毕业设计（论文）-基于PROE的自动送料机构的仿真

XXXXXXX 大学毕业设计 1 前言 目前，随着 CAD/CAM 技术的发展，三维实体造型、虚拟技术、工况仿真模拟已成为CAD 的重要发展方向，并在产品设计和制造方面引起了重大变革。对有复杂运动的机械产品，建立三维动态图形和三维虚拟环境模拟，可以很好地描述其数学模型的准确性、装配过程的合理性、作业过程 的动态性、运动轨迹的正确性。因此，了解和掌握三维建模方法和动态 模拟技术十分重要。 此外，在机械产品零部件的设计过程中，运动机构的空间干涉问题历来都是令机械设计工程师深感头疼的事。按传统设计模式，设计人员在一些细节问题上耗费了很大精力，降低了设计效率 。而有些错误又往往具有很强的隐蔽性，给生产造成不应有的损失。因此，利用计算机三维设计工具合理地解决这些问题无疑具有一定的现实意义。 目前，许多国内外的大型辅助设计软件都包含了机械装配和运动学仿真的功能模块，例如 PTC 的 PRO/ ME2 CHANICA， SDRC 的 I- DEAS， MATRA 的 EUCLID 软件及 DES的 UG 等。这给设计人员提供了更完善的机械设计 途径。文章主要基于美国 PTC 公司的PRO/E(WILDFIRE)软件， PRO/ENGINEER 无论从设计工作中的结构设计，以及装配图的形成方式，都有操作 容易、使用方便、修改方便的特点，因此在机械三维实体造型设计中得到了广泛的应用。 选择翅片的自动送料装置作为本次设计和装配对象，是因为随着机电一体化的迅猛发展，不用人工操作或者很少需要人工操作的自动化设备已得到了广泛的应用，不 仅 将逐步取代人工加工的方式，目前国外的自动化程度已经达到了很高的程度，然而我国的自动化程度还不是很高。 XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 2 1 概述 1.1 装配的基本概念 任何一台机械，都是由许多零件和部件组成的。由零件组装成整台机械的全过程称为装配。由于机械的复杂程度不同，零件的组合情况不同，在 机械装配中，根据零件组合的特点，把机械的组成单元作如下区分 ： 1） 零件是机械组装的基本单元。它是由一块材料制成的，不能再进行结构上的分解。在装配中，有的零件是装配的基础，它具有配合基准面，可以保证装配在它上面的零件具有正确的相对位置，这种零件称为基础零件。对于一台机床来说，机座或机架就是它的基础零件。 2） 组件由若干个零件组成，但不具有独立功能。如活塞连杆组成一个组件，它由 连杆、活塞、活塞销等零件组成，但它不能独立发生作用，必须与缸体、 缸盖和曲轴等到协调起来才能进行工作。 3） 部件和总成由若干组件或零 件组成，具有结构上和作用上的独立性，这样的组件称为部件或总成。例如一个滤清器，只要让流体从它的内部流过，它就能对流体起滤清作用，这就可以称为部件或总成。但习惯上是把直接组成机械的单元称作总成。组成总成的单元称作部件。例如发动机是一个总成，而燃油泵、滤清器在性质上也可称作总成，但它们是安装在发动机这个总成上的，因此仍称作部件。 图 1-1 机械装配路线示意图 Fig 1-1 Mechanical assembly Map XXXXXXX 大学毕业设计 3 机械装配的过程，就是由零件组装成组件、由组件组装成部件、装成总成和最后组装成 机械的过程。图 1-1 为这种过程的示意图。 1.2 传统 意义 的装配 传统制造业注重规模效益，以手工装配为主的传统的装配的方法还是能够适应对新产品开发的需要的。特别是在大规模生产下，新产品的开发也大都局限于对己有产品进行局部的改进设计，这时，由于设计人员及工人已对产品本身及装配工艺比较熟悉，还是可以较顺利的完成设计、试生产、装配验证、最终成批生产的整个开发过程的 1 。 但是，随着全球市场的激烈竞争，加快产品开发速度己成为竞争的重要手段之一。近20 年来，制造业市场环境发生 了巨大变化 ： 一方面表现为消费者兴趣的短时效性和消费者需求日益主体化、个性化及多元化 ； 另一方面则是区域性、国际性市场壁垒的淡化或打破，使制造厂商不得不着眼于全球市场的激烈竞争。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障。制造业要满足日益变化的用户需求，其制造技术必须有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产迎合市场。面对这样的市场现状，传统装配的缺点就逐渐暴露了出来 ： 1） 必须等零件全部加工完成之后才可进行装配。 2） 不能体现并行设计的思想。 3） 一般要反复修改，进行多次试装配、周期 长、成本高、 不能适应当前敏捷制造的需要。 1.3 产品装配的发展现状 由于加工技术超前于装配技术许多年，两者已经形成了明显的反差，装配工艺已经成为现代化生产的薄弱环节。当前，国内外对于装配研究的理论和实际操作方面出现了一些新的理论和方法 ， 近来，自动装配和柔性 装配也得到了一定的发展 。但是，这些发展方向都不能很好地满足缩短新产品开发周期和并行工程的要求。 面对传统装配中出现的问题，许多产品设计开发人员致力于产品的预装配 虚拟装配。这是因为 : 1） 在虚拟装配中，由于没有制造真实的产品，大大减少了产品开发 的成本。 2） 在虚拟装配时可以尽可能地解决大部分装配问题，这就使新产品开发的周期大为缩短，使企业尽早占领市场。 