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編號
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床
上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號： 0923248
學(xué)生姓名： 周唐燕
指導(dǎo)教師： 彭勇 （職稱：副教授 ）
（職稱： ）
2013年5月25日
I
無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)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)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機(jī)械96
學(xué) 號： 0923248
作者姓名：
2013 年 5月25日
無錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
1、題目 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
該課題來源于迪奧企業(yè)軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該機(jī)床主要用于汽車設(shè)計(jì)、軍工行業(yè)和其他工業(yè)行業(yè)的軸承生產(chǎn)制造，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)自動(dòng)化、多機(jī)線自動(dòng)化的生產(chǎn)制造。其中軸承行業(yè)，占據(jù)頂端市場份額的90%以上，速度、準(zhǔn)確性和耐用性是我們產(chǎn)品成功的重要因素。在機(jī)械行業(yè)中占著很重要的位置。
本設(shè)計(jì)屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真運(yùn)動(dòng)結(jié)合類課題，要求完成軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建模，上料機(jī)構(gòu)的虛擬裝配以及仿真運(yùn)動(dòng)分析。通過本設(shè)計(jì)，可以幫助學(xué)生加深對本專業(yè)的相關(guān)知識(shí)理解和提高綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用。
三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
① 分析原始資料，查閱相關(guān)資料，收集整理有關(guān)上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝、設(shè)備、機(jī)械加工等的資料；
② 對機(jī)床進(jìn)行系統(tǒng)分析和功能分析，并在此基礎(chǔ)上確定上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案；
③ 完成上料機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，以及各個(gè)零件的建模和裝配，最后進(jìn)行上料機(jī)構(gòu)的仿真分析；
④ 完成一篇設(shè)計(jì)說明書及一篇外文翻譯；
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械96 班 姓名 周唐燕
五、開始及完成日期：
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）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
I
摘 要
本文是根據(jù)無錫迪奧機(jī)械廠軸承內(nèi)外圈生產(chǎn)線改造項(xiàng)目要求，針對工人手工上料易出現(xiàn)危險(xiǎn)，且效率較低的問題，設(shè)計(jì)一套軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)，使其能夠代替工人手工上料，保證工人操作的安全性，并提高生產(chǎn)效率。
論文根據(jù)軸承內(nèi)外圈的特點(diǎn)，對其上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)。此上料機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)了坯料的自動(dòng)定位、夾緊以及工件的回放等功能。這一系列運(yùn)動(dòng)都是由氣缸驅(qū)動(dòng)獲得。本設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)部分主要包括：上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；料道設(shè)計(jì)；夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。確定了上料機(jī)構(gòu)的具體尺寸后，利用UG軟件對上料機(jī)構(gòu)的零件進(jìn)行參數(shù)化建模，并對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬裝配。然后將裝配體導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件的運(yùn)動(dòng)仿真界面，并利用軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真。分析仿真結(jié)果，得出相應(yīng)結(jié)論。最后對軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其穩(wěn)定性，可靠性，讓本設(shè)計(jì)能夠真正的投入到日常生產(chǎn)操作中，使其切實(shí)能夠?yàn)檩S承廠的生產(chǎn)線改造做出貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵詞：上料機(jī)構(gòu)；參數(shù)化建模；虛擬裝配；運(yùn)動(dòng)仿真
Abstract
This article is based on the requirements of the bearings inside and outside circle line renovation project of the wuxi dior machinery, and it aims to solve the problem that the manual feeding by workers which is dangerous for workers, and it has low efficiency, therefore a set of bearing inner and outer circle machining machine tool feeding mechanism is designed to replace the manual feeding of workers, and ensure the security of workers when operating, and improving producing efficiency.
This paper provides a reasonable design of the feeding mechanism according to the characteristics of the bearing inner and outer circle. The feeding mechanism mainly achieves the following functions: the automatically positioning, clamping and artifact-play backing of the billet, etc. This series of movement is driven by cylinder. The design part of this design mainly includes: the design portion of feeding mechanism; material design; the design of Clamping mechanism; Drive systems, etc. The method is: firstly determining the dimensions of the feeding mechanism, and then using UG software for parametric