数控铝带绕片机传动部分的结构设计及运动仿真论文

数控铝带绕片机(传动部分)的结构设计 及运动仿真摘 要随着机械产品功能要求日益增多，产品更新换代的周期缩短，使得传统的设计方法逐渐被现代设计方法所取代。绕片机是生产铝片翅片管的专用设备，铝带翅片管是指金属外表面绕有连续薄带状的螺旋形金属铝片，利用绕片进行热交换的一种换热元件。这种翅片管是目前国内外一致公认的一种新型高效热交换元件，是先进的节能产品。而我国现有的绕片机多属于半机械半手工的操作方式，效率低、质量不稳定、规格少。因此有必要对铝带绕片机进行结构设计研究。针对国内外翅片管生产设备的情况，并结合现在市场对绕片机的需求状况，我校自行开发了数控铝带绕片机。解决了传统绕片机的半机械、半手工的操作方式，效率低，质量不稳定，规格少的问题；实现了产品螺距的无级调速，并可实现程序管理、参数预设置、自动和手动的功能。能够有效地提高企业的生产效率和自动化水平，并最终提高企业在市场上的竞争力。本文主要介绍该设备的工作原理、传动部分的结构设计及三维造型及装配与仿真过程。本文从数控铝带绕片机的功能要求出发，对各个部分的功能进行了研究，系统阐述了数控铝带绕片机的总体设计、运动方案、结构设计及数控铝带绕片机传动部分相关零件的设计计算，本文以CATIA为三维设计平台对数控铝带绕片机传动部分进行计算机的辅助设计，并且，在CATIA平台上对传动部分进行装配和运动仿真。关键词 数控铝带绕片机；CATIA；传动机构；翅片管The Structural Design and Simulation of the Numeric Control Aluminous-Winding Machine (Passing Mechanism) Abstract Numeric control aluminous-winding machine is an automatic machine used to produce aluminous swing piece tube utilizing electromotor, hydraulic pressure equipment. Aluminous swing piece tube is a heat-exchanging component exchanging heat utilizing the aluminous piece which is enwound on the surface of a metal tube. It is admitted nationally and internationally nowadays that the swing piece tube is the most advanced power-saving product in heat-exchanging area, and a high efficient heat-exchanging component. Based on the basic situation of its producing equipment nationally and internationally, designed a numeric control aluminous-winding machine, in this paper, and mainly introduced the working principle of this equipment, the structure design and the 3D modeling of pass mechanism of the aluminous-winding machine. It briefly introduced the background of the product in prolegomenon, and then stated the overall design, and the part design, the design of 3D model assembling, mechanism movement simulation of numeric control aluminous-winding machine based on CATIA. With the CAD (computer aided design) of numeric control aluminous-passing machine utilizing CATIA, and through modeling, assembling, we can valuate and judge the overall layout and architecture of the system, and can also change the scale and shape of parts conveniently. It introduce typical model spare parts , organization of 3D design set up mold , assemble and application CATIA to carry on NC numeric