仿真技术论文

摘 要仿真分析虽然是近些年发展的一项技术，发展时间短，不是很全面，但它已经为很多行业的生产发展做出了很大的贡献，尤其在产品研发方面，仿真分析更是具有非常重要的价值。而机床在工业发展中有着支柱性的作用，所以机床的精度性能直接影响到很多行业的发展，如军工业，汽车制造业等。将机床仿真分析应用于机床的研发和生产中，良好完整的仿真分析在产品投入生产之前就能发现设计装配的问题，然后再改进解决，这样产品的研发就简单易行，成本低，废品率低，具有实际存在的经济效益，不仅带来方便降低成本，而且能够很好的提高市场竞争力。总之，仿真分析应用到机床生产和研发方面，有着明显的经济效益和使用价值，有着良好的发展前景和意义。 关键词：机床 传动系统 仿真分析 第1章 仿真技术仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。例如，汽车或飞机的驾驶训练模拟器，就是应用仿真技术的成果。信息处理技术和网络技术的发展，实际上已经完全改变为仿真的概念。将先进的仿真技术与网络技术相结合，由真实装备和计算机仿真系统综合仿真系统组成仿真环境，用计算机网络把新武器系统和分散在不同地点的研制者、用户联系在一起，让用户在仿真环境中提前“使用”正在研制的武器，让研制者能提前了解武器的作战使用，双方共同研究，及时发现和解决问题。这样不仅加快了武器系统的研制进度，也缩短了新武器形成战斗力的时间。在部队训练方面，仿真技术同样大有用武之地。美国陆军在80年代末，训练士兵还是采用野战训练和模拟训练两种方法。野战训练的主要问题是燃料、弹药消耗大，场地、都有困难，组织大规模演习费时又费力；模拟训练，所用的模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究计划局1983年开始实施模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。仿真技术是一项国防关键技术，对提高武器系统的研制效率、改善部队训练和提高战斗力将发挥越来越大的作用 ，已成为发达国家实现质量建军的一种重要手段。 1.1仿真工具1.1.1仿真硬件主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。用于仿真的计算机有三种类型：模拟计算机、数字计算机和混合计算机。数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。模拟计算机主要用于连续系统的仿真，称为模拟仿真。在进行模拟仿真时，依据仿真模型将各运算放大器按要求连接起来，并调整有关的系数器。改变运算放大器的连接形式和各系数的调定值，就可修改模型。仿真结果可连续输出。因此，模拟计算机的人机交互性好，适合于实时仿真。改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差，在仿真中应用受到限制。现代的数字计算机已具有很高的速度，某些专用的数字计算机的速度更高，已能满足大部分系统的实时仿真的要求，由于软件、接口和终端技术的发展，人机交互性也已有很大提高。因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。混合计算机把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作，充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。但这种系统造价较高，只宜在一些要求严格的系统仿真中使用。除计算机外，仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器，如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。1.1.2 仿真软件仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。 仿真软件的种类很多，在工程领域，用于系统性能评估，如机构动力学分析、控制力学分析、结构分析、热分析、加工仿真等的仿真软件系统MSC Software在航空航天等高科技领域已有45年的应用历史。 1.2仿真方法主要是指建立仿真模型和进行仿真实验的方法，可分为两大类：连续系统的仿真方法和离散事件系统的仿真方法。人们有时将建立数学模型的方法也列入仿真方法，这是因为对于连续系统虽已有一套理论建模和实验建模的方法，但在进行系统仿真时，常常先用经过假设获得的近似模型来检验假设是否正确,必要时修改模型,使它更接近于真实系统。对于离散事件系统建立它的数学模型就是仿真的一部分。 1.3应用和效益仿真技术得以发展的主要原因，是它所带来的巨大社会经济效益。