1.本站不保证该用户上传的文档完整性,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。

  中国地质大学(武汉)远程与继续教育学院 本科毕业论文(设计)指导教师指导意见表 学生姓名: 学号: 专业: 机械设计制造及其自动化 毕业设计(论文)题目: 牛头刨床主传动机构的运动学和动力学分析 指导教师意见:(请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义;文献资料的掌握;所用资料、实验结果和计算数据的可靠性;写作规范和逻辑性;文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。) 论文选题符合专业培养目标,工作量较大达到综合。全面综合运用知识能力较强。内容完整符合结构比较完整,格式规范,作者参考文献,资料掌握比较全面,的软件仿真过程和仿真结果应该减少摘抄的部分,所标注的引用文献应该按照实际情况。减少软件介绍部分的内容,而应该增加对软件仿真后的结果进行分析和论证,因为只是仿真了一下,而不对结果进行分析就没有实际意义了。将文中所标注的摘抄过多的部分进行修改,软件的介绍部分内容,增加三维建模如何将SolidworksAdams,以及对分析后的结果进行分析内容,格式上有公式需要重新书写,参考文献注意格式一致同一篇文章的内容摘抄过多,地方只是换了几个名词,建议将多余部分修改63 评阅结论: 修改后答辩()-9-30 论文原创性声明 本人郑重声明:本人所呈交的本科毕业论文《牛头刨床传动机构的运动学和动力学分析》,是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出,论文中的结论和结果为本人独立完成,不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。 本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范,没有侵权行为,并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者(签字): 日期:2014年9月10日 摘 要 牛头刨床作为一种主要用于刨削中小型工件上的平面、成形面和沟槽的机床,其传统的开发模式存在开发周期长、过程繁杂、成本过高、性能测试困难等问题。本文详细分析了CAD/CAM技术对于产品开发新技术的背景、特点以及现状,针对现有牛头刨床设计方法和验证手段存在的不足,在牛头刨床运动机构的设计过程中利用了CAD/CAM/CAE技术。 全文首先介绍了机械装配制造水平的重要性,分析了国内外的研究现状,论证了在牛头刨床主运动机构设计过程中利用先进设计及仿真软件的必要性。提出了本论文研究的主要内容。详细了解了牛头刨床的主要组成部分及功能,建立了主运动机构的数学模型,实现了工作原理和工艺动作过程。利用Solidwoks建立了牛头刨床主运动机构——曲柄摇杆机构的三维实体模型,并利用软件中的装配功能实现机构的装配和干涉检测;利用ADAMS软件导入前面的实体模型,并进行约束副添加、驱动力、工作阻力添加,随后进行了运动学仿真分析,获得了刨头的运动速度、加速度及位移曲线图,了解了其运动特性;最后利用ADAMS软件对曲柄摇杆机构进行了动力学分析,获取了驱动力矩、各转动副所受合力曲线图,进一步了解了各机构的受力情况,为主运动机构可靠性工作奠定了理论依据。 本文把Solidwoks及ADAMS虚拟样机软件引入到牛头刨床的研究中,展示了一种简捷、高效的机械设计分析手段,为牛头刨床的设计开发提供了一个新的平台。同时,也对设计同类机床具有一定的借鉴意义。 关键词:1、牛头刨床;2、主传动系统;3、Solidworks建模;4、ADAMS运动学分析;5、ADAMS动力学分析 目 录 一、绪论 3 (一)课题的研究背景及意义 3 (二)国内外研究现状 5 (三)本课题研究的主要内容 6 二、牛头刨床主运动机构方案分析与数学模型的建立 7 (一)牛头刨床使用功能描述 7 (二)牛头刨床的结构组成 7 (三)牛头刨床工作原理及工艺动作过程 8 (四)主运动机构方案分析 9 (五)主运动机构数学模型的建立 10 三、牛头刨床主运动机构实体模型的建立 12 (一)Solidwork软件介绍 12 (二)牛头刨床主运动机构零部件的Solidwork建模 13 (三)牛头刨床主运动机构装配 15 四、主运动机构运动学分析 17 (一)ADAMS软件概述 17 (二)牛头刨床主运动机构运动学分析 21 五、主运动机构动力学分析 27 (一)动力学方程的建立 27 (二)动力学分析 28 六、结论 32 致谢 33 参考文献 34 一、绪论 (一)课题的研究背景及意义 1、研究背景 装备制造业水平是现代国家经济和综合国力的基础,是一个国家经济发展的重要支柱,是国民收入的重要来源,是一个国家工业化程度的重要标志。随着科学技术的飞速发展,全球正在逐渐形成了一个统一的市场,结果导致了激烈的市场竞争,主要表现在客户需求不断变化、产品生命周期越来越短、产品更新换代越来越快、产品质量更高、价格越来越便宜、技术含量越来越高、服务越来越好。随着市场竞争越来越激烈和变化迅速,制造企业为了在竞争中求生存,必须尽力缩短产品开发周期和提高产品质量,以优良的性能价格比参与竞争[1]。 刨床作为最早的金属切削机床早已应用到生产中,机床是加工机器零件的主要设备,所以又被称为工作母机,由于它的母机性,它所负担的工作量占机器总制造工作量的40%-60%。机床的技术水平直接影响机械制造工业的产品质量。一个国家的机床工业的技术水平,在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。显然机床在国民经济现代化建设中起着很重大的作用。刨床因其结构简单,造价低廉但是生产率高等优点广泛应用于工厂加工中[2]。 随着我国市场经济的快速发展,特别是中国在加入了WTO以后,企业正面临着持续多变和无法预测的全球化市场竞争。目前,我国装备制造业发展滞后,产品可靠性差,成套能力弱的问题十分突出。必须尽快改变这种局面,提高重大装备研发设计能力、制造能力和集成能力,发展重大成套装备、高技术装备和高技术产业所需装备,推进装备制造业绿色化、信息化和国产化。要使中国的制造业在激烈竞争的市场环境中生存下来,并占有一席之地,企业就必须不断的革新和创造。