control aluminous-passing machine in detail.Keywords Numeric control aluminous-winding machine; CATIA; Passing mechanism; Wing piece tube 目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 数控铝带绕片机背景及其设计需求11.2 课题研究的目的和意义21.3 主要工作内容21.4 本章小结2第2章 传动部分的设计32.1 总体要求32.2 运动方案设计42.3 结构设计52.4 设计计算62.4.1 进给轮的结构设计62.4.2 同步带的设计计算92.4.3 齿轮齿条的啮合传动设计计算102.5 本章小结11第3章CATIA简介123.1 CATIA功能介绍123.2 CATIA V5的概貌123.3 CATIA功能介绍133.4本章小结15第4章 三维造型及装配164.1 三维设计流程164.2 零件设计建模164.3 零件的装配224.3.1 装配的基本概念224.3.2 主轴箱的装配234.4 本章小结28第5章 数字模型仿真295.1数字仿真概述295.2 数字模型仿真过程295.3本章小结36结论 37致谢38参考文献39附录.40千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- V -38 第1章 绪论千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行1.1 数控铝带绕片机背景及其设计需求 数控铝带绕片机是生产散热器用绕片管的专用生产线，绕片管是指金属外表面绕有连续薄带状的螺旋形金属翅片，利用翅片进行热交换的一种换热元件。这种绕片管是目前国内外一致公认的一种新型高效热交换元件，是先进的节能产品，可广泛应用于冶金、石油、化工、电站等行业的热交换器及各种散热器、暖风机等设备上。由于我国现有生产线多属于半机械半手工的操作方式，效率低、质量不稳定、规格少、不能满足用户日益增长的对质量、品种和规格的要求，因而对数控铝带绕片机的开发就显得尤为重要。 我国对绕片机的大量使用从80年代开始，但多数为引进设备。由于绕片管是空气冷却器管束上的最基本、最重要的热交换元件，随着我国空调、制冷业的发展，对绕片管的需求量日益增加，作为绕片管生产的专用设备，绕片机仅靠进口已不能适应市场竞争的要求。为此，我国各企业，如开封市红日散热器厂、哈尔滨空调机厂等，都纷纷开发、研制了适合自己企业发展的设备，并取得了较好的经济效益。经过不断的改进和完善，绕片机的性能和各项参数都得到了很大的提高，但这些改进多数都只限于对机械结构的改进，绕片机自动控制能力相对较低。早于我国，70年代初期，美国Mcelory公司就已经开始研制绕片机。目前，该公司的绕片机已具备PLC控制和自动化加工功能。现在国外已经有成型的数控绕片管生产线，它能完成不同管径和翅片螺距的绕片加工，实现螺距的无级调整，而且操作方便，可实现程序管理、参数预设置、数控、手动等功能，并且加工零件的精度高、精度一致性好，加工质量稳定，废品率降低。因而，针对国内企业的实际情况，借鉴国外先进技术，开发数控铝带绕片机显得尤为迫切。开发后的数控铝带绕片机的控制系统以可编程控制器（PLC）为核心，并结合运动控制轴卡来对绕片管生产线进行自动控制。并且其主要性能和要求均可达到国内领先水平，将填补国内相关领域的空白，特别适合国内中小型企业使用。在本文中主要介绍其绕制机构结构外形方面的设计，及其整体的机械运动仿真，以校对整个机械运动的可行性及结构的正确与否。1.2 课题研究的目的和意义本课题是在数字化平台上设计的一种新型铝带绕片机，开发后的机床功能齐全，使用可靠，并采用开放性数控系统为核心的控制系统总体结构。根据数控控制铝带绕片机的要求，进行机床机械结构、上下料装置设计及工艺设计。在以往的基础上进行改进和创新，具体表现在以下几个方面：1.实现不同管径和长度钢管绕片的数控控制和铝带螺距的无级调整。2.用数控控制系统代替原来的手工操作，提高加工精度。3.通过数控控制，减少人为操作造成的误差。4.提高企业的自动化程度，提高生产效率和加工精度，大大降低了企业的生产成本。5.易于调整，所需调整时间少。6.采用报警装置，当发生故障时，可以得到及时的处理，减少损失。数控铝带绕片机实现生产过程的自动化、智能化，提高控制精度，稳定加工质量，提高了企业的自动化程度，提高生产效率和加工精度，其换热元件的传热效率可提高30%，生产率提高6倍，直接节约原材料（铝带）15%，从而更好地满足客户对产品的需求，大大降低了企业的生产成本，提高了企业的效益和市场竞争力，是一项极具开发潜力的项目。该数控铝带绕片机的主要性能和要求均可达到国内领先水平，将填补国内相关领域的空白。本论文主要是用运动仿真来研究铝带绕片机的结构问题。1.3 主要工作内容本文主要是在熟悉了数控铝带绕片机的工作原理及学习了CATIA软件的三维设计部分以后，进行数控铝带绕片机（传动部分）零件三维图设计，二维工程图；重点完成了数控铝带绕片机的传动部分装配及运动仿真。1.4 本章小结本章主要阐述了数控铝带绕片机在国内外的发展情况，根据数控铝带绕片机的发展趋势，阐述了研制数控铝带绕片机的意义和设计需求。