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河南科技学院河南科技学院 2009 届本科届本科毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 论论文文题题目：基于目：基于 SolidWorks 的的车车床运床运动动建模与仿真建模与仿真 学生姓名：学生姓名： 所在院系：所在院系： 机机电电学院学院 所学所学专业专业： ： 机机电电技技术术教育教育 导师导师姓名：姓名： 完成完成时间时间： ：2009 年年 5 月月 24 日日 1 基于基于 SolidWorks 的的车车床运床运动动建模与仿真建模与仿真 摘摘 要要 众所周知，产品的建模与仿真作为产品设计的一个重要环节，是产品功能实 现的主要过程。良好的建模、装配和仿真技术，对保证产品质量和可靠性，降低 产品成本和提高竞争力具有十分重要的意义。随着信息技术和制造业信息化的 飞速发展，建模仿真技术的发展及应用将成为必然趋势。本课题利用 SolidWorks 平台对 CA6140 车床的装配过程进行了一些必要的探讨和仿真分析。 首先，从国内外研究现状、车床的介绍、零件的建模和装配模型的建立等方 面系统的阐述了建模仿真的理论知识、原理以及技术要点。 其次，对三维造型软件 SolidWorks 作了简单的介绍，对其插件的功能进行了 学习和探索，掌握的参数化的建模方法，大大缩短了设计时间，提高了设计效率 和设计质量，较好地完成了研制设计任务。这样做对于缩短产品的研制周期，降 低研制成本有着显著作用。 最后，通过以上仿真将机床的传动情况直观地显示了出来，取得了较好的直 观效果。而且结合本课题对今后的工作进行了展望，为整机的可装配性分析及性 能评价奠定了基础。 关关键词键词: CA6140 车床，SolidWorks，建模，仿真 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 2 Lathe Modeling and Simulation of the Movement Based on SolidWorks Abstract As we all know,modeling and simulation products,product design as an important element of the main functions of the product process. Good modeling, assembly and simulation technology, to ensure product quality and reliability,reduce costs and enhance competitiveness force of great significance.As information technology and manufacturing the rapid development of information technology, modeling and simulation technology. The development and application will become an inevitable trend. SolidWorks platform of the subject of the use of the CA6140 lathe assembly process of the necessary analysis and simulation. First of all,research from home and abroad,introduction of lathes,parts modeling and assembly modeling system and so on modeling and simulation on the theory of knowledge,and technical points of principle. Secondly,three-dimensional modeling software,SolidWorks gave a brief account of its plug-in function of learning and exploration,Grasp of the parameters of the modeling method,greatly reducing the design time and improve design efficiency and design quality,development of better design task was completed. That will do little to shorten the product development cycle,lower development costs have a significant role. Finally,through