基于ProE的数控铣床的运动仿真 毕业论文(设计).doc

《基于ProE的数控铣床的运动仿真 毕业论文(设计).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ProE的数控铣床的运动仿真 毕业论文(设计).doc（39页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 编号 毕毕 业业 设设 计计 技技 术术 报报 告告 课题名称：基于 Pro/E 的数控铣床的运动 仿真 2011 年 5 月 目录目录 第 1 章 绪论.1 1.1 课题的技术背景与来源1 1.2 传统模式下的产品开发过程3 1.3 基于虚拟样机技术的产品开发过程3 1.4 数控铣床设计开发中引入虚拟样机技术的必要性4 2 1.5 课题的主要内容与研究方法5 第 2 章 数控铣床的三维建模及装配.6 2.1 数控铣床的组成及特点.6 2.2 CAD 造型软件的比较与选择.7 2.3 Pro/E 软件的介绍.7 2.4 数控铣床的三维建模9 2.4.1 虚拟建模技术基本理论9 2.4.2 数

2、控铣床主要零件的三维建模.11 2.5 数控铣床的虚拟装配16 2.5.1 虚拟装配技术基本理论16 第 3 章 数控铣床的运动仿真.21 3.1 机床爬行原因分析.21 3.2 零件之间的位置连接设置.23 3.3 机构连接检测.25 3.4 数控铣床的机构分析.26 3.5 拖动和快照确定运动初始位置.26 3.6 定义伺服电动机.27 3.7 定义并运行参数.28 3.8 机构分析概述30 3.9 测量和回放32 3.10 测量32 3.11 回放32 结束语.34 参考文献.35 致谢.36 II 基于 Pro/E 的数控铣床的运动学分析 摘要：传统的产品设计开发流程一般为方案设计、图

3、纸设计、制造实物样机和实物样 机试验直至产品投产上市，该过程周期过长，成本费用过高，不能满足企业对质量、 效率以及成本的总管和要求。而虚拟样机作为产品设计开发的一项全新工程师在建立 产品的虚拟数字模型之后可以对它进行各种计算机仿真分析， 数控机床是改造传统产业并构造数字企业的重要基础装配。作为一种结构复杂且 高度自动化的机电产品，它的设计对于运动性能、动力学性能、机械结构性能以及加 工性能等方面都有着严格要求。为了保证数控机床的设计质量，缩短设计周期并有效 降低设计成本，要将虚拟样机技术应用到该产品的整个设计流程中。本文以立式数控 铣床为研究对象，建立了三维虚拟数字模型，并在该模型的基础上建立

4、它的运动仿真 模型，并在完成仿真分析之后全面评估了数控铣床的运动及动力性能、结构性能以及 加工性能，为设计提供了质量保证，也为铣床的改进提供给了可靠的依据。同时在数 控铣床虚拟样机的建立及仿真过程中，充分考虑了制造生产因素和客户需求因素，确 保铣床的可制造行和人性化。 关键词: 虚拟样机；数控铣床；三维虚拟数字模型；仿真 II Kinematics Analysis Of NC Milling Machine ABSTRACT: Traditional products design and development procedure generally contains sketch des

5、ign, drawing design, physical prototype manufacture and prototype experiment. This procedure makes long period and costs highly, But virtual prototype technology is a kind of completely new one, whose products design. By applying this technology, engineer can make various simulation and analysis on

6、the built virtual digital model of the product, which could help them to find cut the potential problems and mistakes of the product in the design period, and then they can amend the mistakes and improve the design sketch quickly. NC machine tool is important and infrastructural equipment for recons

7、tructing traditional industry and building digital enterprise. As a mechanical and electrical product with complicated structure and high automation, dynamic capability, mechanical capability and machining capability. To assure the design quality of NC machine tool, cut the design period and reduce

8、the design cost effectively, virtual prototype technology should be introduced into the whole design procedure of this product. This paper studied the vertical NC milling machine, built its 3D virtual digital model. On the basis of this model and machining simulation model, which could be use to eva

