立式铣床主运动系统的建模与仿真.docx
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立式铣床主运动系统的建模与仿真
2012届本科毕业论文(设计)
论文题目:
立式铣床主运动系统的建模与仿真
学生姓名:
所在院系:
机电学院
所学专业:
机械设计制造及其自动化
导师姓名:
完成时间:
2012年5月18日
摘要
产品的建模与仿真作为产品设计的一个重要环节,是产品功能实现的主要过程。
本课题从国内外研究现状、铣床的基本知识、三维造型软件Solidorks及其插件、零件的建模和装配模型的建立等方面系统的阐述了建模仿真的理论知识、常见零件的建模技术要点以及参数化的建模方法。
最后利用Solidworks平台对X5032铣床主运动系统进行了零件建模、装配和运动仿真,通过仿真运动使X5032铣床的主运动直观的显示出来,为以后的教学和研究奠定了基础。
关键词:
X5032铣床,Solidworks,建模,仿真
Abstract
Modelingandsimulationasanimportantpartofproductdesign,isaprocessofproductfeatures.Thesubjectsystematicexpositedthetheoreticalknowledgeofmodelingandsimulation,modelingtechniquesofcommonpartsandparametricmodelingmethodsbasedontheresearchfromhomeandabroad,thesubject,thebasicknowledgeofthemilling,3DmodelingsoftwareSolidorksanditsplug-in,themodelingofpartsandassemblymodelstoestablish.FinallyweuseSolidworksplatformtoachievethepartmodeling,assemblyandmotionsimulation,simulationexerciseoftheX5032millingmachine,showthemainmovementintuitiveoftheX5032millingmachine,andlaidthefoundationforfutureteachingandresearch.
Keywords:
X5032millingmachine,Solidworks,Modeling,Simulation
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2国内外研究现状2
1.3课题目的及所研究的主要内容3
1.3.1课题的目的3
1.3.2课题的主要工作内容3
1.4X5032铣床简介4
1.4.1X5032铣床简介4
1.4.2X5032铣床的主传动系统4
2Solidworks软件平台4
2.1solidworks及其二次开发简介4
2.1.1三维造型软件Solidworks简介4
2.1.2基于Solidworks的二次开发技术5
2.2Solidworks插件5
2.2.1PhotoWorks5
2.2.2GearTrax5
2.3Solidworks在产品设计中的功6
2.4三维实体零件的建模6
2.4.1参数化建模方法(参数化设计)6
2.4.2一般零件的建模方法7
2.4.3向装配体中添加实体零件8
3铣床的建模8
3.1轴的建模8
3.2直齿圆柱齿轮的建模9
3.3曲线齿斜齿轮的建模11
3.4箱体的生成12
4铣床主轴箱的装配13
4.1部件的装配13
4.2铣床主轴箱的装配14
4.2.1箱体与部件的装配14
4.2.2齿轮之间的装配15
5铣床主运动系统的仿真15
5.1Animator介绍15
5.2铣床主运动系统的仿真16
6结论与展望16
6.1结论16
6.2今后工作方向17
致谢18
参考文献18
1绪论
1.1引言
近些年来,随着计算机技术的发展,计算机图形处理能力日益增强,以计算机为主要工具的仿真技术也迅速发展起来,并很快应用于工程领域。
在计算机辅助下进行机械零件的设计、校核,并进行系统运动仿真己经逐渐成为机械设计的发展方向。
