基于NX的机床改装设计与运动仿真研究*

赵晓芬

(湖北理工学院机电工程学院，湖北黄石435003)

企业要想在当前竞争激烈的市场环境中生存和发展就需要快速地更新产品和开发出新产品，以最低的价格、最好的质量、最短的时间去满足不断变化的市场需求。这就需要企业加工的设备具有自动化、柔性化的特点。就目前的现状来看，解决设备柔性化的手段有添置数控设备和对现有的设备进行加工改造。如果对现有的设备进行加工改造，所需要的设计加工改造费用会比重新购入新设备所需的费用少很多。从设备利用率和经济的角度看，因地制宜，充分利用现有资源，对现有的设备进行改造是最经济、最实用，也是最切实可行的办法。许多小型企业常常是因地制宜，充分利用现有资源来解决设备不足的困难。因此，对功能不能适应当前生产需要以及设计有缺陷的设备进行机械和自动控制方面的设计改造，使旧机床焕发新活力，既避免了设备的闲置和浪费，又为企业节约了一笔可观的费用，在当前乃至今后都具有非常重大的意义和广阔的发展前景。通过调研可知，机床改造的内容主要有:使旧型号机床达到新型号机床的性能指标;扩大机床的工艺范围;改变机床的工艺范围;提高机床的自动化程度;改善机床的操作性能和劳动条件;使机床能够满足新技术、新工艺的要求;适合于流水线生产。中小型企业以扩大机床工艺范围(扩大机床工艺范围是指将机床的结构进行适当地改造，或者通过增添一些辅件，使机床既能保持原有的技术性能和用途，又能完成一些原来所不能完成的加工[1])、增加辅具、一机多用改装为主，这也是本课题的研究重点。随着科学技术的飞速发展，各种三维机械设计方案与制造软件应运而生，并在生产中得到了广泛的应用，极大地提高了生产效率。本研究采用NX软件进行三维建模和运动仿真。

1 机床改装的一般步骤

本课题的研究，是以扩大工艺范围、增加辅具、一机多用为目的的改装，其步骤可归纳为4个阶段。第1阶段是前期准备，根据加工要求，确定被改装机床，制订改装方案，完成传动原理简图;第2阶段是进行分析设计，根据传动原理图确定传动机构，运用NX软件进行结构设计，根据模型建立仿真模型，进行仿真试验，若发现问题则对零件进行修改，重新进行仿真试验，直到满足要求为止，最后完成二维工作图;第3阶段是实施改装，在对被改装机床进行全面保养的同时，拆除不需要的部分并妥善保管，以便本次生产任务完成后恢复使用，完成辅具的制作并安装调试;第4阶段是验收及后期工作[2]，包括对机床力学性能验收，对试件切削验收，对图样、资料验收以及总结。

2 制订机床改装方案的注意事项

机床改装是一项复杂的技术工作，也是挖掘现有设备潜力的有效方法。如果改装得好，可以收到投资小、见效快、收益大的效果;如果改装得不好，自然会出现只花钱不见效的恶果。为了做好这项工作和保证改装质量，应当遵循的几项原则如图1所示。改装方案的制订是整个机床改造工作中最重要的环节。在制订改装方案时，要从生产实际出发，认真分析加工对象，根据加工对象的要求和工厂的实际情况，确定改装机床的型号、改装后机床的技术性能等。这些问题都得到了恰当的解决，机床改装的整个轮廓和内容就确定下来了。在制订机床改装方案时，首先必须研究被改装的机床，如机床的技术状态、被改装的可能性等，这些都是在拟定方案时需要解决的问题。从另一个角度来看，只有对被改装的机床有比较充分的了解，才能做到在改装工作中有的放矢。