9、luate kinematic dynamic capability, structure capability and machining capability roundly after completing the simulation analysis. It also provided the design with quality assurance and the milling machine improvement with reliable warrant. Simultaneously, in the process of building the NC machine

10、tool virtual prototype and simulation, this paper fully considered the manufacture factors and customers different needs, which could make sure that the milling machine could be manufactured and with more humanity. Key words: Virtual Prototype；NC Milling Machine；3D virtual digital model ；Simulation

11、1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 课题的技术背景与来源课题的技术背景与来源 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要 基础装备，它的发展一直备受人们的关注。数控机床以其卓越的柔性自动化性能、优 异稳定的精度表现以及敏捷而多样化的功能引以世人瞩目，它开创了机械产品向机电 液一体化发展的先河。因为数控机床已经成为先进制造技术中的一项核心组成。而另 一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升和完善。 进入 21 世纪，我国机床的制造业既面临着提升机械制造业总体水平的需要而引 发的制造装备发展良机，也遭遇到了加入 WTO 后激烈的市

12、场竞争压力。从技术层面上 讲，加速推进数控机床研发技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。2001 年， 我国机床工业总产值已经进入世界前 5 名，机床消费额在世界排名上升到了第 3 位， 达到了 47.39 亿美元，消费额比上年增长约 25.近年来我国企业的数控机床占有率逐 年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。 是、但由于国产数控机床不能满足市场的需求，致使我国机床进口额逐年上升态势， 2001 年进口数控机床跃升至世界第 2 位，达 24.06 亿美元，比上年增长 27.3.2003 年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进

13、口国， 2005 年我国机床的数控化率约为 9.5至 10.36，据专家预测分析，到 2010 年将到 达 16.5至 19.27. 由于中国数控机床市场的巨大潜力，众多国外注明机床制造企业纷纷来华投资， 甚至有些内地民营企业也看好了这这一市场并斥资跟进。 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响 到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工 业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 2 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。 特别是在通用微机数控领域，以 PC 平台为基础的国产数控技术

14、，已经走在了世界前列。 但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、 商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些 问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使 我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重 要任务。 4 月 19 日从第七届中国国际机床展获悉，随着科学技术不断发展，数控机床的发 展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向 发展。 高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远 距离遥控。高精度：数控机床

15、本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性 要好。高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将 向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块 化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商 又有利于客户。 我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要 表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩小与世界先 进水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下 6 个方面着力研究： 1加大力度实施质量工程，提高数控机床的无故障率。 2跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发

16、展。 3加大成套设计开发能力上求突破。 4发挥服务优势，扩大市场占有率。 5多品种制造，满足不同层次的用户。 6模块化设计，缩短开发周期，快速响应市场。数控机床使用范围越来越大，国 内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我们只有紧跟先进技术进步的大方向， 并不断创新，才能赶超世界先进水平。 尽管中国数控机床市场具有广阔的前景。但随着进入该行业的企业增多（特别是 一些国外技术含量较高的企业），对中国数控机床制造企业的竞争日趋激烈。因此所 3 有的中国数控机床企业都面临着这样一个问题和挑战：如何以最短的时间、最好的质 量、最低的成本设计生产出数控产品，并以最好的服务来满足不同顾客的要求，只有

17、达到上述要求的企业才能占领市场并取得良好的经济效益。由于现在的数控机床逐渐 向功能强、速度高、精度高、刚度高、的方向发展，而且其结构日趋复杂，对它工作 性能的要求也越来越高。可见数控铣床的设计开发是个技术难度比较大的任务，因此 数控机床企业需要引进一些先进的设计制造技术解决这个难题。 1.21.2 传统模式下的产品开发过程传统模式下的产品开发过程 早期传统的设计制造过程中，其流程一般为方案设计、图纸设计、制造物理样机、 物理样机试验、根据试验得出数据改进设计、重新制造物理样机或部件、再对物理样 机试验，直至测试数据达到设计要求，最后进入实际生产阶段。图 1.1 为传统模式下 的产品开发过程。