the above-mentioned machine tool simulation of transmission cases will show up directly to obtain a better visual effect. And connection with the subject of future work prospects for the whole analysis can be assembled and laid the foundation for performance evaluation. Key words: CA6140 lathe, SolidWorks, Modeling, Simulation 0 目目 录录 1 绪论绪论1 1.1 引言引言1 1.2 国内外研究国内外研究现现状状2 1.3 课题课题目的及所研究的主要内容目的及所研究的主要内容3 1.3.1 课题课题的目的的目的3 1.4 CA6140 车车床床简简介介4 1.4.1 CA6140 车车床床简简介介4 1.4.2 CA6140 车车床的床的传动传动系系统统4 2 SolidWorks 软软件平台件平台4 2.1 SolidWorks 及其二次开及其二次开发发技技术简术简介介4 2.1.1 三三维维造型造型软软件件 SolidWorks 简简介介4 2.1.2 基于基于 SolidWorks 的二次开的二次开发发技技术术5 2.2 SolidWorks 插件插件5 2.2.1 PhotoWorks .5 2.2.2 FeatureWorks6 2.2.3 COSMOSXpress6 2.2.4 Toolbox.6 2.3 SolidWorks 在在产产品品设计设计中的功能中的功能7 2.4 三三维实维实体零件的建模体零件的建模7 2.4.1 参数化建模方法（参数化参数化建模方法（参数化设计设计） ）7 2.4.2 一般建模方法一般建模方法9 2.5 三三维实维实体零件的装配体零件的装配9 2.5.1 向装配体中添加向装配体中添加实实体零件体零件9 3 车车床的建模床的建模10 3.1 轴轴的建模的建模10 1 3.2 齿轮齿轮、 、链轮链轮的建模的建模.11 3.3 凸凸轮轮的建模的建模14 3.4 拨拨叉的建模叉的建模14 3.5 机架、定位机架、定位块块、 、销钉销钉的建模的建模.16 4 车车床的装配床的装配17 4.1 装配装配顺顺序的原序的原则则17 5 车车床的仿真床的仿真18 5.1 Animator 介介绍绍.18 5.2 车车床床传动传动仿真的仿真的实现实现19 6 结论结论与展望与展望19 6.1 结论结论19 6.2 今后工作方向今后工作方向20 致致谢谢21 参考文献参考文献21 2 1 绪论绪论 1.1 引言引言 近些年来，随着计算机技术的发展，计算机图形处理能力日益增强，以计算 机为主要工具的仿真技术也迅速发展起来，并很快应用于工程领域。在计算机辅 助下进行机械零件的设计、校核，并进行系统运动仿真己经逐渐成为机械设计的 发展方向。在传统的设计与制造过程中，首先是方案设计及论证，然后进行产品 设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验 甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。 只有通过周而复始的设计一试验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过 程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的 灵活反应了。在大多数情况下，工程师往往为了保证产品按时投放市场而中断这 一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在市场竞争的背景下，基于实际 样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市场 的占有。随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发 周期，提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应都已成为竞争者们所追求 的运营方式，谁早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式却无 法满足这些要求。 计算机运动仿真作为计算机仿真技术的一个重要分支，可以归入虚拟现实 技术 VR(VirtualReality)的范畴，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、实时计算 技术、人机接口技术等多项关键技术12。作为一门新兴的高技术，己经成为工程 技术领域计算机应用的重要方向。尤其在航天、国防及其它大规模复杂系统的研 制开发过程中，计算机运动仿真己经成为不可缺少的工具。