基于Inventor对绕线机的传动装置进行三维建模与运动仿真
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摘 要本课题是基于电子行业，纺织行业的绕线工序，传统行业中大部分依靠手工绕线对人员依赖程度高，导致与绕线工艺相关的绕线行业存在一些无法逾越的问题，首先在电子行业，激烈的竞争以及国内人力成本的逐步提高，导致一些企业利润相当微薄，再次由于磁环绕线工作枯燥乏味，工人流动性极大，从而导致绕线企业缺乏熟练的绕线工，容易产生误差，不能保证产品的高精度，例如在仪表加工行业中，手工绕制的线圈产品，误差相差三圈会导致一起的测量精度会降低0.01，使得产品不能达到万分之五的精准这直接用想到企业的生产效率与生产质量，因此开发自动绕线机成为制造业的一个新的机遇。本课题主要针对绕线机的传动部分元件，利用Inventor对绕线机的传动装置零件进行三维实体建模，在进行绕线机的传动装置设计时，首先考虑的传动平稳，运动可靠问题，在使用过程中不能存在任何的安全隐患问题，使用简便、容易操作。运用Inventor软件对设计出线机的传动装置零件进行装配，检查干涉情况，并运动仿真分析。关键词：Inventor绕线机； 三维建模； 运动仿真AbstractThis topic is based on the electronics industry, textile industry during the process, the traditional industry rely on hand to personnel during most of the dependent degree is high, cause and winding process related coiling industry has some not insurmountable problem, first in the electronics industry, the fierce competition and domestic the gradual improvement of the human cost, leading some corporate profits are lean, once again, because they can work during boring, workers liquidity is great, leading to coiling enterprise shortage of skilled work during, easy to produce the error, cant guarantee products of high precision, for example in the instrument processing industry, the coil products made by hand, are three laps will lead to the error of measurement accuracy together will reduce 0.01, make product cant reach five over ten thousand of the precise directly with the thought of enterprise production efficiency and production quality, and so develop automatic winding machine be manufacturing a new opportunity. This subject mainly for coiling machine of the transmission part components, the use of coiling machine Inventor of the transmission parts for 3 d entity modeling, in coiling machine transmission device design, the first