18、概念设计 详细设计 经验设计 物理样机（模型）样机测试标准化 结果分析产品制造 图 1.1 传统的产品开发过程 在上述过程中，为了验证设计质量，制造物理样机并进行试验来试验设计是个必不 可少的环节。这种试验往往具有破坏性和反复性直至产品达到性能要求为止。传统的 机床设计开发一般采用上述过程，这一过程往往很漫长，而且物理样机制造成本也很 高，尤其当机床结构比较复杂时。可以说传统的基于物理样机的产品设计手段已经走 到了尽头，取而代之的将是基于虚拟样机技术的设计方法。 4 1.31.3 基于虚拟样机技术的产品开发过程基于虚拟样机技术的产品开发过程 从前节看出，传统的产品开发过程周期过长，开发费用比较

19、高，已经不适于设计 开发数控机床这类复杂的机电产品。因此，全新的额基于虚拟样机技术的产品设计开 发方法开始逐步应用于数控机床产品。这里所谓的虚拟样机就是在计算机上构造产品 数字模型。物理样机是实际生产加工中存在并使用的实物样机，而虚拟样机则是计算 机中物理样机的一种数字描述与映射，它不仅可以反映物理样机的全部特性，包括外 观、质量尺寸、尺寸、重心等特征，而且可以反映各个零部件之间的相互装配关系， 甚至可以放映物理样机的零部件成本及其装配的时间和成本。一般意义上过来说，虚 拟样机是指样机的整机，它可以包括机械系统、液压系统、气动系统、管路系统、电 气线路系统以及控制系统等，它是由数字化的零部件在

20、计算机上虚拟装配而成，其中 还包含一些重要的仿真信息和数据用于后续的仿真分析。图 1.2 是基于虚拟技术的产 品开发过程： 概念经验设 计 虚拟样机构 建 虚拟样机仿 真 物理样机试 验 物理样机构 造 设计定型投产 满意？ 满意？ 图 1.2 基于虚拟样机技术的产品开发过程 虚拟样机的定义： 在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国 防部建模和仿真办公室（ DMSO）的定义。 DMSO 将虚拟样机定义为对一个与物理原 型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则 是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试 5 和评估的过程

21、 . 1.41.4 数控铣床设计开发中引入虚拟样机技术的必要性数控铣床设计开发中引入虚拟样机技术的必要性 虚拟样机技术是一门综合多科学的技术，它是在制造第一台物理样机之前，以机械 系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心，运用成熟的计算机图形技 术，将产品各零部件的设计和分析集成在一起，建立机电系统的数字模型，从而为产 品的设计、研究、优化提供基于计算机虚拟现实的研究平台。因此虚拟样机亦被称为 数字化功能样机。随着现代科技的快速发展，工程设计的理论和手段都发生了很大的 变化。虽然广泛应用的 CAD 技术将设计从大量的重复的劳动中解脱出来，FEA 技术使设 计人员分析机械系统零部件的结

22、构强度、刚度、热特性和动态特性，但是上述的手段 无法解决系统的问题，也就是说，即使零部件达到最优，但往往系统的整体性能无法 满足设计和使用的要求。换句话说，系统的性能不是零部件性能的简单线性叠加。因 此我们必须引入一种从机电系统整体角度考虑问题的设计开发手段。在现阶段，虚拟 样机技术是比较有效的技术手段。 1.51.5 课题的主要内容与研究方法课题的主要内容与研究方法 本课题的主要内容是关于数控铣床的设计开发过程中和应用虚拟样机技术，运 用 Pro/E 软件对数控进行虚拟建模和运动仿真分析，即以数控铣床为研究对象，构 建其完整的虚拟数字样机，并针对该样机进行各种计算机仿真分析，在设计阶段全 面

