立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì),立式,自動(dòng),焊接,虛擬,設(shè)計(jì) 無(wú)錫太湖學(xué)院 　　系 　機(jī)械工程及自動(dòng)化 　專(zhuān)業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書(shū) 一、題目及專(zhuān)題： 1、題目　　 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 　 2、專(zhuān)題　 　 二、課題來(lái)源及選題依據(jù) 氣電立焊是80年代發(fā)展起來(lái)的一種熔化極氣體保護(hù)電弧垂直對(duì)接焊方法，采用藥芯焊絲作熔化極，用能自動(dòng)控制的上升系統(tǒng)帶動(dòng)焊槍進(jìn)行連續(xù)焊接，在水冷滑塊的強(qiáng)制成型作用下以CO2氣體保護(hù)實(shí)現(xiàn)單面焊雙面一次成型。 過(guò)去我國(guó)對(duì)氣電立焊的設(shè)備主要依賴進(jìn)口，并被廣泛應(yīng)用于石油天然氣的儲(chǔ)油罐建設(shè)這些設(shè)備，雖然性能良好但價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)一些中小企業(yè)無(wú)力購(gòu)買(mǎi)，受進(jìn)口設(shè)備和國(guó)內(nèi)藥芯焊絲技術(shù)不過(guò)關(guān)的制約，其應(yīng)用范圍和發(fā)展受到限制。所以，開(kāi)發(fā)擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣電立焊設(shè)備，以解決困擾我國(guó)眾多企業(yè)的焊接問(wèn)題，成為當(dāng)務(wù)之急。 在開(kāi)發(fā)氣電立焊設(shè)備的過(guò)程中，如果在設(shè)計(jì)初告段落時(shí)采用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，將使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為可靠。采用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，將使得設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品制造出來(lái)前即能看到產(chǎn)品的裝配信息和運(yùn)行狀態(tài)，并能檢測(cè)裝配干涉，預(yù)先測(cè)得重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以便與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，提高了設(shè)計(jì)可靠性，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。由此可知，采用計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真，將對(duì)氣電立焊設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重要的積極影響。 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：本課題要求根據(jù)任務(wù)書(shū)完成立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì)。這個(gè)課題能充分體現(xiàn)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)虛擬設(shè)計(jì)能力有較強(qiáng)鍛煉。通過(guò)本課題的研究，我們需要達(dá)到的要求有： ①熟悉氣電立焊的國(guó)內(nèi)外歷史及其發(fā)展前景； ②正確合理分析理解氣電立焊原理、特點(diǎn)及其工藝特點(diǎn)和設(shè)備知識(shí)； ③了解立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)主要零部件的特點(diǎn)及作用； ④充分理解，明白各個(gè)零部件的位置及作用； ⑤對(duì)于虛擬設(shè)計(jì)，能夠掌握各個(gè)部分的設(shè)計(jì)原則以及合理分析各因素對(duì)設(shè)計(jì)的影響； ⑥熟練運(yùn)用Pro/ENGINEER軟件。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 班 　　姓名 五、開(kāi)始及完成日期： 自2012年11月12日 至2013年5月25日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）： 指導(dǎo)教師　　　　　　　簽名 簽名 　　　　　　　簽名 教研室主任 　　　　　　〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕　　　　　　　簽名 　　 　　系主任 　　　　　　簽名 2012年11月12日 編號(hào) 無(wú)錫太湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 相關(guān)資料 題目： 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī) 虛擬設(shè)計(jì) 信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 學(xué) 號(hào)： 　　　　　　　 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （職稱(chēng)：副教授） 2013年5月25日 目 錄 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯及原文 三、學(xué)生“畢業(yè)論文（論文）計(jì)劃、進(jìn)度、檢查及落實(shí)表” 四、實(shí)習(xí)鑒定表 無(wú)錫太湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告 題目： 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī) 虛擬設(shè)計(jì) 系 專(zhuān)業(yè) 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：（職稱(chēng)：副教授 ） 2012年11月25日 課題來(lái)源 氣電立焊是80年代發(fā)展起來(lái)的一種熔化極氣體保護(hù)電弧垂直對(duì)接焊方法，采用藥芯焊絲作熔化極，用能自動(dòng)控制的上升系統(tǒng)帶動(dòng)焊槍進(jìn)行連續(xù)焊接，在水冷滑塊的強(qiáng)制成型作用下以CO2氣體保護(hù)實(shí)現(xiàn)單面焊雙面一次成型。 過(guò)去我國(guó)對(duì)氣電立焊的設(shè)備主要依賴進(jìn)口，并被廣泛應(yīng)用于石油天然氣的儲(chǔ)油罐建設(shè)這些設(shè)備，雖然性能良好但價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)一些中小企業(yè)無(wú)力購(gòu)買(mǎi)，受進(jìn)口設(shè)備和國(guó)內(nèi)藥芯焊絲技術(shù)不過(guò)關(guān)的制約，其應(yīng)用范圍和發(fā)展受到限制。所以，開(kāi)發(fā)擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣電立焊設(shè)備，以解決困擾我國(guó)眾多企業(yè)的焊接問(wèn)題，成為當(dāng)務(wù)之急。 科學(xué)依據(jù)（包括課題的科學(xué)意義；國(guó)內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)；應(yīng)用前景等） 氣電立焊是由普通熔化極氣體保護(hù)焊和電渣焊發(fā)展而形成的一種熔化極氣體保護(hù)電弧焊方法。目前氣電立焊焊接材料主要采用(金屬芯)藥芯焊絲，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、成本低。氣電立焊屬于窄間隙焊，與其它窄間隙焊的主要區(qū)別是焊縫一次成型，而不是多道多層焊。所以其焊接效率及焊接質(zhì)量均較高，主要應(yīng)用于船舶的外殼板的中厚板焊接，也可應(yīng)用于相應(yīng)尺寸的橋梁箱式梁腹板及大型儲(chǔ)罐側(cè)板的中厚板的焊接。目前通過(guò)船級(jí)社認(rèn)可的氣電立焊藥芯焊絲全部為國(guó)外廠商，而國(guó)內(nèi)研究生產(chǎn)的焊絲常常出現(xiàn)焊接力學(xué)性能不穩(wěn)定的情況，不能滿足國(guó)內(nèi)客戶的需求。所有氣電立焊藥芯焊絲的使用全都依賴進(jìn)口，而國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用最多的是日本神鋼生產(chǎn)的DWS-43G和DWS-1LG兩種氣電立焊藥芯焊絲。 過(guò)去我國(guó)對(duì)氣電立焊的設(shè)備主要依賴進(jìn)口，并被廣泛應(yīng)用于石油天然氣的儲(chǔ)油罐建設(shè)這些設(shè)備，雖然性能良好但價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)一些中小企業(yè)無(wú)力購(gòu)買(mǎi)，受進(jìn)口設(shè)備和國(guó)內(nèi)藥芯焊絲技術(shù)不過(guò)關(guān)的制約，其應(yīng)用范圍和發(fā)展受到限制。