modeling of parts of the feeding mechanism, after that, doing virtual assembly to the overall structure; then importing the assembly body to the motion simulation interface of UG software, and using the software to do kinematics simulation and dynamics simulation. Thereafter, analyzing the simulation results, and getting the corresponding conclusions. Finally the optimization design of bearing inner and outer circle machining machine tool feeding mechanism is done, to improve its stability, reliability, and to make the design truly enter into the daily production operation, make it practical and able to contribute to bearing factory production line modification.
Key words: feeding agencies; parametric modeling; virtual assembly; motion simulation
III
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 VI
1 緒論 1
1.1 上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容和意義 1
1.2 上料機(jī)構(gòu)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 2
2 總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 上料機(jī)構(gòu)的類型 4
2.2 設(shè)計(jì)方案 5
2.2.1 設(shè)計(jì)要求 5
2.2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 6
2.2.3 上料機(jī)構(gòu)各部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 7
2.3 本章小結(jié) 14
3 基于UG的上料機(jī)構(gòu)三維建模與虛擬裝配 15
3.1 UG軟件介紹 15
3.2 三維建模 16
3.2.1 主要部件及其相互關(guān)系 16
3.2.2 主要零部件的三維建模 16
3.3 上料機(jī)構(gòu)的虛擬裝配 21
3.3.1 基于UG的高級裝配功能 21
3.3.2 上料機(jī)構(gòu)的虛擬裝配 22
3.4 本章小結(jié) 24
4 基于UG的運(yùn)動(dòng)仿真 25
4.1 運(yùn)動(dòng)仿真的工作界面 25
4.1.1 UG的接口問題 25
4.1.2 打開運(yùn)動(dòng)仿真主界面 26
4.1.3 運(yùn)動(dòng)仿真工作界面介紹 26
4.2 上料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真 27
4.2.1 連桿特性的建立 28
4.2.2 運(yùn)動(dòng)副特性的建立 30
4.2.3 施加運(yùn)動(dòng) 31
4.2.4 分析驗(yàn)證 33
4.3 本章小結(jié) 34
5 結(jié)論與展望 35
5.1 結(jié)論 35
5.2 不足之處與展望 35
V
致 謝 36
參考文獻(xiàn) 37
I
軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容和意義
本課題來源于無錫迪奧機(jī)械廠生產(chǎn)線改造項(xiàng)目。
本論文的主要內(nèi)容包括：
(1)根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)要求，提出軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案，并對各個(gè)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
(2)對軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)利用UG軟件進(jìn)行三維建模。
(3)對軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬裝配，對虛擬樣機(jī)進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，并進(jìn)一步完善樣機(jī)。
(4)將裝配部件導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件運(yùn)動(dòng)仿真界面，并在UG中對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，檢驗(yàn)所選取方案及其模型的合理性，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義：
軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)是利用壓縮空氣作為動(dòng)力源，取之不盡，用之不竭，可以節(jié)約能源，氣體不易堵塞流動(dòng)通道，用過后可隨時(shí)排出，不污染環(huán)境，成本較低，維護(hù)保養(yǎng)容易，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，反應(yīng)快，氣動(dòng)機(jī)械手與氣動(dòng)夾具相互配合工作，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控車床的自動(dòng)連續(xù)工作，從而提高了零件的加工成本，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)作為前沿的產(chǎn)品和自動(dòng)化生產(chǎn)線更新的需求，可以大量代替單調(diào)重復(fù)或要求高精度的工作，并提供多機(jī)床看管的可能性，因此能夠大大的提高公司的勞動(dòng)生產(chǎn)率。
1.2 上料機(jī)構(gòu)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
上料是加工必備之步驟，因此上料是機(jī)械設(shè)備中必要之工序，并且上料在國內(nèi)用途較為廣泛。
1、機(jī)械冶金工業(yè)用途
物流產(chǎn)業(yè)如今將產(chǎn)業(yè)效率提高到了一定的程度，因此對于物料運(yùn)輸這一塊過程，在機(jī)械產(chǎn)業(yè)鏈中是不可或缺的一部分，也是成為提高生產(chǎn)效率的有效手段之一。
傳送帶式(功用包括提升、加料、整物件運(yùn)輸、刪選、檢驗(yàn)、抽取、出倉等)適用于各種貨物運(yùn)輸與協(xié)調(diào)，因其處于平面?zhèn)魉?，但作用面積及其占地面積非常巨大，所以用在空曠且運(yùn)輸通暢的廠房之中較為合適。加上振動(dòng)機(jī)構(gòu)，或者將傳送裝置曲線化，可以進(jìn)行檢測及其檢驗(yàn)工作。而其主要技術(shù)參數(shù)決定其具體適用方面，角度及其長度，速度及其平穩(wěn)度。
因此使用范圍由“平面輸送”到“斗式運(yùn)輸”方式，關(guān)于適用環(huán)境我們便可根據(jù)自己的使用條件加以調(diào)節(jié)，這也是一種趨勢，節(jié)約資源、空間、時(shí)間，所以如此看來，傳送帶機(jī)械設(shè)備跟其他機(jī)械設(shè)備相同，同樣具有靈活性的特點(diǎn)。
螺旋輸送設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)雜，難于設(shè)計(jì)，而又適合密封，密封以便于防止塵埃，所以在條件要求苛刻的、無塵密封式機(jī)械設(shè)備易于使用，利于推力及其密封包裝的摩擦來達(dá)到運(yùn)輸目的。適用性廣泛，但其比較適用于細(xì)小的零件的傳送。傳送距離較傳送帶而言較為短，而設(shè)備事故處理由于封閉性限制，設(shè)計(jì)方法具有很大的控制性，所以選擇時(shí)應(yīng)注意。
