基于ProE牛头刨床的运动机构建模文档格式.docx
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2牛头刨床的结构及工作系统介绍7
2.1刨床介绍7
2.1.1常见刨床的基本组成7
2.2.2刨床常见机械传动方式7
2.1.3刨床的整体运动原理9
2.2牛头刨床9
2.2.1牛头刨床介绍9
2.2.2牛头刨床的组成10
2.2.3牛头刨床的运动11
3Pro∕E及其运动仿真简介12
3.1机械仿真的发展和理念12
3.2机械运动仿真的作用12
3.3Pro/E软件概述13
3.3.1Pro/E软件的主要模块13
3.3.2Pro/E的特点14
4Pro∕E对牛头刨床运动机构(滑枕)建模与仿真16
4.1选择Pro∕E对牛头刨床运动机构仿真建模的目的16
4.2Pro∕E对牛头刨床运动机构建模与仿真分析16
4.2.1数学模型16
4.2.3机构造型16
4.2.4三维实体的建模16
4.2.5三维建模的装配17
4.2.6机构运动仿真17
4.3系统的工作环境19
4.3.1系统的硬件环境19
4.3.2系统的软件环境19
4.4Pro∕E对牛头刨床的滑枕运动机构建模19
4.4.1设置工作目录19
4.4.2绘制工作台19
4.4.3绘制滑枕、滑块、轴、销、连杆22
4.5装配连接26
4.5.1建立牛头刨床的装配图26
4.6Pro/E牛头刨床运动机构(滑枕)的运动仿真30
4.6.1定义伺服电机30
4.6.2定义运动和分析31
4.6.3动画的输出33
5结论与展望35
5.1结论35
5.2展望35
参考文献36
致谢37
1绪论
1.1课题研究背景及研究意义
现代社会中,人们为了高效、经济地生产各种高质量产品,日益广泛的使用各种机器、仪器和工具等技术设备与装备。
为制造这些技术设备与装备,又必须具备各种加工金属零件的设备,诸如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。
由于机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度,目前主要靠切削加工的方法来达到,特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件,往往需要在机床上经过几道甚至几十道切削加工工艺才能完成。
因此,机床是现代机械制造业中最重要的加工设备。
在一般机械制造厂中,机床所担负的加工工作量,约占机械制造总工作量的40%~60%,机床的技术性能直接影响机械产品的质量及其制造的经济性,进而决定着国民经济的发展水平。
可以这样说,如果没有机床的发展,如果不具备今天这样品种繁多、结构完善和性能精良的各种机床,现代社会目前所达到的高度物质文明将是不可想象的。
机床是人类在长期生产实践中,不断改进生产工具的基础上生产的,并随着社会生产的发展和科学技术的进步而渐趋完善。
最原始的机床是木制的,所有运动都是由人力或畜力驱动,主要用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯,它们实际上并不是一种完整的机器。
现代意义上的用于加工金属机械零件的机床,是在18世纪中叶才开始发展起来的。
当时,欧美一些工业最发达的国家,开始了从工场手工业向资本主义机器大工业生产方式的过度,需要越来越多的各种机器,这就推动了机床的迅速发展。
为使蒸汽机的发明付诸实用,1770年前后创制了镗削蒸汽机汽缸内孔用的镗床。
1797年发明了带有机动刀架的车床,开创了用机械代替人手控制刀具运动的先声,不仅解放了人的双手,并使机床的加工精度和工效起了一个飞跃,初步形成了现代机床的雏型。
续车床之后,随着机械制造业的发展,其他各种机床也陆续被创制出来。
至19世纪末,车床、钻床、镗床、刨床、拉床、铣床、磨床、齿轮加工机床等基本类型的机床已先后形成。
我国的刨床工业是在1949年新中国成立后才开始建立起来的。
解放前,由于长期的封锁统治和19世纪中叶以后帝国主义的侵略和掠夺,我国的工农业生产非常落后,既没有独立的机械制造业,更谈不上刨床制造业。
至解放前夕,全国只有少数城市的一些规模很小的机械厂,制造少量简单的皮带车间、牛头刨床和砂轮等;
