工学超高速冲床.docx

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工学超高速冲床

毕业设计（论文）

题目超高速冲床机构运动分析

Themechanismmotionanalysisofultra-speedpunch

姓名　　

学号　　

专业班级　　

指导教师　　

分院　　

完成日期2011年6月10日

摘要

当今世界，工业发达的国家对冲床产业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化的先进冲床，以加快工业和国民经济的发展。

目前国外使用超高速冲床进行板料加工生产已经相当普遍，超高速冲床的应用在发达国家已经普及，处于成熟阶段，应用越来越广泛。

由于国外技术的保密以及国内技术水平的限制，超高速冲床加工的关键技术在国内的研究和应用还处于起步阶段，发展也比较缓慢。

Pro/E软件能够模拟真实环境中的工作状况并对其进行分析和判断，极大地提高了设计效率和设计质量。

本课题将着重优化超高速冲床的运动学参数，利用Pro/E软件进行三维建模，对机构模型进行运动仿真，分析冲床机构的运动情况。

提取该机构关键点的速度与加速度及运动轨迹等参数，获取最大速度和加速度，以便改进产品机构设计。

关键词：

超高速冲床；机构运动分析；Pro/E；三维仿真

Abstract

Today'sworld,industrializedcountriesattachgreatimportancetothepunchindustry,strivingtodevelopelectricalintegration,high-precision,highefficiency,high-automationofadvancedpunchtospeeduptheindustryandthenationaleconomy.Atpresent,foreignuseultra-speedpunchtosheetmetalprocessingandproductionhasbeenquitecommon.Applicationofultra-speedpunchhasbeenpopularindevelopedcountries,inthematurestage,moreandmorewidely.Becausetheconfidentialityofforeigntechnologyanddomestictechnicallimitations,thekeytoultra-speedpunchprocessingtechnologyresearchandapplicationinthedomesticisstillintheinitialstage,developmentisalsoslow.Pro/Esoftwaretosimulatetherealworkingconditionsoftheenvironmentandanalyzeandjudge,whichenormouslyenhancestheefficiencyandqualityofdesign.Thistopicwillfocusontheoptimizationofthekinematicparametersofultra-speedpunch,useofPro/Ethree-dimensionalmodelofsoftwaredesign,thebodymotionsimulationmodel,analysisofthemovementofpunchbody.Extractionofthekeypointsofthebodyposition,velocity,accelerationandtrajectoryandotherparameters，Formaximumspeedandacceleration,inordertoimproveproductdesignagency.

Keywords:

Ultra-speedpunch;Mechanismmotionanalysis;Pro/E;Three-dimensionalsimulation

第1章绪论

冲压技术是目前被广泛应用的金属压力加工方法之一，因为具有效率高、质量好、耗能低、成本低等特点，所以工业先进的国家越来越多的采用冲压技术来代替切削技术和其他加工技术。

冲压技术广泛应用于汽车制造业、农业机械、家用电器、电子仪表、国防工业以及日用品等生产部门，先进的冲床是冲压技术发展的先决条件。

因此，优化超高速冲床机构就显得非常重要。

1.1超高速冲床的国内外现状及发展趋势

1.1.1超高速冲床的国内外现状

目前占据世界冲床贸易主要份额，并且代表世界冲床发展水平的是日、德、美三个国家。

总体上来说，日本冲床的国际竞争力是最强的。

美国政府重视冲床工业的发展，美国国防部等部门不断提出冲床的发展方向、科研任务和提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。

德国政府一贯重视冲床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。

特别讲究“实际”与“实效”，坚持“以人为本”，师徒相传，不断提高人员素质，一直坚持实事求是，讲究科学精神，不断稳步前进。

日本政府对冲床工业发展异常重视，通过规划、法规引导发展。

在重视人才及冲床元部件配套上学习德国，在质量管理及冲床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。

日本也和美、德两国相似，战略上先仿后创，先生产量大而广的中档冲床，大量出口，占去世界广大市场。

策略上，首先通过学习美国全面质量管理（TQC），变为职工自觉群体活动，保证产品质量。

在技术上领先，在产量上居世界第一。

目前，国内冲床企业在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5—10年；在高、精、尖技术方面的距离则达到了10—15年。

同时，我国在应用技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研制相对滞后，国产的冲床还没有形成品牌效应。