氣壓流體傳輸方式限制較為苛刻，一般用在顆?？蓱腋∥锛?yàn)榱黧w物件，機(jī)械結(jié)構(gòu)需要密封，清理較為繁瑣，而且需要確定定期更換腐蝕物件重要性。
有關(guān)其他運(yùn)輸機(jī)、傳送機(jī)在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用，是對適合場合特定環(huán)境的特有機(jī)械，礦車、鋼索等上料機(jī)構(gòu)改裝后會(huì)具有傳動(dòng)系統(tǒng)的特征，因此是分類的集合。
2、農(nóng)業(yè)等日常生活用途
日常生活中，傳輸上料為生活不可或缺之模式。而機(jī)械設(shè)備，便是將其簡單化，將其人性化，將其細(xì)致準(zhǔn)確化的必要手段。從人力到物力，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程是單一繁瑣而耗時(shí)的，通過傳輸設(shè)備使此種勞動(dòng)機(jī)械化，節(jié)約化，實(shí)效化。
傳送帶為農(nóng)業(yè)最為常用之手段，其占地廣，輸送距離長能夠適用多種作用的上料功用，例脫皮、加工、檢驗(yàn)、提升種種功用，是令人力節(jié)約化的有力設(shè)備。而日常生活中，提供作為改變事物傳統(tǒng)定義的傳輸機(jī)械設(shè)備，令人更為節(jié)省勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間舒適活動(dòng)的便有：自動(dòng)扶梯、自動(dòng)人行道等便捷行走攀登的傳輸設(shè)備。電梯也屬于廣義上的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，因此傳送機(jī)構(gòu)幫助日常生活的行走、攀爬、檢驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)确矫尕暙I(xiàn)巨大。
3、其他用途
既然有其他必定是人們少于接觸的領(lǐng)域，最近看了一篇關(guān)于大陸架淺海開采石油礦井類運(yùn)輸系統(tǒng)，石油運(yùn)輸油管輸送設(shè)備，其實(shí)細(xì)細(xì)歸類應(yīng)算上是氣壓流體類運(yùn)輸體系統(tǒng)，但這里講的是新型用途，所以就不詳細(xì)追究關(guān)于適合新型運(yùn)輸材料的系統(tǒng)的歸類問題了。
還有的特別用途，個(gè)人覺得是醫(yī)用化學(xué)用途，運(yùn)輸材料具有特定性質(zhì)，此性質(zhì)關(guān)系到污染程度及其成活率，所以運(yùn)輸需要特有材質(zhì)與環(huán)境保護(hù)，上料的概念個(gè)人認(rèn)為體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)與運(yùn)輸過程之中，相信這個(gè)過程不僅僅需要人員心思縝密，還需要準(zhǔn)確精密的設(shè)備來保證，而這段上料的設(shè)備主要依靠的動(dòng)力源仍然可以是電力與點(diǎn)擊回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，例如機(jī)械手臂[1]。
上料機(jī)構(gòu)國外的發(fā)展現(xiàn)狀：
機(jī)械手上料機(jī)構(gòu)首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓取機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。
1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。1962年美國機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種電焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機(jī)械發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年美國引用兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。
1.3 上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的要求
本課題應(yīng)該達(dá)到以下幾個(gè)要求：
(1)分析原始材料，查閱相關(guān)資料，收集整理有關(guān)上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝、設(shè)備、機(jī)械加工等的資料。
(2)對機(jī)床進(jìn)行系統(tǒng)分析和功能分析，并在此基礎(chǔ)上確定上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。
(3)完成上料機(jī)構(gòu)的零件設(shè)計(jì)以及整體設(shè)計(jì)，對各個(gè)上料機(jī)構(gòu)的所有零件進(jìn)行三維建模與虛擬裝配。
(4)對上料機(jī)構(gòu)的裝配體進(jìn)行分析。
(5)對上料機(jī)構(gòu)的裝配體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出結(jié)論，分析其運(yùn)動(dòng)過程。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 上料機(jī)構(gòu)的類型
1、臥式平行四桿上料機(jī)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)
該上料機(jī)構(gòu)采用臥式平行四桿機(jī)構(gòu)，減少了頂桿與導(dǎo)套間的力矩，使頂桿運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。它較好的解決了將水平直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為垂直直線運(yùn)動(dòng)的問題。因?yàn)樗阶矖U可以脫離撥叉，該機(jī)構(gòu)調(diào)整起來十分方便。相對齒輪齒條而言，該機(jī)構(gòu)造價(jià)低廉，調(diào)整方便，對環(huán)境要求低。實(shí)踐證明該機(jī)構(gòu)安全可靠，簡便實(shí)用[2]。
工件水平放置，上料機(jī)構(gòu)用氣缸推動(dòng)自動(dòng)上料，并通過模具加以整形。圖2.1即為其機(jī)構(gòu)簡圖，圖2.2為其運(yùn)動(dòng)簡圖和工件圖。
圖2.1 自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)簡圖
圖2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖和工件圖
2、碗槽開啟式上料機(jī)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)
碗槽開啟式上料機(jī)構(gòu)通過兩組平行的長軸安裝在托架上，碗槽靠軸承座固定在長軸上，兩個(gè)連接桿的一端分別與兩組長軸相連，另一端與減速機(jī)。電機(jī)相連，電機(jī)頻繁啟動(dòng)來實(shí)現(xiàn)碗槽的開啟。
圖2.3為碗槽開啟式上料機(jī)構(gòu)簡圖。其支架結(jié)構(gòu)為焊接結(jié)構(gòu)，用以托住托架；支架與托架的連接板用螺栓緊固，兩組平行的沿軋制線左右均布的長軸，由軸承座固定在托架上。長軸與長軸之間靠花鍵套連接，用于傳遞扭矩。每三個(gè)碗槽一組用軸承座與長軸固定，為便于碗槽開啟，軸承座內(nèi)部裝有銅套。兩個(gè)連接桿一端用關(guān)節(jié)軸承與長軸相連，另一端與偏心輪相連，以實(shí)現(xiàn)左、右碗槽分別開啟，偏心輪裝在減速機(jī)上，減速機(jī)為雙出軸，每根出軸上裝有一個(gè)偏心輪，每個(gè)偏心輪內(nèi)部裝有兩盤軸承，偏心輪上帶有增量式編碼器，用于控制開啟的角度，左、右碗槽中間帶有自循環(huán)冷卻水槽，用于降低碗槽及軋件的溫度。工作時(shí)軋件經(jīng)倍尺剪切后，由剪后夾送錕夾送至碗槽，碗槽開啟使軋件落在矯直板上，倍尺剪后設(shè)有鋼導(dǎo)向器，使軋件能順利進(jìn)入左、右碗槽[3]。
圖2.3 碗槽開啟式上料機(jī)構(gòu)簡圖
2.2 設(shè)計(jì)方案
2.2.1 設(shè)計(jì)要求
軸承內(nèi)外圈一般是在常溫下利用模具沖壓鋼板而成，其加工工藝的特點(diǎn)是：沖壓加工靠模具和設(shè)備完成加工過程，工件形狀和尺寸精度、表面質(zhì)量均能得到保證，能加工復(fù)雜的軸承內(nèi)外圈，生產(chǎn)效率高，成本低，但模具制造復(fù)雜、周期長。