第2章 传动部分的设计2.1 总体要求数控铝带绕片机是生产散热器用翅片管的专用设备，其结构主要包括自动上料装置、自动传送装置、自动加工装置和自动下料装置，整个设备受程序控制，自动完成加工工作。自动上料装置由六个液压缸的同步回路驱动摆动液压缸实现；自动传送装置通过液压缸组与支撑机构的紧密结合来实现复杂的机械运动，支撑液压缸组由五组液压缸的同步回路配合机械装置来实现钢管的加工和下料的传送，绕制完成后依靠保护套与减震液压缸组回路的配合来保证加工质量；自动加工装置和自动下料装置的控制主要用电机来实现，电机的转速由变频器来控制，通过对电机进行不同转速调节，从而实现了翅片管螺距的无级调整，在设计中为了提高翅片管的加工精度和质量，本论文中采用变频器来控制电机的不同转速1。数控铝带绕片机是生产散热器用翅片管的专用生产线，翅片管是指金属外表面绕有连续薄带状的螺旋形金属绕片，利用绕片进行热交换的一种换热元件。这种翅片管是目前国内外一致公认的一种新型高效热交换元件，是先进的节能产品。由于原铝带绕片机属于半机械半手工的操作方式，其自动化水平低，生产能力和加工精度有限。我们将采用运动控制轴卡结合可编程控制器(PLC)为核心的控制系统总体结构，对运用PLC实现变频调速器多电机控制的原理进行系统设计；根据数控铝带绕片机的要求，进行传动机构的结构设计。其结构简图如图2-1所示：图 2-1 数控铝带绕片机简图在以往的基础上进行改进和创新，具体表现在以下几个方面： 1.实现不同直径和长度基管绕片的自动控制和铝带螺距的无级调整。2.用自动控制系统代替原来的手工操作，提高加工精度。3.通过自动控制，减少人为操作造成的误差。4.提高企业的自动化程度，提高生产效率和加工精度，大大降低了企业的生产成本 。5.机器发生故障时，便于方便修理。6.采用报警装置，当发生故障时，可以得到及时的处理，减少损失。2.2 运动方案设计基管在绕制过程中，其上面的铝片是由直线状态被强制挤压成螺旋状态的，由于铝片跟基管相比，其刚度小得多，容易成型，因此铝片对基管的影响不大，实现起来比较容易。铝片的绕制过程中，基管被夹紧在三个驱动轮的中间，当外部给驱动轮一个转动力，那么这组驱动轮就会带动基管以基管的中心作圆周运动，这样就实现了基管的自身回转运动。缠绕在基管上铝片的螺距调节主要是靠主轴箱轴向运动速度来实现，基管本身是跟床身没有相对运动的，因此改变主轴箱的水平运动速度就能实现铝片的螺距调节。基管的自身回转运动和机头水平运动是靠两个独立的电机完成的，根据用户的需求用变频器来控制电机的转速，就能实现多种螺距的无级调整。速度分析如图2-2。铝片螺距与电机转速之间逻辑公式推断如下 （2-1） 1 = （2-2）=1 （2-3） 设n为使基管旋转的电机转速r/min1基管轴向运动的速度驱使机头动架水平运动电机动的转速度，P铝片螺距，图2-2 速度分析图旋转电机角速度，传动丝杠的螺距，2.3 结构设计 为了实现基管的自身回转及卡紧，因此在设计中所选用的驱动轮既要满足自身回转又要有自动卡紧功能。如图所示的驱动轮系，这种驱动轮系是在一个圆周上均匀分布三组完全相同的结构的转轮。从结构中知道，基管被夹紧在三个驱动轮的中间，当外部电机给驱动轮一个转动力，那么这组驱动轮就会带动基管以基管的中心作圆周运动，这样就实现了基管的自身回转运动。而当驱动轮各自绕自身的中心转动的时候，就迫使基管在自身的轴向上作直线用动，这样就实现了基管的轴向进给。绕制机构的工作流程如下：1.基管由上料装置传动到与轧制机头轴心平行时，工作台开始运动。2.在基管进入主箱体的时候，工作台上的电机开始工作并带动主箱体上的齿轮转动，从而达到带动主动轮的转动，这时主动轮里的进给轮带动基管旋转并进行进给运动。3.基管进到露出轧头约20mm左右，轧头旋转的同时，转动绕片。4.绕到基管给定长度时，停机，剪断铝带，将料送入装置中。驱动轮的示意图如图2-3所示2。 图2-3 驱动轮结构示意图而为了使所选用的驱动轮自身回转和整个机头都能够水平运动，则需外部的联结机构和传动机构来实现。绕制机头结构示意图如图2-4所示。图2-4 绕制机头的结构示意图驱动轮安装在主轴箱内，主轴箱外连在导轨面板上，驱动轮的自身回转靠主轴箱外的齿轮副带动，而驱动轮的轴向进给靠固联的导轨面板的滑动带动，这样就可以实现驱动轮的轴向进给和自身回转运动，从而带动基管的运动。为了提高绕片的成功率及铝带与基管的接触面积，在进行绕片之前，需对铝带部进行歪曲，压歪一断差不多2mm宽的带。在铝带受拉变形，绕在基管上后，利用铝带自身的张紧力，将基管牢牢缠住，保证铝带与基管的良好接触，即保证它们之间的导热性。在绕片机构的头部有一个碾压盘。它与铝带、轧头之间是过盈配合，在绕片之前，铝带没有受到拉力作用，压盘将铝带压于轧头上，在基管出来后，与铝带底部相互接触，带动铝带转动，压盘有辅助铝带绕上的作用。在绕上以后，铝带受拉转动，变薄，压盘顺着铝带绕支撑轴转动，防止铝带的变形及拉出。铝片的螺距主要靠调节电动机的转动速度来控制，根据铝片的弹性变形强度，可以确定转动机构电机的速度，一般在改变螺距的时候只改变进给电机的速度，这样能保证绕片的质量3。2.4 设计计算2.4.1 进给轮的结构设计进给轮的靠摩擦来实现对基管的进给，主要参数为压紧力、表面接触面积及摩擦系数有关。