畢業(yè)設(shè)計（論文）-可重構(gòu)數(shù)控機械雕刻機設(shè)計（全套圖紙三維）

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1、 可重構(gòu)數(shù)控機械雕刻機設(shè)計 本文將展開機械系統(tǒng)可重構(gòu)設(shè)計技術(shù)的研究，對可重構(gòu)制造系統(tǒng)進行了初步的探究。通過三維建模構(gòu)建多軸加工系統(tǒng)，在設(shè)計中體現(xiàn)可重構(gòu)思想，利用已具有的清華的數(shù)控套件構(gòu)建一些試驗平臺以實現(xiàn)某些特定平面的激光雕刻加工，包括移動副X，Y，Z三軸的任意組合轉(zhuǎn)動副A，B兩個方向的任意組合。文中主要針對雕刻球面，圓柱面，圓錐面三種不同的曲面，利用Solid Works進行建模，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，研究，初步探究制造系統(tǒng)中的可重構(gòu)性，同時針對各別的零件進行了G代碼的生成，刀具路徑的仿真以及有限元分析。 關(guān)鍵詞 可重構(gòu)制造系統(tǒng),設(shè)計,研究,有限元分析 全套圖紙加15

2、3893706 目錄 1 緒論 3 1.1 引言 3 1.2 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的特征 3 1.3 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4 1.3.1 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.3.2 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢 5 2 可重構(gòu)數(shù)控雕刻機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 2.1 雕刻球面結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝配 6 2.1.1 球面加工方案的選擇 6 2.1.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 6 2.1.3 工件裝夾中的位置關(guān)系 7 2.1.4 總體結(jié)構(gòu)在Solid Works中的裝配關(guān)系 8 2.1.5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中各部分調(diào)整問題研究 9 2.1.6 總體結(jié)構(gòu)評價 10

3、 2.2 雕刻圓錐面結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝配 11 2.2.1 圓錐面加工方案的選擇 11 2.2.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 11 2.2.3 結(jié)構(gòu)裝配及工件裝夾中的位置關(guān)系 11 2.2.4 總體結(jié)構(gòu)在Solid Works的裝配關(guān)系 12 2.2.5 總體結(jié)構(gòu)評價 13 2.3 雕刻球面及圓錐面一體結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝配 14 2.3.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 14 2.3.2 總體結(jié)構(gòu)在Solid Works中的裝配關(guān)系 14 2.3.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中干涉問題的研究 17 2.3.4 總體結(jié)構(gòu)評價 19 2.4 材料的選擇 19 2.4.1 PVC板的含義 20

4、 2.4.2 PVC板的力學(xué)性能 20 2.4.3 選擇PVC板材的原因 20 3 板的加工及G代碼的生成 20 3.1 EdiTasc Starten簡介 20 3.2 Master CAM簡介 21 3.2.1 Master CAM的推出 21 3.2.2 Master CAM X2主要功能及特色 22 3.3 G代碼的生成及運行仿真 23 3.3.1 Master CAM軟件中G代碼的生成 23 3.3.2 EdiTasc Starten中運行仿真 23 4 有限元分析 24 4.1 有限元分析的簡介及特點 24 4.1.1 有限元分析的

5、簡介 25 4.1.2 有限元分析的特點 25 4.2 有限元分析的一般處理步驟 25 4.3 有限元分析實例分析 26 4.3.1 實例具體步驟 26 4.3.2 有限元分析實例分析結(jié)果 33 結(jié) 論 35 致 謝 36 參 考 文 獻 36 附錄A 37 1 緒論 1.1 引言 隨著新世紀(jì)的來臨，全球的市場競爭日益激烈。一方面人們對于產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量要求越來越高促使制造商不斷研發(fā)新產(chǎn)品，另一方面科技技術(shù)的快速發(fā)展也加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐。傳統(tǒng)的單一大批量生產(chǎn)方式已經(jīng)不在適應(yīng)當(dāng)代變幻莫測的市場需求了。在這種形勢下，為了保持市場競爭能

6、力，制造企業(yè)需要一種生產(chǎn)能力能隨市場需求變化而調(diào)節(jié)、功能上能適應(yīng)新產(chǎn)品的快速響應(yīng)的制造裝配系統(tǒng)，以小批量、多品種的生產(chǎn)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生產(chǎn)方式。本研究涉及到的可重構(gòu)制造系統(tǒng)（RMS）正是為了適應(yīng)這樣的要求而提的。 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的核心就是在制造過程中的可重構(gòu)性，也就是用戶可以根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的變化對機床的結(jié)構(gòu)，布局進行改變，而且每次重構(gòu)毒藥力求做到基本上無多余功能?？芍貥?gòu)機床目前還是處在研究階段，但肯定有發(fā)展的潛力，現(xiàn)在就應(yīng)該給予足夠的關(guān)注。 本次設(shè)計是利用清華的數(shù)控套件，通過兩個轉(zhuǎn)動副A，B以及三個移動副X，Y和Z，靈活搭建多軸數(shù)控系統(tǒng)，對制造系統(tǒng)中的可重構(gòu)性進行初步的分析和探究，重點在于進行

7、了雕刻球結(jié)構(gòu)設(shè)計以及雕刻圓錐面結(jié)構(gòu)的設(shè)計。關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計，G代碼的生成以及有限元分析。 1.2 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的特征 RMS技術(shù)可用于大多數(shù)制造系統(tǒng)中，特別是市場競爭激烈、產(chǎn)品的品種和數(shù)量陡變的狀況下快速構(gòu)建制造系統(tǒng)。它的基本特征是可重構(gòu)（可組態(tài)）性，除此之外還包括以下主要特征： 1.可變性，對產(chǎn)品，制造技術(shù)和過程變化的高柔性的適應(yīng)能力?？梢赃m應(yīng)任何環(huán)境的變化； 2.可集成性，是可嵌套新模塊與新裝置或設(shè)備，能實現(xiàn)"系統(tǒng)大于部分之和"的系統(tǒng)整合； 3.訂貨化，可按訂單驅(qū)動； 4.模塊化，可進行制造過程、制造功能和制造能力的模塊化組合； 5.優(yōu)化物流，減少在制件（WIP）

8、，提高機床利用率5－10%，提高產(chǎn)品變換后產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量（據(jù)美國在汽車裝配線實踐的經(jīng)驗是壓縮裝配質(zhì)量分散性1/3左右，即 使δ變?yōu)?/3δ）； 6.可診斷性，對產(chǎn)品質(zhì)量缺陷和設(shè)備故障的可跟蹤和可溯源性； 7.經(jīng)濟可承受性，是投資、系統(tǒng)功能和成本綜合優(yōu)化，經(jīng)濟上可行的，經(jīng)濟上可以承受的； 8.敏捷性，以強大的市場擴展柔性、增強企業(yè)競爭力，使企業(yè)獲利。在任何情況下做大限度滿足市場需求。 1.3 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.3.1 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 可重構(gòu)制造系統(tǒng)是繼承20年代的自動化流水線、50年代的NC機床、60年代的FMS和80年代的CIMS之后，由國外一