借助于这项技术，工 程师们可以在计算机上建立机械系统的虚拟模型，伴之以三维可视化处理，模拟 其在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真的结果来精化和优化系统 的设计。计算机运动仿真技术已经越来越成为人们代替或部分代替样机制作、工 艺试验，以获取所需数据结果并最终完成对产品的性能测试及验证的有力技术 手段川。虚拟模型技术应当属于计算机辅助工程(CAE)的一个分支，它的核心部 分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现15。作为应用数学一个分 支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机 可视化技术以及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面，CAD/FEA 等技术的发展为虚拟模型技术的应用提供了技术环境。借助于虚拟模型技术，设 计过程先从整机开始，按照“由上至下”的顺序进行，这样可以避免由于系统设计 2 方面的失误而付出的昂贵代价。 目前，虚拟模型和计算机仿真技术已经广泛地应用在各个领域里:汽车制造 业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业;所涉及到的产品从庞大 的卡车到照相机的快门，天上的火箭到轮船的锚机。在各个领域里，针对各种不 同的产品，虚拟模型技术都为用户节省了开支和时间，并提供了满意的设计方案。 1.2 国内外研究国内外研究现现状状 虚拟模型和计算机仿真技术是一项涉及多个学科领域的前沿技术，发达国 家于 20 世纪 80 年代提出了相关概念，这项技术在过去的 10 年里获得了迅速发 展并达到实用阶段。和一些先进国家相比，我国在这个领域还有一定差距，但已 经引起了国家有关部门和科学家们的重视，九五规划、国家自然科学基金、国家 高技术产业规划都把虚拟现实技术 VR 列入了研究项目11。 国内一些高校和研究部门在紧跟国际先进技术的同时，也积极投入到了这 一领域当中，并且取得了一定的研究成果。清华大学计算机科学与技术系对虚拟 现实和临场感方面进行了研究，在克服立体图闪烁的措施和深度感试验方面采 用了一些独特的方法。他们针对室内环境的特点，提出借助图像变换，使立体视 觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维 结构的新颖算法。哈尔滨工业大学机械系在机构的三维运动仿真方面进行了不 少研究，他们使用 OpenGL 开发的机构三维仿真软件成功地模拟出了一些常用 机构的运动状态，并在此基础上加入了一些计算机辅助设计和分析的功能。该校 计算机系成功地摹拟出了人的脸部动作，如表情的合成和唇动的合成。浙江大学 CAD3DS 是目前世界上应用最 广泛的三维建模，动画，渲染软件，被广泛地应用于电视及娱乐业中，该软件功 能强大，使用方便，但是造型结束后实体的形状和尺寸都不能被实时或交互更改， 如果用于运动仿真就显得柔性不足。(3).针对成熟软件的二次开发方法。这些成 熟的软件包括 AutoCAD(二维)、UG、Pro/E、SolidWorks(三维)等，其中 AutoCAD 二次开发多用于平面图形，很少应用与三维实体造型，其余几种软件本身就是工 程软件，对机械零件的造型能力很强，其二次开发的接口也比较成熟，开发具有 很大的灵活性，二次开发的产品很多己经进入工程使用阶段14。 本文基于 SolidWorks 进行车床的建模和运动仿真软件的开发，主要是从以 下几方面考虑: （1）SolidWorks 是当今世界基于 NT/Windows 平台的三维机械 CAD 软件系 统的主流产品，目前己在国内外中小型企业中得到广泛应用。 （2）易学、易用，操作过程直观、简单，功能强大。 （3）完全汉化，使用过程中无任何语言障碍。 （4）可向下兼容二维 AutoCAD，使得以前采用 AutoCAD 进行的设计可以继 续使用和转化。 （5）根据需求，可以很方便地利用 VB 和 VC+对其进行二次开发。 （6）与其它三维设计软件系统具有非常好的兼容性。 1.3 课题课题目的及所研究的主要内容目的及所研究的主要内容 1.3.1 课题课题的目的的目的 机床是机械加工制造业的主要加工工具，要提高机床的加工质量、加工精度 和生产效率，缩短机床产品的开发时间、降低开发成本和提高产品质量，必须要 保证设计和装配质量。因为良好的建模设计和装配仿真技术，对保证产品质量和 可靠性，降低产品成本和提高竞争力具有十分重要的意义。所以在产品开发过程 中，建模和装配是最重要的环节之一，对装配问题考虑地越早，所获取的质量、 成本和时间就越明显。因此把建模技术和计算机仿真技术应用到机床产品的开 发上来是刻不容缓的。本课题就是旨在基于 SolidWorks 三维实体造型软件对 4 CA6140 车床系统进行虚拟装配及仿真分析研究。 