23、预测它的各种性能，最终合理运用仿真分析结果来改善优化设计。 本课题研究的数控铣床是三轴联动立式数控铣床，它可以完成一般的铣削加工， 也可以进行钻、镗、绞孔等加工。适用于机械、汽车、轻工待腻子以及纺织行业的 各种中、小型复杂零件的加工。机床具有占地面积小，行程范围宽等特点。根据数 控铣床的自身特点，可以将其分为机械系统、数控系统以及管路系统等，本文着重 研究了应用 Pro/E 软件对数控铣床进行虚拟建模和设计，并对其进行运动仿真和机 构运动分析。 6 第第 2 章章 数控铣床的三维建模及装配数控铣床的三维建模及装配 2.12.1 数控铣床的组成及特点数控铣床的组成及特点 数控铣床是一种加工功能很

24、强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔 性加工单元等都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。 由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也最多，因此，人们在研究和开发 数控系统及自动编程语言的软件系统时，也一直把铣削加工作为重点。 一. 数 控铣床的分类 1. 按主轴的位置分类 1) 数控立式铣床 立式数控铣床数控立式铣 床在数量上一直占据数控铣床的大多数，应用范围也最广。从机床数控系绕控制的 坐标数量来看，目前 3 坐标数控立铣仍占大多数；一般可进行3 坐标联动加工， 但也有部分机床只能进行 3 个坐标中的任意两个坐标联动加工 (常称为 2.5 坐标加 工)。此外

25、，还有机床主轴可以绕 X、Y、Z 坐标轴中的其中一个或两个轴作数控摆 角运动的 4 坐标和 5 坐标数控立铣。 2) 卧式数控铣床卧式数控铣床 与通用卧式铣床相同，其主轴轴线平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能， 卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5 坐标加工。这样， 不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过 转盘改变工位，进行 “四面加工” 。 3) 立卧两用数控铣床 立卧两用数控铣床 目前，这类数控铣床已不多见，由于这类铣床的主轴方向可以更换，能达到在一 台机床上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，而同时具备上述两类机床的 功能

26、，其使用范围更广，功能更全，选择加工对象的余地更大，且给用户带来不少 方便。特别是生产批量小，品种较多，又需要立、卧两种方式加工时，用户只需买 一台这样的机床就行了。 2. 数控铣床按构造上分类 1)工作台升降式数控铣床 这类数控铣床采用工作台移动、升降，而主轴不动的方式。小型数控铣床一般采用 此种方式。 2)主轴头升降式数控铣床 这类数控铣床采用工作台纵向和横向移动，且主轴沿垂向溜板上下运动；主轴头升 降式数控铣床在精度保持、承载重量、系统构成等方面具有很多优点，已成为数控 7 铣床的主流。 3) 龙门式数控铣床这类数控铣床主轴可以在龙门架的横向与垂向溜 板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动

27、。大型数控铣床，因要考虑到扩大行程， 缩小占地面积及刚性等技术上的问题，往往采用龙门架移动式。 龙门式数控铣床 虚拟建模及装配的软件平台 构建数控铣床虚拟样机的首要步骤就是要在计算机上建立其机械结构的虚拟数 字模型，这也是实现整个虚拟样机过程的核心内容之一，而这一步骤主要依靠目前 成熟的 CAD 造型软件来完成。 2.22.2 CADCAD 造型软件的比较与选择造型软件的比较与选择 目前市场技术成熟且用户比较多的商业CAD 造型软件比较多，其中主要包括高 端的 Unigraphics (简称 UG)CATTA，中低端的 PRO/E、SolidEdge、Solid Work、Inventor 以

28、及 CAXA 等，各个软件都有其自身的特点并拥有一定的用户群体。 中低端 CAD 软件的造型技术非常成熟，可以高效便捷地建立各种复杂机械结构模型 并快速准确地完成装配，但它们在其它方面的变现不尽如人意。因虚拟样机的实现 过程是一个非常完整的过程，其中包括运动仿真、结构仿真、加工仿真、管路布置、 产品渲染甚至厂房布局等， 2.32.3 Pro/EPro/E 软件的介绍软件的介绍 Pro/E 是美国 PTC 公司旗下的产品 Pro/Engineer 软件的简称。 Pro/E（Pro/Engineer 操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，