由于摩擦系数无法改变，为了提由传动效率，我们主从压紧力与表面接触面积两方面考虑。1.压紧力的计算 为防止打滑，摩擦轮与基管之间必须有足够的法向压力。压力是由对摩擦轮所施加的外力产生的，力称为压紧力。设为摩擦副材料的摩擦系数，则传动在接触面间的最大摩擦力为fN，此摩擦力应大于或等于从动轮所需的圆周力，即 F。压力可根据传动所传递的名义载荷求出，但为了计及载荷的不稳定性和保证传动的工作可靠性，引入一载荷系数K。现以KF代F并写成公式=KF，可得法向压力 (2-4) 式中传动功率，；从动轮直径，；从动轮转速，；摩擦系数。载荷系数。对于功率传动，=1.251.5，间歇工作，载荷不大的取小值，载荷较大的取大值，连续工作10h以上的再加大30%50%；对于仪器传动，=23。压紧力为 = (2-5)圆柱槽摩擦轮传动的压紧力为= = (2-6)2表面接触强度计算 除打滑外，当两轮面均为金属材料且在油中工作时，传动的主要失效形式将是表面疲劳磨损；在无润滑下工作的传动，无论是金属-金属摩擦副或金属-非金属摩擦副，其主要失效形式将是表面磨粒磨损。前一种失效应按接触应力公式进行表面疲劳强度计算；后一种失效目前只能根据单位接触长度的许用载荷进行条件性计算。由于槽的侧面是两轮的接触工作面，因此它应该按照如图所示的两个半径为、的当量接触圆柱进行表面接触强度计算。这时，两轮的综合曲率半径 = (2-7) 设为槽摩擦轮的槽数，取槽高和角，则整个槽轮的接触宽度= (2-8)整理后得圆柱摩擦轮传动中心距a的公式为= (2-9) 因此，增加表面接触面积可以增加摩擦力，提高传动效率，防止打滑。要提高摩擦轮传动的效率可以从材料选择和结构设计方面考虑。选用弹性模量高、轮面硬度大的材料时，可使接触面间的损失降低，但同时会因摩擦系数小而需增大压紧力，致使损失增加。如果选用摩擦系数大的材料，虽能使压紧力降低而减少轴承损失，但往往又会使接触面间的损失增加。由于进给轮是不断与基管进行接触的，随时间推移必将变的很光滑，提高摩擦系数的做法是行不通。只有从压紧力及提高摩擦面积着手。进给轮的结构如图2-6所示4。图2-6 进给轮结构示意图2.4.2 同步带的设计计算在机头部分，根据结构的需要，因此选用一对同步带轮进行传动，带轮靠伺服电机控制，这样能够达到所需要的精度，其设计计算如下：5 6 71.设计功率的确定： 2.选定带型和节距：根据和带型选取L型，节距3.小带轮齿数：根据带型L型和小带轮的转速小带轮的最小齿数=204.小带轮节圆直径：= （2-10）其外径5.大带轮齿数(初步确定传动比i为4i)： 大带轮的齿数6.大带轮的节圆直径：=218.30mm ，其外径217.53mm7.传动比i和带轮模数m：i3.6 m3.038.同步齿形带的带速： 3.4ms （2-11）9.初定轴间距：0.72 195.2557.88 根据实际取20010.带长L0及其齿数Z： =2() （2-12）=mm=900.077mm应选用带长代号为360的L型同步带，其节线长=914.40mm,节线长上的齿数Z=92。 11.实际轴间距：=207.16mm （2-13） 12.基本额定功率：= =244.46N，m=0.095 （2-14）所以得出：=kw=0.83kw 13.所需的带宽： = L型带=25.4mm，Kz=1得=16.4mm，应选带宽代号为075的L型带，其=19.1mm 因此，根据以上的参数就可以选择同步齿形带轮和同步齿形带。14.带轮结构和尺寸传动选用的同步带为 小带轮： 大带轮： 2.4.3 齿轮齿条的啮合传动设计计算1齿条传动速度：= （2-15）2小齿轮转速 故3小齿轮模数 4小齿轮齿数 5小齿轮的结构尺寸 齿距：齿轮中心到齿条基准线距离 基圆直径：齿顶圆压力角： 6齿条的结构尺寸： 齿高：2.5 本章小结确定自动铝带数控铝带绕片机的主要技术参数及工艺流程，对主箱体的结构进行了初步设计，确定各执行机构的设计方案，比如：进给机构、传动机构、绕片机构等，以及对部分主要部件的校核计算。第3章CATIA简介3.1 CATIA功能介绍 CATIA(Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application)是法国Dassault公司于1975年开始发展的一整套的3D CAD/CAN/CAE一体化软件。它的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、 分析计算、 动态模拟与仿真、 工程图的生成到生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、 各种模具设计与分析、 人机交换等实用模块。CATIA不但能够保证企业内部设计部门之间的协同设计功能而且还可以提供企业整个集团的设计流程和端对端的解决方案。CATIA大量用于航空航天、 汽车及摩托车行业 、机械 、电子、家电及3C产业、 NC加工等各方面。 由于其功能强大而完美，CATIA已经几乎成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和争相遵从的标准，特别是在航空航天、汽车及摩托车领域，CATIA 一直居于领先地位。