新产品的开发是一个极其复杂的过程,传统的机构设计要历经很多环节,如明确设计任务、方案构思、初步设计、技术设计、样机试制试验以及反复修改实验数据等一系列繁琐复杂过程。整个设计过程时间长、效率低,尤其是样机的试制试验,更是一个消耗材料、加工设备、人力和时间等资源的过程。基于CAD/CAE/CAM软件技术[3],建立实体模型、仿真分析、运动学和动力学分析研究就是在这种状况下不断改进提出的。 随着现代科学技术的发展,工程设计及其研究工作已经开始从二维CAD设计发展为三维动态结构设计。当今比较流行的三维设计软件,不仅能够实现机械二维和三维动态造型仿真设计、机械设计、模具设计、加工制造设计,而且还能够实现机构仿真、结构分析、优化设计、电路设计以及数据库管理等多种技术目的。三维设计软件无论从易用性、设计的高效率,还是功能的实用性上都达到一个新的定点,这必将发挥计算机的最大作用,使制造业的发展前进一大步。 2、研究意义 随着科技的进步及牛头刨床在制造行业中的广泛应用,对其运行的精确性、可靠性和安全性提出了更高的要求,提高牛头刨床的可靠性和安全性对证操作人员安全和企业的生存发展都有着至关重要的作用。机床的可靠性指机床在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。 随着科技的不断进步,制造业正向数字化、全球化、网络化的方向发展,产品的生命周期越来越短,机械产品设计过程已经步入数字化时代,新产品的上市速度越来越快。其中三维CAD/CAE/CAM作为数字化技术的重要组成部分,是实现产品数字化设计的主要工具,是计算机技术在工程设计、仿真优化、制造加工等广阔领域中具有重大影响的革新技术。CAD主要包括数据测量、集合建模、计算分析、绘图与技术文档生成、工程数据库的管理和共享等功能。CAE是利用计算机科学和技术的成果,建立被仿真系统的模型,并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。CAM从协议上指的是数控程序的编制,包括刀具路径的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等。作为国民经济的基础,各个国家和地区一直重视制造业的发展,CAD/CAE/CAM 技术与制造业的结合使制造业发生了巨大的变革,也使制造业产生了良好的经济效益。 目前,制造企业精良的设备、优良的工作环境、优厚的待遇和高速增长的产值,是现代化经济中不可缺少的战略性产品。因此,利用CAD/CAE/CAM软件技术对牛头刨床进行设计、仿真模拟,进行运动学和动力学分析。使得原来在二维图样上难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修改,运动仿真的结果不但可以以动画的形式表现出来,还可以以参数的形式输出,从而可以获知零件之间是否干涉、干涉的体积有多大等。根据仿真结果对所设计的零件进行修改,直到不产生干涉为止。当准备好要分析运动时,可观察并记录分析,或测量诸如位置、速度、加速度或力等量,然后以图形表示这些测量。也可以创建轨迹曲线和运动包络,以用物理方法描述运动[4]。 牛头刨床属于刨削机床,它是刨削类机床中应用较广的一种机床。适用于燕尾槽、平面、斜面、T型槽等成型表面的刨削加工,应用于单件小批生产。其具有规模的生产企业至今已有100多家,初步形成了约几十型号的系列产品。制造零件的质量取决于制造机床的好坏,机床的精度、运动特性、刚性、可靠性等特点综合起来决定了一台设备的价值和市场前景。 在构成牛头刨床的机构中,运动机构是牛头刨床实现刨削运动的主要执行机构,由于它的设计好坏直接影响到工作性能的好坏,进而影响整机性能如工作效率、加工质量、设备寿命和其他经济指标,因此它是牛头刨床的关键部分。就牛头刨床运动机构而言,目前采用的设计方法通常有两种,即图解法和解析法,前者精度较低,而后者计算复杂,一般只能对几个特定的位置进行分析,难以了解牛头刨床的全部工作过程。此外,牛头刨床物理样机制造至少花费巨大,其试验必须模拟不同工况,费时费力,具有很强的破坏性,且反复试验不仅延长了设计周期,还极易造成损坏,无形中又提高了研发成本。 牛头刨床改进或新产品的开发采用CAD/CAE/CAM软件技术,则可有效地克服上述开发模式中的缺陷。不仅可以利用三维CAD软件进行牛头刨床零部件三维实体设计及装配,还可以利用机械动力学分析软件ADAMS进行运动学、动力学分析,测试和评估牛头刨床工作过程中的性能。不仅可以进行外观设计,还可以实现多种设计方案的选择,并进行设计研究和优化设计以期获得最优设计。 通过采用CAD/CAE/CAM软件技术,用强大的功能、较快的设计周期、较低的成本完成传统物理样机开发模式所必需的全部过程,因此决定了牛头刨床虚拟样机研究的重要意义。目前国内外开展这些工作的经验表明,利用这些软件开展设计、仿真、分析、可靠性设计来保证和提高产品的固有可靠性。 (二)国内外研究现状 1、国外研究现状 在国外刨床的应用比较早,所以研究比较深入。随着各种先进技术的产生尤其是计算机技术的发展使数控技术应运而生。数控刨床无须人工操作,而是靠数控程序完成加工循环。因此调整方便,适应灵活多变的加工任务,使得中小批生产自动化成为可能。国外数控刨床的普及率十分高例如日本、德国所生产的数控刨床占总量的%95以上。而且他们所生产的刨加工床精度、效率十分高,广泛的应用于柔性自动化生产系统中[5]。 2.国内研究现状 我国现有的刨床大多是60年代的产品,随着现代加工工业的发展,老式的牛头刨床逐渐暴露出效率、精度较低等问题。很难适应产品在质量和产量上的要求,成为阻碍生产的“瓶颈”。采用先进、科学、可靠的技术改造在线设备,是充分发挥设备效能,优化设备结构、促进设备资源有效利用的重要途径。有许多公司早已开始研究并取得了很好的效果,实践证明这种办法是可行的[5]。 2006 年2 月在上海浦东新国际展览中心举办了“中国数控机床展览会”,国内外著名机床厂家都展示了最新数控机床产品。在南京新方达数控有限公司的展台上展出了一台令人耳目一新的数控机床—双向数控曲面刨床。该机床既不像传统的牛头床,又不像一般的龙门刨床,外形看上去象一台加工中心,但是它又在双向往复刨削曲面零件这台机床改变了人们对传统刨床的认识,开创了刨床的新时代。 (三)本课题研究的主要内容 在有些工厂中传统刨床还在发挥着重要的作用,有一定的经济价值。通过对传统刨床的运动特性和动力特性的研究,能有更深层次的了解从而为设计研究更加精密更加现代化的刨床铺平道路。 