在传统的设计与制造过程中,首先是方案设计及论证,然后进行产品设计。
在设计完成后,为了验证设计,通常要制造样机进行试验,当通过试验发现缺陷时,又要回头修改设计并再用样机验证。
只有通过周而复始的设计一试验一设计过程,产品才能达到要求的性能.这一过程是冗长的,尤其对于结构复杂的系统,设计周期无法缩短,更不用谈对巿场的灵活反应了。
基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提髙、成本的降低和对巿场的占有。
随着经济贸易的全球化,要想在竟争曰趋激烈的巿场上取胜,缩短开发周期,提髙产品质量,降低成本以及对巿场的灵活反应都已成为竟争者们所追求的运营方式,然而传统的设计与制造方式却无法满足这些要求。
计算机运动仿真作为计算机仿真技术的一个重要分支,可以归虛拟现实技术VR(ViritualReality)的范畴,它汇集了计算机图形学、多媒体技术、实时计算技术、人机接口技术等多项关键技术,作为一门新兴的髙技术,己经成为工程技术领域计算机应用的重要方向.尤其在航天、国防及其它大规模复杂系统的研制开发过程中,计算机运动仿真己经成为不可缺少的工具.借助于这项技术,工程师们可以在计算机上建立机械系统的虛拟模型,伴之以三维可视化处理,模拟其在现实环境下系统的运动和动力特性,并根据仿真的结果来精化和优化系统的设计。
计算机运动仿真技术已经越来越成为人们代替或部分代替样机制作、工艺试验,以获取所需数据结果并最终完成对产品的性能测试及验证的有力技术手段。
虛拟模型技术应当厲于计算机辅助工程(CAE)的一个分支,它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现,作为应用数学一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法。
近年来的计算机可视化技术以及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面,CAD/FEA等技术的发展为虛拟模型技术的应用提供了技术环境.借助于虛拟横型技术,设计过程先从整机开始,按照"由上至下"的顺序进行,这样可以避免由于系统设计方面的失误而付出的昂贵代价。
目前,虛拟模型和计算机仿真技术已经广泛地应用在各个领域里:
汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业,在各个领域里,针对各种不同的产品,虛拟模型技术都为用户节省了开支和时间,并提供了满意的设计方案。
1.2国内外研究现状
虛拟模型和计算机仿真技术是一项涉及多个学科领域的前沿技术,发达国家于20世纪80年代提出了相关概念,这项技术在过去的10年里获得了迅速发展并达到实用阶段。
和一些先进国家相比,我国在这个领域还有一定差距,但已经引起了国家有关部门和科学家们的重视,九五规划、国家自然科学基金、国家髙技术产业规划都把虛拟现实技术VR列入了研究项目。
国内一些髙校和研究部门在紧跟国际先进技术的同时,也积极投入到了这一领域当中,并且取得了一定的研究成果。
清华大学计算机科学与技术系对虛拟现实和临场感方面进行了研究,在克服立体图闪烁的措施和深度感试验方面釆用了一些独特的方法。
他们针对室内环境的特点,提出借助图像变换,使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性,以利于实现特征匹配,并获取物体三维结构的新颍算法。
哈尔滨工业大学机械系在机构的三维运动仿真方面进行了不少研究,他们使用OpenGL开发的机构三维仿真软件成功地模拟出了一些常用机构的运动状态,并在此基础上加入了一些计算机辅助设计和分析的功能。
该校计算机系成功地幕拟出了人的脸部动作,如表情的合成和唇动的合成。
浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面虛拟建筑环境实时漫游系统,实现了立体视觉,同时提供的交互工具使系统的真实感达到了较髙的水平。
综合国内外的研究现状,为了实现构件的造型和运动仿真,采用的方法归纳起来可分为三类:
(1)开发专业的运动软件,这种方法可以进行多种机构的运动仿真和运动学、动力学分析。
这种方法的开发工作量大,开发周期长,开发的费用也很高,主要由专业的软件开发商来完成,具有代表性的软件有ADAMS.
