采用PROENGINEER软件对气电立焊及进行快速虚拟设计.doc

摘 要 气电立焊是由普通熔化气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧 焊方法 焊接效率及焊接质量均较高 主要应用液化天然气气瓶的焊接 也可应用于相应 的其它零部件的焊接 为了提高快速响应能力 必须实现快速设计 本论文首先介绍了气电立焊机 包括它的原理 特点 工艺特点 并介绍了其设备 和用途 详细介绍了液化天然气气瓶的焊接方式 其次 我们首先完成液化天然气气瓶焊接专机各种零部件的三维建模 另外 为了 应对繁多的齿轮传动 应用 PRO E 参数化齿轮建模方法 完成了参数化齿轮建模 综合 运用 PRO ENGINEER AUTOCAD 等软件 我们完成了轴承三维模型的创建 利用 PRO E 的零件建模功能 我们完成了大量标准件的三维建模 诸如轴承 螺栓 垫片 螺 帽等等 然后 我们在 PRO E 中进行机构运动仿真 介绍一些具有代表性的装配过程 这些 装配过程用到了一些实用的装配技巧 我们介绍了基本装配约束 多个螺栓的重复性装 配 链条的阵列化装配 装配件中的改名操作 轴组件的装配 最后 我们进行了机构运动设计 把各个零部件通过装配模块组装成一个完整的机 构后 在 PRO E 中直接启动机构运动分析模块 定义机构中的连接 设置伺服电机 分 析运行机构 观察机构的整体运动轨迹和各零件之间的相对运动 进行运动仿真举例 最终能将机构运动录制成 JPEG 格式的动画 关键词 液化天然气气瓶焊接专机 三维建模 设计 仿真 Abstract Electro gas welding is a kind of melting by the ordinary gas metal arc welding and electro slag welding development and the formation of polar gas shielded arc welding method welding efficiency and welding quality is high thick plate welding of the shell plate is mainly applied to the ship but also can be applied to the corresponding size of bridge box girder webs and large storage tank side welding of plate In order to improve the rapid response capability to achieve rapid virtual design This paper firstly introduces the electro gas welding machine including the principle characteristics its process characteristics and introduces the equipment and use details of the ship body electric automatic vertical welding machine Secondly we completed the three dimensional modeling of wire rod In addition in order to deal with various kinds of gear transmission we specializes in the development of gear parametric modeling method of PRO E the parametric modeling of gear Comprehensive use of PRO ENGINEER software CAXA software AUTOCAD software we completed the creation of three dimensional model of bearing With the family table function parts of PRO E we completed the three dimensional modeling of many standard parts such as bearings bolts gaskets nut etc Then we performed the mechanism movement simulation in PRO E introduces some representative assembly the assembly process to use some practical assembly skills We introduced the basic assembly constraints repeated assembly of a plurality of bolt chain array assembly assembly of renaming operation shaft assembly Finally we carried out the movement of virtual design The assembled into a complete mechanism of each parts of the assembly module direct start mechanism motion in PRO E analysis module connect definition mechanism a servo motor is arranged analysis of the operation mechanism the