 本铣床属于五坐标专用数控铣床，应能满足各种弧面凸轮加工的要求， 且具有加工精度高、加工质量稳定、生产率高、操作方便舒适的特点。 1 、在对弧面凸轮机构运动原理进行详细分析的基础上，并应用模块化、 宜人化以及绿色设计思想，提出了立式和卧式两种设计方案。经过对比分析 选定了总体设计方案。同时，针对所选总体设计方案，提出了主要技术难点， 并制定了技术路线。 2 、在仔细分析了相关床身的结构以后，对床身进行了结构设计。 3 、对机床的主轴系统部件进行了设计，确定了主轴箱和主轴箱的竖直运 动的结构。 4 、对机床系统附件进行了设计与选用，确定了相关附件的结构。采用了 新型滚珠丝杠专用轴承，即用接触角为6 0 。的角接触球轴承支承滚珠丝杠， 提高了支承刚度及轴向承载能力。 5 、按照总体方案要求，初步选定采用b e i j i n g f a n u c 0 i 系统作为本机 床的控制系统。并对该系统功能进行了一定的介绍。 6 对零件的三维设计、部件的三维设计进行说明，介绍了运动仿真和运 动分析工作流程，对总装配图设计和虚拟样机设计进行了说明。 7 由于本次设计主要采用模块化设计，关键附件都可以作为子模块选用， 因此可以大大降低开发、制造成本，估计可以控制在1 0 0 万元以内。同时， 可以大大缩短制造周期、降低制造难度。， 弧面凸轮加工专用数控铣床的开发，可以实现弧面凸轮加工高精度、高 质量的要求，提高生产效率，使弧面凸轮的生产国产化、标准化、系列化， 可以促进制造业的技术进步，也可用于其他曲面的铣削加工。 关键词：弧面凸轮；数控铣床；虚拟样机；研究开发 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fv l r t u a l l t ym o d e l m a c h i n eo ff i v ec o o r d i n a t e sc n cm i l l i n gm a c h i n e i nm a c h i n l n gt h er o l l e r g e a rc a m a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n to fr o l l e rg e a r c a ma n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fc n cm a c h i n et o o ls p e c i a l i z i n gi nm a c h i n i n gt h e r o l l e rg e a ri n d e x i n gc a mi nd e t a i l s ，a c c o r d i n gt ot h em a c h i n i n gf e a t u r e so ft h e r o l l e rg e a ri n d e x i n gc a m ，s p e c i a lc n cd e v i c ew i t ht w or o t a r ya x e si ss t u d i e da n d d e v e l o p e d a n dt h en e c e s s i t yo f r e - d e v e l o p i n ga n dr e s t u d y i n gn e w e rc n cm a c h i n e t o o ls p e c i a l i z i n gi nm a c h i n i n gt h er o l l e rg e a ri n d e x i n gc a mi sr a i s e d a c c o r d i n gt o t h ep r e s e n td e s i g n t h e o r ya n dd e v e l o p m e n t ，r e f e r r i n gt or i p ee x p e r i e n c e sa n d t h o u g h t s ，f o c u s i n go np r e s e n td e f e c t so fc n cm i l l i n gm a c h i n et o o l ss p e c i a l i z i n gi n m a c h i n i n gt h er o l l e rg e a ri n d e x i n gc a mi nc h i n a ，t w od e s i g np r o j e c t so nc n c m i l l i n gm a c h i n et o o l ss p e c i a l i z i n gi nm a c h i n i n gt h er o l l e rg e a ri n d e x i n gc a ma r e r a i s e d b yc o m p a r i s o na n dd e m o n s t r a t i o n t