9、些實施先進制造的企業(yè)首先創(chuàng)造的又一類新型可變制造系統(tǒng)。其目的在于：大大縮短適應(yīng)產(chǎn)品品種與產(chǎn)量變化的制造系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和建造時間及新產(chǎn)品的上市時間，大幅度地壓縮系統(tǒng)建造的投資、降低生產(chǎn)成本、保證質(zhì)量、合理利用資源、提高企業(yè)的市場競爭力和利潤率。它涉及：先進的制造戰(zhàn)略、營銷、新產(chǎn)品創(chuàng)新與改進的設(shè)計與開發(fā)、系統(tǒng)工程與分析、隨機動態(tài)規(guī)劃與決策論、質(zhì)量工程、系統(tǒng)可靠性和運行跟蹤與診斷、計算機技術(shù)、自治與協(xié)同控制、硬軟件接口與協(xié)議技術(shù)、經(jīng)濟可承受性、系統(tǒng)集成管理和生產(chǎn)運作管理等多學(xué)科、多種技術(shù)的交叉融合。 RMS是適應(yīng)今天和明天先進制造發(fā)展的新一代技術(shù)群體中一種重要而適用的技術(shù)，對我國制造企業(yè)增強競爭

10、力有重要意義。它與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計和建造的區(qū)別在于：企業(yè)可隨時根據(jù)產(chǎn)品變化，由產(chǎn)品工藝過程變化驅(qū)動、快速進行組態(tài)規(guī)劃和設(shè)計，在專門的多功能小組（Team）的支持下快速實施系統(tǒng)動態(tài)組態(tài)（重構(gòu)）。因它是建立在公共地基、可隨時移動又可保證組態(tài)后性能的機床設(shè)備和組元的基礎(chǔ)上的，故具有投資少、可重復(fù)利用、優(yōu)化布置、物流合理、保證質(zhì)量、設(shè)備運行可靠、短交貨期和低成本等優(yōu)點。它不僅是可改進、可革新的開放系統(tǒng)，還是存在壽命期、由產(chǎn)品狀況決定的一種新的可變制造系統(tǒng)。 制造系統(tǒng)與新產(chǎn)品開發(fā)、商務(wù)實踐構(gòu)成了制造的三個基本要素。制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題是：如何快速設(shè)計與建造新產(chǎn)品生產(chǎn)的系統(tǒng)，使企業(yè)及時抓住商機；

11、在產(chǎn)品變化時，如何形成使企業(yè)可以迅速擴大市場份額或戰(zhàn)勝競爭對手、搶占市場的能力；是否允許新技術(shù)、新裝置盡快地用于制造生產(chǎn)。 20－60年代，剛性的自動化流水生產(chǎn)（大量生產(chǎn)）幫助先進的企業(yè)和國家形成制造競爭力的優(yōu)勢。70－80年代以豐田生產(chǎn)方式為代表改進了大量生產(chǎn)的制造系統(tǒng)，由NC與CNC機床和FMS、FMC實現(xiàn)中小批量生產(chǎn)的優(yōu)勢。但在80年代以來，不斷全球化和呈快速多變的制造貨物市場上，它們均不能滿意地解決上述3個問題。CIMS雖然是一種解決問題的途徑，但一些先進的企業(yè)為了實行更大的設(shè)備系統(tǒng)柔性進行了多種探索。日本對化工生產(chǎn)設(shè)備小型化和數(shù)控可移動化進行了成功地探索；美國等一些先進的制造企業(yè)利

12、用彈性支撐，拋棄了單獨地基的不變制造系統(tǒng)布置，成功實現(xiàn)制造系統(tǒng)的可移動組合布置。后者由于經(jīng)濟簡單易行很快為不少企業(yè)所接受。據(jù)知：美國相當(dāng)多的制造企業(yè)平均每年對制造系統(tǒng)進行1－2次的重組布置，以適應(yīng)產(chǎn)品的變化；英國有的公司達到1次/周的重組布置頻率。在工業(yè)界和政府的推廣下，發(fā)達國家從90年代中開展了可重構(gòu)制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，并已推廣應(yīng)用。例如：1994－1999年以美國密執(zhí)安大學(xué)為中心的RMS課題獲得了NSF與工業(yè)界3080萬美元的支持，進行了“制造系統(tǒng)重構(gòu)方式對系統(tǒng)性能的影響”，“產(chǎn)品裝配過程的變流理論與建模”等方面的研究，并以可重構(gòu)的敏捷制造為課程進行了廣泛地企業(yè)培訓(xùn)，同30個以上的企

13、業(yè)進行以RMS－ERC為基礎(chǔ)的合作。與此同時，美國依阿華大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員對這類系統(tǒng)的設(shè)計進行了研究。因此，可以預(yù)見，一個建立在科學(xué)基礎(chǔ)上可重構(gòu)制造系統(tǒng)技術(shù)將成為支持20世紀(jì)初制造業(yè)發(fā)展的重大技術(shù)?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)該得到足夠的重視。 1.3.2 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢 1.在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上開發(fā)實用技術(shù)和支持系統(tǒng)工具，改變個別摸索或經(jīng)驗型為科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)與作業(yè)，并發(fā)展支持產(chǎn)品和系統(tǒng)工具； 2.在先進制造戰(zhàn)略指導(dǎo)下，逐步建立完整的RMS理論、設(shè)計與規(guī)劃方法、測試和評價方法與工具，使之與其它先進制造技術(shù)形成融合的第三技術(shù)群； 3.深入研究系統(tǒng)分解與集成

14、的理論，與集成制造和CIMS等技術(shù)一起形成能建立和發(fā)揮系統(tǒng)"乘積效果"的科學(xué)重構(gòu)理論技術(shù)； 4.在模塊化理論指導(dǎo)下研究開發(fā)模塊化的裝置、機床裝備和產(chǎn)品，支持CIMS等技術(shù)一起形成能建立和發(fā)揮系統(tǒng)"乘積效果"的科學(xué)重構(gòu)理論技術(shù)； 5.研究和開發(fā)支持RMS的系統(tǒng)集成管理、訂貨化商務(wù)和生產(chǎn)運作管理，以及RMS小組組織與管理。 2 可重構(gòu)數(shù)控雕刻機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計通過機械、電氣、硬件和軟件四大部分的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)對任意半徑球表面的足球圖案激光加工，精度高，可靠性好，加工效率高。設(shè)計的重點在結(jié)構(gòu)部分。 2.1 雕刻球面結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝配 2.1.1 球面加工方案的選擇 方法名稱

15、加工方法 加工效率 轉(zhuǎn)動軸數(shù)量 驅(qū)動器數(shù)量 算法難度 雙自由度矢量加工 矢量加工 高 2 2 高 經(jīng)緯加工法 打點加工 低 2 2 低 小面積逐個加工法 打點加工 低 3 3 高 從上訴三種方法來看，第一種加工法案比較好： （1）精度比較好控制； （2）機械平臺比較容易實現(xiàn)； （3）加工效率比較高； 綜上所述，我選擇了第一種加工方法——雙自由度矢量加工法。 2.1.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 圖 2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計等軸側(cè)視圖 該結(jié)構(gòu)稱為雙回轉(zhuǎn)自由度機械工作臺，該機械結(jié)構(gòu)由兩個回轉(zhuǎn)的工作臺組成，可以實現(xiàn)對球體結(jié)構(gòu)零件兩個回轉(zhuǎn)自由

