Advanced Materials Research Vol 1039 (2014) pp 3-9 Submitted: 2014-05-30
copy; (2014) Trans Tech Publications, Switzerland Accepted: 2014-07-14
doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.1039.3 Online: 2014-10-31
Research of Design and Simulation for the Small Modular Machine Tool
Dexian Wang1,a*,Wenhua Zhu2,b,Nadegrave;ge Troussier3,c and Sebastien Remy4,d
12CIMS and Robot Center, Shanghai University, Shanghai, China
34University of Technology of Troyes Institute Charles Delaunay, France
akangjiayiren@shu.edu.cn, btoney_wh_zhu@shu.edu.cn, cnadege.troussier@utt.fr, dsebastien.remy@utt.fr
Keywords: The small modular machine tool; Pro/Engineer; Interference analysis; Visual simulation
Abstract. Machine tool is the basic equipment of machinery industry, playing very important role in today#39;s manufacturing, and its variety, quality and processing efficiency directly affects economic benefits and the technology level of the mechanical industry production. The modular machine tool is widely used in the industry, and its production efficiency is increased by several times or even several times than the common machine tool, with such processing methods of multi-axis, multi-knife and multi-process. This paper designs the small combined machine with a set of turning, milling, drilling and grinding by PTC#39;s 3D software, namely Pro/Engineer. At last, the technique of the interference analysis and visual simulation has been carried on, verifying the feasibility of the machine design. The machine tool is mainly used to meet the needs of processing the small parts in scientific research, teaching unit or small repair industry, not only improving the machining efficiency, but also saving space and processing costs.
Introduction
In America, the modular machine tool is the earliest made in 1911, mainly used for processing of auto parts. The modular machine tool is the mi-automatic or automatic machine tool, based on common components, consisting of parts and fixtures with a special design according to the specific shape and the machining process. The modular machine tool is widely used in the industry, and its production efficiency is increased by several times or even several times than the common machine tool, with such processing methods of multi-axis, multi-knife and multi-process. The modular machine tool has the advantages of low cost and high efficiency, because the standardized and serialized common parts can shorten the cycle of design and manufacturing with the flexible configuration according to the needs. The modular machine tool has been widely used in the mass production, and can be used to compose the automatic production line. The modular machine tool is generally used for processing the parts of box-type or special shapes. During machining, the work-piece is generally not rotating. According to the tool rotation and the relative feed motion of tool and work-piece, machine tool achieves drilling, reaming, boring, reaming, boring, milling plane, cutting internal and external thread and processing the ex-circle and face. Since the 1970s, the accuracy of the modular machine tool is also improved, with the development of index able tool, dense cutter, the technology of automatic detection of boring size and automatic compensation of tool.
In 1980s, many domestic and foreign manufacturing enterprises and research institutions had begun to research CAD on the modular machine tool, and had achieved remarkable results. Michigan University established a reconfigurable technology research and development center, in support of National Science Foundation (NSF) and many industrial enterprises. At the same time, domestic research institutes, such as Tsinghua University, Shanghai Jiao Tong University, also had been studied computer-aided design technology on the modular machine tool, having developed the scheme of three-dimensional design on the modular machine tool, the design system of a three charts-one card, and software designs for multi-spindle box and the fixture. In the 21st century, the major machine tool manufacturers in developed countries all almost have applied CAD technology in the design of the machine tool, and one of the most striking is INGER-SOLL company, which has 50 interactive CAD workstations consisting of hardware and software environment, almost fully
All rights reserved. No part of contents of this paper may be reproduced or transmitted in any form or by any means without the written permission of Trans Tech Publications, www.ttp.net. (ID: 128.210.126.199, Purdue University Libraries, West Lafayette, USA-21/05/15,06:42:50)
realized CAD design of the machine tool. The Petter Olofsgard [1] and others have developed distributed virtual machine manufacturing systems that support the full life cycle, including design, simulation, programming, analysis, machine operation and reconstruction, which can realize distributed library management and storage of information in an open system. With the progress of Pro/Engineer, UG, SolidWorks, AutoCAD, and other related technologies, the domestic manufacturers are also using the technology of CAD parametric modeling technology and modular design method to develop a design of the modular machine tool, greatly promote the research and application of the modular machine tool.