1949年全国刨床产量仅1000多台,品种不到10个。
解放后,党和人民政府十分重视刨床工业的发展。
在解放初期的三年经济恢复时期,就把一些原来的机械修配厂改建为专业厂;
在随后开始的几个五年计划期间,又陆续扩建、新建了一系列刨床厂。
经过50多年的建设,我国刨床工业从无到有,从小到大,现在已经成门类比较齐全,具有一定实力的刨床工业体系,能生产5000多种刨床通用品种,数控刨床1500多种;
不仅装备了国内的工业,而且每年还有一定数量的刨床出口。
我国刨床行业的发展是迅速的,成就是巨大的。
但由于起步晚、底子薄,与世界先进水平相比,还有较大差距。
为了适应我国工业、农业、国防和科学技术现代化的需要,为了提高刨床产品在国际市场上的竞争能力,必须深入开展刨床基础理论研究,加强工艺试验研究,大力开发精密、重型和数控刨床,使我国的刨床工业尽早跻身于世界先进行列。
本世纪的一个重大变革是全球市场的统一,它使市场竞争更加激烈,产品更新更快,但是有限的资源加上消费者对复杂产品的需求日益增加,使你很难保持市场分额。
在这种背景下,CAD(计算机辅助设计)/CAM(计算机辅助制造)/CAE(计算机辅助测量)技术得到迅速普及和极大发展。
海湾战争结束当年,美国评出的最具影响的十大技术中,CAD/CAM/CAE技术便榜上有名。
在为数众多的CAD/CAM/CAE软件中,主流软件包种类繁多,Pro/E,UG,CIMATRON,MDT,I-DEAS,MASTERCAM都是个中极品,但Pro/E工业解决方案地位显赫,它是美国PTC公司的拳头产品,技术领先,在机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织等各行各业都有应用,是CAD/CAM/CAE领域少有的顶尖“人物”。
利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作和产品的生产。
简称Pro∕E。
在工程和产品设计中,计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。
在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较,以决定最优方案;
各种设计信息,不论是数字的、文字的或图形的,都能存放在计算机的内存或外存里,并能快速地检索;
设计人员通常用草图开始设计,将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成;
由计算机自动产生的设计结果,可以快速做出图形显示出来,使设计人员及时对设计做出判断和修改;
利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。
Pro∕E能够减轻设计人员的劳动,缩短设计周期和提高设计质量。
Pro/E的机构能方便地在Pro/E环境中,对任何实际的二维或三维机构进行较复杂的运动学分析并结合Pro/EMechanic的motion模块对运动机构进行设计仿真。
同时,可通过设计中断将运动分析结果导入到Pro/EMechanic的structure当中,对运动的各个部件进行静力分析,得出部件在运动过程中不同位置的应力和应变值。
机构是在Assembly模式中,专门处理组建的房子功能块,它的一些定义能直接调入到Pro/E得motion之中。
Pro/Mechanic的motion具有以下功能:
(1)校验机构运动的正确性,对运动进行仿真,计算机构任意时刻的位置、速度、加速度;
(2)通过运动分析可以得出装配的最佳配置;
(3)根据给出的力决定运动状态及反作用力,(4)根据运动反求所需的力;
(5)求出铰接点的力和轴承力;
(6)通过尺寸变量对机构进行优化;
(7)干涉检查等。
1.2国内的发展水平及发展前景
2009全球金融危机向我国制造业快速蔓延的“特殊时期”,刨床工具行业上半年增速始终在一位数徘徊,部分小行业连续数月负增长;
全行业利润大幅下滑;
进出口呈现双降,从上半年各月主要统计数据走势判断,3月后各项指标趋稳,主要由于市场需求结构向高端发展趋势造成。
据罗百辉了解,目前的刨床行业处于良好的上升阶段,企业市场信心增强。