16、度的控制。激光可垂直射入球的表面。兩回轉(zhuǎn)工作臺可分別帶動球體結(jié)構(gòu)零件圍繞軸線旋轉(zhuǎn)而改變數(shù)值。通過這種方式確定球面上任意一點的位置。如右圖所示 該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)： 1. 對曲面上任意一點垂直射入加工。 2. 能夠控制激光焦距，穩(wěn)定光斑的大小，保證表面加工的質(zhì)量。 3. 能夠?qū)崿F(xiàn)曲面表面點陣圖的掃描式加工。 4. 具有定位準(zhǔn)，精度高，失真小等特點。 2.1.3 工件裝夾中的位置關(guān)系 所謂雙自由度是指在結(jié)構(gòu)中只有兩個方向的移動或者轉(zhuǎn)動。上圖的結(jié)構(gòu)中就是由兩個轉(zhuǎn)動副所構(gòu)成的，我們暫且把圍繞水平方向旋轉(zhuǎn)的定義為轉(zhuǎn)動副A和把圍繞豎直方向旋轉(zhuǎn)的定義為轉(zhuǎn)動副B。在加工球面時，由于激光發(fā)射器的探頭

17、（刀具）是無法進行任何移動的，由于只有兩個轉(zhuǎn)動副，所以在裝夾，加工球面結(jié)構(gòu)時我們需要注意以下兩點： 1.球面結(jié)構(gòu)所具有的兩條相互垂直的中心線必須與兩個轉(zhuǎn)動副A，B的旋轉(zhuǎn)軸心線相互重合。以保證在加工球面結(jié)構(gòu)物體時，兩個轉(zhuǎn)動副同時轉(zhuǎn)動時，球面結(jié)構(gòu)的中心不會偏離兩個轉(zhuǎn)動副A，B的軸心線。如圖 2 .2所示。 圖 2.2 球面結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動副之間的位置關(guān)系 2.雕刻機的激光探頭必須與球面結(jié)構(gòu)實體的中心對齊，以保證在轉(zhuǎn)動副A，B同時轉(zhuǎn)動時激光發(fā)射器的探頭一直正對著球面的中心，以保證在加工過程中的穩(wěn)定性。如圖 2.3所示。 圖 2.3 球面結(jié)構(gòu)與激光發(fā)射器之間的位置關(guān)系

18、 2.1.4 總體結(jié)構(gòu)在Solid Works中的裝配關(guān)系 如 圖2.4所示。 轉(zhuǎn)動副A 轉(zhuǎn)動副B 6 2 3 5 4 1 圖 2.4 裝配體爆炸視圖 在這個總體結(jié)構(gòu)中，Solid Works裝配關(guān)系中基本采用面與面相互重合或者孔與孔的軸心線相互重合的約束方式進行約束。在實際結(jié)構(gòu)的裝配中，為了實現(xiàn)面與面的重合關(guān)系，采用了以下方式，以其中底板1與加強板2連接處為例。具體實例如圖2.5所示。 圖 2.5 連接方式 在實際的結(jié)構(gòu)中，考慮到結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性，所以我們在板與板連接的時候不采用完全固定的連接方式，這樣在下面的結(jié)構(gòu)中，可以達到重復(fù)利用的目的，以初

19、步體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性。我們所采用的連接方式是：先在底板與左右兩邊的加強板相對應(yīng)的位置鉆直徑為4mm的孔，然后在底板1鉆孔處攻絲，公稱直徑為4mm的螺紋孔M4。兩者間用M4的螺栓連接，以這種方式來保證兩塊加強板2之間的平行度。這種連接方式有兩個優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)方面，不僅可以充分滿足兩塊加強板之間的平行度要求，在強度要求方面，又可以滿足強度方面的要求。我們采用這種靈活的連接方式體現(xiàn)結(jié)構(gòu)中可重構(gòu)性。 該結(jié)構(gòu)中的位置關(guān)系：兩塊加強板2之間的平行度不僅僅是靠底板1來保證的，同時板3也可以充分保證兩塊加強板之間的平行度。板3在保證兩塊加強板平行度的同時又起到固定轉(zhuǎn)動副A并且與地板6相連接，并且同時保證了兩塊

20、加強板5之間的平行度。 2.1.5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中各部分調(diào)整問題研究 任意一個機械結(jié)構(gòu)在裝配后都不會是一步到位的，肯定都是需要留有一定的可以調(diào)整的空間，進行調(diào)整。在此加工球面的結(jié)構(gòu)中，機械平臺所需要調(diào)整的地方包括下面幾處： 1. 旋轉(zhuǎn)臺與水平面的平行度； 2. 轉(zhuǎn)動副B的上表面與底板的平行度； 3. 球形零件與轉(zhuǎn)動副A，B的同軸度； 4. 轉(zhuǎn)動副A，B兩個回轉(zhuǎn)軸的共面度； 5. 激光發(fā)射器探頭的位置； 6. 固定連接板3與轉(zhuǎn)動副A的平行度； 7. 所發(fā)射的激光過加工球面的球心； 在整體結(jié)構(gòu)中所采用的連接方式雖然不是完全固定式的連接方式，但是在連接后卻是類似完全固定式的連接

21、方式，無法進行任何調(diào)整，然而我們在加工該機械結(jié)構(gòu)中各個部件的時候肯定會存在誤差，肯定需要進行調(diào)整。針對這個問題并且結(jié)合以上幾個可能需要調(diào)整的地方，對加工球面的結(jié)構(gòu)做了進一步的改進。把以前所采用的M4的螺紋孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷挾葹?mm的槽狀結(jié)構(gòu)，以便在后續(xù)的結(jié)構(gòu)中進行調(diào)整。如圖 2.10所示。 圖 2.10 調(diào)整方式 2.1.6 總體結(jié)構(gòu)評價 該機械結(jié)構(gòu)在加工時選擇的是雙自由度矢量加工法，是一個最優(yōu)的加工球面的方法，結(jié)構(gòu)相對比較簡單，清晰，易于實現(xiàn)。機械工作平臺比較容易實現(xiàn)，裝配，調(diào)整都比較容易，可以很好的控制加工精度，加工效率相對比較高。結(jié)構(gòu)中只涉及到兩個轉(zhuǎn)

22、動副，所以只需要兩個步進電機進行驅(qū)動。相同的加工條件下，所需要的驅(qū)動機構(gòu)最少。總體來說，該機械結(jié)構(gòu)還是比較完善，基本可以滿足加工球面的功能要求。在結(jié)構(gòu)的連接方式也采用的相對合理的不完全固定式的連接方式，一定程度上體現(xiàn)了可重構(gòu)性。 2.2 雕刻圓錐面結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝配 2.2.1 圓錐面加工方案的選擇 在選擇圓錐面的加工方法時，最先考慮最特殊的情況，也就是加工一個圓柱面。通過分析，加工圓柱面只需要一個方向的移動和一個方向的轉(zhuǎn)動。由此我們需要一個移動副和一個轉(zhuǎn)動副。在這里，我們暫且把移動副定義為移動副X，轉(zhuǎn)動副定義為轉(zhuǎn)動副A。 移動副X 轉(zhuǎn)動副A 圖2.11

