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基于ProENGINEER的虚拟样机技术在三维雕刻机结构设计中的应用

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基于ProENGINEER的虚拟样机技术在三维雕刻机结构设计中的应用基于ProENGINEER的虚拟样机技术在三维雕刻机结构设计中的应用 摘要本文讨论了虚拟样机技术在数控雕刻机的结构设计与运动学分析上的应用。利用三维参数化造型软件建立了三维雕刻机基于特征的参数化模型以此为基础建立了虚拟样机对虚拟样机模型进行了运动机构仿真模拟了雕刻机的实际运动状态。对雕刻机的虚拟样机进行了优化分析和模态分析。以雕刻头的向位移为目标函数对导轨的直径和支架的厚度进行了优化分析分析了几种不同参数条件下雕刻机横梁的振型和固有频率。为雕刻机的后续研究打下了坚实的基础。关键词雕刻机、虚拟样机、、运动仿真、优化...

基于ProENGINEER的虚拟样机技术在三维雕刻机结构设计中的应用
基于ProENGINEER的虚拟样机技术在三维雕刻机结构设计中的应用 摘要本文讨论了虚拟样机技术在数控雕刻机的结构设计与运动学分析上的应用。利用三维参数化造型软件建立了三维雕刻机基于特征的参数化模型以此为基础建立了虚拟样机对虚拟样机模型进行了运动机构仿真模拟了雕刻机的实际运动状态。对雕刻机的虚拟样机进行了优化分析和模态分析。以雕刻头的向位移为目标函数对导轨的直径和支架的厚度进行了优化分析分析了几种不同参数条件下雕刻机横梁的振型和固有频率。为雕刻机的后续研究打下了坚实的基础。关键词雕刻机、虚拟样机、、运动仿真、优化分析、模态分析英文摘要—第一章绪论数控雕刻机及其发展现状数控雕刻机传统雕刻加工业是一门技术性要求很高的手工技艺雕刻品的质量完全取决于雕刻师的技艺水平所以生产的效率低、成本高制品的随意性强、一致性差严重制约了雕刻行业的发展。这使得雕刻机的产生成为必然。雕刻机的功能决定了其使用范围。从 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 上雕刻可分为全自由度空间雕刻、三维立体雕刻和二维平面雕刻。其中全自由度空间雕刻主要用于一些形状复杂的工艺品或大型艺术作品的雕刻工作如玉雕、木雕工艺品以及冰雕与沙雕等作品。此类制品往往注重艺术创作性制品的构成形状复杂、随意性强、工艺性差。因此这类工艺迄今为止雕刻机尚无能为力只能采用手工雕刻制品的质量和艺术性完全依赖于雕刻师的技艺水平。相比之下在三维立体雕刻和二维平面雕刻工艺中雕刻机则大有可为。三维立体雕刻类似于三维铣削加工可以完成精密模具、艺术浮雕曲面等雕而二维平面雕刻工艺主要用于标牌文字及平面几何图形的雕刻加工。目前三维立体和二维平面雕刻大部分已采用雕刻机完成克服了传统手工雕刻存在的缺陷。根据控制原理的不同雕刻机可分为仿形雕刻机和数控雕刻机采用系统两大类型。仿形雕刻机的工作原理类似于仿形铣削在加工前必须制作仿形模型这一过程通常需手工完成周期长、效率低。数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物是一种专用的数控机床。与通用数控机床类似数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作实现雕刻加工的自动化。较传统的手工雕刻、仿形雕刻数控雕刻具有生产效率高、加工精度高、成品率高、对零件的适应性强等显著优势同时借助于专用的雕刻软件系统加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此数控雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效手段也是当今雕刻机的发展主流广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装潢等众多领域。根据雕刻对象和应用领域的不同数控雕刻机可分为模具雕刻机、木工雕刻机、广告雕刻机、激光雕刻机等多种类型。它们的加工性能要求出入很大对机床和数控系统的要求也各不相同。如模具雕刻机的加工材料为金属所以对机床本体的刚性要求较高而且其加工对象是模具所以对加工系统的精度要求高而广告机加工的是一般是塑胶板或有机玻璃等非金属材料所以对机床刚性和加工系统的精度都没有很高要求。但各类雕刻机都有一个共同的特点也是数控雕刻机与普通数控机床的一个显著区别就是由于雕刻刀的特殊性每次切削的有效成形面积小所以零件雕刻的刀具运动轨迹很长加工时间往往也较长。因此提高雕刻机的刀具运动速度对缩短零件雕刻时间、提高加工效率具有特别重要的意义。按照伺服驱动控制的类型不同数控雕刻机又可以分为步进驱动雕刻机和伺服驱动雕刻机。步进驱动属于开环控制控制精度较低但价格便宜适用于对加工要求不高的中低档雕刻机如木工、广告业的雕刻加工。伺服驱动控制精度高但价格较贵主要用于模具加工等高精度雕刻机。