Although the modular machine tools have a relatively rapid development, there are s
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小型组合机床的设计与仿真研究
Dexian Wang1,a*,Wenhua Zhu2,b,Nadegrave;ge Troussier3,c and Sebastien Remy4,d
关键词：小型组合机床；Pro/Engineer；干扰分析法；可视化仿真
摘要：机床是机械工业的基础设备，在今天的制造中起着非常重要的作用，其种类、质量和加工效率直接影响到经济效益。 以及机械工业生产的技术水平。组合机床广泛用于工业中，其生产效率比普通机床提高数倍甚至数倍，其具有这样的加工方法： 多轴，多刀，多加工。本文利用PTC的三维软件Pro/Engineer设计了一套集车削、铣、钻、磨为一体的小型组合机床。最后，进行了干扰分析和可视化仿真的技术，验证了机械设计的可行性。本机床主要用于科研、教学单位或小修理行业对小零件的加工，不仅提高了加工效率，而且节约了空间以及成本。
介绍
在美国，组合机床是最早于1911年制造的，主要用于汽车零部件的加工。组合机床是一种基于通用部件的半自动或自动机床，它由零件和夹具组成，根据特定的形状和机械设计具有特殊的设计。 该模块化机床广泛用于工业中，其生产效率比普通机床提高数倍甚至数倍，具有这样的加工方法： 多轴、多刀、多加工。组合机床具有成本低、效率高的优点，因为标准化和系列化的通用部件可以缩短设计和制造的周期，且可根据需要进行灵活的配置。组合机床已广泛应用于大批量生产中，可组成自动化生产线。组合机床一般用于加工箱形或特殊形状的零件。在加工期间，工件通常不旋转。根据刀具的旋转和刀具与工件的相对进给运动，机床实现了钻削、扩孔、镗削、铣削、内外三次切削和处理前圆和面。20世纪70年代以来，随着可索引刀具、密集刀具、镗孔尺寸自动检测技术、工具的自动补偿和自动协同技术的发展，组合机床的精度也得到了提高。
20世纪80年代，国内外许多制造企业和研究机构开始对组合机床进行计算机辅助设计研究，取得了显著的成果。密歇根大学成立了一个可重新配置的技术研发中心，支持国家科学基金会和许多工业企业。同时，国内的研究机构，如清华大学、上海交通大学等，也对组合机床的计算机辅助设计技术进行了研究， 开发了模块化机床三维设计的方案、三图一卡的设计系统以及多主轴箱和夹具的软件设计。进入21世纪，发达国家的主要机床制造商几乎都将计算机辅助设计技术应用到机床的设计中，其中最引人注目的是Inger-Soll公司。 该公司拥有50个由硬件和软件环境组成的交互式CAD工作站，几乎完全实现了机床的CAD设计。Petter Olofsgard[1]和其他人开发了支持整个生命周期的分布式虚拟机制造系统，包括设计、仿真、编程、分析、机器操作， 实现了开放系统下的分布式图书馆管理和信息存储。随着Pro/ENGINEER、UG、SolidWorks、AutoCAD等相关技术的发展，国内的生产厂家也在使用CAD参数化建模技术和模块化设计方法开发了组合机床的设计，极大地推动了组合机床的研究和应用。
虽然模块化机床具有相对快速的开发，但是在功能、集成和技术更新方面仍存在一些问题[2,3]。首先，功能设计往往比较简单，不能满足不同用户的不同需求；其次，组合机床的某些方面往往是由设计系统设计的， 造成了使用范围等方面的限制。例如，在学校或实验室中，多步加工小零件需要一台小型机床来完成各种制造过程，以满足不同用户的不同需求。在这种情况下，使用通常的大型机床既不经济，也不方便。因此，本文从组合机床的设计和制造过程出发，对组合机床建模理论进行了研究， 利用三维软件对小型组合机床进行车削、铣削、钻磨加工。本机床满足科研、教学单位或小修理行业对小零件加工的需要。
小型模块化机床的设计
系统设计的主题
组合机床的常见加工分为三种类型：平面类型，包括圆形平面、矩形平面、圆形平面和不规则曲面；车削面类型，包括圆柱形表面、外圆柱体、内外圆锥面；成形表面类型，包括内螺纹面、外螺纹面，形成槽面[4，5]。工件的加工表面是由刀具与工件的相对运动形成的，这个相对运动实际上是工具和工件运动的集合。无论加工何种表面，工件与刀具的相对运动规律也是确定的。根据加工表面的表面类型和构成加工表面的线材表面元素的类型，以及工件与工件的相对运动关系，选择刀具。 基于加工表面的成形理论和组合关系，确定了零件的成形过程。相应的运动形式的工件和工具也是确定的。