目前，虚拟装配的研究取得了一些进展 :在装配的路径规划、运动仿真、产品的可装 XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 4 配性评价等方面都有一定的突破。但是这些又往往不能支持并行工程。而一些而向产品开发的软件虽能支持并行工程。但又是不是面向装配过程的。如何把二者结合起来是当前的一个研究方向。本文在这方面做了一定的工作，使产品的开发软件能够更好地支持虚拟装配过程。 1.4 虚拟装配 近年来，世界机械制造业市场的竞争日趋激烈，为了 适应变化迅速的市场需求，产品研制周期、质量、成本、服务成为每一个现代企业必须面对的问题。近 20 年来的实践证明，将信息技术应用于新产品研制以及实施途径的改造，是现代化企业生存、发展的必由之路。同时，先进的产品研制方法、手段以及实施途径，实际上是产品研制质量、成本、设计周期等方面最有利的保证。以波音公司为例，在数字化代表产品 -波音 777 的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们如何充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。波音 777 飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化 设计与集成产品开发团队 IPT（ Integrated Product Development Team）（ 238 个Team） 的有效实施，保证了飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成。研制周期从过去的 8 年时间缩减到 5 年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用 2 。 1.4.1 虚拟装配的定义 “ 虚拟装配 ” （ Virtual Assembly）是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。通常有 2 种定义： 1) 虚拟 装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定位、分析过程。 2) 虚拟装配是根据产品设计的形状特性、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真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。 1.4.2 虚拟装配的基本设计思想及内涵 1） 以设计为中心的虚拟装配 以设计为中心的虚拟装配（ Design-Centered Virtual Assembly）是指在产品三维数字化定义应用于产品研制过程中，结合产品 研制的具体情况，突出以设计为核心的应用思想，这表现在以下三个层次，如图 1-2 所示 ： 面向装配的设计（ DFA）： 即在设计初期把产品设计过程与制造装配过程有机结合，从XXXXXXX 大学毕业设计 5 设计的角度来保证产品的可装配性。引入面向产品装配过程的设计思想，使设计的产品具有良好的结构，能高效地进行物理装配，能在产品研制初期使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。 图 1-2 虚拟装配层次图 Fig 1-2 Virtual assembly hierarchical graph 自顶向下（ Top-down）的并行产品设计（ CPD） ： 并行产品设计是对产品及其相关过程集成、并行地进行设计，强调开发人员从一开始就考虑产品从概念设计直至消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误和矛盾尽可能及早发现，以缩短产品开发周期，降低产品成本，提高产品质量。 与 Master Model相关的可制造性设计和可装配 性设计 ： 产品研制是多部门的协同工作过程，各部门间的合作往往受到各个企业的生产条件等方面的限制，结合各个企业的生产能力和生产特性，改进产品设计模型的可制造性、可装配性，减少零部件模型的数量和特殊类型，减少材料种类，使用标准化、模块化的零部件，是非常必要的 3 。以不同阶段的Master Model 为核心，可以保证产品研制的不同阶段数据结构完整一致，保证产品研制的各个部门协同工作，实现 CAD/CAM/CAE 系统的高度集成，有效提高产品的可制造性和可装配性。 2） 以过程控 制为中心的虚拟装配 以过程控制为中心的虚拟装配（ Process-Centered Virtual Assembly）主要包含以下两方面内容。 实现对产品总体设计进程的控制 。 在产品数字化定义过程中，结合产品研制特点，人为地将虚拟装配技术应用于产品设计过程，该过程可以划分为三个阶段：总体设计阶段、装配设计阶段和详细设计阶段。通过对三个设计阶段的控制，实现对产品总体设计进程的控制，以及虚拟装配设计流程。 总体设计阶段。总体设计阶段是产品研制的初期阶段，在此阶段进行产品初步的总体布局，主要包括：建立主模型（ Master Model）空间；进行产品初步的结构、系统总体布 XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 6 局。 