此外还可根据运动坐标控制的联动轴数将数控雕刻机分为三坐标数控雕刻机、五坐标数控雕刻机等。三坐标数控雕刻机可以控制三个坐标轴联动完成浮雕等常规雕刻加 工五坐标数控雕刻机可以联动控制三个移动轴和两个旋转轴用来完成复杂形状零件的雕刻加工。数控雕刻机的特点数控雕刻机的主要特点如下、自动化程度高。具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。、产品的尺寸精度高一致性好。数控雕刻过程是由计算机控制完成可以达到很高的精度和 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面质量批量加工时产品的一致性好这对于小模具行业十分重要。、拓展了雕刻领域。只需改变控制程序数控雕刻机便可以雕刻浮雕、各种复杂的曲面支持各种刀具改善了雕刻表面质量提高了雕刻效率。、数控雕刻机都有钻铣功能可用于钻孔、切边、加工小模具性价比高。数控雕刻机的应用领域数控雕刻机的应用领域广泛举例如下、广告及礼品制作业用于雕刻各类双色板标牌、有机玻璃、三维广告牌、双色人物雕像、浮雕奖章、有机板浮雕、立体门头字等。、模型制作业制作沙盘模型、房屋模型等。、模具制作业雕刻纽扣浮雕模、印刷烫金模注塑模、冲压模、鞋模等。、木器业用于浮雕图案设计及制作。、印刷电路板新产品开发中的电路制作钻孔、铣槽等。、印章业各类字体各类材料的印章雕刻。、电火花加工机床电极雕刻加工。、机械加工业刻度盘字轮及标尺刻度。、汽车工业、轮胎模具车灯模具及装饰品模具加工。而且随着各种新型装饰材料的不断出现能用于雕刻的材料越来越多使得计算机数控雕刻机有了更大的用武之地。因此计算机数控雕刻机的应用范围还将不断扩大。我国数控雕刻机的发展现状随着近年来我国制造业的迅速发展数控雕刻机产业也获得了良好的发展机遇有效地促进了我国数控雕刻机的生产和推广应用。我国的数控雕刻机起步于经济型数控机床随着数控技术的进步经过十多年的发展已形成了多个国产品牌的雕刻机如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京糟雕公司生产的精雕数控雕刻机和南京科能公司生产的威克数控雕刻机等。上述各类型雕刻机的机床本体结构较为简单控制器大多借鉴国外新技术采用基于高档的微控制器或的数控系统伺服部分以步进电机细分驱动为主可获得中等控制精度但价格比较便宜因此整机的性价比较高适用于精度要求不太高的普及应用场合对高精度的雕刻加工目前我国尚以进口数控雕刻机为主如意大利的左拉、日本的全量等品牌的数控雕刻机。这类数控雕刻机机床本体设计刚度好、精度高采用伺服电机驱动加工精度高控制系统功能全、可靠性高但价格昂贵往往数倍于国产产品因此主要应用于模具等高精度加工场合。虚拟样机技术虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中将分散的零部件设计和分析技术揉合在一起在计算机上建造出产品的整体模型并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析预测产品的整体性能进而改进产品设计提高产品性能的种新技术。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成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品谁就占有市场。然而传统的设计与制造方式无法满足这些要求。在传统的设计与制造过程中首先是概念设计和 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 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。样机的单机制造增加了成本在大多数情况下工程师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缺陷在竞争的市场的背景下基于物理样机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。虚拟样机技术从分析解决产品整体性能及其相关问 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的角度出发解决了传 统的设计与制造过程弊端。在该技术中工程设计人员可以直接利用系统所提供的各零部件的物理信息及其几何信息在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配从而获得机械系统的虚拟样机使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析观察并试验各组成部件的相互运动情况它可以在计算机上方便地修改设计缺陷仿真试验不同的设计方案对整个系统进行不断改进直至获得最优设计方案以后再做出物理样机。虚拟样机技术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助设计技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上把绘图等繁琐的工作交给计算机去做。