1.3.2 课题课题的主要工作内容的主要工作内容 （1）三维环境下的零件建模与装配 为了实现机构的运动仿真，首先必须利用 SolidWorks 强大的实体造型功能 构造出运动构件的三维模型，其中包括:大、小齿轮，凸轮，杆等运动构件，以及轴、 销等辅助构件，部分零部件可利于 SolidWorks 强大的数据库进行参数化设置，减 少设计时间。在完成建模后，结合各个部件间的配合特征，利用 SolidWorks 平台 对各部件进行装配。 （2）实体机构的运动仿真 完成装配的机构还不能运动，只能维持装配时的状态，为了再现机构的实际 运动，必须根据不同机构的特点，计算各个构件之间的相对位置。根据各构件的 相对运动关系，利用 Animator 插件通过节点的选择对其进行模拟仿真，从而模 拟出了机构的运动状况。通过控制计时器的参数和状态，可以实现机构运动的开 始，暂停，反转，停止等操作。另外，为了更清晰的展现每个机构的运动情况，各 个机构还可以单独运动，使用户更清楚的了解每个机构的运动情况。 1.4 CA6140 车车床床简简介介 1.4.1 CA6140 车车床床简简介介 普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床类总数的 65%。作为最常见 的一种，CA6140 型普通车床的主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、 尾架、光杠、丝杠和床身。 1.4.2 CA6140 车车床的床的传动传动系系统统 电动机经主换向机构、主变速机构拖动主轴。主换向机构主要用于切削螺纹， 主变速机构用于变速。进给链（切螺纹时为螺纹链）从主轴开始，经进给换向机构、 挂轮和进给箱内的进给变换机构、转换机构-光杠（普通车削）、溜板箱内的转换 机构传至刀架；或经丝杠和溜板箱内的螺母传至刀架。 2 SolidWorks 软软件平台件平台. 2.1 SolidWorks 及其二次开及其二次开发发技技术简术简介介 2.1.1 三三维维造型造型软软件件 SolidWorks 简简介介 SolidWorks 软件是在 windows 环境下开发的三维实体设计软件，它能够充 分利用 Windows 的优秀界面，为设计师提供了简易方便的工作界面。SolidWorks 5 首创的特征管理，能够将设计过程的每一步记录下来，并形成特征管理树，显示 在屏幕的左侧。设计师可以随时点取任意一个特征进行修改，还可以随意调整特 征树的顺序，以改变零件的形状。由于 SolidWorks 全面采用 Windows 的技术，因 此在零件设计时可以对零件的特征进行“剪切、复制、粘贴”等操作。SolidWorks 软件提供完整的、免费的开发工具(API)，用户可以用微软的 VB、VC+或其它支 持 OLE 的编程语言建立自己的应用方案。通过数据转换接口，SolidWorks 可以 很容易地将目前市场几乎所有的机械 CAD 软件集成到现在的设计环境中来。 SolidWorks 是 Windows 原创的三维实体设计软件，全面支持微软的 OLE 技 术。它支持 OLEZO 的 API 后继开发工具己经改变了 CAD/CAE/CAM 领域传统 的集成方式，使得不同的应用软件能集成到同一个窗口，共享同一数信息，以相 同的方式操作，没有文件传输的烦恼。 SolidWorks 软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的，该软件自 1995 年问世以来，先后共获得工业界的十几次大奖，这在同档次软件中是获奖次数最 多的软件。 2.1.2 基于基于 SolidWorks 的二次开的二次开发发技技术术. 为了方便用户进行二次开发，SolidWorks 提供了 OLE 应用程序开发接口 SolidWorksAPI，其中包含有数以百计的功能函数，用户可以使用支持 OLE 编程 的开发工具，如用 VB、VBA、C、VC+等都能对这些功能函数进行调用，为程序 员提供了直接访问 SolidWorks 的能力。通过适当的方法调用 SolidWorksAPI，应 用其中丰富的函数进行二次开发，可以建立适合用户需要的专用 SolidWorks 运 动仿真模块。进行 SolidWorks:二次开发之前，还必须熟悉 SolidWorksAPI 对象。 SolidWorksAPI 接口采用面向对象的方法，所有的函数都是有关对象的方法或属 性。SolidWorks 提供了大量的 API 对象用于二次开发，这些对象涵盖了全部的 SolidWorks 的数据模型，通过对这些对象属性的设置和方法的调用，就可以在用 户自己开发的 DLL 中实现与 SolidWorks 相同的功能和操作。 2.2 SolidWorks 插件插件 2.2.1 PhotoWorks PhotoWorks 高级渲染软件与 SolidWorks 完全集成。PhotoWorks 软件用于 产品真实效果的渲染，可产生高级的渲染效果图，该软件使用非常方便，设计人 员可以利用渲染向导一步步完成零件或装配真实效果的渲染。