所以，開(kāi)發(fā)擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣電立焊設(shè)備，以解決困擾我國(guó)眾多企業(yè)的焊接問(wèn)題，成為當(dāng)務(wù)之急。 為了提高快速響應(yīng)能力，氣電立焊企業(yè)首先應(yīng)能迅速捕捉復(fù)雜多變的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息，并及時(shí)作出正確的預(yù)測(cè)和決策，以決定新產(chǎn)品的功能特征和上市時(shí)間。明確了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目以后，實(shí)現(xiàn)快速虛擬設(shè)計(jì)就成為重要的一環(huán)。工程設(shè)計(jì)的重要性是不言而喻的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程設(shè)計(jì)的費(fèi)用雖然只占產(chǎn)品最終成本的一小部分(不到10％)，但往往決定了它的80％以上的制造成本，而且還決定性地影響產(chǎn)品的性能和交貨期?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品由于用戶的要求越來(lái)越高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，科技含量愈來(lái)愈高，從而使得產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期同趨延長(zhǎng)。如何解決好產(chǎn)品市場(chǎng)壽命縮短和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的尖銳矛盾，已經(jīng)成為決定企業(yè)成敗興衰的生死攸關(guān)問(wèn)題。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期包括設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)和修改等一系列環(huán)節(jié)，除了設(shè)計(jì)以外的后幾個(gè)環(huán)節(jié)可以統(tǒng)稱(chēng)為試制定型階段。 由此可知，實(shí)施虛擬快速設(shè)計(jì)，至少有如下優(yōu)點(diǎn)：及時(shí)交貨，爭(zhēng)先搶占市場(chǎng)，因縮短制造時(shí)間和消除各種浪費(fèi)而降低制造成本，因加快產(chǎn)品更新?lián)Q代而向市場(chǎng)大量提供質(zhì)量更高、價(jià)格更低的高性能產(chǎn)品。其結(jié)果就大大提高了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力和持續(xù)發(fā)展的生命力。 研究?jī)?nèi)容 ① 了解氣電立焊的工作原理，國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； ② 完成焊接機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)； ③ 完成有關(guān)零部件的選型、建模，虛擬裝配； ④ 熟練掌握有關(guān)計(jì)算機(jī)繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙； ⑤ 完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)，并翻譯外文資料1篇。 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析 本文主要采用PRO/ENGINEER軟件對(duì)氣電立焊及進(jìn)行快速虛擬設(shè)計(jì)，該軟件有如下特點(diǎn)： 全相關(guān)：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開(kāi)發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒(méi)有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開(kāi)發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。? 基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對(duì)工程人員來(lái)說(shuō)是很熟悉的，因而易于使用。?裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過(guò)給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。?數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開(kāi)發(fā)研制，正是專(zhuān)門(mén)用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)功能，因而使之成為可能。 裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對(duì)齊”等很容易的把零件裝配起來(lái)，同時(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。? 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級(jí)出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)，同時(shí)還提供了簡(jiǎn)短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。 我們最終選擇PRO/ENGINEER作為虛擬設(shè)計(jì)軟件,主要是由于其在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真功能方面強(qiáng)大的功能、易操作性和直觀性。同時(shí)，在大型組件的創(chuàng)建過(guò)程中，PRO/ENGINEER的單一數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)化建模和全相關(guān)性將使零部件的創(chuàng)建和修改變得非常容易，這對(duì)縮短建模周期將起到顯著的作用。 研究計(jì)劃及預(yù)期成果 研究計(jì)劃： 2012年11月12日-2013年1月20日：按照任務(wù)書(shū)要求查閱論文相關(guān)參考資料，填寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告書(shū)。 2013年1月21日-2013年3月15日：填寫(xiě)畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告,學(xué)習(xí)并翻譯一篇與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)的英文材料。 2013年3月16日-2013年3月22日：立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)初步虛擬設(shè)計(jì)。 2013年3月23日-2013年4月20日：繪制裝配圖校核后并進(jìn)行修改。 2013年4月21日-2013年5月 3 日：繪制相關(guān)零件圖。 2013年5月 4 日-2013年5月10日：畢業(yè)論文撰寫(xiě)。 2013年5月 6日-2013年 5月20日：畢業(yè)論文修改工作。 成果： 開(kāi)發(fā)擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣電立焊設(shè)備，以解決困擾我國(guó)眾多企業(yè)的焊接問(wèn)題，解燃眉之急。 特色或創(chuàng)新之處 （1）虛擬快速設(shè)計(jì)，至少有如下優(yōu)點(diǎn)：及時(shí)交貨，爭(zhēng)先搶占市場(chǎng)，因縮短制造時(shí)間和消除各種浪費(fèi)而降低制造成本，因加快產(chǎn)品更新?lián)Q代而向市場(chǎng)大量提供質(zhì)量更高、價(jià)格更低的高性能產(chǎn)品。 （2）大大提高了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力和持續(xù)發(fā)展的生命力。 已具備的條件和尚需解決的問(wèn)題 已具備的條件：設(shè)計(jì)過(guò)程中所需要的各種軟硬件資源和相關(guān)產(chǎn)品實(shí)物照片。 尚需解決的問(wèn)題：相關(guān)文獻(xiàn)資料的缺乏，對(duì)一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分的具體設(shè)計(jì)指導(dǎo)，以及三維軟件的高級(jí)運(yùn)用技巧。 