图1 制订机床改装方案的注意事项

3 分析设计

分析设计工作流程如图2所示。根据传动原理简图，明确设计要求、合理选用传动机构是确定设计方案的关键。在选用传动机构时既要考虑机床执行件的运动，又要考虑被改装机床的结构尺寸，还要考虑改装的经济性。因此，常用机构的工作原理、结构特点、设计准则是改装者必备的基础知识。初选设计方案后，就可以应用NX软件进行三维造型设计。在创建模型前，应该对模型的创建过程进行大致地考虑:先做什么，后做什么;如何用较少的步骤完成建模;如何使建模过程尽可能清晰、直观;如何方便修改模型等，这些都是需要考虑的内容[3]。首先理解设计的模型，完成主体结构造型，同时完成零件相关设计，此时，若发现问题，则对初选方案进行修改，直到满足设计要求，继续完成细节特征造型，随后进行虚拟装配。NX软件提供了很强的虚拟装配功能:包括以主模型为基础保持几何相关性和零件的自动更新;采用引用集简化装配信息;参数化约束零件的定位关系;装配树体现装配结构和便于装配各种操作。完成虚拟装配后可进行运动仿真，计算机仿真的3个基本要素是:系统、模型、计算机。联系它们的是3个基本活动:模型建立、仿真模型建立、仿真试验(运行)，如图3所示。NX软件的运动仿真模块自动复制主模型的装配文件，并建立一系列不同的运动仿真，每个运动仿真均可独立修改，而不会影响装配主模型。一旦完成优化设计方案，就可直接更新装配主模型，以便反映优化设计的结果[4]。由于三维模型不能将所有的设计信息表达清楚，有些信息如尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等，仍然需要借助二维的工程图将其表达清楚。NX软件的制图环境可以创建三维模型的工程图，且图样与模型相关联。因此，图样能够反映模型在设计阶段中的更改，可以与装配模型或单个部件保持同步[3]。

图2 分析设计工作流程

图3 计算机仿真三要素

4 案例

某企业生产一批产品，插削工序较多，现有的插床数量不够，对插削工序及企业的具体情况进行分析后，认为改装现有的X502型立铣并将其用于插削工序是最经济的方法(与购买新插床和外协加工相比)，这是典型的以扩大机床工艺范围为目的的机床改装[5]。

4.1 分析被改装机床

4.1.1 分析机床的技术状态

因为被加工零件上的长槽尺寸为8D10mm×80mm，槽侧面的表面粗糙度Ra=3.2 μm，所以现有的X502型立铣只要技术状态一般，便可以达到零件的加工要求。

4.1.2 分析机床的转速及动力情况

被加工工件材料为45钢，采用高速钢切刀，刀杆的截面为20 mm×30 mm，查机械加工工艺师手册表 3.5-19 和表 3.5-21[6]，取插削进给量f=0.12 mm/dst，插削速度v=12.6 m/min时，对应的插削力为Fz=298 N，插削功率为Pm=0.06 kW。按要求，刀具的行程长度为L=90 mm，由v=2×L×n可得刀具往复次数n为:n=v/(2×L)=12.6/(2×0.090)=70(往复次数/min)。X502型立铣的主轴有8种转速，即47.5，67，95，132，190，265，375，530 r/min，故主轴的转速可初选67 r/min。

X502型立铣电机的功率为2.2 kW，n主=67 r/min的传动路线为:

电机 710 r/min——带传动(106/165)——齿轮传动(22/37)——齿轮传动(28/39)——齿轮传动(80/71)——主轴。

各部件的传动效率为:

η1——直齿轮的传动效率为 0.98;

η2——带传动的效率为 0.96;

η3——滚动轴承的传动效率为 0.99;

η4——取改装部分总效率为 0.65;

所以，被改装机床的功率和转速均满足插削工序的加工要求。

4.2 改装的总体布局

要在X502型立铣上进行插削工序，必须解决2个问题。第1，改变主运动的形式，即将旋转运动变为往复直线运动;第2，改变工作台纵向机动进给运动的方式，即将连续的直线运动变为间歇的直线运动，且与主运动相关联，即插刀上升后，工作台纵向进给一次。另外，还要更换2根轴，一根是原机床的主轴，另一根是原机床纵向进给(机动/手动)转换手柄轴。图4[5]是 X502型立铣改装前后的主运动与工作台纵向机动进给运动传动原理简图，图4(b)中的换置机构i1＇和i2＇分别是为了解决上述第1和第2两个问题而设置的。换置机构i1＇采用曲柄滑块机构，改变曲柄的长度可以改变滑块行程，即插刀的切削行程。换置机构i2＇采用曲柄摇杆机构驱动的棘轮机构，实现工作台间歇的纵向自动进给，通过改变曲柄的长度来改变棘轮的动程(即每次步进运动转过的角度)。换置机构i1＇安装在改装轴Ⅰ前端(拆下立铣头)，换置机构i2＇位于床身背后，通过改装轴Ⅱ及一对齿轮与原机床纵向进给传动链相联。

