基于SolidWorks的车床运动建模与仿Word文件下载.docx
《基于SolidWorks的车床运动建模与仿Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于SolidWorks的车床运动建模与仿Word文件下载.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
1绪论1
1.1引言1
1.2国内外研究现状2
1.3课题目的及所研究的主要内容3
1.3.1课题的目的3
1.4CA6140车床简介4
1.4.1CA6140车床简介4
1.4.2CA6140车床的传动系统4
2SolidWorks软件平台.4
2.1SolidWorks及其二次开发技术简介4
2.1.1三维造型软件SolidWorks简介4
2.1.2基于SolidWorks的二次开发技术.5
2.2SolidWorks插件5
2.2.1PhotoWorks5
2.2.2FeatureWorks6
2.2.3COSMOSXpress6
2.2.4Toolbox6
2.3SolidWorks在产品设计中的功能7
2.4三维实体零件的建模7
2.4.1参数化建模方法（参数化设计）7
2.4.2一般建模方法9
2.5三维实体零件的装配9
2.5.1向装配体中添加实体零件.9
3车床的建模10
3.1轴的建模10
3.2齿轮、链轮的建模11
3.3凸轮的建模14
3.4拨叉的建模14
3.5机架、定位块、销钉的建模16
4车床的装配17
4.1装配顺序的原则17
5车床的仿真18
5.1Animator介绍18
5.2车床传动仿真的实现19
6结论与展望19
6.1结论19
6.2今后工作方向20
致谢21
参考文献21
1绪论
1.1引言
近些年来，随着计算机技术的发展，计算机图形处理能力日益增强，以计算机为主要工具的仿真技术也迅速发展起来，并很快应用于工程领域。
在计算机辅助下进行机械零件的设计、校核，并进行系统运动仿真己经逐渐成为机械设计的发展方向。
在传统的设计与制造过程中，首先是方案设计及论证，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。
在大多数情况下，工程师往往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毛病。
在市场竞争的背景下，基于实际样机上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。
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都已成为竞争者们所追求的运营方式，谁早推出产品，谁就占有市场。
然而，传统的设计与制造方式却无法满足这些要求。
计算机运动仿真作为计算机仿真技术的一个重要分支，可以归入虚拟现实技术VR（VirtualReality）的范畴，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、实时计算技术、人机接口技术等多项关键技术[12]。
作为一门新兴的高技术，己经成为工程技术领域计算机应用的重要方向。
尤其在航天、国防及其它大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机运动仿真己经成为不可缺少的工具。
借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统的虚拟模型，伴之以三维可视化处理，模拟其在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真的结果来精化和优化系统的设计。
计算机运动仿真技术已经越来越成为人们代替或部分代替样机制作、工艺试验，以获取所需数据结果并最终完成对产品的性能测试及验证的有力技术手段川。
虚拟模型技术应当属于计算机辅助工程（CAE）的一个分支，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[15]。
作为应用数学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。
近年来的计算机可视化技术以及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面，CAD/FEA等技术的发展为虚拟模型技术的应用提供了技术环境。
借助于虚拟模型技术，设计过程先从整机开始，按照“由上至下”的顺序进行，这样可以避免由于系统设计方面的失误而付出的昂贵代价。
目前，虚拟模型和计算机仿真技术已经广泛地应用在各个领域里:
汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业;