h er a t i o n a li ss e l e c t e da n da c o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a ls o l u t i o na i m e da tt h e t e c h n i c a ld i m c u l t yi sb u i l t ，f o r e x a m p l em o v e m e n ti n t e r f e r e n c e e t c t h ep r o j e c td e s i g na n ds t r u c t u r ed e s i g no fa n e w e rf i v ec o o r d i n a t e sc n cm i l l i n gm a c h i n et o o lw i t hs i m u l t a n e o u sf i v e a x i s m o v e m e n t ss p e c i a l i z i n gi nm a c h i n i n gt h e r o l l e rg e a ri n d e x i n gc a ma r ef i n i s h e d c a r r yt h r o u g ho fm o v e m e n ta n a l y s i s t h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g no fs p e c i a l m a c h i n et 0 0 1 t h er o l l e rg e a ri n d e x i n gc a mi sa ni n d e x i n gm e c h a n i s mw i t hh i g hs p e e da n d h i 2 ha c c u r a c yf o rd r i v i n gp e r p e n d i c u l a ra x e si ns p a c e i th a sb e t t e rm o t i o n a l f e a t t i r e sa n dk i n e t i c sf e a t u r e s b u tb e c a u s et h ep r o f i l eo ft h ew o r k i n gc u r v eo ft h e c a mi si nh i g ha c c u r a c ya n dg r e a tc o m p l e x i t y , i ti sv e r yd i f f i c u l tf o rp r o d u c i n g t h e c n cd e v i c e sw i t ht w or o t a r yc o o r d i n a t e sa n ds p e c i a ls p a t i a ll o c a t i o na r en e e d e dt o p r o d u c ei t a tp r e s e n t i no u rc o u n t r y , h i g ha c c u r a c yc n cm a c h i n et o o l sf o r p r o d u c i n gt h e r o l l e rg e a ri n d e x i n gc a mg e n e r a l l yh a v ed i s a d v a n t a g e s a n dt h e y n e e dt ob e d e v e l o p e da n di m p r o v e d m a n u f a c t u r et h en e wc n cm a c h i n et 0 0 1 i n d e x i n gc a m s o ，i ti sn e c e s s a r yt or e - d e v e l o pa n d s p e c i a l i z i n gi nm a c h i n i n gt h er o l l e rg e a r t h i sm i l l i n gm a c h i n eb e l o n g st os p e c i a lc n cm i l l i n gm a c h i n et 0 0 1 i tc a n i i i m e e tt h er e q u i r e m e n t so fp r o d u c i n ga l lk i n d so fr o l l e rg e a ri n d e x i n gc a m s i ta l s o h a st h ef e a t u r e sa sf o l l o w s ：h i g hp r o d u c i n ga c c u r a cy ，s t a b l ep r o d u c i n gq