装配设计阶段。装配设计阶段为产品研制的主要阶段，在此阶段产品三维实体模型设计已经基本完成，主要包括：产品模型空间分配（装配区域、装配层次的划分）；具体模型定义（建立几何约束关系、三维实体模型等）以及应力控制。 详细设计阶段。详细设计阶段为产品研制的完善阶段，在此阶段完成产品三维实体模型的最终设计，主要包括 ：完成产品三维实体模型的最终设计，进行产品模型的计算机装配，进行全机干涉检查。 过程控制管理 。 过程模型包含了产品开发的过程描述、过程内部相互关系 和过程间的协作等方面内容。通过对过程模型的有效管理，实现对工程研制过程中各种产品设计结果和加工工艺等产品相关信息的管理，从而实现优化产品开发过程的目的。 3） 仿真为中心的虚拟装配 以仿真为中心的虚拟装配（ Simulate-Centered Virtual Assembly）是在产品装配设计模型中，融入仿真技术，并以此来评估和优化装配过程。其主要目标是评价产品的可装配性。 优化装配过程 目的是使产品能适应当地具体情况，合理划分成装配单元，使装配单元能并行地进行装配 4 。 可装配性评价主要是评价产品装配的相对难易程度，计算装配费用，并以此决定产品设计是否需要修改。 1.4.3应用研究 基础应用环境 ： 虚拟装配技术在焊接小车设计中的应用，需要以一定的基础应用环境作为平台，主要包括以下几个方面：协同工作环境、统一的信息编码系统以及机械通用基础标准。 1） 协同工作环境。有一个协同工作的基础环境，实现支持异地设计、异地装配、异地测试的工作环境，特别是基于网络的三维图形的异地快速传递、过程控制、人机交互的基础环境是非常必要的 2） 统一的信息编码系统。焊接小车的设计是一项复杂的系 统工程，各项工程数据在IPT 内部以及 IPT 之间进行合理流动，因此有效的管理是实现虚拟装配技术的重要环节，必须能够实现平台的协同设计，又能对各种产品数据进行管理和传递，保证在正确的时间把正确的信息以正确的方式传递给正确使用的人。因此，采用统一的信息编码系统是一项重要的应用基础环节。 XXXXXXX 大学毕业设计 7 2 Pro/ENGINEER 的虚拟装配与运动仿真 本章在前一章的基础上，进一步研究在 Pro/ENGINEER 环境下的虚拟装配、运动仿真的一些内容。 2.1 Pro/ENGINEER 简介 PRO/E 是美国 PTC 公司的大型三维 CAD/CAM/CAE 一体化软件。 是一套由设计至生产的机械自动化软件， PRO/E 以其基于特征的参数化造型、单一数据库下的全相关性等新概念而闻名于世，具有很强的实体造型和虚拟装配能力。 被广泛的用于造型设计、机械设计、模具设计、加工制造、机构分析、有限元分析及相关数据库管理系统等的各个领域。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 5 。 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。 新版推出的工程软件 PRO/E Woildfire2.等， 它的主要基本功能与以前的版本基本相同，并扩展了许多方面的功能 ，赋予软件 400 多项增强型功能 。 PRO/E Woildfire2.0 的界面非常友好，清楚明确，以工具条代替文字，使人视觉和心理都有一种轻松感，它把功能的一部分，像三维平面、坐标系、轴线、实体、外观等设置成工具条，使工作效率、方便程度大为提高。 2.1.1 Pro/E 功能模块介绍 1) 工业设计 (CAID)模块 工业设计模块主要用 于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用 3DS 可以生成实体模型，但用 3DS生成的模型在工程实际中是 “中看不中用”。用 PRO/E 生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上， PRO/E 后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。 包括 ： PRO/3DPAINT(3D 建模 )、 PRO/ANIMATE(动画模拟 )、 PRO/DES 工 GNER(概念设计 )、 PRO/NETWORKANIMATOR(网络动画合成 )、 PRO/PERSPECTA-SKETCH(图片转三维模型 )、 PRO/PHOTORENDER(图片渲染 )几个子模块。 2) 机械设计 (CAD)模块 机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高，对 XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 8 曲面产品的需求将会大大增加。用 PRO/E 生成曲面仅需 2 步到 3 步 的动 作。 Pro/E 生成曲面的方法有 :拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此PRO/E 可以迅速建立任何复杂曲面。 它既能作为高性能系统独立使用，又能与其 它实体建模模块结合起来使用，它支持 GB, ANSI, ISO 和 JIS 等标准。