法国的幻影2000系列战斗机就是使用CATIA进行设计的一个典范，而波音777客机使用CATIA完成无图纸，更造就了CAD领域内的一个神话。另外CATIA还用来制造米其林轮胎、 伊莱克斯电冰箱和洗衣机 、3M公司的粘合剂，还有ABB公司的火车和通用动力公司建造的核潜艇。索尼公司利用CATIA软件完成了1700万件零件的制造。全世界半数以上的汽车制造商也用这套软件。在国内，几乎所有的航空工厂、半数以上的汽车厂商都在应用CATIA，哈尔滨飞机制造公司用CATIA来设计EC120直升机，从造型到数控编程，实现超精加工。3.2 CATIA V5的概貌CATIAV5版本是IBM和达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIAV5版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。CATIA V5版本具有：1.重新构造的新一代体系结构 为确保CATIA产品系列的发展，CATIAV5新的体系结构突破传统的设计技术，采用了新一代的技术和标准，可快速地适应企业的业务发展需求，使客户具有更大的竞争优势。2.支持不同应用层次的可扩充性 CATIAV5对于开发过程、功能和硬件平台可以进行灵活的搭配组合，可为产品开发链中的每个专业成员配置最合理的解决方案。允许任意配置的解决方案可满足从最小的供货商到最大的跨国公司的需要。3.与NT和UNIX硬件平台的独立性 CATIAV5是在WindowsNT平台和UNIX平台上开发完成的，并在所有所支持的硬件平台上具有统一的数据、功能、版本发放日期、操作环境和应用支持。CATIAV5在Windows平台的应用可使设计师更加简便地同办公应用系统共享数据；而UNIX平台上NT风格的用户界面，可使用户在UNIX平台上高效地处理复杂的工作。4.专用知识的捕捉和重复使用 CATIAV5结合了显式知识规则的优点，可在设计过程中交互式捕捉设计意图，定义产品的性能和变化。隐式的经验知识变成了显式的专用知识，提高了设计的自动化程度，降低了设计错误的风险。5.给现存客户平稳升级 CATIA V4和V5具有兼容性，两个系统可并行使用。对于现有的CATIAV4用户，V5年引领他们迈向NT世界。对于新的CATIAV5客户，可充分利用CATIAV4成熟的后续应用产品，组成一个完整的产品开发环境。CATIA V5涵盖了机械设计、外型设计、工厂设计、数控加工、数字化样机、数字样机、设备与系统、人体工程和知识工程等丰富的内容。3.3 CATIA功能介绍1.装配设计(ASS) CATIA装配设计可以使设计师建立并管理基于3D零件机械装配件。装配件可以由多个主动或被动模型中的零件组成。零件间的接触自动地对连接进行定义，方便了CATIA运动机构产品进行早期分析。基于先前定义零件的辅助零件定义和依据其之间接触进行自动放置，可加快装配件的设计进度，后续应用可利用此模型进行进一步的设计、分析、制造等。 2.Drafting(DRA) CATIA制图产品是2D线框和标注产品的一个扩展。制图产品使用户可以方便地建立工程图样，并为文本、尺寸标注、客户化标准、2D参数化和2D浏览功能提供一整套工具。 3.Draw-Space(2D/3D) Integration(DRS) CATIA 绘图-空间(2D/3D)集成产品将2D和3D CATIA环境完全集成在一起。该产品使设计师和绘图员在建立2D图样时从3D几何中生成投影图和平面剖切图。通过用户控制模型间2D到3D相关性，系统可以自动地由3D数据生成图样和剖切面。 4.CATIA 特征设计模块(FEA) CATIA特征设计产品通过把系统本身提供的或客户自行开发的特征用同一个专用对话结合起来，从而增强了设计师建立棱柱件的能力。这个专用对话着重于一个类似于一族可重新使用的零件或用于制造的设计过程。 5.高级曲面设计(ASU) CATIA高级曲面设计模块提供了可便于用户建立、修改和光顺零件设计所需曲面的一套工具。高级曲面设计产品的强项在于其生成几何的精确度和其处理理想外形而无需关心其复杂度的能力。无论是出于美观的原因还是技术原因，曲面的质量都是很重要的。 6.曲面设计(SUD) CATIA曲面设计模块使设计师能够快速方便地建立并修改曲面几何。它也可作为曲面、面、表皮和闭合体建立和处理的基础。曲面设计产品有许多自动化功能，包括分析工具、加速分析工具、可加快曲面设计过程。 7.装配模拟(Fitting Simulation) CATIA装配模拟产品可使用户定义零件装配或拆卸过程中的轨迹。使用动态模拟，系统可以确定并显示碰撞及是否超出最小间隙。用户可以重放零件运动轨迹，以确认设计更改的效果。 8.CATIA机构设计运动分析模块(KIN) CATIA运动机构产品可使用户通过真实化仿真设计并验证机构的运动状况，基于新的或现有的零件几何，运动机构可以建立许多2D和3D连接， 9.2D Wireframe and Annotation(DR2) CATIA2D线架和标注产品为快速方便地建立、分析和修改2D几何及对2D和3D CATIA模型进行显示提供了工具。作为降低费用的一种手段，该产品允许建立基本的几何图形和标注。 10.