利用 PhotoWorks 可以进行以下几种渲染： （1）设置模型或表面的材质和纹理 （2）为零件表面贴图 6 （3）定义光源、反射度、透明度以及背景景象 （4）利用现有的材质和纹理定义新材质或纹理 （5）图像可以输出到屏幕或文件 （6）可以进行实时渲染 2.2.2 FeatureWorks FeatureWorks 特征识别软件与 SolidWorks 完全集成。大部分三维设计软件 都提供了数据接口，利用数据接口可以读入标准格式的数据文件，如 IGES、EAT 等。但输入到设计环境中的模型只是一种实体的模型，无法区分输入模型的特征， 对模型的修改很不方便。 利用 FeatureWorks 可以在 SolidWorks 的零件文件中对 输入的实体特征进行识别。实体模型被识别为特征以后，在 SolidWorks 中以特 征的形式存在，并和用 SolidWorks 软件生成的特征相同。FeatureWorks 对静态的 转换文件进行智能化处理，获取有用的信息，减少了重建模型所花费的时间。 FeatureWorks 最适合识别规则的机加工轮廓和钣金特征，其中包括拉伸、旋 转、孔和拔模等特征。 （1）拉伸特征，特征的轮廓是由直线、圆或圆弧构成 （2）圆柱或圆锥形状的旋转特征 （3）所有孔特征，包括简单孔、螺纹孔和台阶孔 （4）筋和拔模特征 （5）等半径圆角 2.2.3 COSMOSXpress SolidWorks 为用户提供了初步的应力分析工具COSMOSXpres，利用它 可以帮助用户判断目前设计的零件是否能够承受实 际工作环境下的载荷。 SolidWorks2003 集成了 CosmosXpressm，可以让工程师在设计过程中可以体验 仿真分析的效果。而 SolidWorks2008 中将提供 Cosmos MotionXpress（运动仿真 分析）、Cosmos FloXpress 和 DFMXpress（可制造性的分析）等模块，使得工程师 能够更好地进行设计验证， COSMOSXpress 是 COSMOS/Works 产品的一部 分。 2.2.4 Toolbox Toolbox 与 SolidWorks 完全集成的智能化标准零件库。Toolbox 提供了如 ISO、DIN 等多标准的标准件库。利用标准件库，设计人员不需要对标准件进行建 模，在装配中直接采用拖动操作就可以在模型的相应位置装配指定类型、指定规 格的标准件。设计人员还可以利用 Toolbox 简单地选择所需标准件的参数自动生 7 成零件。 Toolbox 提供的标准件以及设计功能包括以下多种： （1）轴承以及轴承使用寿命计算。 （2）螺栓和螺钉、螺母。 （3）圆柱销。 （4）垫圈和档圈。 （5）拉簧和压簧。 （6）PEM 插件。 （7）常用夹具。 （8）铝截面、钢截面梁的计算。 （9）凸轮传、链传动和皮带传动设计。 2.3 SolidWorks 在在产产品品设计设计中的功能中的功能 SolidWorks 软件在产品设计中的基本功能体现在以下几个方面。 （1）零件设计 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 或两个平行截面间拼合的槽。 生成标准特征，包括孔、倒角、圆角、壳、规则图、法兰盘、棱、筋等。 草图装饰特征。 生成参考基准面、轴、点、曲线、坐标以及非实体参考基准的图。 修改、删除、压缩、重定义和重排列特征以及只读特征。 通过生成零件尺寸和参数的关系获得设计草图。 在模型上给定密度、单位、材料特性或用户专用的质量特性。 可以通过 SolidWorks 定义高级特征以增强系统功能。 （2）装配设计 使用重合、交叉、对齐等命令生成装配和子装配，终生成整个产品的装配。 从一个装配中拆开装配的组件。 修改装配时设置的偏移。 生成和修改装配的基准面、坐标系和剖面图。 修改装配模型中的零件尺寸。 产生工程信息、参考尺寸和装配质量等特性参数。 （3）通用功能 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。 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。 2.4 三三维实维实体零件的建模体零件的建模 8 2.4.1 参数化建模方法（参数化参数化建模方法（参数化设计设计） ） 在 SolidWorks 中参数化建模可以通过两种方法实现，一种方法是用户根据 需要直接用程序生成需要的模型，称为完全程序化参数建模;另一种方法是利用 已有的模型，通过修改模型参数的方法得到需要的模型，称为参数修改法建模。 （1）完全程序化参数建模 采用程序方法进行建模时，建模的过程完全由程序进行控制，相当于将手动 分步建模的过程由计算机连续完成。理论上讲，凡是手工建模能够完成的复杂模 型都可以用这种方法生成。完全程序建模的方法特别适合生成具有多个变参数 的模型，建模的灵活性强，不需要模型库的支持，可以在建模的同时完成设计计 算、强度校核、寿命计算等工作，程序可实现的功能强大，参数的输入也可以采 用数据库等多元化的方法8。通常情况下，这种方法的程序设计工作量较大，要 求程序员对 SolidWorksAPI 函数具有较高的理解和运用能力，适合于模型比较简 单、参数变量多或参数间有关联的情况。