relative movement between the overall trajectory of institutions and all parts of the simulation exercise for example can finally mechanism motion records into JPEG format animation Keywords electro gas welding 3D modeling virtual design simulation 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 III 1 绪论 1 1 1 本课题的研究内容和意义 1 1 2 国内外的发展概况 1 1 3 本课题应达到的要求 3 2 气电立焊机介绍 4 2 1 气电立焊的原理 4 2 2 气电立焊的特点 4 2 3 气电立焊工艺特点 5 2 4 气电立焊设备介绍 7 3 主要零部件建模 9 3 1 丝杠的三维建模 9 3 2 参数化齿轮建模 11 3 3 轴承三维模型的创建 16 3 4 垫片的创建 19 4 零部件虚拟装配 22 4 1 基本装配约束介绍 22 4 2 多个螺栓的重复性装配 22 4 3 链条的阵列化装配 24 4 4 装配件中的改名操作 25 4 5 轴组件的装配 25 5 机构运动虚拟设计 27 5 1 机构运动虚拟设计功能概述 27 5 1 1 机构运动虚拟设计功能概述 27 5 1 2 机构运动虚拟设计功能的一般步骤 27 5 2 连接定义 27 5 3 定义伺服电机 28 5 4 创建运动分析 28 5 5 运动仿真举例 29 5 5 1 定义链条运动 29 5 5 2 定义丝杠传动 30 6 结论与展望 33 致 谢 34 参考文献 35 1 绪论 1 1 本课题的研究内容和意义 气电立焊是 80 年代发展起来的一种熔化极气体保护电弧垂直对接焊方法 采用药芯 焊丝作熔化极 用能自动控制的上升系统带动焊枪进行连续焊接 在水冷滑块的强制成 型作用下以 气体保护实现单面焊双面一次成型 2CO 图 1 1 气电立焊 在焊接前 首先在焊接接头的坡口反面安装固定铜滑块 坡口正面安装一块可随焊 枪一起运动的水冷滑块 焊接时 药芯焊丝和母材被电弧熔化形成熔池 并被限制在前 后两块水冷滑块及未熔化的母材之间 这样 熔池上部受到 及熔渣的保护 药芯焊丝2CO 熔化后产生的部分熔渣渗入到熔池与两块水冷滑块的接触面之间 对熔池起保护作用 同时也避免了铜滑块被熔池熔化产生的粘连 保证了焊接接头的质量 熔池下部被水冷 铜滑块冷却凝固形成焊缝 随着焊缝的形成 送丝机构的小车和正面的铜滑块沿垂直导 轨自动向上移动 并保持距熔池的相对位置不变 以保证焊接过程的稳定 1 2 国内外的发展概况 气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电 弧焊方法 目前气电立焊焊接材料主要采用 金属芯 药芯焊丝 其特点是生产效率高 成本低 气电立焊属于窄间隙焊 与其它窄间隙焊的主要区别是焊缝一次成型 而不是 多道多层焊 所以其焊接效率及焊接质量均较高 主要应用于船舶的外壳板的中厚板焊 接 也可应用于相应尺寸的桥梁箱式梁腹板及大型储罐侧板的中厚板的焊接 目前通过 船级社认可的 气电立焊药芯焊丝全部为国外厂商 而国内研究生产的焊丝常常出现焊2CO 接力学性能不稳定的情况 不能满足国内客户的需求 所有气电立焊药芯焊丝的使用全 都依赖进口 而国内目前应用最多的是日本神钢生产的 DWS 43G 和 DWS 1LG 两种气电 立焊药芯焊丝 过去我国对气电立焊的设备主要依赖进口 并被广泛应用于石油天然气的储油罐建 设这些设备 虽然性能良好但价格昂贵 国内一些中小企业无力购买 受进口设备和国 内药芯焊丝技术不过关的制约 其应用范围和发展受到限制 所以 开发拥有我国自主 知识产权的气电立焊设备 以解决困扰我国众多企业的焊接问题 成为当务之急 为了提高快速响应能力 气电立焊企业首先应能迅速捕捉复杂多变的市场动态信息 并及时作出正确的预测和决策 以决定新产品的功能特征和上市时间 明确了新产品的 开发项目以后 实现快速虚拟设计就成为重要的一环 工程设计的重要性是不言而喻的 据统计 工程设计的费用虽然只占产品最终成本的一小部分 不到10 但往往决定了 它的80 以上的制造成本 而且还决定性地影响产品的性能和交货期 现代机械产品由 于用户的要求越来越高 产品结构日益复杂 科技含量愈来愈高 从而使得产品的开发 周期同趋延长 如何解决好产品市场寿命缩短和新产品开发周期长的尖锐矛盾 已经成 为决定企业成败兴衰的生死攸关问题 产品开发周期包括设计 试制 试验和修改等一 系列环节 除了设计以外的后几个环节可以统称为试制定型阶段 由此可知 实施虚拟快速设计 至少有如下优点 及时交货 争先抢占市场 因缩 短制造时间和消除各种浪费而降低制造成本 因加快产品更新换代而向市场大量提供质 量更高 价格更低的高性能产品 其结果就大大提高了企业的综合竞争力和持续发展的 生命力 本文主要采用PRO ENGINEER软件对气电立焊及进行快速虚拟设计 该软件有如下特 点 全相关 Pro ENGINEER 的所有模块都是全相关的 这就意味着在产品开发过程中某 一处进行的修改 能够扩展到整个设计中 同时自动更新所有的工程文档 包括装配体 设计图纸 以及制造数据 全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改 却没有任何损 失 并使并行工程成为可能 所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用 基于特征的参数化造型 Pro ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构 造要素 这些特征是一些普通的机械对象 并且可以按预先设置很容易的进行修改 例 如 设计特征有弧 