數控鋁帶繞片機傳動部分的結構設計及運動仿真論文

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1、數控鋁帶繞片機(傳動部分)的結構設計 及運動仿真摘 要隨著機械產品功能要求日益增多，產品更新換代的周期縮短，使得傳統的設計方法逐漸被現代設計方法所取代。繞片機是生產鋁片翅片管的專用設備，鋁帶翅片管是指金屬外表面繞有連續薄帶狀的螺旋形金屬鋁片，利用繞片進行熱交換的一種換熱元件。這種翅片管是目前國內外一致公認的一種新型高效熱交換元件，是先進的節能產品。而我國現有的繞片機多屬于半機械半手工的操作方式，效率低、質量不穩定、規格少。因此有必要對鋁帶繞片機進行結構設計研究。針對國內外翅片管生產設備的情況，并結合現在市場對繞片機的需求狀況，我校自行開發了數控鋁帶繞片機。解決了傳統繞片機的半機械、半手工的操作

2、方式，效率低，質量不穩定，規格少的問題；實現了產品螺距的無級調速，并可實現程序管理、參數預設置、自動和手動的功能。能夠有效地提高企業的生產效率和自動化水平，并最終提高企業在市場上的競爭力。本文主要介紹該設備的工作原理、傳動部分的結構設計及三維造型及裝配與仿真過程。本文從數控鋁帶繞片機的功能要求出發，對各個部分的功能進行了研究，系統闡述了數控鋁帶繞片機的總體設計、運動方案、結構設計及數控鋁帶繞片機傳動部分相關零件的設計計算，本文以CATIA為三維設計平臺對數控鋁帶繞片機傳動部分進行計算機的輔助設計，并且，在CATIA平臺上對傳動部分進行裝配和運動仿真。關鍵詞 數控鋁帶繞片機；CATIA；傳動機構

3、；翅片管The Structural Design and Simulation of the Numeric Control Aluminous-Winding Machine (Passing Mechanism) Abstract Numeric control aluminous-winding machine is an automatic machine used to produce aluminous swing piece tube utilizing electromotor, hydraulic pressure equipment. Aluminous swing pi

4、ece tube is a heat-exchanging component exchanging heat utilizing the aluminous piece which is enwound on the surface of a metal tube. It is admitted nationally and internationally nowadays that the swing piece tube is the most advanced power-saving product in heat-exchanging area, and a high effici

5、ent heat-exchanging component. Based on the basic situation of its producing equipment nationally and internationally, designed a numeric control aluminous-winding machine, in this paper, and mainly introduced the working principle of this equipment, the structure design and the 3D modeling of pass

6、mechanism of the aluminous-winding machine. It briefly introduced the background of the product in prolegomenon, and then stated the overall design, and the part design, the design of 3D model assembling, mechanism movement simulation of numeric control aluminous-winding machine based on CATIA. With

7、 the CAD (computer aided design) of numeric control aluminous-passing machine utilizing CATIA, and through modeling, assembling, we can valuate and judge the overall layout and architecture of the system, and can also change the scale and shape of parts conveniently. It introduce typical model spare

8、 parts , organization of 3D design set up mold , assemble and application CATIA to carry on NC numeric control aluminous-passing machine in detail.Keywords Numeric control aluminous-winding machine; CATIA; Passing mechanism; Wing piece tube 目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 數控鋁帶繞片機背景及其設計需求11.2 課題研究的目的和意義21.

9、3 主要工作內容21.4 本章小結2第2章 傳動部分的設計32.1 總體要求32.2 運動方案設計42.3 結構設計52.4 設計計算62.4.1 進給輪的結構設計62.4.2 同步帶的設計計算92.4.3 齒輪齒條的嚙合傳動設計計算102.5 本章小結11第3章CATIA簡介123.1 CATIA功能介紹123.2 CATIA V5的概貌123.3 CATIA功能介紹133.4本章小結15第4章 三維造型及裝配164.1 三維設計流程164.2 零件設計建模164.3 零件的裝配224.3.1 裝配的基本概念224.3.2 主軸箱的裝配234.4 本章小結28第5章 數字模型仿真295.1數

10、字仿真概述295.2 數字模型仿真過程295.3本章小結36結論 37致謝38參考文獻39附錄.40千萬不要刪除行尾的分節符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行- V -38 第1章 緒論千萬不要刪除行尾的分節符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行1.1 數控鋁帶繞片機背景及其設計需求 數控鋁帶繞片機是生產散熱器用繞片管的專用生產線，繞片管是指金屬外表面繞有連續薄帶狀的螺旋形金屬翅片，利用翅片進行熱交換的一種換熱元件。這

11、種繞片管是目前國內外一致公認的一種新型高效熱交換元件，是先進的節能產品，可廣泛應用于冶金、石油、化工、電站等行業的熱交換器及各種散熱器、暖風機等設備上。由于我國現有生產線多屬于半機械半手工的操作方式，效率低、質量不穩定、規格少、不能滿足用戶日益增長的對質量、品種和規格的要求，因而對數控鋁帶繞片機的開發就顯得尤為重要。 我國對繞片機的大量使用從80年代開始，但多數為引進設備。由于繞片管是空氣冷卻器管束上的最基本、最重要的熱交換元件，隨著我國空調、制冷業的發展，對繞片管的需求量日益增加，作為繞片管生產的專用設備，繞片機僅靠進口已不能適應市場競爭的要求。為此，我國各企業，如開封市紅日散熱器廠、哈爾濱

