換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖
換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖,機(jī)械手,設(shè)計(jì),CAD
基于I2DEAS的加工中心換刀機(jī)械手運(yùn)動仿真3 穆塔里夫 阿赫邁德 尼加提 依米提 鄭 力摘要 以I2DEAS1MS8三維工程軟件為平臺,對TH6350臥式加工中心換刀機(jī)械手進(jìn)行三維實(shí)體裝配。以裝配模型為基礎(chǔ),對換刀機(jī)械手進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模和換刀運(yùn)動仿真。通過機(jī)械手換刀運(yùn)動干涉檢驗(yàn)和分析,得到機(jī)械手換刀運(yùn)動并發(fā)時(shí)序圖,提出了縮短機(jī)械手換刀運(yùn)動時(shí)間的措施。關(guān)鍵詞:I2DEAS 換刀機(jī)械手 運(yùn)動仿真 干涉檢驗(yàn)中圖分類號:TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:16713133(2003)09 - 0040 - 03The kinematics simulation to the ATC formachining center based on I2DEASMutellip Ahmat,Jurat MamatZheng LiAbstractThe 3D assembly was made to the ATC (automatic tool changer)for the TH6350 machining center by based on I2DEAS;The 3D mechanism modeling and mechanical kinematics simulation for the tool changing motion of the ATC was made;The figures of the sequence in time to the ATC was obtained by kinematics interference checking to the tool changing motion ofthe ATC ,and a measure to shorten the tools exchanging time was put forward1Key words :I2DEASATC(automatic tool changer)Kinematics simulationInterference check用集成化工程分析軟件I2DEAS1MS8中的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(Mechanical Design)模塊對TH6350臥式加工中心的自動換刀機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模以及換刀運(yùn)動分析和仿真,使設(shè)計(jì)人員在屏幕上通過機(jī)構(gòu)的三維動態(tài)顯示,不僅可以直觀地看到整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程,而且可以分析運(yùn)動的完成時(shí)間、 運(yùn)動軌跡、 運(yùn)動干涉情況以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)等。采用I2DEAS1MS8軟件,以TH6350加工中心換刀機(jī)械手零部件三維實(shí)體模型為基礎(chǔ),完成換刀機(jī)械手三維實(shí)體裝配,通過定義剛體、 機(jī)架、 運(yùn)動副、 運(yùn)動函數(shù)和運(yùn)動等實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手的三維機(jī)構(gòu)建模,通過對換刀機(jī)械手的換刀動作進(jìn)行運(yùn)動仿真和運(yùn)動干涉檢驗(yàn)分析,得到機(jī)械手換刀動作并發(fā)運(yùn)動時(shí)序圖,由此得出機(jī)械手換刀運(yùn)動的有些動作可以并發(fā)進(jìn)行而不發(fā)生運(yùn)動干涉,從而縮短機(jī)械手換刀運(yùn)動時(shí)間。 