(2)利用具有真实感的应用软件进行三维实体造型和运动仿真,通常使用的软件是OpenGL和3DS,OpenGL是OpenGraphiesLib的缩写,它独立于硬件,独立于操作系统,包含有100多个图形函数,开发者可以通过这些函数建立三维模型.由于OpenGL包含的图形函数的数量和功能有限,目前尚不适合构造比较复杂的机械零件,应用于运动仿真领域的也仅限于简单机构;3DS是目前世界上应用最广泛的三维建模,动画,渲染软件,被广泛地应用于电视及娱乐业中,该软件功能强大,使用方便,但是造型结束后实体的形状和尺寸都不能被实时或交互更改,如果用于运动仿真就显得柔性不足。
(3)针对成熟软件的二次开发方法。
这些成熟的软件包括AutoCAD、UG、Pro/E、Solidworks等,其中AutoCAD二次开发多用于平面图形,很少应用与三维实体造型,其佘几种软件本身就是工程软件,对机械零件的造型能力很强,其二次开发的接口也比较成熟,开发具有很大的灵活性,二次开发的产品很多己经进入工程使用阶段。
本文基于Solidworks进行铣床的建模和运动仿真软件的开发,主要是从以下几方面考虑:
(1)SolidWorks是当今世界基于NT/Windows平台的三维机械CAD软件系统的主流产品,目前己在国内外中小型企业中得到广泛应用
(2)易学、易用,操作过程直观、简单,功能强大
(3)完全汉化,使用过程中无任何语言障碍
(4)可向下兼容二维AutoCAD,使得以前釆用AutoCAD进行的设计可以继续使用和转化
(5)根据需求,可以很方便地利用VB和VC++对其进行二次开发
(6)与其它三维设计软件系统具有非常好的兼容性
1.3课题目的及所研究的主要内容
1.3.1课题的目的
机床是机械加工制造业的主要加工工具,要提髙机床的加工质量、加工精度和生产效率,缩短机床产品的开发时间、降低开发成本和提髙产品质量,必须要保证设计和装配质量.因为良好的建模设计和装配仿真技术,对保证产品质量和可靠性,降低产品成本和提髙竟争力具有十分重要的意义。
所以在产品开发过程中,建模和装配是最重要的环节之一,对装配问题考虑地越早,所获取的质量、成本和时间就越明显.因此把建模技术和计算机仿真技术应用到机床产品的开发上来是刻不容缓的。
本课题就是基于Solidworks三维实体造型软件对X5032铣床主运动系统进行虛拟装配及仿真分析的研究。
1.3.2课题的主要工作内容
(1)三维环境下的零件建模与装配
为了实现机构的运动仿真,首先必须利用Solidworks强大的实体造型功能构造出运动构件的三维模型,其中包括:
直齿圆柱齿轮,滑移齿轮,弧面圆锥齿轮,等运动构件,以及轴、键等辅助构件,部分零部件可利于Solidworks强大的数据库进行参数化设置,减少设计时间,在完成建模后,结合各个部件间的配合特征,利用Solidworks平台对各部件进行装配。
(2)实体机构的运动仿真
完成装配的机构还不能运动,只能维持装配时的状态,为了再现机构的实际运动,必须根据不同机构的特点,计算各个构件之间的相对位置.根据各构件的相对运动关系,利用Animator插件通过节点的选择对其进行模拟仿真,从而模拟出了机构的运动状况,通过控制计时器的参数和状态,可以实现机构运动的开始,暂停,变速,反转,停止等操作。
另外,为了更清晰的展现每个机构的运动情况,各个机构还可以单独运动,更清楚的显示每个机构的运动情况。
1.4X5032铣床简介
1.4.1X5032铣床简介
立式铣床是一种通用金属切削机床。
结构特点主轴采用能耗制动,制动转矩大,停止迅速,可靠。
底座、机身、工作台、中滑座、升降滑座、主轴箱等主要构件均采用高强度材料铸造而成,并经人工时效处理,保证机床长期使用的稳定性。