u a l i t y , h i g h p r o d u c i n ge f f i c i e n c ya n de a s yo p e r a t i o n 1 b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em o v i n gp r i n c i p l eo fr o l l e rg e a ri n d e x i n gc a m i n d e t a i l s ，m o d u l a rd e s i g nt h o u g h t ，p l e a s a n td e s i g nt h o u g h ta n dg r e e nd e s i g n t h o ug h ta r eu s e dt o p u tf o r w a r db o t h v e r t i c a la n dh o r i z o n t a l p r o j e c t s b y c o m p a r i s o na n da n a l y s i s ，t h ew h o l ed e s i g np r o j e c ti ss e l e c t e d m e a n w h i l e ，a i m e d a tt h ep r o j e c t ，t h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sa r er a i s e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a l s o l u t i o n sa r eb u i l t 2 a f t e rt h o r o u g h l ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r e so fb e dr e l a t e d ，t h es t r u c t u r eo ft h e b e di sd e s i g n e d 3 t h ep a r t so fs p i n d l es y s t e ma r ed e s i g n e d t h es t r u c t u r e so fh e a d s t o c ka n d i t sv e r t i c a lm o v e m e n ta r ed e t e r m i n e d 4 t h ea c c e s s o r i e so fm a c h i n es y s t e ma r ed e s i g n e da n ds e l e c t e d t h e s t r u c t u r e so fa c c e s s o r i e sr e l a t e da r ed e t e r m i n e d t h en e w e rs p e c i a lb e a r i n g ，i e a n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n gw i t h6 0 0 c o n t a c ta n g l ei su s e dt ob a c k u pt h eb a l is c r e w , b e a r i n gr i g i d i t ya n da x i a ll o a d i n ga b i l i t ya r ei m p r o v e d 5 a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h ew h o l e d e s i g np r o j e c t b e i j i n g - f a n u c 0 i s y s t e mi sp r e l i m i n a r y s e l e c t e dt ob et h em a c h i n e sc o n t r o ls y s t e m t h ef u n c t i o n so f t h es y s t e ma r ei n t r o d u c e db r i e f l y 6 3 dd e s i g n so fp a r t sa n da s s e m b l i e sa r ei n t r o d u c e d t h ew o r kf l o w so f m o t i o ns i m u l a t i o na n dm o t i o na n a l y s i sa r ei l l u s t r a t e d ，a n dt h ed e s i g no fg e n e r a l a s s e m b l yd r a w i n ga n dv i r t u a lp r o t o t y p ea r ee x