23、 在分析過加工特殊的圓柱結(jié)構(gòu)以后，如果能找出了加工圓錐面結(jié)構(gòu)零件與加工圓柱面結(jié)構(gòu)零件的區(qū)別，就可以設(shè)計出加工圓錐面結(jié)構(gòu)零件的機械結(jié)構(gòu)。 在加工圓柱面結(jié)構(gòu)零件時，激光發(fā)射器的探頭總是垂直于圓柱面結(jié)構(gòu)零件的圓柱面的軸心線，并且在移動副A移動時，激光發(fā)射器的探頭的位置與激光加工表面的距離固定不變。在加工圓錐面結(jié)構(gòu)零件時，激光發(fā)射器的探頭也總是垂直于圓錐面結(jié)構(gòu)零件的軸心線，但是在移動副A進行移動時，激光發(fā)射器的探頭的位置與激光加工表面的距離發(fā)生變化。圓錐面與圓柱面的根本區(qū)別在于圓錐面自身有一定的角度，而圓柱面的角度為90°。 通過研究，發(fā)現(xiàn)只要將轉(zhuǎn)動副A轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度就可以加工圓錐面結(jié)構(gòu)零件

24、。 2.2.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 加工圓柱面結(jié)構(gòu) 加工圓錐面結(jié)構(gòu) 2.2.3 結(jié)構(gòu)裝配及工件裝夾中的位置關(guān)系 工件裝夾中要注意以下幾點： 1. 在結(jié)構(gòu)裝配的時候，一定要保證轉(zhuǎn)動副A的回轉(zhuǎn)軸心線與移動副X的絲杠的中心線在同一平面內(nèi)。 2. 轉(zhuǎn)動副A的上表面與板3的平行度。這樣可以保證在地板3調(diào)整角度的時候，轉(zhuǎn)動副A的回轉(zhuǎn)軸心線不會偏離移動副X絲杠中心所在的豎直平面，以保證加工過程中的穩(wěn)定性。 3. 圓柱面或者圓錐面的軸心線要與轉(zhuǎn)動副A的回轉(zhuǎn)軸心線相互重合。這樣才可以保證在轉(zhuǎn)動副A進行轉(zhuǎn)動時，圓柱面或者圓錐面的的軸心線不會偏離轉(zhuǎn)動副A的回轉(zhuǎn)中心，以保證加工

25、的精度。 4. 激光發(fā)射器的探頭要與要與圓柱面或者圓錐面的軸心線共面并且垂直。這樣才能夠保證激光射入的時候，平均，穩(wěn)定的與圓柱面或者圓錐面接觸，不會發(fā)生光斑的忽大忽小，以保證加工過程中的激光射入的穩(wěn)定性。 2.2.4 總體結(jié)構(gòu)在Solid Works的裝配關(guān)系 轉(zhuǎn)動副A 3 移動副X 2 1 圖2.12 裝配體爆炸圖 其中，板與板間連接方式，以其中地板1與側(cè)面的板2連接處為例。如圖2.13所示。 圖2.13 連接方式 在這個加工圓錐面的總體結(jié)構(gòu)中，Solid Works裝配關(guān)系中基本采用面與面相互重合或者孔與孔的軸心線相互重合的約束方式進行約束

26、。 在實際的結(jié)構(gòu)中，考慮到結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性，所以在板與板連接的時候采用的方式與雕刻球面的連接方式相同。不采用完全固定的連接方式，這樣在下面的結(jié)構(gòu)中，可以達到重復(fù)利用的目的，以初步體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性。 我們所采用的連接方式是：先在底板1與左右兩邊的板2相對應(yīng)的位置鉆直徑為4mm的孔，然后攻絲，公稱直徑為4mm的螺紋孔M4。在板2相對應(yīng)的位置做寬度沒4mm的槽，以便在后續(xù)的結(jié)構(gòu)中可以進行調(diào)整，在兩者間用M4的螺栓連接，以這種方式來保證兩塊加強板之間的平行度。如上圖2.13所示：這種連接方式即可以充分滿足兩塊板2之間的平行度要求，又可以滿足強度方面的要求，加工成槽的形狀還可以在結(jié)構(gòu)裝配中調(diào)整位置關(guān)

27、系。我采用這種靈活的連接方式體現(xiàn)結(jié)構(gòu)中可重構(gòu)性。 2.2.5 總體結(jié)構(gòu)評價 該機械結(jié)構(gòu)簡單，合理，易于實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)中只涉及到一個移動副X以及一個轉(zhuǎn)動副A兩個自由度，所以只需要兩個步進電機進行驅(qū)動。結(jié)構(gòu)對材料的強度要求不高，材料易于加工完成。機械結(jié)構(gòu)簡單的同時又可以滿足加工精度，同時又滿足加工的各項要求，并且該結(jié)構(gòu)中不會存在干涉問題。該結(jié)構(gòu)中最大的有點就是通用性。結(jié)構(gòu)中，在左右兩側(cè)的加強板2上加工出弧形槽，目的在于，不僅僅可以加工圓柱面零件，還可以加工任意角度的圓錐面結(jié)構(gòu)零件。我們可以在左右兩側(cè)的加強板2的弧形槽處標(biāo)上角度刻度，在加工圓錐面結(jié)構(gòu)零件時只需要將底板3轉(zhuǎn)動一定的角度就可以實行加工

28、。 2.3 雕刻球面及圓錐面一體結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝配 在分析了上述的雕刻球面的機械結(jié)構(gòu)以及雕刻圓錐面的機械結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)兩套機械結(jié)構(gòu)似乎存在共同之處，于是提出了這樣的一個設(shè)想：是否能將兩套機械結(jié)構(gòu)整合為一套結(jié)構(gòu)呢！也就是說在一套機械結(jié)構(gòu)中既可以雕刻球面結(jié)構(gòu)，同時經(jīng)過相對應(yīng)的改裝之后又可以雕刻圓錐面結(jié)構(gòu)呢！在分析第一套雕刻球面的機械結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動副A一直處于豎直位置，一直實在豎直平面內(nèi)進行旋轉(zhuǎn)。在雕刻球面及圓錐面一體的結(jié)構(gòu)中，需要豎直的轉(zhuǎn)動副A旋轉(zhuǎn)一個角度進行雕刻。如果把第一套雕刻球面的結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)動副A通過一定的手段使其可以旋轉(zhuǎn)一定的角度，那么就可以實現(xiàn)圓錐面的雕刻加工。 2.3.1

29、總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 圖2.14 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計等軸側(cè)視圖 該機械結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)動副A，轉(zhuǎn)動副B以及一個移動副X組成，并且轉(zhuǎn)動副A是可以圍繞著某一根軸心線進行旋轉(zhuǎn)的。目的在于，滿足圓錐面機構(gòu)的加工需求。 2.3.2 總體結(jié)構(gòu)在Solid Works中的裝配關(guān)系 如圖2.15所示。 移動副X 轉(zhuǎn)動副A 轉(zhuǎn)動副B 100 5 4 3 2 1 9 8 7 6 圖2.15 裝配體爆炸視圖 雕刻圓柱及圓錐面結(jié)構(gòu) 雕刻球面結(jié)構(gòu) 在這個加工球面及圓錐面一體結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)中，Solid Works裝配關(guān)系中基本采用面與面相互重合或者孔與孔的軸心線相互重合的