consideration of smooth transmission, sports and reliable, in use process cant exist any safety concerns, easy to use, easy to operate.Using software to design qualification machine Inventor of the transmission parts assembly, check the intervene problem, and motion simulation analysis. Key words: Inventor software; Autodesk maya; motion simulation。目 录摘要ABSTRACT 1前言 12总体方案设计 1 2.1曲柄摇杆三维建模 22.2连杆模型绘制 32.3圆盘曲柄 32.4制动爪 42.5止动爪的模型构造 62.6棘轮的模型绘制 62.7轴承与螺母的绘制 82.8箱体的建模过程 103零件的装配 123.1装配相关技术 133.2创建新零部件 133.2.1结果类型控制133.2.2文件名称和位置133.2.3默认BOM表结构133.2.4虚拟零部件134运动仿真 13 基本概况135润滑与封闭 14 5.1 润滑14 5.2封闭14 5.3安全 146结论15参考文献16致谢17中国地质大学长城学院2012届毕业设计前 言绕装机是金属导线生产中最后环节封装,完成家用电器,电机及工业电机线圈绕制的电工专用设备.它主要目的是把生产出的金属导线缠绕成卷，便于运输。由于是生产的最后环节，所以一定要保证设备不会对产品构成破坏，也要求有记数系统以便于统计产量和方便销售。国外绕线机的线嵌设备已由电器自动控制发展到微机控制.有些还具备关键部位的状态监视和故障诊断功能.然而我国在这类设备的控制方面还基本上采用传统的电器控制,生产效率低,线圈绕制的质量差,属于半手工半自动的操作方式。2 总体方案设计 绕线机的传动装置主要包括动力传入部位与绕线部位两部分，中间由曲柄连杆链接，其动力的输入部分由输入轴连接外部电机，输出轴外部连接线圈绕管。由于本设计是基于Inventor对绕线机的传动装置进行三维建模与运动仿真，其各部分零件均由实体测量而得，由于技术问题，对其进行修改并重新进行三维设计。具体详细部分主要包括以下几部分 图1总体图形1箱体； 2连杆； 3曲柄摇杆； 4棘轮； 5止动爪6制动爪； 7动力输出轴；8曲柄；9动力输入轴Inventor 是一个全面的机械设计软件，包括五个基本模块；零件造型、钣金、装配、表达视图、工程图。这些模块创建了有关联而又相对独立的文件；零件（.ipt）、钣金（.ipt）、装配（.iam）、表达视图（.ipn）、和工程图（.idw）。除了基本模块外，还有焊接、结构件、设计加速器。此外，还有附加的模块；管路设计、线路设计、有限元分析、运动仿真。Inventor是一个“参数化/变量化特征建模的三维设计软件”，整个设计可以在装配中，或者给予装配关系进行。装配的基础要素是相关的零件；零件时由若干参数化的可以给予装配关系的特征堆砌而成；特征是一些与机械设计的表达意图相关的简单几何形体，这些几何形体的基础是参数化的，可以给予装配关系的二维或者三维草图；草图是一些简单类型的图线，可以用几何关系结束，装配关系约束和驱动尺寸加以控制盒关联。运动仿真在三维设计中的作用在Inventor的部件构造型环境中，装配模型零件之间的运动关系由装配玉树定义。通过对装配约束的驱动，还可以墨迹零件的运动，显示装配部件的运动形式。运动仿真要比运动模拟强大很多，运动仿真功能提供了一个分析机械部件复杂运动行为和动力的强大工具。在运动仿真环境中，首先对装配部件创建有准确的物理力学意义的运动机理。本课题就是利用Inventor对零件进行三维建模与运动仿真，步骤如下：2.1曲柄摇杆三维建模首先对其进行草图的绘制，打开Inventor软件，进入二维草图面板设置，对零件进行草图绘制，其尺寸为上孔内直径5.08cm外圆到内径距离5.08cm支杆高度60.96cm下圆内直径3.81cm外直径4.411cm，斜杆长度14.212cm宽度为3.81cm斜杆内小孔为通孔，直径为1.048cm。