p l a i n e d 7 b e c a u s em o d u l a rd e s i g nt h o u g h ta r em a i n l yu s e da n dk e ya c c e s s o r i e sa r e o p t i o n a la st h es u b - m o d e l s ，i tc a r lg r e a t l yl o w e rt h ed e v e l o p i n gc o s ta n dp r o d u c i n g c o s t i ti se s t i m a t e dt h a tt h ew h o l ec o s tc a nb ec o n t r o l l e dw i t h i n10 0 o o o r m b m e a n w h i l e ，i tc a ng r e a t l ys h o r t e nt h em a n u f a c t u r i n gc y c l ea n dl o w e rt h ep r o d u c i n g d i f f i c u l t y t h ed e v e l o p m e n to fc n c m i l l i n gm a c h i n et o o ls p e c i a l i z i n gi nm a c h i n i n gt h e r o l l e rg e a ri n d e x i n gc a mm a ym a k et h ec a mp r o d u c e di nh i g ha c c u r a c ya n dh i g h q u a l i t y , a n d i m p r o v ep r o d u c i n ge f f i c i e n c y t h u s ，t h er o l l e rg e a ri n d e x i n gc a m c a n b ed o m e s t i c ，s t a n d a r da n ds e r i a l a sar e s u l t ，i tc a nm a k ep r o g r e s si no u r m a n u f a c t u r ei n d u s t r ya sw e l la si no t h e rc u r v e sp r o d u c i n g k e yw o r d s ：r o l l e rg e a ri n d e x i n gc a m ；m i l l i n gm a c h i n i n g ；v i r t u a l i t ym o d e l m a c h i n e ；r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t 五坐拯女h 兰塾面凸捡塑撞选压的虞型拄扭班塞兰珏蕴 1 绪论 1 1 弧面凸轮机构的简介 1 1 1 传统间歇分度机构特点与缺陷 间歇分度机构是自动和半自动机械的重要机构，传统的间歇分度机构有不完全齿 轮、齿轮齿条、棘轮、槽轮、凸轮等。由于这些机构的结构比较简单，设计制造容易， 长期以来，在我国的机械行业中得到了广泛的应用。但是在这些机构中，有的运动规律 不能任意设定、有些机构速度和加速度变化不连续、动载荷大、有较大冲击和振动、磨 损快、定位精度低。故此，传统的间歇分度机构只适用于低速和分度定位精度要求不高 的场合。 1 1 2 弧面凸轮机构的组成及工作原理 弧面分度凸轮机构( 图卜1 ) 作为间歇分度机构之一，也称菲固森机构、球面凸轮 步进机构、圆弧面凸轮式步进机构或滚柱齿轮传动机构，它主要用于两垂直交错轴的间 歇分度传动。其主要构成部件有：弧面凸轮、从动盘、工作滚子和机架。滚子在从动盘 上沿径向分布，呈辐射均匀排布。因此，其主要作用力在滚子轴线和凸轮轴线所在的公 共平面内，故其刚度比圆柱凸轮机构要好。 图1 - 1 弧面分度凸轮机构 f i g u r e1 - 1t h er o l l e rg e a ri n d e x i n gc a m 在弧面凸轮分度装置中，弧面凸轮安装在输入轴上，从动盘安装在输出轴上，从动 1 医酉抖攮盔堂亟堂焦诠塞 盘上沿径向呈辐射状均匀排列一定数目的滚子。输入轴带动凸轮匀速转动，凸轮与从动 滚子间作无间隙啮合运动。凸轮廓面的直线段仅带动滚子自转，使分度轮静止、定位和 自锁，没有运动输出；凸轮廓面的曲线段驱使分度轮转位，此时，凸轮螺旋角不为0 ， 凸轮工作曲面与滚子啮合，驱动滚子带动从动盘绕其轴线转动。这样从动盘上的滚子依 次与凸轮啮合，于是就实现了输出运动的间歇转位运动。 1 1 3 弧面凸轮机构的特点与应用 弧面凸轮分度机械是输入轴上的弧面凸轮与输出轴上的从动盘垂直啮合传动装置。 它是一种高速、高精度空间垂直轴传动的分度机构，这种机构具有良好的运动特性和动 力特性，可选择或设计丰富灵活的凸轮曲线以满足各种复杂运动控制的要求，不必附加 其它装置就能获得良好的定位作用，分度范围宽，承载能力大，运动好。