钻孔组合机床多轴箱计算机辅助设计_CAD_系统_孙德多.pdf

钻孔组合机床多轴箱计算机 辅助设计 系统 机械工业 部北京机械工业 自动 化所 孙德多 提要 在现代技术中采用电子计算机进行机械产品设计以改变传统的人工设计 方法提高设计效率是国内外机械工业自动化的重要发展方向 本文所介绍的钻孔组 合机床多轴箱 系统系较为完善的大型计算机应用软件系统 一 文中概要地介绍 了这一系统的构成与其功能以及软件设计的具体思 想 方法和步骤等 同时实现 了 光笔图形显示 数据库和 自动绘图等技术在设计 中的具体应用 这对于从事有关工 作的工程技术人员以及开展有关计算机辅助设计工作都有一定的参考价值 一 概述 笔图形显示系统 传动件设计与校核计 算系统 数据库系统 和 自动绘图系 统 等 见图 所组成 计算机辅助设计系统几经周折 终因其 有效性和受计算机系统发展的推动 正以建 筑工业 矿业和 制造工业为中心而 迅速普及 由于它具有缩短设计周期 提高产品质量 降低生产成本 节约宝贵的人力资源以及能 够更及时更可靠更经济地提供更加完善的文 件资料等优点 因此越来越受到重视并已成 为计算机应用的一个十分重要的方面 本文所介绍的 钻 孔 组合机床多轴箱 系统 系国内机床制造 业中第一个交 互式 系统 已于 年 月通过 了部级 鉴定 本系统研制的负责单位有 上海交通 大学 机械部自动化研究所和大连组合机床 研究所等 参加单位有 上海机电设计研究 院 清华大学 机械部第三设计研究院和大 连机床厂等 主要研制者有二十余人 在大 家通力协作下 研制成了该大型计算机应用 软件系统 它主要由五个子 系统组成 即由 钻孔组合机床多轴箱传动系 统 光 图 系统的组成 该系统先后通过了十一个设计实例的考 验 系统稳定而可靠 证明了五个子系统的 构成是科学的 完备的 设计思想是正确的 而且实践证明 确实起到了缩短设计周期 提高设计质量 使用现代的设计理论和方法 把设计人员从传统的设计方法 中和传统的手 工作业中解脱出来的作用 本系统的研制成功 大大地缩短了我国 机床 方面与国外先进水平 的差 距 填 补了国内空白 为发展 技 术作出了较 大的贡献 组含机未 在汽 乍 拖拉机和轻工产品生 决 预咬 是保证 二 一 歇 提高生产效率不 可 缺今的 键性没价 因为我网袱械加工行 业具 汀 口八小 万 多 的特点 听以组合机 术具仃很 阔 的发展前途翔应用范围 但是 日前组合机床 的设计 仍处于半经验设计阶 段 这与其 少 最火 供货期短和一 次性设 计 一 川州月 造 一次们成功 只 及 加工精度 要求不断提 高等是极不 相称的 因此 组合 机床 采月 技术具有十分重要 的意义 组合机床多轴箱 八 苏联明斯克设计 局于六十年代就开始了研究 并在设计工作 户 得到 了应用 之后 美国英格索尔 莱姆 和克分斯等 组合机床公 司 日本新泻铁工所 护田公司以及西德胡莱公司等都相继 研究出 自己的系统 在整台组合机床设计过程中 多轴箱需 要按所加工工件和工 艺要求进行专门设计 这是组合机床设计工作 中耗时最多 的一个关 键性环 了 定的工作让仙仁大 同时 要满足乞 构卜和传动卜的要求 一与限耀 冬 如 果亨巴多轴箱传功系统 以分析和描述 即把驱动酚叭 个工作主轴视为叶子结点 其他中间 抽或称 传动油视为中凤结点 何一对 啮合齿轮按其 传动拜线表 示结点间 的从 关系 则传动 燕 统即是由这典结点集合所构成的休现了 次 关 系的传动树形图 如图 所示 二 传动系统 护护护 晖晖晖 翼翼 阅阅阅户构 构构构 叼叼叼叼叼叼日 日日日 