一、 換刀機(jī)械手三維實(shí)體裝配TH6350臥式加工中心換刀機(jī)械手三維裝配建模是在以I2DEAS為平臺的CAD應(yīng)用環(huán)境下,以換刀機(jī)械手零部件三維實(shí)體模型庫為基礎(chǔ),將不同的零部件通過特征識別和確定裝配特征后,組裝成一個(gè)裝配體?；?D特征的裝配建模主要包括以下技術(shù):零部件三維實(shí)體建模;裝配路徑規(guī)劃;零部件樹狀結(jié)構(gòu)劃分;位置尺寸約束條件施加;裝配仿真;裝配干涉分析。3 新疆維吾爾自治區(qū)少數(shù)民族科技骨干人才特殊培養(yǎng)科研專項(xiàng)資金資助(2003 - 08)成繪圖文件。這個(gè)繪圖文件實(shí)際上是個(gè)文本文件,文件中匯集了用AUTOCAD系統(tǒng)繪制拉刀工作圖的所有屏幕命令,并經(jīng)過合理的排序處理,由系統(tǒng)直接啟動AUTOCAD系統(tǒng)去執(zhí)行該文件,自動繪出拉刀設(shè)計(jì)圖。用戶可以根據(jù)具體情況直接在圖上修改,并使用打印設(shè)備打印出拉刀設(shè)計(jì)圖。 三、 結(jié)論漸開線花鍵拉刀CAD專家系統(tǒng)的開發(fā),提高了拉刀設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量,達(dá)到了專家級的設(shè)計(jì)水平。其中采用的產(chǎn)生式與框架結(jié)合的復(fù)合型知識表示法,較好地解決了拉刀設(shè)計(jì)知識表達(dá)的問題,提高了運(yùn)行效率。經(jīng)工廠計(jì)算實(shí)例表明,該專家系統(tǒng)能滿足工程需求,可以在拉刀設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。參 考 文 獻(xiàn)1 四川省機(jī)械工業(yè)局 1 復(fù)雜刀具設(shè)計(jì)手冊M1 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19792 王玫,王杰等 1 漸開線插齒刀CAD專家系統(tǒng)的開發(fā)J 1 成都:四川大學(xué)學(xué)報(bào),2002(2)3 殷國富 1 工程專家系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用M1 成都:成都科技大學(xué)出版社,1995作者通訊地址:四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院(成都610065)收稿日期:2003042104CAD/ CAPP/ CAM/ CAE現(xiàn)代制造工程2003(9)TH6350加工中心換刀機(jī)械手共由40多個(gè)零部件組成,其中主要零部件有13個(gè),包括齒輪齒條類、 軸類、 軸承類、 蓋板類及箱體類等。由于空套齒輪軸、 軸承、 花鍵、 插拔刀活塞以及兩個(gè)抓刀和換刀齒條、 箱體等大部分零部件都與空心齒輪軸有裝配關(guān)系,所以將大空心齒輪軸作為基準(zhǔn),依次將其它零部件裝配到大齒輪軸上,然后安裝其它零部件,最后將其安裝到箱體上來完成換刀機(jī)械手的三維實(shí)體裝配。換刀機(jī)械手的三維實(shí)體裝配模型如圖1所示。圖1 機(jī)械手三維實(shí)體裝配模型 二、 機(jī)械手機(jī)構(gòu)建模與運(yùn)動仿真11I2DEAS Mechanism Design一些概念加工中心換刀機(jī)械手機(jī)構(gòu)建模分析是由換刀機(jī)械手零部件的三維實(shí)體模型、 換刀機(jī)械手的三維裝配模型、 換刀機(jī)械手機(jī)構(gòu)建模,再到換刀機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析求解到評估、 動態(tài)仿真、 再進(jìn)行動態(tài)干涉分析等。在用I2DEAS Mechanism Design模塊進(jìn)行換刀機(jī)械手機(jī)構(gòu)建模時(shí),用到以下概念。1)連桿(Link) 連桿代表一個(gè)剛體的一種機(jī)械特征。連桿是一個(gè)幾何體的可見的表示,可以賦予參數(shù)特性。2)運(yùn)動副(Joint) 運(yùn)動副表示在連桿間可以完成的相對運(yùn)動。一個(gè)運(yùn)動副連接和約束兩個(gè)機(jī)械實(shí)體。3)標(biāo)記(Marker) 標(biāo)記表示在連桿上的一個(gè) “關(guān)注點(diǎn)”,可以得到標(biāo)記處的分析結(jié)果。