数控螺旋铣仿真

数控螺旋铣仿真摘要：传统设计中流程比较繁琐，制造物理样机成本较高，在前期实验检测环节需要消耗大量的人力物力。很多设计公司由于资金、人员短缺，是不具备研发机床的能力的，在一定程度上限制了机床的发展，从而影响了工业时代的进步。使用三维软件进行数字仿真，不仅可以节省人力物力，还能大大减少开发所需要消耗的资金，减短开发周期。使用三维软件进行开发设计，很多一般公司都可以进行研发，从而促进了机床的发展。本次设计主要做的是数控螺旋铣的仿真，通过三维软件进行建模、装配，并制作成动画，完成机床设计初期步骤。通过对机床各个零件的仿真，并对每个零件进行尺寸矫正，从而达到装配要求。在整个设计研究过程中，我都是使用Pro/E三维软件进行制作，包括后期的动画制作。选用该软件的原因在于其强大的建模功能以及便于修改的特性，有利于完成整个设计作品。KinematicsAnalysisOfNCMillingMachineAbstract:Intraditionalproductsdesign,thedesignprocessiscomplicateandthecostofmakingphysicalprototypeishigh,theearlystageisexperimentaltestingthisproceduremakeslongperiodandconsumelargeresources.Manydesigncompanieshavenotpossessedtheabilityofdesigningmachinetool,becauseofthelackoffundsandpersonnelandthisrestrainthedevelopmentofmachinetool,Whichaffecttheindustrialprogress.Using3-dsoftwarefordigitalsimulationcouldnotonlysavemanpowerandmaterialresourcesbutgreatlyreducethefundsforproductdevelopment.Manyenterprisescanconductresearchanddevelopmentbyusing3-dsoftwareandthuspromotethedevelopmentofmachinetool.ThisdesignmajorsinthesimulationofCNCspiralbevelgearmachineandfinishtheearlystepsofmachinetooldesignbyusing3-dsoftwaretomodel,assembleandaccordinglyintroduceitintheformofFlashanimation.Thensimulatingthepartsofthemachinetool,correctingtheminsizetosatisfytherequirementsofassembling.Inthewholedesignresearchprocess,Pro/E3-dsoftwareisused,whichincludestheanimationproductioninthelaterperiod.Thereasonofchoosingthissoftwareliesinitsmodelingcapabilityandthecharacteristicsofeasytomodify,andallofwhichcouldbegoodforcompletingthewholedesignwork.