由于牛头刨床是一种复杂设备,包含传动、进给、运动等多个机构系统,涉及机械设计、机构学等多门学科,其虚拟样机研究应该说是个较庞大的工程。考虑到运动机构在牛头刨床中的重要地位,本课题的研究内容主要有: 1、牛头刨床主运动机构方案分析与数学模型的建立。根据牛头刨床的工作原理,设计其主传动机构方案,并建立其数学模型。 2、牛头刨床主运动机构三维数字模型的建立。利用SOLIDWORKS软件建立各零部件三维实体模型,利用装配功能构成摇杆机构三维数字模型。 3、牛头刨床主运动机构运动学分析。利用机械原理的理论,对主传动进行速度、加速度和位移分析,并将SOLIDWORKS建立牛头刨床主传动机构三维实体数字模型导入ADAMS中进行运动学仿真和分析,获取运动特征。 4、牛头刨床摆杆机构动力学分析。利用ADAMS软件完成主运动机构的动力学分析,获取机构的动力学特性。 二、牛头刨床主运动机构方案分析与数学模型的建立 (一)牛头刨床使用功能描述 刨刀水平作往复直线运动,切削安装在工作台上的工件。刨刀每切削一次,工作台沿着刨刀运动直线档可以调节。刨刀每切削一次,工作台沿着刨刀运动的上下垂直方向进给0.08、0.16、0.24mm/次,分3档可以调节。工作台的水平与垂直进给不能同时进行。刨刀最大行程520mm,每分钟刨刀切削15,24,37次,分3档可以调节。其使用功能描述简图如图2-1所示。 图2-1牛头刨床使用功能描述简图 (二)牛头刨床的结构组成 牛头刨床由工作台、刀架、滑枕、床身、横梁、变速机构、进刀机构和床身内部摆动导杆机构等组成,结构组成如图2-2所示。 图2-2牛头刨床结构组成图 1、床身 床身是刨床的基础件,用于支承和连接刨床的各个部件,其上部的燕尾导轨供滑枕作往复运动用,前部导轨供横梁带着工作台升降用。它是一个箱形铸铁壳体,箱体内部安装有变速机构、曲柄摇杆机构和传动机构。 2、滑枕 主要用来带动刨刀作往复运动。滑枕可沿床身上部水平导轨的直线往复运动,此运动为刨削加工的主运动。 3、刀架 主要用于安装刨刀。转动刀架手柄时,滑板可沿转盘上的导轨带动刨花刀作上下移动。转盘可扳动一定的角度,使刀架斜向进给。 4、工作台 工件台上平面和侧面的T型槽主要用于装夹工件或夹具。它可以随横梁作上下调整,并可沿横梁作水平方向移动或横向进给运动。 5、横梁 横梁装在床身前侧的垂直导轨上,横梁可带动工作台升降,工作台还可沿横梁移动。 (三)牛头刨床工作原理及工艺动作过程 牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床,其传动机构如图2-3a所示。 a 牛头刨床传动机构示意图 b 切削阻力图 图2-3 牛头刨床传动及切削阻力图 电动机经过皮带和齿轮传动,带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。刨床工作时,由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀7作往复运动。刨头左行时,刨刀不切削,称为空回行程,此时要求速度较高,以提高生产率。为此刨床采用有急回运动的导杆机构[7]。刨刀每切削完一次,利用空回行程的时间,凸轮8通过四杆机构1-9-10-11与棘轮带动螺旋机构,使工作台连同工件作一次进给运动,以便刨刀继续切削。刨头在工作过程中,受到很大的切削阻力,切削阻力如图2-3b所示,而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中,受力变化是很大的,这就影响了主轴的匀速转动,故需安装飞轮来减小主轴的速度波动,以提高切削质量和减少电动机容量。 (四)主运动机构方案分析 机械加工过程中,通常要求机构从动件空回行程速度快于工作行程的速度,即机构具有急回特性,以提高生产效率。工程实践证明,利用优化设计方法设计的机构或机械设备的方案,不仅能够满足研发前所提出的各种设计要求,而且能从相同设计条件下的所有可行方案中选取最优的方案,从而既避免了经验设计中的盲目性,又解决了利用单纯的解析法设计复杂机械系统时无解和无法兼顾各种设计要求的弊病,在一定范围内提高了设计精度。 在牛头刨床的主传动机构中,具有急回特性的平面六杆机构在该机床中的应用非常广泛。因此,在对平面六杆机构进行结构优化[8]时,首先从基本链型出发,对平面六杆机构运动链进行杆型分配、同构性判定,进而“一个不漏”地构思出所有可能的设计,得出平面六杆机构的四种类型如图2-4所示,再进行演绎替代。其次,对这四种六杆机构进行相似性判断,完成数综合、型综合,找出结构最合适的平面六杆机构。然后用优化法进行尺寸综合,对它们运动性能研究,并对它们的急回特性进行优化比较,分析它们的优缺点,从中选择最佳结构。 图2-4 平面六杆机构 在图2-4所示的平面六杆机构中,a)图与b)图,c)图与d)图两者之间结构基本相似,二者均可作为牛头刨床的主运动机构。考虑到牛头刨床结构布局的合理性,结合生产实际应用广泛性,本课题选择a)图的六杆机构作为本次研究对象。 从牛头刨床滑枕的刨削工作特性来说,滑枕应具有急回特性,且当刨头的速度为匀速时,其加工质量最好,而加速度的大小是反映速度的波动范围大小的最好依据。所以减小加速度的最大值,有利于减小速度的波动。 (五)主运动机构数学模型的建立 建立一直角坐标系,各杆矢量及方位角如图2-5所示,各构件的尺寸为AB为,CD为、DE为,GC的距离为,CA距离为,CB距离为,原动件的方位角为,曲柄AB的转速为。根据图2可知有4个未知量、、、[9]。 图2-5曲柄摇杆机构数学模型图 为求解需建立2个封闭矢量方程,为此需利用2个封闭图形ABCA及CDEGC,由此可得 写成投影方程为 分别将上面各式对时间求一次、二次导数,并写成矩阵形式,得到速度和加速度方程为: 三、牛头刨床主运动机构实体模型的建立 (一)Solidwork软件介绍 SolidWorks软件[10]是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统,该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名,从1995年至今,已经累计获得十七项国际大奖。分别包括第一个基于Windows平台的三维机械CAD软件;第一个创造了FeatureManager特征管理员的设计思想;第一个在Windows平台下实现的自顶向下的设计方法;第一个实现动态装配干涉检查的CAD软件;第一个实现智能化装配的CAD公司;第一个开发特征自动识别FeatureWorks的软件公司;第一个开发基于Internet的电子图板发布工具(eDrawing)的CAD公司。 