29、简称 PTC）的重要产品。是一款集 CAD/CAM/CAE 功能一体化的综合性三 维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的 CAD/CAM 软件之 一。 在中国也有很多用户直接称之为 “破衣”。1985 年，PTC 公司成立于美国波 士顿，开始参数化建模软件的研究。 1988 年，V1.0 的 Pro/ENGINEER 诞生了。经 过 10 余年的发展， Pro/ENGINEER 已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布 8 了 Pro/ENGINEER proewildfire5.0。P

30、TC 的系列软件包括了在工业设计和机械设 计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管 理等等。Pro/ENGINEER 还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发 环境 本章主要应用 Pro/E 软件的建模模块，在基于特征的基础上快速准确地建立数 控铣床主要零部件的数字模型；应用Pro/E 装配模块完成了零部件模型的装配并 获得了铣床的完整虚拟数字模型；同时在进行装配的过程中，还采用了其非常仙境 的 WAVE 技术完成了一些铣床附件自顶向下（ Top-Down）的设计。 全全相相关关性性：Pro/ENGINEER 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开

31、发过 程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档， 包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修 改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提 前发挥其作用。 基基于于特特征征的的参参数数化化造造型型：Pro/ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几何模 型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进 行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的， 因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征 设置参数（不但包括

32、几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行 多次设计叠代，实现产品开发。 数数据据管管理理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这 种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开 发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了 Pro/ENGINEER 独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 装装配配管管理理：Pro/ENGINEER 的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如 “啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。 高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受

33、限制。 9 易易于于使使用用：菜单以直观的方式联级 出现，提供了逻辑选项和预先选取的最 普 通选项，同时还提供了简短的菜单描述 和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习 和使用。 2.42.4 数控铣床的三维建模数控铣床的三维建模 2.4.12.4.1 虚拟建模技术基本理论虚拟建模技术基本理论 在本课题的研究中，主要是建立数控铣床的虚拟样机并在此基础上进行各种仿 真，所以建立该铣床的数字化模型是进行后续仿真的前提条件。而所建立的模型质 量将直接影响其仿真结果。虚拟建模技术要求产品的数字化模型能够提供几何模型 为后续的运动仿真模型、有限元模型以及加工仿真模型提供基础模型。所以，几何 模型是所有模型

34、的基础与关键，通过在几何模型上添加其它信息数据就可以构成所 需的仿真模型。 对于不同的机床，主运动参数有不同的要求。装用机床和组合机床是为某一特定 工序面设计制造的，每根主轴参数有不同的要求。根据最有利的切削速度和直径而定， 故没有变速要求。通用机床是为适应多种零件加工而设计制造的，主轴需要变速。因 此需确定它的变速范围，及最低与最高转速。如果采用分级变速，则还应确定转速级 数。 目前，产品的虚拟建模方法比较多。本课题利用美国公司开发Pro/E 软件平台 关采用目前应用最广的建模技术 基于特征的参数化建模技术建立数控铣床零部件 的虚拟数字模型。在 Pro/E 建模过程中的特征主要包括：成型特征

35、、草图特征、辅 助特征以及其他特征。其中，成型特征是创建特征的主要部分也是基础特征，它是 描述零件几何形状及尺寸的相关信息集合。草图特征是在一些复杂建模中将草图进 行拉伸旋转等来完成成型特征无法完成的功能。辅助特征是虚拟建模的辅助工具， 不包括在虚拟模型中。还有其它一些特征如材料颜色、透明度等。图2.1 描述了 机床在 Pro/E 虚拟样机建模中的特征分类： 10 模型特征 成型特征草图特征辅助特征其他特征 立方体特征 圆柱特征 凸台特征 凹槽特征 圆孔特征 拉伸特征 旋转特征 扫描特征 管路特征 自由形状特 征 基准面特征 基准轴特征 基准点特征 无限平面特 征 材料特征 线型特征 颜色特征