上半年工业产品销售率达到96.8%,同比增加0.8个百分点。
根据前9个月的统计数据,刨床工具行业产销率达到了97.2%,同比增加0.6个百分点。
前三季度我国刨床工具行业工业总产值增速稳步提升,第三季度月度增速已升至两位数。
同时,全行业利润降幅也开始收窄,企业亏损有所缩小,但进出口大幅滑落的情况没有改善,出口下滑尤为严重。
罗百辉认为,目前国内总体需求尚未全面回升,只是若干重点行业对刨床的需求持续旺盛。
预计2009年刨床工具全行业增速将会达到10%左右,金切刨床行业持平或略有增长。
全年金属加工刨床进口将达到61亿美元,出口将回落至14亿美元。
在工程领域,设计后期的详细设计阶段和装配设计阶段的Pro∕E技术已相当成熟。
而对于概念设计,一般认为它包括产品早期设计阶段的草图设计、构思设计、初步的参数设计和结构设计等内容。
因而,Pro∕E研究往往已详细设计过程中的Pro∕E技术为基础,将其中的建模技术、真实感显示技术等针对概念进行改进,从而建立一套面向Pro∕E的理论技术。
2牛头刨床的结构及工作系统介绍
刨床类机床主要有牛头刨床(如图2.2)、龙门刨床和插床三种类型。
2.1刨床介绍
2.1.1常见刨床的基本组成
1、动力源:
为机床提供动力(功率)和运动的驱动部分。
2、传动系统:
包括主传动系统、进给传动系统和其他运动的传动系统,如变速箱、进给箱等部件。
3、支撑件:
用于安装和支承其它固定的或运动的部件,承受其重力和切削力,如床身、底座、立柱等。
4、工作部件:
包括
①与主运动和进给运动的有关执行部件,如主轴及主轴箱、工作台及其溜板、滑枕等安装工件或刀具的部件;
②与工件和刀具有关的部件或装置,如自动上下料装置、自动换刀装置、砂轮修整器等;
③与上述部件或装置有关的分度、转位、定位机构和操纵机构等。
5、控制系统:
控制系统用于控制各工作部件的正常工作,主要是电气控制系统,有些机床局部采用液压或气动控制系统。
数控机床则是数控系统。
6、冷却系统。
7、润滑系统。
8、其他装置:
如排屑装置,自动测量装置。
2.2.2刨床常见机械传动方式
把运动从原动机传递到工作机,把运动从机器的这部分机件传递到那一部分机件叫做传动。
传动的方式很多,有机械传动,也有液压、气压传动以及电气传动。
机械传动按传力方式分,可分为摩擦传动和啮合传动,摩擦传动又分为摩擦轮传动和带传动等,啮合传动可分为齿轮传动、涡轮蜗杆传动、链传动等等;
按传动比又可分为定传动比和变传动比传动;
按传动形式分,又可分为摩擦传动、链条传动,齿轮传动、皮带传动、涡轮涡杆传动、棘轮传动、曲轴连杆传动、气动传动、液压传动(液压刨)、万向节传动、钢丝索传动(电梯中应用最广)联轴器传动、花键传动。
刨床常见机械传动方式,如表2-1:
表2-1 刨床上常见的机械传动方式及其特点
传动方式名称
传动特点
刨床上应用实例
皮带传动
(简称带传动)
齿轮传动
齿轮齿条传动
蜗轮蜗杆传动
丝杠螺母传动
滚珠丝杠螺母传动
优点:
结构简单,传动平稳,制造和维修方便。
用于距离大的传动
缺点:
易打滑,造成传动比不恒定。
优点:
结构紧凑,体积小;
传动可靠、效率高。
用于较大功率的传动
制造复杂,易产生振动和噪音传动
将旋转(或直线)运动转化为直线(或旋转)运动,传动效率高
易跳动,造成传动不平稳和不准确
传动平稳,噪音小。
用于垂直交错轴之间的传动
传动不可逆,蜗杆必须为主动且效率低
传动平稳、无噪音,将旋转(或直线)运动转化为直线(或旋转)运动。
用于高精度且有运动形式转换的传动。
制造困难、成本高、效率低
用于很高精度且有运动形式转换的传动
成本很高
刨床上从电动机到挂轮箱
刨床上主轴箱、进给箱、溜板箱内的
刨床上溜板箱与导轨纵向传动机构之间
刨床上溜板箱内的传动,刨床附件回转工作台的传动
刨床上丝杠与溜板箱内、中拖板内、小刀架内的传动
数控刨床进给运动的传动
2.1.3刨床的整体运动原理
刨床类机床主要用于加工各种平面(如水平面、垂直面、斜面等)和沟槽(如T形槽、燕尾槽、v形槽),此外.在刨床上还可以加工一些简单的直线成形面,如图2.1。
主运动:
刀架的直线往复运动。
电动机的回转运动进带传动机构传递刀窗内的变速机构,然后有某机构将回转运动转变为刀架的直线运动。