叭 戈戈 玫玫玫 在设计组合机床之初首先确定一系列设 计参数 如主轴或刀具的转速 进给量 切 肖 厚度 生产率 精度等 这些是决定机床 工作性能的基本参数 在利用计算机进行红 合机床多轴箱捕助设计时 除上述数 据外 还妥根据总体设计方案所确定 的工序图 工 件装料高度 切削长度 工序节拍时间以及 钻孔 或扩孔直径等原始资料 再由计算机自 功计算传动系统设计所必须 的各种数据 如 计算切削用量 动力参数和结构参数 一 计算 坐标尺寸以及通用部件的选择等 做好了这 些 准备工作后 刁能进行传动系统设计 所谓传动系统设计 简单地说即是从组 合机床动力箱驱动袖出发 通 过齿轮逐级传 动渺动力按所需转速和转向要求 传递到确 图 多轴箱传动系统及传动树形图 图 中 为根 结点 为 叶子结点 为中间结点 因为叶子 结点 间无连结 即不允许主轴带动主轴的情 况 因此它不是网而仅仅是树 如果我们从叶子结点出发 反向回溯列 根结点 其路径的确定即在 于布置和确定中 间结点 即中间轴 的个数与其坐标位置以 及选择什么样的中间结点 即齿轮的大小和 排次 在确定传动路线的同时进行校核计 算等 即完成 了传动系统的设计工作 对 于这样一个没计过程 关键在于中间 结点的确定 若没有其他约束条件限制 显 然所取得的设计方案不是唯一的 即使在同 一工艺要求下 由于设计者的设计经验和水 平不同会得出截然不同的设计方案 为此提出评价方案好坏的标准 即形成 评价函数以确定方案优化的具体目标 其目标规定为 一 中间传动轴 数尽 可能少 因为每 当减少一根中间轴 就可以减少轴 轴套 轴承等等许多传动件 并且减少多轴箱的膛 孔加工数 缩短了传动过程 提高了传动效 率和传动精度 二 齿轮个数尽可能少 齿轮个数少 不仅可以保证齿轮的总面积最小 而且可节 省齿轮用料 另外 为了改善传动质量 要 求齿轮的单级速比接近于 在零件的品种 规格上尽量减少 以尽可能地采用标准件 这对生产和管理都将带来很大的方便 其约束条件为 一 传动关系方面的约束 一对啮合齿轮的传动关系 一对啮合齿轮的啮合中心距关系 单级速比限制 主轴转速允差 主轴转向必 须一致 主轴一般不带动主轴 二 几何关系的约束 同排非啮合齿轮不相碰 齿轮齿顶不碰轴 轴套及箱体壁 轴承外径不相碰或主轴采用滚 针轴 承时允许错开布置等 三 传动特性方 面的约束 最小齿轮齿数限制 齿轮轮齿弯曲强度和接触强度限 制 轴的 强度和刚度限制等 四 其他 规定齿轮设计排次最多为四排 驱动轴 齿轮最多只能与两个被动齿轮啮合 齿宽均 采用 毫米等 至 此 问题似乎变成了在一定的约束条 件下 求解评价函数的最佳值问题 对于这 类问题无论从经典极值理论或是用最优化技 术都不难处理 但是 经过多年的探讨和 研 究说明 组合机床多轴箱传动系统的传劝捉 律异常复杂 以致难以用数 学方法描 述成只 式 的或 隐式的解析表达式 即使是统计方而 的规律也找不 到 纵观设计的全过程我们发现 每当采 仔 一定的设计方法确定和选择一个 中间袖后 则下步设计就要从新的初始条件开始 而为 保证总体方案最佳 就要求在设计过程中对 每一设计阶段都要考虑最佳决策 也就 是说 传动系统设计最佳决策是 由一 连串部分决策 好几个阶段一 只 或层次的决策 所构 成的 而处理这类问题 的 方法称动态规划 了 只 在实际工作中我们不 是按常规的处理动 态规划的方法 而是采用其决策思想 构造 成一 些标准的设计模块并加之 人机交互设计 手段实现的 设计结果保证方案较佳 不是 最佳 并大大地提高 了设计效率 从而体 现了实用效果 