立铣头可在垂直平面内顺、逆回转调整±45°,拓展机床的加工范围;主轴轴承为圆锥滚子轴承,承载能力强,且主轴采用能耗制动,制动转矩大,停止迅速、可靠。
1.4.2X5032铣床的主传动系统
主传动系统是由电动机开始,通过主轴变速箱中的传动轴和变速机构,把运动传到主轴。
电动机(功率7.5kw,转速1450r/min)和轴一间由弹性联轴器联接,电动机转动使轴一获得与电机相同的转速。
轴一通过传动比为26/54的一对齿轮带动轴二。
轴二上装有一个由变速机构控制的三联滑移齿轮,改变其位置,可与轴三上相应齿轮啮合,带动轴三转动,其传动比分别为22/33,19/36和16/39,使轴三获得三种不同的转速。
轴四上也有一个三联滑移齿轮,可与轴三上的相应的齿轮啮合,其传动比分别为39/26,28/37,18/47。
轴四的右方还有一个双联滑移齿轮,它可与轴五上的相应齿轮啮合(传动比分别为82/38和19/71)时,主轴五就获得了18种不同的转速。
2Solidworks软件平台
2.1solidworks及其二次开发简介
2.1.1三维造型软件Solidworks简介
Solidworks软件是在Windows环境下开发的三维实体设计软件,它能够充分利用Windows的优秀界面,为设计师提供了简易方便的工作界面。
Solidworks首创的特征管理,能够将设计过程的每一步记录下来,并形成特征管理树,显示在屏幕的左側。
设计师可以随时点取任意一个特征进行修改,还可以随意调整特征树的顺序,以改变零件的形状。
由于Solidworks全面釆用Windows的技术,因此在零件设计时可以对零件的特征进行"剪切、复制、粘贴"等操作。
Solidworks软件提供完整的、免费的开发工具(API),用户可以用微软的VB、VC++或其它支持OLE的编程语言建立自己的应用方案.通过数据转换接口,Solidworks可以很容易地将目前巿场几乎所有的机械CAD软件集成到现在的设计环境中来。
Solidworks是Windows原创的三维实体设计软件,全面支持微软的OLE技术,它支持OLEO的API后继开发工具己经改变了CAD/CAE/CAM领域传统的集成方式,使得不同的应用软件能集成到同一个窗口,共享同一数信息,以相同的方式操作,没有文件传输的烦恼。
Solidworks软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的,该软件自1995年问世以来,先后共获得工业界的十几次大奖,这在同档次软件中是获奖次数最多的软件。
2.1.2基于Solidworks的二次开发技术
为了方便用户进行二次开发,Solidworks提供了OLE应用程序开发接口SolidworksAPI,其中包含有数以百计的功能函数,用户可以使用支持OLE编程的开发工具,如用VB、VBA、C、VC++等都能对这些功能函数进行调用,为程序员提供了直接访问Solidworks的能力。
通过适当的方法调用SolidworksAPI,应用其中丰富的函数进行二次开发,可以建立适合用户需要的专用Solidworks运动仿真模块.二次开发之前,还必须熟悉SolidworksAPI对象.SolidworksAPI接口采用面向对象的方法,所有的函数都是有关对象的方法或属性.Solidworks提供了大量的API对象用于二次开发,这些对象涵盖了全部的Solidworks的数据模型,通过对这些对象厲性的设置和方法的调用,就可以在用户自己开发的DLL中实现与Solidworks相同的功能和操作。
2.2Solidworks插件
2.2.1PhotoWorks
PhotosWorks髙级渲染软件与Solidworks完全集成。
PhotoWorks软件用于产品真实效果的渲染,可产生髙级的渲染效果图,该软件使用非常方便,设计人员可以利用渲染向导一步步完成零件或装配真实效果的渲染,利用Photoworks可以进行以下几种渲染:
(1)设置模型或表面的材质和紋理
(2)为零件表面贴图
(3)定义光源、反射度、透明度以及背景景象
(4)利用现有的材质和紋理定义新材质或纹理
(5)图像可以输出到屏幕或文件
(6)可以进行实时渲染
2.2.2GearTrax
GearTrax是一种简单易用的在SolidWorks内部就可完成的驱动零件实体造型工具,GearTrax是一个可以方便地设计实体齿轮的SolidWorks插件,主要用于精确齿轮的自动设计和齿轮副的设计,通过指定齿轮类型、齿轮的模数和齿数、压力角以及其它相关参数,GearTrax可以自动生成具有精确齿形的齿轮。
为工程师提供了一种简单易用的、在SolidWorks内部就可完成的驱动零件实体造型工具。
可以设计的齿轮类型包括直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、链轮、渐开线齿形、带齿轮、蜗轮蜗杆、花键、V带轮等。
2.3Solidworks在产品设计中的功
Solidworks软件在产品设计中的基本功能体现在以下几个方面
(1)零件设计
生成草图特征,包括凸台、凹槽以及冲压的、旋转的、沿二维草图扫掠过的或两个平行截面间拼合的槽
生成标准特征,包括孔、倒角、圆角、壳、规则图、法兰盘、棱、筋等。
草图装饰特征
生成参考基准面、轴、点、曲线、坐标以及非实体参考基准的图
修改、删除、压缩、重定义和重排列特征以及只读特征
通过生成零件尺寸和参数的关系获得设计草图
在模型上给定密度、单位、材料特性或用户专用的质量特性
可以通过Solidworks定义高级特征以增强系统功能
(2)装配设计
使用重合、交叉、对齐等命令生成装配和子装配,终生成整个产品的装配,从一个装配中拆开装配的组件
修改装配时设置的偏移
生成和修改装配的基准面、坐标系和剖面图
修改装配模型中的零件尺寸
产生工程信息、参考尺寸和装配质量等特性参数
(3)通用功能
用于距离的测量,几何角度、间隙和在零件间以及装配时的干涉检查。
对于扫视、变焦距、旋转、阴影、重新定位模型和绘图的观察能力。
2.4三维实体零件的建模
2.4.1参数化建模方法(参数化设计)
在Solidworks中参数化建模可以通过两种方法实现,一种方法是用户根据需要直接用程序生成需要的模型,称为完全程序化参数建模;另一种方法是利用已有的模型,通过修改模型参数的方法得到需要的模型,称为参数修改法建模。
(1)完全程序化参数建模
采用程序方法进行建模时,建模的过程完全由程序进行控制,相当于将手动分步建模的过程由计算机连续完成。
理论上讲,凡是手工建模能够完成的复杂模型都可以用这种方法生成。
完全程序建模的方法特别适合生成具有多个变参数的模型,建模的灵活性强,不需要模型库的支持,可以在建模的同时完成设计计算、强度校核、寿命计算等工作,程序可实现的功能强大,参数的输入也可以采用数据库等多元化的方法通常情况下,这种方法的程序设计工作量较大,要求程序员对SolidworksAPI函数具有较髙的理解和运用能力,适合于模型比较简单、参数变量多或参数间有关联的情况。
由于SolidworksAPI的函数较多,全部熟悉比较困难,一个简单的了解函数应用的办法是通过Solidworks中的宏来记录用户在造型过程中的操作,所有的操作会以VBscriPt的形式保存下来,而几乎所有的VC++斜函数名与VBscriPt的函数名相同或类似,然后通过帮助得到相应函数的用法,完全程序化参数建模的效率与模型的复杂程度有关,模型越复杂则建模的时间越长,编制程序的工作量越大.完全程序化建模的执行过程与手工建模的过程基本一致,较容易理解,这种方法的难点在于要求程序员对SolidworksAPI函数具有较高的理解和运用能力,而实际上要做到这一点是需要付出一定的时间和努力的.对于初学者,使用这种方法有助于更好的理解和运用SolidworksAPI函数。