30、約束方式進行約束。 在實際的結(jié)構(gòu)中，考慮到結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性，所以在板與板連接的時候采用的方式與雕刻球面及雕刻圓錐面結(jié)構(gòu)的連接方式相同。不采用完全固定的連接方式，這樣在下面的結(jié)構(gòu)中，可以達到重復(fù)利用的目的，以初步體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性。在實際的結(jié) 構(gòu)中，不僅僅是沿用了以上不完全固定式的連接方式，同時也對結(jié)構(gòu)方面做出了一定的優(yōu)化。在第二套雕刻圓錐面的機械結(jié)構(gòu)中，為了讓轉(zhuǎn)動副A能夠轉(zhuǎn)動一定了角度，以滿足雕刻圓錐面的需要，采用了在底板1以及連接板3的側(cè)面鉆孔并用螺栓連接的方式，這樣不免會降低了板材的強度。該結(jié)構(gòu)中對這種連接方式進行了改進，不在采用在板的側(cè)面打孔的方式進行連接，而是采用的下面的方式，如圖2

31、.16所示。 圖2.16 連接方式 采用上圖中的連接方式不僅可以滿足雕刻圓錐面的功能要求，有不會降低板材的強度，同時該結(jié)構(gòu)中的連接板4又可以充分保證了兩塊加強板2之間的平行度。其自身的平行度要求靠連接板3和連接板6保證。 在該結(jié)構(gòu)中，板與板之間的裝配關(guān)系，需要滿足的各項要求以及在裝夾零件時所需要滿足的各項要求在前兩套機械結(jié)構(gòu)中都已經(jīng)全面說明了，也就是說，該結(jié)構(gòu)中各項裝配關(guān)系都與前兩套結(jié)構(gòu)中相同。其中包括裝夾球面工件，圓柱面工件以及圓錐面工件。其裝夾配合關(guān)系，安裝關(guān)系都與第一節(jié)、第二節(jié)中

32、的關(guān)系相同。在實際結(jié)構(gòu)的調(diào)整方面，也都可以遵照雕刻球面的機械結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)調(diào)整方式進行調(diào)整。 2.3.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中干涉問題的研究 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中干涉問題是一個非常重要的問題。在軟件中對干涉問題進行分析，可以及時地對結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整，可以大大減少在實際結(jié)構(gòu)中的錯誤。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中干涉問題主要考慮的有以下幾個方面：第一：在結(jié)構(gòu)裝配本身是否存在裝配的干涉問題，這個問題是最基本的問題。裝配本身不應(yīng)該存在干涉問題；第二：如果結(jié)構(gòu)在裝配完，不存在裝配干涉的問題，還需要考慮的是，在機械結(jié)構(gòu)運動的過程中，會不會存在干涉問題：第三：如果前面兩點都不存在干涉問題，還需要考慮的是，在機械結(jié)構(gòu)運動的過程

33、中，總體結(jié)構(gòu)會不會與外界（刀具等）發(fā)生干涉問題。當(dāng)然，第三點我們在此無法驗證，下面就一、二兩點做出驗證，驗證如下： 1.在做整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，結(jié)構(gòu)本身是否存在干涉問題，這也是最基本的一點，下面我將針對此問題，通過Solid Works軟件進行驗證，由于該結(jié)構(gòu)中并不存在任何的過盈配合，所以在結(jié)構(gòu)中必定不會存在任何的干涉問題，如圖 2.17所示。 圖2.17 干涉檢查1 驗證完畢。驗證結(jié)果：無干涉問題存在。 2.在整個結(jié)構(gòu)裝配完后，考慮兩個轉(zhuǎn)動副A，B在旋轉(zhuǎn)的過程中會不會出現(xiàn)干涉問題。通過觀察分析，在轉(zhuǎn)動副B進行轉(zhuǎn)動的時候，就總體結(jié)構(gòu)來看不會存在干涉問題。下面我將針對此問題，通過So

34、lid Works軟件對轉(zhuǎn)動副A在進行轉(zhuǎn)動時是否會出現(xiàn)干涉問題進行驗證，如圖 2.18所示。 圖2.18 干涉檢查2 通過圖2.18的分析，我們可以很直觀，很清晰的看到，在轉(zhuǎn)動副A進行旋轉(zhuǎn)的時候出現(xiàn)了干涉問題。干涉問題產(chǎn)生的主要原因是連接轉(zhuǎn)動副A和轉(zhuǎn)動副B的那塊板在旋轉(zhuǎn)的時候與轉(zhuǎn)動副A的步進電機部分發(fā)生了干涉。針對該問題做了以下改進，如圖 2.19所示。 圖2.19 連接板的修改 通過改變板上半部分的厚度，其不影響整個結(jié)構(gòu)的功能，又可以避免干涉問題，同時又可以提高板的強度。下面針對改進后的結(jié)構(gòu)，針對干涉問題再做一次論證，如圖 2.20所示。 圖2.20 干涉檢查

35、3 驗證完畢。驗證結(jié)果：無干涉問題存在。 2.3.4 總體結(jié)構(gòu)評價 該結(jié)構(gòu)有效的將雕刻球面結(jié)構(gòu)和雕刻圓錐面結(jié)構(gòu)有效的結(jié)合在一起。結(jié)構(gòu)簡單，清晰，易于實現(xiàn)，并且可充分滿足各項零件的加工要求。結(jié)構(gòu)中為了實現(xiàn)加工圓錐面結(jié)構(gòu)的效果，在結(jié)構(gòu)板2上加工出類似第二套結(jié)構(gòu)中的弧形槽，以解決在雕刻球面結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)動副A不能轉(zhuǎn)動一定角度的問題，同時又滿足了雕刻圓柱面結(jié)構(gòu)的要求。在解決了此問題的同時，也對細(xì)節(jié)方面的連接方式做出了優(yōu)化。在第二套雕刻圓錐面結(jié)構(gòu)中，在轉(zhuǎn)動副A轉(zhuǎn)動一定角度的時候，使用的連接方式是在底板1以及底板3的側(cè)面鉆孔。這樣不免會降低板材的強度。在該結(jié)構(gòu)中，采用了圖2.19的連接方式。這種連接方式

36、就對板材的強度方面沒有過多的影響，完全可以滿足結(jié)構(gòu)的強度需求。在滿足強度的同時又可以滿足加工的需求。 在該結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動副A旋轉(zhuǎn)的方式采用內(nèi)部整體旋轉(zhuǎn)的方式。這種方式的好處在于可以更好的保證外部兩塊加強板2之間的平行度。其本身的平行度要求又可以靠連接板5以及連接板6進行保證。從結(jié)構(gòu)角度來看比第二節(jié)中的連接方式更加合理，強度方面更能滿足要求。 2.4 材料的選擇 在材料的選擇方面，考慮到各方面的原因，最終，該機械結(jié)構(gòu)中選擇的材料為PVC板材。 2.4.1 PVC板的含義 PVC板是由聚氯乙烯樹脂與穩(wěn)定劑等輔料配合后壓延,層壓而成,具有優(yōu)質(zhì)的防腐蝕性,絕緣 性,耐溫性和耐沖擊性,強度高

37、,二次加工方便,可鋸,鉆,刨,符合GB/T445496標(biāo)準(zhǔn)要求,廣泛用于化工,化肥,建筑,電鍍,環(huán)保水凈化處理等部門的耐酸耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料.外觀板面光滑平整,無氣泡,無裂縫,一般為灰色,也可以根據(jù)用戶需要配色.規(guī)格:一般厚度:2--70MM 長寬度:2000*1000MM。 2.4.2 PVC板的力學(xué)性能 力學(xué)性能PVC有較高的硬度和力學(xué)性能。并隨分子量的增大而提高，但隨溫度的升高而下降。硬質(zhì)PVC的力學(xué)性能好，其彈性模量可達1500-3000MPa。而軟質(zhì)的PVC的彈性1.5-15 MPa。但斷裂伸長率高達200%-450%。PVC的摩擦性一般，靜摩擦因數(shù)為0.4-0.5，動摩擦因數(shù)為0