传动系统的基本设计方法是将一个多 轴 多齿轮 多排次 的复杂齿轮传功机构分 解成若千组二个己知轴间的连 接 并 最 后将 吻 尹 声 图 轴间连接方法 其连成一个 总体 设已知 二轴 八为出发轴 为目 标轴 设计就在 二轴间进行 它具有 三种基本的连接方式 见图 即 图 表示转 向相反的二个近 轴间的直接连接 图 表示转向相同的二个近 轴用一个新轴 连接的 一 带二 图 表示从 轴出发 设置 若干中间轴逼向目标轴的 多带二 述三种基本连接方式的组合使用 可 以形成其它复杂的轴集或小链传动结构 例 如用一中间轴连 接 三轴可以看 成 是先用 中间轴连接 和 轴 一带二 然 后 再将此 中间轴 与 轴通过一 定的约束和 限制 进行 直接连 可以说 一带花 就 是 一 带二 和 直接连 的 组合 见图 髻己 书 产 洲 尹 斗 牡 翻 斗 声 丫 心闷 曰 内 丫 盏 门 乙汁 内 声 妇 浅工 幼 门 口 了 在 一 带三 设计成功的基础上 从近 到远找 与中伺袖转向相反的其它轴进行 连接没计 因而可设计出 一带四 一 带五 等各种 一轴 带多轴 的设计 这就 是 一带多 的形成和扩大 如图 根据主轴的分布状态与特点 用二维搜 索的方法 在一定的距离范围内可以将它们 分解为若干个模块的传动组合 规则的如圆 周分布或等 腰梯形分布 这属于共圆点的分 布 不规则的则是几个近轴的 任意 分 布 然 后设置一个中间轴作为公用轴 通过 若干对 齿轮 将它们带动 起来 形成一个 轴 集 这样做本身就体现了 一 带多 的 优化目标 铀集设计完成后 再逐步将 轴集 与 绷 集 之间进 行连接 形成 传动小链 而传功小链间不斯连接 将最终完成传动系 统 的没 不 为了达 到抽数 最少 的优化口标 可按图 图 一 带 多 的 代成 归锡 了 车 传 羚 了 链 斗环 遵循 连接 连接 多连接的 优先数大小来组织轴集或小链间的连接 传动系统的设计过程如图 所示 其程 序设计框图见图 三 光笔图形 显示系统 光笔图形显示装置是一种人 一机交互型 计算机输入输出的外部设备 如图 所示 光笔显示技术 是 技术中很重要的一 个 组成部分 图 多轴 箱传动系统设计过 程 图 设设设设设设设设设设设设设设设设设计阶段升级 非妞娜 主轴 转动 动 甸甸甸甸甸甸甸甸甸甸甸甸甸甸甸甸甸专动轴 肉傲传 传 动动轴洲取 专动袖 户户 色色努梦州 散主抽抽 人人 卫二袖连 接接 嗯嗯嗯嗯嗯嗯嗯嗯嗯嗯嗯嗯嗯嗯 聪聪聪聪聪聪聪聪聪聪聪聪聪鹏 祝祝川主轴轴集解体体体体体体体体体体 卜卜卜卜卜卜卜森德 欲外 外 口口币不不不不 次 拟 令 令 絮絮梁湍 耐渝 口企诸诸厄饭砚 砚 器器 肠获翎翎棒 溺溺 外外存贮器器 二二 主机机机人 机对话话 型型型型型型 设备备 图 人一 机 对话 型 系统便件组成简图 设计程序框图 通过光笔图形显示装置 设计者所 设计 的中间结果和最终结果 将以字符和图形的 形式 在荧光屏上 显现 出来 利用光笔和键 盘等人 一 机对话设备 对所显示的图象实时 地进行增删和修改 这种直观 地 图形和字符 显示 可使设计者的思考能力与计算机高速 运算有机地结合起来 这对指示 设计方向 寻找最佳设计方案 提高设计质量和缩短设 月周期起着重要作用 在传动系统设计过程中 一进入光笔显 示状态 就可以将当前设计结果 按光笔装 置的基本图形元素和各种子图形或它们的组 合在屏上 显示 其工作过程如图 为了设计方便 可通过光笔点光钮的办 法查询任一齿轮的齿数 模数 排次 所在 轴号 轴径及转速等 在需要时 也可将图 形移动 放大或缩小 