右键结束草图。准换为零件特征，进入拉伸指令，拉伸厚度为2.540cm竖直杆内键槽尺寸高度49.604宽度1.5，键槽深度0.254cm，注意的是；有些时候事不能够整体拉伸的，就需要在零件图完成的时候令加上打孔指令，需要在零件图上创建草图平面，找到所要打孔的基准点，标出后执行打孔指令执行后点击完成并保存所绘制的零件图。 图2曲柄摇杆曲柄摇杆的作用是将动力由输入部分传递到棘轮上完整动力的输出，中间由轴承连接外端，其下端与如下所述的连杆连接，做摇摆运动，上端部分连接制动爪，爪与杆之间有弹簧连接，防止松脱。2.2连杆模型绘制 图3拉杆 图4连杆是连接圆盘曲柄与曲柄摇杆的装置，图右侧部分与圆盘曲柄连接，做圆周运动，左端与曲柄摇杆连接，使曲柄摇杆做左右周期性摇摆运动，完成动力的输出，绘制步骤为在草图内部分别完成左侧圆环绘制，尺寸为内径1.987，外径，到内径距离0.635cm，右键完成草图，在零件特征里完成对草图的拉伸，拉伸厚度为5.080cm。在管型步骤一的基础上创建草图，绘制除管型右部分的绘制，完成锥型及圆环部分一次拉伸成型，其尺寸为两空中心距为17.78cm，锥底侧宽度3.196cm，顶侧宽度1.987cm，右侧圆环内径2.54cm，外径到内径距离1.27cm右键结束草图，完成对草图的拉伸，拉伸高度为2.540cm。 图52.3圆盘曲柄在二维草图中绘制直径为27.94cm的圆右键结束草图，改为零件特征进行拉伸拉伸厚 图6曲柄草图度为2.54厘米在圆盘上新建草图，对其打0.254cm的平头孔，直径为21.305cm在内圆上距圆心6.948cm的圆上打直径为2.766cm的通孔，并对其进行做环形阵列，个数为五个。 图7拉伸图右侧圆孔为距圆心12.7cm处X轴上直径为1.27cm深度为0.653沉头孔。圆盘曲柄右侧为一轴承，作用是与外界动力输入装置连接轴承直径5.022，轴承长度为 图8侧视图2.4制动爪制动爪与曲柄摇杆由键连接，附加弹簧以完成伸缩过程，是动力由曲柄摇杆的摇摆运动转换成棘轮的圆周运动的动力传递装置，如图 图9 制动爪在二维草图中建立坐标系，以制动爪与曲柄摇杆连接键出建立XY轴，绘制圆环，内径1.27cm，外径为2.54cm，距X轴负方向10.793cm处画直线，以局X轴Y轴距离分别为22.86cm：2.615cm处为圆心，以R=24.297cm画圆弧，分别教育圆环外径与-10.793cm处，下齿是以距XY轴距离分别为12.178cm；4.971cm处画半径R=12.162cm的圆弧，斜齿长度为1.863cm。 图10 草图草图绘制后如图所示 制动爪草图绘制右键完成草图，在零件特征模式下对草图进行拉伸： 图11 拉伸后图形 对草图拉伸后形状在图上单机鼠标右键，创建草图，距圆心6.166cm处面中点绘制圆，D=0.857cm完成草图并对其拉伸，拉伸高度为1.72cm，圆柱的作用是将制动爪与摇杆用弹簧连接，完成制动爪的弹性运动。 图12 制动爪成型后图示，平面上圆柱连接弹簧与曲柄摇杆2.5止动爪的模型构造 图13 止动爪止动爪由键与箱体固定，附加弹簧弹簧的作用是在棘轮转动的同时让止动爪回归到棘轮齿的齿根部位，防止棘轮反转，完成动力的输出，从而达到绕线目的，止动爪的绘制与制动爪的大体相同。同样是将其建立XY坐标系的草图环境中完成拉伸，只是将制动爪的圆柱改为通孔。 图14其尺寸为下圆弧直径距X轴Y轴距离为13.513；和5.384单位为厘米，半径为13.276cm的圆弧，上圆弧为距两轴距为20.819；2.381cm的圆弧，齿面长度为1.393厘米，小圆孔是距圆心Y轴X轴分别为6.364；0.514cm小孔大小为直径D=0.611cm通孔。2.6棘轮的模型绘制棘轮的作用是通过制动爪与止动爪的配合完成圆周运动，从而达到动力的传递是动力传出过程最后环节，棘轮圆心与外端轴承固定连接，其轴承部分伸出箱体，连接线圈管，从而达到绕线目的。