沖壓軸承內(nèi)外圈的加工一般包括沖裁、彎曲、拉延、成形等工藝，其中成形加工有縮口、翻邊、脹形、整形、校形等。軸承內(nèi)外圈其沖壓工藝過程主要有：
剪料：按工藝計(jì)算毛坯尺寸在龍門剪床上剪切所需要的條料。
切料、成形、沖裝置孔：借助復(fù)合模在壓力機(jī)上一次完成切料、成形、沖裝置孔。
車端面：在車床上采用專用夾具夾緊軸承內(nèi)外圈，車削端面，一般0.3～0.5mm。
擴(kuò)張：借助擴(kuò)張模具在壓力機(jī)上將軸承內(nèi)外圈內(nèi)腔擴(kuò)大一些。
輔助工序：竄光、酸洗、清理和涂油包裝[4]。目前軸承廠工人生產(chǎn)內(nèi)外圈均為手動(dòng)上料。手動(dòng)上料不僅工作效率低，而且隨著勞動(dòng)時(shí)間增加、勞動(dòng)強(qiáng)度增加，工人在疲憊的生產(chǎn)中，疏忽大意，容易產(chǎn)生誤操作，造成肢體損傷等一些事故的發(fā)生。如圖2.4所示。
本文研究的軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)主要用在軸承內(nèi)外圈車端面的工序中，要求其能夠代替工人直接用手將內(nèi)外圈安裝到高速模具上的工作，而通過送料機(jī)構(gòu)完成向高速機(jī)床的上料任務(wù)。上料裝置以一定的速度和頻率不斷地將內(nèi)外圈送到高速機(jī)床上。在生產(chǎn)中，工人只需將內(nèi)外圈毛坯放置在上料機(jī)構(gòu)的料道上。與以往手工上料相比，可以大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)系數(shù)，同時(shí)提高公司的生產(chǎn)效率，降低成本。
圖2.4 工人手動(dòng)上料過程
2.2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
通過上文對兩種上料機(jī)構(gòu)的介紹，因?yàn)榭紤]到機(jī)構(gòu)的簡便性、經(jīng)濟(jì)性、工作環(huán)境等多種因素，所以選用第一種上料機(jī)構(gòu)。
上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路可以用框圖形式更加直觀地表達(dá)，如圖2.5所示。
圖2.5 總體設(shè)計(jì)思路框圖
軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)的上料工作應(yīng)由裝料系統(tǒng)和送料系統(tǒng)兩部分完成，工人將工件放入裝料系統(tǒng)，工件由自身重力滑入夾具，當(dāng)工件就位后，PLC控制送料系統(tǒng)將工件送向高速車床的工作臺(tái)上。下文主要對方案中的各部件做具體分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，力求做出一套能夠切實(shí)代替工人手工上料的、高效的上料機(jī)構(gòu)。
2.2.3 上料機(jī)構(gòu)各部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1、上料機(jī)構(gòu)外形輪廓確定
目前，軸承廠的生產(chǎn)設(shè)備主要采用自動(dòng)化機(jī)床。該機(jī)床主要用于印刷、造幣、電機(jī)制造等行業(yè)，它是提高機(jī)床精度，降低工件成本，提高生產(chǎn)率的理想工作機(jī)器。床身采用開式結(jié)構(gòu)，剛性超負(fù)荷保險(xiǎn)，干式組合摩擦離合器與制動(dòng)器，采用氣囊平衡缸。采用集中稀有統(tǒng)一潤滑、電氣采用PLC控制。當(dāng)行程次數(shù)超過250次/分時(shí)，可選配電腦電子凸輪控制器，該控制器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止死點(diǎn)功能?？裳b配光保護(hù)裝置，可搭配開卷、校平。自動(dòng)送料裝置，實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)自動(dòng)化作業(yè)，能夠替代進(jìn)口的產(chǎn)品。軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床，如圖2.6所示。
圖2.6 軸承內(nèi)外圈專用機(jī)床
軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)如表2-1所示。
表2-1 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床的技術(shù)參數(shù)表
項(xiàng)目
要求
最大工件回轉(zhuǎn)直徑
80mm
最大車削長度
50mm
中心高
180mm
主軸頭行程
10mm
主軸錐孔-安裝基準(zhǔn)孔
100mm
主軸孔徑
30mm
主軸轉(zhuǎn)速范圍
1200-1700
機(jī)床輪廓尺寸
1200X550X1760
主軸線與機(jī)床邊緣間距
275mm
主軸線距地面高度
1046mm
床頭箱長度
327mm
由表2-1可知，軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床的輪廓尺寸為，軸承內(nèi)外圈直徑為80mm，上料機(jī)構(gòu)底座下表面與工作臺(tái)表面平齊，所以確定夾具高度為167mm；考慮到安裝空間和可靠性等因素，確定底座尺寸為，上料機(jī)構(gòu)L型板的尺寸為。
2、上料機(jī)構(gòu)距離確定
上料機(jī)構(gòu)必須安裝在專用機(jī)床工作臺(tái)之外，由此可以確定機(jī)構(gòu)到專用機(jī)床工作臺(tái)中心的上料距離必須大于160mm。根據(jù)夾具裝置實(shí)際尺寸和越過物料所需要的最小距離，確定自動(dòng)上料每次行程在180mm，其數(shù)值可以在后續(xù)仿真中進(jìn)一步確定。
3、夾具裝置設(shè)計(jì)
(1)夾緊手指的尺寸設(shè)計(jì)
夾緊手指的夾持誤差不超過1.5mm；
工件半徑；
取手指長度為2倍的工件平均半徑，這時(shí)夾持誤差最小。
取夾角為，偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：
夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。
(2)彈簧選擇
應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，力量過大會(huì)損壞工件，力量過小則工件容易脫落。所以在確定握力時(shí)，除了考慮工件重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件夾持安全可靠[5]。由上述材料可知，內(nèi)外圈直徑為?80mm。再根據(jù)夾具尺寸，所以選擇普通圓柱螺旋拉伸彈簧，長度不大于80mm。
(3)定位元件
工件以平面為定位基準(zhǔn)，在夾具上定位的主要形式是支承定位。當(dāng)毛坯質(zhì)量不高，或不同批的毛坯尺寸差別較大時(shí)，使用可調(diào)支承調(diào)節(jié)支承點(diǎn)位置。在產(chǎn)品系列化情況下，用同一夾具加工結(jié)構(gòu)相同而尺寸規(guī)格不同的零件時(shí)，也可以通過適當(dāng)調(diào)整支承來完成。根據(jù)以上所述，選擇定位元件為可調(diào)定位銷。在機(jī)械手將毛坯送至夾緊裝置加工的過程中，毛坯的定位需限制5個(gè)自由度，所以要加上上料V形鐵加以定位。
(4)導(dǎo)向桿的設(shè)計(jì)
不同配置和不同導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。該自動(dòng)上料機(jī)械手機(jī)構(gòu)采用的導(dǎo)向桿截面形狀為圓柱狀，導(dǎo)向桿安裝在夾具的后部，起導(dǎo)引作用。啟動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向裝置的摩擦阻力較大，計(jì)算如下：
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
式中：——參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的重力；
L——手臂參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總量的重心到導(dǎo)向支撐前端的長度；
a——導(dǎo)向支撐的長度；
——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面形狀有關(guān)，對于圓柱面：
