第2期 机械设计与制造 2014年2月 Machinery Design&Manufacture 73 大型龙门加工中心结构设计 刘漫贤,刘江,张仲堂 (北京科技大学,北京100083) 摘要:以LMC3308大型龙门加工中心的整体结构为研究对象,介绍了基于Pro/Engineer运动骨架模型的自顶向下设计 方法在大型龙门加工中心结构设计中的应用。该设计思想和方法符合产品设计流程和设计人员的思维方式,能把握总体 设计目标和要求,易于实现产品设计信息的集中管理。同时,该设计方法可以方便地实现产品系列化设计,是产品设计的 一个高效的开发途径。最后,该方法还支持并行设计,有效地提高了设计效率和产品质量,降低了生产成本,增强了市场 竞争力。 关键词:Pro/Engineer;运动骨架; ̄jn-r中心;自顶向下;并行设计 中图分类号:TH16;TG502-31 文献标识码:A 文章编号:1001—3997(2014)02—0073—03 Structure Design of Large Gantry Machining Center LIU Man-xian,LIU Jiang,ZHANG Zhong—tang (University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China) Abstract:The overall structure ofLMC3308 large gantry machining center is taken∞the object fostudy.Application fotop— down design method in large gantry machining center based on motion skeleton model fo ProE/ is introduced.Besides,this desing idea and method is consistent with the product desing process and the designer’S way fothinking.It Can laso realize desing goals and sta@design requirements,whwh Can easily realize centrlaized management foproduct information.At the same time,it is an efifcient way ofdevelopment ofproduct desing as the serilaization desing ofproduction Can be realzied more easily.Finally,as this method supports Coneurrent design,it Can efectively improve desing efifciency and product quality,reduce production cost,and enhance the market competitiveness. Key Words:Pro/Engineer;Motion Skeleton;Machining Center;Top_.Down;Concurrent Design 1引言 地传递总体设计信息,快速地进行后续零部件的详细设计和整体 LMC3308大型龙门加工中心是一款高性能、高精度、高自动 结构的参数化驱动修改 。骨架设计结合数据共享、关系和布局设 化程度的先进机械设备,广泛应用于模具加工、航空航天、造船、 计,能很好地管理数据,优化设计流程,是自顶向下设计的一个强 机床、印刷机械等行业。针对其结构设计的复杂性,采用基于骨架 有力工具。骨架设计的主要作用有目:(1)作为装配参照,减少装配 模型的自顶向下设计方法,结合Pro/E相关设计工具,从产品的 体父子关系,便于零件的调整和更改;(2)控制总体尺寸,为各元 设计目标和结构划分人手,建立LMC3308的整体骨架模型,再由 件分配空间尺寸;(3)作为共用基准,确保两个元件准确地装配在 一起;(4)便于控制装配体的运动及参数化设计。 骨架模型将包含设计意图的几何信息传递给子系统中的各个零 部件,并通过并行设计分别对各个主要零部件进行结构设计及优 3 LMC3308龙门加工中心结构设计 化设计,最终完成LMC3308整体结构的构建。 任何产品的设计都是—个渐进的过程 。LMC3308龙门加工 中心的设计过程是先经过功能需求分析,根据分析结果提出各种设 2 Pro/E骨架设计方法 计方案,然后对不同的设计方案进行综合评估,选出最优的设计 自顶向下设计是通过建立顶层设计规划,并将该规划逐级 方案,为机床需要满足的功能提供切实可行的实施方案;然后对 向下传递作为设计准则的一种设计方法[1],如图1所示。自顶向下 机床各个零部件的整体结构布局做出规划,根据整体布局来拟定 的设计方法主要有:数据共享、关系、骨架设计和布局设计囟。