目录1绪论.11.1课题的技术背景与来源.11.2传统模式下的产品开发过程.21.3虚拟样机在设计领域的运用.31.4数控螺旋铣床设计研究中虚拟样机的使用.41.5课题的主要内容与研究方法.42数控螺旋铣床的三维建模及装配.52.1数控螺旋铣床的组成及特点.52.2CAD造型软件的比较与选择.52.3Pro/E软件的介绍.62.4数控螺旋铣床的三维建模.62.4.1虚拟建模技术基本理论.62.4.2数控螺旋铣床主要零件的三维建模.83数控螺旋铣床的运动仿真.133.1机床零件之间连接设置.143.2机构连接检测.173.3数控螺旋铣床的机构分析.174总结.18参考文献.18致谢.1901绪论1.1课题的技术背景与来源数控技术起源于美国，起因于军工发展的需要。1948年，美国人帕森斯提出了穿孔卡片存储机床坐标位置信息并控制机床按照坐标位置进行工件表面轮廓加工设想。生产过程的自动化是现代工业进步的方向标，它能够提高工人的劳动生产率，一定程度上解放了在生产线上的工人，使工人更自由，更舒适的完成劳动生产。随着现代科技的飞速发展，各种机械产品都在不断地推陈出新，竞争也越来越激烈，在这种情况下，人们对加工精度、生产周期、制作成本的要求越来越严格，普通机床已经远远不能满足人们的需要，这时，数控技术应运而生。自从有了数控机床，数控技术得到了很多研究人员的青睐，数控技术在机械制造业中得到迅速推广，已经成为各个研究公司的主要研究方向。数控机床有很多品种，比如传统的车铣刨磨钻，还有专用机床如数字切割机、绘图机，而在传统的生产数控机床技术中，其所需要消耗的人力物力又限制了数控机床的发展，物理样机制造过程繁琐，成本昂贵，很多设计人员望而却步。于是有人提出了设计一种可以制造虚拟样机进行仿真的想法，随后各种三维软件出现了，市场上各大软件公司依次研发了有着自己特色的三维软件，比如UG、SolidWorks、AutoCAD、CAITA、MSC、Pro/E，每个软件都有这自己的特点以及特定的一些用户群体。这些三维软件的出现，大大减少了研发的所需要消耗的人力物力，极大地解放了生产力，促进了机床事业的发展，从而带动了整个工业时代的进步。20世纪60年代末开始研究用线框和多边形构造三维形体，也就是所谓的线框模型。几年后，随着CAD技术的日趋成熟，几何建模向着曲面造型和实体造型发展。随着模型建立应用面的扩大，迫切要求将线框模型、曲面模型、实体模型的建模系统融合起来，统一成一个模块。目前，这样的系统已经有了很大的发展。在产品设计过程中，通过建立零部件三维模型，能够显示出每个零部件的形状，在装配时可以检查装配干涉，高效的产生二维工程图。此外，在计算机艺术、动画制作、医学、装饰、服装、影视等行业也由广泛的应用。由此可见，数控仿真已经是在研发各种机械产品时十分重要的一部分，通过对所要设计产品进行仿真以及动画演示，能够很快得到所需要的数据，便于及时修改，同时减少开支，避免了不必要的浪费。减少了开发产品成本，也减小了企业在开发阶段的资金压力，促进了机床等机1械产品在现代工业中的飞速发展。机床作为机械的母体，在工业中占据十分重要的地位，机床的快速发展带来的是整个工业时代的飞跃。所以使用三维软件进行虚拟样机仿真顺应时代的步伐，应运而生。1.2传统模式下的产品开发过程在传统的产品开发中，其流程一般为研究设计要求、查阅资料、拟定方案、技术设计、工作图设计、编制工艺流程、物理样机制造、通过运行得出不合理参数、重新制造物理样机、再对样机试验，直至达到所需要求，然后进入实际生产阶段。设计是产品的生产过程中十分重要的一部分，产品的各种特性以及参数等都由设计目的决定，一个产品的成本有80%是由设计决定的。图1.1为传统模式下的机床设计开发过程。概念设计详细设计经验设计物理样机（模型）样机测试标准化结果分析产品制造图1.1传统的产品开发过程概念设计，通过调查研究、资料收集、仔细分析用户需求；在此基础上明确产品的性能和功能要求，然后制定一些基础方案，通过比较得出最优的方案。初步设计，根据概念设计的方案，做出总装图，通过调试对机床产品的参数进行调整。详细设计，确定设计对象的详细结构，最终完成总布置图和全部零件图。当然，详细设计的完成并不是说整个设计就结束，而是在设计完成后通过设计后期的修改以及用户的反馈信息进行再修改，再生产，再修改，直至达到最优效果。