基于Pro／E的串并联机床几何建模和运动仿真.pdf

基 于P r o ／ E 的 串 并 联 机 床 几 何 建 模 和 运 动 仿 真 ★ 口赵俊伟 口黄俊杰 口陈国强 摘要 在 串并联机床结构分析的基础上 ， 基于 P r o ／ E参数化设计软件对其 中的零部件进行建模， 通过一定的约束 条件和装配关系对零部件模型进行装配 ， 由此完成 串并联机床 的几何模型 ， 并通过此模型运用 A n i ma t i o n功能 实现 了主轴 平 台的仿 真 关键词 Pr o ／ E 串并联机床 几何建模 运动仿真 中图分类号 T H1 2 2 ； T G 5 0 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 0 5 0 2 0 0 3 2 0 2 P r o ／ E P r o ／E n g i n e e r 是 由 P T C P a r a me t r i c Te c h n o l o g y C o r p o r a t i o n 公 司 推 出 的参 数 化 设 计 三 维 C AD／ C AM 软 件 包 ， 是 当今 世 界 上 拥 有 用 户 最 多 的三 维 C A D 软 件 ， 被 广 泛 应 用 于 机 械 、 电 子 、 航 天 、 纺 织 、 军 工 等 行 业 。 近 年 来 随 着 个 人 计 算 机 的 发 展 ， 人 们 运 用 各 种 软 件 及 其 开 发 工 具 对 并 联 、 串并 联 机 床 进 行 三 维 实 体 的 几 何 建 模 和 仿 真 。 用 A u t o C AD进 行 二 维 模 型 的建 立 相 对 比 较 容 易 ， 而 对 三 维 实 体 建 模 则 较 麻 烦 ； O p e n G L Op e n g r a p h i c l i b r a r y 提 供 了一 些 基 本 的 图元 ， 仅 能 完 成 简单 的形 体 绘 制 ， 而 复 杂 形 体 的 建 模 是 比较 复 杂 的 工 作 ， 如 果 采 用 汇 编 语 言 如 vB、 VC等 编 程 进 行 实 体 建模 和 仿 真 ， 不 仅 要 求 工 作人 员 技 术 高 ， 而 且 工 作 量 也 很 大 。 本 文 运 用 P r o ／ E对 串 并 联 机 床 进 行 参 数 化 设 计 ， 对 其 中 的 零 部 件 进 行 分 析 ， 并 分 别 建 立 模 型 ， 最 后 以 一 定 的 装 配 关 系 和 约 束 条 件 来 完 成 对 串 并 联 机 床 的 建模 ， 并 应 用 A n i ma t i o n功 能 实 现 了 运 动 平 台 的 仿真 。 口串并联机床 三 自由 度 的 串 并 联 机 床 结 构 简 单 ， 它 基 于 S t e w a r t ★河南省自然科学基金资助项目 编号 0 3 1 1 0 5 0 8 0 0 原 理 ， 主 要 由 1 个 三 自 由度 的 主 轴 平 台 和 1 个 传 统 的 两 自由 度 Y 5 1 2 作 台 组 成 ， 被 加 5 1 2 工 件 装 夹 在 工 作 台 上 以获 得 二 维 平 面 运 动 。 主 轴 安 装 于平 台 中 央 ， 主 轴 平 台通 过 圆 周 均 布 的 3 个 球 铰 b a l l i o i n t 或 万 向 铰 分 别 与 3个 连 杆 连 接 ， 每 个 连 杆 的 另 一 端 通 过 圆 柱 铰 r o t a t i o n a l j o i n t 分 别 连 接 于 相 应 的 滑 座 上 ， 每 个 滑 座 可 沿 各 自所 在 立 柱 导 轨 作 垂 直 运 动 ， 3 个 立 柱 空 间 均 布 。 通 过 结 构 分 析 ， 不 难 发 现 串 并 联 机 床 具 有 很 多 相 似 的 部 件 和 零 件 ， 如 它 的 3 根 立 柱 、 连 杆 和 动 、 定 平 台 的球 铰 和 圆 柱 铰 等 ， 特 别 适 合 采 用 参 数 化 的设 计 思 想 。 目串并联机床几何模型的建立 1 零 件 建 模分 析 串 并 联 机 床 的 结 构 ， 主要 由立 柱 、 连 杆 和 动 、 定 平 台 组 成 ， 可 对 它 们 进 行 建 模 ， 如 图 1 所 示 是 串 并 联机 床 的建 模 过 程 框 图 。 2 零 件 装 配零 件 装 配 形 成 组 件 的 过 程 ， 其 实 是 一 个 通 过 P r o ／ E指 定 零 件 间 约 束 的 过 程 ， 通 过 指 定 零 件 间 的 约 束 ， 确 定 零 件 的 装 配 位 置 关 系 来 完 成 装 配 图 ， 因此 在 装 配 时 不 仅 要 考 虑 相 连 零 件 间 装 配 的 8 种 连 接 类 型 如 图2 所 示 ， 还 要 考 虑 零 件 装 配 的先 后 次 序 及 组 合 关 系 。 