其绘制过程如图所示 图15棘轮在草图中绘制圆盘，直径为30.48厘米，以Y轴为起始点，顺时针绘制一条角度为18度的直线，与圆相交，伸出圆外高度2.286厘米，找基准点距XY轴距离分别为6.651；5.161厘米的点为圆心以半径R=10.02厘米绘制圆弧，与Y轴和与圆成18度角的直线相交于一点，将剩余部分用指令修剪得到图形为上图，对上图部分进行环形阵列后可得下图 图16环形阵列后单击鼠标右键结束草图可得棘轮初图后对棘轮进行下步打孔操作 图17在上图平面单击鼠标右键创建草图，找到及轮盘圆心并标记，以此为基准点对其两面打直径D= 240厘米的平头孔，深度为0.506厘米，再次添加圆形垫片，高度为0.506厘米，大小为外径8.68，内径为3.996厘米的圆环型垫片，中间位通孔。在垫片顶端打键槽高度距圆心2.54，宽度为1.27绘制后如图， 图182.7轴承与螺母的绘制先在二维草图环境中绘制圆，圆直径为D=3.849厘米，完成后拉伸，拉伸高度为10.160.厘米以此部分作为总长度，将坐标平面移动到圆柱中部，建立XY平面，做绘制与圆柱同心的圆，半径直径为6.497厘米，对其进行拉伸 拉伸厚度为1.016厘米，再在圆盘平面上创建草图，绘制外切圆半径为R=2.645厘米的八棱型并对其进行拉伸，拉伸高度为2.540厘米对圆柱头部进行道教，倒角大小为0.318厘米。倒角到螺栓部位进行螺纹指令操作其具体图示如下所示： 图19圆柱 图20 图21 图22螺母 在圆盘上绘制正八变形 图232.8箱体的建模过程箱体的作用是将所有零部件；轴承，曲柄圆盘，连杆，曲柄摇杆，棘轮，制动/制动爪，输出轴承进行固定的元件，其建模过程如下图示， 图24箱体在草图环境中对箱体的尺寸包括箱体整体高121.92厘米，上侧宽度60.96厘米，底座宽度，91.44厘米，座厚度5.08厘米完成草图并其进行拉伸，拉伸厚度为20.320厘米拉伸后图形为下图 图25拉伸完成后对箱体进行打键槽操作，深度为15.240厘米目的是将其制为中空箱，距上，左 ，右距离分别为1.651厘米，距下边缘厚度3.408厘米再对箱体进行边倒圆指令操作，倒圆后图形为一中空的外倒圆半径R=5.08厘米，边框倒圆半径为1.27厘米倒圆后，未被倒圆厚度为0.381厘米生成模型如下图所示 图26对箱体进行打孔定位，目的是将各个零部件进行固定，轴孔的定位 图27上孔距底面距离为91.44厘米，距中心线Y轴5.08厘米，大小为直径D=5.08厘米，上孔垫片外经委8.755厘米，下孔距底面高度30.48厘米，距中心线Y轴10.1厘米大小同样为5.08厘米下孔外垫片外径6.729厘米在距离上孔右上方两个小圆孔分别用来固定止动爪与弹簧，距上孔水平竖直距离分别为11.503厘米，18.852厘米，最小孔距上图轴承中心距水平距离竖直距离分别为18.721厘米，14.785厘米绘制完成后完成草图，打通孔，步骤完成后添加轴承，完成后如下图所示结果。 图283 零件的装配3.1装配相关技术装配，是CAD软件软件之所以能够真正进行辅助设计的基础功能。一个CAD软件能否对设计过程做出有效的支持，装配能力和装配中相关书籍的关联能力，是最主要的指标。装配的第一个目标是实现“基于装配关系的关联设计”。这就有可能实现在几何设计范围内，相当程度上的“概念设计”。基于装配关系的关联设计能力，使Inventor能够顺畅的与工程设计构思一致，比较理想的完成自顶向下的创成设计，或者完成对已有设计的检验。这是Inventor最令人满意的功能。在装配过正中，将零件和子装配经装配组合在一起形成装配模型，可以编辑单个零件或整装配。装配环境中可以完成如下工作。 创建或打开部件文件 在部件中创建或者插入零件和子装配模型 相对于其他零件，特征或子装配进行装配，用装配约束来约束零件位置。 实用切割，孔，倒教特征工具撞见影响装配中多个零件的装配环境特征 使用浏览器设置零部件，草图，特征，约束，零件或特征可见性，设计视图表达，围着表达和详细等级表达。 输入和输出零件以供其他装配使用 分析质量特性，检查干涉以及跟踪测量零件之间的距离。 将部件转换为焊接件。 进入“结构件生成器”和“设计加速器”环境；进入“创建管路”和“创建线束”环境；进入“运动分析”环境。3.2创建新零部件3.2.1结果类型控制实际上，结果类型完全是由所以来的模版文件控制的。方法是展开“模版”列表，选择合适的模板。所有在默认位置的模板都会被列出来。而对于非默认位置模板，需要点击“浏览模板”按钮，并挑选合适的模板。3.2.2文件名称和位置可以再相关栏目中直接键入，也可以点击“新文件位置”栏目右边的“浏览”按钮直接确认。