，(其中，是摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時(shí)，銅對青銅取為0.1～0.15，銅對鑄鐵取～0.3)。
4、驅(qū)動(dòng)裝置的選取
選擇哪一種驅(qū)動(dòng)裝置，要根據(jù)上料機(jī)構(gòu)的工作要求，性能規(guī)范，控制功能，維護(hù)的復(fù)雜程度，運(yùn)動(dòng)的功耗，性能與價(jià)格比以及現(xiàn)有條件等綜合因素加以考慮。目前主要有三類驅(qū)動(dòng)裝置可供選擇，分別為液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)。
(1)液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)
功率質(zhì)量比大，即在同等功率下，液壓裝置的體積小，質(zhì)量?。粺o極調(diào)速；工作平穩(wěn)，與電器裝置配合，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操縱和自動(dòng)控制；易于過載保護(hù)；標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度較高，通用性好，便于選擇使用，縮短設(shè)計(jì)、制造周期[6]。
(2)氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)
氣壓傳動(dòng)使用的壓縮空氣取自大氣，無傳動(dòng)介質(zhì)成本。將用過的氣體直接排入大氣，不會(huì)污染環(huán)境；壓縮空氣的工作壓力較低，對元件材料和制造精度的要求較低；空氣的黏度很小，在管路流動(dòng)過程中的壓力損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液壓傳動(dòng)，壓縮空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)程傳輸；使用方便、安全、維護(hù)簡單。
(3)電力驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)
可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的.誤差不會(huì)長期積累,控制性能好.與其它驅(qū)動(dòng)相比,電力驅(qū)動(dòng)是系統(tǒng)性與通用性最強(qiáng)的,它還是一種無污染的清潔能源,它的低成本和使用上的方便都是其他方式無法比擬的。
通過分析各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)，充分論證合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后，最終選用氣壓驅(qū)動(dòng)[7]。
5、氣缸的設(shè)計(jì)
(1)負(fù)載率的概念
負(fù)載率Q=氣缸實(shí)際負(fù)載/氣缸理論輸出力
其中Q是一個(gè)選擇值，與氣缸的負(fù)載性能、密封狀況及運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。其選取原則是速度愈小，Q值越大，反之則小。對于慣性負(fù)載和以下等速度運(yùn)動(dòng)的氣缸Q值選取0.5較合適，當(dāng)系統(tǒng)對氣缸無確定速度要求時(shí)，Q值取0.8，氣缸高速運(yùn)動(dòng)時(shí)Q值一般為0.35以下。確定了氣缸負(fù)載率Q，即可確定氣缸的理論輸出力，從而計(jì)算出缸徑。
(2)氣缸耗氣量計(jì)算
以單活塞雙作用氣缸為例，一個(gè)往復(fù)行程壓縮空氣消耗量q可按下式計(jì)算：
(2.6)
式中L——?dú)飧仔谐?D——缸筒內(nèi)徑 d——活塞桿直徑 t——一個(gè)往返行程時(shí)間
——容積效率，一般取0.9～0.95
(3)夾緊氣缸的計(jì)算
①工件質(zhì)量
② 當(dāng)工件被豎直夾持時(shí)，手指握住工件時(shí)所需要的夾緊力最大，工件質(zhì)量為5kg，則夾緊力為：
③ 手部的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
圖2.7 手爪受力分析圖
如圖2.7所示，Q為活塞桿推力，N為手指夾緊工件的夾緊力，則由力矩平衡，
知
(2.7)
其中，b=5mm，c=75mm，=80o代入數(shù)值得
活塞桿推力
④ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[8]，由預(yù)算確定的所需氣缸軸向輸出力推力得：
活塞式氣缸內(nèi)徑
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進(jìn)行圓整，得。
⑤ 活塞桿直徑的確定與驗(yàn)算
取活塞桿直徑，按下式進(jìn)行驗(yàn)算：
代入數(shù)值得：
，成立。
故活塞桿直徑滿足強(qiáng)度要求。
⑥ 氣缸筒壁厚的確定和驗(yàn)算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[8]，其壁厚選取為，根據(jù)下式進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：
(2.8)
代入數(shù)值得：
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。
⑦ 氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定
氣缸進(jìn)排氣口螺孔的大小與空氣消耗量(缸徑、活塞桿直徑、活塞的平均速度等)及供氣壓力均有關(guān)系，故難于準(zhǔn)確計(jì)算。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，按缸徑查取。根據(jù)，查得，進(jìn)排氣口螺孔直徑規(guī)格為。
⑧ 活塞的厚度取決于密封圈的種類和排數(shù)。氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋、活塞桿與氣缸蓋之間均選用O形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值。
⑨ 連接螺栓直徑的確定與驗(yàn)算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑，按下式進(jìn)行驗(yàn)算：
(2.9)
代入數(shù)值得：
，成立。
故螺栓直徑符合要求。
根據(jù)以上分析與計(jì)算，最終選擇型氣缸。如表2-2所示。
圖2.8 SC系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸
SC系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸有如下特點(diǎn)：
① 免潤滑性：采用含油軸承，使活塞桿無需加油潤滑；
② 耐久性：氣缸本體，前后蓋經(jīng)過陽極硬質(zhì)氧化處理，不僅具有耐磨耐腐蝕性，而且更顯外觀小巧精美；
③ 耐高溫性：氣缸采用耐高溫密封材料，使氣缸在150攝氏度高溫條件下正常工作；
④ 安裝多樣性：多種安裝附件供客戶選擇；
⑤ 附磁性：氣缸活塞上裝有一個(gè)永久磁鐵，它可觸發(fā)安裝在氣缸上的感應(yīng)開關(guān)來感測氣缸的運(yùn)動(dòng)位置[9]。
表2-2 SC系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸的主要技術(shù)參數(shù)表
內(nèi)徑
32
40
50
63
80
100
動(dòng)作形式
復(fù)動(dòng)型
工作介質(zhì)
經(jīng)過濾的壓縮空氣
固定形式
基本型
使用壓力范圍
1-9.0
保證耐壓力
13.5
使用溫度范圍
0-70
使用速度范圍
50-800
緩沖形式
可調(diào)緩沖
緩沖行程
24
32
接口口徑
G1/8
G1/4
G3/8
G1/2
(4)氣缸定位的精度
氣缸由PLC控制，采用繼電器輸出接口直接驅(qū)動(dòng)交流電磁閥控制氣缸氣體流量，由光柵反饋檢測移動(dòng)量，計(jì)算輸出一組二進(jìn)制編碼控制閥組的開啟，得到不同的綜合面積，以改變控制閥的流量，使氣缸運(yùn)動(dòng)到準(zhǔn)確地位置。
經(jīng)研究分析，本軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)適合采用直角坐標(biāo)式，使用安裝在專用機(jī)床的工作臺(tái)上，送料末端位置與專用機(jī)床的工作臺(tái)模具相連接，側(cè)面垂直與等分機(jī)構(gòu)相連，上料機(jī)構(gòu)推動(dòng)夾具將物料輸送到專用機(jī)床的工作位置，再由等分機(jī)構(gòu)卸料夾緊，夾具退回，再次送料。其結(jié)構(gòu)圖如圖2.8所示。