这样设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单。第三由于强大的三维几何编辑修改技术使机械系统设计的快速修改变为可能在这基础上在计算机上的设计、试验、设计的反复过程才有时间上的意义。虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况快速分析多种设计方案进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验直到获得系统级的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中它可以用在概念设计和方案论证中设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机里让想象力和创造力充分发挥。当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时不但可以缩短开发周期而且设计质量和效率得到了提高。对于复杂机械系统人们关心的问题大致有三类一是在不考虑系统运动起因的情况下研究各部件的位置与姿态及其他们变化速度与加速度的关系称为系统的运动学分析二是当系统受到静载荷时确定在运动副制约下的系统平衡位置以及运动副静反力这类问题称为系统的静力学分析三是讨论载荷与系统运动的关系即动力学问题。研究复杂机械系统在载荷作用下各部件的动力学响应是产品设计中的重要问题。女力求系统运动的问题归结为求非线性微分方程的积分称为动力学正问题。己知系统的运动确定运动副的动反力的问题是系统各部件强度分析的基础这类问题称为动力学的逆问题。现代机械系统离不开控制技术产品设计中经常遇到这样的问题即系统的部分构件受控当它们按某己知规律运动时讨论在外载荷作用下系统其他构件如何运动。这类问题称为动力学正逆混合问题。虚拟样机技术最初是源于对多体系统动力学的研究。工程中的对象是由大量零部件构成的系统对它们进行设计优化与性态分析时可以分为两大类一类称为结构它们的特征是在正常的工况下构件间没有相对运动如房屋建筑、桥梁、航空航天器与各种车辆的壳体以及各种零部件的本身。人们关心的是这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定性另一类称为机构其特征是系统在运行过程中这些部件间存在相对运动。如航空航天器、机车与汽车、操作机械臂、机器人等复杂机械系统。此外在研究宇航员的空间运动、在车辆的事故中考虑乘员的运动以及运动员的动作分析时人体也可认为是躯干与各肢体间存在相对运动的系统。上述复杂系统的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统称为多体系统。综上所述虚拟样机技术是许多技术的综合。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。作为应用数学的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。计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。目前虚拟样机技术己成为一项相对独立的产业技术它改变了传统的设计思想对制造业产生了深远的影响。第二章雕刻机 的机械结构雕刻机的工作原理计算机数控雕刻机实际是一个三维数控系统其工作原理如图所示图数控雕刻机工作原理通用微型计算机内安装专用的设计排版软件进行图形、文字的设计、排版自动生成加工路径信息通过接口或其他数据传输接口将刀具路径数据传输给单片机数控系统接收刀具路径数据完成显示、和用户交互等一系列功能后用特定的算法将输入的路径信息转化为数控信息控制器把这些信息转化为驱动步进电机或伺服电机的信号脉冲串控制雕刻机三轴的走刀。同时雕刻机的高速旋转主轴通过按加工材质配各的刀具对固定于主机工作台上的工件进行铣削即可雕刻出在计算机上设计的各种平面或立体的图形文字实现雕刻自动化加工。整体结构机械结构作为雕刻机的硬件部分对雕刻机的加工过程、刻字效果等有着重要的影响。下面对数控雕刻机的机械结构作详细介绍。雕刻机总体布局的基本要求有以下几点、首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等各种要求、确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在经济、合理的条件下尽量采用较短的传动链以简化机构提高传动精度和传动效率、确保雕刻机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音水平、应便于观察加工过程便于操作、调整和维修便于输送、装卸工件和清理注意防护确保安全、结构简单合理可靠便于加工和装配在满足总体布局的基本要求的基础上还应当考虑影响雕刻机布局的基本因素、表面形成运动的影响不同形状的加工表面往往采用不同的刀具来加工从而表面形成运动的形式和数目就不同并导致布局的差异。