此外，该机构 还具有设计限制少、控制元件少、零件故障率低、可靠性高、结构紧凑、安装、调试方 便、易于维修等特点。 弧面凸轮机构的主要特点归纳如下： 1 高速度：由于啮合间隙很小，因而转动时振动和冲击小，动态性能好，凸轮轴 转速可达1 2 0 0 r r a i n ，远远超过其它凸轮机构的转速。 2 高精度：分度精度最高可达5 ”，不须附加定位装置，传动链短，传动精度高。 3 低噪声：滚子与凸脊侧面为线接触，传动平稳，无刚性冲击，噪声小。 4 。高刚性：适当预紧后，可获得高的刚性，但预紧力不能过高。 5 高效率，长寿命，易调整：滚子与凸轮间为滚动摩擦，传动效率高，寿命长， 更换滚子方便。 6 结构简单，刚性好，承载能力在各种凸轮中最大。 7 设计限制少，分度范围广。n = i 2 4 ，特殊的可做到n = 0 5 ( 从动盘每转两圈停 歇次) ，在分度越小时，越能体现出其的优越性。 8 该机构中心距可适当调整，即可加预紧力消除间隙，使得机构可获得较好的动 力特性和运动特性，运转平稳，因此，它适用于高、低、中速各种场合。 9 凸轮工作面复杂，加工难度大，成本高，从动盘的加工也较其他凸轮机构困难。 1 0 通过改变凸轮曲线，可以使从动盘实现任何运动规律的转动。 目前，弧面凸轮机构已成为许多高速、高效、高精度自动机、半自动机和自动生产 线中不可缺少的关键部件。如在加工中心刀库及换刀机械手、包装机械、高速冲床、电 光源机械、电影机械、制药机械、烟草机械、印刷机械、食品包装机械等各种需要步进 驱动的自动机械上以及电子、纺织等行业都得到了广泛的应用。 2 五坐拯加王煎厘凸挂塑蕉趁压曲虐型拄扭盟荭曼珏蕉 1 2 弧面凸轮机构的发展现状及现有加工方法 1 2 】 弧面凸轮机构的发展现状 在美国、日本等发达国家，已经开始对弧面凸轮机构进行标准化、系列化，大量开 发、研究。在我国，弧面凸轮机构的发展也很迅速。其中，陕西科技大学对弧面凸轮的 研究成果已经转化为产品投放市场，其中平行凸轮分度装置、弧面凸轮分度装置和圆柱 凸轮分度装置三种产品的性能达到九十年代末国际水平，荣获轻工业部优秀新产品奖、 陕西省科技进步二等奖。 当前，国外引进或自行开发的各种流水生产线及各种自动机械均需配套该类产品， 包括大修及新开发自动机，国内年需总量在3 0 0 0 台左右。 1 2 2 弧面凸轮机构的现有加工方法及缺陷 弧面凸轮分度机构是一种性能优良的高速、高精度间歇分度机构，其使用范围越来 越广泛，已经开始取代传统的棘轮、槽轮、不完全齿轮和行星轮机构。在数控技术出现 以前，弧面凸轮的加工一般采用线铣削法、创成法、仿形法等方法加工，存在的问题就 是生产率低，成本高，且精度低。 由于弧面凸轮机构的核心部件弧面凸轮的曲面轮廓要求精度高，形状较复杂，故其 加工制造十分困难。它需要用具有双回转坐标、且在空间位置有特定要求的数控加工设 备加工。二十世纪六十年代末在西方发达国家开始出现的这种新型的凸轮间歇分度机 构，直到七十年代后，随着计算机技术的飞速发展、计算机辅助设计的应用以及数控机 床的使用，大大提高了分度凸轮的设计水平和制造精度，这样才使得这种凸轮分度机构 大量的应用变为现实。 在数控技术发展到今天，数控技术加工凸轮是按照范成原理，利用滚子和凸轮互相 啮合传动时滚子曲面和凸轮曲面互为包络线的原理来进行的。现在国际上对该凸轮的加 工主要采用：一是采用具有两个旋转坐标的专用数控铣床加工，二是采用五坐标数控加 工中心铣削，加工时必须四轴联动。第二种加工方法成本较高，而且费时。 数控技术加工弧面凸轮，在发达国家已经比较成熟，这些国家大都采用了具有两个 旋转坐标的专用数控机床，采用运动方式为刀具不动、工件自转又绕刀具公转，这种方 案的设计特点是机床的刚性好，精度高，功率大。 我国对其研究是从七十年代末开始的，在近十几年的研究后，在机构的理论研究、 设计与制造及检测方面作了大量的工作，取得了一大批研究成果。许多高校工厂也在加 工机床方面做出了研制。陕西科技大学研制的n t - x k 5 0 0 1 型专用数控铣床，山东工业 3 睦酉抖这盔堂亟堂焦途塞 大学与山东诸城锻压机床厂研制的凸轮加工专用数控机床及上海自丰机械厂研制的 w t x - 2 5 0 弧面凸轮曲面铣床等，都促进了弧面凸轮分度机构在我国的应用。 1 9 9 2 年，陕西科技大学与南通机床厂联合研制出的n t - x k 5 0 0 1 专用数控立式铣床 用于弧面凸轮的加工，取得了很好的经济效益。 随着生产技术的不断发展，对于弧面凸轮的要求也在不断变化，对弧面凸轮的加工 也提出了更高的要求。这样一来，该机床要适应更高的要求，就存在主轴刚性较低，功 率配置低，回转角度较小等缺陷，在大切削量时，机床振动严重，且该机床为五轴三联 动，即可以实现x 轴、a 轴、b 轴三轴联动，y 、z 轴两轴为手动，自动化程度明显偏 低。 目前，我国山东诸城机床厂，利用滚齿机改造的简易弧面凸轮加工专用数控加工机 床，属于开环控制系统。