3.2.3默认BOM表结构这是确定新零件在未来明细表处理中的身份。目前可用的是：普通间，不可拆分件，外购件，虚构件和参考件几种。3.2.4虚拟零部件这是个开关，这种“虚拟”零件是只有名分的构成。因此一旦打开这个开关，零件类型，存放位置等都会灰显而不可操作。4 运动仿真4.1基本概况Inventor Professional 运动仿真，能够完成装配下的零部件运动和载荷条件下的动态仿真，也可以再任何运动状态下将载荷条件输出到盈利分析中；能展示运动状态以及某瞬间的动态载荷。运动仿真处理仅在装配环境下实用，包括以下几方面。 1.可添加运动连接约束，所提供的连接约束多余Inventor自身装配约束 2.可添加外力和力矩。 3.可按时间参数，按相关的位置，速度，加速度，扭矩以及外载荷等工况，试试运动仿真。 4.可创建运动轨迹 5.可将结果数据输出成图标或者Excel表 6.可将零件在运动某瞬间的工况结果，传递到盈利分析模块或ANSYS Workbench。 7.可解析运动中里平衡所产生的条件 8.可将Inventor装配约束中符合条件的设置，自动转换成运动仿真中对应的连接约束。 9.可在定义运动连接中，使用与实践相关的摩擦，阻尼，弹簧等条件。按照Inventor自己的解释，运动分析将依据下列规则。 1.只能在Inventor装配环境使用运动仿真。 2.使用零件所设置的物理特性。 3.浏览器中一直或未激活的零件处于“空闲”状态，不参与仿真。 4.原始坐标系原点与运动仿真坐标系原点重合。 5.默认情况下，零件之间没有运动连接。 6.非柔性的装配模型将作为单个刚体：不能再非柔性装配模型中的零件之间定义运动连接本设计基于Inventor对绕线机的传动装置进行三维建模与运动仿真具体情况附录视频连接 5 润滑与密封5.1润滑本设计中的齿轮采用脂润滑，每隔10个工作日手工加一次脂，从而经常保持齿面的清洁。润滑脂采用钙基润滑脂中的2号，它具有抗水性好等优点，环境适用性强。轴承润滑采用黄油润滑，每隔8个工作日用手工机枪加一次油，保持轴承良好的工作特性。5.2密封本设计中的密封主要是轴承的密封，主要使用毡圈密封的形式密封，防止灰尘进入轴承内部，使轴承保持清洁。毡圈密封因其结构简单、价格便宜而广泛使用在轴承密封领域内，其密封效果是靠矩形毡圈安装于梯形槽所产生的径向压力来实现的。5.3安全在使用模具时，应保证人身安全问题。应注意以下几点：（1） 尽量避免操作者的手部或身体的其他部位伸入模具的危险区。（2） 设计时应明确指示该模具的危险部位，并解决好防护措施。（3） 保证模具的零件及附件不因设计原因而损坏。其主要的零件应有必要的强度和刚度，防止在使用时断裂和变形。（4） 防止操作者的手部伸触到模具的可动部位，以免受到夹击和弹伤。（5） 不应要求操作者做过多、过难的动作，不应要求操作者的脚步有过大的移动，以免身体失去平衡，出现失误。结论本次设计主要完成了基于Inventor对绕线机的传动装置的三维建模与运动仿真，对控制系统做了基本研究。绕线机构能够可靠的完成绕线以及上卸料功能；排线机构能够准确排线，并与绕线机构能够准确协调工作，对三维建模进行了更为深入的了解。这次毕业设计，虽然我做了充分的准备，认真的查阅文献和外文资料，但是由于本人知识、能力有限，难免有错误和不足之处，衷心希望老师们能够批评指正，参考文献1 朱田伦关于成品油定价机制与国际接轨的相关讨论J今日南国(理论创新版)，20092 苗作华，刘耀林，王先华GPS智能汽车监控信息服务系统的研 究与实现 J微计算机信息，2008 (7)：35-383 王文斌 机械设计手册 (M)北京：机械工业 出版社，20044 徐尊平 ，雷斌隆，陈 辉压力钢管弧坑缺陷有限元分析叨电焊机，2005,38（8）:7-95 郑志峰链传动设计与应用手册 M北京：机械工出版社，19926 王京卫，郝光荣，王金辉基于WebGIS,GPRSGPS的车辆监控调度系统研究 J计算基与数字工程，2008(3)：7107 陈伯雄，Autodest Inventor Professional 2008机械设计实战教程 化学工业出版社，2
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