普通车床主轴箱虚拟装配
普通车床主轴箱虚拟装配
本次我设计的课题是普通车床主轴箱虚拟装配，针对的是C616车床，主轴箱：又称为床头箱,是机床的基础件之一。在这次设计中主要利用solidworks软件，创建出主轴箱中的各个零件的三维模型造型，实现各零部件的虚拟装配以及主传动链的传动运动，实现主轴箱启动、停止、变速等功能。通过动态仿真和干涉分析来验证设计方案的可行性的方法不但有利于并行工程的开展，而且还可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。 为产品的结构优化设计提供了有效地途径。
关键词 C616车床，主轴箱，虚拟装配，solidworks，仿真运动
1 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 课题研究背景及意义 3
2 虚拟装配的实现 3
2.1 系统开发平台 5
2.1.1 图文件的转换 5
2.1.2 零件 5
2.1.3 装配组件 6
2.1.4 工程图 6
2.1.5 钣金件 6
2.1.6 客户化 7
2.1.7 组合应用 7
2.2 设计总方案 7
2.1.1 传动路线分析 7
2.1.2 传动结构式 8
2.3 零件模型建立 8
2.3.1 零件明细表 8
2.3.2 主轴箱主轴零件的建模11
2.4 虚拟装配17
2.5 结果分析24
2.6 运动仿真26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
车床又称机床,使用车床的工人称为“车工”，在机械加工行业中车床被认为是所有设备的工作“母机”。一个普通车床的主要组成部分有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。而我主要研究的是C616的主轴箱。
1.1 概述
C616普通车床是目前国内工矿企业应用较为普通的通用机床之一。车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速，刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程等。
C616车床采用分离传动的布局型式,变速箱与主轴箱上下分开,中间依靠三角带传动,其主传动系统图如图1所示。
图1-1 C616车床传动系统图
一个普通车床的主要组成部分有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。
进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。
丝杠与光杠：丝杠和光杠用以连接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱纵向直线运动。
主轴箱：又称为床头箱,是机床的基础件之一。车床的主轴箱包括：箱体、主轴部件、传动机构、操纵机构、换向装置、制动装置和润滑装置等。其功用在于支承主轴和传动其旋转，并使其实现起动、停止、变速和换向等。机床的主轴箱是一个比较复杂的运动部件，它的装配图包括展开图、各种向视图和剖面图，以表示出主轴箱的所有零件及其装配关系。如图2所示。
图1-2 主轴箱零件及其装配关系
主轴部件是主轴箱最重要的部分，由主轴、主轴轴承和主轴上的传动件、密封件等组成。主轴前端可安装卡盘，用以夹持工件，并由其带动旋转。主轴的旋转精度、刚度和抗振性等对工件的加工精度和表面粗糙度有直接影响，因此对主轴部件的要求较高。
变速机构是主轴箱中的一个重要的部分，他利用齿轮传动比的不同，使得电动马达加载皮带轮上力带动主轴转动，。还可以进行换向，实现正反转，正转用于切削，需传递的扭矩较大，而反转主要用于退刀
制动装置功用在于车床停车过程中克服主轴箱中各运动件的惯性，使主轴迅速停止转动，以缩短辅助时间。
1.2 课题研究背景及意义
Solidworks软件是现在比较流行的三维设计软件，本设计以普通车床主轴箱为对象进行产品的三维模型的设计，在此基础上对普通车床主轴箱进行虚拟装配。在虚拟样机的装配过程中，可以检验产品的可装配性，并进行装配仿真以指导产品的设计、制造、装配和维修。
2 虚拟装配的实现
“虚拟装配”（Virtual Assembly）是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。通常有2种定义：
（1）虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定位、分析的过程。
（2）虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。
虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。采用虚拟装配，可以进行相应的装配检验，对产品的零部件及结构设计进行分析、评价，可以使设计人员在产品的设计阶段即能了解到产品的可装配性，在设计阶段就能解决设计和装配中可能存在的问题，在满足产品性能和功能条件下尽可能优化产品设计精度、制造精度和成本之间的性价比，保证设计出的产品在装配时不出现任何问题。
虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。
作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具有深远影响。通过建立产品数字化装配模型，虚拟装配技术在计算机上创建近乎实际的虚拟环境，可以用虚拟产品代替传统设计中的物理样机，能够方便的对产品的装配过程进行模拟与分析，预估产品的装配性能，及早发现潜在的装配冲与缺陷，并将这些装配信息反馈给设计人员。运用该技术不但有利于并行工程的开展，而且还可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。