中国机床行业正经历着历史以来最好的发展时期。

同样中国冲床也正经历着一个历史上最好的变革时期。

1992年—2006年，中国冲床数量增长了20倍。

这个数量上的变化，说明了中国冲床行业的整体素质有了很大的改善和提高。

1.1.2超高速冲床的发展趋势

（1）超高速、精密的冲床。

“超高速、精密”至今仍然是高速冲床发展永恒不变的主题。

日本株式会社山田（DOBBY）自1993年便开始研发Omega-F1超高速精密冲床，并于2001年加工完成，在冲次上创造了4000r／min的世界纪录，该机床参数为：

公称力10t，行程6mm。

（2）通用化转向专机化的冲床。

闭式高速冲床由于在生产马达铁芯方面应用比较广泛，日本会田工程技术株式会社（AIDA），针对该行业生产特点，专门开发出滑块四点支撑、机身高刚性的高速冲床，可生产高精度、高性能马达，深受用户欢迎。

（3）节能、“绿色”环保型冲床。

随着对节能和环境保护的日益重视，超高速冲床在研发方向上，开始向“五绿”看齐，即绿色设计、绿色材料、绿色工艺、绿色包装和绿色处理。

1.2本文研究的主要内容和步骤方法

本课题主要通过三维软件Pro/E绘制超高速冲床机构的模型并进行运动学仿真分析，获取并优化机构的参数，实现高频冲压。

主要内容：

（1）查找手册和相关技术资料等，了解各种类型冲床及超高速冲床机构的工作原理和其他相关资料，初步确定超高速冲床机构的主要参数。

（2）了解三维动态仿真设计技术应用现状，用Pro/E进行三维建模，并进行运动仿真和干涉检查，完成动画电影的制作。

（3）掌握机构自由度计算方法，机构组成的原理。

利用Pro/E软件对关键部位进行运动分析，提取各部位速度、加速度的相应参数，绘制相应的运动分析图表。

（4）对数据整理，进行理论和实际数据的计算，优化超高速机构的参数。

第2章三维动态仿真设计软件

2.1国内外三维软件的现状

CAD/CAM技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的CAD/CAM软件。

现在，工作站和微机平台CAD/CAM软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。

2.1.1国外软件

（1）Unigraphics（UG）是UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。

该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。

在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。

UG最早应用于美国麦道飞机公司。

它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。

（2）SOLIDEDGE是真正Windows软件。

它不是将工作站软件生硬地搬到Windows平台上，而是充分利用Windows基于组件对象模型（COM）的先进技术重写代码。

SOLIDEDGE与MicrosoftOffice兼容，与Windows的OLE技术兼容，这使得设计师们在使用CAD系统时，能够进行Windows下字处理、电子报表、数据库操作等。

SOLIDEDGE是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统，它是为设计人员专门开发的，易于理解和操作的实体造型系统。

（3）AutoCAD是Autodesk公司的主导产品。

Autodesk公司是世界第四大PC软件公司。

目前在CAD/CAE/CAM工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，也是全球规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。

Autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及Web网的数据开发等重大领域。

AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。

AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。

（4）MDT是Autodesk公司在PC平台上开发的三维机械CAD系统。

它以三维设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体；为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案。

该软件的推出受到广大用户的普遍欢迎。

至今为止，全世界累计销售已达７万套，国内已销售近千套。

（5）SolidWorks是生信国际有限公司推出的基于Windows的机械设计软件。

该公司提倡的"基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统"是以Windows为平台，以SolidWorks为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为中国企业提供了梦寐以求的解决方案。

SolidWorks是基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。

（6）Cimatron系统是以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统。

该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。

（7）Pro/Engineer系统是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的产品。

PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。

利用该概念开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品（Pro/Engineer软件）能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。

（8）I-DEAS是美国SDRC公司开发的CAD/CAM软件。

该公司是国际上著名的机械CAD/CAE/CAM公司，在全球范围享有盛誉，国外许多著名公司，如波音、索尼、三星、现代、福特等公司均是SDRC公司的大客户和合作伙伴。