圆角 倒角等等 它们对工程人员来说是很熟悉的 因而易于使用 装配 加工 制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征 通过给这些特征设置参数 不但包括几何尺寸 还包括非几何属性 然后修改参数很容易的进行多次设计叠代 实现产品开发 数据管理 加速投放市场 需要在较短的时间内开发更多的产品 为了 实现这种效率 必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发 数据管理模块的 开发研制 正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作 由于使用了 Pro ENGINEER 独特的全相关功能 因而使之成为可能 装配管理 Pro ENGINEER 的基本结构能够使您利用一些直观的命令 例如 啮合 插入 对齐 等很容易的把零件装配起来 同时保持设计意图 高级的功能支持 大型复杂装配体的构造和管理 这些装配体中零件的数量不受限制 易于使用 菜单以直观的方式联级出现 提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项 同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助 这种形式使得容易学习和使用 我们最终选择PRO ENGINEER作为虚拟设计软件 主要是由于其在机构运动仿真功能 方面强大的功能 易操作性和直观性 同时 在大型组件的创建过程中 PRO ENGINEER的单一数据库 参数化建模和全相关性将使零部件的创建和修改变得非 常容易 这对缩短建模周期将起到显著的作用 1 3 本课题应达到的要求 在开发气电立焊设备的过程中 如果在设计初告段落时采用计算机虚拟技术进行运 动仿真 将使产品设计更为可靠 采用计算机虚拟技术 将使得设计者在产品制造出来 前即能看到产品的装配信息和运行状态 并能检测装配干涉 预先测得重要的运动参数 以便与设计要求进行对比 提高了设计可靠性 缩短产品的设计周期 由此可知 采用 计算机运动仿真 将对气电立焊设备的设计开发产生重要的积极影响 本课题要求根据任务书完成立式环缝自动焊接机虚拟设计 这个课题能充分体现专 业知识 对虚拟设计能力有较强锻炼 通过本课题的研究 我们需要达到的要求有 熟悉气电立焊的国内外历史及其发展前景 正确合理分析理解气电立焊原理 特点及其工艺特点和设备知识 了解立式环缝自动焊接机主要零部件的特点及作用 充分理解 明白各个零部件的位置及作用 对于虚拟设计 能够掌握各个部分的设计原则以及合理分析各因素对设计的影响 熟练运用 Pro ENGINEER 软件 2 气电立焊机介绍 气电立焊EGW Electro gas Welding 是20世纪80年代初由普通的熔化极气体保护焊和 电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧垂直对接焊方法 其能量密度比电渣焊高 而焊接技术基本相同 主要应用于天然气 石油化工 电力 造船等行业的大型储罐安 装 容器制造 船舶制造等的纵向立焊缝的自动焊接 单面一次成形厚度最大可达46 mill 焊接工效相对于传统的焊条电弧焊可提高10 20倍 2 1 气电立焊的原理 气电立焊机是通过焊接电弧电压信号反馈调节焊接电流 焊接电流信号反馈来控制 焊丝干伸长和焊接小车自动提升的一种专用焊接设备 它利用类似于电渣焊所采用的移 动式水冷铜滑块挡住焊缝正面熔融的金属 背面采用固定式水冷铜垫板封底 强迫焊缝 成形 以实现立缝向上位置的焊接 保护气体为 气电立焊在焊接电弧和熔滴过渡方CO 面类似于普通熔化极气体保护焊 而在焊缝成形和机械系统方面又类似于电渣焊 单丝 气电立焊原理如图2 1所示 a b 图 2 1 单丝气电立焊原理图 气电立焊与电渣焊的主要区别在于熔化金属的热量是电弧热而不是熔渣的电阻热 板的厚度在 12 80 mm 最适宜 2 2 气电立焊的特点 工艺过程稳定 操作简便 焊缝质量优良 如图 2 2 所示 生产效率比焊条电弧焊高 10 倍以上 因此这种方法在船体焊接应用中不断发展 现在已具备单丝 双丝两种送丝 方式 双丝气电立焊原理如图 2 3 所示 主要根据所焊船体的板厚来确定采用单丝还是双 丝 如何根据板厚范围来确定送丝数如图 2 4 所示 双丝焊时 第一根焊丝需要沿焊缝的 熔深方向进行摆动 图 2 2 焊缝宏观组织 图 2 3 双丝气电立焊原理 2 3 气电立焊工艺特点 1 焊缝背面垫板 相对焊机操作台 焊缝背面垫板有三种形式 背面采用陶瓷衬垫 正面采用水冷铜滑块强制成形 焊 缝双面均采用水冷铜滑块强制成形 无需外加气体 采用自保护药芯焊丝单面水冷铜滑 块强制成形 注意 三种方法的焊接材料都有所区别 2 气电立焊关键参数的控制 气电立焊的焊接位置垂直或接近于垂直方向 电孤轴线方向与母材熔深方向成直角 熔化的焊丝金属堆积叠加 熔池不断水平上移形成焊缝 其熔深产生所需热量的传递方 式与其他电弧焊有所不同 气电立焊焊接电弧产生的热量主要流向三个方向 熔化焊丝 熔化母材 滑块吸收 a 母材坡门截面积控制 它是影响熔深的主要参数之一 熔深反映了坡口两侧母材的熔化量 直接决定焊接 质量 增加坡口截面积就增加了焊接线能量 增加熔深 熔深的大小南熔池过热金属的 过热度即温度梯度决定 影响熔池熔融金属过热度的因素也就是影响熔深大小的因素 b 线能量控制 一般电弧焊焊接线能量 气电立焊焊接时 采用等速送丝 大电流密度 较 IU vwE 高的电弧电压 其送丝速度等于熔化速度正比于向坡口填充金属的速度 经推导可得焊 接线能量 为焊丝熔化系数 为坡口截面积 增加电弧电压可增加焊接线 EKiSiS 能量 c 冷却速度控制 当焊接规范和坡口参数确定后 焊丝和母材吸热可以认为是不变的 而强制成形的 铜滑块吸热 则随冷却介质水变化较大 水温度和流量对吸热影响很大 低水温和大流 速带走的热量远大于高水温低流速的情况 