38、.23。 綜上所述：材料選用PVC板材。因為其具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕性，硬度大，強度高，防紫外線（耐老化），耐火阻燃（具有自熄性），絕緣性能可靠，表面光潔平整，不吸水，不變形、易加工等特點。PVC板材為優(yōu)等的熱成型材料，能夠替代部分不銹鋼等其他材料，產(chǎn)品質(zhì)量執(zhí)行GB/T13520-1992。PVC板材產(chǎn)品是優(yōu)等的熱成型塑料，能替代部分不銹鋼和其他耐腐蝕性合成材料。被廣泛用于化工，石油，電鍍，水凈化處理設(shè)備，環(huán)保設(shè)備，礦山，醫(yī)藥，電子，通訊及裝潢等行業(yè)。 2.4.3 選擇PVC板材的原因 整個機械結(jié)構(gòu)中，板的材料選用PVC板材。選擇PVC層壓板材的原因主要有： 1.PVC板材易于

39、加工成各種形狀。材料便宜，加工成本不高。表面硬度高，抗刮傷性優(yōu)良。 2.在該結(jié)構(gòu)中因為是激光雕刻加工，沒有刀具與加工表面沒有直接的接觸，所以兩者之間沒有切屑力的存在，所以整個機械結(jié)構(gòu)不需要考慮震動等因素。PVC板材的在強度等方面完全可以滿足該機械結(jié)構(gòu)的需求。 3.外觀靚麗，非常平整光滑。 4.本次做的結(jié)構(gòu)為樣板機，選用PVC板材正合適。 3 板的加工及G代碼的生成 3.1 EdiTasc Starten簡介 EdiTasc Starten是為各種控制卡配套的通用數(shù)控軟件。它不僅是一個包含鉆床、銑床、鏜床，雕刻機和加工中心控制功能的理想數(shù)控軟件，也是一個高度開放的平臺，可以直接控

40、制各種工業(yè)自動化設(shè)備，或方便的開發(fā)用戶專用頁面及控制系統(tǒng)。它有一下幾點有點： 1. 在Windows下實時運行，漢化的控制系統(tǒng)軟件，適用于銑、鏜、雕刻（鏤銑）、加工中心、電加工和多種自動化控制設(shè)備； 2. 能夠識別國際標(biāo)準(zhǔn)DIN 66025 G代碼； 3. 程序的編輯同word； 4. 后臺PLC功能； 5. 所控制的軸的數(shù)量僅受PC機的計算能力和控制卡的限制； 6. 軟件在工作中與控制卡每0.1毫秒以中斷的方式交換數(shù)據(jù)，給出下次的運動指令，控制卡 自動產(chǎn)生運動控制信號； 7. 所有參數(shù)按類在各自的子窗口中顯示和設(shè)定，并有對應(yīng)中文和英文的詳細(xì)注解，可選配各種電機和螺距的絲杠；

41、8. 圖形提示的方式使編程變得非常簡單； 9. 有車、銑、鏜、和雕刻的標(biāo)準(zhǔn)G代碼；可接收CAD(DXF格式)文件；有電路板加工專用軟件接口；可配多種CAD/CAM軟件，如MASTERCAM、VECTOR； 10.系統(tǒng)采用預(yù)讀功能，通常預(yù)讀程序段數(shù)設(shè)為10個，最多可達60段。采用預(yù)加速/減速來保證切削矢量速度恒定或平穩(wěn)過度。在嚴(yán)格按編程的軌跡運動過程中，系統(tǒng)預(yù)讀N個程序段，來使運動速度平穩(wěn)，避免過運動。 3.2 Master CAM簡介 3.2.1 Master CAM的推出 Master CAM是在1984年由美國CNC Software Inc公司推出的，這以軟件就以其強大的加

42、工功能聞名于世。多年來該軟件在功能上不斷更新與完善，已被工業(yè)界以及學(xué)校廣泛采用。 Master CAM不但具有強大穩(wěn)定的造型功能，可設(shè)計出復(fù)雜的曲線、曲面零件，而且具有強大的曲面粗加工及靈活的曲面精加工功能。 其可靠刀具路徑效驗功能使Master CAM可模擬零件加工的整個過程，模擬中不但能顯示刀具和夾具，還能檢驗出刀具和夾具與被加工零件的干涉、碰撞情況，真實反應(yīng)加工過程中的實際情況，不愧為一優(yōu)秀的CAD/CAM軟件。同時Master CAM對系統(tǒng)運行環(huán)境要求較低，使用戶無論是在造型設(shè)計、CNC銑床、CNC車床或CNC線切割等加工操作中，都能獲得最佳效果。 Master CAM軟件已被廣泛

43、應(yīng)用于通用機械、航空。船舶、軍工等行業(yè)的設(shè)計與NC加工，從80年代末起，我國就引進了這款著名的CAD/CAM軟件，為我國的制造業(yè)迅速崛起做出了巨大的貢獻。 3.2.2 Master CAM X2主要功能及特色 Master CAM X2是與微軟公司的Windows技術(shù)緊密結(jié)合，用戶界面更為友好，設(shè)計更加高效的版本。借助于Master CAM軟件，用戶可以方便快捷地完成從產(chǎn)品2D/3D外形設(shè)計、CNC編程到自動生成NC代碼的整個工作流程，因此被廣泛應(yīng)用于模具制造、模型手板、機械加工、電子、汽車和航空等行業(yè)。Master CAM基于PC平臺，易學(xué)易用，具有較高性價比，是CNC編程初學(xué)者在人門

44、時的首選軟件。 Master CAM包括CAD和CAM兩個部分，Master CAM的CAD部分可以構(gòu)建2D平面圖形、構(gòu)建曲線、3D曲面和3D實體。CAM包括5大模塊：Mill、Lathe、Art、Wire、Router。 Master CAM X2具有全新的Windows操作界面，在刀具路徑和傳輸方面更趨完美和強大，其功能特點如下： 1. 操作方面，采用了目前流行的“窗口試操作”和“以對象為中心”的操作方式，使操作效率大幅提高； 2. 設(shè)計方面，單體模式可以選擇“曲面邊界”選項，可動態(tài)選取串連起始點，增加了工作坐標(biāo)系統(tǒng)WCS，而在實體管理器中，可以將曲面轉(zhuǎn)化成開放的薄片或封閉實體等；

45、 3. 加工方面，在刀具路徑重新計算中，除了更改刀具路徑和刀角半徑需要重新計算外，其他參數(shù)并不需要更改。在打開文件夾時可選擇是否載入NCI資料，可以大大縮短讀取大文件的時間； 4. Master CAM系統(tǒng)設(shè)有刀具庫及材料庫，能根據(jù)被加工工件材料及刀具規(guī)格尺寸自動確定進給率、轉(zhuǎn)速等加工參數(shù)； 5. Master CAM是一套以圖形驅(qū)動的軟件，應(yīng)用廣泛，操作方便，而且它能同時提供適合目前國際上通用的各種數(shù)控系統(tǒng)的后置處理程序文件，以便將刀具路徑文件（NCI）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的CNC控制器上所使用的數(shù)控加工程序（NC代碼）。 3.3 G代碼的生成及運行仿真 3.3.1 Master CAM