I-DEASCAMAND是CAM行业的顶级产品。

I-DEASCAMAND可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。

2.1.2国内软件

（1）高华CAD是由北京高华计算机有限公司推出的CAD产品。

该公司是由清华大学和广东科龙（容声）集团联合创建的一个专门从事CAD/CAM/PDM/MIS集成系统的研究、开发、推广、应用、销售和服务的专业化高技术企业。

公司与国家CAD支撑软件工程中心紧密结合，坚持走自主版权的民族软件产业的发展道路，以"用户的需要就是我们的需要"为承诺，在科研成果商品化方向迈出了可喜的一步。

高华CAD系列产品包括计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。

（2）CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海尔软件有限公司。

该公司是从事CAD/CAE/CAM软件与工程服务的专业化公司。

CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，彻底甩掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。

（3）GS-CAD98是浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系统。

大天公司集软件开发、工程应用、信息系统集成和计算机类产品销售为一体，是从事CAD/CAPP/CAM工程数据库和MIS/OA的开发、应用、销售和服务的专业化高技术公司。

GS-CAD98是一个具有完全自主版权、基于微机、中文Windows95/NT平台的三维CAD系统。

（4）金银花（Lonicera）系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准的CAD/CAM系统。

该系统是国家科委863/CIMS主题在"九五"期间科技攻关的最新研究成果。

该软件主要应用于机械产品设计和制造中，它可以实现设计/制造一体化和自动化。

（5）开目CAD是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。

开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。

开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。

2.2Pro/E软件动态仿真设计

2.2.1Pro/E软件的功能及特点

经过20多年不断的创新和完善，Pro/E现在已经是三维建模软件领域的领头羊之一，它具有如下特点和优势：

（1）参数化设计和特征功能：

Pro/E是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。

这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

（2）单一数据库：

Pro/E是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

在整个设计过程的任何　一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。

（3）全相关性：

Pro/E的所有模块都是全相关的。

这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。

全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。

（4）基于特征的参数化造型：

Pro/E使用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。

这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。

（5）数据管理：

加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。

为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。

数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/E独特的全相关性功能，因而使之成为可能。

（6）装配管理：

Pro/E的基本结构能够使您利用一些直观的命令，同时保持设计意图。

高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。

（7）易于使用：

菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。

此外，其强大的三维造型和仿真运动功能是一般软件无法相比的，我们可以对所设计的机械零部件进行运动学和动力学的仿真分析，得出各个点的运动学和动力学参数，对机械零部件的应力挠度振动以及屈曲等加以分析，使所设计的机械结构得以优化。

2.2.2Pro/E软件三维零件的创建

Pro/E是美国PTC（ParametricTechnologyCorporation）公司推出CAD/CAM/CAE一体化软件，该软件集机械设计、模具设计、加工制造、钣金设计、机构分析、有限元分析和关系数据库管理等功能于一体,是目前国际上专业设计人员使用最为广泛、功能强大的新一代产品造型和动态仿真软件。

Pro/E建模的一般过程如下：

（1）建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准：

如基准面、基准轴和基准坐标系等。

建立每个实体特征时，都要利用基准特征作为参照。

（2）建立基础实体特征：

拉伸、旋转、扫描、混合等。

（3）建立工程特征：

孔、倒角、肋、拔模等。

（4）特征的修改：

特征阵列、特征复制等编辑操作。

（5）添加材质和渲染处理。

2.2.3三维模型的虚拟装配

建立三维模型是指进行机构构件的具体设计，首先确定零件的形状、结构、尺寸和公差等，并在计算机上进行二维绘图和三维实体造型，然后通过装配模块完成零件组装，形成整机。

在Pro／E软件中，零件装配是依靠所选择的面及特征来约束零件的。

装配是动念仿真的前提，装配关系的正确与否直接影响动态仿真的效果。

装配前，先确定运动构件及构件间的运动副，最后由各机构构成整机，并为仿真做准备。

2.2.4Pro/E软件动态仿真与分析

动态仿真是Pro/E用于模拟产品的拆装和工作时的状态，它是一个完善的三维实体静力学、运动学、动力学和逆动力学仿真与优化设计工具；利用该模块可以快速创建机械模型并能方便地进行分析，从而改善机构的设计。