由于 SolidWorksAPI 的函数较多，全部 熟悉比较困难，一个简单的了解函数应用的办法是通过 SolidWorks 中的宏来记 录用户在造型过程中的操作，所有的操作会以 VBscriPt 的形式保存下来，而几乎 所有的 VC+函数名与 VBscriPt 的函数名相同或类似，然后通过帮助得到相应函 数的用法3。完全程序化参数建模的效率与模型的复杂程度有关，模型越复杂则 建模的时间越长:编制程序的工作量越大。完全程序化建模的执行过程与手工建 模的过程基本一致，较容易理解，这种方法的难点在于要求程序员对 SolidWorksAPI 函数具有较高的理解和运用能力，而实际上要做到这一点是需要 付出一定的时间和努力的。对于初学者，使用这种方法有助于更好的理解和运用 SolidWorksAPI 函数。 （2）参数修改法建模 参数修改法建模是通过修改现有模型的参数来实现参数化建模的方法，采 用参数修改法建模必须有模型库的支持，模型库通常由用户事先用手工方式建 立，保存在程序指向的目录下。需要使用时，从模型库中打开模型文件，对指定 的尺寸参数进行修改、重建，就可以获得满足要求的模型。这种方法的程序设计 工作量小，与造型过程无关，适用于模型标准化程度高的情况或造型过程复杂、 可变参量少的情况。参数修改法建模对模型库的要求较高，手工建模时需要综合 考虑尺寸标注方式，尽量避免尺寸参数间的关联和制约关系，需要修改的尺寸参 数必须独立标注，尺寸标注的名称可通过查阅其属性获得。可变参数的输入可以 通过对话框、数据库等多种方式实现，也可以从程序设计计算的结果中获得。修 改模型参数前必须打开零件库中对应的零件，打开零件的操作可以由手动完成， 也可以通过程序完成。 9 这种建模方法不需要程序员掌握大量的 API 建模函数，程序的复杂程度与 模型的复杂程度无关。由于参数修改必须对应指定的标注对象和零件对象，所以 这种建模方法对模型库的依赖性很强，模型库一旦确定就不能随意修改，否则将 造成程序无法正常运行。 2.4.2 一般建模方法一般建模方法 打开 SolidWorks 的界面，利用“草图绘制”功能，可以编辑基本的直线、矩形、 圆、圆弧等，通过“智能尺寸”可以对其进行编辑约束，最终形成理想的二维平面 图形，然后利用“特征”功能，可以对草图进行“拉伸”、 “扫描”、 “放样”等，最终形成 所要求的模型，如果在操作中出现错误，可以在操作树中对其进行修改。如（图 2- 1）。 图 2-1 在操作树中编辑特征 2.5 三三维实维实体零件的装配体零件的装配 2.5.1 向装配体中添加向装配体中添加实实体零件体零件. SolidWorks 向装配体中添加零件有两种方法:手动方法和程序方法。在本课 题中重点掌握和应用手动方法。如图 2-2 所示： 10 通过点击“浏览”，可以插入零部件，在通过配合、移动旋转零部件、智能扣件 等指令进行相应要求的配合，完成装配。 图 2-2 插入零部件属性管理器 3 车车床的建模床的建模 3.1 轴轴的建模的建模 以（1 轴）为例，由于是轴类零件，重要掌握“拉伸”功能，如图首先草圆，利用 智能尺寸，修改圆的直径，为 42mm，点击退出草图按钮。 图 3-1 拉伸属性管理器 利用特征功能，对其进行拉伸，在深度一栏输入长度 200mm，如图 3-1。 11 最后画出轴肩，画圆，选择拉伸的一面为作图平面，画圆直径为 48mm，如 图 3-2，同上述步骤，对其进行拉伸。可以得到最终所需的轴模型。 图 3-2 尺寸属性管理器 图 3-3 轴模型 最终我们可以得到零件如图 3-3 所示。 3.2 齿轮齿轮、 、链轮链轮的建模的建模 齿轮的建模重点利用 SolidWorks 所提供强大的 Toolbox 插件（见图 3-4），其 提供庞大的数据库，像国标中的齿轮、齿条、键、销等相关零部件，供我们选择。 12 图 3-4 “Toolbox”库 我们也可以通过修改其相应参数得到我们所需的零件，以“三轴一”为例，我 们选择“ToolboxISO动力传动齿轮”选择正齿轮，生成零件，在正齿轮选项对话 框内，输入相应的模数、齿数、压力角、面宽、毂样式、及标准轴直径。在这里我 们相应的数据为：模数 2.5，齿数为 41，压力角为 20，面宽为 12mm，标准轴直径 为 20mm。点击确定，得到生成齿轮（图 3-5）。 图 3-5 齿轮参数化建模 13 要生成键槽，我们还需要在齿轮端面上进行切割，草绘如图 3-6： 图 3-6 草绘键槽 进行拉伸切除，选取完全贯穿，完成后对特征进行圆周阵列，可以得到我们 最终所要求的齿轮，完成后如图 3-7 所示。 图 3-7 齿轮模型 14 链轮的建模同齿轮相同。通过齿轮、链轮的建模，巩固和学习了利用 Toolbox 插件进行参数化建模，也进一步熟练了 SolidWorks 的特征命令。 3.3 凸凸轮轮的建模的建模 凸轮的建模重难点在于草绘的时候对于尺寸的把握，在作图时应熟练应用 草绘时对各个线之间关系的约束，重点应用了“添加几何关系” 、 “显示删除几何 关系”、 “镜像”、 “剪裁实体”等指令。如图 3-8： 图 3-8 添加几何关系属性管理器 可以对各线段进行约束，通过“拉伸切除”最终得到凸轮实体。