所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，天上的火箭到轮船的锚机。
在各个领域里，针对各种不同的产品，虚拟模型技术都为用户节省了开支和时间，并提供了满意的设计方案。
1.2国内外研究现状
虚拟模型和计算机仿真技术是一项涉及多个学科领域的前沿技术，发达国家于20世纪80年代提出了相关概念，这项技术在过去的10年里获得了迅速发展并达到实用阶段。
和一些先进国家相比，我国在这个领域还有一定差距，但已经引起了国家有关部门和科学家们的重视，九五规划、国家自然科学基金、国家高技术产业规划都把虚拟现实技术VR列入了研究项目[11]。
国内一些高校和研究部门在紧跟国际先进技术的同时，也积极投入到了这一领域当中，并且取得了一定的研究成果。
清华大学计算机科学与技术系对虚拟现实和临场感方面进行了研究，在克服立体图闪烁的措施和深度感试验方面采用了一些独特的方法。
他们针对室内环境的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。
哈尔滨工业大学机械系在机构的三维运动仿真方面进行了不少研究，他们使用OpenGL开发的机构三维仿真软件成功地模拟出了一些常用机构的运动状态，并在此基础上加入了一些计算机辅助设计和分析的功能。
该校计算机系成功地摹拟出了人的脸部动作，如表情的合成和唇动的合成。
浙江大学CAD&
CG国家重点实验室开发出了一套桌面虚拟建筑环境实时漫游系统，实现了立体视觉，同时提供的交互工具使系统的真实感达到了较高的水平。
北京航空航天大学计算机系着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示和处理，在虚拟现实的视觉接口方面开发出了部分软硬件，提供了用于飞行员训练的虚拟现实系统。
西安交通大学信息工程研究所对立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比。
西北工业大学在基于UG的二次开发方面进行了不少研究。
西安理工大学机械与精密仪器学院在基于SolidWorks的二次开发方面也做了不少工作，开发了连杆机构和弧面分度凸轮的运动仿真软件。
上海交通大学图像处理及模式识别研究所，国防科技大学计算机研究所，北京工业大学CAD研究中心等单位也都在这一领域做了一定的工作，并取得了一定的研究成果。
综合国内外的研究现状，为了实现构件的造型和运动仿真，采用的方法归纳起来可分为三类：
:
（1）.开发专业的运动软件，这种方法可以进行多种机构的运动仿真和运动学、动力学分析。
这种方法的开发工作量大，开发周期长，开发的费用也很高，主要由专业的软件开发商来完成，具有代表性的软件有ADAMS。
（2）.利用具有真实感的应用软件进行三维实体造型和运动仿真，通常使用的软件是OpenGL和3DS，OpenGL是OpenGraphiesLib的缩写，它独立于硬件，独立于操作系统，包含有100多个图形函数，开发者可以通过这些函数建立三维模型。
由于OpenGL包含的图形函数的数量和功能有限，目前尚不适合构造比较复杂的机械零件，应用于运动仿真领域的也仅限于简单机构;
3DS是目前世界上应用最广泛的三维建模，动画，渲染软件，被广泛地应用于电视及娱乐业中，该软件功能强大，使用方便，但是造型结束后实体的形状和尺寸都不能被实时或交互更改，如果用于运动仿真就显得柔性不足。
（3）.针对成熟软件的二次开发方法。
这些成熟的软件包括AutoCAD（二维）、UG、Pro/E、SolidWorks（三维）等，其中AutoCAD二次开发多用于平面图形，很少应用与三维实体造型，其余几种软件本身就是工程软件，对机械零件的造型能力很强，其二次开发的接口也比较成熟，开发具有很大的灵活性，二次开发的产品很多己经进入工程使用阶段[14]。
本文基于SolidWorks进行车床的建模和运动仿真软件的开发，主要是从以下几方面考虑:
（1）SolidWorks是当今世界基于NT/Windows平台的三维机械CAD软件系统的主流产品，目前己在国内外中小型企业中得到广泛应用。
（2）易学、易用，操作过程直观、简单，功能强大。
（3）完全汉化，使用过程中无任何语言障碍。
（4）可向下兼容二维AutoCAD，使得以前采用AutoCAD进行的设计可以继续使用和转化。
（5）根据需求，可以很方便地利用VB和VC++对其进行二次开发。
（6）与其它三维设计软件系统具有非常好的兼容性。
1.3课题目的及所研究的主要内容
1.3.1课题的目的
机床是机械加工制造业的主要加工工具，要提高机床的加工质量、加工精度和生产效率，缩短机床产品的开发时间、降低开发成本和提高产品质量，必须要保证设计和装配质量。