1、自顶向下的设计 自顶向下的设计是指在装配环境下进行相关设计子部件的能力,不仅做到尺寸参数全相关,而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关,并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。 用户可以在装配布局图做好的情况下,进行设计其它零部件,并保证布局图、零部件之间全自动完全相关,一旦修改其中一部分,其它与之相关的模型、尺寸等自动更新,不需要人工参与。 2、自下向上的设计 自下向上的设计是指在用户先设计好产品的各个零部件后,运用装配关系把各个零部件组合成产品的设计能力,在装配关系定制好之后,不仅做到尺寸参数全相关,而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关,并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。 3、配置管理 在SolidWorks 中,用户可利用配置功能在单一的零件和装配体文档内创建零件或装配体的多个变种(即系列零件和装配体族),而其多个个体又可以同时显示在同一总装配体中。其它同类软件无法在同一装配体中同时显示一个零件的多个个体,其它同类软件也无法创建装配体族。 4、易用性及对传统数据格式的支持 5、工程图 SolidWorks 提供全相关的产品级二维工程图,现实世界中的产品可能由成千上万个零件组成,其工程图的生成至关重要,其速度和效率是各3D软件均要面临的问题。SolidWorks采用了生成快速工程图的手段,使得超大型装配体的工程图的生成和标注也变得非常快捷。 6、eDrawing SolidWorks一向以创新领先而著称,其中eDrawing的出现就是一个典型代表。长期以来,工程技术人员交换工程设计信息的主要方式就是二维工程图,而要读懂一张复杂的产品工程图是一件非常费时费力的事。 7、钣金设计 SolidWorks提供了非常强劲的钣金设计能力。 8.曲面设计 曲面设计功能对三维实体造型系统尤为重要,SolidWorks 提供了众多的曲面创建命令,同时还提供了多个高级曲面处理和过渡的功能如混合过渡,剪裁,延伸和缝合等,而且是完全参数化的;从而帮助设计者快捷而方便地设计出具有任意复杂外形的产品。 9.动画功能 Animator SolidWorks提供了一个动画功能,它把屏幕上的三维模型以及我们所作的操作记录下来,生成脱离软件环境并可直接在WINDOWS平台下面运行的动画文件。利用这些文件用户可制作产品的多媒体文件,以供设计评审、产品宣传、用户之间交流,技术协调运用。 动画功能可以生成产品的装配过程、爆炸过程、运动过程的动画文件,同时也生成各个过程的组合的动画文件。 10.渲染功能 PhotoWorks SolidWorks提供了产品的渲染功能,提供了材质库、光源库、背景库,可以在产品设计完成还没有加工出来的情况下,生成产品的宣传图片,同输出通过的图片文件格式如:JPG、GIF、BMP、TIFF等。 用户可以通过调整软件环境下的光源、背景和产品的材质,并在产品的一些面上进行贴图操作,可以生成专业级的产品图片。 (二)牛头刨床主运动机构零部件的Solidwork建模 牛头刨床属于复杂的机械加工设备,大发888手机版登录,其设计过程中零部件众多且形状复杂。然而,在Pro/E的建模环境中,任何复杂的机械零件,都可以看成是由一些简单的特征经过相互之间的叠加、切割或相交组合而成。 1.机架建模 刨头行程550mm,曲柄支点到导杆支点的距离350mm,曲柄支点到刨头行程的垂直距离159mm。在不影响分析功能的前提下,将牛头刨床主运动机构机架简化并建立模型如图3-1所示。 图3-1主运动机构机架简化图 2.曲柄建模 曲柄长度为100㎜,建立实体模型如图3-2所示。图3-2 曲柄模型 图3-2 曲柄模型 3.导杆建模 导杆长度为520㎜,建立实体模型如图3-3所示。 图3-3 导杆模型 4.连杆建模 连杆长度为120㎜,建立实体模型如图3-4所示。 图3-4 连杆模型 5.套筒建模 建立实体模型如图3-5所示。 图3-5 套筒模型 (三)牛头刨床主运动机构装配 在本课题中,为实现牛头刨床摇杆机构系统零件装配[11]时,根据实际情况采用“自下而上”的方式进行装配。在Solidwoks中,零件装配是通过定义零件模型之间的装配约束来实现的,也就是在各零件之间建立的一定的链接关系,并对其进行约束,从而确定各零件在空间的具体位置关系。因此,如何定义零件之间的装配约束关系是零件装配的关键。 由于牛头刨床摇杆机构由曲柄、机架、导杆、连杆和2个滑块(1个代表滑枕)组成。整个传动过程由电动机带动曲柄旋转运动,曲柄带动导杆作往复摆动,导杆带动连杆运动,连杆带动滑枕作往复直线运动,先利用Solidwoks的装配功能,将上述部件装配成虚拟样机如图3-6所示,该虚拟样机应该有1个自由度。 图3-6 牛头刨床主运动机构虚拟样机图 四、主运动机构运动学分析 (一)ADAMS软件概述 ADAMS,即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) [12-15],该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc。)开发的虚拟样机分析软件。目前,ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。 ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库,约束库,力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学,运动学和动力学分析,输出位移,速度,加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能,运动范围,碰撞检测,峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件,用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学,运动学和动力学分析。