所以在焊接厚板时应减少水流量 焊接薄板 时可增加水流量 通过调节水流量来调节熔池的冷却速度可有效控制熔深大小 由于气 电立焊熔池与普通未受约束的焊接熔池状态不同 熔深的形成方式和影响熔深的因素也 不同 两种厚板EGW焊接工艺如表2 1所示 表2 1典型EGW焊接工艺参数 板厚 m 焊根间隙 b焊丝 数 丝速 1 minv 电流 IA电压 IU焊速 1 cminv 线能量 1E kJc 35 8 1 2 13 13 360 370 38 37 9 6 171 8 1 2 15 15 400 410 44 41 3 8 551 80 10 1 2 15 15 420 410 45 41 3 4 630 3 几种实用的焊接材料 a 目前国内用量较大的是神户制钢公司生产的DWS03G和DWS一60G型药芯焊丝 具有电弧稳定 飞溅小 气渣保护好 焊缝质量稳定等特点 使用时 应在焊缝背面配 用l I御型陶瓷衬垫 在衬垫表面覆盖一层玻璃布 可使衬垫与钢材紧密相贴 防止跑渣 在衬垫的背面还有一块钢板 便于在装配衬垫时用钢楔子将衬垫与钢板压紧 避免陶瓷 衬垫破碎 b 自保护自动立焊焊丝一般采用林肯 Lincoln 公司 NR43l药芯焊丝 自动立焊工艺大 都在露天或高空场合施工 在有大风的情况下 自保护焊可以不受风的影响而停止施工 另外 目前自保护立焊设备的价格也比气保护立焊设备的价格低得多 2 4 气电立焊设备介绍 1 气电立焊设备主要组成 气电立焊设备主要由携焊机头升降的机械系统 快速送丝系统 水冷强迫成型系统 焊接电源及供 保护 气系统 焊枪及焊枪摆动控制系统 焊接过程自动控制系统等组成 如图2 4所示 图 2 4 气电立焊设备示意 型号 SEG 1 输入电压 AC 380 10 V 行走速度O 530mm min 驱动方式i齿轮 齿条 质量22 kg 最大负载50 kg 立焊 外型尺寸 360 mmx665 minx365 mm适合板厚 9 32 mm 单面V型坡口 19 80双面x型坡口 2 船体气电自动立焊机的要求 气电自动焊最适用于船体总段大合拢缝的焊接 如图2 5所示 多个永磁体吸盘将铝 合金齿条轨道固定在船体钢板上 其轨道可以接长数十米 焊机的整体机架内具有自动 提升机构和自动锁定装置 便于船体立缝焊接时的高空作业 使操作安全可靠 使焊接 熔池始终处于最佳观察状态 另外 送丝系统控制箱 焊接电源 循环冷却器等都安装在焊机整体机架内 与被 焊物体较近 故各配套线管大为缩短 有利于焊前准备和设备操作 也便于安装运输 焊接控制系统中设置了电压 电流传感器 能自适应焊接坡口变化 设置了供气控制传 感器和循环冷却水压指示调节器 能保证焊接质量控制 瑞典ESAB公司采用悬挂在焊缝顶部的牵引电机的动链条牵引机头上升的方案 既节 省了磁力轨道和装卸工时费用 叉减轻了工人的劳动强度 图 2 5 油轮船侧分段大合拢焊缝 3 主要零部件建模 立式焊机结构设计大致完成后 即可对主要零部件进行三维建模 为进一步的装配 工作打好基础 在建模过程中有时不仅仅是单个零件的创建 而是从整个系统设计出发 综合考虑装配 制造等问题 有时甚至要用程序来解决零件的建模问题 在三维建模过 程中 我们充分利用了 TOP DOWN 的设计方法 以确保整机设计不出错误 同时也利用 一些建模技巧 尽量缩短了建模过程所占的时间 气电立焊设备是一个复杂的装配体 仅零件建模总数就超过三百个 所以 如何对 建模数据进行妥善管理 是一个非常重要的问题 我们对每个组件或部件都创建了相应 的文件夹 为保证最后总装不出零件冲突问题 对名称相同的零件 如螺栓 螺冒等 后面都加上所属组件的缩写名 由于零部件总数众多 对每个零件的建模过程都作相应 介绍显然是不现实的 为此 我们挑选了一些具有代表性的零件 在创建这些零件时运 用了相当多的技巧 所以着重介绍它们的建模过程 3 1 丝杠的三维建模 丝杠是此次立式焊机设计中传动装置的核心零件 创建时主要运用了螺旋扫描功能 但考虑到仿真运动时需定义螺母沿螺旋线的槽机构运动 所以在螺旋扫描切材料前必须 先将螺旋曲线做出 而螺旋曲线创建需要一定的技巧 所以丝杠的创建具有一定的代表 性 1 绘制丝杠二维截面 用旋转加材料做出丝杠外圆柱面如图 3 1 和图 3 2 2 利用螺旋扫描功能创建一螺旋曲面 必须与圆柱面相交如图 3 3 3 选择螺旋曲面和整个丝杠外圆柱面 点击 编辑 相交 软件自动创建 螺旋曲面和外圆柱面的交线 即螺旋线 4 利用螺旋扫描在外圆柱面上切出牙形 同时其螺距应与螺旋曲面螺距相同 5 倒角并隐藏螺旋面螺旋线后 丝杠零件如图 3 4 图 3 1 绘制丝杠外圆二维截面 图 3 2 丝杠外圆柱面创建 图 3 3 创建螺旋曲面 图 3 4 丝杠零件 3 2 参数化齿轮建模 在立式焊机的结构设计中 很多地方需要用到齿轮传动 所以 如何创建具有严格渐 开线齿廓的齿轮三维模型 成了一大难题 在很多资料中 齿轮的创建是以圆弧线代替 渐开线 我们认为这样的建模思路是不严谨且不科学的 为此 我们专门开发了 PRO E 参数化齿轮建模方法 只需要创建一个标准齿轮 其余只需要输入模数 齿数 压力角 等参数 软件即能自动生成新的齿轮三维模型 齿轮本身有很多种类 由于此次自动焊 接机的仿真过程中只用到直齿轮 同时也是受时间的约束 我们只对直齿轮做了参数化 设计 下面用较为详细的篇幅 来说明我们是如何创建这些齿轮模型的 在立式环缝自动焊接机的结构设计中 很多地方需要用到齿轮传动 所以 如何创建 具有严格渐开线齿廓的齿轮三维模型 成了一大难题 在很多资料中 齿轮的创建是以 圆弧线代替渐开线 我们认为这样的建模思路是不严谨且不科学的 为此 我们专门开 发了 PRO E 参数化齿轮建模方法 只需要创建一个标准齿轮 其余只需要输入模数 齿 数 压力角等参数 软件即能自动生成新的齿轮三维模型 齿轮本身有很多种类 由于 此次自动焊接机的仿真过程中只用到直齿轮 同时也是受时间的约束 我们只对直齿轮 做了参数化设计 下面用较为详细的篇幅 来说明我们是如何创建这些齿轮模型的 