36、 透明特征 图 2.1 虚拟建模特征分类 基于特征的实体参数建模技术利用尺寸驱动原理，在零件拓扑机构不变的情况 下，把特征作为组成零件实体模型的基本元素，把零件尺寸定义参数变量，利用参 数驱动特征几何形状，从而该百年零件模型，最后把多个特征按照一定的设计方案 组合在一起就构成产品的零件模型。 零件虚拟建模技术采用自上而下的方式进行。首先规划方案设计，完成零件的 概念设计。然后根据零件功能结构把多个特征的组合并确定大致的特征顺序。接着 就创建模型的成型特征、草图特征以及辅助特征等。当然，在创建完成后还要对特 征进行合理性检查（这通常是由特征以及由特征本身尺寸及其定位尺寸不匹配所完 成） ，如果合

37、理则按照合理则按照修改特征参数甚至更换特征类型，最后完成零件 的虚拟模型建立。图 2.2 描述了基于特征的参数化建模流程： 11 规划设计方案 特征类型及顺序 成 型 特 征 草 图 特 征 辅 助 特 征 其 它 特 征 满意？ 零件模型确定 图 2.2 零件虚拟建模流程 2.4.22.4.2 数控铣床主要零件的三维建模数控铣床主要零件的三维建模 虚拟建模技术为复杂零件的结构设计提供了强有力的技术支持，它可以包含丰 富的产品信息（包括外观、颜色、质量、重心、材质以及惯性矩等） ，能够可视地 完成复杂结构技术，达到高效、直观、一次成型的目的。同时还便于设计人员和用 户惊醒沟通，有利于产品的编辑

38、和进一步改进，提高产品设计的市场适应能力和竞 争能力。下图所示了数控铣床的主要零部件，由于其中的基础件结构复杂，特征过 多，而且篇幅所限，在本章主要给出了底座、滑鞍、工作台、立柱及箱体这五大基 础件的建模实例，并且在给出的实体模型中加入剖面图使零件的内部结构更加清晰 明了。除此之外还讨论了一些标准件的模型建立方法和内容。 主轴组件是机床的一个重要组成部分。主轴组件由主轴、轴承、传动件和固定 件等组成。机床工作时，由主轴夹持着工作（车床）或道具（钻床、镗床、铣床、 磨床等）直接参加表面成形运动。所以主轴组件的工作性能，对加工质量和机床生 产率，有重要的影响。 12 （1）底座虚拟模型，如图 2.

39、3 所示 图 2.3 底座模型 （2）滑鞍虚拟模型，如图 2.4 所示： 图 2.4 滑鞍模型 13 （3）端盖模型 如图 2.5 所示： 图 2.5 端盖模型 （3）工作台虚拟模型，如图 2.6 所示： 图 2.6 工作台模型 14 （4）滚珠丝杠 如图 2.7 所示： 图 2.7 滚珠丝杠模型 （5）手柄模型 如图 2.8 所示： 图 2.8 手柄模型 15 （6）转轮模型 如图 2.9 所示： 图 2.9 转轮模型 （5）立柱模型，如图 2.10 所示： 图 2.10 立柱模型 16 （6）标准件的建模 一般情况下，在一个大中型的机械产品中，除了一些关键零部件以外，一般还 包括很多标准件

40、，其中包括各种螺栓、螺母、垫片、法兰、轴承、键甚至链条等。 尽管缺少这些标准之后才能构建完整意义上的虚拟样机，而且在后学的装配中也能 发现这些件和整机的关系，甚至干涉。因此有必要建立这些标准件的模型，使拟样 机结构不复杂，但一般也需要多个特征才能建立其完整模型 2.52.5 数控铣床的虚拟装配数控铣床的虚拟装配 2.5.12.5.1 虚拟装配技术基本理论虚拟装配技术基本理论 虚拟样机技术是在虚拟设计环境下，根据产品的形状特征、精度特性，真实地 模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维装配过程来检验产 品的可装配性。这是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，也是分析产品 可装