这种系统结构简单、调试方便、价格低廉、易于维修，但机床 的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度，所以很难达到 较高位置精度。 尽管陕西科技大学以y 3 1 8 0 型滚齿机的床身、立柱为基件进行方案设计的新型的数 控铣，是采用的半闭环结构，精度大大高于山东诸城机床厂改装的开环专用数控铣，但 是，由于受到y 3 1 8 0 的结构的限制，同时，对主轴摆动伺服系统的结构设计方面，理论 上在增设扇形导轨及辅助支承来解决倾覆力矩的问题。但在实际工作中，是否能够真正 实际解决倾覆力矩的问题，还有待进一步探讨。而且，该改造的数控铣，由于工件装夹 部分活动件太多，故此还存在刚性较差的问题。 另外，山东三精凸轮公司，利用卧式加工中心改造的弧面凸轮加工中心，虽然从加 工精度等方面，可以满足用户的要求，但是成本太高( 高达1 3 0 万元人民币) ，并且加 工范围有一定限制( 中心距不能太小) 。 综上所述，从国内总的情况来看，高精度弧面凸轮加工的专用数控机床普遍存在一 定的缺陷，有待进一步发展和改进。如果考虑国外设备进1 5 1 ，仅从德国进口一台加工弧 面凸轮的专用数控机床就大约需要8 0 万美元之多。因此，有必要重新开发和研制新一 代加工弧面凸轮的专用数控机床。 1 3 虚拟产品开发简介 1 3 i 虚拟产品开发的定义 目前产品开发的特点主要体现为：( 1 ) 产品适销期明显缩短；( 2 ) 产品品种数急剧增 加；( 3 ) 产品开发周期极大压缩。 而我国在产品开发上还存在如下问题：( 1 ) 产品仿制多，创新少，市场竞争能力不强， 4 五坐拯加工煎画凸缝塑控选压的虐型拄扭班宜兰珏筮 获利不高：( 2 ) 设计耗时多，设计成功率低，反复试制使开发周期长，产品更新换代慢： ( 3 ) 通用型产品多，面向用户的功能多样化的产品少；( 4 ) 产品设计从技术上考虑多，经 济分析少，成本高；( 5 ) 产品的标准化、通用化程度不高，生产产品投产上市速度慢，准 备工作量大；( 6 ) 设计方法和手段不先进。 以设计为中心的虚拟制造为设计者提供一个对产品进行设计、分析、制造、检测和 使用的工作环境。通常将以面向产品开发为中心的虚拟制造又称为虚拟产品开发( v i r t u a l p r o d u c td e v e l o p m e n t ，v p d ) ，虚拟产品开发是实现虚拟制造系统的信息源。新产品开发 的实质就是产品的工程设计过程。传统的方法是由工程师设计出产品，并制造出原型， 然后再经过测试和验证。如果产品达不到规定的要求，就反复地进行这一过程，直到满 意为止。虚拟产品开发技术建立在可以用计算机完成产品整个开发过程这一构想的基础 之上，工程师在计算机上建立产品模型，对模型进行分析，然后改进产品设计方案，用 虚拟样机代替原来的实物模型，以提高新产品开发成功率。 传统的产品设计开发，在上游阶段较少考虑下游因素，导致设计方案的反复改进， 延长了开发周期。并行产品开发要求在产品设计阶段就考虑到可能影响产品质量、成本 及开发时间的后续环节，以减少由于产品开发下游阶段出现重大问题的反馈，但是其缩 短产品开发周期的作用仍然有限。虚拟产品开发利用存储在计算机内部的数字化模型一 一虚拟产品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、服务 和环境等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。 建立虚拟化的试验模型虚拟产品，目的是对产品外形、结构、功能、行为等进 行测试，以便加快决策速度，改善产品开发过程中对其性能预测的准确性。为了对虚拟 产品的外形、功能和行为等进行测试，必须要求完整可靠的产品描述，不仅包括产品定 义数据本身，还包括产品所有相应环境的描述，以及产品和环境相互作用规律的描述， 通过产品、环境及相互作用规律来考察产品生命周期中的各项性能。 1 3 2 虚拟产品开发的特点 实践证明，利用信息技术对传统产业进行技术改造是一条必由之路。在虚拟产品开 发中，产品开发过程在能够支持并行设计的p d m ( 产品数据管理) 系统管理下，采用先进 的软件系统帮助设计人员完成多学科产品的设计开发和创新过程。虚拟产品开发的主要 目标是将产品描述为数字模型进行分析并仿真产品的行为，开发过程中将大量采用先进 的应用软件系统，需要改变常规的设计模式。 在没有任何计算机工具时，设计者基于实物模型进行产品设计，给人最好的感知效 果，然而时间周期长和成本高；随着计算机辅助工具的出现，有了二维c a d 模型，帮 助设计师缩短产品开发时间和成本，但也很大程度上丢失了原先基于实物模型时具有的 直观感知性；从三维c a d 、数字样机到虚拟样机技术的出现，都体现了信息集成度的 逐渐提高，即在设计师与计算机交互进行产品开发中，获得越来越丰富的反应产品本质 的直观感知。 故而，虚拟产品开发应具有如下特点： ( 1 ) 核心是体现虚拟产品开发本质的全数字化虚拟产品模型。 ( 2 ) 多学科集成仿真试验。 ( 3 ) 可通过虚拟现实系统为设计师提供更为直观的感知交互。 