2传统的机床设计开发一般采用上述过程，这一过程特别耗费人力物力，而且机床样机制造成本也很高，尤其当机床结构比较复杂时，会消耗大量资金与时间，所以传统的产品开发过程已经越来越不被人看好，其所要消耗的资金、时间是很多开发单位承受不起的，一定程度上也限制了产品的开发速度。由此可见，机械设计是一个“设计-评价-再设计”的反复设计，通过用户反馈信息进行一次次修改。在传统的设计领域，设计周期长，耗时耗力，且很难达到预期效果。因此，实现某种程度的设计自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，就成为机械设计开发的首要任务，虚拟样机技术由此而生。1.3虚拟样机在设计领域的运用由上可以看出，传统的物理样机制造成本昂贵，开发周期较长，同时也会造成极大地浪费，虚拟样机的出现解决了这些问题，通过三维软件进行实物仿真，不仅节省了制造物理样机的高额费用，还能通过虚拟样机完成整个系统的装配，得出最优尺寸与精度，通过动画仿真完成机床运动分析，获得机床干涉条件，便于修改且不会造成浪费。由此可见，虚拟样机的出现，大大促进了产品的开发，促进了工业的进步。虚拟样机技术的开发过程是通过概念设计得出基本的机床运动要求，然后进行虚拟仿真，并进行调试，不满意则修改至满意为止，然后再进行物理样机的试验，这样不仅节省了开发费用，还减少了不必要的浪费，节省了人力物力。图1.2是基于虚拟技术的产品开发过程：概念经验设计虚拟样机构建虚拟样机仿真物理样机试验物理样机构造设计定型投产满意？满意？3图1.2基于虚拟技术的产品开发过程1.4数控螺旋铣床设计研究中虚拟样机的使用虚拟样机技术是一门综合多科学的技术，在传统的设计领域只能制造物理样机进行试验，而现代设计领域应该是在虚拟样机的基础上进行研究、调试，通过一系列修改，最终达到最优化设计，然后再制造物理样机进行试验。虚拟样机技术主要是以机械理论为核心，通过三维软件建模，并对各个零件进行装配，组成机床初始模型，随后在模型的基础上进行修改、调试，所以这种技术被人们称为数字化虚拟技术。随着现代科技的快速发展，机械中各种理论趋于成熟，实践环节也更加完善。虽然广泛应用的CAD技术将设计从大量的重复的劳动中解脱出来，一定程度上避免了人力物力的极大消耗，即使我们现在拥有了强大的CAD软件，减少了资金时间的浪费，节省了不必要的开支，但CAD软件的不足在于设计人员只能通过所要设计产品的各种特性进行仿真，对于产品的系统部分无法做到完善。而虚拟样机可以改善这些问题，做出产品的虚拟样机模型，完成装配，便可以对其进行调试，直至达到最优效果，所以虚拟样机技术在机床的设计开发中是不可或缺的。当然，对于我所设计的数控螺旋铣床，同样需要使用虚拟样机技术进行仿真，以便达到我的设计目的。使用虚拟样机进行数控螺旋铣仿真，首要任务就是了解螺旋铣床的基本结构，运用三维软件对每一零部件进行仿真，通过调试参数完成装配，随后检查干涉，最后做成动画仿真。1.5课题的主要内容与研究方法本课题的主要内容是数控螺旋铣床的仿真，运用Pro/E软件对数控螺旋铣床进行建模以及运动分析，以数控螺旋铣床为研究对象，构建其完整的结构模型，并对仿好的模型进行运动分析，通过不断调试机床的装配性能，使其达到最优效果，并做成动画演示，便于直观了解设计内容。研究方法主要是运用Pro/E软件进行仿真，首先了解数控螺旋铣床的基本机构，并通过查阅资料获取相应的尺寸信息，然后对机床主要零部件进行及建模，并进行装配，组装成机床的基本结构，再通过调试完成装配要求，最后将组装好的结构做成动画仿真。42数控螺旋铣床的三维建模及装配2.1数控螺旋铣床的组成及特点数控铣螺旋床是一种专用的数控机床，由于螺纹的特殊性，加工复杂，存在问题较多，通过螺旋铣的加工特性，可以直接在机床上加工出所需的螺纹、螺线，参数比较容易确定，加工难度减小。还有就是这种机床不是常见机床，通过对螺旋铣床的仿真，也可以扩大学生知识面，不需要购买机床就可以了解一些这种机床的基本知识。