指導(dǎo)教師意見(jiàn) 指導(dǎo)教師（簽名）：　 　 年 月 日 教研室（學(xué)科組、研究所）意見(jiàn) 系主任（簽名）：　 　 年 月 日 系意見(jiàn) 主管領(lǐng)導(dǎo)簽名： 年 月 日 編 號(hào) 無(wú)錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題目： 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 系 專(zhuān) 業(yè) 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （職稱(chēng)：副教授） 2013 年 5 月 25 日 無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠(chéng) 信 承 諾 書(shū) 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 立式環(huán)縫自 動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取 得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引 用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他 個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 II 摘 要 氣電立焊是由普通熔化極氣體保護(hù)焊和電渣焊發(fā)展而形成的一種熔化極氣體保護(hù)電 弧焊方法,焊接效率及焊接質(zhì)量均較高,主要應(yīng)用于船舶的外殼板的中厚板焊接，也可應(yīng) 用于相應(yīng)尺寸的橋梁箱式梁腹板及大型儲(chǔ)罐側(cè)板的中厚板的焊接。為了提高快速響應(yīng)能 力，必須實(shí)現(xiàn)快速虛擬設(shè)計(jì)。 本論文首先介紹了氣電立焊機(jī)，包括它的原理、特點(diǎn)、工藝特點(diǎn)，并介紹了其設(shè)備 和用途，詳細(xì)介紹了船體氣電自動(dòng)立焊機(jī)。 其次，我們完成了絲桿的三維建模。另外，為了應(yīng)對(duì)繁多的齒輪傳動(dòng)，我們專(zhuān)門(mén)開(kāi) 發(fā)了 PRO/E 參數(shù)化齒輪建模方法，完成了參數(shù)化齒輪建模。綜合運(yùn)用 PRO/ENGINEER 軟件、CAXA 軟件、AUTOCAD 軟件，我們完成了軸承三維模型的創(chuàng)建。利用 PRO/E 的 零件族表功能，我們完成了大量標(biāo)準(zhǔn)件的三維建模，諸如軸承、螺栓、墊片、螺帽等等。 然后，我們?cè)?PRO/E 中進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，介紹一些具有代表性的裝配過(guò)程，這些 裝配過(guò)程用到了一些實(shí)用的裝配技巧。我們介紹了基本裝配約束，多個(gè)螺栓的重復(fù)性裝 配，鏈條的陣列化裝配，裝配件中的改名操作，軸組件的裝配。 最后，我們進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)虛擬設(shè)計(jì)。把各個(gè)零部件通過(guò)裝配模塊組裝成一個(gè)完整 的機(jī)構(gòu)后，在 PRO/E 中直接啟動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊，定義機(jī)構(gòu)中的連接，設(shè)置伺服電機(jī)， 分析運(yùn)行機(jī)構(gòu)，觀察機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)軌跡和各零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真舉例， 最終能將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)錄制成 JPEG 格式的動(dòng)畫(huà)。 關(guān)鍵詞：氣電立焊；三維建模；虛擬設(shè)計(jì)；仿真 III 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 IV V 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................................IV ABSTRACT ...................................................................................................................................V 目 錄 ............................................................................................................................................V 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 本課題的研究?jī)?nèi)容和意義 ....................................................................................................1 1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況 ................................................................................................................1 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 ............................................................................................................3 2 氣電立焊機(jī)介紹 .........................................................................................................................4 2.1 氣電立焊的原理 ....................................................................................................................4 2.2 氣電立焊的特點(diǎn) ....................................................................................................................4 2.3 氣電立焊工藝特點(diǎn) ................................................................................................................5 2.4 氣電立焊設(shè)備介紹 ................................................................................................................7 3 主要零部件建模 .........................................................................................................................9 3.1 絲杠的三維建模 ....................................................................................................................9 3.2 參數(shù)化齒輪建模 ..................................................................................................................11 3.3 軸承三維模型的創(chuàng)建 ..........................................................................................................16 3.4 墊片的創(chuàng)建 ..........................................................................................................................19 4 零部件虛擬裝配 .......................................................................................................................22 4.1 基本裝配約束介紹 ..............................................................................................................22 4.2 多個(gè)螺栓的重復(fù)性裝配 ......................................................................................................22 4.3 鏈條的陣列化裝配 ..............................................................................................................24 4.4 裝配件中的改名操作 ..........................................................................................................25 4.5 軸組件的裝配 .....................................................................................................................25 5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)虛擬設(shè)計(jì) ...................................................................................................................27 5.