图4 改装前后的主运动与工作台纵向机动进给运动传动原理简图

4.3 改装部分设计

由上面讨论可知，改装设计分主运动传动链和进给运动传动链2个部分，进给运动传动链改装部分的设计与文献[5]中相似，本文重在讨论主运动传动链的改装设计。

4.3.1 主运动传动链中改装部分的设计

由图4可知，主运动传动链的改装设计涉及2个问题，一是改装轴Ⅰ的设计，二是曲柄滑块机构的设计。改装轴Ⅰ的设计主要考虑改装轴Ⅰ与换置机构的联接问题，其支承情况以及与传动齿轮的安装关系同原机床主轴一致。因此，改装轴Ⅰ的设计是在原机床主轴的基础上，改进前端结构，以便将运动传给曲柄滑块机构。曲柄滑块机构的设计既要满足加工要求，又要结合原机床的结构形式，还要注重插削工艺的特点。在 UG NX5.0[3]中对主运动传动链改装部分各零件进行三维实体建模时，建模方法主要取决于各零件的具体形状。建模原则为:在不影响主运动传动链精度及运动件动作的前提下，构造零件的基本特征要尽量简单，并充分考虑以后零部件的参数化问题。建模过程中采用自底向上与自顶向下相结合的方法，主要利用UG NX5.0软件提供的拉伸、旋转、扫描、平移、镜像、偏置、倒角、布尔运算、螺纹、WAVE链接等基本操作。主运动传动链中改装部分的三维模型如图5(a)所示，隐藏了滑座的三维模型如图5(b)所示。

图5 主运动传动链中改装部分的三维模型

改装部分主要由改装轴Ⅰ、滑座、曲柄盘、小轴、滑块、滑枕等零件组成。曲柄盘由平键与改装轴Ⅰ连接，小轴一端与曲柄盘相联，另一端与滑块相联。滑块空套在小轴上，同时又嵌在滑枕的长槽里，可在长槽里滑动。这样曲柄盘、小轴、滑块和滑枕的长槽组成了曲柄滑块机构。当改装轴Ⅰ旋转时，通过曲柄滑块机构，使滑枕沿着滑座上的燕尾槽做上下往复直线运动。滑枕的行程L等于小轴与改装轴Ⅰ轴心线间距离l的2倍，根据前面的分析，取l=45 mm，则L=2l=90 mm。因为曲柄盘安装在改装轴I上，所以滑枕每分钟的往复次数等于改装轴Ⅰ每分钟的转数。

4.3.2 主运动传动链中改装部分的运动仿真

基于UG NX5.0的主运动传动链中改装部分的运动仿真分析步骤为:完成装配建模后，选择[开始]→[运动仿真]，进入 UG NX5.0仿真模块。在新建的仿真方案中，定义4个连杆和4个运动副。4个连杆分别是:曲柄组件L001(包括改装轴Ⅰ和曲柄盘)、连杆组件 L002(包括小轴和滑块)、滑块组件L003(包括滑枕和切刀)、固定组件 L004(包括滑座、燕尾槽镶条、压板等零件)。4个运动副分别是:L001与地面构成的旋转副 J001、L001与 L002构成的旋转副 J002、L002与L003构成的滑动副 J003、L003与 L004构成的滑动副 J004。将旋转副 J001定义为恒定运动驱动，根据插削工序及X502型立铣的转速，切刀的切削速度选用47.5次/min(或67次/min)，对应曲柄滑块机构中曲柄的运动速度为 285°/s(或 402°/s)，因此设连杆 L001 以285°/s(或 402°/s)的速度匀速转动。根据换置机构i1＇的设计特点，在切刀上定义一标记A004并将其作为研究对象，进行运动学的仿真分析。运动学分析是按输入的时间和步数进行仿真分析，时间设为 285/360 s或402/360 s(完成一次工作循环)，步数为360步，即连杆L001每转1°分析模型的运动状况，图6是运动仿真中各运动部件2个瞬间的相对位置。改变J001原动件的速度以及相关的机构参数，会得到新的设计结果，便于对机构的运动特性进行控制。设计的更改可以反映在装配主模型的复制分析方案中，以便重新分析，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可以直接反映到装配的主模型中。仿真分析结束后，点击图表图标，以图表的形式绘出A004即切刀的位移、速度、加速度的变化曲线，如图7所示。从位移变化曲线可知，切刀的位移为90 mm(348.5-258.5=90)与设计相符，当切刀往复运动次数选用 47.5次/min时，切刀的切削速度为V=13.43 m/min(223.838 × 60÷1 000=13.43);当切刀往复运动次数选用67次/min时，切刀的切削速度为V=18.94 m/min(315.73 × 60 ÷ 1 000=18.94)。因此，当切刀往复运动次数选用47.5次/min时，切刀的往复运动速度与初选插削工艺参数比较接近。从速度变化曲线可知，切刀往复运动速度变化比较平缓;从加速度变化曲线可知，切刀往复运动在换向瞬间有轻微冲击。从运动仿真可知，主运动链改装部分的运动分析结果满足加工要求。

