數(shù)控彎管機(jī)三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

1、第30卷第8期2007年8月自然科學(xué)版)數(shù)控彎管機(jī)三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)夏 鏈, 田 藝, 何高清, 祖 垣, 韓 江(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)摘 要:文章在研究彎管機(jī)工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用PRO/E技術(shù),設(shè)計(jì)了STAR-03W單模數(shù)控彎管機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu),包括彎曲軸、彎曲臂、Y-B向組合機(jī)構(gòu)、調(diào)整裝置和床身設(shè)計(jì)等。為深入了解設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否合理以及更準(zhǔn)確地控制彎管機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程,對彎管機(jī)進(jìn)行了加工生產(chǎn)過程中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真,實(shí)踐證明,該數(shù)控彎管機(jī)設(shè)計(jì)可靠,能廣泛應(yīng)用于汽車、空調(diào)等行業(yè)的各種管件和線材的彎曲。關(guān)鍵詞:數(shù)控彎管機(jī);計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);PRO/E軟件;運(yùn)動(dòng)仿真

2、中圖分類號(hào):TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-5060(2007)08-0962-04ThreedimensionalcomputeraideddesignofthenumericallycontrolledpipebendingmachineXIALian, TIANYi, HEGao-qing, ZUYuan, HANJiang(SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)Abstract:Theworkingprincipleofthep

3、ipebendingmachineisintroducedbriefly.ThePRO/Esoft-wareisadoptedtodesignthemechanicalstructureoftheSTAR-03Wnumericallycontrolledpipeben-dingmachine.Discussedindetailarethecalculationmethodofthepipebendingmoment,designofthebendingaxisandbendingarm,designofthecombinedmechanismalongYandBaxes,designofthe

4、adjustingdevicesanddesignofthetoolbed.Thechoiceofthematerialsofthekeypartsisalsodis-cussed.Inordertoinvestigatetherationalityofthedesignedstructureofthenumericallycontrolledpipebendingmachineandcontrolitsactionprocessmoreaccurately,simulationofthemechanicalmovementofthemachineiscarriedout.Thenumeric

5、allycontrolledpipebendingmachinecanbewidelyappliedtobendingvarioustubesandpipesinmanyindustries,suchastheautomobileandair-conditionerindustries.Keywords:numericallycontrolledpipebendingmachine;computeraideddesign;PRO/Esoftware;simulation彎曲是建立在金屬塑性變形的基礎(chǔ)上,利用模具和成形設(shè)備對板料和管材金屬進(jìn)行加工,以獲得所需要的零件形狀和尺寸。管材彎曲加工的方法

6、很多,本文設(shè)計(jì)研發(fā)的數(shù)控彎管機(jī)采用繞彎式有芯彎曲,屬于冷沖壓工藝。數(shù)控彎管機(jī)是基于矢量彎管原理,按程序通過數(shù)字控制系統(tǒng)來彎曲用戶所需管件的先進(jìn)彎曲加工設(shè)備,其執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括夾緊彎曲機(jī)構(gòu)和管材送進(jìn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。本文采用PRO/E軟件,設(shè) 1計(jì)出彎管機(jī)的全部機(jī)械結(jié)構(gòu),并對彎管機(jī)的動(dòng)作過程進(jìn)行了仿真。1 數(shù)控彎管機(jī)工作原理STAR-03W數(shù)控彎管機(jī)是用來生產(chǎn)空間多彎、外形尺寸要求較高及相對彎曲半徑大的空心管件,尤其是用于汽車上的排氣管及發(fā)動(dòng)機(jī)上的油管2。圖1所示為數(shù)控彎管機(jī)工作原理圖,主要由收稿日期:2006-07-24;修改日期:2006-10-17作者簡介:夏 鏈(1964-),男,四川樂山人,合

7、肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師; ),第8期夏 鏈,等:數(shù)控彎管機(jī)三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)963彎曲旋轉(zhuǎn)軸裝置、Y、B軸組合機(jī)構(gòu)、調(diào)整裝置及芯棒進(jìn)給裝置組成。該彎管機(jī)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)送、翻轉(zhuǎn)、彎曲三軸的空間控制,完成具有復(fù)雜空間形狀的空心管加工。由圖1可見,彎曲旋轉(zhuǎn)裝置繞旋轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)動(dòng)角位移H、角速度X和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M是主要控制對象。鉗口將管件壓緊到旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的彎曲模具中,隨著彎曲旋轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng),從而將管件彎曲成形,彎曲軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)矩控制通過彎曲軸上的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。1.鉗口 2.隨動(dòng)橫 3.毛坯 4.夾料筒 5.芯棒進(jìn)給裝置 6.芯棒 7.防皺模 8.彎曲旋轉(zhuǎn)裝置圖1 數(shù)控彎管機(jī)工作原理圖2 數(shù)控彎