数控螺旋铣床主要应用于对各种专用机械产品进行铣削加工，比如钻井机、空压机等等；同时在原油运输、地热发电、地热循环泵及军工等行业中也有很多应用，也是这些行业技术改造升级必选的设备。这种铣床的特殊性，属于不常见机床。数控螺旋铣床为整体床身，X和Z轴导轨水平丁字形布置，导轨为高频淬火硬轨，刚性好精度高，稳定可靠。铣削主轴头为横于Z坐标的X坐标，并可沿X方向前后移动的。机床配置有工件支撑架，用户可按不同工件配用支撑托板。主轴运转为蜗轮蜗杆驱动，伺服电机直联蜗杆，蜗杆与蜗轮间采用无间隙啮合机构，实现高精度准确分度；机床导轨润滑采用集中间歇式专用润滑泵润滑；铣头主轴采用大功率变频电机，实现强力切削。数控螺旋铣床配置广数控制系统，也可根据用户需求配置特定系统。系统可实现四坐标三联动，即X轴、Z轴、C轴（主轴）三联动。构建数控螺旋铣床结构模型，首先应该通过三维软件建立其机械结构的机构模型，也就是建模，并进行装配，组装成机床的基本结构，再通过调试完成装配要求，最后将组装好的结构做成动画仿真。当然，选择一个比较适用的三维软件也很重要。2.2CAD造型软件的比较与选择现在市场上的三维软件有很多，比如UG、SolidWorks、AutoCAD、CAITA、MSC、Pro/E，每个软件都有这自己的特点以及特定的一些用户群体。其中PRO/E的造型技术非常成熟，建模功能十分强大，这个软件能够建立各种复杂机械结构模型并进行装配，还有制作动画等等。例如螺旋铣仿真就包括运动仿真、结构仿真、加工仿真、产品渲染等，使用PRO/E软件进5行建模、仿真比较适合。2.3Pro/E软件的介绍Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品，是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，功能主要有特征参数化建模、大型部件装配、基于Web零件库，结构、热、运动、疲劳等分析、动画仿真，概念设计，模具设计。Pro/E在设计领域中占据十分重要的位置，建模功能强大，是现今最成功的CAD/CAM软件之一，其强大的建模功能吸引了很多设计者在设计简单零件时作为首选软件，其硬软件平台主要有微机、工作站等。在中国也有很多用户直接称之为“破衣”。1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊；目前已经发布了Pro/ENGINEERproewildfire5.0；PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等；Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。在设计中我主要应用了Pro/E软件的建模模块，首先建立数控螺旋铣床主要零部件的模型，如主轴、刀具、车身等零部件，然后应用Pro/E装配模块进行零部件模型的装配并做成动画模式，以便直观的观察到机床动作以及各部件之间的配合。2.4数控螺旋铣床的三维建模2.4.1建模的技术基本理论本次设计的主要内容是首先了解数控螺旋铣床的基本机构，并通过查阅资料获取相应的尺寸信息，然后对机床主要零部件进行及建模，并进行装配，组装成机床的基本结构，再通过调试完成装配要求，最后将组装好的结构做成动画仿真。6做这些设计首要任务就是做好每个零部件的设计，尺寸的矫正，然后通过在几何模型上添加其它信息数据就可以构成所需的仿真模型。对于不同的机床，主运动参数有不同的要求。数控螺旋铣床就是为某一特定工序设计制造的，设定好基本参数，通过机床加工出螺旋线，然后做成产品。当然，产品的虚拟建模方法有很多种。本设计使用Pro/E软件进行建模以及仿真，主要是考虑到Pro/E的建模功能强大，软件熟练度高。在Pro/E建模过程中的特征有四种，主要有成型特征（立方体特征、圆柱特征、凸台特征、凹槽特征、圆孔特征），草图特征（拉伸特征、旋转特征、扫描特征、管路特征、自由形状特征），辅助特征（基准面特征、基准轴特征、基准点特征、无限平面特征），以及其他特征（材料特征线型特征颜色特征透明特征）。