数控车床的三维建模与运动仿真

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机械设计与制造Machinery Design & Manufacture第 1O期2013年 l0月数控车床的三维建模与运动仿真陈 鲍，韩 江，吴 斌，夏 链(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009)摘 要：在完成对教学研究型 ORAC数控车床的测量后，利用Pro／E软件对其进行了三维建模及装配连接 ，然后运用Pro／Mechanism模块严格按照机床的自由度约束实现了机床主轴及 x、Y方向的运动仿真并且介绍了具体的操作方法，真实再现了数控车床的运动机理。由于机床的部分外壳及挡板采用了透明的处理并且获取了主轴箱及进给工作台的的爆炸视图，使得学生对机床内部零部件的运动有了直观形象的认识；而通过机床的运动仿真使得学生对数控车床的运动机理有了全方位多角度的感受理解。

关键词：ORAC数控车床；Pr0／E；三维建模；运动仿真中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0090—033D Model and Kinematics Simulation of ORAC CNC Bench LatheCHEN Bao，HAN Jiang，WU Bin，XIA Lian(School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University ofTechnology，Anhui Hefei 230009，China)Abstract：After completing the measurement ofteaching research ORAC CNC bench lathe，it uses Pro／E soj~ware to proceedon three-D models and assembly connection，then l~es Pro／Mechanism modules in strict accordance with the machine tools offreedom constraints to achieve the kinematics simulation ofspindle，X，Y direction，and introduce specifw operation method，and the moveme ntprinciple ofthe CNC lathes has been reproduced realisticaly．As part ofthe shel and 6 ofmachine toolused transparent processing，the students have intuitional and visual understanding of internal parts of the machine tool andget the exploded of spindle box andfeed table．through the kinematics simulation ofthe CNC lathe．the students haveOmni—directional multiple perspectives
．
Weelings and understanding.

Key W ords：ORAC CNC Bench Lathe；Pro／E；3D Model；Kinematics Simulation1引言ORAC数控车床是教学科研型柔胜制造系统(ORAC TRIACRV—MIC)的一部分，如图 1所示。系统由两台机器人、一台数控车床、一台数控铣床、传送带、主控机等组成。ORAC数控车床主要有主轴箱，XY工作台和车床床身组成，其运动主要包括：主轴的旋转运动和工作台沿XY方向的进给运动。传统的机床结构和运动原理教学只是通过一些二维的平面图来表示机床的结构装配和运动原理，显得比较单调抽象，并且一般的运动仿真没有按照机床的自由度约束进行，只是简单的实现了机床机构之间的相对移动，学生不能对机床的内部结构和机床的运动机理有清晰感『生的认识，而对 ORAC车床的运动仿真是严恪按照机床的自由度约束进行的，使机床的运动仿真更符合实际的运动隋况。随着CAD技术的发展及计算机硬件陛能的不断提高，三维建模、装配及计算机运动仿真技术逐步得到应用，应用这些技术就可以对机床进行运动仿真。

国外某公司开发的三维设计软件的Pro／Engineer软件经过多年的发展和完善，已经成为三维建模软件的领头羊，其系列软件不仅包括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、运动仿真、制造、功能，具有强大的三维建模功能【lJ，其中的ProfMechanism模块能够对装配的车床进行运动仿真日。

2三维建模Pro／E建模的一般过程如下：(1)建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准：如基准面、基准轴、基准坐标系等；建立每个实体特征时，都要利用基准特征作为参照；(2)建立基础实体特征：拉伸、扫描、旋转、混合等；(3)建立工程特征：孑L、倒角、肋、拔模等；(4)特征的修改：特征阵列、特征复制等编辑操作；(5)添加材质和渲染处理翻。

图 1 ORAC数控车床总体结构Fig．1 The Overall Structure of ORAC NC LatheORAC数控车床主体结构的三维建模可以分为床身、主轴来稿日期：2012—12—04基金项目：大学生创新性实验计划项目(091035907)作者简介：陈 鲍，(1987一)，男，安徽寿县人，在读硕士研究生，主要研究方向：计算机集成制造系统；夏 链，(1964一)，女，四川乐山人，硕士，教授，硕士生导师，主要研究方向：数字化设计与制造第 10期 陈 鲍等：数控车床的三维建模与运动仿真 9】箱和XY工作台的建模，其建模后的模型和爆炸模型，如图 2～罔5所示。