41、配性和可制造性的一种有效手段。 数控铣床主要部件及整机的虚拟装配 ： 在数控铣床的装配中，底座和立柱是固定不动的基础件，所以将一些主要零件 和标准件进行装配来完成子装配，再将这些子装配安装 到固定部件上来完成整体装配，下面给出铣床的一些主要子装配和最终的装配图。 （1） 滑鞍装配模型 如图 2.11 所示： 图 2.11 滑鞍装配模型 17 （2） 滚珠丝杠与头山装配模型 如图 2.12 所示： 图 2.12 滚珠丝杠与头山装配模型 （3）手动转轮装配模如图 2.13 所型示： 图 2.13 手动转轮装配模型 18 （4）主轴装配模型 如图 2.14 所示 图 2.14 主轴装配模型 （5）箱

42、体装配模型 如图 2.15 所示 图 2.15 箱体虚拟模型 19 （6）立柱与转轮的装配模型 如图 2.16 所示： 图 2.16 立柱与转轮的装配模型 （7）箱体与立柱装配模型 如图 2.17 所示： 图 2.17 箱体与立柱装配模型 20 （8）底座与工作台装配模型 如图 2.18 所示： 图 2.18 底座与工作台装配模型 （3）总装配图 如图 2.19 所示： 图 2.19 总装配图 21 第第 3 3 章章 数控铣床的运动仿真数控铣床的运动仿真 数控铣床主要是通过伺服电机来驱动工作台、滑鞍和箱体完成X、Y、Z 方向 的进给运动，并使工件和刀具按照数控程序产生相应的位置变化来达到工作

43、材料去 除的目的，显然铣床本身的运动特性也是衡量铣床性能的重要指标之一。因此本文 主要在前章建立的整机装配基础上直接应用Pro/E 运动模块（ Motion）建立了其 运动仿真模型并完成了一些重要的运动分析。 爬行是机床常见而不正常的运动状态，主要出现在机床各传动系统的执行部件上 （如刀架系统、工作台等） ，且一般在低速行时出现较多。运动速度低时，润滑油被压 缩，油膜变薄，油楔作用降低，部分油膜破坏，摩擦面阻力发生变化。通常情况下， 轻微程度的爬行有不易察觉的振动，显著的爬行则是大距离地跳动。 3.13.1 机床爬行原因分析机床爬行原因分析 引起爬行的主要原因，是摩擦因数随运动速度的变化和传动

44、系统刚性不足。机床 在实际使用中，爬行现象主要是在传动系统刚性不足，驱动力与负载摩擦阻力波动变 化的情况下形成。机床液压系统侵入空气，液压元件间隙增大及机械装置自身原因都 可能引起爬行故障。 我们知道爬行是指机床运动部件慢速动行时的不平稳性，表现为有规律的一停一 跃。这种现象的出现，以磨床居多数，会严重影响工作的表面质量和尺寸精度。产生 原因可用实例来说明：假设有一原动件通过弹簧推动另一从动件，当原动件以等速向 前运动，通过弹簧推动从件在平面上滑行时，当原动件启动后，首先需压缩弹簧一段 距离，直到足以克服从动件的静摩擦力时，从动件才会起动，此时弹簧蓄能。当从动 件起动后，由于动摩擦系数小于静摩

45、擦系数，于是使从动件获得一个加速度，此时弹 簧放能。如果移动速度很慢，弹簧的压缩量又较大，那么从动件的速度很快就会超过 原动件，产生一个跳跃，直到弹簧压力和动摩擦力平衡后，从动件开始减速，但因为 惯性，还会再向前冲一段距离。至此，从动件因为失去了原动力就会停下来，直到原 动件重新压缩弹簧到能克服从动件的静摩擦力时，又重复上述循环。 此实例和实际导轨副产生爬行的机理十分相似。从动件可以视作溜板或工作台， 平面可以视作导轨。二驱动系统不可能是完全刚性的，在驱动过程中不可避免地会有 22 弹性变形，因而可以认为是弹簧起同样作用。 爬行现象容易产生在传动系统刚度低、滑动面润滑不良的运动系统中。在机械传