1 首先 在记事本中创建如下三段程序并保存 程序 1 tooth number number 20 enter the number of teeth module number 3 enter the module pressure angle number 20 enter the pressure angle face width number 15 enter the face width rad fillet number 0 4 enter the fillet 程序 2 rad pitch 0 5 tooth number module rad base rad pitch cos pressure angle circular pitch pi module tooth thick on pitch circular pitch 2 rad addendum rad pitch 1 module rad dedendum rad pitch 1 157 module inv phi tan pressure angle pressure angle 2 pi 360 tooth thick on base 2 rad base tooth thick on pitch 2 rad pitch inv phi ang tooth thick tooth thick on base rad base 360 2 pi ang tooth space 360 tooth number ang tooth thick 程序 3 todeg 180 pi roll angle 0 solve roll angle todeg atan roll angle trajpar ang tooth thick for roll angle sd7 rad base 1 roll angle 2 0 5 2 运行 PRO ENGINEER 软件 新建一个文件 命名为 CHILUN 零件 注意 不要用缺省模板 利用 mmns prt solid 模板创建 3 点击 工具 程序 编辑设计 在弹出的程序编辑对话框中按照如 下方式输入程序 VERSION REVNUM 78 零件 CHILUN 的列表 INPUT 此处插入程序 1 END INPUT RELATIONS 此处插入程序 2 END RELATIONS ADD FEATURE initial number 1 内部特征标识 1 点击 文件 保存 系统会询问是否将所做修改体现到当前模型中 点击 是 当前值 至此 系统程序已经创建完毕 4 创建齿轮本体 点击 插入 拉伸 选择 FRONT 面为草绘面 TOP 面为 向上面 草绘一圆 直径取任意值 拉伸长度也取默认值 点击 工具 关系 弹 出参数关系对话框 在 查找范围 中选择 特征 在模型树中选择刚才创建的拉伸特 征 在关系输入框中输入 2 rad addendum 和 face width 两个关系式 点击2d1d 确定 编辑 再生 当前值 如图 3 5 和图 3 6 5 经过轴线创建一基准平面 与 TOP 面的夹角取默认的 45 创建夹角的关系 点击 工具 关系 选择 特征 点击刚才创建的基准平面 将 360 tooth number 输入关系对话框 电击 确定 编辑 再生 0d 当前值 生成与 TOP 面成 18 的一个基准平面 如图 3 7 图 3 5 拉伸一圆柱体 图 3 6 定义齿轮本体参数 图 3 7 创建镜像基准平面 6 在齿轮本体端面上画一曲线 以端面为草绘面 DTM1 为向上面 点击 工具 关系 在弹出的关系设置对话框中选择 特征 点选刚才创建的曲线 在关系对 话框中输入 ang tooth space 2 ang tooth thick rad base 其中 3d4d5d3d4 分别为中心线角度 圆弧弧度 及圆弧半径的参数符号 点击 确定 编辑 5 再生 当前值 最后 将该曲线镜像到齿轮本体的背面 7 点击 插入 可变截面扫描 按住 CTRL 键选择刚才创建的两条曲线 点击草绘按纽 绘制截面如图 3 8 点击 工具 关系 在关系对话框中输入程序 3 完成可变截面扫描齿廓曲面创建 8 镜像上一步创建的渐开线齿廓面 以基准平面 DTM1 为镜像面 9 以齿轮本体端面为草绘面 DTM1 为向下面 草绘一截面切减出第一个齿槽 同时 以关系式来控制草绘中大圆的直径 关系式的输入在此不再赘述 如果屏幕上显 示大圆直径符号为 则输入关系为 rad dedendum 表示将其值定义为基圆直径 13d13d 最后齿槽如图 3 9 对齿廓的棱线倒圆角 10 点击 编辑 特征操作 组 局部组 设置好组的名称后 在模型树中选择从 DTM1 特征开始到倒圆角特征为止 点击确定 11 阵列刚才的组特征 以 DTM1 特征的 18 尺寸为增量尺寸 增量 18 个 数为 2 个 点击确定 12 点击 工具 关系 弹出关系对话框 选择 特征 选择刚才创建 的阵列特征 输入 360 tooth number 和 tooth number 两个公式 其中 为增量15d16p15d 尺寸的符号 为增量数目的符号 点击 确定 编辑 再生 当前值 6p 13 设置新的图层将多余的曲面 曲线隐藏掉 14 参数化齿轮模型创建好以后 如果需要其他参数的直齿轮模型 仅需更改相应 参数即可 比如 需要创建齿数为 30 模数为 4 的直齿轮 则先打开上述过程创建的标 准模型 点击 工具 参数 在弹出的参数对话框中更改相应参数 改好后 点击 确定 编辑 再生 当前值 系统立即产生相应的齿轮模型 最后 将多出来的曲面和曲线隐藏掉 即产生出新的齿轮 如图 3 10 15 由此可知 创建标准齿轮 然后以此为模板再生新的各种齿轮 是十分精确和方 便的 同时 这种建模方法也为整个建模过程节省了大量的时间 以将更多的精力投向 其他过程 图 3 8 草绘齿廓截面 图 3 9 第一个齿槽成型 图 3 10 新的齿轮模型 3 3 轴承三维模型的创建 在产品三维建模过程中 