50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20。利用飞行仿真器在地面训练飞行员，不仅节省大量燃料和经费（其经费仅为空中飞行训练的十分之一），而且不受气象条件和场地的限制。此外，在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障，培养飞行员应付故障的能力。训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。在航天工业方面，采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80。在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、维护和排除故障，一年即可收回建造仿真系统的成本。现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域，而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域，如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。对于社会经济等系统，很难在真实的系统上进行实验。因此，利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。 1.4发展方向在仿真硬件方面，从60年代起采用数字计算机逐渐多于模拟计算机。混合计算机系统在70年代一度停滞不前，80年代以来又有发展的趋势，由于小型机和微处理机的发展，以及采用流水线原理和并行运算等措施，数字仿真运算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型机 VAX 11-785和外围处理器AD-10联合工作可对大型复杂的飞行系统进行实时仿真。在仿真软件方面，除进一步发展交互式仿真语言和功能更强的仿真软件系统外，另一个重要的趋势是将仿真技术和人工智能结合起来，产生具有专家系统功能的仿真软件。仿真模型、实验系统的规模和复杂程度都在不断地增长，对它们的有效性和置信度的研究将变得十分重要。同时建立适用的基准对系统进行评估的工作也日益受到重视。第2章 传动系统2.1 普通车床传动系统分析2.1.1 C6132型普通车床C6132型普通车床传动系统图1. 主运动分析 主传动的传动结构式为：电机34/3228/3922/4533/2219/34 4.5KW1440r/min（主轴）27/6317/58离合器M1左移176/200主轴共有 2×3×212 级转速， nmax， nmin 分别为:nmax1440×33/22×34/32×176/200×0.981980（r/min）nmin1440×19/34×22/45×176/200×0.98×27/63×17/5845（r/min）2. 进给运动分析 进给运动传动系统两末端件是主轴和刀架，传动结构式为： 3.分析C6132型车床传动系统的组成 （1）定比传动机构：齿轮，皮带副，蜗轮蜗杆，齿轮齿条，丝杠螺母（2）变速机构：滑移齿轮，离合器，交换齿轮（3）换向机构：齿轮换向机构以及利用电机换向（4）操纵机构：手柄，手轮，拨叉，按扭等（5）其他机构：开停，制动，润滑，密封等（6）动力源：电机2.2 万能外圆磨床传动系统分析 2.2.1 万能外圆磨床结构简介1床身 2 头架3 换向挡块 4 砂轮5 磨架及内圆磨具6 砂轮架 7 上工作台8 下工作台 9 尾座10 横向进给手轮11纵向进给手轮2.2.2 磨床传动系统的特点1. 主运动（砂轮旋转）要求转速高而稳定，故常采用带传动（变速常用塔轮机构）2. 进给运动要求平稳，换向轻灵，故常用液压传动2.2.3 M1432A型万能外圆磨床传动系统分析1. 主运动：电机经带传动驱动砂轮主轴作高速旋转； 2. 进给运动 （1）工作圆周进给运动130/90111/10948/164_61/184头架电机 0.55/1.1KW700/1360r/min68/177拨盘或卡盘（带动工件） （2）工作台纵向进给运动 a. 手动时，传动路线为： 手轮A15/7218/7218/齿条工作台直线运动。b. 液压传动时，换向阀14分别连接液压缸6两端，带动工作台左右移动。M1432A万能外圆磨床液压系统示意图 1 安全阀 2 换向手柄 3，12 挡铁 4，9 电机 5 头架 6 油缸 7 活塞 8 砂轮架 10 尾座 11 床身 13 横向进给手柄 14 换向阀 15 节流阀 16 液压泵（3）砂轮架横向进给运动手轮B进给油缸活塞G44/88丝杠螺母50/5020/803.辅助运动 砂轮架的横向快进、快退；尾座套筒的缩回等。第3章 齿轮3.1基本概念轮齿（齿）齿轮上的每一个用于啮合的凸起部分。