圖2.9 上料機(jī)構(gòu)側(cè)視圖
8、軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)工作原理
① 將經(jīng)過完整工序后的軸承內(nèi)外圈放入料道，使其依靠自身重力沿料道下滑。
② 軸承內(nèi)外圈進(jìn)入送料系統(tǒng)，由夾具三點(diǎn)定位夾緊。
③ 氣缸推動(dòng)夾具，將軸承內(nèi)外圈送到專用機(jī)床的工作臺(tái)上。
④ 氣缸推動(dòng)機(jī)頂頭，將工件卸下并固定在專用機(jī)床的工作臺(tái)上，上料氣缸退回夾具。
⑤ 下一個(gè)軸承內(nèi)外圈滑入送料系統(tǒng)，重復(fù)以上步驟，再次送料。
2.3 本章小結(jié)
本章列舉了國內(nèi)目前幾種比較成熟的上料機(jī)構(gòu)模型。詳細(xì)對設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，明確了設(shè)計(jì)思路。在此基礎(chǔ)上，確定了軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對上料機(jī)構(gòu)各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了外形輪廓、上料距離、上料間隔時(shí)間等參數(shù)，并對驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行選擇，最后對上料機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
3 基于UG的上料機(jī)構(gòu)三維建模與虛擬裝配
3.1 UG軟件介紹
Unigraphics NX(簡稱UG)，是由美國UGS公司推出的面向制造業(yè)的高端軟件，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)、最流行的、集CAD/CAM/CAE于一體的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件。它集合了工業(yè)設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、分析和加工制造功能，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)與產(chǎn)品生產(chǎn)過程的統(tǒng)一，它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空航天、消耗電子和醫(yī)療器械等行業(yè)。
UG是一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。它針對用戶的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的需求，提供了經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的解決方案。它為設(shè)計(jì)師和工程師提供了一個(gè)產(chǎn)品開發(fā)的嶄新模式，更重要的是團(tuán)隊(duì)將能夠根據(jù)工程需求進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。它能夠有效地捕捉、利用和共享數(shù)字化工程中的知識(shí)，事實(shí)證明為企業(yè)帶來了戰(zhàn)略性的收益。
來自UGSPLM的NX使企業(yè)能夠通過新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)向產(chǎn)品全生命周期管理轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。NX包含了企業(yè)中應(yīng)用最廣泛的集中應(yīng)用套件，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程和制造全范圍的開發(fā)過程。
如今制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)是，通過產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新，在持續(xù)的成本縮減以及收入和利潤的逐漸增加的要求之間取得平衡。為了真正地支持革新，必須評審更多的可選設(shè)計(jì)方案，而且在開發(fā)過程中必須根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)中所獲得的知識(shí)更早地做出關(guān)鍵性的決策。
NX是UGS PLM新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，它可以通過過程變更來驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品革新。NX獨(dú)特之處是其知識(shí)管理基礎(chǔ)，它使得工程專業(yè)人員能夠推動(dòng)革新以創(chuàng)造出更大的利潤。NX可以管理生產(chǎn)和系統(tǒng)性能知識(shí)，根據(jù)已知準(zhǔn)則來確認(rèn)每一設(shè)計(jì)決策。
NX建立在為客戶提供無與倫比的解決方案的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，這些解決方案可以全面地改善設(shè)計(jì)過程的效率，削減成本，并縮短進(jìn)入市場的時(shí)間。通過再一次將注意力集中于跨越整個(gè)產(chǎn)品生命周期的技術(shù)創(chuàng)新，NX的成功已經(jīng)得到了充分的證實(shí)。這些目標(biāo)使得NX通過無可匹敵的全范圍產(chǎn)品檢測應(yīng)用和過程自動(dòng)化工具，把產(chǎn)品制造早期的從概念到生產(chǎn)的過程都集成到一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理和協(xié)同的框架中[10]。
(1)工業(yè)設(shè)計(jì)和風(fēng)格造型
NX為那些培養(yǎng)創(chuàng)造性和產(chǎn)品技術(shù)革新的工業(yè)設(shè)計(jì)和風(fēng)格提供了強(qiáng)有力的解決方案。利用NX建模，工業(yè)設(shè)計(jì)師能夠迅速地建立和改進(jìn)復(fù)雜的產(chǎn)品形狀，并且使用先進(jìn)的渲染和可視化工具來最大限度地滿足設(shè)計(jì)概念的審美要求。
(2)產(chǎn)品設(shè)計(jì)
NX包括了世界上最強(qiáng)大、最廣泛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊。NX具有高性能的機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖功能，為制造設(shè)計(jì)提供了高性能和靈活性，以滿足客戶設(shè)計(jì)任何復(fù)雜產(chǎn)品的需要。NX優(yōu)于通過的設(shè)計(jì)工具，具有專業(yè)的管路和線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)、鈑金模塊、專用塑料件設(shè)計(jì)模塊和其他行業(yè)設(shè)計(jì)所需的專業(yè)應(yīng)用程序。
(3)仿真、確認(rèn)和優(yōu)化
NX允許制造商以數(shù)字化的方式仿真、確定和優(yōu)化產(chǎn)品及其開發(fā)過程。通過在開發(fā)周期中較早地運(yùn)用數(shù)字化仿真性能，制造商可以改善產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)減少或消除對于物理樣機(jī)的昂貴耗時(shí)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建，以及對變更周期的依賴。
(4)有序的開發(fā)環(huán)境
NX產(chǎn)品開發(fā)解決方案完全支持制造商所需的各種工具，可用于管理過程并與擴(kuò)展的企業(yè)共享產(chǎn)品信息。NX與UGSPLM的其他解決方案的完整套件無縫結(jié)合。這些對于CAD、CAM和CAE在可控環(huán)境下的協(xié)同、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字化實(shí)體模型和可視化都是一個(gè)補(bǔ)充。