包括 ： PRO/ASSEMBLY(实体装配 )、 PRO/CARL 工 NG(电路设计 )、 PRO/PIP 工 NG(弯管铺设 )、 PRO/REPORT(应用数据图形显示 )、 PRO/SCAN- TOOLS(物理模型数字化 )、 PRO/SURFACE(曲面设计 )、 PRO/WELDING(焊接设计 ) 3) 功能仿真 (CAE)模块 功能仿真 (CAE)模块主要进行有限元分析。主要是讲事物内在特征很难把握，机械零件的内部变化情况是难以知晓的。有限元仿真使我们有了 一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。著名的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近 20%，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经济效益。 包括 :PRO/FEM-POST(有限元分析 )、 PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS(自定义载荷输入 )、 PRO/MECHANICAEQUAT(第三方仿真程序连接 )、 PRO/MECHANICAMOTION(指定环境下的装配体运动分析 )、 PRO/MECHANICA THERMAL(热分析 )、 PRO/MECHANICA TIRE MODEL(车轮动力仿真 )、 PRO/MECHANICA VIBRATION(震动分析 )、 PRO/MESH (有限元网格划分 )。 4) 制造 (CAM)模块 在机械行业中用到的 CAM 制造模块中的功能是 NC Machining(数控加工 )。说到数控功能，就不能不提八十年代著名的“东芝事件”。当时，苏联从日本东芝公司引进了一套五坐标数控系统及数控软件 CAMMAX， 加工出高精度、低噪声的潜艇推进器，从而使西方的反潜系统完全失效，损失惨重 。东芝公司因违反“巴统”协议，擅自出口高技术，受到了严厉的制裁。在这一事件中出尽风头的 CAMMAX 软件就是一种数控模块。 PRO/E 的数控模块包括 ： PRO/CASTING( 铸造模具设计 )、 PRO/MFG( 电加 )、PRO/MOLDESIGN(塑料模具设计 )、 PRO/NC-CHECK (NC 仿真 )、 PRO/NCPOST(CNC 程序生成 )、 PRO/SHEETMETAL(钣金 设计 )。 5) 数据管理 (PDM)模块 Pro/E 的数据管理模块就像一位保健医生，它在计算机上对产品性能进行测试仿真，XXXXXXX 大学毕业设计 9 找出造成 产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障，改进产品设计。它就像Pro/E 家庭的一个大管家，将触角伸到每一个任务模块。并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。这个管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。 它包括 ： PRO/PDM(数据管理 )、 PRO/REVIEW(模型图纸评估 )。 6) 数据交换 (Geometry Translator)模块 在实际中还存在一些别的 CAD 系统，如 UGH、 EUCLID、 CIMATRTON、 MDT 等，由于它们门户有别， 所以自己的数据都难以被对方所识别。但在实际工作中，往往需要接受别的 CAD 数据。这时几何数据交换模块就会发挥作用。 Pro/E 中几何数据交换模块有好几个，如 :PRO/CAT(PRO/E 和 CATIA 的数据交换 )、PRO/CDT(二维工程图接口 )、 PRO/DATA FOR PDGS (PRO/E 和福特汽车设计软件的接口 )、PRO/DEVELOP(PRO/E 软 件 开 发 ) 、 PRO/DRAW( 二 维 数 据 库 数 据 输 入 ) 、PRO/INTERFACE( 工 业 标 准 数 据 交 换 格 式 扩 充 ) 、 PRO/INTERFACEFOR STEP (STEP/IS010303 数据和 PRONE 交换 ) 、 PRO/LEGACY( 线架 / 曲 面 维 护 ) 、PRO/LIBRARYACCESS (PRO/E 模型数据库进入 )、 PRO/POLT (HPGL/POSTSCRIPTA 数据输出 ) 6 2.1.2 Pro/E功能 简介 Pro/ENGINEE 软件的基本功能体现在以下几个方面： a） 零件设计 1) 生成草图特征、 包括凸台、凹槽以及冲压的、旋转的、沿二维草图扫掠过的槽 或两个平行 截面间拼合的槽。 2) 生成标准特征， 包括孔、倒角、圆角、壳、规则图、法兰盘、棱等。 3) 草图装饰特征。 4) 生成参考基准面、轴、点、曲线、坐标、以及非实体参考基准的图。 5) 修改、删除、压缩、重定义和重排列特征以及只读特征。 6) 通过向系列表中添加尺寸生成表驱动零件。 7) 产生工程信息，包括零件 的质量特性、相交截面模型、参考尺寸。 8) 在模型上生成几何拓扑 关系的曲面及粗糙度。 9) 在模型上给定密度、单位、材料特性或用户 专用的质量特性。 XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 10 10) 可以通过 Pro/FEATURE 定义高级特征以增强系统功能。 