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)虛擬設(shè)計(jì)功能概述 ..............................................................................................27 5.1.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)虛擬設(shè)計(jì)功能概述 .......................................................................................27 5.1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)虛擬設(shè)計(jì)功能的一般步驟 ...........................................................................27 5.2 連接定義 ..............................................................................................................................27 5.3 定義伺服電機(jī) ......................................................................................................................28 5.4 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析 ......................................................................................................................28 5.5 運(yùn)動(dòng)仿真舉例 ......................................................................................................................29 VI 5.5.1 定義鏈條運(yùn)動(dòng) ...............................................................................................................29 5.5.2 定義絲杠傳動(dòng) .............................................................................................................30 6 結(jié)論與展望 ...............................................................................................................................33 致 謝 ...........................................................................................................................................34 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................35 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 本課題的研究?jī)?nèi)容和意義 氣電立焊是 80 年代發(fā)展起來(lái)的一種熔化極氣體保護(hù)電弧垂直對(duì)接焊方法，采用藥芯 焊絲作熔化極，用能自動(dòng)控制的上升系統(tǒng)帶動(dòng)焊槍進(jìn)行連續(xù)焊接，在水冷滑塊的強(qiáng)制成 型作用下以 氣體保護(hù)實(shí)現(xiàn)單面焊雙面一次成型。2CO 圖 1.1 氣電立焊 在焊接前，首先在焊接接頭的坡口反面安裝固定銅滑塊，坡口正面安裝一塊可隨焊 槍一起運(yùn)動(dòng)的水冷滑塊。焊接時(shí)，藥芯焊絲和母材被電弧熔化形成熔池，并被限制在前 后兩塊水冷滑塊及未熔化的母材之間，這樣，熔池上部受到 及熔渣的保護(hù)，藥芯焊絲2CO 熔化后產(chǎn)生的部分熔渣滲入到熔池與兩塊水冷滑塊的接觸面之間，對(duì)熔池起保護(hù)作用， 同時(shí)也避免了銅滑塊被熔池熔化產(chǎn)生的粘連，保證了焊接接頭的質(zhì)量。熔池下部被水冷 銅滑塊冷卻凝固形成焊縫。隨著焊縫的形成，送絲機(jī)構(gòu)的小車(chē)和正面的銅滑塊沿垂直導(dǎo) 軌自動(dòng)向上移動(dòng)，并保持距熔池的相對(duì)位置不變，以保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定。 1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況 氣電立焊是由普通熔化極氣體保護(hù)焊和電渣焊發(fā)展而形成的一種熔化極氣體保護(hù)電 弧焊方法。目前氣電立焊焊接材料主要采用(金屬芯)藥芯焊絲，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、 成本低。氣電立焊屬于窄間隙焊，與其它窄間隙焊的主要區(qū)別是焊縫一次成型，而不是 多道多層焊。所以其焊接效率及焊接質(zhì)量均較高，主要應(yīng)用于船舶的外殼板的中厚板焊 接，也可應(yīng)用于相應(yīng)尺寸的橋梁箱式梁腹板及大型儲(chǔ)罐側(cè)板的中厚板的焊接。目前通過(guò) 船級(jí)社認(rèn)可的 氣電立焊藥芯焊絲全部為國(guó)外廠商，而國(guó)內(nèi)研究生產(chǎn)的焊絲常常出現(xiàn)焊2CO 接力學(xué)性能不穩(wěn)定的情況，不能滿足國(guó)內(nèi)客戶的需求。所有氣電立焊藥芯焊絲的使用全 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 都依賴進(jìn)口，而國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用最多的是日本神鋼生產(chǎn)的 DWS-43G 和 DWS-1LG 兩種氣電 立焊藥芯焊絲。 過(guò)去我國(guó)對(duì)氣電立焊的設(shè)備主要依賴進(jìn)口，并被廣泛應(yīng)用于石油天然氣的儲(chǔ)油罐建 設(shè)這些設(shè)備，雖然性能良好但價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)一些中小企業(yè)無(wú)力購(gòu)買(mǎi)，受進(jìn)口設(shè)備和國(guó) 內(nèi)藥芯焊絲技術(shù)不過(guò)關(guān)的制約，其應(yīng)用范圍和發(fā)展受到限制。所以，開(kāi)發(fā)擁有我國(guó)自主 知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣電立焊設(shè)備，以解決困擾我國(guó)眾多企業(yè)的焊接問(wèn)題，成為當(dāng)務(wù)之急。 為了提高快速響應(yīng)能力，氣電立焊企業(yè)首先應(yīng)能迅速捕捉復(fù)雜多變的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息， 并及時(shí)作出正確的預(yù)測(cè)和決策，以決定新產(chǎn)品的功能特征和上市時(shí)間。明確了新產(chǎn)品的 開(kāi)發(fā)項(xiàng)目以后，實(shí)現(xiàn)快速虛擬設(shè)計(jì)就成為重要的一環(huán)。工程設(shè)計(jì)的重要性是不言而喻的。