12、空調機廠等，都紛紛開發、研制了適合自己企業發展的設備，并取得了較好的經濟效益。經過不斷的改進和完善，繞片機的性能和各項參數都得到了很大的提高，但這些改進多數都只限于對機械結構的改進，繞片機自動控制能力相對較低。早于我國，70年代初期，美國Mcelory公司就已經開始研制繞片機。目前，該公司的繞片機已具備PLC控制和自動化加工功能?，F在國外已經有成型的數控繞片管生產線，它能完成不同管徑和翅片螺距的繞片加工，實現螺距的無級調整，而且操作方便，可實現程序管理、參數預設置、數控、手動等功能，并且加工零件的精度高、精度一致性好，加工質量穩定，廢品率降低。因而，針對國內企業的實際情況，借鑒國外先進技術，開

13、發數控鋁帶繞片機顯得尤為迫切。開發后的數控鋁帶繞片機的控制系統以可編程控制器（PLC）為核心，并結合運動控制軸卡來對繞片管生產線進行自動控制。并且其主要性能和要求均可達到國內領先水平，將填補國內相關領域的空白，特別適合國內中小型企業使用。在本文中主要介紹其繞制機構結構外形方面的設計，及其整體的機械運動仿真，以校對整個機械運動的可行性及結構的正確與否。1.2 課題研究的目的和意義本課題是在數字化平臺上設計的一種新型鋁帶繞片機，開發后的機床功能齊全，使用可靠，并采用開放性數控系統為核心的控制系統總體結構。根據數控控制鋁帶繞片機的要求，進行機床機械結構、上下料裝置設計及工藝設計。在以往的基礎上進行改

14、進和創新，具體表現在以下幾個方面：1.實現不同管徑和長度鋼管繞片的數控控制和鋁帶螺距的無級調整。2.用數控控制系統代替原來的手工操作，提高加工精度。3.通過數控控制，減少人為操作造成的誤差。4.提高企業的自動化程度，提高生產效率和加工精度，大大降低了企業的生產成本。5.易于調整，所需調整時間少。6.采用報警裝置，當發生故障時，可以得到及時的處理，減少損失。數控鋁帶繞片機實現生產過程的自動化、智能化，提高控制精度，穩定加工質量，提高了企業的自動化程度，提高生產效率和加工精度，其換熱元件的傳熱效率可提高30%，生產率提高6倍，直接節約原材料（鋁帶）15%，從而更好地滿足客戶對產品的需求，大大降低了

15、企業的生產成本，提高了企業的效益和市場競爭力，是一項極具開發潛力的項目。該數控鋁帶繞片機的主要性能和要求均可達到國內領先水平，將填補國內相關領域的空白。本論文主要是用運動仿真來研究鋁帶繞片機的結構問題。1.3 主要工作內容本文主要是在熟悉了數控鋁帶繞片機的工作原理及學習了CATIA軟件的三維設計部分以后，進行數控鋁帶繞片機（傳動部分）零件三維圖設計，二維工程圖；重點完成了數控鋁帶繞片機的傳動部分裝配及運動仿真。1.4 本章小結本章主要闡述了數控鋁帶繞片機在國內外的發展情況，根據數控鋁帶繞片機的發展趨勢，闡述了研制數控鋁帶繞片機的意義和設計需求。第2章 傳動部分的設計2.1 總體要求數控鋁帶繞片

16、機是生產散熱器用翅片管的專用設備，其結構主要包括自動上料裝置、自動傳送裝置、自動加工裝置和自動下料裝置，整個設備受程序控制，自動完成加工工作。自動上料裝置由六個液壓缸的同步回路驅動擺動液壓缸實現；自動傳送裝置通過液壓缸組與支撐機構的緊密結合來實現復雜的機械運動，支撐液壓缸組由五組液壓缸的同步回路配合機械裝置來實現鋼管的加工和下料的傳送，繞制完成后依靠保護套與減震液壓缸組回路的配合來保證加工質量；自動加工裝置和自動下料裝置的控制主要用電機來實現，電機的轉速由變頻器來控制，通過對電機進行不同轉速調節，從而實現了翅片管螺距的無級調整，在設計中為了提高翅片管的加工精度和質量，本論文中采用變頻器來控制電

17、機的不同轉速1。數控鋁帶繞片機是生產散熱器用翅片管的專用生產線，翅片管是指金屬外表面繞有連續薄帶狀的螺旋形金屬繞片，利用繞片進行熱交換的一種換熱元件。這種翅片管是目前國內外一致公認的一種新型高效熱交換元件，是先進的節能產品。由于原鋁帶繞片機屬于半機械半手工的操作方式，其自動化水平低，生產能力和加工精度有限。我們將采用運動控制軸卡結合可編程控制器(PLC)為核心的控制系統總體結構，對運用PLC實現變頻調速器多電機控制的原理進行系統設計；根據數控鋁帶繞片機的要求，進行傳動機構的結構設計。其結構簡圖如圖2-1所示：圖 2-1 數控鋁帶繞片機簡圖在以往的基礎上進行改進和創新，具體表現在以下幾個方面：

18、1.實現不同直徑和長度基管繞片的自動控制和鋁帶螺距的無級調整。2.用自動控制系統代替原來的手工操作，提高加工精度。3.通過自動控制，減少人為操作造成的誤差。4.提高企業的自動化程度，提高生產效率和加工精度，大大降低了企業的生產成本 。5.機器發生故障時，便于方便修理。6.采用報警裝置，當發生故障時，可以得到及時的處理，減少損失。2.2 運動方案設計基管在繞制過程中，其上面的鋁片是由直線狀態被強制擠壓成螺旋狀態的，由于鋁片跟基管相比，其剛度小得多，容易成型，因此鋁片對基管的影響不大，實現起來比較容易。鋁片的繞制過程中，基管被夾緊在三個驅動輪的中間，當外部給驅動輪一個轉動力，那么這組驅動輪就會帶動

