第19卷 第5期机械研究与应用Vol19 No5

2006年10月MECHANICALRESEARCH&APPLICATION2006-10基于Pro/E的虚拟样机技术在三维雕刻机设计中的应用

周 玲,竺长安,钟 俊

(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥 230027)

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摘 要:以Pro/E软件为基础,介绍虚拟样机技术在三维雕刻机设计与开发中的应用。在虚拟仿真环境中,建立三维模型,进行运动

学仿真和结构参数优化分析,根据结果对虚拟样机的结构设计做出进一步研究。

关键词:虚拟样机技术;Pro/E;仿真;参数优化;三维雕刻机

中图分类号:TB24 文献标识码:A 文章编号:1007-4414(2006)05-0107-02

TheapplicationofvirtualprototypetechniquebasedonPro/E

indesigningof3Dengravingmachine

Zhou Ling,ZhuChang-an,Zhong Jun

(Deptofprecisionmachineryandprecisioninstrumentation,universityofscience

andtechnologyofChina,HefeiAnhui 230027,China)

Abstract:BasedonPro/Esoftware,thisarticlemainlydescribestheapplicationofvirtualprototypetechniqueinthedesig-ningof3Dengravingmachine.Inthevirtualenvironment,the3Dmodelisestablished.Ontheresultsofkineticsimulationandparameteroptimization,thestructuredesignisimproved.

Keywords:virtualprototypetechnique;Pro/E;kineticsimulation;parameteroptimization;3Dengravingmachine

1 概 述

随着计算机和CIMS技术的迅速发展,虚拟样机技术在产品设计和制造中起到越来越重要的作用。虚拟样机技术(Virtualprototypetechnique)是利用计算机仿真技术建立与物理样机相似模型的一种工程学科。该技术根据产品的计算机辅助设计(CAD)模型和数据及计算机辅助工程(CAE)仿真和分析结果,生成具有立体感和真实感,且可交互运动的产品样机,模拟在现实环境下系统的运动和动力特征[1]。

Pro/Engineer是美国PTC(ParametricTechnologyCorpora-tion)公司于1988年开发的参数化设计系统,是一套由设计至生产的机械自动化软件,广泛应用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域。目前该软件已成为应用最广泛的CAD/CAE/CAM软件之一[2]。笔者结合Pro/E软件和虚拟样机技术,对三维雕刻机的设计过程进行分析与研究。

于一体,实现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况。

在Pro/E中进行机构仿真有两种方法:①Mechanism(机构设计)功能,它可通过用户对各种不同运动副的连接设定,使机构按照实际的运动要求进行运动仿真;②Pro/MechanicaMotion功能,该模块是一个完整的三维实体静力学、运动学、动力学仿真与优化设计工具,利用模块可快速创建机构虚拟模型并能方便的进行分析,从而改善机构设计,节省时间,降低成本[3]。

在Pro/E的标准环境下,首先建立所有零件模型。再进入装配模块,按照装配关系进行分装和总装配。建模时注意:①可对零件模型进行适当简化,对零件中一些小的细节可忽略。例如倒角、键槽等。②对于电机等部件,只需要求其整体外形尺寸保持一致,以保证其装配关系。③对于螺杆与螺母的配合,可在螺杆的圆柱面上定义螺旋线,在相对运动的螺母上定义沿螺旋线轨迹运动的参考点,如图1

所示。

2 三维雕刻机的结构

通过3个方向上的螺杆传动相结合,实现刀具头刻字的空间定位。分别为沿x方向的刀具架运动,沿y方向的工作台运动和沿z方向的刀具头运动。由于机构自身重量,造成导杆变形,从而对定位精度产生一定影响。为提高定位精度,需要分析何种结构参数对导杆变形产生最小影响。

图1 螺杆3D模型

在Pro/E的Mechanism模块中,通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来,来实现机构的运动仿真。为模拟螺纹传动,将螺杆和螺母之间定义为槽连接,使参考点沿螺旋线轨迹运动,同时约束螺母的转动,从而将螺杆的转动传递为螺母

3 建模和运动学仿真

运动仿真是机构设计的一个重要内容,通过仿真技术可以实现机构的设计与运动轨迹校核。在Pro/E环境下进行机构的运动仿真分析,不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程,而是以实体模型为基础,集设计与运动分析

*收稿日期:2006-06-12

作者简介:周 玲(1981-),女,安徽合肥人,硕士,研究方向:CAD/CAM。