如下图 3-9： 15 图 3-9 凸轮模型 3.4 拨拨叉的建模叉的建模 拨叉的建模主要应用了基准面的建立与应用，在确定了基准面后在相应的 基准面上进行草绘、拉伸、切除，最终可以形成拨叉的模型。具体步骤为： 首先，在前视基准面上画圆，通过拉伸，得到相应模型后在外圆的一侧建立 基准面，与圆面相切。可以通过与右视基准面的距离确定，输入 12.5mm，如图 3- 10 所示： 图 3-10 基准面属性管理器 点击，得到基准面 1。在确定基准面后，进行草绘，选择刚才所建的基 准面 1，画出矩形，最后经过拉伸、切除可以得到图 3-11： 16 图 3-11 建立“基准面 1” 再建立新的基准面 2，草绘拨叉轮廓，经过定义尺寸后，对草图进行拉伸、切 除，最终得到拨叉模型。如图 3-12： 图 3-12 “基准面 2”的建立 结论：拨叉的建模重点要求我们对基准面的建立，相应地，可以延伸到基准 点、基准线的建立和应用。新的基准的建立，对三维模型的构建有着至关重要的 作用，要求我们熟练掌握。 3.5 机架、定位机架、定位块块、 、销钉销钉的建模的建模 机架的建模重点要求我们掌握“抽壳”的应用，首先草绘“矩形”，对其进行拉 伸，然后抽壳，具体操作如图 3-13 所示： 17 图 3-13 抽壳属性管理器 完成抽壳后，通过画圆，拉伸切除，可以得到最终机架。如图 3-14： 图 3-14 抽壳模型 定位块和销钉的建模比较简单，可以通过基本的特征操作指令得到。 结论：通过机架的建模，可以让我们对抽壳操作有一定的了解，由此延伸的 拔模、倒角、圆角等相关操作也需要我们熟练掌握。 4 车车床的装配床的装配 4.1 装配装配顺顺序的原序的原则则 在这里我们采用“可拆即可装”的方法来确定装配顺序。 “可拆即可装”的原则 是:若零件的装配和拆卸互为可逆过程，则可通过求解零件的拆卸顺序来得到零 件的装配顺序。拆卸法求解装配顺序的优点是：若判定一零件满足拆卸条件，则 该零件一定满足顺序约束；反之，装配过程某一阶段满足装配条件的零件并不一 18 定满足顺序约束条件，因为该零件有可能影响到后续零件的装配；另外，通过几 何计算和推理可从零部件的装配状态演绎出零部件拆卸的初始方向，而从自由 状态的零部件却无法推导出零部件的装配方向。对于 CA6140 车床而言： 当我们拆卸时顺序应该是： 换挡装置链条链轮齿轮键轴 因此，装配顺序应该是： 轴键齿轮链轮链条换挡装置 在 SolidWorks 平台中，我们可以通过向装配体中添加实体零件，进行装配， 具体可以采用手动法。最终借助于配合、移动、旋转零部件等指令完成装配工作。 如图 4-1 所示： 图 4-1 装配模型 5 车车床的仿真床的仿真 5.1 Animator 介介绍绍 Animator 插件就是一个与 SolidWorks 完全集成的动画制作软件插件，它能 将 SolidWorks 的三维模型实现动态的可视化，并且实时录制机构的模拟装配过 程、模拟拆卸过程和机构的模拟工作过程，将机构的工作情况得到更好的表达， 增强了人们对机构的认识和了解。产品的交互动画将 SolidWorks 的三维模型实 现动态的可视化，摄制产品设计的模拟装配过程、模拟拆卸过程和产品的模拟运 行过程，从而实现动态设计。 19 Animator 具有如下特点： （1）Animator 与 SolidWorks 和 PhotoWorks 软件无缝集成，可以充分利用 SolidWorks 的实体模型和 PhotoWorks 的渲染功能。 （2）利用动画向导，可以非常容易地对 SolidWorks 零件或装配体环境制作动 画。 （3）爆炸或解除爆炸动画，来展示装配体中零部件的装配关系。 （4）绕着模型转动或让模型 360 度转动，可以从不同角度观看设计模型。 （5）利用专业的灯光控制以及为零件和特征增加材质，来产生高质量的动画 效果。 （6）可以直接通过电子邮件发送 AVI 格式动画文件，加快设计观点的交流， 缩短设计周期。 5.2 车车床床传动传动仿真的仿真的实现实现 SolidWorks Animator 使用基于“关键点”的界面。所谓关键点（Key Frame）， 就是零部件的某个特定的状态。 “关键点”不仅支持空间位置的变化，也支持模型 材质、颜色、透明度的变化。Animator 基本界面如图 5-1 所示： 图 5-1 放置键码属性管理器 重点在于关键点的确定，生成关键点有 3 个步骤：（1）切换到动画界面。 （2）根 据机构运动的时间长度，拖动时间滑竿到相应的位置。 （3）拖动装配体零部件，使 其达到动画序列末端应达到的新的位置。也可以在对应零件的时间栏区域单击 右键，在菜单中选择“放置键码”选项。对于本装配体，移动时间滑竿，然后旋转齿 轮到最终理想的位置，就可以达到理想的动画效果，单击“开始”按钮可以播放动 20 画，通过点击“保存”按钮可以将动画保存为 AVI 格式的动画。 6 结论结论与展望与展望 6.1 结论结论 产品的建模、虚拟装配和仿真是当今研究的一个热点课题。国外对这一课题 的理论研究较早，而且取得了很多的成果，在国内也是近几年才开始跟踪国外进 行研究。目前的研究主要集中在理论方面，在工程应用方面研究较少，大多都是 为了某一目的各自为阵，不具有系统性、全面性。