基于PROE的螺旋机构的建模与分析.docx
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基于PROE的螺旋机构的建模与分析
攀枝花学院专科毕业论文（设计）
基于Pro/E的CA6140A机床螺旋机构的建模与分析
学生姓名：
伏蓉
学生学号：
200921205010
院（系）：
工程技术学院
年级专业：
09级机电一体化技术
指导教师：
张健讲师
助理指导教师：
二零一二年五月
摘要
螺旋传动是一种重要的传动方式，每个机床都有螺旋传动机构。
机床中运用的一般是传导螺旋和调整螺旋，传导螺旋用在机床的刀架和工作台的进给机构中，而调整螺旋起到微调的作用。
典型的螺旋运动方式是丝杠转动、螺母移动。
利用传动均匀、平稳、准确的优点，以传递运动为主，有较高的传动精度，可承受较大的轴向负荷，主要用于高速回转、连续工作、要求高效率、高精度的场合，如机床的刀架和工作台的进给机构。
本文主要研究螺旋传动及其在机床上的应用，将机床中的螺旋机构运用PRO/E绘图软件进行建模，为机床螺旋机构的设计及优化提供一定的理论依据。
关键词机床，螺旋机构，PRO/E软件，建模，机构分析
ABSTRACT
Screwdriveisanimportanttransmissionmodel;eachmachinehasascrewdrivemechanism.Machineisgenerallyconductedintheuseofscrewandadjuststhescrew,screwtransmissionusedinthemachinetoolholderandthetablefeedmechanism,whilefine-tuningadjustmentscrewplayarole.
Atypicalwaytospreadspiralscrewrotation,thenutmoves.Usingtransmissionuniform,smooth,accurateandadvantages,themainmotiontopass,ahighertransmissionaccuracy,andcanbearlargeaxialload,mainlyforhigh-speedrotation,continuousworλ,requiringhighefficiency,highprecisionoftheoccasion,Ifthemachinetoolholderandthetablebodyinstitutions.
Thismainscrewdriveanditsapplicationinthemachine,themachinescrewmechanismintheuseofPRO/Emodelmappingsoftwareontheline,andtheirbodiesonthelinesomebriefanalysisforthemachinedesignandoptimizationofscrewmechanismprovidesatheoreticalbasis.
ΛeywordsMachinetools,screwmechanism,PRO/Esoftware,modeling,institutionalanalysis
1绪论
1.1课题的提出及研究意义
改革开放后我国是生产和使用机床最多国家之一,我国的机床工业在技术上、产量上发展迅猛。
用户遍布各行各业的同时还陆续出口。
由于经济稳定发展、科技不断提升、机床市场需求越来越旺盛，在2001年—2010年的10年间，金属切削机床产量倍增；数控机床和加工中心产量，增长速度更是惊人。
在世界四大国际机床展上，新品种更是琳琅满目，彰显出中国机床工业的欣欣向荣而且越来越国际化。
如果说机床的发展是整个机械工业发展的基础，那么车床的发展对整个机械工业的发展更是有不可估量的贡献和影响。
机床中最普遍的是车床，约占整个机床产量的1/4以上。
就中国机械业的发展来看，普通车床立下了不朽的功劳，车床中最典型的就是CA6140A型普通卧式车床。
CA6140A型普通卧式车床为目前最常见的型号之一，是我国自行设计制造的机床。
该机床通用性好，适用于加工各种轴类，套同类，轮盘类零件的回转面。
1.2国内外的应用现状及发展趋势
从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给制造业带来了革命性的变化，数控加工技术具有柔性好加工精度高、生产效率高，减轻操作者劳动强度，改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高的优点。