因为良好的建模设计和装配仿真技术，对保证产品质量和可靠性，降低产品成本和提高竞争力具有十分重要的意义。
所以在产品开发过程中，建模和装配是最重要的环节之一，对装配问题考虑地越早，所获取的质量、成本和时间就越明显。
因此把建模技术和计算机仿真技术应用到机床产品的开发上来是刻不容缓的。
本课题就是旨在基于SolidWorks三维实体造型软件对CA6140车床系统进行虚拟装配及仿真分析研究。
1.3.2课题的主要工作内容
（1）三维环境下的零件建模与装配
为了实现机构的运动仿真，首先必须利用SolidWorks强大的实体造型功能构造出运动构件的三维模型，其中包括:
大、小齿轮，凸轮，杆等运动构件，以及轴、销等辅助构件，部分零部件可利于SolidWorks强大的数据库进行参数化设置，减少设计时间。
在完成建模后，结合各个部件间的配合特征，利用SolidWorks平台对各部件进行装配。
（2）实体机构的运动仿真
完成装配的机构还不能运动，只能维持装配时的状态，为了再现机构的实际运动，必须根据不同机构的特点，计算各个构件之间的相对位置。
根据各构件的相对运动关系，利用Animator插件通过节点的选择对其进行模拟仿真，从而模拟出了机构的运动状况。
通过控制计时器的参数和状态，可以实现机构运动的开始，暂停，反转，停止等操作。
另外，为了更清晰的展现每个机构的运动情况，各个机构还可以单独运动，使用户更清楚的了解每个机构的运动情况。
1.4CA6140车床简介
1.4.1CA6140车床简介
普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床类总数的65%。
作为最常见的一种，CA6140型普通车床的主要组成部件有：
主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。
1.4.2CA6140车床的传动系统
电动机经主换向机构、主变速机构拖动主轴。
主换向机构主要用于切削螺纹，主变速机构用于变速。
进给链（切螺纹时为螺纹链）从主轴开始，经进给换向机构、挂轮和进给箱内的进给变换机构、转换机构---光杠（普通车削）、溜板箱内的转换机构传至刀架；
或经丝杠和溜板箱内的螺母传至刀架。
2SolidWorks软件平台.
2.1SolidWorks及其二次开发技术简介
2.1.1三维造型软件SolidWorks简介
SolidWorks软件是在windows环境下开发的三维实体设计软件，它能够充分利用Windows的优秀界面，为设计师提供了简易方便的工作界面。
SolidWorks首创的特征管理，能够将设计过程的每一步记录下来，并形成特征管理树，显示在屏幕的左侧。
设计师可以随时点取任意一个特征进行修改，还可以随意调整特征树的顺序，以改变零件的形状。
由于SolidWorks全面采用Windows的技术，因此在零件设计时可以对零件的特征进行“剪切、复制、粘贴”等操作。
SolidWorks软件提供完整的、免费的开发工具（API），用户可以用微软的VB、VC++或其它支持OLE的编程语言建立自己的应用方案。
通过数据转换接口，SolidWorks可以很容易地将目前市场几乎所有的机械CAD软件集成到现在的设计环境中来。
SolidWorks是Windows原创的三维实体设计软件，全面支持微软的OLE技术。
它支持OLEZO的API后继开发工具己经改变了CAD/CAE/CAM领域传统的集成方式，使得不同的应用软件能集成到同一个窗口，共享同一数信息，以相同的方式操作，没有文件传输的烦恼。
SolidWorks软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的，该软件自1995年问世以来，先后共获得工业界的十几次大奖，这在同档次软件中是获奖次数最多的软件。
2.1.2基于SolidWorks的二次开发技术.
为了方便用户进行二次开发，SolidWorks提供了OLE应用程序开发接口SolidWorksAPI，其中包含有数以百计的功能函数，用户可以使用支持OLE编程的开发工具，如用VB、VBA、C、VC++等都能对这些功能函数进行调用，为程序员提供了直接访问SolidWorks的能力。
通过适当的方法调用SolidWorksAPI，应用其中丰富的函数进行二次开发，可以建立适合用户需要的专用SolidWorks运动仿真模块。
进行SolidWorks:
二次开发之前，还必须熟悉SolidWorksAPI对象。
SolidWorksAPI接口采用面向对象的方法，所有的函数都是有关对象的方法或属性。
SolidWorks提供了大量的API对象用于二次开发，这些对象涵盖了全部的SolidWorks的数据模型，通过对这些对象属性的设置和方法的调用，就可以在用户自己开发的DLL中实现与SolidWorks相同的功能和操作。