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程設(shè)計(jì)的費(fèi)用雖然只占產(chǎn)品最終成本的一小部分(不到10％)，但往往決定了 它的80％以上的制造成本，而且還決定性地影響產(chǎn)品的性能和交貨期。現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品由 于用戶的要求越來(lái)越高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，科技含量愈來(lái)愈高，從而使得產(chǎn)品的開(kāi)發(fā) 周期同趨延長(zhǎng)。如何解決好產(chǎn)品市場(chǎng)壽命縮短和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的尖銳矛盾，已經(jīng)成 為決定企業(yè)成敗興衰的生死攸關(guān)問(wèn)題。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期包括設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)和修改等一 系列環(huán)節(jié)，除了設(shè)計(jì)以外的后幾個(gè)環(huán)節(jié)可以統(tǒng)稱(chēng)為試制定型階段。 由此可知，實(shí)施虛擬快速設(shè)計(jì)，至少有如下優(yōu)點(diǎn)：及時(shí)交貨，爭(zhēng)先搶占市場(chǎng)，因縮 短制造時(shí)間和消除各種浪費(fèi)而降低制造成本，因加快產(chǎn)品更新?lián)Q代而向市場(chǎng)大量提供質(zhì) 量更高、價(jià)格更低的高性能產(chǎn)品。其結(jié)果就大大提高了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力和持續(xù)發(fā)展的 生命力。 本文主要采用PRO/ENGINEER軟件對(duì)氣電立焊及進(jìn)行快速虛擬設(shè)計(jì)，該軟件有如下特 點(diǎn)： 全相關(guān)：Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中某 一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、 設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開(kāi)發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒(méi)有任何損 失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開(kāi)發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER 使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu) 造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例 如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對(duì)工程人員來(lái)說(shuō)是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過(guò)給這些特征設(shè)置參數(shù) （不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代， 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品。為了 實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的 開(kāi)發(fā)研制，正是專(zhuān)門(mén)用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了 Pro/ENGINEER 獨(dú)特的全相關(guān)功能，因而使之成為可能。 裝配管理：Pro/ENGINEER 的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、 “插入”、“對(duì)齊”等很容易的把零件裝配起來(lái)，同時(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。高級(jí)的功能支持 大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 3 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級(jí)出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)， 同時(shí)還提供了簡(jiǎn)短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。 我們最終選擇PRO/ENGINEER作為虛擬設(shè)計(jì)軟件 ,主要是由于其在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真功能 方面強(qiáng)大的功能、易操作性和直觀性。同時(shí)，在大型組件的創(chuàng)建過(guò)程中， PRO/ENGINEER的單一數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)化建模和全相關(guān)性將使零部件的創(chuàng)建和修改變得非 常容易，這對(duì)縮短建模周期將起到顯著的作用。 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 在開(kāi)發(fā)氣電立焊設(shè)備的過(guò)程中，如果在設(shè)計(jì)初告段落時(shí)采用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)進(jìn)行運(yùn) 動(dòng)仿真，將使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為可靠。采用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，將使得設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品制造出來(lái) 前即能看到產(chǎn)品的裝配信息和運(yùn)行狀態(tài)，并能檢測(cè)裝配干涉，預(yù)先測(cè)得重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)， 以便與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，提高了設(shè)計(jì)可靠性，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。由此可知，采用 計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真，將對(duì)氣電立焊設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重要的積極影響。 本課題要求根據(jù)任務(wù)書(shū)完成立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì)。這個(gè)課題能充分體現(xiàn)專(zhuān) 業(yè)知識(shí)，對(duì)虛擬設(shè)計(jì)能力有較強(qiáng)鍛煉。通過(guò)本課題的研究，我們需要達(dá)到的要求有： ①熟悉氣電立焊的國(guó)內(nèi)外歷史及其發(fā)展前景； ②正確合理分析理解氣電立焊原理、特點(diǎn)及其工藝特點(diǎn)和設(shè)備知識(shí)； ③了解立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)主要零部件的特點(diǎn)及作用； ④充分理解，明白各個(gè)零部件的位置及作用； ⑤對(duì)于虛擬設(shè)計(jì)，能夠掌握各個(gè)部分的設(shè)計(jì)原則以及合理分析各因素對(duì)設(shè)計(jì)的影響； ⑥熟練運(yùn)用 Pro/ENGINEER 軟件。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2 氣電立焊機(jī)介紹 氣電立焊EGW(Electro-gas Welding) 是20世紀(jì)80年代初由普通的熔化極氣體保護(hù)焊和 電渣焊發(fā)展而形成的一種熔化極氣體保護(hù)電弧垂直對(duì)接焊方法，其能量密度比電渣焊高， 而焊接技術(shù)基本相同，主要應(yīng)用于天然氣、石油化工、電力、造船等行業(yè)的大型儲(chǔ)罐安 裝、容器制造、船舶制造等的縱向立焊縫的自動(dòng)焊接，單面一次成形厚度最大可達(dá)46 mill，焊接工效相對(duì)于傳統(tǒng)的焊條電弧焊可提高10～20倍。 2.1 氣電立焊的原理 氣電立焊機(jī)是通過(guò)焊接電弧電壓信號(hào)反饋調(diào)節(jié)焊接電流，焊接電流信號(hào)反饋來(lái)控制 焊絲干伸長(zhǎng)和焊接小車(chē)自動(dòng)提升的一種專(zhuān)用焊接設(shè)備。它利用類(lèi)似于電渣焊所采用的移 動(dòng)式水冷銅滑塊擋住焊縫正面熔融的金屬，背面采用固定式水冷銅墊板封底，強(qiáng)迫焊縫 成形，以實(shí)現(xiàn)立縫向上位置的焊接，保護(hù)氣體為 。