数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要设备。
进入21世纪，我国经济与世界全面接轨，机械业也受世界的影响，数控技术迅猛发展，传统的机械制造业受到很大的冲击，各种数控设备以日新月异的速度出现，进入各种制造领域，很多普通机械设备被陆续的取代。
但就中国的机械制造业的应用现状来说，普通机床在未来的几年乃至10年内还不会被数控及全自动化的机械取代，普通机床仍有其重要的作用，就CA6140A来说，它没有数控车床精度高，生产效率高，它靠齿轮和丝杆螺母副传动，再加上运动副之间存在间隙，手工操作不准确，重复精度较低。
测量时需停车后手工测量，测量误差较大。
但是它适合批量较小，精度要求不高，加工范围很广，通用性很好。
它的投资较数控车床来看低很多很多，因而降低了生产成本，比如说，一家机械厂生产一套组装设备，那些件数少的零件就可以用CA6140A这类型的普通车床来加工。
再比如说当一套设备生产并组装好后，发现还缺少一个小法兰盘之类的小零件，这就是CA6140A显示本事的时候，如果这时动用数控车床，就像是杀鸡用牛刀，大材小用，费钱费神。
而且数控车床的维护保养和维修费用和普通车床相比会高出很多，所以就此情况再结合中国现在的机械业发展情况来说，普通车床还暂时不会被完全淘汰，仍有其生存之道。
1.3CA6140A机床的螺旋机构模型
机床中的螺旋机构重要集中在刀架和工作台的移动上（如图1.3所示），无论是普通的机床还是现在较为先进的数控机床，螺旋传动都运用去其中。
机床的一个基本要求就是对于精度的要求，那么生产一个零件，需要按各种工业行业标准切割磨削钻，一个小小的零件往往需要几十道复杂的工序，而这一切都是为了保证生产出来的产品的质量，而精度的高低又是一个重要的评定标准。
在加工过程中，机床刀具的上下左右的偏移等各种复杂动作的产生，就得依靠螺旋传动。
我们熟知的丝杆就是一个螺旋传动装置，普通的机床运用的是滚动螺旋传动，利用它，我们就能车螺纹。
螺纹一般是标准配件，所以精度要求高，这就要求我们的机床的螺旋传动需要一定的传动精度性。
综上所述，对于机床的螺旋机构的研究也就有了很重要的意义。
图1.3螺旋机构模型
1.4机床中的螺旋机构传动装置
溜板部分的机动进给操作
CA6140A型车床的纵、横向机动进给（feed）和快速移动采用单手柄操纵。
自动进给手柄在溜板箱右侧，可沿十字槽纵、横扳动，手柄扳动方向与刀架运动方向一致。
手柄在十字槽中央位置时，停止进给运动。
溜板箱正面右侧有一开合螺母操作手柄，用于控制溜板箱与丝杠之间的运动联系。
车削非螺纹表面时，开合螺母手柄位于上方；车削螺纹时，压下开合螺母手柄，使开合螺母闭合并与丝杠啮合，将丝杠的运动传递给溜板箱，使溜板箱、床鞍按预定的螺距（或导程）作纵向进给。
车完螺纹应立即将开台螺母手柄扳回原位。
车床尾座进给机构
沿床身导轨手动纵向移动尾座至合适位置，逆时针方向扳动尾座紧固手柄．将尾座固定。
注意移动尾座时用力不要过大。
逆时针方向转动套筒锁紧手柄（松开），摇动手轮，使套筒作进、退移动。
顺时针方向转动套筒锁紧手柄，将套筒固定在选定的位置。
丝杠螺母进给机构
横向进给丝杠的作用是将机动或者手动运动经过螺母传动传给刀架获得横向进给运动。
横向进给丝杠的右端支撑在滑动轴承上的，以此实现径向和轴向的定位。
同时还可以利用螺母来调整轴承的轴向间隙大小。
大小刀架进给机构
刀架的进给机构原理是通过一个滑动螺旋机构来实现刀架进给运动。
1.5.螺旋机构的研究现状
运用Pro/E软件对机床螺旋机构进行三维实体建模及装配,运用Pro/E的Mechanism模块对机床螺旋机构进行运动仿真分析,得出螺旋机构传动的位移、速度、加速度随时间的变化曲线。
利用该方法可以使得设计人员快速、直观的对机床螺旋机构进行优化设计。
40多年来，我国在建模与仿真（ModelingandSimulation）方面发展迅速并取得了很大成就。
建模与仿真技术的应用已扩展到产品的全生命周期:
方案论证、设计、制造、试验、使用、维护和训练。
建模与仿真技术最早应用于自动控制领域，飞机、导弹的飞行控制、制导系统采用数学仿真和半实物仿真进行分析试验，同时采用的是模拟计算机和面向方程的建模方法。
实践证明，建模与仿真所能应用的领域，都极大地促进了该领域的发展。
所以人们就开始把其应用于传统的机械系统中，从20世纪90年代至今，我国的研究人员对建模与仿真技术开展了研究，包括分布交互仿真、虚拟现实仿真、基于仿真的设计、虚拟样机、建模与仿真的重用和互操作性，以及分布虚拟环境等。
近几年随着计算机技术的迅速发展，新的建模与仿真技术也应运而生，其极大地推动了机械行业的发展，提高了经济效益。