图 为传动系统设计 最终阶段光笔图形显示框图 图 为传动系 统设计最终显示实例 派派次显示已议汗齿轮和 和和和和和和和和 米米设计主轴位置置置显示主轴轴 位位位位位位位位位位位位位位置及轴号 号 万 气 学学 减减缈 赢赢 篡 显 示多轴箱体边框 图 传动系统设计最终显示实例 退退 出光笔显示状态态 图 图形显示 过程框图 四 传动件设计与校核 计算系统 读入议计扮果以及 魏据准备 乒示万号润钓 进入显示状 盔 二 勺二 确定比伪系致 势拍抽兮且示巷 没直 旦示 号铁抽母 捆李 初值卜 挑号通皿姐 旦示驭动钧上齿 枪及里动抽序乡 病 钩 二演乙磷 旦示多执摘 箱休边框 街枪旦匆值 二 通出基示状奋 界恕抒加 龚序号夕省笋异粗 少肯松属于工号抽乞 图 传动系坑设计址 终阶段光笔图形显 示框图 一般设计机床变速箱或组合机床多轴箱 或其它传动机构时 对传动件的设计 大多 通过 类比 方法来确定其参数 有时对个 别零件则通过估算来确定参数 这样 其设 计合理性就较差 尤其当缺少同类型机床类 比时 更难于合理设计 因此若能对每个传 动件 如齿轮 轴和轴承都进行严格的校核 计算而确定其参数 其设计合理性和可靠性 都将大大提高 一 齿轮校核计算 组合机床多轴箱中所采用的大多都是直 齿轮传动 对直齿轮强度的校核计算方法 通常是对其齿轮弯曲强度和接触强度作校核 计算 齿轮强度验算是首先计算出齿轮的弯曲 应力和接触应力所允许用的模数 然后将该 模数与齿轮原有的设计模数作对比来说明齿 轮强度是否合格 采用齿轮模数对比方法是 为 了便于 设计人员直接查阅 齿轮强度计算方法较多 其形式 和内容 都有一定的差异 我们曾对有关国家的标准 所介绍的齿轮强度计算公式作了对比分析 通过对具体数据计算发现 在同样工作条件 下 标准 标准所算出的齿轮 模数偏小 而我国现用的资料与 标 准算出的模数接近 但较 标准略大些 但总的看来 与我 国资 料算出的模数基本接近 其计算方法和计算 公式似都可采用 由于巧 标准考虑的间题 比较细致 以及在国际上已被各国逐渐采用 所以我们是采用 资 料进行齿轮校核计算 白 勺 二 轴的校核计算 为了校核计算轴的强度 必须先求出轴 两端的支反力 再通过判别轴的旋转方向 正确计算出轴的应力大小 在计算轴的刚度 时要算出轴上各处的挠度 以确定其最大挠 度发生子何处 所以采用了虚梁法计算 为 了仔细验算轴的刚度 计算了轴承处的扭转 角 最大挠距比 安装齿轮处 的转角 轴的 扭转角等 此外 对于键的 强度验算了剪切 应力 三 轴承校核计算 轴承校核计算方法也是采用 标准来 验算其工作寿命 对每一个轴承 如前轴承 后轴承 都进行了仔细计算 以保证多轴箱 工作 顺利进行 传动件通过上 述校核计算 如发现有某 些参数不合格 时 可 通过 电子计算机自动修 正 如发现齿轮的原设计模数不合格时 将 自动改变齿轮材料来修正 设计 当发现轴的 强度或刚度不足时 将自动增加轴的直径进 行修正 当发现轴承寿命低于规定要求时 将自动改变轴承的类型或尺寸 来提高其寿 价 四 千涉计算方面 通过严格计算逐一检查各传动件在空间 位置 是否 干涉 如有干涉时打 印出干涉量 提供设计者注意 或者进行 自功修正 如采 用减小轴的直径等方法来避见其发生 干涉 干涉检查项目主要有 每个轴承与其他轴承的外径之间 是否有干涉 各齿轮外径与各轴套之间是否有 干涉 侮个齿轮外径与其他齿轮之间是 否有 干涉 每个齿轮外径与多轴箱箱体内壁 之间是否有千涉等等 传动件的校核计算适用于下列恰况 标准直齿轮 分圆压力角为 齿 高系数为 