19、基管以基管的中心作圓周運動，這樣就實現了基管的自身回轉運動。纏繞在基管上鋁片的螺距調節主要是靠主軸箱軸向運動速度來實現，基管本身是跟床身沒有相對運動的，因此改變主軸箱的水平運動速度就能實現鋁片的螺距調節?；艿淖陨砘剞D運動和機頭水平運動是靠兩個獨立的電機完成的，根據用戶的需求用變頻器來控制電機的轉速，就能實現多種螺距的無級調整。速度分析如圖2-2。鋁片螺距與電機轉速之間邏輯公式推斷如下 （2-1） 1 = （2-2）=1 （2-3） 設n為使基管旋轉的電機轉速r/min1基管軸向運動的速度驅使機頭動架水平運動電機動的轉速度，P鋁片螺距，圖2-2 速度分析圖旋轉電機角速度，傳動絲杠的螺距，2.3

20、 結構設計 為了實現基管的自身回轉及卡緊，因此在設計中所選用的驅動輪既要滿足自身回轉又要有自動卡緊功能。如圖所示的驅動輪系，這種驅動輪系是在一個圓周上均勻分布三組完全相同的結構的轉輪。從結構中知道，基管被夾緊在三個驅動輪的中間，當外部電機給驅動輪一個轉動力，那么這組驅動輪就會帶動基管以基管的中心作圓周運動，這樣就實現了基管的自身回轉運動。而當驅動輪各自繞自身的中心轉動的時候，就迫使基管在自身的軸向上作直線用動，這樣就實現了基管的軸向進給。繞制機構的工作流程如下：1.基管由上料裝置傳動到與軋制機頭軸心平行時，工作臺開始運動。2.在基管進入主箱體的時候，工作臺上的電機開始工作并帶動主箱體上的齒輪轉

21、動，從而達到帶動主動輪的轉動，這時主動輪里的進給輪帶動基管旋轉并進行進給運動。3.基管進到露出軋頭約20mm左右，軋頭旋轉的同時，轉動繞片。4.繞到基管給定長度時，停機，剪斷鋁帶，將料送入裝置中。驅動輪的示意圖如圖2-3所示2。 圖2-3 驅動輪結構示意圖而為了使所選用的驅動輪自身回轉和整個機頭都能夠水平運動，則需外部的聯結機構和傳動機構來實現。繞制機頭結構示意圖如圖2-4所示。圖2-4 繞制機頭的結構示意圖驅動輪安裝在主軸箱內，主軸箱外連在導軌面板上，驅動輪的自身回轉靠主軸箱外的齒輪副帶動，而驅動輪的軸向進給靠固聯的導軌面板的滑動帶動，這樣就可以實現驅動輪的軸向進給和自身回轉運動，從而帶動基

22、管的運動。為了提高繞片的成功率及鋁帶與基管的接觸面積，在進行繞片之前，需對鋁帶部進行歪曲，壓歪一斷差不多2mm寬的帶。在鋁帶受拉變形，繞在基管上后，利用鋁帶自身的張緊力，將基管牢牢纏住，保證鋁帶與基管的良好接觸，即保證它們之間的導熱性。在繞片機構的頭部有一個碾壓盤。它與鋁帶、軋頭之間是過盈配合，在繞片之前，鋁帶沒有受到拉力作用，壓盤將鋁帶壓于軋頭上，在基管出來后，與鋁帶底部相互接觸，帶動鋁帶轉動，壓盤有輔助鋁帶繞上的作用。在繞上以后，鋁帶受拉轉動，變薄，壓盤順著鋁帶繞支撐軸轉動，防止鋁帶的變形及拉出。鋁片的螺距主要靠調節電動機的轉動速度來控制，根據鋁片的彈性變形強度，可以確定轉動機構電機的速度

23、，一般在改變螺距的時候只改變進給電機的速度，這樣能保證繞片的質量3。2.4 設計計算2.4.1 進給輪的結構設計進給輪的靠摩擦來實現對基管的進給，主要參數為壓緊力、表面接觸面積及摩擦系數有關。由于摩擦系數無法改變，為了提由傳動效率，我們主從壓緊力與表面接觸面積兩方面考慮。1.壓緊力的計算 為防止打滑，摩擦輪與基管之間必須有足夠的法向壓力。壓力是由對摩擦輪所施加的外力產生的，力稱為壓緊力。設為摩擦副材料的摩擦系數，則傳動在接觸面間的最大摩擦力為fN，此摩擦力應大于或等于從動輪所需的圓周力，即 F。壓力可根據傳動所傳遞的名義載荷求出，但為了計及載荷的不穩定性和保證傳動的工作可靠性，引入一載荷系數K

24、?，F以KF代F并寫成公式=KF，可得法向壓力 (2-4) 式中傳動功率，；從動輪直徑，；從動輪轉速，；摩擦系數。載荷系數。對于功率傳動，=1.251.5，間歇工作，載荷不大的取小值，載荷較大的取大值，連續工作10h以上的再加大30%50%；對于儀器傳動，=23。壓緊力為 = (2-5)圓柱槽摩擦輪傳動的壓緊力為= = (2-6)2表面接觸強度計算 除打滑外，當兩輪面均為金屬材料且在油中工作時，傳動的主要失效形式將是表面疲勞磨損；在無潤滑下工作的傳動，無論是金屬-金屬摩擦副或金屬-非金屬摩擦副，其主要失效形式將是表面磨粒磨損。前一種失效應按接觸應力公式進行表面疲勞強度計算；后一種失效目前只能根據