进给运动:
包括工作台的横向进给运动和刨刀的垂直运动进给运动,工作台上横向进给运动是滑枕返回行程时,并在刨刀切入工件以前进行的。
它可以手动操作,也可以机动控制。
机动进给由棘轮机构实现。
由带轮1带动带轮2,再带动销盘转动。
通过连杆,带动摇杆摆动,摇杆上的棘爪推动棘轮座间歇运动。
与棘轮连接在一起的丝杆同时转动一定的角度,从而使工作台做间隙进给运动。
图2.1刨床的机构原理
2.2牛头刨床
牛头刨床是一种滑枕带着刨刀,作直线住复运动的刨床,因滑枕前端的刀架形似牛头而得名。
牛头刨床是刨削类机床中应用最广泛的一种,主要用来加工中小型零件。
刨削的长度一般不超过1000mm。
2.2.1牛头刨床介绍
图2.2牛头刨床
牛头刨床主要用于工厂单件小批生产中刨削中小型工件上的平面、成形面和沟槽。
中小型牛头刨床的主运动大多采用曲柄摇杆机构(见图2.1)传动,故滑枕的移动速度是不均匀的。
大型牛头刨床多采用液压传动,滑枕基本上是匀速运动。
滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。
由于采用单刃刨刀加工,且在滑枕回程时不切削,牛头刨床的生产率较低。
机床的主参数是最大刨削长度。
牛头刨床主要有普通牛头刨床、仿形牛头刨床和移动式牛头刨床等。
普通牛头刨床由滑枕带着刨刀作水平直线住复运动,刀架可在垂直面内回转一个角度,并可手动进给,工作台带着工件作间歇的横向或垂直进给运动,常用于加工平面、沟槽和燕尾面等。
仿形牛头刨床是在普通牛头刨床上增加一仿形机构,用于加工成形表面,如透平叶片。
移动式牛头刨床的滑枕与滑座还能在床身(卧式)或立柱(立式)上移动,适用于刨削特大型工件的局部平面。
牛头刨床由于刨刀的结构简单、刃磨方便、刨削窄长表面时也可得到高的生产率,所以这类机床在单件小批生产中,特别是在工具、机修以及某些军工部门中仍被广泛使用。
近几年来,我国联合设计并制造的机械传动牛头刨床的新产品,无论是在外观和刚性或是在操作方便和加工性能等方面都有了很大的进步。
2.2.2牛头刨床的组成
牛头刨床由床身、滑枕、刀架、工作台、进给机构和变速机构等主要部件组成。
(1)床身用以支撑刨床的各个部件,床身的顶部和前侧面分别有水平导轨和垂直导轨,滑枕连同刀架可沿水平导轨作直线往复运动(主运动);
横梁连同工作台沿垂直导轨实现升降,床身内部有变速机构和驱动滑枕的摆动导杆机构。
(2)滑枕前端装有刀架,用来带动刨刀作直线往复运动,实现刨削。
(3)横梁与工作台校梁安装在床身前部垂直导轨上。
横梁的底部装有升降丝杠,使校梁能沿着床身前部的垂直导轨作上下移动。
工作台和滑板连接在一起,安装在横梁水平导轨上,转动安装在校梁凹框内的横向进给丝杠,工作台就沿着横梁的水平导轨作横向移动。
工作台的前部底下装有支架,以防止工作台在刨削过程中产生向下倾斜和振动现象。
工作台的上平面和两侧面均制有T形槽、v形槽和圆孔,用来固定不同形状的工件或夹具。
(4)工作台用来安装工件,可沿横梁横向移动和随横梁一起沿床身垂直导轨升降,以便调整工件的位置,在横向进给机构驱动下。
工作台可以实现横向进给运动。
(5)进给机构进给机构主要用来控制工作台横向进给运动的大小。
(6)变速机构操纵变速机构的手柄,可以把各种不同的转速传递到曲柄摆杆机构而改变格杆在相同时间间隔内的摆动次数。
(7)曲柄摇杆机构主要作用是把电动机的旋转运动转换为滑枕的往复直线运动。
2.2.3牛头刨床的运动
牛头刨床的运动示意图如图2.1。
(1)主运动主运动为刀架(滑枕)的直线往复运动,电动机的回转运动经带传动机构传递到床身的变速机构,然后由摆动导杆机构将回转运动转换成滑枕的直线往复运动。
(2)进给运动进给运动包括工作台的横向移动和刨刀的垂直(或斜向)。
工作台的横向进给由曲柄摇杆机构带动横向运动丝杠向间隙转动实现,在滑枕每一次直线往复运动结束后到下一次工作行程开始前的间隙中完成,刨刀的垂直(或倾斜)惊愕则通过手动转动刀架手柄使其作间隙移动完成。
3Pro∕E及其运动仿真简介
3.1机械仿真的发展和理念
在机构仿真分析技术没有出现之前,设计者必须根据设计的零件尺寸,制作出完全相似的模型,然后将其放入实际工作环境中进行验证,最后再根据结果来修正模型。