综上所述，本文设计的小型组合机床具有车削、铣削、钻削、磨削四大功能，能够实现多种加工特性，完全能够满足各种需要加工的小工件。
如何实现这些功能
当机床为立式时，实现了铣削、钻削、磨削等主要功能，在这种情况下，工具是用于高速旋转的，而钳制在虎钳上的工件是用于进给的运动。通过更换转台上的铣削、钻削、棘轮研磨等工具，以及虎钳通过进给系统在水平和垂直面上的运动，实现了铣削、钻削、磨削的功能。
当机床处于水平位置时，实现了车削的主要功能。在这种情况下，夹紧工件的卡盘是用于高速旋转的，夹在虎钳上的工具是用于进给运动的。通过用在转盘上的棘轮夹紧工件的卡盘来实现转动的功能,以及通过进给系统在水平和垂直平面上移动的工具。
小型组合机床的建模
目前，已经有许多成熟的三维建模软件，如UG、CATIA、SolidWorks、Pro/Engineer等，利用任何软件都可以得到精细的设备模型。本文选取Pro/Engineer软件，采用参数化方法对小型组合机床进行数字化建模功能设计。之所以选择这个软件，是因为它具有下列特点[6，7]：首先，基于特征的参数化建模能够直接反映设计者的意图。其次，设计过程由二维和三维两部分组成，能够有效地处理多个相关文件，使设计过程平稳、准确。最后，在文档管理、大型曲面工程制图、大型装配等方面加快了处理速度，能够有效地处理复杂的曲面建模问题。
参数化特征建模方法的实质是基于产品特点的设计过程[8，9]，它不仅背离了传统的点、线、面等操作，而且突出了孔、圆角、倒角等功能元素以及齿轮和螺丝孔等有其功能意义的特点。这种设计方法处于较高的层次，基于特征的造型和设计可以更好地反映设计思想，有助于发挥设计师的想象力和创新能力。参数化是实体模型设计中的特征参数化约束，其几何形状由参数表示。 实体的相应特征将相应变化。在设计中，根据构件的特点，在Pro/Engineer建模软件中绘制了基本模型。 我们要设立如交叉进给系统的三维几何模型，如图1所示。
图1交叉进给系统的几何模型
小型组合机床的装配
虚拟装配中的装配建模有两种模式，即自顶向下和自下而上[10].在产品虚拟装配过程中，应根据产品类型选择设计模式。自上而下的模式：它的设计过程是从整体到部分。首先，设计人员从产品的功能要求入手，优先建立初始程序，然后构建草图，通过约束驱动产品模型。接下来，设计者通过计算确定设计参数，该计算是详细设计阶段的一部分，直到达到功能要求为止。该设计减少了重复工作，提高了设计效率。自下而上的模式：它的设计过程是从一部分到整体，与自上而下的模式相反。它的设计解决方案是，组件应该优先设计，然后组装。如果发现某些零件不符合装配过程中的要求，需要更改然后重新组装。
本设计是一种小型组合机床，其目的是在一台机床上实现车削、铣削、钻削、磨削四种操作，以满足用户的处理需求。主要考虑是机床各部分之间的有效合作。相反，二次考虑的是机床的形状，因此本文采用了自下而上的模式。本文包括对过程中运动模式的分析、干扰检测和过程中人为因素的评估，以提高产品的性能。
装配Pro/Engineer时，应合理安排装配路径。装配路径是指装配过程中应遵循的装配顺序和装配路径。合理的装配路径应保证装配过程中不会出现各部件间的干涉现象，并保证装配过程的合理性。
完成机床装配后，为了反映机床的整体效果，使三维模型的设计更加逼真，应对图案和颜色进行渲染，以进一步加强和突出机床的外观[11，12]。在渲染中，通过对机床功能和使用的综合考虑，使模型外观的颜色和图案符合实际情况。通过对几种颜色和图案的比较，最终选择红色作为主要工具的体色。小型组合机床的三维装配模型及其主要模块的各种组合如图2和图3所示。
图2整体装配模型 图3模型的主要模块
关键部分的组装和协调关系：
基础和外壳：默认安装。
主轴：通过法兰定位在底座上。
套筒：通过六角螺母固定在主轴上。
转盘：由主轴和轴承连接。
车刀、铣刀、钻具和磨削工具：通过套筒和轴承固定在转台上。