其中，成型特征是创建特征的主要部分也是基础特征，它是描述零件几何形状及尺寸的相关信息集合；草图特征是在一些复杂建模中将草图进行拉伸旋转等来完成成型特征无法完成的功能；辅助特征是虚拟建模的辅助工具，不包括在虚拟模型中；还有其它一些特征如材料颜色、透明度等。图2.1描述了机床在Pro/E虚拟样机建模中的特征分类：模型特征成型特征草图特征辅助特征其他特征立方体特征圆柱特征凸台特征凹槽特征圆孔特征拉伸特征旋转特征扫描特征管路特征自由形状特征基准面特征基准轴特征基准点特征无限平面特征材料特征线型特征颜色特征透明特征图2.1虚拟建模特征分类在产品设计过程中，通过建立零部件三维模型，能够显示出每个零部件的形状，在装配时可以检查装配干涉，高效的产生二维工程图。在分析计算方面，现有的三维软件可以很方便的求出零件或者装配体的形心、重心、惯性矩等等，一定程7度上减少了设计人员的工作繁琐程度，使设计人员能够有更充分的时间去研究机床结构以及干涉影响等重要问题。此外，在计算机艺术、动画制作、医学、装饰、服装、影视等行业也由广泛的应用。图2.2描述了基于特征的参数化建模流程：规划设计方案特征类型及顺序成型特征草图特征辅助特征其它特征满意？零件模型确定图2.2零件虚拟建模流程2.4.2数控螺旋铣床主要零件的三维建模虚拟建模技术为复杂零件的结构设计提供了强有力的技术支持，它可以包含丰富的产品信息，包括外观、颜色、质量、重心、材质以及惯性矩等，能够可视地完成复杂结构技术，达到高效、直观、一次成型的目的，减少了不必要的消耗，节省了人力物力；同时还便于设计人员和用户进行沟通，有利于产品的编辑和进一步改进，提高产品设计的市场适应能力和竞争能力，一定程度上促进了机械产品的发展；还节省了一定的人力物力。下图所示了数控螺旋铣床的主要零部件，由于数控螺旋铣床构造较为复杂，各种零部件较多，而篇幅有限，不可能将每一个零部件都详细表达出来，所以在本章主要给出了底座、滑台、卡盘、刀具、主轴、油泵、以及加8工成型的棒料这七大基础件的建模实例，并且在给出的实体模型中加入剖面图使零件的内部结构更加清晰明了；除此之外还讨论了一些标准件的模型建立方法和内容。通过这些零件的仿真，进行尺寸矫正，以便完成最后的装配和动画设计。对于没有给出的零部件，大多为标准件，所以都在最后的标准件中统一给出。在设计过程中首先要做的是零件的三维设计，零件的三维设计使用草图法先创建零件特征，在进行特征拼合，这种拼合方式有两种，即增加特征与减少特征。我选用的是特征叠加建模。在这种建模方式中，需要特别注意特征间的相对位置及表面的过度关系。表面过度关系有三种：贴合、相切、相交。几何模型是任何设计的基础与核心，也是一种载体，在此基础上才能添加各种设计属性。所以，在零件的概念设计阶段有着很大的灵活性和自由性，通过调试得到最优解后，再确定其最终的形状和尺寸。创建零件，首先利用预定义的特征或直接找到图形库中的相同零件创建零件。如果没有，则用草图法自定义特征，再建立零件模型。以下是我所做模型的截图，通过这些零件的设计仿真，并进行调试，最终组成机床主体结构。（1）底座模型，如图2.3所示图2.3底座模型（2）滑台模型，如图2.4所示9图2.4滑台模型（3）三爪卡盘如图2.5所示：图2.5三爪卡盘（4）加工棒料，如图2.6所示：10图2.6加工棒料（5）主轴如图2.7所示：图2.7主轴模型（6）铣刀模型如图2.8所示：11图2.8铣刀模型（7）油泵模型如图2.9所示：图2.9油泵模型（5）标准件的建模一般情况下，在一个大中型的机械产品中，除了一些关键零部件以外，一般还包括很多标准件，其中包括各种螺栓、螺母、垫片、法兰、轴承、键甚至链条等。虽然这些都是标准件，但是在机床装配时这些是必不可少的，尤其是要做机床运动仿真时，必须有这些标准件的支撑，才能够得到完整的干涉信息，便于修改时更有现实意义。因此有必要建立这些标准件的模型，在机床装配时通过合理布置，完成12整个机床装配，但一般也需要多个特征才能建立其完整模型。