其 运动单元的传动方案;再根据机床的设计意图建立骨架模型,将骨 中,骨架设计是根据一个装配体内各元件之间的关系而创建的一 架中的信息通过自顶向下设计理念逐级向下传递给各个子系统 种特殊的零件模型。骨架模型主要是由一些基准点、线、面和实体 (子组件或子零件),并通过并行设计方法对各个子系统同时进行 组成,并由它们提供了零部件间的几何约束关系、装配联接关系 初步设计及优化设计,再由外而内逐级地对所有零部件进行详细 和运动关系[31。通过骨架集中地提取产品整体设计意图,自上而下 设计,最终完成机床的结构设计,具体设计过程,如图2所示。 来稿日期:2013—07—07 基金项目:广东省教育部产学研结合项目资金资助(2011A090200007) 作者简介:刘漫贤,(1986一),男,广东潮州人,硕士,主要研究方向:数控机床设计研发; 刘江,(1969一),男,北京市人,副教授,博士,主要研究方向:数控机床设计研发 74 刘漫贤等:大型龙门加工中心结构设计 第2期 部(包括床身、工作台及X轴进给系统)、20部(包括立柱、横梁及 Y轴进给系统)、25部(包括滑鞍及Z轴进给系统)、30部(包括主 轴箱及主轴系统)、85部(包括平衡系统、气动系统、润滑系统、冷 却系统等辅助功能部件)和其他部件。LMC3308龙门加工中心的 结构划分,如图4所示。 圈 :圈 : : . 图1骨架信息传递方式 Fig.1 Transfer Mode of Skeleton Information 曰 1O部 \方案拟定 / h/ 85部 2O部 其他 十 排屑系统 25部 外而内 级细化 修 嘴一一~张一一 一躲一一 一一 z轴进给 系统 数控系统 正 Y :l圭兰至竺r_J : : : ‘。· 一.. 一一一.... .一一. 一 一..一一..一..一一一.一图4 LMC3308龙门加工中心结构划分 Fig.4 Structure Partition of LMC3308 Gantyr Machining Center 图2 LMC3308龙门加工中心结构设计流程 Fig.2 Process of Structural Design of LMC3308 机床的整体方案确定之后,可进一步拟定机床的运动方案, Gantry Machining Center 以便在此基础上进行机床运动单元的结构设计。运动单元是保证 3.1 LMC3308整体布局拟定及结构划分 机床的精度、刚度及稳定性、快速性的关键部件。根据不同的功用 数控机床整体设计决定机床设计的成败。数控机床整体结 可将运动单元划分为进给传动单元和导轨支撑单元。通过分析比 构布局设计的任务是解决机床各部件间的相对运动和相对位置 较,确定采用滚珠丝杠螺母副和滚柱式线性导轨分别作为该机床 关系,并使机床具有一个协调完美的造型。合理选择机床布局,能 的X/Y/Z轴传动单元和支撑单元。 使机床的机械结构更加简单、合理、经济[7】。通过对机床结构的优 3_2运动骨架设计 缺点以及成本等方面的综合考虑,确定采用符合本机床加工要 一一一一 对于LMC3308这种大型龙门加工中心,其结构比较复杂且 求、技术参数和市场需求的最佳结构方案—定梁定柱工作台移动 一一一一一一一一一有运动关系,为便于机床的运动仿真及干涉检验,宜采用运动骨 式结构,如图3所示。 架设计。运动骨架包括标准骨架和主体骨架,其中标准骨架主要 包括参照基准、简化了的运动副及发布几何,而主体骨架则是提 取标准骨架中的运动副并定义了运动关系的骨架。骨架模型的建 立应该尽量减少不必要的参照基准,并确保层次清晰。根据 LMC3308的整体设计方案及机床要求的主参数,如表1所示。提取 有效的几何信息,初步建立LMC3308的运动骨架模型,如图5所 示。该骨架模型确定了整个系统中各个零部件之间的布局关系、约 束关系、运动关系及自身结构特征等重要的设计信息,骨架模型中 图3 LMC3308龙门加工中心 的信息将通过自顶向下设计方法传递到子系统中,主要零部件模型 Fig.3 LMC3308 Gantry Machining Center 的建立与装配都基于该骨架模型并受其控制。具体设计过程如 考虑采用骨架模型作为信息载体传递设计参数,需要划分 下:(1)在Pro/E中新建龙门加工中心的总装配体LMC3308.ASM, 清楚产品结构中各零部件的层次关系,以利于信息在各级系统中 并新建一个运动骨架模型MOTION_SKEL.ASM;(2)由于该加工 的准确传递,保证各级系统的控制关系和参数准确性_蚓。根据各个 中心的结构比较复杂,故采用两个标准骨架模型互相配合分工 主要部件实现的不同功能,LMC3308龙门加工中心主要分为10 (此时需要在P 0厄起始目录里的config.pro文件中的添加语句 No.2 Feb.2014 机械设计与制造 79 02 ,、 :、M 和 。以光纤缠绕为例分析动力学方程在工程应用 [3]赵晋洪,舒晓武,牟旭东.光纤绕线机张力控制系统的研究[J].光学仪 中的可行性,F为光纤轴向应力大小,缠绕过程中需要精确控制 器,2005,27(2):37_41.) 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