b) 装配设计 1) 使用贴合 （ mate） 、插入 （ Insert）、 对齐 （ Align） 等命令生成装配和子装配，最终 生成整个产品的装配。 2) 从一个装配中拆开装配的组件。 3) 修改装配时设置的偏移。 4) 生成和修改装配的基准面、坐标系和剖面图。 5) 修改装配模型中的零件尺寸。 6) 产生工程信息、材料清单、参考尺寸和装配质量等特性参数。 7) 可通过 Pro/ASSEMBLY 进行复杂、大型的装配设计以增强系统功 能。 c) 设计文档 1) 生成多种类型的工程图，包括总图、投影图、附属图、细节图、分解图、局部图 和透视图。 2) 完成对扩大视图的修改，包括视图比例和局部边界或细节图的修改，增加投影图、 剖面图的箭头和生成快照图。 3) 用多模型生成绘图，从绘图中删除一个模型，对当前绘图模型进行设置和增加亮度。 4) 用草图作为参数绘图格式。 5) 操作方式包括显示、擦除、开关视图、触发箭头、移动尺寸、文本或附加点。 6) 修改尺寸值和数字数据。 7) 生成显示、 移动、擦除、和用于标准注释和开关视图。 8) 包括在绘图注释中己有的几何关系。 9) 更新几何模型的组成设计。 10) 专门绘图的 IGES 文件。 11) 对标志绘图指示作更改。 12) 通过 Pro/DETA I L 进行细节设计以增加系统绘图功能。 d) 通用功能 1) 数据库管理命令。 2) 在层和显示层上放置零件的层控制。 XXXXXXX 大学毕业设计 11 3) 用于距离的测量，几何角度、间隙和在零件间以及装配时的干涉检查。 4) 对于扫视、变焦距、旋转、阴影、重新定 位模型和绘图的观察能力。 2.2 基于 Pro/E 的装配 2.2.1 装配的方法分类 Pro/E 虚拟装配设计有自底向上 （ Bottom-up） 设计和自顶向下 （ Top-down） 设计两种。其中前者是指在设计过程中，先设计单个零部件，在此基础上进行装配生成总体设计。这种装配建模需要设计人员交互的给定配合构件之间的配合约束关系，然后由 Pro/E 系统自动计算构件的转移矩阵，并实现虚拟装配。然而，交互给定构件之间的配合约束关系不仅费事，并且当构件之间的配合较多时，容易出现约束不当或约束出错等的情况。也只有在进行装 配时才能发现零件设计是否合理，一旦发现问题，就要对零件重新设计，重新装配，再发现问题再进行修改，而 Top-down 的设计方式正避免了以上缺点，可以方便、直接的进行设计 。 Top-down 的设计方法是指在装配环境中创建与其它部件相关的部件模型，是在装配部件的顶级向下产生子装配和零件的装配设计方法。即先由产品的大致形状特征对整体进行设计，然后根据装配情况对零件进行详细的设计 7 。这种设计方法是一个由粗入精的过程，多用于全新的开发过程，可以保证设计出的产品相互间有一个合理 的位置。基于 Top-down的装配设计技术也与工程实际相符合，而 Pro/E 的装配建模技术完全支持 Top-down 的设计方法 。 在设计应用的过程中，发现基于 Top-down 生成的装配体由于构件之间不是以配合约束关系联系在一起的，因而不支持设计后的约束驱动修改，对于后期的设计验证造成一定的困难。为了让基于 Top-down 虚拟装配技术设计的产品方便支持后期的开发和研究，本文在此基础上提出在产品设计的同时让 PRO/E 系统完成配合约束的识别，动态维护该约束，从而改善在虚拟环境下基于 Top-down 的产品虚拟装配设计。 2.2.2虚拟装配体系的要求 建立虚拟装配体系是一个很重要的工作，它应能体现装配过程中的各个方面，应能实现以下功能 : 1) 体现产品的功能要求，这是十分重要的，因为一个产品，如果功能不能实现，其 它将无从谈起。 2) 应能对装配进行评价，指出装配方法的优劣。 XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 12 3) 能够满足并行工程的需要。 4) 能够使装配的产品系列化，以适应市场。 虚拟装配体系的建立过程 : 1) 建立产品的装配模型。 2) 规划产品的装配顺序。 3) 规划每个产品装配的路径。 4) 对产品的可装配性进行 评价。 2.3 Pro/E 的运动仿真 PRO/ MECHANICA MOTION 模块 ， 是一个完整的三维实体静力学、运动学、动力学和逆动力学仿真与优化设计模块 ， 是机构运动分析强有力的工具。 在装配设计中，确定零件间运动关系，给定主动件的运动，可以模拟显示整个机构的运动，通过动态仿真可以检查机器各零部件间的位置约束和运动关系的正确性。 在 PRO/E 操作界面就可以使用集成的 PRO/ MECHANICA MOTION 中的函数机械系统运动仿真的一般过程如图 2-1 所示。 图 2.1 机械系统运动仿真过程图 Fig.2.1 Mechanical system simulation process map 总体方案设计主要是利用已知条件 ， 以及希望达到的目的或机械应实现的功能 ， 进行机械的全局设计 ， 在头脑中构思形成比较完善的设计方案 8 。 1) 建立运动模型是指进行机械各部分的具体设计 ， 首先确定各零件的形状、结构、尺寸和公差等 ， 并在计算机上进行二维绘图和三维实体造型 ， 然后通过装配模块完成各零XXXXXXX 大学毕业设计 13 件的组装 ， 形成整机。