機(jī)床制造業(yè)是其它機(jī)械加工行業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，機(jī)床做為其它機(jī)械產(chǎn)品制造的基礎(chǔ)、其作為"母機(jī)"作用的重要性是鮮而易見的。在機(jī)床的設(shè)計(jì)制造過程中引進(jìn)仿真技術(shù)可以大大縮短機(jī)床的研發(fā)周期、降低機(jī)床的研發(fā)成本、提高機(jī)床的可靠性。

本文通過對一簡化機(jī)床從建立模型、裝配、到機(jī)床運(yùn)動仿真、分析的全過程，簡述了仿真技術(shù)在機(jī)床行業(yè)機(jī)床設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用。

二、機(jī)床建模、裝配、仿真、分析

    2.1機(jī)床設(shè)計(jì)目標(biāo)確定：

假設(shè)該機(jī)床要實(shí)現(xiàn)螺紋加工的功能

    2.2設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

機(jī)床要實(shí)現(xiàn)螺紋加工，就要求，機(jī)床的主運(yùn)動部分和工件進(jìn)給部分有一個(gè)確定的傳動關(guān)系，
    1(主軸)×U×T1 = S
    U--從主軸到絲杠的總傳動比；
    T1--機(jī)床絲杠的導(dǎo)程（例如：CA6140型機(jī)床的T1=12mm）；
    S--被加工螺紋的導(dǎo)程；
    1(主軸)--主軸轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)。
由上式可知，改變U就能加工出不同的螺紋。

最終由以上公式把機(jī)床模型簡化為：
齒輪組、蝸輪蝸桿傳動組、齒輪齒條傳動組；
其中參數(shù)U由齒輪組實(shí)現(xiàn)；
參數(shù)T1由蝸輪蝸桿傳動組、齒輪齒條傳動組共同實(shí)現(xiàn)，也可由絲杠螺母組實(shí)現(xiàn)，本文采用前者。

軟件選擇：Pro/ENGINEER,Pro/Mechanism

    Pro/ENGINEER作為一款集成了CAD/CAM/CAE/PDM的工程軟件，其三維建模能力很強(qiáng)，而其中的Mechanism模塊又具有運(yùn)動/動力學(xué)仿真、動態(tài)、靜態(tài)、力平衡等多種仿真、分析功能，并且Mechanism提供了各種機(jī)構(gòu)配合方式，能夠進(jìn)行連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、齒輪系、螺旋機(jī)構(gòu)、多種復(fù)合機(jī)構(gòu)等進(jìn)行仿真、分析。

    2.3設(shè)計(jì)

    2.3.1建模

用Pro/E中的"從方程"方法應(yīng)用漸開線方程實(shí)現(xiàn)齒輪齒型輪廓的建模
正齒輪設(shè)計(jì)的漸開線方程為：
   
    將其轉(zhuǎn)化為Pro/E中的關(guān)系式為：
r=DB/2
theta=t×45
x=r*cos(theta)+sin(theta)*theta*pi/180
x=r*sin(theta)-cos(theta)*theta*pi/180
z=0
    由以上公式在Pro/E中就可建立出一般正齒輪模型：

在建立了模型之后可以應(yīng)用Pro/E中參數(shù)設(shè)計(jì)功能為齒輪各個(gè)尺寸參數(shù)建立"關(guān)系"，這樣就可由一個(gè)齒輪實(shí)現(xiàn)相同類型、不同尺寸齒輪的建模了。與之配合的正齒輪，只需修改一下"參數(shù)"中的數(shù)值就可完成建模。

蝸輪、蝸桿、齒條的建模方法和步驟與正齒輪建�；�本相同，僅僅是蝸輪、蝸桿、齒條所用的齒廓方程與正齒輪不同而已。

蝸輪的齒廓方程為：
r=D5/2
theta=t*45
x=r*cos(theta)+sin(theta)*theta*pi/180
x=r*sin(theta)-cos(theta)*theta*pi/180
z=m*q/2

蝸桿的齒廓方程為：
    1）螺線方程：
r=m*q/2
theta=t*tx*360
z=-t*la

    2）漸開線方程：
r=D4/2
theta=t*60
x=r*cos(theta)+sin(theta)*theta*pi/180
x=r*sin(theta)-cos(theta)*theta*pi/180
z=0

齒條的剖面為一連續(xù)的梯形，建模較簡單，無須方程。

就此實(shí)現(xiàn)了機(jī)床各個(gè)功能部件的建模。

   2.3.2裝配、仿真、分析

首先在Pro/E的裝配模塊中對機(jī)構(gòu)進(jìn)行組裝然后轉(zhuǎn)入Pro/Mechanism中進(jìn)行仿真分析，由于機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜、可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤比較多，所以采用部分裝配再仿真、分析，仿真、分析數(shù)據(jù)正確后再加入新部件，再分析、仿真的方法逐漸由部分到整體的實(shí)現(xiàn)機(jī)床模型的正確建立。

在Pro/Mechanism中可進(jìn)行的分析測量的量有：位置、速度、加速度、連接反作用、凈負(fù)荷、沖力。

在Pro/Mechanism中測量對模型各種運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行測量，假如不符合要求，則重新建立模型，再次進(jìn)行仿真、分析，直至模型達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。

由仿真、分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)再仿真，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求，接著進(jìn)行各部分功能細(xì)化，機(jī)床樣機(jī)最終定型。

   
三、結(jié)論

本文借助Pro/E實(shí)現(xiàn)了對簡化機(jī)床從建立模型、裝配到仿真分析的全過程，最終實(shí)現(xiàn)了對機(jī)床樣機(jī)的設(shè)計(jì)。借助像Pro/E這樣的三維CAD軟件和仿真技術(shù)，大大縮短了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期；而且通過對數(shù)字化模型的分析可以提早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷并加以修改，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的；直接在數(shù)字化模型上進(jìn)行各種運(yùn)動及材料特性的仿真分析而不用投入大量的人力、財(cái)力進(jìn)行產(chǎn)品試制，有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。應(yīng)用仿真技術(shù)對機(jī)床行業(yè)，及各個(gè)機(jī)械行業(yè)都是大有裨益的