机床按功能可分为动力部分、支撑部分、进给部分、刀具部分和辅助部分。动力部分是为组合机床提供动力源的部分，主要包括机床电机、滑轮和V带；支撑部分是安装进给机构、转台等部件的部件，包括主轴、机架、机壳、底座；进给部分用于将工件或工具运输到加工站，主要包括转盘、往复台；工具部分是机床工件的零件，包括车削工具、铣刀、钻具和磨削工具；辅助部件包括润滑装置、冷却装置和芯片装置。
小型组合机床的可视化仿真
在视景仿真中，可以看到机床的工况，为机床的设计提供了强有力的支撑。利用Pro/Engineer软件对组合机床进行可视化仿真，给出直观、真实的虚拟环境来感受机床的仿真。
关键部件的干扰分析与碰撞分析
干涉分析技术是虚拟装配技术的关键技术之一，用于验证装配过程中是否发生了干扰和碰撞，从而分析了装配的可行性。根据目标的性质，可行性分析可分为几何可行性分析和机械可行性分析。几何可行性分析是指对装配和零件进行几何意义上的装配分析。它忽略装配人员和装配工具是否有操作空间，或者是否存在冗余操作空间。在实际装配环境中，一般需要进行机械可行性分析。机械可行性分析是指在考虑装配人员和装配工具的情况下，在一定装配空间下的装配能力。
干扰分析技术可分为静态干扰分析和动态干扰分析。静态干扰分析用于评估组件和产品的合理性。在确定了装配的总体结构和设计后，在装配过程中需要进行静态干涉分析和构件间的公差分析。根据对零件的试验结果，对设计进行改进或修改，以达到公差要求。动态干涉分析用于分析组件的装配路径和装配顺序，以确保在装配过程中碰撞不会发生，或确保碰撞不会发生。 无法组装的现象。在实际装配仿真中，需要对静态干涉分析和动态干涉分析进行测试。
图4进料系统的干扰分析
如图4所示，在组件的开始处发现了干涉，这是不同部件之间的重叠部分。根据干扰检查的亮红色提示,如有干扰，则确定干扰是设计需要或设计遗漏。进给系统装配过程中，螺纹中存在干涉现象。通过仔细检查和反复验证螺距和装配关系，最终消除了干扰。
机床功能仿真
Pro/ENGINEER软件中的运动仿真是指将静态模型转换为动态虚拟模型，该模型根据其实际工作条件运行。在动态虚拟模型中，设计者可以在建立的模型[14]的基础上对实体进行客观的评价。机床的运动仿真能够模拟和检测机床各种功能的所有工作过程。这使设计者能够更清楚地了解工作过程中的各种状态，并验证协调的合理性，为进一步优化结构提供参考。
当机床为立式时，实现了铣削、钻削、磨削等主要功能。在这种情况下，该工具用于高速旋转，而夹紧在台钳上的工件用于进给运动。如图5所示，模拟铣削，与钻磨相似。
当机床处于水平位置时，实现了车削的主要功能。在这种情况下，夹紧工件的卡盘用于高速旋转，夹紧在虎钳上的工具用于进给运动。如图6所示，车削的模拟。
图5铣削过程的仿真 图6车削仿真
根据机床在加工过程中各功能的工作过程，利用Pro/Engineer的运动仿真功能,对机床从加工开始到加工的全过程进行了模型仿真。从仿真结果可以看出，运动模拟过程和实际工作过程是完全相同的，该结果为小型组合机床的结构设计提供了直观的参考。
总结
本文设计了小型模块化机床，具有以下的研究创新：在一台机床上实现了车削、铣、钻、磨四大功能，不需要过多的拆卸，从而节省了装配时间，提高了装配效率。该机床由于占地面积小，适合于学校和实验室对小型工件进行加工。独特的进给系统使用户能够精确地控制车刀或工件的进给。该机床可以手动、自动更换刀具，不仅使刀具的更换更加多样化，而且减少了拆卸刀具的时间，提高了效率。随着自动化能力的提高和管理技术的发展，这种小型组合机床将广泛应用于中小型工件的小批量生产中，甚至在自动生产线中也是如此。
本文所建立的组合机床的三维设计模型，不仅对组合机床的研究和推广有一定的参考价值，而且对组合机床的应用也有一定的参考价值。 在工业的所有场合都是模块化的机床。这具有重大的工程意义和经济意义。
参考文献
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-
张满斌，曹新国。组合机械工程CAD系统的设计与实现(J)。河北工业大学学报，1999，28(4)：44
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资料编号：[817]
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