光学仪器的装配与调整的计算机模拟基于SOLIDWORKS工程软件Word下载.docx
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计算机模拟;
solidworks
Thecomputersimulationoftheopticalinstrumentassemblinganddebugging
(Theassemblyanddebuggingofthebinoculars)
Abstract
Withthedevelopmentofscience,thesocialinformatizationachievehigherdegree,sointhemechanicalequipment,peoplefromtheoriginal"
toknowitafterdoit"
tonow"
toknowitbeforedoit"
computermadeagreatcontributioninthisgreatchanges,variousofengineeringsoftwarehadbeenusedintheproductiondesignworkswhichareplayaverysignificantroletoday.
Inthefieldofopticalinstruments,thereareavarietyofcomputersimulationsbeenapplied,suchastracePROandSOLIDWORKShadbeenwidelyusedintheworksofopticalinstrumentsdesigning.Atthesametime,thecooperationbetweenthelargesoftwaresystems(suckas,solidworks,pro-EandUG)hadmadethedesignworkingbecamemorerelax,exactandefficientinthepresentage
Thispaperisbasedontheapplicationsofthecomputersoftware(solidworks),accordingtotherules,todesign,combineanddebuggingtheopticalinstrument(telescope)onthecomputer,andmakeroughlygeneralizationsforthismoderndesignidea.
Keywords:
opticalinstrument;
assemblyanddebugging;
computersimulation;
solidworks
1绪论
1.1引言[9]
随着生产和科学技术的发展,光学精密机械已经广泛的应用于国民经济和国防工业的许多部门,同时,随着相关部门对于相应光学仪器的需求的加大,在光学仪器的设计生产领域也在应时代的发展悄无声息的发生了革命性的变化,其中大型计算机机械设计软件在这个历史性变革中起到了推波助澜的作用。
自1750年西方资本主义国家的工业革命以来,人类对于机械的需求与日俱增,相应的机械设计领域也在那时如雨后春笋一般的蓬勃发展,历经几百年的变革,机械设计领域也顺应时代要求向更加安全、高效和经济的方向发展着,过去那种在不断的尝试中需求最佳设计方案的理念已经适应不了如今的市场经济社会了,于是,类似solidworks、pro-E和UG之类的大型计算机3D模拟机械设计软件进入了人们的生活,冲击着设计界,同时也改变着光学机械领域的设计方式。
1.2国内外发展趋势[9][15]
近年来,我国光学仪器行业迅速发展,朝着高性能、高精度、高灵敏、高可靠性、智能化、自动化等方向发展,体现出如下几方面的特点:
一是培育了一批特色优势产品,二是产业区位集聚程度较高,三是具有比较灵活的经营机制,四是技术水平不断提高,五是产品应用范围越来越广泛。
同时也存在不少问题,我国光学仪器产品大多属中低档水平,高档产品依赖进口,生产现状不尽人意。
高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口,中档产品以及许多关键零部件,国外公司占有国内市场过半的市场份额。
虽然技术水平不断提高,但仍与国外存在差距,自20世纪90年代初期开始,高技术含量的光学仪器领域,参与竞争的主要是引进、合资的产品。
在引进、合资、国产化过程中,国内企业缺乏对产品关键技术的研究,不能独立地对产品进行升级换代,重复引进现象严重。
另产、学、研、金(融)、政(府)、用(户)有机结合的体制和政策没有形成,专业人才的缺乏,企业劳动生产率低等都是产业发展中迫需解决的问题。
为了适应这种大环境的改变,光学机密机械的设计制造,必须更加的精确,直观,快速。
随着大型计算机模拟软件在精密机械领域的应用,人们获得了与传统设计方式完全不同的设计路径。