標(biāo)記可用于:識別某點(diǎn)的結(jié)果(位移、 速度和加速度)和定義彈簧接觸點(diǎn)或齒輪的接觸點(diǎn)。4)運(yùn)動(Motion) 運(yùn)動是描述運(yùn)動副運(yùn)動方程的表達(dá)式。運(yùn)動僅應(yīng)用于運(yùn)動副上并用運(yùn)動副的方位來定義將會發(fā)生的相關(guān)運(yùn)動。運(yùn)動可用恒速、 常數(shù)和函數(shù)來輸入。21 換刀機(jī)械手機(jī)構(gòu)建模和運(yùn)動仿真換刀機(jī)械手由裝配模型到機(jī)構(gòu)模型,再到機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真及運(yùn)動干涉分析,其過程用框圖2表示。換刀機(jī)械手換刀過程由以下五個(gè)階段完成:抓刀階段、 拔刀階段、 換刀階段、 插刀階段和放刀階段。這些動作分別由下列運(yùn)動副完成:兩個(gè)齒條分別與缸體組成移動副;兩個(gè)齒條分別與兩個(gè)齒輪軸組成齒輪副;兩個(gè)齒輪軸分別與缸體組成轉(zhuǎn)動副;機(jī)械手臂分別與兩個(gè)齒輪軸組成移動副,來回移動來完成拔刀和插刀動作。裝配模型定義剛體定義機(jī)架選運(yùn)動副運(yùn)動函數(shù)定義運(yùn)動運(yùn)動求解機(jī)構(gòu)模型運(yùn)動仿真干涉分析圖2 機(jī)構(gòu)建模仿真過程在進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模時(shí),通過定義運(yùn)動函數(shù)來設(shè)置機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件運(yùn)動的前、 后順序、 各構(gòu)件的位移和運(yùn)動完成時(shí)間等。由于換刀機(jī)械手的換刀動作主要有抓刀和放刀(正、 負(fù)90 轉(zhuǎn)動)、 換刀(180 轉(zhuǎn)動)、 拔刀和插刀(正、 負(fù)165mm移動)以及機(jī)械手臂在前、 后花鍵的轉(zhuǎn)移等運(yùn)動,因此,用以下的Step函數(shù)來分別表達(dá)這些運(yùn)動。抓刀和放刀:step (time ,0 ,0 ,016 , - 90d) + step (time ,512 ,0 ,518 ,90d)換刀:step (time ,213 ,0 ,315 , - 180d) + step (time ,414 ,0 ,516 ,180d)拔刀和插刀:step (time ,116 ,0 ,212 , - 165d) + step (time ,316 ,0 ,412 ,165)機(jī)械手臂在前、 后花鍵的轉(zhuǎn)移:step (time ,0 ,0 ,016 , - 90d) + step (time ,213 ,0 ,315 ,- 180d) + step (time ,512 ,0 ,518 ,90d)通過上述方法對換刀機(jī)械手進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模以后,就可以進(jìn)行運(yùn)動仿真。如圖3所示換刀機(jī)械手抓刀和拔刀運(yùn)動狀態(tài)。圖3 換刀機(jī)械手抓刀和拔刀運(yùn)動狀態(tài)14CAD/ CAPP/ CAM/ CAE現(xiàn)代制造工程2003(9) 三、 機(jī)械手并發(fā)運(yùn)動時(shí)序分析11 換刀機(jī)械手動態(tài)干涉分析換刀機(jī)械手的換刀動作分別是由兩個(gè)獨(dú)立的齒條活塞和另外一個(gè)活塞的直接驅(qū)動來完成的,它們的動作過程是串行進(jìn)行的,也就是說在前一個(gè)動作完成以后才進(jìn)行下一個(gè)動作,否則會發(fā)生運(yùn)動干涉。然而,通過運(yùn)動干涉檢驗(yàn)和分析發(fā)現(xiàn),換刀機(jī)械手的有些換刀動作可以并發(fā)完成而不會發(fā)生運(yùn)動時(shí)位置和尺寸的干涉。這兩個(gè)動作并行進(jìn)行而不發(fā)生運(yùn)動干涉的時(shí)間可以通過反復(fù)干涉檢驗(yàn)得到。因此,由于換刀動作的并行完成,可以縮短機(jī)械手的換刀完成時(shí)間,由此提高機(jī)械手的換刀效率。21 換刀機(jī)械手并發(fā)時(shí)序分析以換刀機(jī)械手抓刀和拔刀過程為例,來說明并發(fā)時(shí)序分析的方法和步驟。