另一方面,又是虚拟样机分析开发工具,其开放性的程序结构和多种接口,可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 ADAMS软件由基本模块,扩展模块,接口模块,专业领域模块及工具箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真,而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿线、ADAMS软件基本模块 (1)用户界面模块(ADAMS/View) ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一,采用以用户为中心的交互式图形环境,将图标操作,菜单操作,鼠标点击操作与交互式图形建模,仿真计算,动画显示,优化设计,X-Y曲线图处理,结果分析和数据打印等功能集成在一起。 ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作。采用Parasolid内核进行实体建模,并提供了丰富的零件几何图形库,约束库和力/力矩库,并且支持布尔运算,支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数。除此之外,还提供了丰富的位移函数,速度函数,加速度函数,接触函数,样条函数,力/力矩函数,合力/力矩函数,数据元函数,若干用户子程序函数以及常量和变量等。 ADAMS/View新版采用了改进的动画/曲线图窗口,能够在同一窗口内可以同步显示模型的动画和曲线图;具有丰富的二维碰撞副,用户可以对具有摩擦的二维点-曲线,圆-曲线,平面-曲线,以及曲线-曲线,实体-实体等碰撞副自动定义接触力;具有实用的Parasolid输入/输出功能,可以输入CAD中生成的Parasolid文件,也可以把单个构件,或整个模型,或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个Parasolid文件中;具有新型数据库图形显示功能,能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构,选择某一构件或约束(运动副或力)后显示与此项相关的全部数据;具有快速绘图功能,绘图速度是原版本的20倍以上;采用合理的数据库导向器,可以在一次作业中利用一个名称过滤器修改同一名称中多个对象的属性,便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容;具有精确的几何定位功能,可以在创建模型的过程中输入对象的坐标,精确地控制对象的位置;多种平台上采用统一的用户界面,提供合理的软件文档;支持Windows NT平台的快速图形加速卡,确保ADAMS/View的用户可以利用高性能OpenGL图形卡提高软件的性能;命令行可以自动记录各种操作命令,进行自动检查。 (2)求解器模块 (ADAMS/Solver) ADAMS/Solver是ADAMS系列产品的核心模块之一。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项,以便精确有效地解决各种工程应用问题。 ADAMS/Solver可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究,用户除要求软件输出位移,速度,加速度和力外,还可要求模块输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副,运动激励,高副接触,用户定义的子程序等添加不同的约束。 (3)后处理模块(ADAMS/PostProcessor) MDI公司开发的后处理模块ADAMS/Postprocessor,用来处理仿真结果数据,显示仿真动画等。既可以在ADAMS/View环境中运行,也可脱离该环境独立运行。ADAMS/PostProcessor的主要特点是:采用快速高质量的动画显示,便于从可视化角度深入理解设计方案的有效性;使用树状搜索结构,层次清晰,并可快速检索对象;具有丰富的数据作图,数据处理及文件输出功能;具有灵活多变的窗口风格,支持多窗口画面分割显示及多页面存储;多视窗动画与曲线结果同步显示,并可录制成电影文件;具有完备的曲线数据统计功能:如均值,均方根,极值,斜率等;具有丰富的数据处理功能,能够进行曲线的代数运算,反向,偏置,缩放,编辑和生成波特图等;为光滑消隐的柔体动画提供了更优的内存管理模式;强化了曲线编辑工具栏功能;能支持模态形状动画,模态形状动画可记录的标准图形文件格式有:*.gif,*.jpg,*.bmp,*.xpm,*.avi 等;在日期,分析名称,页数等方面增加了图表动画功能;可进行几何属性的细节的动态演示。 2、ADAMS软件扩展模块 (1)液压系统模块(ADAMS/Hydraulics) ADAMS/Hydraulics模块,用户能够精确地对由液压元件驱动的复杂机械系统进行动力学仿真分析。 ADAMS/Hydraulics可以帮助用户将系统性能仿真与液压系统设计无缝集成为一体。用户可以首先在ADAMS/View中建立液压回路框图,然后通过液压油缸将其连接到机械系统模型中,最后选取最适当的,功能最强的积分器仿真分析整个系统的性能。用户同时使用ADAMS/Hydraulics和ADAMS/Controls,可以提供阀体的反馈控制输入。并且由于液压系统与机械系统之间的相互作用在计算机内被有机地集成为一体,因此可以方便地进行系统的装配和仿线)振动分析模块(ADAMS/Vibration) ADAMS/Vibration是进行频域分析的工具,可用来检测ADAMS模型的受迫振动(例如:检测汽车虚拟样机在颠簸不平的道路工况下行驶时的动态响应),所有输入输出都将在频域内以振动形式描述,该模块可作为ADAMS运动仿真模型从时域向频域转换的桥梁。 通过运用ADAMS/Vibration可以实现各种子系统的装配,并进行线性振动分析,然后利用功能强大的后处理模块ADAMS/PostProcessor进一步作出因果分析与设计目标设置分析。运用ADAMS/Vibration能使工作变得快速简单,运用虚拟检测振动设备方便地替代实际振动研究中复杂的检测过程,从而避免了实际检测只能在设计的后期进行且费用高昂等弊病,缩短设计时间,降低设计成本。ADAMS/Vibration输出的数据还可被用来研究预测汽车,火车,飞机等机动车辆的噪音对驾驶员及乘客的振动冲击,体现了以人为本的现代设计趋势。 (3)线性化分析模块(ADAMS/Linear) ADAMS/Linear是ADAMS的一个集成可选模块,可以在进行系统仿真时将系统非线性的运动学或动力学方程进行线性化处理,以便快速计算系统的固有频率(特征值),特征向量和状态空间矩阵,使用户能更快而较全面地了解系统的固有特性。 ADAMS/Linear主要功能特点包括:利用该模块可以给工程师带来许多帮助;可以在大位移的时域范围和小位移的频率范围间提供一座桥梁,方便地考虑系统中零部件的弹性特性;利用它生成的状态空间矩阵可以对带有控制元件的机构进行实时控制仿真;利用求得的特征值和特征向量可以对系统进行稳定性研究。 (4)高速动画模块(ADAMS/Animation) ADAMS/Animation是ADAMS的一个集成可选模块,使用户能借助于增强透视,半透明,彩色编辑及背景透视等方法精细加工所形成的动画,增强动力学仿真分析结果动画显示的真实感。用户既可以选择不同的光源,并交互地移动,对准和改变光源强度,还可以将多台摄像机置于不同的位置,角度同时观察仿真过程,从而得到更完善的运动图像。该模块还提供干涉检测工具,可以动态显示仿真过程中运动部件之间的接触干涉,帮助用户观察整个机械系统的干涉情况;同时还可以动态测试所选的两个运动部件在仿真过程中距离的变化。 (5)试验设计与分析模块(ADAMS/Insight) 应用ADAMS/Insight,工程师可以规划和完成一系列仿真试验,从而精确地预测所设计的复杂机械系统在各种工作条件下的性能,并提供了对试验结果进行各种专业化统计分析的工具。ADAMS/Insight是选装模块,既可以在ADAMS/View,ADAMS/Car, ADAMS/Pre环境中运行,也可脱离ADAMS环境单独运行。工程师在拥有这些工具后,就可以对任何一种仿真进行试验方案设计,精确地预测设计的性能,得到高品质的设计方案。 (6)耐久性分析模块(ADAMS/Durability) 耐久性试验是产品开发的一个关键步骤。耐久性试验能够解答机构何时报废或零部件何时失效这个问题,它对产品零部件性能,整机性能都具有重要影响。MDI公司已经与MTS公司及nCode公司合作,共同开发ADAMS/Durability,使之成为耐久性试验的完全解决方案。 (7)数字化装配回放模块(ADAMS/DMU Replay) ADAMS/DMU(Digital Mockup)Replay模块是MDI公司与Dassault Systems合作,针对CATIA的用户推出的全新模块,是运行在CATIA V5中的应用程序,可通过CATIA V5的界面访问。该模块是ADAMS与CATIA之间数据通讯的桥梁。利用它可以把其他ADAMS产品(如CAT/ADAMS)中得到的分析结果导入到CATIA中进行动画显示。 3、ADAMS软件接口模块 (1)柔性分析模块(ADAMS/Flex) ADAMS/Flex是ADAMS软件包中的一个集成可选模块,提供了与ANSYS,MSC/NASTRAN,ABAQUS,I-DEAS等软件的接口,可以方便地考虑零部件的弹性特性,建立多体动力学模型,以提高系统仿线)控制模块(ADAMS/Controls) ADAMS/Controls是ADAMS软件包中的一个集成可选模块。在ADAMS/Controls中,设计师既可以通过简单的继电器,逻辑与非门,阻尼线圈等建立简单的控制机构,也可利用通用控制系统软件(如:Matlab,MATRIX,EASY5)建立的控制系统框图,建立包括控制系统,液压系统,气动系统和运动机械系统的仿线)图形接口模块(ADAMS/Exchange) ADAMS/Exchange是ADAMS/View的一个集成可选模块,其功能是利用IGES,STEP,STL,DWG/DXF等产品数据交换库的标准文件格式完成ADAMS与其他CAD/CAM/CAE软件之间数据的双向传输,从而使ADAMS与CAD/CAM/CAE软件更紧密地集成在一起。 (4)CATIA专业接口模块(CAT/ADAMS) (5)Pro/E接口模块(Mechanical/Pro) Mechanical/Pro是连接Pro/E与ADAMS之间的桥梁。二者采用无缝连接的方式,使Pro/E用户不必退出其应用环境,就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机构系统,进行系统的运动学仿真,并进行干涉检查,确定运动锁止的位置,计算运动副的作用力。 (二)牛头刨床主运动机构运动学分析 1、实体模型导入 将第二章中利用SolidWorks建立的实体模型利用ADAMS的图形接口模块导入ADAMS软件中,如图4-1所示。 图4-1 导入的实体模型 2、添加运动约束 (1)添加转动副约束 在主工具箱中选择旋转副(Revolute)按钮,按以下方式设置: Construction:2 Bod-1 Loc,Pick Feature; Fist Body:Pick Body; Second Body:Pick Body。 然后依次选择Ground、PART_2完成转动副添加,然后依次选择Ground、PART_3;PART_3、PART_5;PART_2、PART_4;PART_4、PART_6的转动副添加。 (2)添加滑动副约束 在主工具箱中选择滑动副(Translational)按钮,按以下方式设置: Construction:2 Bod-1 Loc,Pick Feature; Fist Body:Pick Body; Second Body:Pick Body。 然后选择PART_5、PART_2;Ground、PART_6完成滑动副添加。 完成上述运动副添加后,结果如图4-2所示。 图4-2 添加运动副模型图 (3)添加驱动 选择驱动库中选择旋转驱动(Rotational Joint Motion)按钮,选择Joint_1。用鼠标右键单击MOTION_1,选择Modify,在Function(time)栏中输入300.0d*time;在Type栏中选择Velocity,结果如图4-3所示。 图4-3 曲柄添加驱动模型图 3、运动仿真 点击主工具箱的仿真按钮,设置仿真终止时间(End Time)为5,仿真工作步长(Step Size)为1200,然后点击开始仿线所示,系统进行仿真,观察模型的运动情况。 图4-4 运动仿线、确定刨头的位移 用鼠标右键单击滑块PART_6,在下级菜单中选择Measure,出现创建测量曲线对话框,并进行如下设置: Measure Name:.model_1.PART_6_ postion。 