基于Pro_E的数控机床主轴箱的设计与运动仿真.pdf

.1陕西科技大学学报Feb.200670JOURNALOFSHAANXIUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGYVol.243文章编号:1000-5811(2006)01-0070-03基于Pro/E的数控机床主轴箱的设计与运动仿真文怀兴,周志红,王芳(陕西科技大学机电工程学院,陕西咸阳712081)摘要:将计算机建模技术应用于数控机床的设计与研究,进行了主传动系统的数字化设计,建立了系统主要零部件的3D模型,实现了产品的虚拟设计与运动仿真。关键词:数控机床；主传动；数字化设计；运动仿真中图分类号:TG659文献标识码:A0引言Pro/ENGINEER是美国PTC公司研制的一套由设计到制造的自动化软件,是基于特征的参数化实体造型系统。该公司最新推出的Pro/ENGINEERWildfire版,功能更加强大,将三维设计软件无论从易用性、设计的高效率,还是功能的实用性等方面都推向了一个新的高度,为工业产品设计提供了完整的解决方案。Pro/Engineer软件不仅提供了强大的装配功能,包括定义不同零部件之间的位置约束关系,生成爆炸视图,进行零部件之间的干涉检查；而且它提供了参数化、特征化定义实体造型的功能,使设计变得更加简易和灵活1。数控机床主轴部件是机床的核心部件,它的性能好坏直接影响机床的加工精度。为此,本文根据数控机床的设计要求和特点,使用功能强大的Pro/E工程建模软件建立了数控机床主轴箱的实体模型,模拟了机床主传动系统的运动和工作过程,使设计者在制造样机之前及时发现设计过程中存在的缺陷以及对未来制造过程的影响,为产品改进设计提供良好的条件。因此,利用Pro/E对数控机床主传动系统进行虚拟设计、虚拟装配,对于稳定机床产品的质量,提高生产率,推动机床功能部件的发展,加快产品的更新换代具有重要意义。1数控机床主轴箱的设计要求和变速方式数控机床主轴箱主要包括电动机、传动系统和主轴部件,主要用来实现机床的主运动。它应具有一定的转速(速度)和一定的变速范围,以便采用不同材料的刀具,加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件,并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。1.1数控机床主传动系统的基本要求2(1)主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数,能够实现运动的开停、变速、换向和制动,以满足机床的运动要求；(2)主电动机具有足够的功率,全部机构和元件具有足够的强度和刚度,以满足机床的动力要求；(3)主传动的有关结构,特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性,热变形和噪声要小,传动效率要高,以满足机床的工作性能要求；(4)操纵灵活可靠,调整维修方便,润滑密封良好,以满足机床的使用要求；(5)结构简单紧凑,工艺性好,成本低,以满足经济性要求。3收稿日期:2005-11-02作者简介:文怀兴(1957-),男,陕西省武功县人,教授,研究方向:机械设计制造及自动化基金项目:陕西省自然科学基金项目(2004E209)第1期文怀兴等:基于Pro/E的数控机床主轴箱的设计与运动仿真1.2数控机床主传动系统的变速方式数控机床的调速是按照控制指令自动执行的,因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中,为扩大调速范围,适应低速大扭矩的要求,采用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式,如图1所示。图1数控机床主传动的变速方式2数控机床主轴箱的数字化设计2.1虚拟设计虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域,是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物,在机械行业有广泛的应用前景3。