25、單位接觸長度的許用載荷進行條件性計算。由于槽的側面是兩輪的接觸工作面，因此它應該按照如圖所示的兩個半徑為、的當量接觸圓柱進行表面接觸強度計算。這時，兩輪的綜合曲率半徑 = (2-7) 設為槽摩擦輪的槽數，取槽高和角，則整個槽輪的接觸寬度= (2-8)整理后得圓柱摩擦輪傳動中心距a的公式為= (2-9) 因此，增加表面接觸面積可以增加摩擦力，提高傳動效率，防止打滑。要提高摩擦輪傳動的效率可以從材料選擇和結構設計方面考慮。選用彈性模量高、輪面硬度大的材料時，可使接觸面間的損失降低，但同時會因摩擦系數小而需增大壓緊力，致使損失增加。如果選用摩擦系數大的材料，雖能使壓緊力降低而減少軸承損失，但往往又會

26、使接觸面間的損失增加。由于進給輪是不斷與基管進行接觸的，隨時間推移必將變的很光滑，提高摩擦系數的做法是行不通。只有從壓緊力及提高摩擦面積著手。進給輪的結構如圖2-6所示4。圖2-6 進給輪結構示意圖2.4.2 同步帶的設計計算在機頭部分，根據結構的需要，因此選用一對同步帶輪進行傳動，帶輪靠伺服電機控制，這樣能夠達到所需要的精度，其設計計算如下：5 6 71.設計功率的確定： 2.選定帶型和節距：根據和帶型選取L型，節距3.小帶輪齒數：根據帶型L型和小帶輪的轉速小帶輪的最小齒數=204.小帶輪節圓直徑：= （2-10）其外徑5.大帶輪齒數(初步確定傳動比i為4i)： 大帶輪的齒數6.大帶輪的節圓

27、直徑：=218.30mm ，其外徑217.53mm7.傳動比i和帶輪模數m：i3.6 m3.038.同步齒形帶的帶速： 3.4ms （2-11）9.初定軸間距：0.72 195.2557.88 根據實際取20010.帶長L0及其齒數Z： =2() （2-12）=mm=900.077mm應選用帶長代號為360的L型同步帶，其節線長=914.40mm,節線長上的齒數Z=92。 11.實際軸間距：=207.16mm （2-13） 12.基本額定功率：= =244.46N，m=0.095 （2-14）所以得出：=kw=0.83kw 13.所需的帶寬： = L型帶=25.4mm，Kz=1得=16.4mm

28、，應選帶寬代號為075的L型帶，其=19.1mm 因此，根據以上的參數就可以選擇同步齒形帶輪和同步齒形帶。14.帶輪結構和尺寸傳動選用的同步帶為 小帶輪： 大帶輪： 2.4.3 齒輪齒條的嚙合傳動設計計算1齒條傳動速度：= （2-15）2小齒輪轉速 故3小齒輪模數 4小齒輪齒數 5小齒輪的結構尺寸 齒距：齒輪中心到齒條基準線距離 基圓直徑：齒頂圓壓力角： 6齒條的結構尺寸： 齒高：2.5 本章小結確定自動鋁帶數控鋁帶繞片機的主要技術參數及工藝流程，對主箱體的結構進行了初步設計，確定各執行機構的設計方案，比如：進給機構、傳動機構、繞片機構等，以及對部分主要部件的校核計算。第3章CATIA簡介3.

29、1 CATIA功能介紹 CATIA(Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application)是法國Dassault公司于1975年開始發展的一整套的3D CAD/CAN/CAE一體化軟件。它的內容涵蓋了產品從概念設計、工業設計、三維建模、 分析計算、 動態模擬與仿真、 工程圖的生成到生產加工成產品的全過程，其中還包括了大量的電纜和管道布線、 各種模具設計與分析、 人機交換等實用模塊。CATIA不但能夠保證企業內部設計部門之間的協同設計功能而且還可以提供企業整個集團的設計流程和端對端的解決方案。CATIA大量用于航空航天

30、、 汽車及摩托車行業 、機械 、電子、家電及3C產業、 NC加工等各方面。 由于其功能強大而完美，CATIA已經幾乎成為三維CAD/CAM領域的一面旗幟和爭相遵從的標準，特別是在航空航天、汽車及摩托車領域，CATIA 一直居于領先地位。法國的幻影2000系列戰斗機就是使用CATIA進行設計的一個典范，而波音777客機使用CATIA完成無圖紙，更造就了CAD領域內的一個神話。另外CATIA還用來制造米其林輪胎、 伊萊克斯電冰箱和洗衣機 、3M公司的粘合劑，還有ABB公司的火車和通用動力公司建造的核潛艇。索尼公司利用CATIA軟件完成了1700萬件零件的制造。全世界半數以上的汽車制造商也用這套軟件

31、。在國內，幾乎所有的航空工廠、半數以上的汽車廠商都在應用CATIA，哈爾濱飛機制造公司用CATIA來設計EC120直升機，從造型到數控編程，實現超精加工。3.2 CATIA V5的概貌CATIAV5版本是IBM和達索系統公司長期以來在為數字化企業服務過程中不斷探索的結晶。圍繞數字化產品和電子商務集成概念進行系統結構設計的CATIAV5版本，可為數字化企業建立一個針對產品整個開發過程的工作環境。在這個環境中，可以對產品開發過程的各個方面進行仿真，并能夠實現工程人員和非工程人員之間的電子通信。產品整個開發過程包括概念設計、詳細設計、工程分析、成品定義和制造乃至成品在整個生命周期中的使用和維護。CA

