機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了對簡化機(jī)床從模型建立、裝配到仿真、分析的全過程,最終實(shí)現(xiàn)了對機(jī)床樣機(jī)的設(shè)計(jì);實(shí)現(xiàn)了機(jī)床設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用proeNGINEER對機(jī)床從數(shù)字化模型的建立,機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性仿真、分析的應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型求解,以研究實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的性能的技術(shù),由于計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用計(jì)算機(jī)中的數(shù)學(xué)模型做實(shí)驗(yàn),與用實(shí)物做實(shí)驗(yàn)比較,具有經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)驗(yàn)周期短等特點(diǎn)。

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

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

    二、機(jī)床建模、裝配、仿真、分析

    2.1機(jī)床設(shè)計(jì)目標(biāo)確定:

    假設(shè)該機(jī)床要實(shí)現(xiàn)螺紋加工的功能

    2.2設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

    機(jī)床要實(shí)現(xiàn)螺紋加工,就要求,機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)部分和工件進(jìn)給部分有一個(gè)確定的傳動(dòng)關(guān)系,
    1(主軸)×U×T1 = S
    U--從主軸到絲杠的總傳動(dòng)比;
    T1--機(jī)床絲杠的導(dǎo)程(例如:CA6140型機(jī)床的T1=12mm);
    S--被加工螺紋的導(dǎo)程;
    1(主軸)--主軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)床模型簡化為:
    齒輪組、蝸輪蝸桿傳動(dòng)組、齒輪齒條傳動(dòng)組;
    其中參數(shù)U由齒輪組實(shí)現(xiàn);
    參數(shù)T1由蝸輪蝸桿傳動(dòng)組、齒輪齒條傳動(dòng)組共同實(shí)現(xiàn),也可由絲杠螺母組實(shí)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(qiáng),而其中的Mechanism模塊又具有運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真、動(dòng)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(jī)構(gòu)配合方式,能夠進(jìn)行連桿機(jī)構(gòu),凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、齒輪系、螺旋機(jī)構(gòu)、多種復(fù)合機(jī)構(gòu)等進(jìn)行仿真、分析。

    2.3設(shè)計(jì)

    2.3.1建模

用proe中的"從方程"方法應(yīng)用漸開線方程實(shí)現(xiàn)齒輪齒型輪廓的建模
    正齒輪設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)功能為齒輪各個(gè)尺寸參數(shù)建立"關(guān)系",這樣就可由一個(gè)齒輪實(shí)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(shí)現(xiàn)了機(jī)床各個(gè)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(jī)構(gòu)進(jìn)行組裝然后轉(zhuǎn)入Pro/Mechanism中進(jìn)行仿真分析,由于機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜、可能出現(xiàn)的錯(cuò)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(shí)現(xiàn)機(jī)床模型的正確建立。

 
    齒輪組裝配如上圖                               齒輪組運(yùn)動(dòng)仿真、分析如上圖

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

    在Pro/Mechanism中可進(jìn)行的分析測量的量有:位置、速度、加速度、連接反作用、凈負(fù)荷、沖力。

在Pro/Mechanism中測量對模型各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測量,假如不符合要求,則重新建立模型,再次進(jìn)行仿真、分析,直至模型達(dá)到設(shè)計(jì)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(jìn)行渲染后,仿真如上圖

 
    最終機(jī)床樣機(jī)如上圖

由仿真、分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)再仿真,直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求,接著進(jìn)行各部分功能細(xì)化,機(jī)床樣機(jī)最終定型。

    三、結(jié)論

本文借助proe實(shí)現(xiàn)了對簡化機(jī)床從建立模型、裝配到仿真分析的全過程,最終實(shí)現(xiàn)了對機(jī)床樣機(jī)的設(shè)計(jì)。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(jì)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(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的;直接在數(shù)字化模型上進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)及材料特性的仿真分析而不用投入大量的人力、財(cái)力進(jìn)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(jī)床行業(yè),及各個(gè)機(jī)械行業(yè)都是大有裨益的。

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