Part:PART_6。 Component:X。 Characteristic:CM postion。 单击Apply按钮,完成滑块的位移曲线 刨头位移曲线、确定刨头的速度 用鼠标右键单击滑块PART_6,在下级菜单中选择Measure,出现创建测量曲线对话框,并进行如下设置: Measure Name:model_1.PART_6_ Velocity。 Part:PART_6。 Component:X。 Characteristic:CM Velocity。 单击Apply按钮,完成滑块的速度曲线刨头速度曲线、确定刨头的加速度 用鼠标右键单击滑块PART_6,在下级菜单中选择Measure,出现创建测量曲线对话框,并进行如下设置: Measure Name:.model_1.PART_6_ Acceleration。 Part:PART_6。 Component:X。 Characteristic:CM Acceleration。 单击Apply按钮,完成刨头的加速度曲线 刨头加速度曲线、确定刨头的动能 用鼠标右键单击滑块PART_6,在下级菜单中选择Measure,出现创建测量曲线对话框,并进行如下设置: Measure Name:.model_1.PART_6。 Part:PART_6。 Characteristic:kinetic energy。 单击Apply按钮,完成刨头的动能曲线 刨头动能曲线、刨头位移、速度、加速度对比图 利用Post Processor在主工具箱中单击 ,启动Post Processor程序,在图形控制区的Source栏中选择Objects,在Object选择栏中选择构件PART_6,按下Ctrl键,在Characteristic栏中选择CM Position、CM Velocity、CM Acceleration,在Componer栏中选择X,然后单击Add Curves按钮,可看到如图4-9所示的内容。 图4-9 刨头位移、速度、加速度对比曲线 五、主运动机构动力学分析 (一)动力学方程的建立 在ADAMS中采用多体系统动力学[21-26]的拉格朗日乘子法建立系统运动方程。采用拉格朗日方程可以避免出现不做功的铰的理想约束反力,使未知变量的数目减少到最低程度。我们使用的机械系统仿真软件ADAMS就是用该方法建立系统的动力学方程,其 普遍形式为: 式中: T —系统能量,?? ?=0为完整约束方程; θ=0为非完整约束方程; q—广义坐标列阵; Q—广义力列阵; p—对应于完整约束的拉氏乘子列阵; μ—对应于非完整约束的拉氏乘子列阵; M—质量列阵; v—广义速度列阵; I—转动惯量列阵; w—广义角速度列阵 ADAMS软件进行动力学分析时采用两种算法: (1)提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序:GSTIFF积分器、DSTIFF积分器和BDF积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程,这种方法适于模拟刚性系统(特征值变化范围大的系统)。 (2)提供ABAM(Adams-Bashforth and Adams-Moulton)积分求解程序,采用坐标分离算法,来求解独立坐标的微分方程,这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。 (二)动力学分析 1、施加刨头载荷 (1)在主工具箱中选择,并设置在工具箱中出现的对应选项为:Add to Ground, don’t attach。创建Point_11点,坐标为(-20,509)。 (2)在主工具箱中单击,按图5-1所示进行设置。 (3)依次选择PART_6,Point_3,再水平向左拖动鼠标,在(-20,509)附近单击鼠标左键,同时出现力的FORCE_1的修改对线)在力的修改对线所示内容进行设置,在输入Function函数时,输入-7000,单击OK按钮,完成力的修改。 图5-1 单点力参数设置 图5-2 单点力修改 2、刨头动力学仿线)点击主工具箱的仿真按钮,设置仿真终止时间(End Time)为5,仿真工作步长(Step Size)为1200。 (2)单击,开始仿线、确定曲柄所需的驱动力矩 用测量的方法确定曲柄所需的驱动力:用鼠标右键单击MOTION_1,再在下级菜单中选择Measure,在出现的驱动力矩测量创建对线所示内容进行设置。单击OK按钮,出现驱动力矩测量曲线驱动力矩测量曲线、绘制驱动力矩和阻力曲线 在主工具箱中选择,然后单击,在绘图区单击鼠标右键,选择Load Plot,然后先按图5-5所示进行设置,单击Add Curves按钮,添加驱动力矩曲线所示进行设置,单击Add Curves按钮,添加阻力曲线添加驱动力矩曲线添加阻力曲线 驱动力矩和阻力曲线、摆杆与机架之间铰接合力图 选择摆杆与机架之间铰接Joint2,右键选择再在下级菜单中选择Measure,单击Apply,Joint2合力如图5-8所示。 图5-8合力曲线、摆杆与连杆之间铰接合力图 选择摆杆与连杆之间铰接Joint4,右键选择再在下级菜单中选择Measure,单击Apply,Joint4合力如图5-10所示。 图5-10合力曲线、刨头与连杆之间铰接力矩图 选择摆杆与连杆之间铰接Joint5,右键选择再在下级菜单中选择Measure,单击Apply,Joint5力合力如图5-11所示。 图5-11合力曲线、滑块与曲柄之间铰接合力图 选择摆杆与连杆之间铰接Joint3,右键选择再在下级菜单中选择Measure,单击Apply,Joint3合力如图5-12所示。 图5-12合力曲线 六、结论 论文以小型牛头刨床的可靠性和安全性分析与设计为研究对象,利用CAD\CAE软件设计是当前设计制造领域的新技术。利用这项技术可不必制作物理样机,利用相关软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型,分析系统的性能,从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。大大地缩短了开发周期,降低了生产成本,提高了机械设备的可靠性和安全性。本文主要做了以下几个方面的工作: 1、阐述了机械装备制造业的发展情况,了解了国内外牛头刨床的设计制造及发展状况,明确了本论文研究的主要内容。 