本文在数控机床主传动系统总体方案设计的基础上,利用Pro/E的拉伸等基本形体特征生成方法制作出毛坯,然后再利用倒角、阵列、打孔等特征造型方法进行细节上的设计,准确完成零件的建模。对于齿轮的制作,则将拉伸、切除、镜像和参数化设计相结合,制作出精确的模型。制作轴承时,先分别制作出外圈,滚动体,保持架、内圈的模型,再将它们装配成轴承。2.2虚拟装配虚拟装配(VA)是产品数字化定义中的一个重要环节,在对部件或整体进行有限元分析或动态分析之前要先将它们装配起来。其内涵就是在计算机上完成产品零部件的实体造型、装配、干涉分析等设计过程,并通过统一的产品数据管理实现三维设计过程与产品零部件制造、装配过程的高度统一。基于Pro/ENGINEER平台的动态虚拟装配模块很好地解决了这一问题,只须定义出各零件之间的关系,系统就会根据给出的约束函数,实现零件自动装配。如果改变原设计,与其相关的零件位置就会自动改变。本例先对轴、轴、轴、电机等部件分别装配,总体装配时,首先装配主轴部件,将箱体与Pro/E调出的模板固结作为整个装配体的参照,再将电机等子装配体装入箱体。为了使整个装配过程更为直观,作者对主传动系统以及各个部件的装配过程都制作了动画,动态模拟整个装配体从组件到形成装配体的安装过程和安装方式,使装配更具有空间感和方位感。数控机床主轴箱的装配图如图3所示。虚拟装配完成后,可生成3D爆炸图,如图2所示,充分表达了零部件、整体结构的设计及装配意图。3主传动系统的运动仿真机构运动仿真主要包括机构连接、添加驱动器、运动仿真和结果分析4个过程4。要保证组件能够运动,组件装配时不能被锁死,而是要根据各组件的运动型态及彼此间的相对运动情况,通过各种连接关系的设定,以限制组件的运动自由度。在元件放置阶段展开Connection字段,可以看到Pro/E提供的如刚体、销钉、滑动杆、圆柱、平面、球等8种连接方式,将各零件按照它们的相互位置关系、运动关系进行组件装配,即根据构件间的相对运动情况,通过设定各种连接来限制构件的自由度。在设定好连接以后就要设置机构运动的驱动器,主要包括设置驱动器的名称和分布图。分布图有位置、速率及加速等3种规格,每一种规格又可设定八种不同的方程式,并可以显示方程式的图形。本例的运动驱动设为伺服电机,以实现整个系统各个部件之间的协调运动,达到预期目的。完成好设定后,就可以运行软件观看其运动结果。在仿真运动过程如果发生干涉现象,则机构就会停止运动,可以达到机构干涉检测的目的。通过仿真的方式来模拟机构的实际运动情况,可以避免复杂的数学计算和机构不合理、空间干涉等情况的发生,在产品制造前及时发现潜在的问题,同时缩短了产品开发的周期。图3为数控机床主轴箱传动系统运动过程的一帧图。17陕西科技大学学报第24卷图2数控机床主传动系统的整体爆炸图图3数控机床主轴箱装配图4结束语本文根据数控机床总体方案和设计要求,使用Pro/E三维建模软件,制作了主传动系统主要零件的三维实体模型；在Pro/e的装配模块下,生成了、主轴等部件的三维装配实体图；利用运动仿真技术分析研究了主轴部件的装配性、可制造性和运动特性,使其在投入生产制造时性能达到最优。因此,基于数字样机的数控机床主传动系统设计,可以缩短产品的开发周期,降低生产成本,提高产品的质量和寿命,获得产品的一次开发成功,极大的提高了产品的竞争力,具有良好的应用前景。参考文献1廖华丽.基于Pro/E的虚拟样机技术在半自动装订机设计中的应用J.机械设计与制造,2005,(8):138139.2文怀兴.数控机床系统设计M.北京:化学工业出版社,2005.3王玉新.三维虚拟环境下的机械产品概念设计J.中国机械工程,2001,(12):2427.4高秀华.机构三维动态设计仿真技术M.北京:化学工业出版社,2003.BASEDONPro/EINTHEDESIGNINGANDSIMULATIONOFTHEPRIMARYDRIVESYSTEMOFNCMACHINEWENHuai2xing,ZHOUZhi2hong,WANGFang(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xianyang712081,China)Abstract:ComputermodelingtechnologyappliesthedesigningandresearchofNCmachine,presentsnumericaldesigningforthe