1 4 平台软件简介 本课题设计所用的平台软件这p r o e n g i n e e r 2 0 0 1 。p r o e n g i n e e r3 - d 设计系统是由 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 ( 参数科技) 公司于1 9 8 9 年开发的。p r o e n g i n e e r 产品 开发环境之所以受到多数厂商的青睐，就在于它能够支持同步工程。利用p r o e n g i n e e r 及其相关软件p r o d e s i n g e r 、p r o m e c h a n i c a ，用户可进行工业设计、机械设计、功能 仿真和加工制造等设计开发工作，大大缩短了产品开发的时间与流程。 p r o e n g i n e e r 最大的特点就在于它采用单一数据库的设计，是一种全相关性( f u u a s s o c i a t i v i t y ) 的软件。由于p r o e n g i n e e r 中所有的模块完全互相连接，因此在开发 产品的过程中，设计者在任何时候所做的修改，都会扩展到整个设计中，自动更新零件、 装配、工程图等模块中所有2 d 和3 - d 的尺寸与工程文件，这样就确保了数据的正确性， 避免了反复修正。这种功能也正符合现代产业中所谓的同步工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 观念。 2 0 0 1 年6 月参数科技推出了p r o e n g i n e e r 2 0 0 1 。此版本提供了新的面向对象操 作方式。新的直观的“微软窗口化”的用户操作界面可节省4 0 以上的浏览与设置时间； 而其“特征插入”的方式，则更大幅度地改善了以往下拉式菜单的操作流程。 p t c 家族三大软件的功能如下： 1 p r o e n g i n e e r p r o e n g i n e e r 主要的功能在于进行参数化的实体设计，它所提供的功能包括实体设 计、曲面设计、建立工程图、零件装配、简单的有限元素分析、模具设计、电路设计、 装配管件设计、加工制造和逆向工程等等。 2 p r o d e s i g n e r p r o d e s i g n e r 原名为p r o c d r s ，它是一套概念性的设计工具，主要支持在工 业设计上的应用。使用p r o d e s i g n e r 除了可以让产品开发人员快速地创造、评估、 修改数种产品概念，更可以用来产生超越数学方程式所规范的自由曲面。利用p r o d e s i g n e r 内建的文件输出格式，可直接将所建立的曲面几何图形直接应用在机械设计 6 五坐拯加工煎亘凸控塾控煎压的虐型拄越班塞兰珏蕴 或产品原形制造上。 3 p r o m e c h m 蛆c a p r o m e c h a n i c a 为一种功能仿真软件，除了可以使用它内建的绘图功能绘制模 型结构之外，更可以接受由p r o e n g i n e e r 绘制的实体。利用给定适当的边界条件， 使用p r o m e c h a n i c a 可以进行产品的结构分析、热传分析、驾驶时轮胎的分析、震 动分析和机构分析等等。利用以上的仿真功能设计，工程师可以轻易地进行产品的最佳 化设计。 p r o e n g i n e e r 对产品开发的帮助可归纳如下： 保证图面及3 一d 实体模型的正确性； 应用3 一dl a y o u t 可以确保设计品质及问题的排除； p r o e n g i n e e r 同步工程的架构可以缩短设计变更的时间； p r o e n g i n e e r 可自动产生2 d 工程图面及组合爆炸图，可以缩短出图时间： 综合上、下游厂商的数据，可以缩短开发与建模的时间。 1 5 课题内容及任务 本课题的设计任务为加工弧面凸轮数控机床的3 d 设计及虚拟样机开发，根据已有 的设计理论及发展状况，参考已经成熟的经验和理念，设计一台可实现弧面凸轮加工的 专用数控铣床。利用p r o e n g i n e e r 2 0 0 1 软件实现该产品3 d 设计，设计出三维样机，并 对机床的运动和工作进行进行分析。 1 5 1 本课题所需收集的原始数据与资料 1 弧面凸轮机构的基本原理，以及弧面凸轮的加工方法及加工原理。 2 弧面凸轮的加工范围：中心距、凸轮直径、摆角、滚子尺寸等。 3 加工弧面凸轮的工艺参数：切削功率、主轴转速范围、背吃刀量、进给速度等。 4 详尽了解n t - x k 5 0 0 1 专用数控铣床的设计理论，加工方法、工作原理、加工弧 面凸轮的范围、工艺参数等。 5 详尽了解由y 3 1 8 0 型滚齿机的床身、立柱为基件进行改装的新型数控铣床的设 计理论，加工方法、工作原理、加工弧面凸轮的范围、工艺参数等。 6 收集相关的数控系统及数控分度头的相关资料。 7 详尽了解韩国h b 一1 1 0 ，h b ，1 3 0 ，h b 1 5 0 加工中心外形结构及相关尺寸。 