径向间隙为 齿轮 材料为 钢 齿轮寿命为 小时 抽人数据 狄出每对咕合百轮 渔衰空间位 置干冲等 什算古轮参数 工 轴承外径之间于沙 俊崛外径与抽套之间千涉 齿轮轮缘耳度足够否 芸黯严鬓 聂 板查空闷欢盆千沙 翰出表 履轮琴致硬计与径恢计算表卜 盆 公轮外径之间的千诱 贾扮外径与粕体内璧之间的 早沙 卞卜算文 反力 二 蕊装 鬓矽 校伙轴强度与刚度心一 纂爱 式 霹岁戮 扭转用 跳 的贾切应卫 物比表吞 户彗纂藉褚黯离 摘出衷 轴的校核 计算鬓户 偏磊塌 蛛漏 蠕岔 露 图 传动件校核计算框图 标准直径 的轴 轴的应力盛 只 最大挠距比 鑫 轴承处转角墓 弧度 轴扭转角二 度 米 安装齿轮处转角鉴 弧度 键的剪切应 力鉴 轴承工作寿命为 小时 传动件校核计算框图如图 所示 五 数据库系统 在 系统中 不管处理哪一类工程 问题 都带有大量公式 经验曲线 一 手 册资料以及图形描述等数字的和非数字的数 据需要使用和处理 因此必 须要使用数据库 或用数据库方法 进行 数据处理 这将会给 系统的研究带来种种方便 因此数据 作在 中的应用是开发 系统的一个 一 卜分重要的研究课题 中数据库非 同于一般的 通用数据 库系统 它是面向 的 因此 这种数据 库的工作环境是特殊的 由于要求与 系 统联机运 行的特点 因此 数 据库管理系统 不可太复杂 庞大 以小型 简 单 功能强 专用为宜 一般 系统多 采 用F O R T R A N语 言 鉴于语言接口和编译 运行上的一致性 因此数据库采用主语言系统较为合适 在调 库方式上以 参数用户 方式为好 与C A D 系统间信息的交换和传送在用户工作区中 进行 在C A D中大量的数据资源 必须统一组 织 控制和管理 以达到数据共享 冗余度 小 以利于存贮空间有效利用 为了检索 数据而要求数据间要组织成一定的逻辑和物 理的结构关系 而对数据的增加 修改 检 索均要在统一的D BM S控制下进行 此外 还要具有数据库定义功能 管理 功能以及维护功能等 钻孔组合机床多轴 箱C A D中数据库是 一专用数据库系统 在 明确需求关系后 在 限定的工作环境下 经数据分析 确定数据 的逻辑和物理结构 通过作业控制语言加载 数据 完成建库工作 在此基础上 通过有 关设计参数信息调用数据库 由数据库控制 程序用关键字按层次结构和数据关系所提供 的查询 路径 控制 检索 管理所需的全部 数据 按设计要求 对数据进行加工 统计 造表等 由行式打印机输出轴给构装配表 组件明细表 基本件明细表 标准件明细表 和外购件明细表 以及有关箱体数据 数据 库子系统提供一套增 删 改命令以供对数 据库进行更新和维护 并具有恢复措施 数 据库既可与传动系统联机运行 又具有进行 脱机处理的功能 其适应性和实用性较强 对于 运行中出现的错误 数据库 提供 了 诊 断 处理措施并为保证运行可靠而设有数据 有效性检验等功能 本 系统采用层次模型 如图1 2所示 数据库中数据存取流程图如图1 3所示 图中 l 用户程序向数据库控制程序发出 调用数据库的命令 一一 二 三 排齿轮轮 悦悦悦悦悦悦悦悦悦悦悦件 件件 垫件 件 轴轴们们们套 宁 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 州州州州州州州 号号号名你你你材科科 材材料 料料料料料料料料料料料料料 图12数据层次结构示意图 命命令解好执丁了 代 r r r 参效分析 获证 带误处理 用用户砚笔布言言 r o住了R A及 植植写的戍川界序序 用用户工作区 区 图 3数据作中数据存取流程图 