这些工作无疑浪费了大量的时间、财力和人力。
为提高工作效率,机械仿真技术应运而生。
所谓机械仿真是指通过模拟零件模型实际工作情况中的机械运动规律来验证所设计的零件实体的可行性,它具有强大的机械测试性能,能够模拟真实的工作环境来评估零模型的结构特性、热学性能以及负荷分布情况和采用不同的材料对机械性能的影响等,并以此为依据对设计的零件模型进行优化来达到设计的要求。
机械仿真设计包括设计动态选项,在机械设计中包含了许多在Pro∕MECHANICAMOTION中可用的功能。
例如,可在零件创建连接以建立具有所需自由度的组件,然后应用电动机生成所要研究的运动类型。
同时机械仿真可用来进行凸轮、槽从动机构和齿轮扩展设计。
当准备好要分析运动时,可观察并记录分析,获测量诸如位置、速度、加速度、受力等参量,然后用图形表示这些测量,或者创建轨迹曲线和运动包络,用武力方法描述运动。
如果要研究某个机构对施加的力所产生的运动,可使用机械动态。
而如果不考虑施加的力研究机构的运动,即运动研究,则不需使用机械动态。
Pro/ENGINEER软件包的产品开发环境在支持并行工作,它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。
PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。
包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。
其中PRO/EV2005更增加了行为建模技术使其成为把梦想变为现实的杰出工具。
3.2机械运动仿真的作用
Pro∕EGINEERWildfire在向用户提供成熟的三维计算机图形技术的同时,也向用户提供了仿真技术。
机械仿真技术是利用Pro∕ENGINEER建立的机械系统三维实体模型和力学模型,在计算机上建造出产品的整体模型,并针对该产品在投入使用后的各种情况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。
它能为物理样机的设计和制造提供依据。
机械仿真技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发,解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。
工程设计人员可以直接利用Pro∕ENGINEER系统所提供的各零部件的物理信息及几何信息,在机械仿真内定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配,从而获得机械系统的虚拟样机,在各种虚拟环境中真实的模拟系统的运动,并对其在各种情况下的运动和受力情况进行仿真分析,观察并试验各组成部件的相互运动情况。
它可以砸计算机上方便地修改设计缺陷,仿真试验不同的设计方案,对整个系统进行不断改进,直至获得最佳设计方案以后,再做出物理样机。
在传统的设计与制造过程中,首先是概念设计和方案论证,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,有时这些试验是破坏性的。
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—试验—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,更不用谈对市场的灵活反应了。
机械仿真技术突破了传统的设计与制造的限制,使得产品技术人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品和运动过程及受力情况,快速分析多种设计方案,进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验,知道获得系统级的优化设计方案。
同时机械仿真可以应用在整个设计过程的概念设计的方案论证中,使得设计师可以把自己的经验与想象结合咋计算机内的虚拟样机里,让想象力和创造力充分发挥。
放虚拟样机用来代
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