图6 运动仿真中的2个瞬间位置

图7 切刀的位移、速度、加速度的变化曲线

4.3.3 主运动传动链中改装部分的2D工程图设计

通过运动仿真，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可以直接反映到装配的主模型中，在UG NX5.0环境中，任何一个三维模型，都可以通过不同的投影方法、不同的图样尺寸和不同的比例建立多样的二维工程图。工程图与模型相关，模型改变，工程图自动更新，而且更新时间和内容是可控的。UG NX5.0共提供了8种不同类型的基本视图，并可通过投影生成其他视图。创建改装部分工程图的过程为:①选择菜单栏中【插入】/【图纸页】，在图纸页对话框中进行图幅、比例参数的设置，系统完成工程图纸的创建操作;②选择菜单【插入】/【视图】/【基本视图】，从【基本视图】下拉表中分别选取【前视图】、【俯视图】、【左视图】、【正等侧视图】，通过光标将视图放置到工程图纸的合适位置，并根据需要，创建其他视图，如图8所示;③进行尺寸及其他技术指标的标注;④对工程图进行编辑;⑤填写明细表。

图8 2D工程图

4.4 应用

在改装后的机床上，选用插削工艺参数为:插削进给量f=0.12 mm/dst，插削速度v=13.43 m/min、主轴转速n主=47.5 r/min进行试加工，经过对试件检测，结果满足加工要求。当不需要插削加工时，拆掉机床的改装部分，安装上原立铣头，再把更换的2根轴按原机床情况装好，机床恢复原貌。

5 结论

机床改装是围绕某台现有机床，对机床—刀具—夹具—工件这一工艺系统采取技术措施的过程，以达到预定的目标。实践证明，合理的机床改装不但能满足生产现场需要，而且可以获得十分可观的经济效益。目前，中小企业对机床改装的目的主要是扩大机床的加工范围，充分利用现有资源来解决设备不足的困难。机床改装一般可按前期准备—分析设计—改装的实施—验收及后期工作的步骤进行。在分析设计阶段，首先分析被改装机床及加工工序的运动，制定改装方案和确定所用机构;然后应用 NX软件的草图模块，根据图解法原理快速、精确地设计出机构的几何参数，并计算出相关尺寸，这既解决了手工作图法设计机构精度不高的问题，又减轻了人工的计算工作量;再应用NX软件建模模块，数字化地创建改装部分的零件及机构的三维图形，极大地缩短改装的设计周期;随后应用NX软件运动仿真模块，对改装机构模型进行运动仿真分析[5]，同时模拟改装机构的实际工作状态，得到各种运动学特性的变化规律，然后以图形的形式表示出这些测量结果，使设计者能够更加简便、直观地了解设计的各种信息，以便发现设计中的缺陷和不足。一旦确定优化的设计方案，设计更改就可以直接反映到装配的主模型中，最后生成二维工程图。基于NX软件的机床改装设计与运动仿真，使原来难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修改，极大地简化了机床改装过程，减少了改装费用，提高了经济效益，同时，既避免了设备的闲置和浪费，又为企业节约了一笔可观的费用，在当前乃至今后都具有非常重要的现实意义。本研究对于机床改装技术的应用和推广具有一定的参考价值。

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