8 p r o e n g i n e e r 零件设计与高级开发技术。 9 虚拟样机开发的相关资料。 7 医酉型蕉盔堂亟堂位途塞 1 5 2 课题的主要任务 1 整机方案设计及论证。加工弧面凸轮时，刀具相当凸轮机构中从动盘滚子，一 方面沿主轴轴线回转，一方面绕从动盘轴线回转，工件按要求作回转分度运动，所以弧 面凸轮加工机床必须具有双回转坐标，工件回转运动由数控分度头实现；主轴的运动及 摆动由主轴系统实现。在详细分析现有同类机床的设计理论的基础上，参考韩国 h b 1 1 0 ，h b 一1 3 0 ，h b 1 5 0 加工中心外形结构及相关尺寸，并根据具体需要对机床的x 、 y 、z 方向床身、导轨进行取舍，对其电机丝杠进行更换，对其控制系统进行更换，并 去掉自动换刀装置。配合主轴系统及工作台系统，完成整机方案的设计。 2 主轴系统部件设计。根据收集的主轴电机资料，并参考n t - x k 5 0 0 1 专用数控 铣床( 其主轴电机功率3 7 k w ，略嫌不足) ，选用主轴电机( 如：f a n u ca c 主轴电机 系列的3 s 型主轴电机) 。依据主轴的工作情况，进行受力分析，确定有关技术参数。 主传动系统设计。弧面凸轮的加工一般在中等速度下进行，切削大直径工件时，主轴 转速较低，此时电机受功率因素影响较大，为使主轴有较好的低速切削性能，应选择较 大的传动比。回转工作台纵向进给系统设计。主轴摆动伺服系统设计。 3 工作台系统部件设计。为保证加工工件在两个方向的移动，采用伺服交流电机 及滚珠丝杠进行驱动。工件回转运动采用数控分度头完成。数控分度头在比较各类型号 的性能价格后选择。 4 系统的选择设计。根据设计要求，本机床的控制系统应能实现五坐标联动，同 时整个系统应具有较好的经济性。在广泛收集各种品牌数控系统的有关资料的前提下， 分析其价格性能比，进行合理选择。 5 完成整机及主要部件的3 d 设计。 6 对机床进行动态模拟、分析及改进设计。 1 5 3 有关技术指标 1 主轴电机功率：4 5 t k w ； 2 主轴最大摆角6 0 。； 3 主轴转速：1 5 0 1 5 0 0r r a i n ； 4 直线坐标最大进给速度：1 s m n 5 最小中心距：5 0 m m ： 6 机床造价：1 0 0 万元( 人民币) ； 7 机床直线运动精度：o 0 0 5 r a m ； 8 摆角精度：1 5 ”； 8 五坐拯加王煎亘凸整塑撞丛压的虐型搓扭班盔皇珏蕴 9 机床可实现五坐标联动； l o 机床数控系统采用半闭环控制。 1 6 课题的主要技术难点 1 加工时工件摆动角度较大，回转工作台占用空间较大，在进行机床总体布置时 要考虑满足机床整体结构的重心位置要求，同时解决由于工作台大角度摆动引起的干涉 问题； 2 机械加工工艺系统、机床整体结构刚度问题； 3 主轴箱前伸较长，对主轴部件结构要求解决刚度不足问题； 4 选用的工程软件- - p r o e n g i n e e r 2 0 0 1 ，由于课题时间有限，对软件功能的消化问 题。 1 7 本课题的创新之处 提出新的五坐标加工弧面凸轮数控铣床设计方案，该机床目前在国内属于首创。将 模块化设计和虚拟产品开发的理念应用于专用数控机床开发。利用先进工程软件开发虚 拟样机，通过3 d 设计对原设计进行改进，并对装配过程、运动过程、工作过程进行模 拟，对关键的部件进行分析及改进设计。该设计可向企业转让或与企业共同进行产品开 发，将有利于我国自动机械技术水平的提高，并取得较好的社会效益和经济。 1 8 本课题的成果提交方式 ( 1 ) 三维装配图、主要部件图、关键零件图，总装配、主要部件、关键零件工程图 ( 2 ) 形成设计与开发研究论文； ( 3 ) 发表与本课题相关的学术论文2 3 篇。 9 医酉型蘧盔堂亟堂僮途塞 2 方案设计 2 1 设计理念 2 0 1 1 模块化设计思想 近几年，一场以模块化为主题的大讨论悄然在美国和日本学者之间激烈进行，人们 甚至用模块时代来命名当前的经济环境，模块与模块化已经成为现代经济研究不可回避 的重要话题。 经典的解释认为：模块是指具有某种确定独立功能的半自律性的子系统，它可以通 过标准的界面结构与其他功能的半自律性子系统按照一定的规则相互联系而构成更加 复杂的系统。而模块化则是一个将系统进行分解和整合的动态过程。在大多数的研究中， 模块和模块化的分析是在最为一般的理论分析基础上展开的，在现实生活中，i t 产业产 品的设计中最容易发现模块化的实际例子。但是，作为一种新兴现象，模块化绝不仅仅 局限于产品设计方面，模块化也被普遍地用在经营管理、组织结构设计等诸多方面，甚 至有人将模块化称为新产业结构的本质。 1 模块化设计的基本概念和方法 为开发具有多种功能的不同产品，不必对每种产品施以单独设计，而是精心设计出 多种模块，将其经过不同方式的组合来构成不同产品，以解决产品品种、规格也设计制 造周期、成本之间的矛盾，这就是模块化设计的含义。模块化设计与产品标准化设计、 系列化设计密切相关，即所谓的“三化”。“三化”互相影响、互相制约，通常合在一 起作为评定产品质量优劣的重要指标，是现代化原理开始用于机床设计