装配是运动仿真的前提保障 ， 装配关系的正确与否直接影响着运动仿真的结果 ， 装配前首先要确定运动的各构件以及各构件之间的运动副。确定好各构件及各构件之间的运动副之后 ， 即可通过选择构件和运动副组成机 构 ， 最后由各机构组成整机。并为仿真做 准备。 2) 设置运动环境 是定义机械系统运动所必需的各种条件 ， 比如 :运动的动力源 ， 初始位置和状态等。在复杂的机械系统中 ， 要定义多重的动力驱动 ， 并要定义不同驱动之间的大小方向等的关系 ， 还要约束机构的最大和最小运动极限 ， 使系统能在合理的范围中运动。在已建立运动模型的基础上 ， 此步骤将赋予模型运动的属性。系统将在此定义下完成要求的运动。分析运动机构是定义要分析的 属性。在 PRO/ M 中包括装配分 析 、 速度分 析 、 静态分 析 、 运动分析等多种分析类型。通过对系统的各种动态分析 ， 可迅速得到相关的信息 ，以此设计和完善构件。获取分析结果是将分析的结果通过可视化的方法表现出来 ， 主要包括运动回放 ， 可分析干涉检验 ， 运动包络等 。 还可测量系统中需要跟踪的参数 ， 并将其变化趋势通过图表的形式直观的表现出来。 3) 分析运动机构 分析运动机构是定义要分析的属性。在 PRO/M 之中包含装配分析、速度分析、静态分析、运动分析等分析类型。通过对系统的各种动态分析，可以迅速得到相关信息，以此设计 和完善构件。 在整个机械系统运动仿真的过程中 ， 各步骤之间并非绝对的线性或单方面 ， 而是相互关联和影响的 ， 通过分析反馈信息 ， 完善运动模型 ， 变化运动环境 ， 以及分析的结果对比 ，各步骤之间综合的调整和作用 ， 才会使最终结果趋向满意。 XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 14 3 基于 PRO/E 的自动送料装置的虚拟装配及运动分析 本章对送料装置的料库、传动装置 以及座架进行设计、建模，和装配，尤其是对传动装置的仿真运动分析和干涉检查，以充分体现 PRO/E 在设计过程中相对传统设计的优势。并且深入研究 PRO/E 的分层装配技术，以及这些技术在 中型功能体的虚拟装配 中的应用 。 3.1 送料装置 简介 本机构采用伺服电机带动丝杠转动，以带动传动机构工作 ，并且使 料库的 同传动装置一起来回 往复运动， 经过计算和调整，可使散热器的芯体精确的送到工作台排齐机构的两个梳齿之间，以便进行排齐工作和以后的压装扩口 。而且通过激光记数器可以控制每次料库的行程，这些工作都可以由电路控制系统来完成，以大大简化 操作，增强设备的自动化程度。 3.1.1 主要参数的选取与设定 1) 电机的选择 按照已设计的机械结构，我们选定某国产 的 交流感应伺服电机 ， 该电机 具有优越的伺服性能、更多的规 格范围、精致的全规格制模外壳，中 、低惯量规格选择， 其中我们选取其基准转速为 n=750 转 /分钟、功率 1.2KW、 扭矩范围 8-45Nm。 该型号电机的特点： a) 力矩特性强劲有力，在基准转速点的转矩过载系数 2.8 倍 ， 基点以下为恒转矩特性，基点以上可达 2-3 倍功率恒定区域，可以支持快速加减速的力矩要求。 b) 接近线性化设计，力矩 /电流 CONST，便于控制和载荷力矩判定。 c) 采 用 低惯量设计，部分机种有二种惯量设计（低 、 中惯量），以支持高动态响应 d) 全封闭自制冷却风机， F 级、 IP54，高防护 、高可靠性、长寿命、使用 安全 。 e) 编码器机械接口标准化设计，确保 PG 与主轴同心度，编码器输出线采用专用接线端子，连接可靠便于接线，在结构上保证可靠屏蔽，避免干扰。 2) 我们设定丝杠的导程为 L=0.9mm， 为了提高传动效率，采用多线螺纹，设定丝杠的螺旋线数为 3，可得送料机构的往复运动速度为 V=nL/60=（ 750*0.9） /60=11.25mm/s 3) 齿轮、齿条设计 选定齿轮的模数 m=1.5，齿轮（一）的齿数 Z1 =22， 分度圆直径 d=33mm；如图 3-1： XXXXXXX 大学毕业设计 15 图 3-1 齿轮（一） Fig 3-1 Gear（一） 我们已经知道， 齿轮（一）与齿条的相对速度为 11.25mm/s， 可知传动轴的转动速度 n1 =11.25/33=0.34 转 /秒； 齿轮（二）与齿轮（一） 参数相同； 齿轮（三）的模数 m=1.5，齿数 Z2 =176，分度圆直径 d=260mm；如图 3-2： 图 3-2 齿轮（三 ） Fig 3-2 Gear（三） 齿轮（二）与齿轮（一）的传动比 i=33/264=1/8； XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 16 可得曲柄的转速为 : n3=0.34*8=2.72 转 /秒； 则每两个翅片之间的间距为： l=11.25/2.72=4.12mm； 不过这只是送料装置的送料的速度，翅片的间距最终由排齐机构的梳齿决定，送料装置的任务是将翅片送入两个梳齿之间，以后的装配工作由其他机构完成。 3.1.2 各部件概述 1) 料库部分设计 料库采用固定式设计，即料库被固定在传动机构的前梁上，随传动机构在主卡紧装置的上方做往复运动， 散热器的芯体被放入料库的滑轨中，由传动装置的落料杆压入左 右排齐机构的梳齿中 。 