一般说来，这些凸起部分呈辐射状排列。配对齿轮上轮齿互相接触，导致齿轮的持续啮合运转。 齿槽齿轮上两相邻轮齿之间的空间。 齿顶圆-齿顶端所在的圆。齿根圆-槽底所在的圆。基圆-形成渐开线的发生线作纯滚动的圆 。分度圆-在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆。端面在圆柱齿轮或圆柱蜗杆上垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面。 齿面轮齿上位于齿顶圆柱面和齿根圆柱面之间的侧表面。 3.2分类齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。 齿轮的齿形包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位。渐开线齿轮比较容易制造，因此现代使用的齿轮中 ，渐开线齿轮占绝对多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。 在压力角方面，小压力角齿轮的承载能力较小；而大压力角齿轮，虽然承载能力较高，但在传递转矩相同的情况下轴承的负荷增大，因此仅用于特殊情况。而齿轮的齿高已标准化，一般均采用标准齿高。变位齿轮的优点较多，已遍及各类机械设备中。 另外，齿轮还可按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮 ；按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮；按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。     直齿轮 齿轮轴    斜齿轮 螺旋伞齿轮3.3齿轮正确啮合条件三个图中的齿轮都是渐开线齿轮，但图1和图2中的主动轮只能带动从动轮转过一个小角度就卡死不能动了，而图3中的主动轮可以带动从动轮整周转动，看来并不是任意两个渐开线齿轮都能正确地进行啮合，而是必须满足一定的条件即正确啮合条件。那么，这个条件是什么？ 从图3中可以看出：两个渐开线齿轮在啮合过程中，参加啮合的轮齿的工作一侧齿廓的啮合点都在啮合线N1N2上。而在图1和图2中，工作一侧齿廓的啮合点H不在啮合线N1N2上，这就是两轮卡死的原因。  从图3图中可以看出   是齿轮1的法向齿矩，是齿轮2的法向齿矩 ，亦即:    这个式子就是一对相啮合齿轮的轮齿分布满足的几何条件,称为正确啮合条件。   分析图1和图2中的两个齿轮的法向齿距的关系 。                     由渐开线性质可知，法向齿距与基圆齿距相等，故上式也可写成    将和代入式中得：     由于模数m和压力角均已标准化，不能任意选取，所以要满足上式必须使：     结论：一对渐开线齿轮，在模数和压力角取标准值的情况下，只要它们分度圆上的模数和压力角分别相等，就能正确啮合。 第4章 传动系统的仿真分析4.1 CAXA实体设计作为国内CADCAM技术和市场佼佼者的北航海尔软件有限公司，通过国际合作开发出了具有国际领先水平的“CAXA实体设计”CAD软件，并率先提出了“创新设计”的新设计理念，被业界誉为“近15年来CAD技术的唯一突破”，使设计变得像搭积木一样快捷简单，同时能最大限度地拓展设计者的思维，该软件的主要功能特点如下： 1、基于鼠标的拖放式操作 使用者能够来回用鼠标拖放标准件和自定义的设计元素，这些设计元素包括三维特征、零件、装配件、自定义工具、轮廓、颜色、纹理、动画等等。用户可将各种智能图素、标准件、供货商提供的标准模型、表面光洁度、动画等自定义为设计元素。 2、独特的三维球工具为各种对象的平移、旋转或各种复杂三维变换提供了精确定位方法。结合几何智能捕捉工具可实现对复杂零件的装配与修改。3、零件与装配设计基于智能图素和不依赖于过程树的技术构成了设计的基础。特征除可以直接被拖放外，还提供了"拉伸"、"旋转"、"放样"、"导动"、"抽壳"、"过渡"、"拔模"、"加盖"等功能。基于表面的修改功能可以对局部特征或表面进行"移动"、"匹配"、"拔模"、"变半径"等操作。装配可不依赖于约束条件、参数化特征和装配树。通过鼠标拖放参数驱动的标准件工具可快速生成紧固件、轴承、齿轮、螺旋线等。 4、曲面设计提供灵活的曲面设计手段，曲面的生成方式有直纹面、旋转面、导动面、放样面、边界面、网格面以及曲面过渡、裁剪等编辑手段。通过这些曲面手段，用户可以设计各种复杂零件的表面。其增强的3D空间曲线的设计编辑能力，可帮助用户绘制出真正的空间曲线，完成更多复杂形状的设计。5、渲染与动画自动处理从相片真实感到线框的渲染风格，可利用任何显卡实现真实感和交互性能的最优化。设计环境下集成的真实纹理、贴图和表面凸痕效果可用于体现诸如螺纹和隔栅等设计细节。