有很多情况下并不是依靠一种软件完成的 而是多种软件的 综合运用 以充分利用这些软件的各种优点 同样 我们在气电立焊设备三维建模过程 中 并不是仅仅只用 PRO ENGINEER 一种软件 还用到了北航海尔开发的 CAXA 软件 以及 AUTOCAD 软件 面对设备中大量的标准件 我们充分利用了 CAXA 软件自带的标 准件库 快速而又准确地创建了诸如螺栓 轴承等零件 下面 介绍一下如何将 PRO E 和 CAXA 相结合来创建圆锥滚子轴承零件 1 打开 CAXA2005 软件 点击 绘图 库操作 提取图符 出现提取 标准件图符对话框如图 3 11 2 点选 轴承 大类 选择 圆锥滚子 小类 点击 下一步 选择 30202 型 圆锥滚子轴承 点击 确定 则 30202 型圆锥滚子轴承的二维图被调出如图 3 12 3 将轴承图上的中心线 剖面线 尺寸线全部删除 并将二维图平移到原点 4 点击 另存 保存成 IGES 格式 以利于 PRO E 直接调用 5 打开 PRO E 软件 点击 插入 模型基准 曲线 自文件 选 择坐标系后 调入刚才创建的轴承曲线 6 利用旋转命令 创建轴承外圈和轴承内圈 注意草绘截面时需使用曲线 7 利用上述方法创建第一个滚子 然后阵列如图 3 13 8 进行倒角操作 隐藏曲线后 完成轴承的创建 3 14 从轴承零件的创建过程来看 由于采用了 CAXA 的标准件库 所以节省了大量的查 表时间 同时也使建模过程变得相当简单 在轴承零件种类不多的情况下 这是一种非 常可取的方法 图 3 11 CAXA 提取图符对话框 图 3 12 调出标准件图 图 3 13 创建滚子 图 3 14 圆锥滚子轴承创建完毕 3 4 垫片的创建 立式焊机的三维建模 需要用到大量的标准件 诸如轴承 螺栓 垫片 螺帽等等 如果数量不是很多 我们可以一一创建 但是如果是一台复杂的机器 那标准件的数量 是很大的 每一个都创建一次将非常耗时 如果对于多种相同的标准件 只是规格参数 不一样 我们可以利用 PRO E 的零件族表功能来创建 也就是说对于一组标准件 我们 只要创建一个模板零件 其余零件通过零件族表直接调出 不需要再创建 此功能类似 创建标准件库 每一个规格的零件都能随时呼出 下面以垫片标准件为例 讲述如何使 用零件族表来创建标准件库 1 打开 PRO E 软件 创建一个新零件 命名为 DIANPIAN 用两侧拉伸创建垫 片模板零件如图 3 15 2 双击垫片三维模型 出现三个尺寸 点击 信息 切换尺寸 三个尺寸 值变为 点击代表垫片厚度的 右键弹出属性对话框 在尺寸文本中将 d00d12 0d 改成 thick 代表厚度 点击确定 如图 3 16 3 点击 工具 族表 弹出族表对话框 4 点击 插入 列 弹出族项目对话框 点击 尺寸 双击垫片三维模 型 出现尺寸符号 5 按住 CTRL 键依次复选 thick 点击确定 弹出族表栏 1d2 点击 插入 实例行 按照自己需要的垫片尺寸在相应栏里填入尺寸 每一个实 例行均代表一种垫片 完成后点击确定 保存并关闭窗口 6 重新打开刚才的垫片文件 会发现软件弹出零件选择对话框 让我们选择需要 的垫片模型 如图 3 17 从垫片标准件族表的创建过程和结果来看 当遇到多种相同标准件的三维建模问题 时 创建族表是一种行之有效的方法 而且 我们可以利用此功能开发符合国家标准的 标准件库 为三维建模乃至装配提供了极大的方便 而且缩小了占用硬盘的空间 图 3 15 垫片模板零件的创建 图 3 16 更改尺寸代表符号 图 3 17 软件要求选择打开零件 4 零部件虚拟装配 在 PRO E 中进行机构运动仿真 必须要将创建好的零件三维模型一一组装起来 同 时在装配时定义零件与零件 组件与零件 组件与组件之间的各种运动副 以便装配好 以后进行机构运动仿真 由于立式焊机结构复杂 将整台机器的装配过程统统介绍一遍 显然是不现实的 在此 我们仅介绍一些具有代表性的装配过程 这些装配过程用到了 一些实用的装配技巧 不管设备多么复杂 装配过程都是由常用装配方法和一些装配技 巧来完成的 4 1 基本装配约束介绍 PRO ENGINEER 软件系统的装配环境提供了很多种约束方法 一共 9 种 现在将其 作一简单介绍 1 匹配约束 定位两个平面 并使它们的法线正向相对 2 对齐约束 使用该约束 能将两轴线同轴 两平面法向平行 两点重合 3 插入约束 使用该约束可以将一旋转曲面插入另一旋转曲面中 以使它们各自 的轴线重合 4 坐标系约束 该约束能将元件的坐标系和组件的坐标系相重合 5 相切约束 使得两曲面在切点接触 6 线上点约束 使用该约束控制边 轴线或基准曲线与点的接触 7 曲面上的点 使用该约束控制曲面和点之间的接触 8 曲面上的边 使用该约束来控制曲面与平面边界之间的接触 9 自动约束 自动 约束就是 PRO ENGINEER 的默认约束 使用该约束将系 统创建的元件的默认坐标系与系统创建的组件的默认坐标系对齐 系统就放置原始组件 中的元件 该约束的另一种使用方法是 分别选择元件和组件中的几何元素 系统将自 动为操作者选择约束 从而将元件装配好 但是 系统分配的约束往往是不正确的 这 时就必须由操作者自己来进行修改 尽管 PRO ENGINEER 系统提供了相当多的约束方法 但大多数实际情况中并不能只 使用一种约束就能把元件装配好 而是需要多种约束共同来完成 比如把销放孔里 则 至少需要 插入 对齐 或 匹配 两种约束 同时还要允许系统假设才能完全约束 所以 装配约束如何灵活使用 需要操作者自己来体会 通过一定的实践锻炼后肯定会 有所提高 4 2 多个螺栓的重复性装配 螺栓是用的最多的一种紧固件 当数量大时 逐个装配会带来很多麻烦 而且也浪 费大量的时间 所以 如果在装配中采用重复性装配 就能够快速地解决此类问题 1 运行 PRO E 软件 打开相应组件 点击 插入 元件 调出螺栓零件 如图 4 1 2 点击 插入 约束 选择螺纹外径和垫片孔 点击 匹配 约束 选择螺栓头 底面和垫片顶面 