UG的主要客戶包括，通用汽車，通用電氣，福特，波音麥道，洛克希德，勞斯萊斯，普惠發(fā)動(dòng)機(jī)，日產(chǎn)，克萊斯勒，以及美國軍方。幾乎所有飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和大部分汽車發(fā)動(dòng)機(jī)都采用UG進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)UG在高端工程領(lǐng)域，特別是軍工領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力。在高端領(lǐng)域與CATIA并駕齊驅(qū)[11]。
3.2 三維建模
3.2.1 主要部件及其相互關(guān)系
該上料機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)件包括：底座、支架、滑道、夾緊機(jī)構(gòu)、定位裝置、氣缸等。主要功能模塊和位置關(guān)系如圖3.1所示。
圖3.1 上料機(jī)構(gòu)的主要功能模塊及其關(guān)系示意圖
通過圖3.1，我們可以明確軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)，各主要功能模塊之間的關(guān)系和建模順序，為下一步的三維建模打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
3.2.2 主要零部件的三維建模
UG為用戶提供了強(qiáng)大、廣泛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊，它具有高性能的機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖功能。它為靈活地制造設(shè)計(jì)產(chǎn)品提供了可能性，以滿足客戶設(shè)計(jì)任何復(fù)雜產(chǎn)品的需要。除組件設(shè)計(jì)處，UG還提供了強(qiáng)大的基于系統(tǒng)產(chǎn)品建模和協(xié)同的產(chǎn)品級裝配設(shè)計(jì)方法。
一般來說，UG的建模，首先要建立基本的幾何體，然后在上面添加其他的特征。不同的應(yīng)用領(lǐng)域有不同的特征，其分類方法也各不相同，對于機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)體模型及其工程圖紙信息，可將常用的特征信息分為管理特征、技術(shù)特征、材料特征、精度特征、形狀特征、裝配特征等六大類。在建模工程中，最常用的是零部件的形狀特征，在此可以進(jìn)一步的分解出零件的形體特征類。
本上料機(jī)構(gòu)的形狀特征主要包括：長方體、圓柱體、孔、螺紋、槽、抽殼、矩形陳列、倒角等。不同人對同一零件可以用不同方法來建模，條條大道通羅馬，沒有最好的方法，只有更好的方法。所以我在實(shí)踐中不斷探索規(guī)律，只有這樣才能快速、正確地建立想要的模型。下面介紹一下軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)的建模過程。
(1)底座的建模
根據(jù)第二章的數(shù)據(jù)，已知底板的尺寸。
① 新建文件系統(tǒng)彈出文件新建對話框。在名稱文本框中輸入文件名稱DKY/01-01；單擊確定，進(jìn)入建模環(huán)境。
② 點(diǎn)擊“插入”“草圖”，彈出創(chuàng)建草圖對話框，選擇類型為“在平面上”，然后根據(jù)第二章的數(shù)據(jù)畫出側(cè)面圖，如圖3.2所示。
圖3.2 底座草圖
③ 點(diǎn)擊按鈕，點(diǎn)擊按鈕，彈出“拉伸”對話框，選擇曲線為上一步的草圖，指定矢量為Z方向，開始距離為0，結(jié)束距離為360，點(diǎn)擊確定，底座實(shí)體創(chuàng)建成功，如圖3.3所示。
圖3.3 底座拉伸的實(shí)體
④ 進(jìn)入草圖界面，完成部件孔的中心點(diǎn)的確定。
⑤ 點(diǎn)擊按鈕，彈出如圖3.4所示的對話框，類型選擇為“螺紋孔”，指定點(diǎn)選為上一步確定的中心，螺紋尺寸選為M8，點(diǎn)擊確定，整體三維模型見圖3.5。
圖3.4 孔命令對話框
圖3.5 底座部件三維建模圖
(2)上料機(jī)構(gòu)L型板的建模
根據(jù)第二章的數(shù)據(jù)，可知L型板的尺寸。
① 新建文件系統(tǒng)彈出文件新建對話框。在名稱文本框中輸入文件名稱DKY/01-02；單擊確定，進(jìn)入建模環(huán)境。
② 點(diǎn)擊“插入”“草圖”，彈出創(chuàng)建草圖對話框，選擇類型為“在平面上”，然后根據(jù)第二章的數(shù)據(jù)畫出正面圖，如圖3.6所示。
圖3.6 L型板草圖創(chuàng)建
③ 點(diǎn)擊按鈕，點(diǎn)擊按鈕，彈出“拉伸”對話框，選擇曲線為上一步的草圖，指定矢量為Z方向，開始距離為0，結(jié)束距離為150，點(diǎn)擊確定，L型板實(shí)體創(chuàng)建成功，如圖3.6所示。
④ 進(jìn)入草圖界面，完成L型板孔的定位中心。
⑤ 點(diǎn)擊孔命令，完成孔的創(chuàng)建。L型板的三維建模如圖3.7所示。
圖3.7 L型板的三維建模圖
(3)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體建模
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是上料機(jī)構(gòu)的核心部分，其構(gòu)件也較多，主要包括上端蓋、下端蓋、活塞、缸套和拉桿。它是整個(gè)裝置的動(dòng)力來源，它的建模也是最復(fù)雜的，主要用到拉伸、打孔、挖槽、抽殼、倒角等特征操作，其模型見圖3.8。
圖3.8 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)總體圖
本文設(shè)計(jì)的軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)是基于各種技術(shù)參數(shù)，利用UG軟件設(shè)計(jì)三維模型，根據(jù)理論分析、計(jì)算確定機(jī)構(gòu)各部件的尺寸，當(dāng)修改零件形狀時(shí)，只需編輯一下尺寸的數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)形狀上的改變。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)。這反映了計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)過程中需要不斷與設(shè)計(jì)者交流，反饋設(shè)計(jì)信息，輸入設(shè)計(jì)決策，直至完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這樣可以大大提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，密切聯(lián)系實(shí)際。
3.3 上料機(jī)構(gòu)的虛擬裝配
3.3.1 基于UG的高級裝配功能
1、出現(xiàn)在Assemblies-Advanced下的所有功能：包括建立纏繞裝配，建立連接的外型，建立操縱區(qū)，建立小平面表示，Script(腳本)[13]。
2、出現(xiàn)在Analysis-Assembly Clearance下的所有功能：包括設(shè)定間隙區(qū)、選擇分析對象、執(zhí)行各種間隙分析、接觸干涉、軟干涉、硬干涉和包容干涉。
3、出現(xiàn)在File- Open-Options或File-Options-Load Options中的利用最后組件集、利用最后過濾器和規(guī)定過濾器。
4、UG虛擬裝配技術(shù)常用的術(shù)語：
(1)裝配(Assembly)表示一個(gè)產(chǎn)品的零件盒子裝配的集合。在UG中，裝配體是包含組件對象的一個(gè)部件文件。
(2)組件對象(Component Objects)在一個(gè)裝配內(nèi)，在一特定位置和方位上一個(gè)部件的使用。一個(gè)組件可以是一個(gè)由其他低級組件組成的一個(gè)子裝配。在一個(gè)裝配中的每個(gè)組件僅含有一個(gè)指向它的主要幾何體的指針，當(dāng)修改一個(gè)組件的幾何體時(shí)，在作業(yè)中利用同一主要幾何體的所有其他組件將自動(dòng)反映這一變化。
(3)組件部件(Component Part)在一個(gè)裝配內(nèi)由一組件對象的指針?biāo)赶虻牟考募?。?shí)際的幾何體存儲(chǔ)在組件中并由裝配體引用而不是復(fù)制。
(4)組件成員(Component Members)顯示在裝配件內(nèi)來自組件部件的幾何對象。如果使用引用集，組件成員可能是在組件部件中的所有幾何體的一個(gè)子集，也稱為組件幾何體。