可生成具有相片真实感的图象和生成任意数量的平行光、点光源或聚光光源；其特殊效果包括雾化效果和胶体效果。智能动画提供了复杂的关键帧动画功能，包括三维动画轨迹编辑和渲染效果图以GIF AVI文件的形式输出。CAXA实体设计在设计方法上更加贴近设计人员的设计思路，它可以将设计人员的模糊或不成熟的想法在三维环境下直接、快速的表达出来，然后再按自己的思路做动态修改（通过智能图素的添加、拖放来实现），最终形成产品。这应该是它与其它一些三维设计软件（如SolidWorks）最大的区别，也应该是较之其它软件最大的优势。而其它三维软件要求设计人员必须在头脑里先有一个清晰的产品模型，然后从二维草图开始，按部就班的进行拉伸、旋转、扫描或放样等特征形成实体，如此依次添加零件，形成最后产品。4.2 传动系统的仿真分析4.2.1 传动系统的特点机床的传动系统是机床的主要组成部分，而机床的传动系统主要分为主轴箱传动和进给传动两大类，而主轴箱的传动对工件的加工精度及表面质量都有很大的影响。以CA6140型车床传动系统为例来分析主轴箱的传动系统，主传动系统的运动主要由电动机经三角带传至主轴箱中的轴，再经摩擦离合器M1和变速齿轮传至轴和轴（如图1），然后分两路传至主轴：当主轴上的滑移齿轮Z=50处于左边位置时，运动主轴经齿轮副63/50直接传给主轴，则主轴得到高转速（如图2）；当滑移齿轮Z=50向右移，使齿轮式离合器M2结合时，则运动由轴传至主轴，使主轴获得中低速度（如图3）。 图1 图2 主轴高速传动 图3 主轴中低速传动4.2.2 机床的传动比分析 56 22 38 M1(反转) 51 58 130 43 30电动机 230 50 50 34 M1(正转) × 39 34 30 41 63 M2(反转) 50 20 20 主轴 80 80 26 M2(正转) M2(正转) 50 51 58 50 50根据传动链结构式，主轴正转时可有30种路线，但由于轴间的四种传动比为： I12080 ×2080 116 I22080 ×5150 14I35050× 2080 14I45050× 51501其中I2与I3基本相等，所以实际上只有三种不同的传动比。因此轴的6级转速，通过上述三种路线，使主轴获得18级不同的转速，加上经齿轮副6350直接传递时的6级，主轴总共可获得24级不同的转速。4.2.3 对传统机床的制造分析对于机床而言，其传动系统的性能直接影响机床的性能，致使影响到机床所加工出工件的表面质量及工件的精度等，因此机床传动系统的制造配合精度必须达到设计的精度要求。以CA6140车床的主传动为例，其主轴获得的转速时通过三角带把电动机的转速传到主轴箱内，再通过各级齿轮间的啮合将转速传至主轴。按传统的设计制造方法，厂家先进行整体到部件到零件的设计，再按设计要求加工出各个零件，将零件组装成部件，再将部件装配成机床，而在这个过程中，零件的设计到生产都会或多或少的出现一些问题，设计的不合理，加工的误差等，这些问题只有在装配中才发现，导致装配达不到要求的精度，或更甚者误差过大造成零件报废，这样使生产成本上升，废品率高，使生产者在市场中的竞争力大大的下降。4.2.4 机床传动系统仿真分析的意义及前景仿真分析在国外应用相当广泛，国内在航天航空领域的应用也相当广泛，但在机床生产领域的应用并没有很好的推广，基于传统的生产方式有上述的缺点，此次我们利用CAXA实体制造软件进行主轴传动的仿真分析拥有着重要意义，对机床传动系统进行仿真分析，是利用CAXA实体制造软件按设计好的尺寸做好各个零件，如下图的轴，齿轮，轴承，再利用装配命令将各个零件按要求装配成部件，如下图，再把各个部件组装成“机器“（即CA6140车床的）如图4， 图4 主传动系统结构再用其动画功能查看传动过程是否完美。在这个装配过程中都可用其工具栏中工具的干涉检查检测出装配中各零件之间是否存在干涉。如果存在，可以分析寻找产生干涉的原因，再改进设计加工，直到达到基本要求；如果没检查到干涉可以直接投入生产，这样一来，大大降低了废品率，节约了时间提高生产率，因此，仿真分析应用到机床生产和研发行业，则有着非常重要的意义。仿真分析虽然是近些年发展的一项技术，发展时间短，不是很全面，但它已经为很多行业的生产发展做出了很大的贡献，尤其在产品研发方面，仿真分析更是具有非常重要的价值。而机床在工业发展中有着支柱性的作用，所以机床的精度性能直接影响到很多行业的发展，如军工业，汽车制造业等。将机床仿真分析应用于机床的研发和生产中，良好完整的仿真分析在产品投入生产之前就能发现设计装配的问题，然后再改进解决，这样产品的研发就简单易行。4.2.5 仿真分析的使用价值仿真分析相对实际生产来说简单易行，成本低，废品率低，具有实际存在的经济效益，不仅带来方便降低成本，而且能够很好的提高市场竞争力。总之，仿真分析应用到机床生产和研发方面，有着明显的经济效益和使用价值，有着良好的发展前景和意义。 19