32、TIA V5版本具有：1.重新構造的新一代體系結構 為確保CATIA產品系列的發展，CATIAV5新的體系結構突破傳統的設計技術，采用了新一代的技術和標準，可快速地適應企業的業務發展需求，使客戶具有更大的競爭優勢。2.支持不同應用層次的可擴充性 CATIAV5對于開發過程、功能和硬件平臺可以進行靈活的搭配組合，可為產品開發鏈中的每個專業成員配置最合理的解決方案。允許任意配置的解決方案可滿足從最小的供貨商到最大的跨國公司的需要。3.與NT和UNIX硬件平臺的獨立性 CATIAV5是在WindowsNT平臺和UNIX平臺上開發完成的，并在所有所支持的硬件平臺上具有統一的數據、功能、版本發放日期、操

33、作環境和應用支持。CATIAV5在Windows平臺的應用可使設計師更加簡便地同辦公應用系統共享數據；而UNIX平臺上NT風格的用戶界面，可使用戶在UNIX平臺上高效地處理復雜的工作。4.專用知識的捕捉和重復使用 CATIAV5結合了顯式知識規則的優點，可在設計過程中交互式捕捉設計意圖，定義產品的性能和變化。隱式的經驗知識變成了顯式的專用知識，提高了設計的自動化程度，降低了設計錯誤的風險。5.給現存客戶平穩升級 CATIA V4和V5具有兼容性，兩個系統可并行使用。對于現有的CATIAV4用戶，V5年引領他們邁向NT世界。對于新的CATIAV5客戶，可充分利用CATIAV4成熟的后續應用產品，

34、組成一個完整的產品開發環境。CATIA V5涵蓋了機械設計、外型設計、工廠設計、數控加工、數字化樣機、數字樣機、設備與系統、人體工程和知識工程等豐富的內容。3.3 CATIA功能介紹1.裝配設計(ASS) CATIA裝配設計可以使設計師建立并管理基于3D零件機械裝配件。裝配件可以由多個主動或被動模型中的零件組成。零件間的接觸自動地對連接進行定義，方便了CATIA運動機構產品進行早期分析?；谙惹岸x零件的輔助零件定義和依據其之間接觸進行自動放置，可加快裝配件的設計進度，后續應用可利用此模型進行進一步的設計、分析、制造等。 2.Drafting(DRA) CATIA制圖產品是2D線框和標注產品的

35、一個擴展。制圖產品使用戶可以方便地建立工程圖樣，并為文本、尺寸標注、客戶化標準、2D參數化和2D瀏覽功能提供一整套工具。 3.Draw-Space(2D/3D) Integration(DRS) CATIA 繪圖-空間(2D/3D)集成產品將2D和3D CATIA環境完全集成在一起。該產品使設計師和繪圖員在建立2D圖樣時從3D幾何中生成投影圖和平面剖切圖。通過用戶控制模型間2D到3D相關性，系統可以自動地由3D數據生成圖樣和剖切面。 4.CATIA 特征設計模塊(FEA) CATIA特征設計產品通過把系統本身提供的或客戶自行開發的特征用同一個專用對話結合起來，從而增強了設計師建立棱柱件的能力。

36、這個專用對話著重于一個類似于一族可重新使用的零件或用于制造的設計過程。 5.高級曲面設計(ASU) CATIA高級曲面設計模塊提供了可便于用戶建立、修改和光順零件設計所需曲面的一套工具。高級曲面設計產品的強項在于其生成幾何的精確度和其處理理想外形而無需關心其復雜度的能力。無論是出于美觀的原因還是技術原因，曲面的質量都是很重要的。 6.曲面設計(SUD) CATIA曲面設計模塊使設計師能夠快速方便地建立并修改曲面幾何。它也可作為曲面、面、表皮和閉合體建立和處理的基礎。曲面設計產品有許多自動化功能，包括分析工具、加速分析工具、可加快曲面設計過程。 7.裝配模擬(Fitting Simulation

37、) CATIA裝配模擬產品可使用戶定義零件裝配或拆卸過程中的軌跡。使用動態模擬，系統可以確定并顯示碰撞及是否超出最小間隙。用戶可以重放零件運動軌跡，以確認設計更改的效果。 8.CATIA機構設計運動分析模塊(KIN) CATIA運動機構產品可使用戶通過真實化仿真設計并驗證機構的運動狀況，基于新的或現有的零件幾何，運動機構可以建立許多2D和3D連接， 9.2D Wireframe and Annotation(DR2) CATIA2D線架和標注產品為快速方便地建立、分析和修改2D幾何及對2D和3D CATIA模型進行顯示提供了工具。作為降低費用的一種手段，該產品允許建立基本的幾何圖形和標注。 1

38、0.動態草繪器(DYS) CATIA動態草圖器可作為一個工具在用戶快速草繪2D輪廓圖并將其作為3D設計的一部分使用。用戶可以直接操作共面實體幾何并且編輯形狀、改變自由度或修改相關約束。動態草繪器在2D窗口中不斷地分析幾何以檢查約束沖突。通過對輪廓幾何約束的自動記憶，該產品可以捕捉到設計意圖。 11.精確實體建模(SOE) CATIA精確實體產品提供了對類似于數控加工和有限元分析這樣的后續應用所需的實體造型定義。許多分析工具和構造實體幾何技術在進行設計和優化設計時有所幫助。 12.庫管理(LIB) CATIA庫文件產品存放、檢索和管理幾何部件，以備在CATIA模型中重復使用。部件制造可能希望與其

39、客戶共享他們庫的拷貝。此庫的存在促使客戶在總裝時使用制造商的部件。 13.給現存客戶平穩升級 CATIAV4和V5具有兼容性，兩個系統可并行使用。對于現有的CATIAV4用戶，V5年引領他們邁向NT世界。對于新的CATIAV5客戶，可充分利用CATIAV4成熟的后續應用產品，組成一個完整的產品開發環境。CATIA V5涵蓋了機械設計 、外型設計 、工廠設計、 數控加工、 數字化樣機 、數字樣機、 設備與系統 、人體工程和知識工程等豐富的內容。 3.4本章小結本章主要介紹了CATIA的應用領域及CATIA V5的概貌和特點，還對本次設計中應用到的CATIA的主要功能模塊進行了詳細介紹。第4章 三