动态草绘器(DYS) CATIA动态草图器可作为一个工具在用户快速草绘2D轮廓图并将其作为3D设计的一部分使用。用户可以直接操作共面实体几何并且编辑形状、改变自由度或修改相关约束。动态草绘器在2D窗口中不断地分析几何以检查约束冲突。通过对轮廓几何约束的自动记忆，该产品可以捕捉到设计意图。 11.精确实体建模(SOE) CATIA精确实体产品提供了对类似于数控加工和有限元分析这样的后续应用所需的实体造型定义。许多分析工具和构造实体几何技术在进行设计和优化设计时有所帮助。 12.库管理(LIB) CATIA库文件产品存放、检索和管理几何部件，以备在CATIA模型中重复使用。部件制造可能希望与其客户共享他们库的拷贝。此库的存在促使客户在总装时使用制造商的部件。 13.给现存客户平稳升级 CATIAV4和V5具有兼容性，两个系统可并行使用。对于现有的CATIAV4用户，V5年引领他们迈向NT世界。对于新的CATIAV5客户，可充分利用CATIAV4成熟的后续应用产品，组成一个完整的产品开发环境。CATIA V5涵盖了机械设计 、外型设计 、工厂设计、 数控加工、 数字化样机 、数字样机、 设备与系统 、人体工程和知识工程等丰富的内容。 3.4本章小结本章主要介绍了CATIA的应用领域及CATIA V5的概貌和特点，还对本次设计中应用到的CATIA的主要功能模块进行了详细介绍。第4章 三维造型及装配4.1 三维设计流程在数控铝带绕片机设计中，主要结合CATIA来说明从顶到下设计的基本思路。在运用此设计方法对其产品的设计中，主要是使用了机械设计模块中的part design 装配件设计和绘图三个子模块，形状模块中的Freestyle和Generative shape design两个子模块：图4-1 数控铝带绕片机的三维设计流程图4.2 零件设计建模通过CATIA的机械设计和形状模块，可对数控铝带绕片机各零件进行几何模型的建立，以确定各零件的参数，以供装配时调用。本章主要介绍三维实体的建模，现选择一个典型零件大电机座来做详细的讲解。零件如图4-2所示。图4-2 大电机座零件1.新建零部件文件 进入CATIA界面，点击开始，选择机械设计模块下的Part Design子模块，出现新建零部件对话框如图4-3所示。在【输入零部件名称】栏中输入铰支座的图形代号RPJ-04-00-014,单击【确定】按钮。进入零件三维实体建模的绘图区域，如图4-4所示。图4-3 新建对话框 图4-4 绘图区域2.创建底板实体选取xy平面为绘图基准面单击图标，进入草图绘制区，绘制草图。单击绘图区域右边的快捷图标中的按钮推出草图绘制。然后再单击右边按钮，输入拉伸高度完成实体绘制。如图4-5所示。 图4-5 底板实体绘制3.创建底板孔单击按钮，选取底板的上平面作为绘图平面进行钻孔，单击绘图区域右边的快捷图标中的按钮将上面的孔特征进行阵列。如图4-6所示4.创建槽腔选择底板侧表面做出如图4-7所示草图，绘制草图之后单击按钮，深度选择100，如图4-8所示，完成槽腔绘制。 图4-6 底板孔绘制图4-7 槽腔草图绘制 图4-8 槽腔绘制5.创建箱体后部实体绘制草图完成后单击按钮进行拉伸，如图4-9所示 图4-9 箱体后部实体绘制6.创建孔单击按钮，选择箱体后部外表面为钻孔面进行钻孔。如图4-10所示图4-10 创建孔7.创建孔单击按钮，选取箱体后部外表面作为绘图平面进行钻孔，单击绘图区域右边的快捷图标中的按钮将上面的孔特征进行阵列。如图4-11所示。图4-11 创建孔8.创建箱体侧面实体在箱体底面上表面进行草图绘制后单击按钮进行拉伸。如图4-12所示。 图4-12 创建侧部实体9.单击按钮对上一步创建的实体进行镜像操作。最终得到完整三维模型。点击图标，保存当前文件，退出CATIA。4.3 零件的装配4.3.1 装配的基本概念现实中的任何一台机械产品，不管其结构有多么的复杂，其都是由许多零件和部件组成的。因此，何为装配，其就是由零部件组装成一台完整的机械产品的过程。机械的装配过程就是由零件组装成组件、由组件组装成部件、由部件组装成总成和最后组装成机械的过程。机械的组成单元分为：零件、组件、部件和总成。1.零件：从基本观念上来说，它是由一个特征或一系列特征，通过叠加、剪切组合在一起的。它是机械组装的基本单元，它是不能够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。例如，一台机床，机座和机架就是他的基础零件。2.组件：它是由很多的零件组成，但是组件本身不具备有独立功能，必须借助外部因素才能协调起来一起工作。组建可以是几个零件构成的子装配，也可以是由多个零件和（或）次级子装配构建而成。3.部件：部件是由若干个组件和零件组合而成的，它具有结构上和作用上的独立性。通常都习惯于直接把组成机械的单元称作总称。例如人们常说的发动机总成，汽车刹车总成等。4.产品：产品是装配设计的最终产物。它由零件和（或）组件构成，是指向零件和（或）组件保存路径的集合。产品和组件是相对而言的，例如一辆汽车的后视镜，对这个后视镜来说，镜壳及镜片等是组件，后视镜总称是产品；但对于汽车，后视镜总称是组件，整车是产品。同时在整车产品下还有车门 、内饰等其他子装配件，这些组件的下面还有更次级的子装配和零件。因此，在正确的层级下进行操作，保证层次清楚地装配是必要的。 