1.6论文的主要工作
本课题以机床的螺旋机构为研究对象，以PRO/E为开发平台，建立螺旋机构模型，由于PRO/E软件本身具有CAE模块，这样可以直接在PRO/E的结构分析模块下，对螺旋机构进行相应的运动、动力学和参数化分析，研究其运动精度以及适用寿命，为机床的发展提供帮助。
本文的主要内容有：
对于机床、PRO/E软件、PRO/E建模与参数化分析和螺旋传动知识的相关介绍，以及螺旋传动应用于机床螺旋机构的原理，运用PRO/E绘图软件对机床螺旋机构进行建模，对于螺旋机构的简要分析。
2机床简介
2.1CA6140A卧式车床概述
CA6140A卧式车床是在CA6140卧式车床的基础上不断改进完善，发展的新品种。
CA6140A卧式车床采用齿轮有级变速，变速范围较宽，加工范围大，可在低速时加工大模数蜗杆，并有高速细进给量；主轴孔径较大，看通过较粗的加工棒料。
CA6140A卧式车床是一种主轴水平布置，用于车削圆柱面、圆锥面、端面、螺纹、成形面等使用范围较广的车床。
卧式车床的精度等级共划分为三种等级，即普通精度级P，精密级M和高精度级。
CA6140A卧式车床的精度符合国家标准GB/T4020-1997《卧式车床精度检验》的要求。
2.2CA6140A卧式车床的技术资料
（1）产品规格：
400X1000
（2）产品描述：
本系列车床适用于车削内外圆柱面，内锥面及其它旋转面。
车削各种公制、英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔和拉油槽等工作。
2.3CA6140A卧式车床结构部件及功能
（1）主轴箱。
它是装有主轴的箱形部件。
主轴箱固定在床身的左端，内部装有主轴和变速传动机构。
工件通过卡盘等夹具，装在主轴前端。
在主电动机驱动下，动力经主轴箱的变速传动机构传给主轴，使主轴带动工件按规定的转速旋转，实现主运动。
（2）进给箱。
它是装有进给变换机构的箱形部件。
作用是变换进给量，并把运动传给溜板箱。
（3）溜板箱。
它是用于驱动溜板移动的传动箱。
作用是带动刀架实现纵向和横向进给、螺纹切削运动或快速移动。
（4）刀架。
它也称方刀架，主要用于安装刀具，并可作移动或回转。
可同时安装四把刀具，可快速手动换刀，按需要手动转位使用。
（5）尾座。
主要配合主轴箱支承工作或加工工具的部件。
功能是用后顶尖支承长工件；还可以在尾座套筒内安装钻头、铰刀等孔加工工具，采用手动进给进行空加工；也可横向调整尾座体车削锥轴。
（6）床身。
它是用于支承和连接若干部件。
部件都安装在床身上以保持部件相互位置精度。
2.4CA6140A卧式车床的主要参数
表2.1CA6140A卧式车床的主要参数
床身回转直径
mm
400
刀架上回转直径
mm
210
马鞍内回转直径×有效长度
mm
-
最大工件长度/最大车削长度
mm
750/650
主轴中心至床身平面导轨距离
mm
205
主轴孔径/主轴孔前端锥度
mm
φ52/莫氏圆锥6号
主轴转速级数 正转/反转
24/12
主轴转速范围
正转
r/min
50Hz:
11-1600
60Hz:
12-1680
反转
r/min
50Hz:
14-1580
60Hz:
16.8-1896
纵向进给量范围（64种）
标准进给
mm/r
0.08-1.59
小进给
mm/r
0.028-0.054
加大进给
mm/r
0.86-3.16
横向进给量范围（64种）
标准进给
mm/r
0.04-0.79
小进给
mm/r
0.014-0.027
加大进给
mm/r
0.86-3.16
刀架纵/横向的快移速度
m/min
纵向4
横向2
加工螺纹范围
公制螺纹44种
mm
1-192
模数螺纹39种
mm
0.25-48
英制螺纹21种
牙/寸
2-24
径节螺纹37种
1-96
上/下刀架最大行程
mm
140/320
刀架转盘回转角度
°
±90
主轴中心线至刀具支承面距离
mm
26
刀杆截面尺寸
mm
25×25
尾座主轴直径×行程及主轴孔锥度
mm
75×150/莫氏圆锥5号
丝杠螺距
mm
12
主电机功率
λW
7.5
主机净重（约）
λg
1990
主机轮廓尺寸（长×宽×高）
mm
2418×1000×1267
2.5CA6140A机床运动和传动
2.5.1机床的运动
根据在切削过程中所起的作用来区分，切削运动分为主运动和进给运动。
主运动：
是形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动。
进给运动：
是使工件的多余材料不断被去除的工作运动。
切削过程中主运动只有一个，进给运动可以多于一个。
主运动和进给运动可由刀具或工件分别完成，也可由刀具单独完成。