氣電立焊在焊接電弧和熔滴過(guò)渡方CO 面類(lèi)似于普通熔化極氣體保護(hù)焊，而在焊縫成形和機(jī)械系統(tǒng)方面又類(lèi)似于電渣焊。單絲 氣電立焊原理如圖2.1所示。 （a） （b） 圖 2.1 單絲氣電立焊原理圖 氣電立焊與電渣焊的主要區(qū)別在于熔化金屬的熱量是電弧熱而不是熔渣的電阻熱。 板的厚度在 12～80 mm 最適宜。 2.2 氣電立焊的特點(diǎn) 工藝過(guò)程穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)良，如圖 2.2 所示：生產(chǎn)效率比焊條電弧焊高 10 倍以上，因此這種方法在船體焊接應(yīng)用中不斷發(fā)展，現(xiàn)在已具備單絲、雙絲兩種送絲 方式，雙絲氣電立焊原理如圖 2.3 所示。主要根據(jù)所焊船體的板厚來(lái)確定采用單絲還是雙 絲，如何根據(jù)板厚范圍來(lái)確定送絲數(shù)如圖 2.4 所示；雙絲焊時(shí)，第一根焊絲需要沿焊縫的 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 5 熔深方向進(jìn)行擺動(dòng)。 圖 2.2 焊縫宏觀組織 圖 2.3 雙絲氣電立焊原理 2.3 氣電立焊工藝特點(diǎn) (1)焊縫背面墊板(相對(duì)焊機(jī)操作臺(tái))。 焊縫背面墊板有三種形式：背面采用陶瓷襯墊，正面采用水冷銅滑塊強(qiáng)制成形；焊 縫雙面均采用水冷銅滑塊強(qiáng)制成形；無(wú)需外加氣體，采用自保護(hù)藥芯焊絲單面水冷銅滑 塊強(qiáng)制成形(注意：三種方法的焊接材料都有所區(qū)別)。 (2)氣電立焊關(guān)鍵參數(shù)的控制。 氣電立焊的焊接位置垂直或接近于垂直方向，電孤軸線方向與母材熔深方向成直角， 熔化的焊絲金屬堆積疊加，熔池不斷水平上移形成焊縫，其熔深產(chǎn)生所需熱量的傳遞方 式與其他電弧焊有所不同。氣電立焊焊接電弧產(chǎn)生的熱量主要流向三個(gè)方向：熔化焊絲、 熔化母材、滑塊吸收。 a．母材坡門(mén)截面積控制。 它是影響熔深的主要參數(shù)之一，熔深反映了坡口兩側(cè)母材的熔化量，直接決定焊接 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 質(zhì)量。增加坡口截面積就增加了焊接線能量，增加熔深：熔深的大小南熔池過(guò)熱金屬的 過(guò)熱度即溫度梯度決定；影響熔池熔融金屬過(guò)熱度的因素也就是影響熔深大小的因素。 b．線能量控制。 一般電弧焊焊接線能量 ；氣電立焊焊接時(shí)，采用等速送絲、大電流密度、較=IU/vwE 高的電弧電壓，其送絲速度等于熔化速度正比于向坡口填充金屬的速度，經(jīng)推導(dǎo)可得焊 接線能量 ( 為焊絲熔化系數(shù)， 為坡口截面積)。增加電弧電壓可增加焊接線=EKiSiS 能量。 c．冷卻速度控制。 當(dāng)焊接規(guī)范和坡口參數(shù)確定后，焊絲和母材吸熱可以認(rèn)為是不變的，而強(qiáng)制成形的 銅滑塊吸熱，則隨冷卻介質(zhì)水變化較大。水溫度和流量對(duì)吸熱影響很大，低水溫和大流 速帶走的熱量遠(yuǎn)大于高水溫低流速的情況，所以在焊接厚板時(shí)應(yīng)減少水流量；焊接薄板 時(shí)可增加水流量；通過(guò)調(diào)節(jié)水流量來(lái)調(diào)節(jié)熔池的冷卻速度可有效控制熔深大小。由于氣 電立焊熔池與普通未受約束的焊接熔池狀態(tài)不同，熔深的形成方式和影響熔深的因素也 不同。 兩種厚板EGW焊接工藝如表2-1所示。 表2-1典型EGW焊接工藝參數(shù) 板厚 /m?焊根間隙 /b焊絲 數(shù) 絲速 -1/minv?電流 /IA電壓 /IU焊速 -1/cminv?線能量 -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)幾種實(shí)用的焊接材料。 a．目前國(guó)內(nèi)用量較大的是神戶制鋼公司生產(chǎn)的DWS03G和DWS一60G型藥芯焊絲， 具有電弧穩(wěn)定、飛濺小、氣渣保護(hù)好、焊縫質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。使用時(shí)，應(yīng)在焊縫背面配 用l(I御型陶瓷襯墊，在襯墊表面覆蓋一層玻璃布，可使襯墊與鋼材緊密相貼，防止跑渣。 在襯墊的背面還有一塊鋼板，便于在裝配襯墊時(shí)用鋼楔子將襯墊與鋼板壓緊，避免陶瓷 襯墊破碎。 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 7 b．自保護(hù)自動(dòng)立焊焊絲一般采用林肯(Lincoln) 公司 NR43l藥芯焊絲。自動(dòng)立焊工藝大 都在露天或高空?qǐng)龊鲜┕?，在有大風(fēng)的情況下，自保護(hù)焊可以不受風(fēng)的影響而停止施工。 另外，目前自保護(hù)立焊設(shè)備的價(jià)格也比氣保護(hù)立焊設(shè)備的價(jià)格低得多。 2.4 氣電立焊設(shè)備介紹 (1)氣電立焊設(shè)備主要組成。 氣電立焊設(shè)備主要由攜焊機(jī)頭升降的機(jī)械系統(tǒng)；快速送絲系統(tǒng)；水冷強(qiáng)迫成型系統(tǒng)； 焊接電源及供(保護(hù))氣系統(tǒng)；焊槍及焊槍擺動(dòng)控制系統(tǒng)；焊接過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成， 如圖2.4所示。 圖 2.4 氣電立焊設(shè)備示意 型號(hào)：SEG-1；輸入電壓：AC 380±10％V；行走速度O～530mm／min；驅(qū)動(dòng)方式i齒輪／齒條；質(zhì)量22 kg；最大負(fù)載50 kg；立焊；外型尺寸：360 mmx665 minx365 mm適合板厚：9～32 mm；單面V型坡口； 19-80雙面x型坡口。 (2)船體氣電自動(dòng)立焊機(jī)的要求。 氣電自動(dòng)焊最適用于船體總段大合攏縫的焊接，如圖2.5所示，多個(gè)永磁體吸盤(pán)將鋁 合金齒條軌道固定在船體鋼板上，其軌道可以接長(zhǎng)數(shù)十米。焊機(jī)的整體機(jī)架內(nèi)具有自動(dòng) 提升機(jī)構(gòu)和自動(dòng)鎖定裝置，便于船體立縫焊接時(shí)的高空作業(yè)，使操作安全可靠，使焊接 熔池始終處于最佳觀察狀態(tài)。 另外，送絲系統(tǒng)控制箱、焊接電源、循環(huán)冷卻器等都安裝在焊機(jī)整體機(jī)架內(nèi)，與被 焊物體較近，故各配套線管大為縮短，有利于焊前準(zhǔn)備和設(shè)備操作，也便于安裝運(yùn)輸； 焊接控制系統(tǒng)中設(shè)置了電壓、電流傳感器，能自適應(yīng)焊接坡口變化。設(shè)置了供氣控制傳 感器和循環(huán)冷卻水壓指示調(diào)節(jié)器，能保證焊接質(zhì)量控制。 瑞典ESAB公司采用懸掛在焊縫頂部的牽引電機(jī)的動(dòng)鏈條牽引機(jī)頭上升的方案，既節(jié) 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 省了磁力軌道和裝卸工時(shí)費(fèi)用，叉減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 圖 2.5 油輪船側(cè)分段大合攏焊縫 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 9 3 主要零部件建模 立式焊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大致完成后，即可對(duì)主要零部件進(jìn)行三維建模，為進(jìn)一步的裝配 工作打好基礎(chǔ)。在建模過(guò)程中有時(shí)不僅僅是單個(gè)零件的創(chuàng)建，而是從整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)， 綜合考慮裝配、制造等問(wèn)題，有時(shí)甚至要用程序來(lái)解決零件的建模問(wèn)題。在三維建模過(guò) 程中，我們充分利用了 TOP-DOWN 的設(shè)計(jì)方法，以確保整機(jī)設(shè)計(jì)不出錯(cuò)誤，同時(shí)也利用 一些建模技巧，盡量縮短了建模過(guò)程所占的時(shí)間。 氣電立焊設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的裝配體，僅零件建?？倲?shù)就超過(guò)三百個(gè)，所以，如何對(duì) 建模數(shù)據(jù)進(jìn)行妥善管理，是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。我們對(duì)每個(gè)組件或部件都創(chuàng)建了相應(yīng) 的文件夾，為保證最后總裝不出零件沖突問(wèn)題，對(duì)名稱(chēng)相同的零件，如螺栓、螺冒等， 后面都加上所屬組件的縮寫(xiě)名。由于零部件總數(shù)眾多，對(duì)每個(gè)零件的建模過(guò)程都作相應(yīng) 介紹顯然是不現(xiàn)實(shí)的。為此，我們挑選了一些具有代表性的零件，在創(chuàng)建這些零件時(shí)運(yùn) 用了相當(dāng)多的技巧，所以著重介紹它們的建模過(guò)程。 3.1 絲杠的三維建模 絲杠是此次立式焊機(jī)設(shè)計(jì)中傳動(dòng)裝置的核心零件，創(chuàng)建時(shí)主要運(yùn)用了螺旋掃描功能。 