可 见 零 件 的装 配 有 不 同 的方 式 ， 串 并联 机 床 装 配 过 程 框 图 如 图 3 所 示 。 出版公司． 北京 电子工业 出版社 ， 1 9 9 8 2 王庆有 ， 孙学珠． C C D应用技术． 天津 天津大学 出版社 ， 2 0 0 0 3 刘志敏等． 数学形态学的图像分割算法． 计算机工程与科学， 1 9 9 8 ， 3 0 1 0 4 王合． 医学图像的快速最优化边缘检测． 计算机学报 ， 1 9 9 7 ， 2 0 1 2 1 0 6 3～1 0 6 8 2 ／2 △ 编 辑 林 凡 作 者 单 位 武 汉 理 工 大 学机 电工 程 学 院 邮 政 编 码 4 3 0 0 7 0 收 稿 日期 2 0 0 4- - 9 月 机械制造4 3 卷4 8 6 期 维普资讯 图1 串并联 机 床 的 实体建 模过程 框 图 图3 串并联 机床装 配过程 框 图 3 几 何 建 模 的 完 成 立 柱 和 定 平 台 用 固 定 Ri g i d 约 束 装 配 ； 连 杆 连 接 滑 块 并 绕 滑 块 的 一 轴 线 旋 转 ， 因 此 连 杆 和 滑 块 间用 销 钉 P i n 方 式 连 接 ； 滑 块 在 立 柱 上 面 做 直 线 平 移 运 动 ， 只 要 求 有 一 个 平 移 自 由度 ， 则 选 择 滑 块 S o l i d 连 接 方 式 连 接 ； 连 杆 与 动 平 台 之 间 是 用 具 有 三 个 自 由 度 的 球 铰 进 行 连 接 的 ， 因 此 选 择 球 Ba l 1 连 接 方 式 进 行 连 接 ， 最 后 生 成 所 需 的 3一 图2 连接 形式 ▲图5 串并联机床运动仿真工作界面图 ▲图4 3 一D 0 F串并联机床 DO F串 并 联 机 床 ， 如 图4 所 示 。 日串并联机床主轴平台仿真 在 P r o ／ E软 件 中 ， 有 两 大 方 法 可 以 让 组 件 “ 动 起 来 ” 一 是 利 用 Me c h a n i s m 功 能 ， 它 可 以让 用 户 通 过 设 定 运 动 副 “ 连 接 ” C o n n e c t i o n ， 使 机 器 组 件 实 现 模 拟 运 动 虚 拟 运 动 ； 二 是 利 用 A n i ma t i o n功 能 ， 它 可 以 让 用 户 不设 定 电 机 而 用 鼠标 直 接 拖 曳 组 件 ， 仿 照 动 画 影 片 的 制 作 过 程 ， 一 步 一 步 快 拍 S n a p s h o t ， 最 后 连 接 播 映 便 成 动 画 。 在 此 不 考 虑 伺 服 电 机 的 驱 动 等 方 面 的 因 素 ， 只 要 求 依 照 构 件 22 1 司所 连 接 的 运 动 副 而 运 动 ， 因 此 第 二 种 方 法 比较 方便 ， 且 能 满 足 所 需 运 动 的 要 求 。 其 中使 用 【 p l a y 】 一 【 c a p t u r e 】 功能 ， 可 以输 出一个影 像 文 件 ， 通 过 播 放 器 能 够 看 到 主轴 运 动 平 台 的运 动 情 况 。 日结束语 在具 体 零 件 建 模 时 ， 应 注 意 区 别 参 考 平 面 与 绘 图 机械制造4 3 卷 第4 8 6 期 平 面 ， 这 为 绘 图 者 减 少 很 多 麻 烦 。 使 用 P r o ／ E软 件 能 方便 地 实 现 主 轴 运 动 平 台 的运 动 仿 真 ， 为 以后 串 并 联 机 床 的设 计 和 制 造 、 运 动 校 验 以 及 误 差 分 析 等 提 供 了 基础 和 方 法 。 参 考 文 献 1 赵俊伟． 串并联机床精度理论及检测装置研究 博士论文 ． 武汉 华 中科技大学， 2 0 0 1 2 卫朝富， 胡 明， 吕琨． P r o ／ E n g i n e e r 2 0 0 1 机械设计实例教程． 北京 中国铁道出版社 ， 2 0 0 3 3 黄圣杰， 张益三， 洪立群． P r o ／ E n g i n e e r 2 0 0 1 高级开发实例． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 2 △ 编 辑 功 成 作 者 单 位 河 南理 工 大 学机 械 工 程 系 邮 政 编 码 焦 作4 5 4 0 0 3 收 稿 日期 2 0 0 4 - - 9月 2 0 0 5 ／ 2 回 维普资讯