基于Pro／E的数控机床主轴箱的设计与运动仿真.pdf

№ ．1 7 O 陕西科技大学学报 J OURNAL OF S HAANXI UNI VERS I TY OF S CI E NCE 8 L TECHNOLOGY F e b ． 2 0 0 6 V0 I _ 2 4 ‘ 文章编号 1 0 0 0 --5 8 1 1 2 0 0 6 0 1 --0 0 7 0 --0 3 基于 P r o ／ 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 7 1 2 0 8 1 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 3 D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 中圈分类号 TG 6 5 9 文献标识码 A 0 引 言 P r o ／ E NGl NE E R是美国 P TC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 P r o ／ E NGI NE ER Wi l d f i r e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 。P r o ／ E n g i n e e r 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Ⅲ。 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 P r o ／ 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 P r o ／ 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 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 。 收稿 日期 ； 2 0 0 5 一l 1 一O 2 作者简介 文怀兴 1 9 5 7 一 ， 男 ， 陕西省武功县人 ， 教授 。 研究方 向 机械设计 制造及 t l 动化 基金项 目； 陕西省 t l 然科学基金项 目 2 O O 4 E 2 O 9 维普资讯 第 1 期 文怀兴等 基于 P r o ／ E的数控机床主轴箱的设计与运动仿真 7 1 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。 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 2 O世纪 9 O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∞ 。本文在 数控机床主传动系统总体方案设计的基础上 ， 利用 P r o ／ 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 f 1 ]二 二 J ●- _ 广 1 _ 一 {1 卜 _ 卜 特征造型方法进行细节上的设计， 准确完成零件 的建模。对于齿轮图 1 数控机床主传动的变速方式 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 P r o ／ E NG I NE E R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 I轴、 Ⅱ轴、 Ⅲ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 P r o ／ 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 3 D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“ 。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 C o n n e c t i o n字段 ， 可以看 到 P r o ／ 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。 维普资讯 7 2 陕西科技大学学 报 第 2 4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 P r o ／ 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 P r o ／ e的装配模块下 ， 生成 了 I、 Ⅱ、 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 P r o ／ 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， 2 0 0 5 ， 8 l 3 8 ～1 3 9 ． [ 2 ]文怀兴． 数控机床系统设计 M3 ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 3 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 ， 2 0 0 1 ， 1 2 2 4 ～2 7 C 4 3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， 2 0 0 3 ． BAS ED oN Pr o ／ E I N THE DES I GNI NG AND S I MULAT I oN oF THE PRI M ARY DRI VE S YS TEM oF NC M ACHI NE W EN H u a i xi n g，ZH OU Zhi ho ng，W ANG Fa n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，S h a a n x i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e ＆ Te c h n o l o g y．Xia n y a n g 7 1 2 0 8 1．Ch i n a Ab s t r a c t Co mp u t e r mo d e l i n g t e c h n o l o g y a p p l i e s t h e d e s i g n i n g a n d r e s e a r c h o f NC ma c h i n e， p r e s e n t s n u me r i c a l d e s i g n i n g f o r t h e p r i ma r y d r i v e s y s t e m ，e s t a b l i s h e s t h e 3 D- mo d e l f o r t h e p r i ma r y p a r t s ，r e a l i z e s t h e v i s u a l d e s i g n i n g a n d mo v e me n t s i mu l a t i o n ． Ke y wo r d s NC ma c h i n e ；p r i ma r y d r i v e ；n u me r i c a l d e s i g n i n g ；d y n a mi c s i mu l a t i o n 维普资讯