如果能够具有一个适用性广泛、 功能强大的软件系统，使我们能够在计算机上通过虚拟装配、仿真解决实际生产 过程中的所有问题，那么这将会大大提高装配效率，节约成本，减少劳动力，这 是我们研究的目标。 本课题从零件建模、装配、动态仿真等方面的理论和应用方面阐述了整个虚 拟装配和动态仿真过程。本课题力争为后期研究打下基础，创造较好的前提条件， 因此在导师的悉心指导和作者的努力下基本达到了预期的目的，主要取得了如 下成果： （1）基于 SolidWorks 系统和装配对象CA6140 车床系统，建立了零部件三 维实体模型和虚拟装配的模型，通过二次开发对复杂零件齿轮进行了建模，并 且客观地描述了整个装配过程； （2）在 SolidWorks 中实现装配过程的动态仿真，改进了 SolidWorks 系统中 只有装配前和装配后两种状态的缺点； （3）在装配过程中体现出了装配路径，但是装配路径和顺序的规划是人工完 成的，不能做到自动规划； （4）由于该系统是利用 SolidWorks 系统的固有功能直接开发而成的，因此具 有很大的可靠性； （5）为复杂系统的全过程动态仿真及碰撞和干涉检测、装配顺序和路径的自 动规划等深入研究打下基础。 6.2 今后工作方向今后工作方向 本课题的理论和应用研究工作基本上达到了预期的目的，但由于时间和个 人能力所限，还有很多后续的工作需要进一步的研究。 （1）对主要装配体进行配合分析，选取零部件最合理的公差配合。某些零部 件的尺寸公差的选取对整机的性能影响较大，因此需要对装配性能要求较高的 零部件建立不同尺寸公差的零件库，通过对其装配应力进行分析，从而选取最为 合理的公差配合，提高装配质量和整机的性能。 （2）通过虚拟装配，对装配后零件的变形、性能进行预测，便于反馈修改其设 21 计提高装配性能。例如，可以对轴、齿轮、轴承等机床主要零部件进行分析。 （3）可以通过虚拟装配对主要部件或整机自动进行可装配性评价，以便简化 产品结构，减少零部件个数，大幅降低产品的制造费用和装配费用，缩短产品的 制造周期和装配周期，提高其装配和整机的性能。 （4）可以在此基础上深入研究，通过二次开发从零件库中自动调用零件，采 用装配约束和联接进行自动装配，从而实现完全的装配过程仿真。不过该问题比 较复杂，因为零件装配的约束和联接牵方式非常多，要使一个零件的装配完整约 束，需要 2-4 个约束或者联接方式，而且还有点、线、面等特征。但是零件库的建 立和零件的调用比较容易实现。 （5）本文所涉及的主轴系统的装配路径基本上都是直线，但是很多复杂的装 配体的装配路径是曲线或者不规则的曲线，规划非常复杂，需要进一步的简化。 （6）在上述基础上，对相似性、重复性高的零部件建立零件库，便于该车床的 系列化开发。 致致谢谢 本文自始至终是在尊敬的陈锡渠教授的悉心指导和严格要求下完成的。陈 老师渊博的知识，言传身教的学者风范，严谨求实的作风，高尚的人品，以及高 度的责任感将永远激励我自强不息。值此论文完成之际，谨向他致以崇高的敬意 和衷心的感谢，并祝愿他身体健康、工作顺利。 在攻读学士期间，得到了机电学院丛晓霞老师、马利杰老师、李达敏老师、 庞明华老师的教诲与鼓励，对此表示衷心的感谢。同时感谢学友李舸艄、周亦航、 高自永等对我的帮助。 深深感谢父母多年来在精神、物质和生活上给予我的最大帮助和全力支持。 作者向所有参考文献的作者致以谢意! 参考文献参考文献 【1】戴曙.金属切削机床.北京:机械工业出版社，2007.12. 【2】宋爱平.CAD/CAM 技术综合实训指导书.北京:机械工业出版社，2006.1. 【3】施平.机械工程专业英语.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2007.8. 【4】立雅科技.SolidWorks2004 实战演练.北京:中国铁道出版社，2005.4. 【5】王兰美.机械制图. 北京:高等教育出版社，2004.2. 【6】濮良贵，纪名刚.机械设计. 北京:高等教育出版社，2006. 【7】王先逵.机械加工工艺手册.北京:机械工业出版社，2006.12. 【8】王贤坤.机械 CAD/CAM 技术、应用与开发.北京:机械工业出版社，2000. 【9】刘友和，郑继昌.SolidWorks 入门.北京:清华大学出版社，2002. 22 【10】孙桓，傅则绍著.机械原理.北京:高等教育出版社，1989. 【11】宋培林.虚拟模型:机械工程的一门新兴技术. 2003. 【12】郭晓宁，褚金奎.基于 SolidWorks 的空间连杆机构实体运动分析的开发.机械科学与技术. 2003，理:248-252. 【13】喻宏波，王玉敏，王玉新等.多杆空间机构三维实体仿真.机械设计.1999.9:16-17. 【14】韩锐.基于 SolidWorks 的机构运动仿真研究.西安理工大学出版社，2004.3. 【15】冯瑞成.Q3808 无心车床主轴系统虚拟装配及仿真分析.兰州理工大学出版社，2004.5.
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