在实际的产品开发中有一个把零件装配成部件（子装配），再把部件装配成产品的过程。在零件的设计完成后，必然要进入装配单元。通过装配模块快速把零部件组合成产品，在装配中建立部件之间的链接关系。通过在部件之间建立约束来确定部件在产品中的空间位置，零件的几何体被装配引用。可以说装配是整个设备完整呈现的必要步骤，也是零件设计的进一步完善和深化8。4.3.2 主轴箱的装配下面以典型部件图4-13所示的主轴箱中转动体为例介绍装配过程：图4-13 转动体总图1新建部件文件，如图4-14所示，选择开始机械设计装配件设计命令。进入装配设计的界面，如图4-15所示。 图4-14 新建装配件 图4-15 装配界面2.装入第一个零件（转动体）从操作按钮区中单击按钮后再单击特征树上的Product,在打开的文件夹找到转动体的图形带号RPJ-05-00-008并将其打开，这样就导入了第一个装配零件如图4-16所示。 图4-16 转动体的装配 3.装入第二个零件（轴套）轴套的导入过程同上，单击按钮，把轴套放置在适当位置，以便装配。单击按钮选择驱动轮上孔的中心线和轴套的中心线；单击按钮，选择轴套外侧的底面和孔外侧端面，单击按钮完成轴承的装配。如图4-17所示。图4-17 轴套的装配4.装入第三个零件（曲轴）曲轴的导入过程同上，单击按钮，把轴套放置在适当位置，以便装配。单击按钮选择曲轴的中心线和轴套的中心线；单击按钮，选择轴套内侧的底面和曲轴中间段端面，设置偏移量为0.5，单击按钮完成曲轴的装配。如图4-18所示。图4-18 曲轴的装配5.装入第四个零件（驱动轮）驱动轮的导入过程同上，单击按钮，把驱动轮放置在适当位置，以便装配。6.装入第五个零件（轴承）轴承的导入过程同上，单击按钮，把轴承放置在适当位置，以便装配。单击按钮选择驱动轮中心线和轴承中心线；单击按钮，选择驱动轮的内侧面和轴承端面，单击按钮完成轴承的装配。如图4-19所示。7装入第六个零件（轴承）轴承的导入过程同上，单击按钮，把轴承放置在适当位置，以便装配。单击按钮选择驱动轮中心线和轴承中心线；单击按钮，选择驱动轮的内侧面和轴承端面，单击按钮完成轴承的装配。 8将驱动轮装在曲轴上。单击按钮选择驱动轮中心线和曲轴中心线；单击按钮，选择驱动轮的外侧面和曲轴端面，单击按钮完成驱动轮的装配。如图4-20所示。9.装入第七个零件（轴套）轴套的导入过程同上，单击按钮，把轴套放置在适当位置，以便装配。单击按钮选择转动体上孔的中心线和轴套的中心线；单击按钮，选择轴套外侧的底面和孔外侧端面，单击按钮完成轴套的装配。如图4-21所示。图4-19 轴承的装配 图4-20 驱动轮的装配 图4-21 轴套的装配 10至此驱动轮装配完毕，存盘然后退出catia.4.4 本章小结通过对数控铝带绕片机的三维设计方法的阐述，找到了适合于绕片机三维设计方法从顶到下的设计方法，并对其在绕片机中如何进行设计作了阐述；本章还对绕片机的三维零件建模、装配建模结合图示作了详细描述。 第5章 数字模型仿真5.1数字仿真概述对于产品的数字模型而言，进行准确的机构运动状态分析，是十分基本且重要的功能。在数字模型运动分析（DMU Kinematics）单元中，用户可以依照运动学的原理，通过约束自由度的方式，建立机构，并且分析机构的运动状态及移动轨迹。在此单元中提供数种基本的接头，供用户建立机构，并且可以进行动态仿真，记录运动情形，制作成影片播放9。5.2 数字模型仿真过程 我选择的仿真部分是主轴箱部分中转动体做轴向回转的部分，本部分中，驱动件是小电动机驱动的小齿形带轮，小齿形带轮带动大带轮转动进而带动转动体做轴向回转运动10。1首先进入装配模块，导入小齿形带轮。如图5-1图5-1 小齿形带轮2导入大带轮。3导入右半轴。然后对大带轮和右半轴进行位置约束。单击按钮选择大带轮中心线和右半轴中心线；单击按钮，选择大带轮端面和右半轴端面，单击按钮完成装配。然后通过“开始-数字模型-DMU kinematics”进入仿真模块。如图5-2所示。4由于大带轮与右半轴之间是通过键连接，我们认为它们之间是刚性连接，因此单击按钮，在出现的对话框中选择new machanism按钮，名字选择默认的Mechanism.1。如图5-3所示5然后part1选择大带轮，part2选择右半轴，单击确定。即建好此刚性连接。 图5-2 进入仿真模块图5-3 建立刚性连接6回到装配模块，导入轴套，对轴套和右半轴进行装配。单击按钮选择轴套中心线和右半轴中心线；单击按钮，选择轴套端面和右半轴端面，单击按钮完成装配。然后回到仿真模块。如图5-4。 图5-4 导入轴套7对轴套和右半轴建立刚性连接。因此单击按钮，在出现的对话框中选择Mechanism.1按钮。part1选择右半轴，part2选择轴套。完成连接。8导入转动体。回到装配模块，导入转动体，对轴套和转动体进行装配。单击按钮选择轴套中心线和转动体中心线；单击按钮，选择轴套端面和转动体端面，单击按钮完成装配。然后回到仿真模块。9对轴套和转动体建立刚性连接。因此单击按钮，在出现的对话框中选择Mechanism.1按钮。part1选择轴套，part2选择转动体。完成连接。如图5-5。10导入另一轴套并建立刚性连接，过程如上面所述。如图5-611导入左半轴。回到装配模块，导入左半轴，对轴套和左半轴进行装配。