实现第一个螺栓的装配 如图 4 2 3 点击装配好的螺栓三维模型 点击 编辑 重复 系统弹出重复放置对 话框 4 选择 插入 约束 点击 舔加 然后逐一点击其余各垫片的内孔 软件即 自动调出螺栓并装配好 如图 4 3 由此可知 面对大量相同螺栓的装配问题时 可以先装配第一个螺栓 然后利用软 件的重复放置功能 快速地完成其余多个螺栓的装配 这种装配方式为装配过程节省了 大量的时间 而且不容易出错 图 4 1 调出螺栓零件 图 4 2 装配好第一个螺栓 图 4 3 螺栓重复放置完成 4 3 链条的阵列化装配 立式焊机垂直方向的移动部件需要配重块来平衡重力 配重块和移动部件在导轨两侧 通过链条连接 链条结构并不复杂 但是链条节数多达三百余节 而且相临两节的链条 结构并不一样 这就给装配带来了很大的麻烦 PRO E 中带有阵列装配功能 为解决此 类问题提供了方便快捷的途径 下面 就以立式焊机中链条的装配来讲述此功能 1 创建好链条中相邻的两节链条 因为他们的结构是不一样的 2 新建一个装配文件 首先根据链条的运动轨迹创建一条轨迹线 3 点击 插入 模型基准 点 点 弹出点创建对话框 4 选择整条曲线 以 实数 方式创建第一个点 输入距离为 0 以 实数 方式创建第二点 输入距离为 20 5 右击上步创建的基准点 点击 阵列 按住 CTRL 键重复选择 0 和 20 两个增 量尺寸 增量都输入 40 个数输入 300 点击完成 6 装配第一节链条 链条上的两个基准点分别和阵列点的一二两点对齐 同时将 链条基准平面和阵列点所在平面对齐 7 右击链条 在弹出的对话框中点击 阵列 直接点击确定 链条自动根据基 准点的阵列参数创建自己的阵列 8 根据创建第一对阵列点的方法创建第二对阵列点 但是实数值取 20 和 40 阵 列个数相同 增量值相同 9 按照装配第一节链条的方法装配第二节链条 但对齐点选择第二对阵列点 10 阵列第二节链条 完成链条的创建 4 4 装配件中的改名操作 装配件的改名操作是一个非常重要的操作技巧 特别是在创建大型装配件的时候 更有掌握的必要 在创建大型装配件的时候 设计者习惯将一个组件或一个部件放在同 一文件夹内 由于大型组件中零件数目众多 而且 PRO E 的文件名只能取英文 所以稍 有不慎就会存在零件同名的现象 但是问题只会在组件与组件装配装配时才会体现出来 当两个含有相同零件名的组件装配时 系统会报错并删除这些零件及其和其有约束关系 的零件 这将造成重大错误 可能导致最终装配失败 而在文件夹里直接改零件名将导 致相应组件找不到零件 也会产生严重的问题 所以 这时就要依靠改名操作来实现 以避免出现上述问题 下面以立式焊机中挠性联轴器组件中的改名操作 来讲述如何在装配环境下对零件改 名 1 运行 PRO ENGINEER 软件 将工作目录改在 挠性联轴器 文件夹所在位置 2 选择 文件 打开 将挠性联轴器组件打开 3 假设挠性联轴器中的 NLLUOMU PRT 零件与其他组件中的某个零件有重名的 问题 现在需要将其改为 NLLUOMUYY PRT 点击 文件 重命名 系统弹出 重命名 对话框 4 点击 命令和设置 快捷键 选择 选取 在模型树中选中 NLLUOMU PRT 在新名称中输入 NLLUOMUYY PRT 点击确定 系统提示 已将零件 从磁盘和进程中改名 5 点击 文件 打开 从打开目录中可以发现零件 NLLUOMU 已经成功 地改成 NLLUOMUYY 由此可知 在装配件中更改零件名称还是很方便的 它避免了组件与组件装配时的 零件重名问题 解决了由此引起的重大问题 4 5 轴组件的装配 轴组件是机械结构中用的最多的一种 在此介绍立式焊机中一个传动轴组件的装配 过程 1 运行 PRO E 软件 新建一个组件 命名为 ZHOUZUJIAN 2 单击 插入 元件 调入 ZHOU 零件 按照默认方式装配 即坐标 对齐 3 单击 插入 元件 调入 JIAN 零件 用 匹配 约束使键平面与键 槽地底面重合 用 匹配 约束使键的侧面与键槽侧面重合 用 插入 约束 使键的 圆弧面和键槽圆弧面相对齐 4 按照相同方法装配另一个键 5 单击 插入 元件 调入 CHILUN 零件 用 匹配 约束使齿轮端 面和轴肩面相重合 用 匹配 约束使齿轮键槽侧面和键的侧面相重合 用 插入 约 束使齿轮孔的轴线和轴的轴线对齐 6 单击 插入 元件 调入 SILUN 零件 用 匹配 约束使送丝轮端 面和轴肩面相重合 用 匹配 约束使送丝轮键槽侧面和键的侧面相重合 用 插入 约束使齿送丝轮孔的轴线和轴的轴线对齐 7 单击 插入 元件 调入 TAOTONG 零件 用 匹配 约束使套筒 端面和齿轮端面相重合 用 插入 约束使套筒孔的轴线和轴的轴线对齐 8 单击 插入 元件 调入 DIANPIAN 零件 用 匹配 约束使垫片 端面和送丝轮端面相重合 用 插入 约束使垫片的轴线和轴的轴线对齐 9 单击 插入 元件 调入 LUOMAO 零件 用 匹配 约束使塑料螺 帽端面和垫片端面相重合 用 插入 约束使螺帽的轴线和轴的轴线对齐 10 轴组件装配完毕 5 机构运动虚拟设计 5 1 机构运动虚拟设计功能概述 5 1 1 机构运动虚拟设计功能概述 机构运动分析模块 MECHANISM 是 PRO ENGINEER 中一个集运动仿真和机构分 析于一身的 功能强大的模块 当各个零部件通过装配模块组装成一个完整的机构后 就可以在 PRO E 中直接启动机构运动分析模块 根据设计者的设计意图定义机构中的连 接 设置伺服电机 运行机构分析 观察机构的整体运动轨迹和各零件之间的相对运动 检测机械干涉 还可以进行各种测量 最后把分析结果保存成影片的形式 5 1 2 机构运动虚拟设计功能的一般步骤 在 PRO ENGINEER 中创建一个机械装置的机构运动仿真的一般步骤如下 1 根据设计图样进行三维建模 2 进入装配模块 将创建好的三维模型按照装配图装配起来 同时设置好机构连 接 3 进入 MECHANISM 机构运动仿真模块 定义高级连接 并添加伺服电机 