相同形状的加工表面由于工件的技术要求和生产率要求等不同也可以采用不同的刀具、不同的表面形成运动来加工从而形成不同的布局。由此可知工件表面形成运动直接决定了雕刻机布局的形式是影响雕刻机布局的决定性因素。因而在布局雕刻机时必须根据加工要求全面、综合地考虑工件的表面形成方法及运动以期作出具有较好技术经济效果的布局设计。、雕刻机运动分配的影响工件表面形成方法及运动相同而雕刻机的运动分配不同雕刻机的布局也会不同。对于同一种运动分配的布局由于导轨的布置和其它结构形式的不同也将使雕刻机的布局出现变化。在分配雕刻机运动时一般应注意以下几点移动部件的重量应尽量轻。在其它条件相同的情况下移动部件的重量越小所需电机功率和传动件的尺寸也越小应有利于提高加工精度应有利于提蒿雕刻机剐度缩小占地面积、工件的尺寸重量和形状的影响工件的表面形成运动及雕刻机部件的运动分配基本相同而工件尺寸、重量和形状不同雕刻机的布局也会有很大差异。另外还应考虑雕刻机性能要求的影响如振动、噪声、热变形、刚度和抗振性操纵方便形的影响模块化设计法的影响等。本数控雕刻机体积较小精度要求较高承载工件重量轻、尺寸小。综合几点考虑雕刻机的整体机械结构示意图如下所示图雕刻机的整体结构图雕刻机正视图图雕刻机俯视图图雕刻机侧视图该三维雕刻机的机械几何结构由以下几部分组成、底座部分作为整机的基础承担整个机体的重量要求稳定坚固。底座由底下的四只支撑脚与地面接触、工作台部分工作台部分由工作台方向的丝杠和导轨以及支架组成。工作台作为雕刻机工作时承载雕刻物体的部件表面有形沟槽由丝杠驱动导轨导向、横梁部分横梁由方向的丝杠和导轨以及支架组成。横梁承载机头的重量驱动机头运动容易弯曲变形在结构仿真和运动仿真中是重要的分析对象、机头部分机头部分由主轴组件方向的丝杠和导轨以及支架组成。丝杠驱动主轴组件的上下运动主轴组件在加工过程中直接带动雕刻头的高速旋转运动。下面从雕刻机的功能角度介绍一下各部分的结构及设计进给系统进给系统由伺服驱动电路、 伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号由伺服驱动电路作转换和放大后经伺服驱动装置和机械传动机构驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控系统的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质上的区别它能根据指令信号精确的控制执行部件的运动速度和位置以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。下面介绍下雕刻机的进给系统的机械结构和电机驱动。雕刻机的进给运动方式如下工作台带动工件做方向的进给运动机头沿方向横梁做进给运动雕刻头在直流电机的带动下做高速旋转并在方向做上下运动。刀具和工件的运动的合成就可以得到文字和图案的轮廓。、机头沿方向的丝杠左右运动实现雕刻宽度图方向机构、工作台沿方向的丝杠前后运动实现雕刻长度图??方向机构、机头沿方向的丝杠上下运动实现雕刻深度。图—方向机构各个传动链中均采用丝杠螺母传动副保证了运动的传递平稳和结构的紧凑。丝杠一端通过联轴器与电机轴相联由步进电机驱动丝杠将旋转运动转化为直线运动。另一端采用轴承为支承。步进电机的旋转方向和转速由指令脉冲决定。指令脉冲数就是电动机的转动步数即角位移的大小。只要改变指令脉冲频率就可以使步进电动机的旋转速度在很宽范围内连续调节。它具有以下特点、位置控制功能可预先发出具体的脉冲数量从而得到需要输出的角度。、无极调速功能可根据发送脉冲的速度得到需要的电机的转速。、正反急停及锁定功能通过对系统的高低电平控制得到正反旋转的效果在电机锁定情况下电机绕组中存在电流外部没有要求旋转的电脉冲仍有静止力矩的输出。、低转速及高精度位置功能通过对脉冲速度的控制可直接得到极低的转速而不需要通过齿轮箱的过渡从而避免了功率的损耗和角度位置的偏差。、长寿命不需要象普通的直流电动机通过电刷和换相器换相从而减少了摩擦增长了寿命。日出要——二一广斗斋习卜一…一【儿卜山幸三一睢图丝杠与电机轴的连接刚性联轴器用于丝杆与电机的联接可提高两轴头连接的固定精度。它的特点有、可用于小型、瞬间惯量小和高速转动的场合、安装后无反作用力而且维护简单、提高丝杠的强度时跳动不会受到影响、依靠锁紧螺栓施加的摩擦紧固无需键、在高速转动时可保持平稳。导轨的主要功能是导向和承载作用。导轨使运动部件沿一定的轨迹运动从而保证各部件的相对位置和相对位置精度。导轨承受运动部件及工件的重量及切削力在很大程度上决定数控机床.
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分类:工学
上传时间:2017-11-22
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