2) 传动结构的设计 传动机构的设计是整个送料装置的关键部分，因为它决定了料库的行走速度、落料的频率，而且它的精度直接影响整个设备的工作，因此要精确的计算齿轮之间、齿轮和齿条以及丝杠和送料机构运动之间的传动比关系，以保证送料机构与左（右）排齐 机构和主卡紧装置之间的配合。 3) 左（右）座架的设计 左（右）座架是传动机构的支撑部分，其上装配有滑轨、滑块，可保证传动机构的往复运动，另外也可在座架上装配控制系统，方便操作人员的控制，而且整个送料装置的动力 电动机，也装配在右座架上 。 3.2 装配 3.2.1 装配方法 本次装配属中型装配体，因此其涉及的零部件数量和种类都很多，如果我们 不加分类地将所有零件装入同一个装配体的话，那么装配过程将十分烦琐，而且这样装配的思路也不够清晰，因此我们就需要采用一种合理的方法来对送料装置进行装配。 我们都知道在设计过程中，设计方法有 自底向上（ Bottom-up）设计和自顶向下（ Top-down）设计两种 ，被我们经常采用的设计方法是第二种 自顶向下（ Top-down）设计的方法，当我们设计完成之后 ， 进行装配的时候 ， 通常被我采用的则是 自底向上（ Bottom-up）的进行装配 。 此外在 PRO/E 环境下，如果我们装配到装配体中的零件数量过多的话， PRO/E 就会将装配关系按照装配时的先后顺序依次添加到此装配组中，所以在单个零件的基础上进XXXXXXX 大学毕业设计 17 行整台机械设备的装配时，就会造成装配关系过大，不利于设计人员对装配关系进行编辑和修改。 而且如果我们在装配的时候，以零件为单位依次添加装配关系，那么当别人想要修改此设计时，所有的装配工作就基本上要从头开始了，这样的设计通用是很差的，在设计过 图 3-3Down-Top 设计方法 Fig.3-3 Down-Top Design Method 程中，我们总是希望自己的设计具有很强的通用性，以便在以后的设计中 能够重复利用已有的设计结果，减少重复劳动、减少装配设计时间 、降低失误次数、提高设计效率 。如果我们能够从一个个的小部件开始装配，那么在以后的设计过程能中我们就有机会重复利用这样的小部件。 3.2.2 各部件装配 图 根据 自底向上（ Bottom-up） 的装配方法，下面我们自动将送料装置有单个组装成小功能体，在有一个个具有一定功能的部件最终组装成为总体，即总体装配的图样。 1) 料库 料库的功能是存放散热器的芯体， 它由 左（右）支架、挡板、横梁、轴、卡环、限位块、外挡板、可调挡板、左（右）套、铜套等 19 个零件一些其他的螺栓螺母等国家标准件组成。 如图 3-4： 2） 传动机构 在前面的篇幅中我们已经谈过，传动机构是整个自动送料装置的关键部件，而且直接影响整台设备的工作，因为它的各种运动需要与其他部件相配合，比如要通过它精确地 将散热器芯体送入左（右）排齐机构的两个叔齿之间，然后才能进行以后的排齐、 压装扩口、钎焊等工作 。 送料机构由齿轮（一）、半联轴器、连杆轴、垫圈、传动轴、连杆、落料杆、衬套、 XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 18 曲柄、紧定法兰套等 32 个零件以及其他螺母螺栓等国家标准零件组成。如图 3-5： 图 3-4 料库装配图 Fig3-4 Material Database assemble 图： 3-5 送料机构 Fig3-5 Taking materials Device assemble 因为此装配体较大，我们特意将送料机构的局部放大，以便能更清晰的看到送料机构XXXXXXX 大学毕业设计 19 的组成结构和工作原理，如图 3-6 与图 3-7： 图 3-6：落料杆 Fig3-6: Blanking Kon 图 3-7：啮合齿轮 Fig3-7: Meshing gear XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 20 3) 右座架 右座架被固定在床身上，它的功能是与左座架一起支撑送料机构和料库，并且其上固定有滑轨，通过滑轨可使送料机构在其上做往复运动，整个送料装置的动力源 电动机，就是被装在右座架上，电机的工作可以受设备的 PLC 自动控制，也可以进行人 工控制，如图 3-8 所示： 图 3-8 右座架 Fig3-8 right Pedestal 为了能更清晰的看到送料机构的组成结构和工作原理，我们将此组件局部放大，入图3-9 所示： 图 3-9 局部放大图 Fig3-9 Local Click XXXXXXX 大学毕业设计 21 4) 左座架 左座架的作用与右座架大致相同，不过左座架 与右座架一起 只是单纯的起支撑作用，如图 3-10 所示： 图 3-10 左座架 Fig3-10 Left Pedestal 通过以上四个较大部件的装配完成，下面我们就可以将这些部件组装到一起，完成 整个自动送料装置的装 配，一些不十分的清晰的地方，之前已经做过局部放大，可供参照，在此就不在赘诉，如图 3-11 所示： 图 3-11 总装图 Fig3-11 the overall assemble diagram XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 22 3.3 运动分析 在 Pro/E 的装配模块中对机构进行组装然后转入 Pro/Mechanism 中进行仿真分析，由于机构比较复杂、可能出现的错误比较多，所以采用部分装配再仿真、分析，仿真、分析数据正确后再加入新部件，再分析 、仿真的方法逐渐由部分到整体的实现送料装置模型的正确建立 9 。 