2 数据库控制程序分析调令 查看 数据物理存贮 空间 确定从辅存上存取所需 数据 3 数据库控制程序控制数据从数据 库传送到系统缓冲区 4 数据库控制程序分 析信息按用户 要求将数据信息 置 于用户工作区或按所选用 格式打印输出 5 数据库控制程序向用户程序提供 存取数据库数据 的信定 状 态 零件多层次分级方法作为装配体图形的基本 积木块 因此在构成零件图形时 不仅是子 图形的集合 而 且也可以是子 图形和元素的 复合 进而可推广于机械组件 部件直至整 个装配体图形的生成 二 装 配图的自动绘制 组合机床多轴箱传动系统装配图是采用 多层次结构的积 木块法 每一 积木块基本上 表示一个子 图形或零 件以及 它们 的复合图 形 因此对图形的各相应积木块 分别编制 出子程序 通过输入数据 以文件形式记入 磁鼓中 在联调时调用鼓中数据自动绘制出 主视图及展开图 整个装配图包含主视图 及展开图两部 分 主视图分为1 7个子程序 展开图分为4 8 个子程序 整个争程序组成子程序包 便于 以后扩充成图形库 例如主视图 其工作过 程如下 图 图14 所示 六 自动绘图系统 机械图样是机械设计和加工的必需文 件 研制 自动绘制机械图样已成为 目前C A D 和C A G D 计算机辅助几何设计 系统中不 可缺少的一个组 成部分 一 图样的表达方法 机械图样是表示一个物体采 用的一组适 当视图 一般均采用二维表示法 这种表示 方法是将各种视图经过剖析 分成点及元素 图元或字符 组 成子 图形 而 子 图形即是 由一 组元素组成的集合 机械图形的装配体 是一 组零件的有机组合 零件是装配体的基 本单元 各零件在装配体中可以将它们形成 一些组件 由此生成部件直至最后组成总装 配图 机械图样是在图形可分性基础上 按 图1 4主视图工作流程 此项应用对检索型C A D实现系列产品 自动绘图取得了一些成果 口前所建立的程 序包能检索十四种箱体零件及其配套零件 一百根轴以下任何方案的传动系统图 十二 种主轴部件及六十种中间轴部件 并打印出 箱体各零件明细表 功能较齐 能满足多轴 箱传动系统计算机辅助设计的需要 七 设计实例 通 过本系统调试的部分 设计实例的传动 系统见图15 图16 八 结束语 根据设计实例分析 本系统较之人工设 计效率有很大的提高 设计质量也较好 从 所调试的设计实例来看 每个多轴箱设计时 间约为6 7小时 设计效率较之人工设计 平均可提高十倍左右 如以每个分课题作比 10 图16 较 传动系统设计约需3 5 小时 可提高 效率五倍左右 自动绘图目前采用的是国产 MY B 一1型X一 Y绘 图机 速度为2 3米 分 绘图时间较长 但仍能提高效率五倍 左右 打印零件装配明细表平均只需要1 5分 钟 可提高效率4 0 5 0 倍 传动件校核计算 一般仅需1 0分钟 其计算量之大 是手工计 吃下转48页 六 几点意见 为了在我国实现四个现代化 在不断提 高经济效益 的前提下实现国家工农业总产值 翻两番的目标 大力推广应用各种类型 的计 算机管理系统是必然的趋势 为了促进 这项工作的顺利开展 根据苏 联的经验 下列间题值得重视 1 应当对计算机瞥理系统的开发工作 进行统筹安排 责成专门机构或科研设计单 位统一组 织设计和实施工作 2 按照不 同的生产类型进行系统典型 设计 3 及早着手研究计算机辅助设计计算 机管理 系统的工 作 多 4 设 立专业软件开发机构 类似苏联 的 中央程序系统 U eoT p o p or p a MM c c T e 负责协调软件系统的标准制订和软件