在進(jìn)行機(jī)械手并發(fā)運(yùn)動干涉檢驗(yàn)時(shí),修改換刀機(jī)械手的Step函數(shù)中的動作完成時(shí)間,使抓刀和拔刀動圖4 干涉檢驗(yàn)的 步驟和方法作并發(fā)進(jìn)行,進(jìn)行運(yùn)動干涉檢驗(yàn),可以得出兩相對運(yùn)動有關(guān)實(shí)體之間是否有干涉、 最大干涉體積、 不發(fā)生干涉的最短距離以及干涉點(diǎn)的坐標(biāo)等數(shù)據(jù),分析運(yùn)動干涉情況,直到不出現(xiàn)干涉為止,即可確定兩個(gè)動作的并發(fā)時(shí)序。經(jīng)過反復(fù)的并發(fā)運(yùn)動干涉檢驗(yàn),得出換刀機(jī)械手進(jìn)行抓刀和拔刀并發(fā)運(yùn)動而 不 發(fā) 生 干 涉 的 時(shí) 間 為0135s。其方法和步驟如圖4所示。其運(yùn)動干涉檢驗(yàn)報(bào)告如下:449 - RUN15STEP05Interference Check 1Checking:Instance(Hi14213):H652402101 ; 21 ,mtlfLibrary 1 with : Instance (Hi12211): H652402099 ;21 ,mtlf2Library 1Results 3 3 3INTERFERE3 3 3Volume 1761Total just touching detected0 Totalinterferences detected14502RUN15STEP06Interference Check 1Checking:Instance(Hi14213):H652402101 ; 21 ,mtlfLibrary 1 with : Instance (Hi12211): H652402099 ;21 ,mtlf2Library 1Results Just touchingTotal just touching detected1 Totalinterferences detected0該報(bào)告顯示,當(dāng)運(yùn)動進(jìn)行到第5步時(shí),換刀機(jī)械手臂花鍵與齒輪軸花鍵出現(xiàn)體積為176mm3的干涉,而進(jìn)行到第6步時(shí),剛好不產(chǎn)生干涉。圖5和圖6分別表示換刀機(jī)械手換刀過程串行時(shí)序圖和抓刀、 拔刀時(shí)的并發(fā)時(shí)序圖。圖5 機(jī)械手換刀過程串行時(shí)序圖圖6 機(jī)械手抓刀和拔刀時(shí)的并發(fā)時(shí)序圖 四、 結(jié)語用I2DEAS1MS8為平臺實(shí)現(xiàn)了TH6350加工中心換刀機(jī)械手的三維實(shí)體裝配、 機(jī)構(gòu)建模和換刀運(yùn)動仿真。以換刀機(jī)械手抓刀和拔刀運(yùn)動為例,通過運(yùn)動干涉檢驗(yàn)和分析,得出了機(jī)械手在抓刀和拔刀時(shí)的部分動作可以并發(fā)完成從而縮短換刀運(yùn)動時(shí)間0135s。同樣,也可對換刀機(jī)械手其它動作進(jìn)行運(yùn)動干涉檢驗(yàn)和分析,為縮短加工中心的換刀運(yùn)動時(shí)間提供依據(jù)。參 考 文 獻(xiàn)1 穆塔里夫,張年松,鄭力 1 加工中心虛擬裝配建模及裝配干涉的研究 1 現(xiàn)代制造工程(原 機(jī)械工藝師) ,2002 ,(9)2I2DEAS Course Guide ,The Mechanical Design Course1Structure Dy2namic Research Corporation , 2000 Eastman Drive Milford, Ohio45150(513)576 - 24003 吳石林 1 基于Euclid的機(jī)械動態(tài)仿真研究 1 現(xiàn)代制造工程(原 機(jī)械工藝師) ,2002 ,(2)作者簡介:穆塔里夫 阿赫邁德,新疆大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,清華大學(xué)訪問學(xué)者。主要研究方向:機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)和虛擬制造。作者通訊地址:新疆大學(xué)(北校區(qū))機(jī)械工程學(xué)院(烏魯木齊830008)清華大學(xué)工業(yè)工程系(100084)收稿日期:2003050924CAD/ CAPP/ CAM/ CAE現(xiàn)代制造工程2003(9)
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