46、軟件中G代碼的生成 以圖中的固定板為例，如圖3.1所示。 圖3.1 固定板 Master CAM軟件中生成的G代碼詳見附錄A。 Master CAM中模擬最終結(jié)果 3.3.2 EdiTasc Starten中運行仿真 在EdiTasc Starten中能識別的G代碼如下。 G00 X Y Z 快速定位。最大進給速度由變量MF值確定。 G01 X Y Z 直線插補。最大進給速度由ML決定，但實際進給宿舍要受到機器特性的影響。 G02/G03 圓弧插補進給。格式為G02 X Y Z I J K 。X，Y和Z是圓弧結(jié)束點位置，I，J和K是圓弧的圓心坐標(biāo)。在增

47、量編程時，I，J和K是相對于圓弧起始點的增量。G02為順時針圓弧插補進給指令；G03為逆時針圓弧插補進給指令。 G04 延時指令。延時時間范圍：從0.010-9999.990秒。 G17 PLANE XY/XZ/YZ。選定XY/XZ/YZ平面（其中XY平面為默認(rèn)平面）。 G22 調(diào)用指令。 G90 絕對坐標(biāo)編程指令。 G91 相對坐標(biāo)編程指令。 G40 取消刀尖半徑補償。 G41/G42 用于左方向/右方向刀尖半徑補償。 由于在EdiTasc Starten中只能識辨以上的G代碼，所以在將Master CAM生產(chǎn)的G代碼導(dǎo)入其中進行刀具路徑的運動仿真時，需要對代碼進行修改。去除

48、去不可識別的代碼并且將其識別不出的代碼變?yōu)榭勺R別的代碼，例如G02 X Y R需要變?yōu)镚02 X Y I J等。在EdiTasc Starten中進行刀具路徑運動仿真的最終結(jié)果如圖3.2所示。 圖3.2 路徑模擬 4 有限元分析 4.1 有限元分析的簡介及特點 4.1.1 有限元分析的簡介 有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)

49、實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法

50、。 4.1.2 有限元分析的特點 有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。 4.2 有

51、限元分析的一般處理步驟 在實踐中，有限元分析法通常由三個主要步驟組成： 1.預(yù)處理：用戶需建立物體待分析部分的模型，在此模型中，該部分的幾何形狀被分割成若干個離散的子區(qū)域——或稱為“單元”。各單元在一些稱為“結(jié)點”的離散點上相互連接。這些結(jié)點中有的有固定的位移，而其余的有給定的載荷。準(zhǔn)備這樣的模型可能極其耗費時間，所以商用程序之間的相互競爭就在于：如何用最友好的圖形化界面的“預(yù)處理模塊”，來幫助用戶完成這項繁瑣乏味的工作。有些預(yù)處理模塊作為計算機化的畫圖和設(shè)計過程的組成部分，可在先前存在的CAD文件中覆蓋網(wǎng)格，因而可以方便地完成有限元分析。 2.分析：把預(yù)處理模塊準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入到有限元

52、程序中，從而構(gòu)成并求解用線性或非線性代數(shù)方程表示的系統(tǒng)Kij*Uj=Fi式中，U和F分別為各結(jié)點的位移和作用的外力。矩陣 K 的形式取決于求解問題的類型，本模塊將概述桁架與線彈性體應(yīng)力分析的方法。商用程序可能帶有非常大的單元庫，不同類型的單元適用于范圍廣泛的各類問題。有限元法的主要優(yōu)點之一就是：許多不同類型的問題都可用相同的程序來處理，區(qū)別僅在于從單元庫中指定適合于不同問題的單元類型。 3.后處理：在有限元分析的早期，用戶需仔細(xì)地研讀程序運算后產(chǎn)生的大量數(shù)字，即列出的模型內(nèi)各離散位置處的位移和應(yīng)力。這種方法容易漏掉重要的趨向與熱點，而最新的程序則利用圖形顯示來幫助用戶直接觀察運算結(jié)果。典型的

53、后處理模塊能顯示遍布于模型上的彩色等應(yīng)力線圖，以表示不同的應(yīng)力水平，顯示的整個應(yīng)力場的圖像類似于光彈性法或云紋法的實驗結(jié)果。 4.3 有限元分析實例分析 本小節(jié)中將采用第二章第二節(jié)雕刻圓錐面結(jié)構(gòu)中的底板3為具體的實例對有限元分析進行研究。如圖4.1所示 圖4.1 4.3.1 實例具體步驟 1.在Solid Works中打開此零件，如果已經(jīng)正確安裝了Simulation，而在Solid Works的主菜單欄中沒有Simulation菜單，可以單擊主菜單欄中的“工具”→“插件”命令，系統(tǒng)會彈出“插件”對話框，在對話框中勾選Solid Works Simulation點擊“確定”如

54、圖4.2插件對話框所示。 圖4.2 2.創(chuàng)建一個有限元算例，單擊“Simulation”→“算例”會自動生成一個“算例1”的名稱，就采用這個默認(rèn)的名稱。選擇算例“類型”為“靜態(tài)”，單擊“確定”如圖4.3所示。 圖4.3 3.在Simulation管理器中生成一個算例的項目名稱為“算例1”，如圖4.4所示。 圖4.4 4.設(shè)定零件材料，在Simulation管理器中右鍵單擊“底板”圖標(biāo)，在彈出的快捷菜單中選擇“應(yīng)用/編輯材料”圖標(biāo)后系統(tǒng)會彈出“材料”屬性管理器，如圖4.5所示。 圖4.5 5.在選擇框中選擇“solid works materials”，在材料框

55、中選擇“塑料”→“PVC0.007塑化”，單擊“應(yīng)用”，系統(tǒng)會彈出來一個窗口，如圖4.6所示。 圖4.6 在設(shè)定材料的時候，系統(tǒng)如果彈出這樣的窗口，請按照如下的操作進行。選中“PVC0.007塑化”右擊→復(fù)制，再選中“自定義材料”右擊→新類別，再選中“新類別”右擊→粘貼。選中“PVC0.007塑化”就可以進行屬性編輯了。在屈服強度一欄填上30000000。點擊“應(yīng)用”→“關(guān)閉”。如圖4.7所示。 圖4.7 材料屬性編輯 6.約束零件，在Simulation管理器中右鍵單擊“夾具”，在彈出的快捷菜單中選擇“固定幾何體”，如圖4.8所示。在系統(tǒng)彈出的對話窗口中選擇“固定

56、 圖4.8 幾何體”并且在輸入框中輸入底板零件側(cè)面的四個孔的圓柱面，如圖4.9所示。單擊“確定”按鈕完成固定制約。 圖4.9 7.給零件加負(fù)荷，在Simulation管理器中右鍵單擊“外部載荷”，在彈出的菜單中選擇“力”，單擊“力”后系統(tǒng)會彈出“力”屬性管理器，選擇“力的類型”為“法向”，在“法向力的面”輸入框中輸入底板零件的上表面，在“力值”一欄輸入20N，如圖4.10所示。 圖4.10 8.劃分網(wǎng)格，在simulation管理器中右鍵單擊“網(wǎng)格”，在彈出的菜單中選擇“生成網(wǎng)格”，單擊“生成網(wǎng)格”后系統(tǒng)會彈出“網(wǎng)格”屬性管理器，選中“網(wǎng)格參數(shù)”中的“