8、管機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 管材彎曲力矩的計(jì)算方法管材彎曲力矩的計(jì)算是確定彎管機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),計(jì)算出管材的彎曲力矩后,才能確定彎管機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力矩、伺服電機(jī)的功率、主傳動(dòng)軸機(jī)構(gòu)各部件結(jié)構(gòu)尺寸及夾緊力大小等一系列參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式3求彎曲力矩,即M=式中k1=11275Q, Rx=D-3tD44軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等要求確定的。彎管機(jī)工作過程中,彎曲軸帶動(dòng)彎曲臂及彎曲臂上的一些輔助機(jī)構(gòu),通過彎曲臂上的鉗口夾緊工件,鉗口由液壓缸實(shí)現(xiàn)夾緊。彎曲臂的外形尺寸根據(jù)彎曲臂上的夾模座及夾模座導(dǎo)軌來確定,如圖2所示。k1+WRs4Rx(1)W=32D其中,k0為材料相對強(qiáng)度系數(shù);Rs為材料屈服極

9、限;D為管材外徑;t為管材壁厚;d為管材內(nèi)徑;Q為彎曲半徑。本彎管機(jī)彎管最大規(guī)格為<60mm,一般管坯材料為20號(hào)鋼,按規(guī)格為<604mm的管子來確定彎管機(jī)的最大彎曲力矩,將具體參數(shù)D=60mm,t=4mm,d=52mm,Q=120mm,k0=1116mm和Rs=240MPa,代入(1)式,得彎曲力矩M為6280104N#m。212 彎曲軸及彎曲臂設(shè)計(jì)彎曲軸是彎管機(jī)中重要的部件,由于彎曲力很大,彎曲軸承受很大的扭矩,軸的材料選擇合金鋼,同時(shí)用熱處理或化學(xué)處理的辦法提高其耐磨54圖2 彎曲軸與彎曲臂裝配2.3 調(diào)整裝置設(shè)計(jì)調(diào)整裝置,如圖3所示,由調(diào)整螺桿、隨動(dòng)模具、隨動(dòng)油缸及夾緊油缸

10、(圖中未畫出,在導(dǎo)軌下面)等組成。調(diào)整螺桿起微調(diào)作用。X軸夾緊油缸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌沿X方向運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)工裝夾具實(shí)現(xiàn)模具的對中,并方便操作者裝卸管件。隨動(dòng)模具由隨動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng),為了防止管件被彎癟和拉裂,隨動(dòng)模先在夾緊油缸的作用下把管件壓緊在防皺模中,而后隨彎曲軸的旋轉(zhuǎn)而沿管件表面跟隨移動(dòng)。2.4 Y-B軸組合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),964 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第30卷 和執(zhí)行部件。Y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用齒輪齒條傳動(dòng),B向轉(zhuǎn)動(dòng)采用圓柱直齒輪傳動(dòng)。機(jī)功率均為315kW。Y向和B向的運(yùn)動(dòng)都是數(shù)字控制,考慮到結(jié)構(gòu)既輕便又要合理,小車車身采用箱體式結(jié)構(gòu)。三角卡盤是執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過三角卡盤實(shí)現(xiàn)管件的夾緊與放松,在管件夾緊狀態(tài)下,由

11、蝸輪蝸桿傳動(dòng)6帶動(dòng)夾緊的管件向前運(yùn)動(dòng),能實(shí)現(xiàn)大傳速比,傳遞大扭矩。2.5 床身設(shè)計(jì)機(jī)座和箱體等零件,在1臺(tái)機(jī)器的總質(zhì)量中占有很大的比例(例如在機(jī)床中約占總質(zhì)量的70%80%),同時(shí)在很大程度上影響著機(jī)器的1.隨動(dòng)油缸 2.導(dǎo)軌 3.調(diào)整螺桿 4.隨動(dòng)模圖3調(diào)整裝置工作精度及振動(dòng)性能,所以正確選擇機(jī)座和箱體等零件材料和正確設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式及尺寸,是減小機(jī)器質(zhì)量、提高工作精度、增強(qiáng)機(jī)器剛度及耐磨性等的重要途徑7。本彎管機(jī)床身通過鑄造方式實(shí)現(xiàn)。箱體受力情況比較復(fù)雜,當(dāng)受到彎曲或扭轉(zhuǎn)時(shí),截面形狀對于它的強(qiáng)度和剛度有著很大的影響。機(jī)床床身采用臥式結(jié)構(gòu),材料選用HT300,無需熱處理。2.6 彎管機(jī)總體裝配P

