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轴承零件的三维参数化设计和运动仿真 杨咸启,张 鹏,赵 杰 中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266071 摘要针对滚动轴承的三维设计和运动,运用Pro/ E中的Pro/ PROGRAM模块,通过输入参数数据,自动生成三 维模型从而实现参数化设计。利用Pro/ E的机构设计扩展模块Mechanism Design eXtensionMDX ,进行机构运 动仿真和简单干涉分析。并举例说明了参数化设计的具体步骤与运动仿真结果。 关键词滚动轴承;参数化设计;运动仿真;Pro/ E 中图分类号TH133.33;TP317 文献标识码B 文章编号1000 - 3762200602 - 0008 - 03 CAD技术从产生到现在,经历了曲面造型、 实体造型、 参数化和变量化等四次革命。参数化 设计是CAD中最为重要的研究领域之一[1]。其 主要特点是基于特征、 全尺寸约束、 全数据相关、 尺寸驱动设计修改。和前两次革命相比,参数化 技术有了质的飞跃,它使得设计者可以通过设计 参数来驱动产品零件的几何模型及装配体的建模 等。与传统的建模方式比较,它将设计者从琐碎 的拼凑几何元素的操作中解放出来,以少数的几 个主要参数来控制产品的设计,大大简化了用户 生成和修改零件模型的操作,提高了设计效率,可 以更加直观地分析零件的特性,降低了设计者的 工作强度。而运动仿真能够使产品在模拟现实环 境中运动,并对产品的运动情况做出分析。 Pro/ E是集CAD/ CAM/ CAE为一体的大型设 计软件,其中CAE常用的模块有Mechanism Design eXtensionMDX和Pro/MECHANICA Pro/M [1]。 MDX能够对设计进行模拟仿真的校验。例如运 动仿真显示,运动干涉检测和运动轨迹、 速度、 加 速度计算等等。MDX所创建的运动机构,可导入 Pro/MECHANICA Motion中进行进一步分析,也可 以引入动画模块中以创建更完善的仿真动画。 1 轴承三维参数化绘图 根据设计思想和理论确定出轴承的结构参数 后,其参数化绘图将运用Pro/ E中的关系、 阵列及 程序等功能来实现,具体的零件图绘制步骤如 下[2]。 收稿日期2005 - 09 - 08;修回日期2005 - 11 - 07 1.1 零件三维参数化绘图 下面以深沟球轴承保持架为例,说明参数化 绘图过程。 选择文件-新建-零件-实体,然后加入参 数,如输入轴承内径D 50 mm;轴承外径DD 80 mm;轴承宽度B 16 mm;钢球直径Dw 9 mm;钢球个数Z 13等。 首先建立基准轴A 2 , 这很关键,在后面的 装配中不可缺少 ; 再建立基准面DTM1 ,插入- 旋转,以DTM1为草绘平面,参照A2轴草绘,见 图1 ;然后旋转成实体,就是一个球体作为保持架 兜孔的基体;选择DTM1和旋转伸出项组合起来, 然后阵列,再插入-拉伸切剪、 旋转、 阵列孔等,最 后,浪形保持架已基本成形,如图2所示。 图1 保持架草绘图 图2 保持架成形图 根据各参数和尺寸间关系,在 “工具-关系” 中加入如下关系式 IF DW 6 ‘DW为球径 ISSN 1000 - 3762 CN41 - 1148/ TH 轴承 Bearing 2006年第2期 2006 ,No.2 8 - 10 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. D27 0. 53DW 0. 04 SQRTDW/ 3. 174 1.2531.25 - 1. 25 ‘D27为保持架 球兜外球面半径 ELSE IF DW 10 D27 0.53DW 0.05 SQRTDW/ 3. 174 1.2531.25 - 1.25 ELSE IF DW 14 D27 0.53DW0.06 SQRTDW/ 3.174 1.2531.25 - 1.25 ELSE IF DW 18 D27 0. 53DW 0. 07 SQRTDW/ 3.174 1.2531.25 - 1.25 ELSE IF DW 24 D27 0.53DW 0.08 SQRT DW/ 3.174 1.2531.25 - 1.25 ELSE IF DW 40 D27 0. 53DW 0. 10 SQRTDW/ 3.174 1.2531.25 - 1.25 ELSE IFDW 50 D27 0. 53DW 0. 12 SQRT DW/ 3.174 1.253 1.25 - 1.25 ELSE D270.53DW0.14 SQRTDW/ 6. 3 - 0.5 - 0.04 ENDIF ENDIF ENDIF ENDIF ENDIF ENDIF ENDIF D28 D DD/ 4 ‘保持架中心圆直径 D141 D2734 D142 DD32 D340 360/ Z ‘阵列参考角度 P341 Z‘阵列个数 IF DD 100 D372 DD D/ 2 - 0.483DW‘保持架内径 D373 DD D/ 2 0.483DW‘保持架外径 ELSE D372 DD D/ 2 - 0.453DW D373 DD D/ 2 0.453DW ENDIF IFDD 100 D374 SQRTDW/ 3.174 1.2531.25 - 1. 