4 建立机构分析 保存分析结果 制作动画仿真 5 2 连接定义 机构分析前需要定义大量的连接关系 类似第四章的装配定义 但是 装配定义好 的组件是不能运动的 PRO ENGINEER 软件根据常用机械运动副设置了多种连接方式 现在将它们列表介绍如下 常用机械运动副连接方式列表 自由度 连接类型 旋转 平移 描述 需要定义的约束 销钉 1 0 围绕轴旋转 1 轴对齐2 平面配对或对齐 圆柱 1 1 沿指定的轴平移并相对于该轴旋转 轴对齐 滑动杆 0 1 沿轴平移 1 轴对齐2 平面配对或对齐 平面 1 2 在一个平面内任意运动 平面对齐 球 3 0 接头允许沿任何方向旋转 点与点对齐 轴承 3 1 球接头和滑块接头的组合 点与边或轴线对齐 刚性 0 0 将两个零件固接在一起 一个或多个约束 焊接 0 0 将两个零件粘结在一起 坐标系对齐 除此以外 在机构运动分析模块内部还有三种高级连接 即齿轮连接 凸轮连接 槽连接 这些连接都是机械设计人员所熟悉的 在此不再赘述 5 3 定义伺服电机 使用伺服电机可以对机构施加特殊运动 是机构运动的原动力 向模型中增加伺服 电机可为运动仿真做准备 可以在连接轴或几何图元上放置伺服电机 观察机构的运动轨迹 以下是创建伺服 电机的步骤 1 单击菜单中 MECHANISM 伺服电机 新 弹出伺服电机对话 框 2 在主窗口中选择一个连接轴 然后单击 特性 选项卡 用来设置伺服电机的 位置 速度 加速度等参数 3 其中 模 分隔栏中包括九种时间函数来定义运动轮廓 Constant 常量 Y A A 常量 Ramp 斜插入 运动随时间呈线形变化 Y A B T 其中 A B 都是常量 Cosine 余弦 周期性运动 Y A COS 2 PI t T B C A 振幅 B 相位 T 周 期 SCCA 用于模拟一个凸轮轮廓的输出 Cycloidal 摆线 用于模拟凸轮的输出 Y L t T L sin 2 PI t T 2 PI L 总 上升次数 T 周期 Parabolic 抛物线 可被用于模拟轨迹 Y A t 1 2B t2 A 线性系数 B 二次 系数 Polynomial 多项式 用于电机的配置文件 Y A B t C t2 D t3 A 常数项系数 B 一次项系数 C 二次项系数 D 三次项系数 Table 表单 如果不能用其他函数指定更复杂的运动轮廓 可以用表单形式来表 示 第一栏代表时间 第二栏表示伺服电机的值 User Defined 用户用函数自我定义 4 在 Graph 图象 分隔栏中 可以把定义的位置 速度 加速度函数通过图形 表示出来 5 如果对创建的伺服电机参数不满意 可以对伺服电机进行编辑 删除 复制等 操作 5 4 创建运动分析 运行分析命令允许用户定义一个机构在一定时间内的运动方式 通过向机构中增加 伺服电机 然后设置时间周期和运动增量 可以定义组件的运动增量 可以定义组件的 运动方式 回放机构运动的画面或将结果保存在磁盘中 便于以后重新演示 下面简要 介绍一下建立机构分析的一般步骤 1 单击 机构 分析 打开机构分析对话框 2 单击 新建 打开 运动分析 对话框 3 输入运动分析的名称 4 选择一中分析类型 5 在 优先 选项卡中点击 图形显示 栏 在其中设置动画起始时间和终止时 间 并选择测量时间域的方式 6 其中 锁定图元 的作用是运行运动分析时锁定主体或连接 则在已定义的分 析中 这些锁定的主体或连接将不会相互移动 7 优先 选项卡中 初始配置 栏可以定义分析的初始位置 8 在 伺服电机 选项卡中 可以选取运动分析中所需的伺服电机 并制定起止 时间 9 单击 OK 按钮接受设置值 10 如果对设置值不满意 可以对创建的运动分析进行编辑 删除等操作 5 5 运动仿真举例 5 5 1 定义链条运动 链条的阵列装配在上一章中已经讲述过 但以此种方式装配好的链条 无法实现链 条随既定轨迹的运动 但是 在立式焊机运动仿真中的链条却一定要定义成可以运动的 所以 在运行立式焊机机构运动仿真前 必须解决如何实现链条的运动的问题 下面 就来介绍如何实现链条随轨迹运动的步骤 1 运行 PRO E 软件 创建两节链条 注意要在两孔中心都要创建基准点 具体建 模过程在此不再赘述 2 新建一装配件 命名为 GUANJIE 注意模板用 空 3 调入第一节链条 CHAIN1 由于是 空 模板 不需要定义这节链条的约束 关系 4 点击 插入 元件 调入第二节链条 CHAIN2 用连接方式中的 销 钉 连接放置 CHAIN2 5 保存文件并关闭窗口 6 新建一装配件 命名为 CHAIN 在装配环境下创建一曲线并将其拖至曲线 旁边 以便装配 7 点击 插入 元件 调入刚才创建的装配件 GUANJIE 8 用连接定义中的 平面 连接 定义 GUANJIE 组件中 FRONT 面和曲线所在基 准平面的连接 进入 MECHANISM 模块 将 GUANJIE 组件中三个基准点和曲线的槽连 接 让 GUANJIE 组件运动时三个基准点总保持在曲线上 9 点击 插入 元件 调入装配件 GUANJIE 定义该组件和上步的 GUANJIE 组件的 销钉 连接 以使两链条能一起运动 进入 MECHANISM 模块 定义 GUANJIE 组件上三个基准点与曲线的槽连接 以使此链条能沿曲线运动 10 用第九步的方法 定义余下的链条连接 11 进入 MECHANISM 模块 进行运动分析 点击 mechanism 初始条件 新建 点击 定义槽机构速度 12 选择第一节链条的槽连接 在 模 中输入槽连接的运动速度 点击 确定 13 点击 mechanism 分析 弹出运动分析对话框 14 点击 新建 分析类型选择 动态 时间定为默认的 10S 点击 确定 15 点击 运行 即可观察运动情况 16 点击 mechanism 测量 弹出测量曲线对话框 17 单击 创建新测量 类型选择 位置 点或连接轴 选择第一节链条的基 准点 点击 确定 18 点击绘制结果集 系统输出 位置 时间 图表 至此 运动型链条的仿真创建结