57、標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格”，在“高級”中雅克比點選擇“4點”。單擊“確定”按鈕。在點擊確定后系統(tǒng)開始網(wǎng)格化并彈出“網(wǎng)格進展”的窗口。如圖4.11所示。 網(wǎng)格化后的底板零件 圖4.11 9.靜態(tài)分析，在Simulation管理器中右鍵單擊“算例1”，在彈出的菜單中選擇“運行”，單擊“運行”后系統(tǒng)開始運行分析計算并彈出運行進度窗口。在成功的運行靜態(tài)分析之后，simulation將在管理器中生產(chǎn)一個名為“結(jié)果”的文件夾，其中包含“應(yīng)力”“位移（合位移）”“應(yīng)變”“位移”四個元素。如圖4.12所示。 圖4.12 10.顯示有限元計算結(jié)果，在simulation管理器中右鍵

58、單擊結(jié)果中四個元素中的任意一個，在系統(tǒng)彈出的菜單中選擇“顯示”，如圖4.13所示。 圖4.13 4.3.2 有限元分析實例分析結(jié)果 應(yīng)力云圖 位移云圖 應(yīng)變云圖 結(jié) 論 本次設(shè)計課題是可重構(gòu)數(shù)控機械雕刻機的機構(gòu)設(shè)計。可重構(gòu)制造系統(tǒng)是一種能夠快速響應(yīng)周圍需求環(huán)境的變化，同時自身又可迅速做出調(diào)整的一種新型制造系統(tǒng)。制造系統(tǒng)具有可重構(gòu)能力是其生存和發(fā)展的基本手段，具有較高可重構(gòu)性的公司在風(fēng)云突變的環(huán)境中將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其競爭對手。因此本次課題的設(shè)計意義深遠(yuǎn)。 一、主要工作及結(jié)論 （1）翻譯相關(guān)的英

59、文資料； （2）撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書； （3）學(xué)會了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本方法與一般步驟，對于機械設(shè)計行業(yè)，制造行業(yè)有了更加深刻的了解； （4）對設(shè)計工作有了更深的了解，端正了對設(shè)計工作的態(tài)度； （5）在選擇各個機構(gòu)中的重要零件時，學(xué)會了正確查詢資料的方法； （6）了解了設(shè)計的過程，更理解了設(shè)計是一個反復(fù)的過程； （7）對Master CAM等軟件有了更加深入的了解，用起來更加熟練； （8）對Solid Works中關(guān)于有限元分析的部分有了初步的了解，可以對簡單的零件進行分析； （7）學(xué)會了利用我們所學(xué)的知識自己獨立解決一些問題，提高了自身獨立解決問題的能力。 二、存在的問題 （

60、1）由于缺乏工作方面，設(shè)計方面的經(jīng)驗，對機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計還不是很完善，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)還有不足，還需要繼續(xù)改進，繼續(xù)努力； （2）對于兩個轉(zhuǎn)動副的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，原理以及步進電機的驅(qū)動方面還不是非常了解； （3）本次設(shè)計中涉及到兩個轉(zhuǎn)動副，由于硬件條件的限制，轉(zhuǎn)動副A的體積，質(zhì)量太大，導(dǎo)致整個機械結(jié)構(gòu)在協(xié)調(diào)性上不是很完善。 致 謝 參 考 文 獻 1 潘再生，找海軍.可重構(gòu)數(shù)控設(shè)計與實現(xiàn)[J].控制與檢測，2006，（6）：37-39. 2 邵仁魏.機械系統(tǒng)可重構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010

61、，（13）：151-152. 3 嚴(yán)灝，殷躍紅，俞建峰.可重構(gòu)裝配系統(tǒng)中裝配模塊的可重構(gòu)性研究[J].工業(yè)工程與管理，2005，（2）：10-14. 4趙霞.制造業(yè)可重構(gòu)模式解析[J/OL], 5 江紅，陳燎，王智.Solid Works有限元分析實例解析.北京：機械工業(yè)出版社，2007 6 朱理.機械原理.北京：高等教育出版社，2004 7 徐錦康.機械設(shè)計.北京：高等教育出版社，2004 8 陳超祥，葉修梓.Solid Works Simulation基礎(chǔ)教程.北京：機械工業(yè)出版社，2010 9 周鴻斌，施慶.Master CAM X2基礎(chǔ)教程.北京：清華大學(xué)出

62、版社，2007 10 吳彥農(nóng)，康志軍.Solid Works 2005基礎(chǔ)教程.北京：機械工業(yè)出版社，2005 附錄A O0000 N100 G21 N102 G0 G17 G40 G49 G80 G90 N104 T1 M6 N106 G0 G90 G54 X-15. Y356. A0. S10000 M3 N108 G43 H1 Z50. N110 Z10. N112 G1 Z-2.5 F5093.2 N114 X-9. F10000. N116 G2 X-3. Y350. R6. N118 G1 Y0.

63、 N120 G3 X0. Y-3. R3. N122 G1 X200. N124 G3 X203. Y0. R3. N126 G1 Y50.487 N128 X102.846 Y350.949 N130 G3 X100. Y353. R3. N132 G1 X0. N134 G3 X-3. Y350. R3. N136 G2 X-9. Y344. R6. N138 G1 X-15. N140 Z7.5 F5093.2 N142 G0 Z50. N144 Y356. N146 Z7.5 N148 G1 Z-5. N150 X-9. F10000. N152 G2

64、 X-3. Y350. R6. N154 G1 Y0. N156 G3 X0. Y-3. R3. N158 G1 X200. N160 G3 X203. Y0. R3. N162 G1 Y50.487 N164 X102.846 Y350.949 N166 G3 X100. Y353. R3. N168 G1 X0. N170 G3 X-3. Y350. R3. N172 G2 X-9. Y344. R6. N174 G1 X-15. N176 Z5. F5093.2 N178 G0 Z50. N180 Y356. N182 Z5. N184 G1 Z-7.5

65、 N186 X-9. F10000. N188 G2 X-3. Y350. R6. N190 G1 Y0. N192 G3 X0. Y-3. R3. N194 G1 X200. N196 G3 X203. Y0. R3. N198 G1 Y50.487 N200 X102.846 Y350.949 N202 G3 X100. Y353. R3. N204 G1 X0. N206 G3 X-3. Y350. R3. N208 G2 X-9. Y344. R6. N210 G1 X-15. N212 Z2.5 F5093.2 N214 G0 Z50. N216 Y35

66、6. N218 Z2.5 N220 G1 Z-10. N222 X-9. F10000. N224 G2 X-3. Y350. R6. N226 G1 Y0. N228 G3 X0. Y-3. R3. N230 G1 X200. N232 G3 X203. Y0. R3. N234 G1 Y50.487 N236 X102.846 Y350.949 N238 G3 X100. Y353. R3. N240 G1 X0. N242 G3 X-3. Y350. R3. N244 G2 X-9. Y344. R6. N246 G1 X-15. N248 Z0. F5093.2 N250 G0 Z50. N252 M5 N254 G91 G28 Z0. N256 G28 X0. Y0. A0. N258 M01 N260 T4 M6 N262 G0 G90 G54 X25. Y283. A0.