40、維造型及裝配4.1 三維設計流程在數控鋁帶繞片機設計中，主要結合CATIA來說明從頂到下設計的基本思路。在運用此設計方法對其產品的設計中，主要是使用了機械設計模塊中的part design 裝配件設計和繪圖三個子模塊，形狀模塊中的Freestyle和Generative shape design兩個子模塊：圖4-1 數控鋁帶繞片機的三維設計流程圖4.2 零件設計建模通過CATIA的機械設計和形狀模塊，可對數控鋁帶繞片機各零件進行幾何模型的建立，以確定各零件的參數，以供裝配時調用。本章主要介紹三維實體的建模，現選擇一個典型零件大電機座來做詳細的講解。零件如圖4-2所示。圖4-2 大電機座零件1.

41、新建零部件文件 進入CATIA界面，點擊開始，選擇機械設計模塊下的Part Design子模塊，出現新建零部件對話框如圖4-3所示。在【輸入零部件名稱】欄中輸入鉸支座的圖形代號RPJ-04-00-014,單擊【確定】按鈕。進入零件三維實體建模的繪圖區域，如圖4-4所示。圖4-3 新建對話框 圖4-4 繪圖區域2.創建底板實體選取xy平面為繪圖基準面單擊圖標，進入草圖繪制區，繪制草圖。單擊繪圖區域右邊的快捷圖標中的按鈕推出草圖繪制。然后再單擊右邊按鈕，輸入拉伸高度完成實體繪制。如圖4-5所示。 圖4-5 底板實體繪制3.創建底板孔單擊按鈕，選取底板的上平面作為繪圖平面進行鉆孔，單擊繪圖區域右邊的

42、快捷圖標中的按鈕將上面的孔特征進行陣列。如圖4-6所示4.創建槽腔選擇底板側表面做出如圖4-7所示草圖，繪制草圖之后單擊按鈕，深度選擇100，如圖4-8所示，完成槽腔繪制。 圖4-6 底板孔繪制圖4-7 槽腔草圖繪制 圖4-8 槽腔繪制5.創建箱體后部實體繪制草圖完成后單擊按鈕進行拉伸，如圖4-9所示 圖4-9 箱體后部實體繪制6.創建孔單擊按鈕，選擇箱體后部外表面為鉆孔面進行鉆孔。如圖4-10所示圖4-10 創建孔7.創建孔單擊按鈕，選取箱體后部外表面作為繪圖平面進行鉆孔，單擊繪圖區域右邊的快捷圖標中的按鈕將上面的孔特征進行陣列。如圖4-11所示。圖4-11 創建孔8.創建箱體側面實體在箱體

43、底面上表面進行草圖繪制后單擊按鈕進行拉伸。如圖4-12所示。 圖4-12 創建側部實體9.單擊按鈕對上一步創建的實體進行鏡像操作。最終得到完整三維模型。點擊圖標，保存當前文件，退出CATIA。4.3 零件的裝配4.3.1 裝配的基本概念現實中的任何一臺機械產品，不管其結構有多么的復雜，其都是由許多零件和部件組成的。因此，何為裝配，其就是由零部件組裝成一臺完整的機械產品的過程。機械的裝配過程就是由零件組裝成組件、由組件組裝成部件、由部件組裝成總成和最后組裝成機械的過程。機械的組成單元分為：零件、組件、部件和總成。1.零件：從基本觀念上來說，它是由一個特征或一系列特征，通過疊加、剪切組合在一起的。

44、它是機械組裝的基本單元，它是不能夠再進行結構上的分解。在裝配中，有的零件是裝配的基礎，它具有配合基準面，可以保證裝配在它上面的零件具有正確的相對位置，這種零件稱為基礎零件。例如，一臺機床，機座和機架就是他的基礎零件。2.組件：它是由很多的零件組成，但是組件本身不具備有獨立功能，必須借助外部因素才能協調起來一起工作。組建可以是幾個零件構成的子裝配，也可以是由多個零件和（或）次級子裝配構建而成。3.部件：部件是由若干個組件和零件組合而成的，它具有結構上和作用上的獨立性。通常都習慣于直接把組成機械的單元稱作總稱。例如人們常說的發動機總成，汽車剎車總成等。4.產品：產品是裝配設計的最終產物。它由零件和

45、（或）組件構成，是指向零件和（或）組件保存路徑的集合。產品和組件是相對而言的，例如一輛汽車的后視鏡，對這個后視鏡來說，鏡殼及鏡片等是組件，后視鏡總稱是產品；但對于汽車，后視鏡總稱是組件，整車是產品。同時在整車產品下還有車門 、內飾等其他子裝配件，這些組件的下面還有更次級的子裝配和零件。因此，在正確的層級下進行操作，保證層次清楚地裝配是必要的。 在實際的產品開發中有一個把零件裝配成部件（子裝配），再把部件裝配成產品的過程。在零件的設計完成后，必然要進入裝配單元。通過裝配模塊快速把零部件組合成產品，在裝配中建立部件之間的鏈接關系。通過在部件之間建立約束來確定部件在產品中的空間位置，零件的幾何體被裝