(2)参数修改法建模
参数修改法建横是通过修改现有模型的参数来实现参数化建模的方法,采用参数修改法建模必须有模型库的支持,楔型库通常由用户事先用手工方式建立,保存在程序指向的目录下.需要使用时,从模型库中打开模型文件,对指定的尺寸参数进行修改、重建,就可以获得满足要求的模型。
这种方法的程序设计工作量小,与造型过程无关,适用于模型标准化程度髙的情况或造型过程复杂、可变参量少的情况.参数修改法建模对模型库的要求较髙,手工建模时需要综合考虑尺寸标注方式,尽量避免尺寸参数间的关联和制约关系,需要修改的尺寸参数必须独立标注,尺寸标注的名称可通过查阅其厲性获得.可变参数的输入可通过对话框、数据库等多种方式实现,也可以从程序设计计算的结果中获得。
修改模型参数前必须打开零件库中对应的零件,打开零件的操作可以由手动完成,也可以通过程序完成.这种建模方法不需要程序员掌握大量的API建模函数,程序的复杂程度与模型的复杂程度无关.由于参数修改必须对应指定的标注对象和零件对象,所以这种建模方法对模型库的依赖性很强,模型库一旦确定就不能随意修改,否则将造成程序无法正常运行。
2.4.2一般零件的建模方法
打开Solidworks界面,利用“草图绘制”功能,可以编辑基本的直线、矩形、圆、圆弧等,通过“智能尺寸”可以对其进行编辑约束,最终形成理想的二维平面图形,然后利用“特征”功能,可以对草图进行“拉伸”,“扫描”,“放样”等,最终形成所要求的模型,如果在操作中出现错误,可以在操作树中对其进行修改。
2.4.3向装配体中添加实体零件
Solidworks向装配体中添加零件有两种方法:
手动方法和程序方法。
在本课题中重点掌握和应用手动方法。
通过点击“浏览”,可以插入零部件,在通过配合、移动旋转零部件、智能扣件等指令进行相应要求的配合,完成装配。
3铣床的建模
3.1轴的建模
轴类零件,重要掌握“拉伸突台”和“拉伸切除”功能,如图首先草圆利用智能尺寸,修改圆的直径,点击退出草图按钮,利用特征功能,对其进行突台拉伸,在深度一行输入尺寸,确认生成轴。
接下来在轴上确定的位置生成键槽,先建立新的基准平面,选择参考平面,偏移距离,建立新的基准面,草绘,画出键槽的草图,同样利用特征功能进行拉伸切除,最后利用特征中的圆角功能,生成键槽。
3.2直齿圆柱齿轮的建模
首先用草绘拉伸建立齿胚,尽量根据零件的工艺过程对齿轮建模,铣床中的齿胚多为锻造,可以用“旋转突台”建模。
根据齿轮的加工工艺路线先生成轮毂,然后在菜单栏工具选项下拉菜单中的方程式添加模数(m)、齿数(z)、齿厚(s)、分度圆(d)、基圆(db)、齿根圆(df)、齿顶圆(da)等方程式点击确定。
草图绘制四个圆即分度圆、基圆、齿根圆、齿顶圆,在角度方程单位中选择弧度。
选择草绘平面画四个圆,添加智能尺寸,单击下拉菜单中的添加方程式,选择对应的方程式生成圆,如图3-5。
然后生成渐进线,单击样条曲线下拉菜单中的方程式驱动曲线,选参数性,输入以下方程如图3-6。
生成渐开线后,在渐开线附进齿厚s/2画过圆心的直线镜像另外一条渐进线,裁剪实体,在分度圆圆弧上添加方程式(方法同上),这时原有的对应关系会发生错了,可以删除直线,重新画通过分度圆圆弧中点的直线,再重新镜像渐开线,最后在基圆和齿根圆之间加圆弧与齿根圆相切半径(0.25m),修剪掉多余的线,退出草绘,利用特征功能中的拉伸切除生成一个齿槽,最后进行圆周阵列,选择阵列的中心,根据齿数确定要阵列的对象数,生成齿轮如图3-7。
最后选取基准面,草绘键槽,拉伸切除。
3.
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