该模块具有以下功能：

（1）校验机构运动的正确性，进行运动仿真，计算任意时刻的机构位置、速度、加速度。

（2）通过运动分析，得出装配的最佳配置。

（3）根据给出的力决定运动状态及反作用力。

（4）根据运动反求所需的力。

（5）求出铰接点所受的力及轴承力。

（6）通过尺寸变量，对机构进行优化设计。

（7）干涉检查。

机械动态仿真是用计算机模拟机械运动，检查机械运动中各部件的运动关系以及可能存在的问题。

在Pro／E中，可以通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。

第3章超高速冲床机构的研究及确定

3.1超高速冲床的概述

3.2超高速冲床机构的方案选择及工作原理

3.2

3.2.2超高速冲床机构的工作原理

该机构采用曲柄连杆机构，同时设计为对称分布。

电机驱动曲轴为主传动，通过一系列传动带动连杆上下往复远动，连杆连接滑块，从而完成冲压作业。

机构原理如图3.1所示：

图3.1机构原理

3.3超高速冲床机构的自由度计算

3.4机构数学模型的计算

对滑块建立数学模型，由机构原理图可以知道，滑块的位移与曲轴中心的X方向位移相同，可以建立模型直角坐标系如图3.2所示：

图3.2滑块位移的直角坐标系

A为曲轴的中心点，B点为滑块，

为偏心距转角，

为曲轴旋转角速度。

第4章Pro/E软件对超高速冲床机构三维造型及仿真设计

4.1超高速冲床的主要机构和部件的三维造型

（1）滑块的设计

进入拉伸，草绘界面，设置尺寸关系，滑动块的长为90mm，宽为75mm，

厚度为40mm，中心孔直径为38mm。

如图4.1所示：

图4.1滑块

（2）连杆1的设计

进入拉伸，草绘界面，设置尺寸关系，连杆1孔的直径大小分别68mm和70mm，厚度为35mm，2孔中心距离为250mm。

如图4.2所示：

图4.2连杆1

（3）连杆2的设计

进入拉伸，草绘界面，设置尺寸关系，连接杆2孔的直径都为20mm，厚度为14mm，2外缘孔的中心距为145mm。

如图4.2所示：

图4.2连杆2

（3）连杆3的设计

进入拉伸，草绘界面，设置尺寸关系，连杆3孔的直径大小分别60mm、65mm和60mm，厚度为22mm，中心孔距离都为130mm。

如图4.3所示：

图4.3连杆3

（4）连接杆4的设计

进入拉伸，草绘界面，设置尺寸关系，连接杆3孔的直径大小分别45mm、70mm和60mm，厚度为35mm，中心孔距离分别为215mm和40mm，2台阶都相差15mm。

如图4.4所示：

图4.4连杆4

（5）曲轴1的设计

进入拉伸，草绘界面，设置尺寸关系，曲轴1孔的直径大小分别270mm和60mm，大孔处的厚度为100mm，小孔处的中间切除材料的厚度为50mm，中心孔距离278mm。

上端半圆孔的直径为32mm，厚度为25mm。

如图4.5所示：

图4.5曲轴1

（6）压杆的设计

进入拉伸，草绘界面，设置尺寸关系，压杆孔的直径大小分别70mm和55mm，厚度为70mm，2孔中心距离455mm，压杆总长为550mm。

如图4.6所示：

图4.6压杆

4.2超高速冲床机构的动态装配

（

4.3超高速冲床机构的动态仿真

4.4超高速冲床机构的干涉检查和动画捕抓

在进行机构运动的仿真过程中由于设计的一些误差，在运动过程中会存在

干涉问题，进行干涉检查，可以获知零件之间是否有干涉，干涉的体积有多大，就可以及早的对所设计的零件进行参数的改进，以防止以后在制造过程中出现问题。

进行干涉检查，首先点击回放按钮，选中播放命令，再点碰撞检测设置，如图4.26所示：

图4.26回放界面

点击碰撞检测设置，进入碰撞检测设置界面，选取全局碰撞检测，在停止碰

撞的动画回放钱打勾。

如图4.27所示：

图4.27碰撞检测设置界面

对AnalysisDefinition1进行全局干涉检查。

进入动画界面。

如图4.28所示：

图4.28动画界面

点击捕获，进入捕获界面，设置名称和路径，保存录像。

如图4.29所示：

图4.29捕获界面

第5章基于Pro/E软件的运动分析

5.1超高速冲床机构的运动分析

5.2关键部位的运动学分析

5.2.1滑块的运动学分析

滑块在伺服电动机转速为1500转/min的驱动下，滑块的位置分析图，可

以得出滑块的行程为39mm，一个周期T为0.04S。

如图5.5所示：

图5.5滑块的位置分析图

滑块的速度分