创建装配体，装配建模就是运用三维软件创建所要设计产品的三维模型，利用建立的产品三维模型，可以观察和分析设计产品的工作原理和装配关系，进行产品的质量特性分析，进行零件之间的干涉检查，生成装配分解图，创建产品的二维装配图，进行运动学分析以及动画仿真。利用系统的装配功能将多个零件装配成机床，形成三维模型，这种三维模型能方便修改和编辑。数控螺旋铣床主要部件及整机的虚拟装配总装模型，如图2.10所示：图2.10总装模型在三维软件中，能够对所要设计产品像实体一样去装配，将每个零部件按照机床结构一个个组装起来，组成机床的整体结构。在装配机床主体时，每个零部件都有自己的参数、尺寸等特性信息，这些零部件的特性与整个装配体外的零部件没有关联性。133数控螺旋铣床的运动仿真数控螺旋铣床主要是通过伺服电机来驱动工作台、刀具和滑台完成所要加工的动作并使工件和刀具按照数控程序产生相对位置变化来达到工作材料去除的目的，由于数控螺旋铣床是一种比较特殊的机床，其加工流程相对复杂一些，铣刀通过程序控制进行铣削，整个加工棒料以设定速度缓慢旋转，通过这种动作形成螺旋线，所以螺旋铣床本身的运动特性也是衡量铣床性能的重要指标之一。通过对装配好的模型进行动画运动仿真，找出干涉位置，进行最优调试，直至调至最优效果，然后进行组装以及动画演示。螺旋铣床的主运动是刀具的旋转，通过刀具的旋转配合进给运动，在工件表面完成螺旋线的加工。在完成整个产品装配后，零件之间的相对位置是固定的，通过这个特性，可以观察到整个机床结构有没有满足设计要求，有没有产生干涉，如果有干涉，利用三维软件便于编辑修改。装配过程中会产生部分干涉，需要调试结构尺寸，修改参数设置，最终达到最有效果。3.1零件之间的位置连接设置进行两个零件的装配时，首先要正确确定两个零件之间的约束关系，观察干涉条件，调试每个零部件尺寸，最后进行装配。装配连接类型如表3-1所示14表3-1装配连接类型1516这些装配连接关系在数控系螺旋铣床中都是不可缺少的一部分，但任何一种约束在装配体中一旦被指定就不会发生改变，当然，如果两个零件的约束关系发生改变，那么装配时也会发生改变。对于数控螺旋铣床约束关系分析的难点在的刀具与加工棒料之间的切入关系，即主运动与进给运动之间的关系。在当前的设计无论是所设计产品的加工、检验还是安装，都需要对每个零部件进行参数调试。3.2机构连接检测组装装配完成之后，可以进入机构环境，检查机构是否连接正确，如图3.1所示：图3.1机构连接检测3.3数控螺旋铣床的机构分析在传统的设计过程中，设计者要检验产品功能是否达到了技术要求，一般情况下根据被设计的产品的要求设计出基本模型，通过调试根据结果来修正模型，就这样来回进行修改，重做，再修改，再重做，直至产品性能到达最优解。这些工作消耗了大量人力物力，一般设计公司承受不起。为了提高工作效率和降低成本，机构运动仿真技术出现了，从此人们不在因为设计成本的问题发愁，大大提高了机床的发展。Pro/E提供了机构运动仿真功能，有着强大的建模功能，对每个零件的仿真都能够达到其精度以及配合要求，使用这个三维软件也可以便于修改某些参数或者尺寸，从而达到装配要求，便于设计；使用这个软件进行仿真大大的简化了机构的设计开发过17程，缩短了其开发周期，减少了开发费用，同时也提高了产品质量，在一定程度上也促进了机床的发展。通过对装配好的模型进行动画运动仿真，找出干涉位置，进行最优调试。螺旋铣床的主运动是刀具的旋转，通过刀具的旋转配合进给运动，在工件表面完成螺旋线的加工。在完成整个产品装配后，零件之间的相对位置是固定的，通过这个特性，可以观察到整个机床结构有没有满足设计要求，有没有产生干涉，如果有干涉，利用三维软件便于编辑修改。软件仿真可以实现无消耗的设计流程，减少开支和不必要的浪费，同时又能获得最佳效果，不失为一种设计的利器。184总结本设计主要做了数控螺旋铣床的仿真，通过零件设计仿真，进行装配，最后组装成完整的螺旋铣床，并通过设定参数，制作成小动画，便于直观了解整个设计作品。在整个设计过程中，我都是使用Pro/E三维