12、ro/ENGINEER是采用單一數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)8,因此在完成零件的設(shè)計(jì)之后,可以利用圖4 Y-B軸組合機(jī)構(gòu)Pro/ENGINEER的裝配模式將零件進(jìn)行組裝?？傮w裝配要按照機(jī)床生產(chǎn)裝配順序進(jìn)行,裝配后的總裝圖如圖5所示。 Y向和B向的動(dòng)力機(jī)構(gòu)是交流伺服電機(jī),電1.彎曲臂身 2.防皺模 3.齒條 4.尾座 5.電器柜 6.Y、B向組合機(jī)構(gòu) 7.芯棒圖5 總體裝配圖3 數(shù)控彎管機(jī)運(yùn)動(dòng)過程仿真對設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在加工之前進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,能夠形象地進(jìn)行產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)模擬,并能制作成清晰的MPEG格式的影片,從而將電腦中的虛擬樣機(jī)更加清晰地展現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員和客戶面前9,為設(shè)計(jì)的產(chǎn)品盡快投產(chǎn)提供了很大幫助,大大提高了設(shè)計(jì)效率

13、。第8期夏 鏈,等:數(shù)控彎管機(jī)三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)965本次仿真主要在彎管機(jī)的Y方向、B方向、X方向、隨動(dòng)模的運(yùn)動(dòng)方向、C方向及芯棒的運(yùn)動(dòng)方向6個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,將Y軸的送料、空間的旋轉(zhuǎn)、隨動(dòng)模的移動(dòng)和彎曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)在三維空間動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地顯示,這樣在機(jī)床投入生產(chǎn)之前能很好地了解各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況,便于對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和完善,縮短彎管機(jī)設(shè)計(jì)周期,保證了彎管機(jī)設(shè)計(jì)可靠性。參 考 文 獻(xiàn)1 高錦張,陳文琳,賈俐俐.塑性成形工藝與模具設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001:10-50.2 唐長平.數(shù)控彎管機(jī)的研究與開發(fā)D.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,2005.3 機(jī)械工程手冊,電機(jī)工程手冊編

14、委會(huì).機(jī)械工程手冊M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982:19-6314 JB2671-82,彎管機(jī)技術(shù)條件(附錄B)S.5 陶 冶.材料成形技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:20-60.6 鄭文緯,吳克堅(jiān).機(jī)械原理(第7版)M.北京:高等教育出版社,2001:157-183.7 濮良貴,紀(jì)明剛.機(jī)械設(shè)計(jì)(第7版)M.北京:高等教育出版社,2003:399.8 孫印杰,田效伍,鄭延斌.野火中文版Pro/ENGINEER基礎(chǔ)與實(shí)例教程M.北京:電子工業(yè)出版社,2004:30-80.9 祝凌云,李 斌.Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析M.北京:人民郵電出版社,2004:50-10

15、0.4 結(jié)束語本設(shè)計(jì)利用PRO/E實(shí)現(xiàn)了STAR-03W數(shù)控彎管機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出比較完整的機(jī)械三維圖,圖形直觀和逼真。并將彎管機(jī)的整個(gè)彎管工藝過程通過三維仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,將諸如Y軸的送料、空間的旋轉(zhuǎn)、隨動(dòng)模的移動(dòng)和彎曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)都在三維空間動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示,方便了操作者觀察加工過程和檢測機(jī)床故障。仿真降低了工程設(shè)計(jì)難度,使設(shè)計(jì)周期大大縮短,節(jié)約了資金,大大提高了設(shè)計(jì)效率。(責(zé)任編輯 呂 杰)(上接第942頁)仍以Get-Descriptor為例,當(dāng)端點(diǎn)處于空閑態(tài)時(shí),ADC8051讀取端點(diǎn)8字節(jié)的設(shè)備請求,設(shè)置指針指向描述符的起始地址,接著端點(diǎn)的狀態(tài)跳到發(fā)送態(tài),執(zhí)行發(fā)送態(tài)的程序,將數(shù)據(jù)

16、裝入端點(diǎn)FIFO中。這樣,主機(jī)向設(shè)備請求的數(shù)據(jù)都可以通過這種方式傳輸,其發(fā)送態(tài)程序不變,在需要時(shí)調(diào)用即可。狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)大大簡化了程序,也方便程序閱讀者的理解?？傊?由于USB210協(xié)議較之USB111協(xié)議更為復(fù)雜,所以固件也復(fù)雜了許多,但固件中雙緩沖的使用以及各種狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的算法思想提高了程序的執(zhí)行速度,使得程序的可讀性大大增強(qiáng)。參 考 文 獻(xiàn)1 中科英泰.POS收款機(jī)/軟驅(qū)0離消失還有多遠(yuǎn)EB/OL.3 馬 偉.計(jì)算機(jī)USB系統(tǒng)原理及其主/從機(jī)設(shè)計(jì)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:84-87.4 孫 庚,蔣國強(qiáng).USB塊傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.計(jì)算機(jī)工程,2003,29(6):180-182.5 許永和.EZ-USBFX系列單片機(jī)USB外圍設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)7 frank.USB項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告EB/OL.ht