46、动 中，两滑动面间有压力时就有摩擦阻力产生。摩擦力 F 决定于滑动面间的正压力 N 及 摩擦系数 ，即 F=N。摩擦系数的大小决定了摩擦表面粗糙度、摩擦面材料性质、 摩擦面间的润滑条件、相对运动速度及摩擦面运动前的停止时间等。 机床爬行现象是在滑动摩擦副中从动件在匀速驱动和一定摩擦条件下产生的周期 性时停时走或时慢时块的运动现象。爬行是机械振动中自激振动的一种形式。每一个 爬行周期都分两个阶段：一个是能量的贮存，另一个是能量达到临界值时的立即释放。 爬行是机床滑动导轨中常见的不正常的运动状态。程度较轻时爬行表现为肉眼所不能 察觉的振动，显著时表现为较大距离的跳动。爬行会显著降低工件的加工精度。

47、此外， 汽车离合器接合时可能引起的冲击，对某些仪器微调时可能发生的跃动，也都是爬行 的实例。爬行大多在低速时出现。引起爬行的原因很多：如法向载荷过大，滑动系统 弹性元件刚度较小，滑动副间静、动摩擦力之差较大，摩擦系数和相对滑动速度曲线 具有下降特性等。防止爬行的措施主要是改善滑动副间的摩擦特性，提高系统传动链 的刚度，增加系统的阻尼和减轻滑动部件的重量。改善摩擦特性的途径包括采用摩擦 系数小的摩擦副材料，施加性能较好的防爬油、脂，改动压润滑为静压润滑和改滑动 摩擦为滚动摩擦等。 爬行现象对于机床加工质量的影响，主要表现在以下三个方面： 影响工件的加工精度 工件的几何尺寸是靠工件和刀具之间保持一

48、定的相对位置达到的，这可通过移动 工件或刀具，或者同时移动工件和刀具来实现。如果刀具或工件运动时产生爬行现象， 不能精确的控制速度和距离时，加工精度就要降低。例如精密外圆磨床砂轮架在横向 进给时产生爬行，砂轮架呈跳跃式前进，就会偏离正确位置若干微米，这种情况下就 难以实现所要求的 12m 的微量横向进给，加工出来的工件也就达不到所要求的加 工精度。 影响机床的定位精度 精密坐标镗床的定位精度要求高达 2m，工作台的调整定位是在低速运动的条件 下实现的（因为运动惯性可能影响到准确定位，一般在定位之前由高速变为低速）， 23 但是低速往往产生爬行现象。如果工作台产生爬行，就会使得工作台偏离正确位子

49、若 干微米，达不到所要求的定位精度，故使加工出来的工件孔距超差。 影响加工表面的粗糙度 如果磨床工作台和车床刀架在低速进给时产生爬行，就会在工件表面留下波纹， 从而影响到加工表面的粗糙度，使表面粗糙度值加大。 产生爬行现象的原因很多，解决的途径也多种多样。在实践生产中，则应从实际 出发，具体问题具体分析，相信总能找到消除爬行现象的方法。 3.23.2 零件之间的位置连接设置零件之间的位置连接设置 进行两个零件的装配时，首先要正确确定两个零件之间的约束关系，Pro/E 软件提 供装配连接类型如表 3-1 所示： 类型 总 自 由 度 旋 转 平 移 定义 与自由度相关 的约束 刚性 （Rigid） 000 刚性连接是将两个零件连接在一起， 它的旋转自由度和平移自由度都为 零，属于完全约束。受刚性连接约 束的零件构成单一主体。 可采用任何一 种约束，通常 又多个约束构 成，完成后一 定是完全约束。 销钉 （Pin） 110 绕轴旋转。旋转自由度为 1，平移 自由度为 0，构件只能绕固定的轴 旋转 轴对齐和平面 对齐/匹配 滑动杆 （Slider） 101 沿轴/边平移。构件只能沿直线方 向平移，故其