25 ‘保持架钢板厚度 ELSE D374 SQRTDW/ 6.3 - 0.5 - 0.04 ENDIF D375 D374 D376 D141 D377 D372 D378 D141 D379 D373 D396 360/ Z/ 2 D397 D28 D398 D374 D399 D141 D400 360/ Z P401 Z 在校验关系成功后,在程序中与END 间加入 D NUMBER “请输入轴承内径” DD NUMBER “请输入轴承外径” B NUMBER “请输入轴承宽度” DW NUMBER “请输入钢球直径” Z NUMBER “请输入钢球个数” 完成后,选择零件-再生或点击工具栏 “再生 模型” 图标,按照提示输入参数后,零件尺寸即可 改变,参数化保持架设计完成。 1.2 轴承装配图的绘制 完成各个零件后,进行轴承的装配,具体包 括外圈的安装、 内圈的安装、 保持架的安装、 钢球 的安装以及铆钉的安装。再加入参数和程序实现 参数变化。 D NUMBER “请输入轴承内径” DD NUMBER “请输入轴承外径” B NUMBER “请输入轴承宽度” DW NUMBER “请输入钢球直径” Z NUMBER “请输入钢球个数” RX NUMBER “请输入套圈小倒角半径” 9杨咸启等轴承零件的三维参数化设计和运动仿真 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. RD NUMBER “请输入套圈大倒角半径” 图3为设计完成的参数化的球轴承三维图 形。 图3 球轴承装配图 2 轴承运动仿真与显示 2.1 干涉与打滑显示 当轴承的各个零件的装配不合理,或某个零件 尺寸不合理,就会发生干涉。利用Pro/ E软件可以 进行检查。若保持架在内、 外圈之间无游隙,在仿 真运动时,选取全局干涉项,在干涉区域就会出现 红色图中深色标记,如图4所示。图中保持架由 于尺寸过大,和内外圈配合过盈,干涉比较明显。 图4 保持架干涉 图5显示了内圈沟道和钢球之间的打滑模拟 过程,其中左边着色钢球存在打滑运动,右边着色 钢球正常运动。打滑速度的具体计算需要考虑载 荷、 摩擦、 润滑、 外界温度等因素,见文献[3]。 无论打滑还是干涉都和轴承尺寸的准确性和 装配的合理性有着密切的关系。一旦查出存在干 涉或打滑则可以修改适当的参数值,使设计合理。 2.2 运动模拟显示 轴承组件设计完成后,在 “应用程序-机构” 图5 内圈沟道和钢球之间打滑模拟图 模块中进行组件的运动分析。选择 “连接-接头 -旋转轴”,添加伺服电机。完成电机的添加后, 选择 “运动分析” 选项。首先定义个名字,然后在 “类型” 中选择 “运动学”,在 “优先” 选项中修改帧 数、 帧频等,在电机选项中添加所有的伺服电机, 然后选择运行分析。轴承的运动模拟动画见图 6。图中通过着色球的位置变化来体现运动的存 在注意铆钉处各零件的运动变化。 图6 轴承的运动模拟动画图 下转第43页 01轴承2006.№.2 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图2 终选程序流程框图 当一个内圈行进到与其合套的那 个外圈库门口时,该外圈库门自动打 开,库中的一个外圈落入与内圈传送链 条并行的外圈出库链条上。这一对套 圈随着链条同步前进,当前进到内、 外 圈出料口时,合套机构会自动将内圈放 置到外圈之中,然后这一对合套后的工 件进入装球机的提升机构。当被提升 到装球机的工作面时,拨圈机构将内圈 拨到一边,被选中的那组钢球会自动落 入套圈内,然后压球机构和钅崩圈机构动 作,将内圈钅 崩到外圈的中央,最后由出料 机构把这个装配好了的轴承推出工作 面。 4 结语 在研制这套大型设备时,由于抓住 了合套率这个主要矛盾,进而创造性地 提出了 “择多选圈” 的软件设计思想,并 根据这一软件设计思想设计出了软件, 才使得本套设备圆满研制成功。此外 在设备中增加了许多传感器,并且设计 了智能控制程序、 故障自诊断程序,从 而使该套设备运行可靠,操作简单、 智 能快捷。 参考文献 [1] 魏二有.轴承外圈全自动分选的设计与 实现[J ].轴承,200511 12 - 14. [2] 孙 平.可编程控制器原理及应用[M]. 北京高等教育出版社,2003. [3] 何衍庆.可编程序控制器原理及应用技 巧[M].北京化学工业出版社,2001. 编辑赵金库 上接第10页 3 结束语 针对机械零件的三维设计,运用Pro/ E中的 “关系” 、“参数” 、“程序” 和 “机构” 等功能,实现了 产品参数化设计和运动仿真,它对于工程设计和 产品分析有重要的价值,可以提高新产品开发的 速度和质量。通过具体的轴承产品设计带来了全 新的视觉效果,可以进行适当的产品检查和试验, 节约时间和费用。 参考文献 [1] 祝凌云,李 斌. Pro/ E运动仿真和有限元分析[M]. 北京人民邮电出版社,2004. [2] 李爱民,李炳文,马显通等.基于Pro/ E的球轴承三 维参数化的设计[J ].煤矿机械,20041 . [3] Harris T A. Rolling Bearing Analysis[M]. 3rd ed. Wildy and Sons Inc. ,1991.编辑温朝杰 34魏二有全自动分选合套机的程序设计 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.