46、配引用?？梢哉f裝配是整個設備完整呈現的必要步驟，也是零件設計的進一步完善和深化8。4.3.2 主軸箱的裝配下面以典型部件圖4-13所示的主軸箱中轉動體為例介紹裝配過程：圖4-13 轉動體總圖1新建部件文件，如圖4-14所示，選擇開始機械設計裝配件設計命令。進入裝配設計的界面，如圖4-15所示。 圖4-14 新建裝配件 圖4-15 裝配界面2.裝入第一個零件（轉動體）從操作按鈕區中單擊按鈕后再單擊特征樹上的Product,在打開的文件夾找到轉動體的圖形帶號RPJ-05-00-008并將其打開，這樣就導入了第一個裝配零件如圖4-16所示。 圖4-16 轉動體的裝配 3.裝入第二個零件（軸套）軸套的

47、導入過程同上，單擊按鈕，把軸套放置在適當位置，以便裝配。單擊按鈕選擇驅動輪上孔的中心線和軸套的中心線；單擊按鈕，選擇軸套外側的底面和孔外側端面，單擊按鈕完成軸承的裝配。如圖4-17所示。圖4-17 軸套的裝配4.裝入第三個零件（曲軸）曲軸的導入過程同上，單擊按鈕，把軸套放置在適當位置，以便裝配。單擊按鈕選擇曲軸的中心線和軸套的中心線；單擊按鈕，選擇軸套內側的底面和曲軸中間段端面，設置偏移量為0.5，單擊按鈕完成曲軸的裝配。如圖4-18所示。圖4-18 曲軸的裝配5.裝入第四個零件（驅動輪）驅動輪的導入過程同上，單擊按鈕，把驅動輪放置在適當位置，以便裝配。6.裝入第五個零件（軸承）軸承的導入過程

48、同上，單擊按鈕，把軸承放置在適當位置，以便裝配。單擊按鈕選擇驅動輪中心線和軸承中心線；單擊按鈕，選擇驅動輪的內側面和軸承端面，單擊按鈕完成軸承的裝配。如圖4-19所示。7裝入第六個零件（軸承）軸承的導入過程同上，單擊按鈕，把軸承放置在適當位置，以便裝配。單擊按鈕選擇驅動輪中心線和軸承中心線；單擊按鈕，選擇驅動輪的內側面和軸承端面，單擊按鈕完成軸承的裝配。 8將驅動輪裝在曲軸上。單擊按鈕選擇驅動輪中心線和曲軸中心線；單擊按鈕，選擇驅動輪的外側面和曲軸端面，單擊按鈕完成驅動輪的裝配。如圖4-20所示。9.裝入第七個零件（軸套）軸套的導入過程同上，單擊按鈕，把軸套放置在適當位置，以便裝配。單擊按鈕選

49、擇轉動體上孔的中心線和軸套的中心線；單擊按鈕，選擇軸套外側的底面和孔外側端面，單擊按鈕完成軸套的裝配。如圖4-21所示。圖4-19 軸承的裝配 圖4-20 驅動輪的裝配 圖4-21 軸套的裝配 10至此驅動輪裝配完畢，存盤然后退出catia.4.4 本章小結通過對數控鋁帶繞片機的三維設計方法的闡述，找到了適合于繞片機三維設計方法從頂到下的設計方法，并對其在繞片機中如何進行設計作了闡述；本章還對繞片機的三維零件建模、裝配建模結合圖示作了詳細描述。 第5章 數字模型仿真5.1數字仿真概述對于產品的數字模型而言，進行準確的機構運動狀態分析，是十分基本且重要的功能。在數字模型運動分析（DMU Kine

50、matics）單元中，用戶可以依照運動學的原理，通過約束自由度的方式，建立機構，并且分析機構的運動狀態及移動軌跡。在此單元中提供數種基本的接頭，供用戶建立機構，并且可以進行動態仿真，記錄運動情形，制作成影片播放9。5.2 數字模型仿真過程 我選擇的仿真部分是主軸箱部分中轉動體做軸向回轉的部分，本部分中，驅動件是小電動機驅動的小齒形帶輪，小齒形帶輪帶動大帶輪轉動進而帶動轉動體做軸向回轉運動10。1首先進入裝配模塊，導入小齒形帶輪。如圖5-1圖5-1 小齒形帶輪2導入大帶輪。3導入右半軸。然后對大帶輪和右半軸進行位置約束。單擊按鈕選擇大帶輪中心線和右半軸中心線；單擊按鈕，選擇大帶輪端面和右半軸端面

51、，單擊按鈕完成裝配。然后通過“開始-數字模型-DMU kinematics”進入仿真模塊。如圖5-2所示。4由于大帶輪與右半軸之間是通過鍵連接，我們認為它們之間是剛性連接，因此單擊按鈕，在出現的對話框中選擇new machanism按鈕，名字選擇默認的Mechanism.1。如圖5-3所示5然后part1選擇大帶輪，part2選擇右半軸，單擊確定。即建好此剛性連接。 圖5-2 進入仿真模塊圖5-3 建立剛性連接6回到裝配模塊，導入軸套，對軸套和右半軸進行裝配。單擊按鈕選擇軸套中心線和右半軸中心線；單擊按鈕，選擇軸套端面和右半軸端面，單擊按鈕完成裝配。然后回到仿真模塊。如圖5-4。 圖5-4 導

52、入軸套7對軸套和右半軸建立剛性連接。因此單擊按鈕，在出現的對話框中選擇Mechanism.1按鈕。part1選擇右半軸，part2選擇軸套。完成連接。8導入轉動體?；氐窖b配模塊，導入轉動體，對軸套和轉動體進行裝配。單擊按鈕選擇軸套中心線和轉動體中心線；單擊按鈕，選擇軸套端面和轉動體端面，單擊按鈕完成裝配。然后回到仿真模塊。9對軸套和轉動體建立剛性連接。因此單擊按鈕，在出現的對話框中選擇Mechanism.1按鈕。part1選擇軸套，part2選擇轉動體。完成連接。如圖5-5。10導入另一軸套并建立剛性連接，過程如上面所述。如圖5-611導入左半軸?；氐窖b配模塊，導入左半軸，對軸套和左半軸進行裝

