基于Pro／E的串并联机床几何建模和运动仿真

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Pro／E(Pro／Engineer)是由PTC(Parametric Tech．nology corporation)公司推出的参数化设计三维cAD／CAM软件包，是当今世界上拥有用户最多的三维CAD软件，被广泛应用于机械、电子、航天、纺织、军工等行业。

    近年来随着个人计算机的发展，人们运用各种软件及其开发工具对并联、串并联机床进行三维实体的几何建模和仿真。用AutocAD进行二维模型的建立相对比较容易，而对三维实体建模则较麻烦；OpenGL(Open graphic 1ibrary)提供了一些基本的图元，仅能完成简单的形体绘制，而复杂形体的建模是比较复杂的工作，如果采用汇编语言(如VB++、VC++等)编程进行实体建模和仿真，不仅要求工作人员技术高，而且工作量也很大。本文运用Pro／E对串并联机床进行参数化设计，对其中的零部件进行分析，并分别建立模型，最后以一定的装配关系和约束条件来完成对串并联机床的建模，并应用Animation功能实现了运动平台的仿真。

1 串并联机床

    三自由度的串并联机床结构简单，它基于stewart原理，主要由1个三自由度的主轴平台和1个传统的两自由度X-Y，工作台组成，被加工工件装夹在工作台上以获得二维平面运动。主轴安装于平台中央，主轴平台通过圆周均布的3个球铰(ball joint)或万向铰分别与3个连杆连接，每个连杆的另一端通过圆柱铰(rotational ioint)分别连接于相应的滑座上，每个滑座可沿各自所在立柱导轨作垂直运动，3个立柱空间均布。通过结构分析，不难发现串并联机床具有很多相似的部件和零件，如它的3根立柱、连杆和动、定平台的球铰和圆柱铰等，特别适合采用参数化的设计思想。

2 串并联机床几何模型的建立

    (1)零件建模

    分析串并联机床的结构，主要由立柱、连杆和动、定平台组成，可对它们进行建模，如图1所示是串并联机床的建模过程框图。
   
    图1串并联机床的实体建模过程框图

    图2 连接形式
(2)零件装配

    零件装配形成组件的过程，其实是一个通过Pro／E指定零件间约束的过程，通过指定高温合金高温合金零件问的约束，确定零件的装配位置关系来完成装配图，因此在装配时不仅要考虑相连零件问装配的8种连接类型(如图2所示)，还要考虑零件装配的先后次序及组合关系。可见零件的装配有不同的方式，串并联机床装配过程框图如图3所示。

   
    图3 串并联机床装配过程框图

    (3)几何建模的完成

    立柱和定平台用固定(Rigid)约束装配；连杆连接滑块并绕滑块的一轴线旋转，因此连杆和滑块间用销钉(Pin)方式连接；滑块在立柱上面做直线平移运动，只要求有一个平移自由度，则选择滑块(Solid)连接方式连接；连杆与动平台之间是用具有三个自由度的球铰进行连接的，因此选择球(Ball)连接方式进行连接，最后生成所需的3-DOF串并联机床，如图4所示。

   
    图4 3-DOF串并联机床


    图5 串并联机床运动仿真工作界面图

3 串并联机床主轴平台仿真

    在Pro／E软件中，有两大方法可以让组件“动起来”：

    一是利用Mechanism功能，它可以让用户通过设定运动副——“连接”(connection)，使机器组件实现模拟运动(虚拟运动)；

    二是利用Animation功能，它可以让用户不设定电机而用鼠标直接拖曳组件，仿照动画影片的制作过程，一步一步快拍(Snapshot)，最后连接播映便成动画。在此不考虑伺服电机的驱动等方面的因素，只要求依照构件之间所连接的运动副而运动，因此第二种方法比较方便，且能满足所需运动的要求。

    其中使用【play】-【capture】功能，可以输出一个影像文件，通过播放器能够看到主轴运动平台的运动情况。

4 结束语

    在具体零件建模时，应注意区别参考平面与绘图平面，这为绘图者减少很多麻烦。使用Pro／E软件能方便地实现主轴运动平台的运动仿真，为以后串并联机床的设计和制造、运动校验以及误差分析等提供了基础和方法。

[ 本帖最后由 aszx1as 于 2011-11-28 19:39 编辑 ]