2.2SolidWorks插件
2.2.1PhotoWorks
PhotoWorks高级渲染软件与SolidWorks完全集成。
PhotoWorks软件用于产品真实效果的渲染，可产生高级的渲染效果图，该软件使用非常方便，设计人员可以利用渲染向导一步步完成零件或装配真实效果的渲染。
利用PhotoWorks可以进行以下几种渲染：
（1）设置模型或表面的材质和纹理
（2）为零件表面贴图
（3）定义光源、反射度、透明度以及背景景象
（4）利用现有的材质和纹理定义新材质或纹理
（5）图像可以输出到屏幕或文件
（6）可以进行实时渲染
2.2.2FeatureWorks
FeatureWorks特征识别软件与SolidWorks完全集成。
大部分三维设计软件都提供了数据接口，利用数据接口可以读入标准格式的数据文件，如IGES、EAT等。
但输入到设计环境中的模型只是一种实体的模型，无法区分输入模型的特征，对模型的修改很不方便。
利用FeatureWorks可以在SolidWorks的零件文件中对输入的实体特征进行识别。
实体模型被识别为特征以后，在SolidWorks中以特征的形式存在，并和用SolidWorks软件生成的特征相同。
FeatureWorks对静态的转换文件进行智能化处理，获取有用的信息，减少了重建模型所花费的时间。
FeatureWorks最适合识别规则的机加工轮廓和钣金特征，其中包括拉伸、旋转、孔和拔模等特征。
（1）拉伸特征，特征的轮廓是由直线、圆或圆弧构成
（2）圆柱或圆锥形状的旋转特征
（3）所有孔特征，包括简单孔、螺纹孔和台阶孔
（4）筋和拔模特征
（5）等半径圆角
2.2.3COSMOSXpress
SolidWorks为用户提供了初步的应力分析工具——COSMOSXpres，利用它可以帮助用户判断目前设计的零件是否能够承受实际工作环境下的载荷。
SolidWorks2003集成了CosmosXpressm，可以让工程师在设计过程中可以体验仿真分析的效果。
而SolidWorks2008中将提供CosmosMotionXpress（运动仿真分析）、CosmosFloXpress和DFMXpress（可制造性的分析）等模块，使得工程师能够更好地进行设计验证，COSMOSXpress是COSMOS/Works产品的一部分。
2.2.4Toolbox
Toolbox与SolidWorks完全集成的智能化标准零件库。
Toolbox提供了如ISO、DIN等多标准的标准件库。
利用标准件库，设计人员不需要对标准件进行建模，在装配中直接采用拖动操作就可以在模型的相应位置装配指定类型、指定规格的标准件。
设计人员还可以利用Toolbox简单地选择所需标准件的参数自动生成零件。
Toolbox提供的标准件以及设计功能包括以下多种：
（1）轴承以及轴承使用寿命计算。
（2）螺栓和螺钉、螺母。
（3）圆柱销。
（4）垫圈和档圈。
（5）拉簧和压簧。
（6）PEM插件。
（7）常用夹具。
（8）铝截面、钢截面梁的计算。
（9）凸轮传、链传动和皮带传动设计。
2.3SolidWorks在产品设计中的功能
SolidWorks软件在产品设计中的基本功能体现在以下几个方面。
（1）零件设计
生成草图特征，包括凸台、凹槽以及冲压的、旋转的、沿二维草图扫掠过的或两个平行截面间拼合的槽。
生成标准特征，包括孔、倒角、圆角、壳、规则图、法兰盘、棱、筋等。
草图装饰特征。
生成参考基准面、轴、点、曲线、坐标以及非实体参考基准的图。
修改、删除、压缩、重定义和重排列特征以及只读特征。
通过生成零件尺寸和参数的关系获得设计草图。
在模型上给定密度、单位、材料特性或用户专用的质量特性。
可以通过SolidWorks定义高级特征以增强系统功能。
（2）装配设计
使用重合、交叉、对齐等命令生成装配和子装配，终生成整个产品的装配。
从一个装配中拆开装配的组件。
修改装配时设置的偏移。
生成和修改装配的基准面、坐标系和剖面图。
修改装配模型中的零件尺寸。
产生工程信息、参考尺寸和装配质量等特性参数。
（3）通用功能
用于距离的测量，几何角度、间隙和在零件间以及装配时的干涉检查。
对于扫视、变焦距、旋转、阴影、重新定位模型和绘图的观察能力。
2.4三维实体零件的建模
2.4.1参数化建模方法（参数化设计）
在SolidWorks中参数化建模可以通过两种方法实现，一种方法是用户根据需要直接用程序生成需要的模型，称为完全程序化参数建模;
另一种方法是利用已有的模型，通过修改模型参数的方法得到需要的模型，称为参数修改法建模。
（1）完全程序化参数建模
采用程序方法进行建模时，建模的过程完全由程序进行控制，相当于将手动分步建模的过程由计算机连续完成。
理论上讲，凡是手工建模能够完成的复杂模型都可以用这种方法生成。
完全程序建模的方法特别适合生成具有多
升级会员 