2、对牛头刨床的功能及组成部分进行了详细阐述,完成牛头刨床的主运动机构的设计方案选择,根据牛头刨床的运动特征,简化并绘制其设计方案的机构运动简图,建立了曲柄摇杆机构的数学模型。 3、利用Solidwork软件建立了牛头刨床主运动机构各个部件三维实体模型,并根据机构中各零件的相对位置关系,利用装配工程完成主运动机构的实体装配。 4、通过Solidwork与ADAMS之间的接口,成功地将已建立的几何模型转换和导入ADAMS/View环境中,并对样机模型添加约束、运动等,建立摇杆机构的刚体虚拟样机模型。 5、利用ADAMS软件完成牛头刨床主运动机构的运动学仿真,得到机构运动时的整个工作范围,研究分析运动过程中刨头的速度与加速度曲线、利用ADAMS软件完成牛头刨床主运动机构的动力学仿真,得到机构转动副的合力曲线,驱动力矩和阻力曲线,为机构可靠性设计提供了参考依据。 然而,由于作者学术水平和自身能力有限,本文的研究工作只完成了牛头刨床的主运动部分的研究;现有的工作成果应该说是相当简单的,进一步的工作还需要更大的投入。对于今后的工作开展,本人认为可以从以下几个方面来加以改进和完善:一是由于时间的限制,本次研究没有建立牛头刨床虚拟样机的整机模型,有待于今后进一步完善; 二是本文着重对牛头刨床曲柄摇杆机构的运动学和动力学进行了分析,没有对进给机构进行分析,有待进一步分析;三是应该对机构进行其进行优化设计,对于其他的相关分析并未涉及,有待于更进一步的深入研究。 致谢 本论文是在导师教授的精心指导下完成的,导师教授在学位论文的各个阶段都给予关怀和帮助。安教授渊博的知识、科学严谨的治学态度、高尚的道德品质、平易近人的长者风范以及忘我的工作态度使我终身受益,并将永远影响和激励着我。 在本课题的研究过程中,安老师为我创造了良好的学习和实践环境,使我在浓厚的学术氛围中不断充实和提高自己。在此,谨对导师多年的辛勤培养和关心致以衷心的感谢和崇高的敬意。 本人论文的完成还得到了许多老师的热情帮助和支持,在此表示诚挚的谢意。 感谢百忙之中审阅本论文的专家、学者! 参考文献 [1].中国装备制造业技术水平及特点分析, /,2014。 [2].魏康民. 机械制造工艺装备[M].重庆: 重庆大学出版社, 2004. [3].姜士湖,闰相祯.虚拟样机技术及其在国内的应用前景[J].机械.2003(2). [4].席俊杰.虚拟样机技术的发展及应用[J].制造业自动化.2006.(11). [5].中国牛头刨床行业分析报告, /p-1.html,2013. [6].王先逵. 机械制造工艺学[M].北京: 清华大学出版社, 1989. [7].孙桓,陈作模. 机械原理[M].北京:高等教育出版社,1996. [8].叶元烈.机械优化理论与设[M].北京:中国计量出版社,2001. [9].裘建新.机械原理课程设计[M].北京:高等教育出版社,2010. [10].二代龙震工作室著,建模/机构/结构综合实训教程,清华大学出版社,2009. [11].丁育林,许茏.基于SolidWorks的台虎钳建模装配渲染及工程图[J].机械研究与应用.2010(1). [12].郑凯, 胡仁喜, 陈鹿民. ADAMS2005 机械设计高级应用实例[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006. [13].陈立平,张云清,任卫群等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005. [14].Robert R.Ryan.Smarter to market with the Functional Virtual Prototype[J].In:2000 International ADAMS User Conference Orlando,2000. [15].陈立平,张云清,任卫群等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005. [16].郑建荣.ADAMS一虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2001(68). [17]. Lombardo Joseph S,Mihalak Edward,Osborne Scott H.Collaborative virtual prototyping[J].Johns Hopkins Apl.Technical Digest.1996(3). [18]. Ram A anantha,Glenn A Krammer,Richard Craw.Assembly modeling by geometric constraint satisfaction[J].Computer aided design.1996(28). [19].Onosato M,1wata K.Development of a Virtual Manufacturing System by Integrating Product Models and Factory Models[J].Annals ofthe CIRP.1993(42). [20].马成习.基于Pro/E的牛头刨床运动机构建模及其运动仿真分析[J].机械设计与制造.2008(10). [21].袁杰,吕哲勤.多刚体系统动力学[M].北京:北京理工大学出版社,1992. [22].洪嘉振等.计算多体系统动力学[M].北京:高等教育出版社,2002. [23].蒋立君.内燃机曲柄连杆机构动力分析及优化设计[D].西安:西北农林科技大学,2006. [24].郝勇刚.基于多体系统的配气机构动力学特性研究[D].杭州:浙江大学,2006. [25]. 贾枫美,李秀红.基于ADAMS的曲柄摇杆机构运动利动力特性研究[J].机械工程与自动化.2011(6). [26]. D.Roller.An approach to computer-aided parametric design[J].Computer Aided Design.1991(5). 1-工作台 2-刀架 3-滑枕 4-床身 5-摆杆机构 6-变速手柄 7-进刀机构 8-横梁 9-行程位置调整手柄 10-行程长度调整方榫 11-滑枕锁紧手柄

  请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。用户名:验证码:匿名?发表评论