图2主轴箱爆炸模，Fig．2 The Exph)sion Model of Spin(tie Box图 3主轴箱体的模Fig．3 The Model of the Spindle Box Body图 4 1 作台的模}Fig．4 X Y Woi ktable Model图5 y r作台爆炸梭Fig．5 The Explosion Model of Yy Worktable以丝杠为例来说明建模的步骤． ，尢利用“旋转 r 具”创建丝杠的主体特征 ，冉利用“螺旋扣捕”一“叨rl”绘制f“切口，扫描出螺纹 ，最后利用“拉伸去除材料”创建 键槽．利月j‘倒角”创建倒角特征等。

3装配连接要想实现机床的仿真运动不能简单的进行装配约束而必须进行装配连接。所谓装配约束就是零件之 的装配关系，通常需要设置多个约束条件来控制几件之问的l卡lI埘位置。Pr／E常见的约束类型有 9种： 配、对齐、插入、坐标系、州切、线 【 点、曲而』.

的点、曲面上的边和自动，可通过“类型”的下批列表选取。另外还有两种装 约束：嗣定和缺省 装配连接就是把元件与元件、元件与组件通过一定的运动副装配 一起 ，限制两者的自由度，从而在二者之间建立一个确定的运动关系I I。常 的装配连接，如表 1所示。

表 1连接类型及自由度Tab．1 The Connection Types and Degrees of Freedom所以说常规的装配约束限制 r元、组件的所有 自由度。而元、组件之问的相对运动必须保 某个或几个方向的自由度，凶此在进行机构的仿真运动的装配过程中一定要用“装配连接”，即能够限制主体的A 度．仅保留所需的iq由度，以产生机构所适合的运动类型161。

以XY．[作俞与丝杠之间 方向的运动来说明运动仿真的具体步骤。 y_T作台 丝杠之州的传动原理是丝杠螺母副．即丝杆绕着 r1身轴线的旋转运动并}I．通过螺母来带动工作龠沿着方向做进给运动。

(1)添加床身绀件，选择“缺省”，添加丝卡1：，选择床身上的轴承座的轴线与丝杠的轴线 ，使其为“销钼。’连接，此步骤即是使得丝 ：绕 A身轴线旋转.

(2)添加 XY二r作 组件，选择丝杠的轴线与螺母的轴线，使其为“吲柱”连接 ；选择螺蚀螺纹线L的一点“PNTO”与丝杠上所需行程的螺纹线 ，使其为“槽”连接 ；选择螺母 J 的一个基准面与与其相对应的左边轴承 上的一个基准面，使其为“平面”连接。

若不加“平而”连接约 !JlJ．Yl，] 作台会绕着丝杠的轴线旋转。每次连接的状态都必须是“完成连接定义”，若出现“组件连接失败”抒必须曩新定义连接．整机的装配连接关系，如网 6所示。

14 6 配连接完成的ORAC数控 『术Fig．6’Flu‘(：‘)mpleled Assemldy I’onnection of ORAC NC lathe4运动仿真Pm／Mechanis13模块是 Pro~；提供的能进行机构的运动仿真，当完成各个零件的装配连接 ，就可以通过“定义伺服电机”和“定义分析”对机构进行运动仿真I 。机械系统运动仿真的一般过程．如网 7所示还足以 L文的装配连接后的 y T作台与丝杠沿 方向的运动来说叫运动仿真的步骤。易知T作台与丝杠之间的运动是通过是丝 cfl,'J旋转来实现的，所以就呵以把伺服电机定义在丝杠上的“圆柱”装配连接类型上。单击菜单命令“应用程序”一“机构”，系统会自动【刀换~lJ+TL构设汁操作界而。单击“伺服电机”按钮定义伺服电机，切换到“轮廓”选项卡，选择“速度”．“模”选择“常数”。一般的伺服电机定义好就町以进行运动仿真了，这里还需要对个别机械设计与制造No．1O0ct．2013参数进行设置，单击“机构分析”按钮，设置开始和终止时间，切换到“电动机”选项卡，确认电动机已经添加，单击“运行”检查运行情况，最后就是进行“回放”、“捕获”动画并保存。而主轴的运动仿真主要是通过“销钉”的装配连接来实现，工作台 y方向的运动仿真与 方向的运动仿真完全一样都是通过“圆柱“槽”、“平面”三个装配连接来实现。

图7机械系统运动仿真过程Fig．7 The Simulation Process of Mechanical System Movement5结论利用 Pro／E软件对 ORAC数控车床进行了三维建模并且严格按照机床的自由度约束进行了运动仿真，使机床的的整体结构和内部结构清晰的展现在学生的面前并且真实的再现了机床的传动原理和运动情况，使学生对于车床整体有了较深的感性认识与理解。

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