但考慮到仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)需定義螺母沿螺旋線的槽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，所以在螺旋掃描切材料前必須 先將螺旋曲線做出，而螺旋曲線創(chuàng)建需要一定的技巧，所以絲杠的創(chuàng)建具有一定的代表 性。 （1）繪制絲杠二維截面，用旋轉(zhuǎn)加材料做出絲杠外圓柱面如圖 3.1 和圖 3.2； （2）利用螺旋掃描功能創(chuàng)建一螺旋曲面,必須與圓柱面相交如圖 3.3； （3）選擇螺旋曲面和整個(gè)絲杠外圓柱面,點(diǎn)擊“編輯”---“相交” ，軟件自動(dòng)創(chuàng)建 螺旋曲面和外圓柱面的交線，即螺旋線； （4）利用螺旋掃描在外圓柱面上切出牙形，同時(shí)其螺距應(yīng)與螺旋曲面螺距相同； （5）倒角并隱藏螺旋面螺旋線后，絲杠零件如圖 3.4。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 3.1 繪制絲杠外圓二維截面 圖 3.2 絲杠外圓柱面創(chuàng)建 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 11 圖 3.3 創(chuàng)建螺旋曲面 圖 3.4 絲杠零件 3.2 參數(shù)化齒輪建模 在立式焊機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，很多地方需要用到齒輪傳動(dòng)，所以，如何創(chuàng)建具有嚴(yán)格漸 開(kāi)線齒廓的齒輪三維模型，成了一大難題。在很多資料中，齒輪的創(chuàng)建是以圓弧線代替 漸開(kāi)線，我們認(rèn)為這樣的建模思路是不嚴(yán)謹(jǐn)且不科學(xué)的。為此，我們專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了 PRO/E 參數(shù)化齒輪建模方法，只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其余只需要輸入模數(shù)、齒數(shù)、壓力角 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 等參數(shù)，軟件即能自動(dòng)生成新的齒輪三維模型。齒輪本身有很多種類(lèi)，由于此次自動(dòng)焊 接機(jī)的仿真過(guò)程中只用到直齒輪，同時(shí)也是受時(shí)間的約束，我們只對(duì)直齒輪做了參數(shù)化 設(shè)計(jì)。下面用較為詳細(xì)的篇幅，來(lái)說(shuō)明我們是如何創(chuàng)建這些齒輪模型的。 在立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，很多地方需要用到齒輪傳動(dòng)，所以，如何創(chuàng)建 具有嚴(yán)格漸開(kāi)線齒廓的齒輪三維模型，成了一大難題。在很多資料中，齒輪的創(chuàng)建是以 圓弧線代替漸開(kāi)線，我們認(rèn)為這樣的建模思路是不嚴(yán)謹(jǐn)且不科學(xué)的。為此，我們專(zhuān)門(mén)開(kāi) 發(fā)了 PRO/E 參數(shù)化齒輪建模方法，只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其余只需要輸入模數(shù)、齒 數(shù)、壓力角等參數(shù)，軟件即能自動(dòng)生成新的齒輪三維模型。齒輪本身有很多種類(lèi)，由于 此次自動(dòng)焊接機(jī)的仿真過(guò)程中只用到直齒輪，同時(shí)也是受時(shí)間的約束，我們只對(duì)直齒輪 做了參數(shù)化設(shè)計(jì)。下面用較為詳細(xì)的篇幅，來(lái)說(shuō)明我們是如何創(chuàng)建這些齒輪模型的。 （1）首先，在記事本中創(chuàng)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 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 13 （2）運(yùn)行 PRO/ENGINEER 軟件，新建一個(gè)文件，命名為 “CHILUN”零件，注意 不要用缺省模板，利用 mmns_prt_solid 模板創(chuàng)建。 （3）點(diǎn)擊“工具”---“程序”--- “編輯設(shè)計(jì)” ，在彈出的程序編輯對(duì)話框中按照如 下方式輸入程序： VERSION REVNUM 78 零件 CHILUN 的列表 INPUT 此處插入程序 1 END INPUT RELATIONS 此處插入程序 2 END RELATIONS ADD FEATURE (initial number 1) 內(nèi)部特征標(biāo)識(shí) 1 點(diǎn)擊“文件”---“保存” ，系統(tǒng)會(huì)詢問(wèn)是否將所做修改體現(xiàn)到當(dāng)前模型中，點(diǎn)擊“是”--- “當(dāng)前值” 。至此，系統(tǒng)程序已經(jīng)創(chuàng)建完畢。 （4）創(chuàng)建齒輪本體。點(diǎn)擊“插入”---“拉伸” ，選擇 FRONT 面為草繪面，TOP 面為 向上面。草繪一圓，直徑取任意值，拉伸長(zhǎng)度也取默認(rèn)值。點(diǎn)擊“工具”---“關(guān)系” ，彈 出參數(shù)關(guān)系對(duì)話框，在“查找范圍”中選擇“特征” ，在模型樹(shù)中選擇剛才創(chuàng)建的拉伸特 征。在關(guān)系輸入框中輸入“ =2*rad_addendum”和“ =face_width”兩個(gè)關(guān)系式。點(diǎn)擊2d1d “確定”---“編輯”---“再生”---“當(dāng)前值” 。 如圖 3.5 和圖 3.6。 （5）經(jīng)過(guò)軸線創(chuàng)建一基準(zhǔn)平面，與 TOP 面的夾角取默認(rèn)的 45°。創(chuàng)建夾角的關(guān)系， 點(diǎn)擊“工具”---“關(guān)系” ，選擇“特征” ，點(diǎn)擊剛才創(chuàng)建的基準(zhǔn)平面，將 “ =360/tooth_number”輸入關(guān)系對(duì)話框，電擊“確定”---“編輯”---“再生”---0d “當(dāng)前值” ，生成與 TOP 面成 18°的一個(gè)基準(zhǔn)平面。如圖 3.7。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 3.5 拉伸一圓柱體 圖 3.6 定義齒輪本體參數(shù) 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 15 圖 3.7 創(chuàng)建鏡像基準(zhǔn)平面 （6）在齒輪本體端面上畫(huà)一曲線，以端面為草繪面，DTM1 為向上面。點(diǎn)擊“工具” ---“關(guān)系 ”，在彈出的關(guān)系設(shè)置對(duì)話框中選擇“特征” ，點(diǎn)選剛才創(chuàng)建的曲線，在關(guān)系對(duì) 話框中輸入 =ang_tooth_space/2、 =ang_tooth_thick、 =rad_base，其中 、 、3d4d5d3d4 分別為中心線角度、圓弧弧度、及圓弧半徑的參數(shù)符號(hào)。點(diǎn)擊“確定”---“編輯”---5 “再生”---“當(dāng)前值” 。最后，將該曲線鏡像到齒輪本體的背面。 （7）點(diǎn)擊“插入”---“可變截面掃描” ，按住 CTRL 鍵選擇剛才創(chuàng)建的兩條曲線， 點(diǎn)擊草繪按紐，繪制截面如圖 3.8。點(diǎn)擊“工具”---“關(guān)系” ，在關(guān)系對(duì)話框中輸入程序 3。完成可變截面掃描齒廓曲面創(chuàng)建， （8）鏡像上一步創(chuàng)建的漸開(kāi)線齒廓面，以基準(zhǔn)平面 DTM1 為鏡像面。 （9）以齒輪本體端面為草繪面，DTM1 為向下面，草繪一截面切減出第一個(gè)齒槽。 同時(shí)，以關(guān)系式來(lái)控制草繪中大圓的直徑，關(guān)系式的輸入在此不再贅述，如果屏幕上顯 示大圓直徑符號(hào)為 ，則輸入關(guān)系為 =rad_dedendum，表示將其值定義為基圓直徑。13d13d 最后齒槽如圖 3.9 對(duì)齒廓的棱線倒圓角。 （10）點(diǎn)擊“編輯”---“特征操作”--- “組”---“局部組” ，設(shè)置好組的名稱(chēng)后， 在模型樹(shù)中選擇從 DTM1 特征開(kāi)始到倒圓角特征為止，點(diǎn)擊確定。 （11）陣列剛才的組特征，以 DTM1 特征的 18°尺寸為增量尺寸，增量 18°，個(gè) 數(shù)為 2 個(gè)，點(diǎn)擊確定 （12）點(diǎn)擊“工具”---“關(guān)系”,彈出關(guān)系對(duì)話框。選擇“特征” ，選擇剛才創(chuàng)建 的陣列特征，輸入 =360/tooth_number 和 =tooth_number 兩個(gè)公式，其中 為增量15d16p15d 尺寸的符號(hào)， 為增量數(shù)目的符號(hào)。點(diǎn)擊“確定”---“編輯”---“再生”---“當(dāng)前值”6p 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 。 （13）設(shè)置新的圖層將多余的曲面、曲線隱藏掉。 （14）參數(shù)化齒輪模型創(chuàng)建好以后,如果需要其他參數(shù)的直齒輪模型,僅需更改相應(yīng) 參數(shù)即可。