单击按钮选择轴套中心线和左半轴中心线；单击按钮，选择轴套端面和左半轴端面，单击按钮完成装配。然后回到仿真模块。12对轴套和左半轴建立刚性连接。因此单击按钮，在出现的对话框中选择Mechanism.1按钮。part1选择轴套，part2选择左半轴。完成连接。如图5-7。 图5-5 建立刚性连接 图5-6 连接转动体与轴套轴套端面和左半轴端面，单击按钮完成装配。然后回到仿真模块。13对轴套和左半轴建立刚性连接。因此单击按钮，在出现的对话框中选择Mechanism.1按钮。part1选择轴套，part2选择左半轴。完成连接。如图5-7。 图5-7 连接轴套与左半轴14导入轧头。回到装配模块，导入轧头，对左半轴和轧头进行装配。单击按钮选择左半轴中心线和轧头中心线；单击按钮，选择左半轴左端面和轧头右端面，单击按钮完成装配。然后回到仿真模块。15对轧头和左半轴建立刚性连接。因此单击按钮，在出现的对话框中选择Mechanism.1按钮。part1选择轧头，part2选择左半轴。完成连接。如图5-816对小齿形带轮和大齿形带轮建立齿轮连接。单击按钮，出现如图5-9对话框，单击按钮，出现如5-10对话框。然后双击按钮分别选择小齿形带轮与轴的轴心，然后双击按钮分别选择小齿形带轮与轴的端面。然后单击确定。然后单击，出现与5-10对话框相同的对话框。然后双击按钮分别选择大齿形带轮与轴的轴心，然后双击按钮分别选择大齿形带轮与轴的端面。然后单击确定。完成齿轮连接。 图5-8 连接轧头与左半轴 图5-9 建立齿轮连接 图5-10 建立转动连接17选择固定件。单击按钮，选择轴。出现如图5-11所示对话框。说明此机构可以被模拟了。图5-11完成仿真5.3本章小结本章主要通过对带轮传动部分进行分析后，完成了带轮及转动体等零件的运动仿真。 结论本课题主要是应用CATIA软件对数控铝带绕片机的传动部分进行零件的三维建模及装配，并进行数字模型仿真。具体来说本文主要完成了以下工作：1介绍了数控铝带绕片机国内外的发展近况，作用，工作原理，技术要求。2根据数控铝带绕片机所需实现的功能，提出设计方案，确定数控铝带绕片机的整体设计方案。3对数控铝带绕片机传动部分进行初步结构设计，比如：主轴箱，送片装置等。4为了实现对不同管径的基管进行绕片，对主轴体的进给机构进行了创新设计，使其结构稳定性好，传动精度高。5几何建模中所做的工作：把CATIA造型与产品概念设计结合起来，避免了造型只是设计的后续附属过程的传统做法，形成设计与造型相辅相承、相得益彰的现代设计方法。6在对机构运动过程充分了解的情况下，对主轴箱机构进行了运动仿真。致谢行文结束之际，衷心地感谢导师xxx老师在我做毕业设计期间给予的关心和指导，在机房良好的硬件和软件环境下，使我能够充分发挥自身的能力，顺利完成了本次毕业设计。x老师渊博的知识，严谨的治学态度及敬业精神，时常激励和鼓舞着我在今后的学习和工作中努力拼搏，精益求精。在此，谨向x老师致以最诚挚的感谢。在课题的研究过程中，还得到了xxx教授，研究生xxx的指导和帮助，xxx和xxx师兄给我讲解了很多关于本课题的相关背景资料和设计方法，在此，向他们表示衷心的感谢。此外，我还得到了xxx、xxx、xxx、xx、xxx等班级同学的热心帮助，在此一并致谢。参考文献1 邱宣怀.机械设计.高等教育出版社.第四版.2002.5:232002 刘惟信.机械最优化设计.清华大学出版社.1994.2:123663 陈秀宁.机械优化设计.浙江大学出版社.1999.9:102454 张济川.机械最优化设计及应用实例.新时代出版社.1983.9:352545 机械工程师手册 机械工程师手册编辑委员会 机械工业出版社:302366 Zhang. Y, Palmer. T, Arahani. AFinite Element Tire Model and Vibration Analysis: A New Approach. Tire Science & Technology, 1998, 26(3): 1491727 an Hong-Sen. reative Designs of Mechanical Devices: Heideelherg: Springer-Velrlag,1997: 32-548 吴宗泽.机械零件设计手册.机械工业出版社:133219 邓志党.CATIA V5 R12 机械设计高级应用进程.机械工业出版社.2006:1025010 郑午.CATIA V5三维机械设计.化工出版社 .2006:509811 盛选禹.CATIA典型机械零件设计.机械工业出版社.2006:15412 尤春风.CATIA V5高级应用.清华大学出版社2006：20070013 Luis Solano Pere Brunet. Constructive Constraint-based Model for Parametric CAD Systems .Computer Aided Design, 2000(8): 343614 Jean-Claude Lafon. Solid Modeling with Constraints and Parameterized Features. Information Visualization,1998(3):102107