常见的虚拟装配系统结构一般分为4个模块：模型模块、用户交互模块、环境虚拟模块和输出模块。
(1)模型模块：功能是通过将零件的相关数据信息，包括几何模型、物理特征、零件的公差等，以及产品的装配模型，输入到虚拟装配系统里，生成需要的虚拟零件模型。
(2)用户交互模块：即各种虚拟外部设备和其支持系统，通常有麦克风、数据手套、光栅眼镜、数据衣、头盔式显示器等。装配技术人员利用这些虚拟外部设备与虚拟装配系统进行人机交互，进行虚拟装配的各种操作。
(3)环境虚拟模块：是虚拟装配系统的核心，包括各种虚拟现实算法、虚拟装配环境配置、虚拟装配环境生成、虚拟零件模型、虚拟装配工具包以及虚拟外部设备驱动系统。其中，虚拟现实算法主要包括干涉检验算法、多细节层次模型自动生成算法；虚拟装配环境配置即对装配环境进行配置，包括坐标系的设定、定位、光照设置等；虚拟环境生成即生成虚拟环境所需的视觉、听觉和触觉信息等，利用各种优化算法对虚拟环境进行优化，以保证系统的实时性，为装配技术人员创造犹如现实的虚拟装配环境；虚拟装配工具包是由CAD系统创建的各种装配工具的几何模型转换得到的虚拟工具模型；虚拟外部设备驱动即各种虚拟外部设备的驱动程序。
(4)组件模块：虚拟装配组件模块是机床产品虚拟装配系统的核心，包含五大功能：1）参数化设计。 在solidworks环境下实现产品快速设计建模；2）信息提取。从solidworks中直接提取虚拟装配所需的基本零件信息，如零部件的名称、结构层次信息、配合约束信息，并且将这些信息放入数据库进行管理；3）装配工艺规划。对生成的多种可能的装配顺序和装配路径进行验证，以得到最合理的装配工艺规划文件；4）虚拟装配。实现在规划好的装配顺序、路径和装配信息下实现虚拟装配自动化；5）干涉检查。对虚拟装配完成后的零部件进行干涉检查，以发现虚拟装配中存在的问题。这样使得新产品在开发过程中可以实现更自然的人机交互，动态显示产品的设计过程，系统地考虑各种因素，把握新产品开发周期的全过程。
经过三个月的毕业设计忙碌之后，设计最终完成。在这次设计中，通过查资料和文献，培养了自己的动手能力，由原先的被动接受知识转换为主动寻求知识。同时在设计过程中遇到很多困难，在师生的帮助下得以解决。
首先要感谢老师对我的指导和督促，使我避免在装配过程中走弯路，同时督促我保质保量的完成毕业设计；还要感谢其他各位老师、同学的帮助，在设计的过程中互帮互助，使我的solidworks水平得到了很大的提高，论文得以不断的完善，最终帮助我写完了整篇论文。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，良好的专业课知识是论文完成的基础。
在这次毕业设计的过程中，我们收获了很多，为大学四年画下了一个完美的句号。也为将来的人生之路做了个很好的铺垫。
本次我设计的课题是普通车床主轴箱虚拟装配，针对的是C616车床，主轴箱：又称为床头箱,是机床的基础件之一。在这次设计中主要利用solidworks软件，创建出主轴箱中的各个零件的三维模型造型，实现各零部件的虚拟装配以及主传动链的传动运动，实现主轴箱启动、停止、变速等功能。通过动态仿真和干涉分析来验证设计方案的可行性的方法不但有利于并行工程的开展，而且还可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。 为产品的结构优化设计提供了有效地途径。
关键词 C616车床，主轴箱，虚拟装配，solidworks，仿真运动
1 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 课题研究背景及意义 3
2 虚拟装配的实现 3
2.1 系统开发平台 5
2.1.1 图文件的转换 5
2.1.2 零件 5
2.1.3 装配组件 6
2.1.4 工程图 6
2.1.5 钣金件 6
2.1.6 客户化 7
2.1.7 组合应用 7
2.2 设计总方案 7
2.1.1 传动路线分析 7
2.1.2 传动结构式 8
2.3 零件模型建立 8
2.3.1 零件明细表 8
2.3.2 主轴箱主轴零件的建模11
2.4 虚拟装配17
2.5 结果分析24
2.6 运动仿真26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
车床又称机床,使用车床的工人称为“车工”，在机械加工行业中车床被认为是所有设备的工作“母机”。一个普通车床的主要组成部分有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。而我主要研究的是C616的主轴箱。
1.1 概述
C616普通车床是目前国内工矿企业应用较为普通的通用机床之一。车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速，刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程等。
C616车床采用分离传动的布局型式,变速箱与主轴箱上下分开,中间依靠三角带传动,其主传动系统图如图1所示。
图1-1 C616车床传动系统图
一个普通车床的主要组成部分有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。
进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。
丝杠与光杠：丝杠和光杠用以连接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱纵向直线运动。
