機床運動仿真

2013-06-21  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

      本文借助proe實現(xiàn)了對簡化機床從模型建立、裝配到仿真、分析的全過程,最終實現(xiàn)了對機床樣機的設(shè)計;實現(xiàn)了機床設(shè)計過程中應(yīng)用proeNGINEER對機床從數(shù)字化模型的建立,機床運動特性仿真、分析的應(yīng)用。

計算機仿真技術(shù)就是應(yīng)用計算機對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型求解,以研究實際系統(tǒng)運行的性能的技術(shù),由于計算機仿真是應(yīng)用計算機中的數(shù)學(xué)模型做實驗,與用實物做實驗比較,具有經(jīng)濟、安全、實驗周期短等特點。

機床制造業(yè)是其它機械加工行業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè),機床做為其它機械產(chǎn)品制造的基礎(chǔ)、其作為"母機"作用的重要性是鮮而易見的。在機床的設(shè)計制造過程中引進仿真技術(shù)可以大大縮短機床的研發(fā)周期、降低機床的研發(fā)成本、提高機床的可靠性。

本文通過對一簡化機床從建立模型、裝配、到機床運動仿真、分析的全過程,簡述了仿真技術(shù)在機床行業(yè)機床設(shè)計過程中的應(yīng)用。

    二、機床建模、裝配、仿真、分析

    2.1機床設(shè)計目標確定:

    假設(shè)該機床要實現(xiàn)螺紋加工的功能

    2.2設(shè)計目標分析

    機床要實現(xiàn)螺紋加工,就要求,機床的主運動部分和工件進給部分有一個確定的傳動關(guān)系,
    1(主軸)×U×T1 = S
    U--從主軸到絲杠的總傳動比;
    T1--機床絲杠的導(dǎo)程(例如:CA6140型機床的T1=12mm);
    S--被加工螺紋的導(dǎo)程;
    1(主軸)--主軸轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)。
    由上式可知,改變U就能加工出不同的螺紋。

    最終由以上公式把機床模型簡化為:
    齒輪組、蝸輪蝸桿傳動組、齒輪齒條傳動組;
    其中參數(shù)U由齒輪組實現(xiàn);
    參數(shù)T1由蝸輪蝸桿傳動組、齒輪齒條傳動組共同實現(xiàn),也可由絲杠螺母組實現(xiàn),本文采用前者。

    軟件選擇:proeNGINEER,Pro/Mechanism

proeNGINEER作為一款集成了CAD/CAM/CAE/PDM的工程軟件,其三維建模能力很強,而其中的Mechanism模塊又具有運動/動力學(xué)仿真、動態(tài)、靜態(tài)、力平衡等多種仿真、分析功能,并且Mechanism提供了各種機構(gòu)配合方式,能夠進行連桿機構(gòu),凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、齒輪系、螺旋機構(gòu)、多種復(fù)合機構(gòu)等進行仿真、分析。

    2.3設(shè)計

    2.3.1建模

用proe中的"從方程"方法應(yīng)用漸開線方程實現(xiàn)齒輪齒型輪廓的建模
    正齒輪設(shè)計的漸開線方程為:

 
 
    將其轉(zhuǎn)化為proe中的關(guān)系式為:
r=DB/2
theta=t×45
x=r*cos(theta)+sin(theta)*theta*pi/180
x=r*sin(theta)-cos(theta)*theta*pi/180
z=0
    由以上公式在proe中就可建立出一般正齒輪模型

 
    由方程產(chǎn)生的漸開線如上圖                 一個完整的齒廓曲線如上圖

 
    齒輪模型如上圖                             蝸輪、蝸桿模型如上圖

在建立了模型之后可以應(yīng)用proe中參數(shù)設(shè)計功能為齒輪各個尺寸參數(shù)建立"關(guān)系",這樣就可由一個齒輪實現(xiàn)相同類型、不同尺寸齒輪的建模了。與之配合的正齒輪,只需修改一下"參數(shù)"中的數(shù)值就可完成建模。

    蝸輪、蝸桿、齒條的建模方法和步驟與正齒輪建?；鞠嗤?僅僅是蝸輪、蝸桿、齒條所用的齒廓方程與正齒輪不同而已。

    蝸輪的齒廓方程為:
r=D5/2
theta=t*45
x=r*cos(theta)+sin(theta)*theta*pi/180
x=r*sin(theta)-cos(theta)*theta*pi/180
z=m*q/2

    蝸桿的齒廓方程為:
    1)螺線方程:
r=m*q/2
theta=t*tx*360
z=-t*la

    2)漸開線方程:
r=D4/2
theta=t*60
x=r*cos(theta)+sin(theta)*theta*pi/180
x=r*sin(theta)-cos(theta)*theta*pi/180
z=0

    齒條的剖面為一連續(xù)的梯形,建模較簡單,無須方程。

    就此實現(xiàn)了機床各個功能部件的建模。

2.3.2裝配、仿真、分析

首先在proe的裝配模塊中對機構(gòu)進行組裝然后轉(zhuǎn)入Pro/Mechanism中進行仿真分析,由于機構(gòu)比較復(fù)雜、可能出現(xiàn)的錯誤比較多,所以采用部分裝配再仿真、分析,仿真、分析數(shù)據(jù)正確后再加入新部件,再分析、仿真的方法逐漸由部分到整體的實現(xiàn)機床模型的正確建立。

 
    齒輪組裝配如上圖                               齒輪組運動仿真、分析如上圖

 
    定義測量參數(shù)如上圖                                    參數(shù)實測值如上圖

    在Pro/Mechanism中可進行的分析測量的量有:位置、速度、加速度、連接反作用、凈負荷、沖力。

在Pro/Mechanism中測量對模型各種運動參數(shù)進行測量,假如不符合要求,則重新建立模型,再次進行仿真、分析,直至模型達到設(shè)計要求為止。

 
    多對齒輪裝配仿真                             齒輪齒條裝配仿真

 
    增加蝸桿仿真如上圖                          增加蝸輪仿真如上圖

 
    整體仿真如上圖                          對模型進行渲染后,仿真如上圖

 
    最終機床樣機如上圖

由仿真、分析結(jié)果進行改進再仿真,直至達到設(shè)計要求,接著進行各部分功能細化,機床樣機最終定型。

    三、結(jié)論

本文借助proe實現(xiàn)了對簡化機床從建立模型、裝配到仿真分析的全過程,最終實現(xiàn)了對機床樣機的設(shè)計。借助像proe這樣的三維CAD軟件和仿真技術(shù),大大縮短了新產(chǎn)品設(shè)計的周期;而且通過對數(shù)字化模型的分析可以提早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷并加以修改,達到了優(yōu)化設(shè)計的目的;直接在數(shù)字化模型上進行各種運動及材料特性的仿真分析而不用投入大量的人力、財力進行產(chǎn)品試制,有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。應(yīng)用仿真技術(shù)對機床行業(yè),及各個機械行業(yè)都是大有裨益的。

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