基于ProE的数控铣床的运动仿真毕业论文(设计).doc
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1、 编号 毕 业 设 计 技 术 报 告课题名称:基于Pro/E的数控铣床的运动仿真2011 年 5 月目录第1章 绪论11.1 课题的技术背景与来源11.2 传统模式下的产品开发过程31.3 基于虚拟样机技术的产品开发过程31.4 数控铣床设计开发中引入虚拟样机技术的必要性41.5 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62.1数控铣床的组成及特点62.2 CAD造型软件的比较与选择72.3 Pro/E软件的介绍72.4 数控铣床的三维建模92.4.1 虚拟建模技术基本理论92.4.2数控铣床主要零件的三维建模112.5 数控铣床的虚拟装配162.5.1 虚拟装配技术基本理
2、论16第3章 数控铣床的运动仿真213.1机床爬行原因分析213.2零件之间的位置连接设置233.3机构连接检测253.4数控铣床的机构分析263.5拖动和快照确定运动初始位置263.6定义伺服电动机273.7定义并运行参数283.8 机构分析概述303.9 测量和回放323.10 测量323.11 回放32结束语34参考文献35致谢36 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
3、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
4、,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Kinematics Analysis Of NC Milling MachineABSTRACT: Traditional products design and development procedure generally contains sketch design, drawing design, physical prototype manufacture and prototype experiment. This procedure makes long pe
5、riod 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 the built virtual digital model of the product, which could help them to find cut the potential problems a
6、nd 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 reconstructing traditional industry and building digital enterprise. As a mechanical and electrical product with
7、 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 the design cost effectively, virtual prototype technology should be introduced into the whole design proce
8、dure 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 evaluate kinematic dynamic capability, structure capability and machining capability roundly after completing
9、 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 tool virtual prototype and simulation, this paper fully considered the manufacture factors and customers d
10、ifferent 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 第1章 绪论1.1 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
11、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
12、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
13、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。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,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
14、,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
15、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
16、争日趋激烈。因此所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。1.2 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
17、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。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。1.3 基于虚拟样机技术的产品开发过程
18、 从前节看出,传统的产品开发过程周期过长,开发费用比较高,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
19、以及控制系统等,它是由数字化的零部件在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和评估的过程.1.4 数控铣床
20、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
21、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。1.5 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
22、、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。第2章 数控铣床的三维建模及装配2.1数控铣床的组成及特点 数控铣床是一种加工功能很强的数控机床,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
23、,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,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、
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