机床的运动除了切削运动外，还有一些实现机床切削过程的辅助工作而必须进行的辅助运动。
2.5.2机床的传动
机床的传动机构指的是传递运动和动力的机构，简称为机床的传动。
机床的传动方式按传动机构的特点分为机械传动、液压传动、电力传动、气压传动以及以上几种传动方式的联合传动等。
按传动速度调节变化特点将传动分为有级传动和无级传动。
2.6机床的传动系统
传动系统也叫传动链，他有首末两个端件。
首端件又叫主动件，末端件又叫从动件。
每一条传动系统从首端件到末端件都是按一定传动规律组成，这就是传动比，以此来保证机床的性能。
一般的机床传动系统按其所担负运动的性质可分为主运动传递系统，进给运动传递系统和快速空行程传动系统三种。
3螺旋机构的分析
3.1螺纹的形成
一条直线AB平行地绕在圆柱的表面就形成了螺旋线，一个平面图形（如三角形、梯形、矩形等）绕着圆柱面上的螺旋线运动，形成的圆柱螺旋体称为螺纹。
如图3.1所示。
刀具在圆柱（或者圆锥）外表面加工所形成的螺纹称为外螺纹；在圆柱或者圆锥内表面加工所形成的螺纹称为内螺纹。
内外螺纹应成对使用。
图3.1螺纹的形成图
3.2螺纹基本要素
螺纹的基本要素包括牙型、公称直径、旋向、线数、螺距五个要素（如图3.3）。
五个要素都相同的内外螺纹才可以旋合。
（1）牙型
沿螺纹轴线方向剖开i，所得到的螺纹牙齿剖面的形状称为螺纹的牙型。
常见的牙型有三角形、矩形、梯形、锯齿形等（如图3.2）。
图3.2螺纹牙型
（2）螺纹的直径
大径D：
螺纹的最大直径，也称为公称直径。
是与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相切的假象圆柱面的直径。
小径D1：
计算直径，是与外螺纹牙底或者内螺纹牙顶相重合的假象圆柱的直径。
中径D2：
确定螺旋几何参数和配合性质的直径，是母线通过牙型沟槽和凸起宽度相等处的假象圆柱的直径。
（3）旋向
螺纹有右旋和左旋两种。
内外螺纹旋合时，顺时针旋入的为右旋，逆时针旋入的为左旋。
常见的是右旋螺纹，左旋螺纹用在重要的场合。
图3.3螺纹旋向
（4）线数
螺纹有单线和多线之分。
当圆柱面上只有一条螺旋线时所形成的螺纹称为单线螺纹，两条或者以上在轴向等距离分布的螺旋线形成的螺纹称为多线螺纹。
图3.4线数
（5）螺距P和导程S
螺纹相邻两牙在中径线上对应的两点之间的轴向距离称为螺距。
同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点之间的轴向距离。
称为导程。
单线螺纹的螺距等于导程，多线螺纹的螺距P=S/n。
图、3.5螺纹要素
3.3螺旋传动的工作原理
螺旋传动式利用丝杠和螺母组成的螺旋副来实现传动要求。
它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。
根据丝杠和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式，主要有两种：
（1）丝杠转动，螺母移动，多用于机床的进给机构中；
（2）螺母固定，丝杠转动并移动，多用以螺旋起重器或螺旋压力机中。
图3.6螺旋传动的运动形式
3.4常用设备的螺旋机构
螺旋机构被广泛的应用于各种机械的传动机构中。
如起重机的螺旋起重装置，螺旋压力机的加压装置，机床刀架或者工作台的进给机构，仪表、测试装置的螺纹微调机构等。
3.5螺旋传动的类型和特点
（1）螺旋传动按其用途分为
①传力螺旋
典型的形式为螺母固定、丝杠转动并移动。
利用传动增力的优点，以传递能量为主，讲较小转矩转换成较大的轴向推力。
用于高速回转、连续工作、要求自锁的场合，如螺旋起重器，螺旋压力机等。
②传导螺旋
典型的形式为丝杠转动、螺母移动、利用传动均匀、平稳、准确的优点，以传递运动为主，有较高的传动精度，可承受较大的轴向载荷，主要用于高速回转、连续工作、要求高效率、高精度的场合，如机床的刀架和工作台的进给机构等。
③调整螺旋
典型的是丝杠转动并移动、螺母移动的形式。
调整螺旋以调整、固定零件间的相互位置为主、调整螺旋主要用于不经常转动，要求自锁的机构中，如机床、仪表、测试装置中的微调螺旋，轧钢机的螺旋压力机构。
（2）按螺旋副的摩擦性质分为：
①滑动螺旋
结构简单，制造方便，工作平稳，易于自锁。
但摩擦阻力大传动效率低，定位精度差，磨损较快，主要应用于对传动精度和效率要求不高的场合。
②滚动螺旋
是在螺旋副中的滚道内填充滚珠，是螺旋副中的滑动摩擦变为滚动摩擦。
这种传动的摩擦力小，传动精度和传动效率高。
按滚珠的循环方式分为内循环和外循环两种。
滚动螺旋传动在汽车和拖拉机的转向机构中早已得到广泛的应用。