(5)上下文設(shè)計(jì)(Design in Context)當(dāng)組件幾何體顯示在裝配件中時(shí)，直接編輯它的能力?？梢赃x擇來自其他組件的幾何體輔助建模，也稱為就地編輯。
(6)自頂向下建模(Top-down Modeling)在這種建模技術(shù)中，當(dāng)工作在裝配級時(shí)可以建立和編輯組件部件。在裝配級上做的幾何體改變立即自動(dòng)地反映在個(gè)別組件中。
(7)從底向下建模(Bottom-up Modeling)在這種建模技術(shù)中，它們使用于某些高級裝配內(nèi)的孤立狀態(tài)中設(shè)計(jì)和編輯組件部件。當(dāng)打開反映在零件級做的幾何編輯時(shí)，所有利用該組件的裝配件自動(dòng)地更新。
(8)顯示的部件(Displayed Part)當(dāng)前顯示在圖形窗口中的部件。
(9)工作部件(Work Part)用戶在其中建立和編輯幾何體的部件。工作部件可以是顯示的部件或是包含在顯示的裝配部件中的任一組件部件。當(dāng)顯示一零件時(shí)，工作部件總是與顯示部件相同。
(10)裝載的部件(Loaded Part)當(dāng)前打開和在內(nèi)存中的任一部件。部件利用File-Open命令裝載，當(dāng)它們被用于一般裝配中時(shí)被隱式打開。
(11)引用集(Reference Set)來自一部件的命名的幾何體集合，可以用來在高級裝配中簡化組件部件的圖形顯示。
(12)配對條件(Mating Condition)對一單個(gè)組件定位的約束集。在一裝配體中，每個(gè)組件都可以有一個(gè)配對條件，盡管配對條件可以由對其他組件的關(guān)系組成。
(13)裝配導(dǎo)航器，提供了裝配結(jié)構(gòu)的圖形顯示，為在其他功能中使用選擇和操作組件。
5、UG的虛擬裝配方法
UG根據(jù)裝配體與零件之間的引用關(guān)系，提供了3種建立裝配體的方法，即自底向上設(shè)計(jì)(Bottom-up)、自頂向下(Top-down)設(shè)計(jì)和混合裝配方法。
(1)自底向上裝配指首先在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)零部件模型，然后組合成子裝配體，最后生成裝配部件的裝配方法。這種裝配方式需要設(shè)計(jì)人員交互的給定配合構(gòu)件之間的約束關(guān)系，然后由UG系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出構(gòu)件的轉(zhuǎn)移矩陣，并實(shí)現(xiàn)虛擬裝配。
(2)自頂向下裝配指首先設(shè)計(jì)完成裝配體，并在裝配體中創(chuàng)建零部件模型，然后拆成子裝配體和單個(gè)可以直接用于加工的零件模型。這種設(shè)計(jì)方式可以方便、直接的進(jìn)行設(shè)計(jì)，由一個(gè)由粗入精的過程，多用于全新的開發(fā)過程，可以保證設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品相互間有一個(gè)合理的位置?；谧皂斚蛳碌难b配設(shè)計(jì)技術(shù)也與工程實(shí)際相符合，而UG的裝配建模技術(shù)完全支持自頂向下的設(shè)計(jì)方法。這樣在虛擬裝配操作中，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要混合使用以上兩種裝配方法。
(3)混合裝配是指將自頂向下裝配和自底向上裝配結(jié)合在一起的裝配方法，即首先創(chuàng)建幾個(gè)主要的零部件模型，將它們組裝在一起，然后在裝配體中設(shè)計(jì)其他零部件。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)需要在兩種模式間相互切換[14]。
3.3.2 上料機(jī)構(gòu)的虛擬裝配
本文設(shè)計(jì)的軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)采用自底向上裝配，既先設(shè)計(jì)出上料機(jī)構(gòu)的零部件，然后級合成子裝配體，最后生成裝配部件的裝配方法。首先將整個(gè)機(jī)構(gòu)模型分為幾個(gè)子裝配體：底座子裝配體、送料機(jī)構(gòu)子裝配體、料道子裝配體。將這些子裝配體裝配完畢后，分別進(jìn)行干涉檢查，確保子裝配體無誤之后再統(tǒng)一導(dǎo)入整體裝配模型中進(jìn)行裝配。
首先建立一個(gè)文件作為裝配文件，然后建立已存在的組件之間的引用關(guān)系和相對關(guān)系和相對位置關(guān)系。
(1)選擇新建“文件”→“新建”→“裝配”確定進(jìn)入裝配界面。
(2)在裝配界里面選擇“添加組件”按鈕，在彈出的添加組件選項(xiàng)中，選擇“打開”按鈕，單擊按鈕，彈出【部件名】對話框，根據(jù)組件的存放路徑選擇部件DKY/01-01.prt，單擊確定按鈕，返回到【添加組件】對話框設(shè)置定位為“絕對原點(diǎn)”，單擊確定按鈕，將實(shí)體定位于原點(diǎn)。
(3)再返回到【添加組件】對話框，打開按鈕，選擇部件DKY/01-02.prt，單擊確定按鈕，返回到【添加組件】對話框設(shè)置定位為“通過約束”，單擊確定，進(jìn)入【裝配約束】對話框，類型選擇“接觸對齊”，方位選擇“接觸”，選擇兩個(gè)對象為底板的上表面和L型板的下表面，再點(diǎn)擊確定按鈕。
(4)用相同的方式，裝配其它部件，裝配后的結(jié)構(gòu)如圖3.7(a)和3.7(b)所示。
圖3.7(a) 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)正視圖
圖3.7(b) 軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)側(cè)視圖
裝配結(jié)束后，需要檢查各個(gè)組件之間是否存在干涉情況。靜態(tài)干涉檢驗(yàn)對組件的運(yùn)動(dòng)不加考慮。其分析的結(jié)果類型包括：不干涉、接觸、干涉、包容四種類型。干涉檢查形式靈活，可以進(jìn)行選定組件間的檢查，也可以進(jìn)行整個(gè)裝配體的干涉檢查。
如果發(fā)現(xiàn)干涉檢查中存在干涉或包容，則表明兩裝配體之間存在尺寸關(guān)系錯(cuò)誤，需要重新對模型進(jìn)行修改，需要重新確定和校核上料機(jī)構(gòu)的尺寸，直到裝配后沒有干涉和包容現(xiàn)象。軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)的干涉檢查結(jié)果顯示符合要求，如圖3.8所示。
圖3.8 干涉結(jié)果顯示
3.4 本章小結(jié)
本章詳細(xì)地闡述了參數(shù)化建模思想，同時(shí)以流程圖的形式，對UG軟件以及上料機(jī)構(gòu)的建模過程和虛擬裝配過程做了介紹。
結(jié)合軸承內(nèi)外圈加工專用機(jī)床上料機(jī)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)，在利用UG完成對上料機(jī)構(gòu)所有零件的實(shí)體建模后，進(jìn)行了虛擬裝配、靜態(tài)干涉檢驗(yàn)等多次協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)，并通過統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)過程與零部件制造、裝配過程的高度統(tǒng)一。
4 基于UG的運(yùn)動(dòng)仿真
4.1 運(yùn)動(dòng)仿真的工作界面
本章主要介紹UG/CAE模塊中運(yùn)動(dòng)仿真的功能。運(yùn)動(dòng)仿真是UG/CAE(Computer Aided Engineering)模塊中的主要部分，它能對任何二維或三維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力分析和設(shè)計(jì)仿真。通過UG/Motion的功能可以對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行大量的裝配分析工作、運(yùn)動(dòng)合理性分析工作，諸如干涉檢查、軌跡包絡(luò)等，得到大量運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過對這個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)分析就可以驗(yàn)證驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并且可以利用圖形輸出各個(gè)部件的位移、坐標(biāo)、加速度、速度和力的變化情況，對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)