比如，需要?jiǎng)?chuàng)建齒數(shù)為 30，模數(shù)為 4 的直齒輪，則先打開(kāi)上述過(guò)程創(chuàng)建的標(biāo) 準(zhǔn)模型，點(diǎn)擊“工具”---“參數(shù)” ，在彈出的參數(shù)對(duì)話框中更改相應(yīng)參數(shù), 改好后,點(diǎn)擊 “確定”---“編輯”---“再生”---“當(dāng)前值”,系統(tǒng)立即產(chǎn)生相應(yīng)的齒輪模型,最后, 將多出來(lái)的曲面和曲線隱藏掉,即產(chǎn)生出新的齒輪,如圖 3.10。 （15）由此可知,創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)齒輪,然后以此為模板再生新的各種齒輪,是十分精確和方 便的。同時(shí)，這種建模方法也為整個(gè)建模過(guò)程節(jié)省了大量的時(shí)間，以將更多的精力投向 其他過(guò)程。 圖 3.8 草繪齒廓截面 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 17 圖 3.9 第一個(gè)齒槽成型 圖 3.10 新的齒輪模型 3.3 軸承三維模型的創(chuàng)建 在產(chǎn)品三維建模過(guò)程中，有很多情況下并不是依靠一種軟件完成的，而是多種軟件的 綜合運(yùn)用，以充分利用這些軟件的各種優(yōu)點(diǎn)。同樣，我們?cè)跉怆娏⒑冈O(shè)備三維建模過(guò)程 中，并不是僅僅只用 PRO/ENGINEER 一種軟件，還用到了北航海爾開(kāi)發(fā)的 CAXA 軟件， 以及 AUTOCAD 軟件。面對(duì)設(shè)備中大量的標(biāo)準(zhǔn)件，我們充分利用了 CAXA 軟件自帶的標(biāo) 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 準(zhǔn)件庫(kù)，快速而又準(zhǔn)確地創(chuàng)建了諸如螺栓、軸承等零件。下面，介紹一下如何將 PRO/E 和 CAXA 相結(jié)合來(lái)創(chuàng)建圓錐滾子軸承零件。 （1）打開(kāi) CAXA2005 軟件，點(diǎn)擊“繪圖”---“庫(kù)操作”---“提取圖符” ，出現(xiàn)提取 標(biāo)準(zhǔn)件圖符對(duì)話框如圖 3.11； （2）點(diǎn)選“軸承”大類(lèi)，選擇“圓錐滾子”小類(lèi)，點(diǎn)擊“下一步” ，選擇 30202 型 圓錐滾子軸承，點(diǎn)擊“確定” ，則 30202 型圓錐滾子軸承的二維圖被調(diào)出如圖 3.12； （3）將軸承圖上的中心線、剖面線、尺寸線全部刪除，并將二維圖平移到原點(diǎn)； （4）點(diǎn)擊“另存” ，保存成“IGES”格式，以利于 PRO/E 直接調(diào)用； （5）打開(kāi) PRO/E 軟件，點(diǎn)擊“插入”---“模型基準(zhǔn)”---“曲線”--- “自文件” ，選 擇坐標(biāo)系后，調(diào)入剛才創(chuàng)建的軸承曲線； （6）利用旋轉(zhuǎn)命令，創(chuàng)建軸承外圈和軸承內(nèi)圈，注意草繪截面時(shí)需使用曲線； （7）利用上述方法創(chuàng)建第一個(gè)滾子，然后陣列如圖 3.13； （8）進(jìn)行倒角操作、隱藏曲線后，完成軸承的創(chuàng)建 3.14； 從軸承零件的創(chuàng)建過(guò)程來(lái)看，由于采用了 CAXA 的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，所以節(jié)省了大量的查 表時(shí)間，同時(shí)也使建模過(guò)程變得相當(dāng)簡(jiǎn)單，在軸承零件種類(lèi)不多的情況下，這是一種非 ?？扇〉姆椒?。 圖 3.11 CAXA 提取圖符對(duì)話框 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 19 圖 3.12 調(diào)出標(biāo)準(zhǔn)件圖 圖 3.13 創(chuàng)建滾子 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 圖 3.14 圓錐滾子軸承創(chuàng)建完畢 3.4 墊片的創(chuàng)建 立式焊機(jī)的三維建模，需要用到大量的標(biāo)準(zhǔn)件，諸如軸承、螺栓、墊片、螺帽等等。 如果數(shù)量不是很多，我們可以一一創(chuàng)建，但是如果是一臺(tái)復(fù)雜的機(jī)器，那標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)量 是很大的，每一個(gè)都創(chuàng)建一次將非常耗時(shí)。如果對(duì)于多種相同的標(biāo)準(zhǔn)件，只是規(guī)格參數(shù) 不一樣，我們可以利用 PRO/E 的零件族表功能來(lái)創(chuàng)建，也就是說(shuō)對(duì)于一組標(biāo)準(zhǔn)件，我們 只要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)模板零件，其余零件通過(guò)零件族表直接調(diào)出，不需要再創(chuàng)建。此功能類(lèi)似 創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，每一個(gè)規(guī)格的零件都能隨時(shí)呼出。下面以墊片標(biāo)準(zhǔn)件為例，講述如何使 用零件族表來(lái)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù) （1）打開(kāi) PRO/E 軟件，創(chuàng)建一個(gè)新零件，命名為 DIANPIAN。用兩側(cè)拉伸創(chuàng)建墊 片模板零件如圖 3.15； （2）雙擊墊片三維模型,出現(xiàn)三個(gè)尺寸，點(diǎn)擊“信息”---“切換尺寸” ，三個(gè)尺寸 值變?yōu)?、 、 ，點(diǎn)擊代表墊片厚度的 ，右鍵彈出屬性對(duì)話框，在尺寸文本中將 d00d12 0d 改成 thick，代表厚度。點(diǎn)擊確定；如圖 3.16； （3）點(diǎn)擊“工具”---“族表” ，彈出族表對(duì)話框； （4）點(diǎn)擊“插入”---“列” ，彈出族項(xiàng)目對(duì)話框，點(diǎn)擊“尺寸” ，雙擊墊片三維模 型，出現(xiàn)尺寸符號(hào)； （5）按住 CTRL 鍵依次復(fù)選 ， ，thick，點(diǎn)擊確定，彈出族表欄；1d2 點(diǎn)擊“插入”---“實(shí)例行” ，按照自己需要的墊片尺寸在相應(yīng)欄里填入尺寸，每一個(gè)實(shí) 例行均代表一種墊片。完成后點(diǎn)擊確定。保存并關(guān)閉窗口； （6）重新打開(kāi)剛才的墊片文件，會(huì)發(fā)現(xiàn)軟件彈出零件選擇對(duì)話框，讓我們選擇需要 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 21 的墊片模型，如圖 3.17； 從墊片標(biāo)準(zhǔn)件族表的創(chuàng)建過(guò)程和結(jié)果來(lái)看，當(dāng)遇到多種相同標(biāo)準(zhǔn)件的三維建模問(wèn)題 時(shí)，創(chuàng)建族表是一種行之有效的方法。而且，我們可以利用此功能開(kāi)發(fā)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的 標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，為三維建模乃至裝配提供了極大的方便，而且縮小了占用硬盤(pán)的空間。 圖 3.15 墊片模板零件的創(chuàng)建 圖 3.16 更改尺寸代表符號(hào) 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 圖 3.17 軟件要求選擇打開(kāi)零件 立式環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)虛擬設(shè)計(jì) 23 4 零部件虛擬裝配 在 PRO/E 中進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，必須要將創(chuàng)建好的零件三維模型一一組裝起來(lái)，同 時(shí)在裝配時(shí)定義零件與零件、組件與零件、組件與組件之間的各種運(yùn)動(dòng)副，以便裝配好 以后進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。由于立式焊機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將整臺(tái)機(jī)器的裝配過(guò)程統(tǒng)統(tǒng)介紹一遍 顯然是不現(xiàn)實(shí)的，在此，我們僅介紹一些具有代表性的裝配過(guò)程，這些裝配過(guò)程用到了 一些實(shí)用的裝配技巧。不管設(shè)備多么復(fù)雜，裝配過(guò)程都是由常用裝配方法和一些裝配技 巧來(lái)完成的。 4.1 基本裝配約束介紹 PRO/ENGINEER 軟件系統(tǒng)的裝配環(huán)境提供了很多種約束方法，一共 9 種，現(xiàn)在將其 作一簡(jiǎn)單介紹。 （1）匹配約束：定位兩個(gè)平面，并使它們的法線正向相對(duì)。 （2）對(duì)齊約束：使用該約束，能將兩軸線同軸，兩平面法向平行，兩點(diǎn)重合。 （3）插入約束：使用該約束可以將一旋轉(zhuǎn)曲面插入另一旋轉(zhuǎn)曲面中，以使它們各自 的軸線重合。 （4）坐標(biāo)系約束：該約束能將元件的坐標(biāo)系和組件的坐