主轴箱：又称为床头箱,是机床的基础件之一。车床的主轴箱包括：箱体、主轴部件、传动机构、操纵机构、换向装置、制动装置和润滑装置等。其功用在于支承主轴和传动其旋转，并使其实现起动、停止、变速和换向等。机床的主轴箱是一个比较复杂的运动部件，它的装配图包括展开图、各种向视图和剖面图，以表示出主轴箱的所有零件及其装配关系。如图2所示。
图1-2 主轴箱零件及其装配关系
主轴部件是主轴箱最重要的部分，由主轴、主轴轴承和主轴上的传动件、密封件等组成。主轴前端可安装卡盘，用以夹持工件，并由其带动旋转。主轴的旋转精度、刚度和抗振性等对工件的加工精度和表面粗糙度有直接影响，因此对主轴部件的要求较高。
变速机构是主轴箱中的一个重要的部分，他利用齿轮传动比的不同，使得电动马达加载皮带轮上力带动主轴转动，。还可以进行换向，实现正反转，正转用于切削，需传递的扭矩较大，而反转主要用于退刀
制动装置功用在于车床停车过程中克服主轴箱中各运动件的惯性，使主轴迅速停止转动，以缩短辅助时间。
1.2 课题研究背景及意义
Solidworks软件是现在比较流行的三维设计软件，本设计以普通车床主轴箱为对象进行产品的三维模型的设计，在此基础上对普通车床主轴箱进行虚拟装配。在虚拟样机的装配过程中，可以检验产品的可装配性，并进行装配仿真以指导产品的设计、制造、装配和维修。
2 虚拟装配的实现
“虚拟装配”（Virtual Assembly）是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。通常有2种定义：
（1）虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定位、分析的过程。
（2）虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。
虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。采用虚拟装配，可以进行相应的装配检验，对产品的零部件及结构设计进行分析、评价，可以使设计人员在产品的设计阶段即能了解到产品的可装配性，在设计阶段就能解决设计和装配中可能存在的问题，在满足产品性能和功能条件下尽可能优化产品设计精度、制造精度和成本之间的性价比，保证设计出的产品在装配时不出现任何问题。
虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。
作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具有深远影响。通过建立产品数字化装配模型，虚拟装配技术在计算机上创建近乎实际的虚拟环境，可以用虚拟产品代替传统设计中的物理样机，能够方便的对产品的装配过程进行模拟与分析，预估产品的装配性能，及早发现潜在的装配冲与缺陷，并将这些装配信息反馈给设计人员。运用该技术不但有利于并行工程的开展，而且还可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。
常见的虚拟装配系统结构一般分为4个模块：模型模块、用户交互模块、环境虚拟模块和输出模块。
(1)模型模块：功能是通过将零件的相关数据信息，包括几何模型、物理特征、零件的公差等，以及产品的装配模型，输入到虚拟装配系统里，生成需要的虚拟零件模型。
(2)用户交互模块：即各种虚拟外部设备和其支持系统，通常有麦克风、数据手套、光栅眼镜、数据衣、头盔式显示器等。装配技术人员利用这些虚拟外部设备与虚拟装配系统进行人机交互，进行虚拟装配的各种操作。
(3)环境虚拟模块：是虚拟装配系统的核心，包括各种虚拟现实算法、虚拟装配环境配置、虚拟装配环境生成、虚拟零件模型、虚拟装配工具包以及虚拟外部设备驱动系统。其中，虚拟现实算法主要包括干涉检验算法、多细节层次模型自动生成算法；虚拟装配环境配置即对装配环境进行配置，包括坐标系的设定、定位、光照设置等；虚拟环境生成即生成虚拟环境所需的视觉、听觉和触觉信息等，利用各种优化算法对虚拟环境进行优化，以保证系统的实时性，为装配技术人员创造犹如现实的虚拟装配环境；虚拟装配工具包是由CAD系统创建的各种装配工具的几何模型转换得到的虚拟工具模型；虚拟外部设备驱动即各种虚拟外部设备的驱动程序。
(4)组件模块：虚拟装配组件模块是机床产品虚拟装配系统的核心，包含五大功能：1）参数化设计。 在solidworks环境下实现产品快速设计建模；2）信息提取。从solidworks中直接提取虚拟装配所需的基本零件信息，如零部件的名称、结构层次信息、配合约束信息，并且将这些信息放入数据库进行管理；3）装配工艺规划。对生成的多种可能的装配顺序和装配路径进行验证，以得到最合理的装配工艺规划文件；4）虚拟装配。实现在规划好的装配顺序、路径和装配信息下实现虚拟装配自动化；5）干涉检查。对虚拟装配完成后的零部件进行干涉检查，以发现虚拟装配中存在的问题。这样使得新产品在开发过程中可以实现更自然的人机交互，动态显示产品的设计过程，系统地考虑各种因素，把握新产品开发周期的全过程。
经过三个月的毕业设计忙碌之后，设计最终完成。在这次设计中，通过查资料和文献，培养了自己的动手能力，由原先的被动接受知识转换为主动寻求知识。同时在设计过程中遇到很多困难，在师生的帮助下得以解决。
首先要感谢老师对我的指导和督促，使我避免在装配过程中走弯路，同时督促我保质保量的完成毕业设计；还要感谢其他各位老师、同学的帮助，在设计的过程中互帮互助，使我的solidworks水平得到了很大的提高，论文得以不断的完善，最终帮助我写完了整篇论文。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，良好的专业课知识是论文完成的基础。
在这次毕业设计的过程中，我们收获了很多，为大学四年画下了一个完美的句号。也为将来的人生之路做了个很好的铺垫。
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