机构运动包括自由度的计算、各个构件位移、速度和加速度的计算以及构件会不会干涉、还有如何改变构件的尺寸来满足设计的需要等内容。 3.3.1 MXD 的操作流程 1) 以 connections 方式建立欲分析的机构组装 。 2) 补足相关的运动配合条件 。 3) 设定初始位置 。 4) 加入驱动条件 （ 让机构产生动作，必须加入动力条件 ） 。 5) 设定分析条件并仿真 。 6) 播放、输出分析结果 。 3.3.2仿真制作和 运动干涉检查 机构的仿真是建立在装配的基础上来完成的， 我们知道机构运动的运动副 虽然不 是在装配 的过程中定义的， 但是在装配的时候我们必须设定好机构的自由度，结构才能正常运转， 装配的时候我们可以选择放置的装配方式，也可以选择连接的方式来对自动送料机构进行装配。 二者的区别是：如果进行放置装配的话，那么这个装配的零件是不能动的，如果用连接的方式进行装配的话，那么给机构加一个动力源的话就 会按照我们定义的方式进行运动， 我们所说的运动副就是用连接的装配方式进行定义的 10 。 如图 3-12 和图 3-13 所示： 当我们以 connections 方式建立欲分析的机构组装 以后，就需要定义必要的运动副，在自动送料装置的仿真中， 存在转动副、移动副等，以销钉、滑块作为连接方式。其工作原理是 当右座架上的电机工作时带动丝杠转动，使送料机构沿着座架上的滑轨移动，带动送料机构上的齿轮旋转，然后通过曲柄将转动最终转化为落料杆的上下往复运动，达到送料的目的 . 1) 定义运动副：由于篇幅限制的原因，我们只列举性的说明齿轮副的定义方法： 首先选择“应用程序” “机构”，进入机构模式； XXXXXXX 大学毕业设计 23 图 3-12 放置装配 图 3-13 连接装配 Fig 3-12 Placing assembly Fig 3-13 Link assembly 选择 图标，进行齿轮副的定义，我们新建一个齿轮副， 我们必须定义齿轮 （ 一 ）与齿轮 （ 二 ） 的连接轴（即定义齿轮主体），以及两个齿轮的节圆直径大小，另外如果我们要定义齿轮和齿条的齿轮副的话，只需将 “类型”改为“齿轮和齿条”即可， 如图 3-14： 图 3-14 定义齿轮副 Fig 3-14Definition gear XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 24 2） 定义动力源 选择 按钮， 定义连接轴、运动的形式，比如位置、速度、加速度等。如图 3-15 所示： 图 3-15 定义动力源 Fig 3-15 Power Source Definition 3） 运动仿真 当初始条件设定好以后，我们就可以进行机构运动的仿真了，不过为了方便起见，一般都要对机构进行快照，选择 按钮即可进行定义，在这里我 们就不再赘述。 选择 按钮就可以对机构进行运动学、动态、静态分析，这里我们只进行运动学的分析，其中我们需要定义的是：机构运动一个周期的时间的长短、间隔时间，祯频的大小等，如图 3-16： 另外我们还可以将仿真过程录制 mpg 文件，在其他的视频软件上播放。 3.4 干涉检查 在进行总布置设计时，一项重要的工作就是对各相对运 动的零部件进行运动校核。其中包括 齿轮或曲柄 的运动干涉情况。在 Pro/ENGINEER 中，干涉检查是静态的，只有当用户发出命令时才进行。但可以通过 Analysis 中的 Modle Analysis 来输入一定参数，从而进行初步分析 11 。 XXXXXXX 大学毕业设计 25 图 3-16 运动分析 Fig 3-16 Motion Analysis 我们用回放以前运动分析的功能就可进行机构仿真干涉的检查，点击 ，选择一个运动分析，我们可以让 Pro/E 进行无干涉检查回放，两个零件的干涉检查以及全局的干涉检查回放，如图 3-17： 3.5 生成工程 图 Pro/ENGINEER 中提供了相应的功能模块来创建三维实体零件所对应的各种工程图。工程图中的各个视图以及三维实体都是相互关联的 ，如果在一个视图中修改了尺寸，那么所有视图、实体模型中的相关部分都会被更新并且重新生成，反之亦然。各种尺寸标注、注释、表格和文本等都可以经过约定和共用模板进行操作。完成三维模型建模，确定各部件总成状态后，就可以从整车模型中取出所需的零件、部件的三维模型，并转化为二维工程图，同时，分总成可以通过建立连接关系，自动生成相应的明细表。 下图为自动送料装置的工程图： XX：基于 PRO/E 的自动送料 机构 的仿真 26 图 3-17 干涉检查 Fig 3-17 Interference Detection 6 6 7 1 0 0110412122 0 6 2406行程7506203 03 0101.5420168.1251.94570500178.52 32 51 6 2 . 53 4 92 52 4 4 07 8 72 1 6 8 . 55 08 02080298653 07 21 0 1 51 4 9 51959 5 7 . 51 0 0