因为滚动螺旋传动具有传动精度高，传动效率高的特点，目前应用日益广泛，比如飞机的机翼和起落架的传动控制机构、水闸的升降机构和数控机床等。
③静压螺旋
在螺旋副中注入高压油。
克服了滑动螺旋传动的缺点，是传动效率较高，但是结构复杂，无自锁性能，成本较高。
只使用与高效率、高精度的重要传动中。
3.6螺旋传动的受力分析
螺旋机构是斜面机构的一种特殊形式，它是将升角为a的斜面绕在圆柱体上形成的，如图3.7所示。
由于斜面形成的螺旋机构是方牙螺旋，所以螺旋机构的受力分析同斜面机构完全相同。
图中滑块相当于螺母的一部分，它是沿斜面上升的运动相当于螺母在螺旋上旋动，即拧紧螺母。
Fq是拧紧螺母时所受的轴向力，它相当于斜面机构中滑块的载荷。
图3.7螺旋机构的受力分析
水平推力F是拧紧螺母时所加的外力，假定作用在螺纹中径D2上，如图3.7所示。
当拧紧螺母时，由公式可求出水平推力F的大小为
研究机构时，通常用力矩表示，根据力矩的概念可以求出作用在螺母上的力矩为
对于起重螺旋来说，都是通过手柄来拧动螺旋的，所以在手柄长为L时，加于手柄上的力P0应为
因为
所以
由此公式可知，加载手柄上的力P0铜螺母所受的载荷Fq、螺母中径D2和螺旋升角a成正比，与手柄长度成反比。
这就是说，载荷Fq越大，或是螺旋中径D2及升角a越大，则所需的力P0也越大，当手柄长度L越长，力P0就可以越小。
前面讲的是拧紧螺母时的情况。
防止螺母拧紧后部自动退回所需的力P＇也和斜面机构一样，由公式得
防松时螺母上的力矩应为
自锁条件亦同斜面机构一样为α＜ψ
4基于Pro/E的建模
4.1PRO/E简介
Pro/Engineer简称PRO/E,该操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。
Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。
是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决牲的相关性问题。
另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。
PRO/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。
它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。
4.2Pro/E软件模块组成
Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。
Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：
筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。
这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。
这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。
造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。
Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的功能。
它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（人工）和工程制图能力（不包括ANSI，ISO，DIN或JIS标准），并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。
Pro/Engineer功能如下：
（1）特征驱动（例如：
凸台、槽、倒角、腔、壳等）；
（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；
（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计；
（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro／PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）；
（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。
其它辅助模块将进一步提高
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