53、配。單擊按鈕選擇軸套中心線和左半軸中心線；單擊按鈕，選擇軸套端面和左半軸端面，單擊按鈕完成裝配。然后回到仿真模塊。12對軸套和左半軸建立剛性連接。因此單擊按鈕，在出現的對話框中選擇Mechanism.1按鈕。part1選擇軸套，part2選擇左半軸。完成連接。如圖5-7。 圖5-5 建立剛性連接 圖5-6 連接轉動體與軸套軸套端面和左半軸端面，單擊按鈕完成裝配。然后回到仿真模塊。13對軸套和左半軸建立剛性連接。因此單擊按鈕，在出現的對話框中選擇Mechanism.1按鈕。part1選擇軸套，part2選擇左半軸。完成連接。如圖5-7。 圖5-7 連接軸套與左半軸14導入軋頭?；氐窖b配模塊，導入

54、軋頭，對左半軸和軋頭進行裝配。單擊按鈕選擇左半軸中心線和軋頭中心線；單擊按鈕，選擇左半軸左端面和軋頭右端面，單擊按鈕完成裝配。然后回到仿真模塊。15對軋頭和左半軸建立剛性連接。因此單擊按鈕，在出現的對話框中選擇Mechanism.1按鈕。part1選擇軋頭，part2選擇左半軸。完成連接。如圖5-816對小齒形帶輪和大齒形帶輪建立齒輪連接。單擊按鈕，出現如圖5-9對話框，單擊按鈕，出現如5-10對話框。然后雙擊按鈕分別選擇小齒形帶輪與軸的軸心，然后雙擊按鈕分別選擇小齒形帶輪與軸的端面。然后單擊確定。然后單擊，出現與5-10對話框相同的對話框。然后雙擊按鈕分別選擇大齒形帶輪與軸的軸心，然后雙擊按

55、鈕分別選擇大齒形帶輪與軸的端面。然后單擊確定。完成齒輪連接。 圖5-8 連接軋頭與左半軸 圖5-9 建立齒輪連接 圖5-10 建立轉動連接17選擇固定件。單擊按鈕，選擇軸。出現如圖5-11所示對話框。說明此機構可以被模擬了。圖5-11完成仿真5.3本章小結本章主要通過對帶輪傳動部分進行分析后，完成了帶輪及轉動體等零件的運動仿真。 結論本課題主要是應用CATIA軟件對數控鋁帶繞片機的傳動部分進行零件的三維建模及裝配，并進行數字模型仿真。具體來說本文主要完成了以下工作：1介紹了數控鋁帶繞片機國內外的發展近況，作用，工作原理，技術要求。2根據數控鋁帶繞片機所需實現的功能，提出設計方案，確定數控鋁帶繞

56、片機的整體設計方案。3對數控鋁帶繞片機傳動部分進行初步結構設計，比如：主軸箱，送片裝置等。4為了實現對不同管徑的基管進行繞片，對主軸體的進給機構進行了創新設計，使其結構穩定性好，傳動精度高。5幾何建模中所做的工作：把CATIA造型與產品概念設計結合起來，避免了造型只是設計的后續附屬過程的傳統做法，形成設計與造型相輔相承、相得益彰的現代設計方法。6在對機構運動過程充分了解的情況下，對主軸箱機構進行了運動仿真。致謝行文結束之際，衷心地感謝導師xxx老師在我做畢業設計期間給予的關心和指導，在機房良好的硬件和軟件環境下，使我能夠充分發揮自身的能力，順利完成了本次畢業設計。x老師淵博的知識，嚴謹的治學態

57、度及敬業精神，時常激勵和鼓舞著我在今后的學習和工作中努力拼搏，精益求精。在此，謹向x老師致以最誠摯的感謝。在課題的研究過程中，還得到了xxx教授，研究生xxx的指導和幫助，xxx和xxx師兄給我講解了很多關于本課題的相關背景資料和設計方法，在此，向他們表示衷心的感謝。此外，我還得到了xxx、xxx、xxx、xx、xxx等班級同學的熱心幫助，在此一并致謝。參考文獻1 邱宣懷.機械設計.高等教育出版社.第四版.2002.5:232002 劉惟信.機械最優化設計.清華大學出版社.1994.2:123663 陳秀寧.機械優化設計.浙江大學出版社.1999.9:102454 張濟川.機械最優化設計及應用

58、實例.新時代出版社.1983.9:352545 機械工程師手冊 機械工程師手冊編輯委員會 機械工業出版社:302366 Zhang. Y, Palmer. T, Arahani. AFinite Element Tire Model and Vibration Analysis: A New Approach. Tire Science & Technology, 1998, 26(3): 1491727 an Hong-Sen. reative Designs of Mechanical Devices: Heideelherg: Springer-Velrlag,1997: 32-548

59、吳宗澤.機械零件設計手冊.機械工業出版社:133219 鄧志黨.CATIA V5 R12 機械設計高級應用進程.機械工業出版社.2006:1025010 鄭午.CATIA V5三維機械設計.化工出版社 .2006:509811 盛選禹.CATIA典型機械零件設計.機械工業出版社.2006:15412 尤春風.CATIA V5高級應用.清華大學出版社2006：20070013 Luis Solano Pere Brunet. Constructive Constraint-based Model for Parametric CAD Systems .Computer Aided Design, 2000(8): 343614 Jean-Claude Lafon. Solid Modeling with Constraints and Parameterized Features. Information Visualization,1998(3):102107