目前国内的很多光学精密机械生产厂家在光学机械的设计方式上,从传统的二维图纸和实物测试,转换到了最新的计算机三维建模和计算机模拟上,这种转变大大提高了设计的精度和效率。
使用三维CAD系统,可以在装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的误差。
资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。
运用传统设计方法进行机械产品的创新设计是件十分困难的事情,而三维CAD技术在方案设计阶段,充分利用专家系统,建立多种机构进行构型对比,立体感强、效果逼真,使创新设计有了科学的工具,更能激发设计人员的新颖构思。
在设计过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。
整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验行程是否达到要求,及时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。
采用三维CAD技术能够大幅度地提高设计效率。
比如对产品进行改型或更改设计,部分零部件改动相关尺寸链上的大部分零部件都会自动改动相关尺寸,使设计的效率提高了3~5倍。
借助于三维CAD系统高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一种全新的机械产品。
三维CAD使机械设计更加科学和先进,如有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动仿真和优化设计等同时也保证了产品的设计质量,使设计更加合理和少出差错。
工程设计人员都知道,一个大中型产品的设计不是一个人或是少数几个人能够完成的,三维CAD技术使得设计人员之间的研讨交流更加直观和容易,有利于集思广益,充分发挥团队的力量,集体的智慧。
三维设计软件是当今最先进的CAD软件,计算机技术在设计中的应用已从以往的绘图发展到当今的三维建模、虚拟制造、智能设计及CAD/CAE/CAM集成阶段。
在发达国家与工程设计有关的各个领域得到了广泛应用。
比如:
美国福特公司应用三维CAD技术后将新型汽车开发周期从18个月压缩到12个月,减少了90%的实物模型,减少新产品的设计更改50%以上,减少新汽车试制成本50%,提高投资效益30%。
波音公司新一代777客机生产中实现了“无图纸设计”,其先进的CAD/CAM技术走在了全世界的前面。
三维CAD软件是工程师进行机械设计的现代化工具和科学方法,大大缩短了机械产品设计周期,提高效率、降低成本,提高设计质量。
三维CAD技术从根本上改变了机械设计的方法和质量,引进了现代设计理念对传统机械设计进行了创新式变革,意义重大而深远。
1.3课题研究的意义
随着工业设计的发展,人们需要更加高效和低成本的设计方式,计算机模拟是当今社会工业设计的发展趋势,作为一名新时代的大学生,必须顺应时代的需求,通过自己的不断学习,完善自己的只是架构,以适应时代的快速变化。
通过了解和学习双筒望远镜的光学结构、机械结构、零部件的组成和配合,并使用solidworks2009对仪器进行虚拟装配,来对现代工业光学精密机械设计进行一个基础的研究和认识,锻炼将理论设计和工业生产相结合的能力,以便自己能够在今后的工作和学习中更加得心应手。
[15]
1.4课题研究的主要内容
1.要设计出一台望远镜必须先了解望远镜的工作原理和基本结构,这里主要研究望远镜的光学结构和机械结构,重点在于望远镜的机械部分的组成部件的介绍。
2.了解学习如何装配出一台合格的仪器,必须遵守哪些装配原则和要求,这里主要是研究现代的仪器生产制造中,关于仪器的装配的规则规范。
3.通过学习前人的设计经验,研究一般光学仪器的结构组成,同时学习光学零件和机械零件之间是如何配合的,不同用途的光学仪器对应的怎样的配合方式。
4.学习使用大型三维计算机机械设计模拟软件进行光学精密机械设计。
5.研究学习双筒望远镜的结构,光学部分和机械结构的配合机制,仪器的装配方式等,再结合软件的应用,加上自身对机械设计的理解,使用大型计算机机械设计软件对双筒望远镜的各个零件、部件,最后到整体,都进行三维建模和装配模拟。
2望远镜的结构
2.1望远镜的两种光学结构[5]
2.1.1开普勒(Kepler)型望远镜光学系统
如图2-1所示,该光学结构的望远镜,物镜和目镜均由正透镜构成,镜筒内存在实像。
此结构可设置视场光阑,消渐晕,也可设置分划板,测量物体大小,系统成像特点是倒像。
图2-1开普勒式望远镜光学结构图
2.1.2伽利略(Galileo)型望远镜光学系统
如图2-2所示,该光学结构的望远镜,目镜由负透镜构成,镜筒内不存在实像。
此系统结构紧凑,筒长短,成正立像,不可设置分划板,测量物体大小,同时存在渐晕。
图2-2伽利略式望远镜光学结构图
2.2机械零件结构
以上为一般的双筒望远镜的结构如图2-3所示,整体结构包括,物镜组、目镜组、普罗棱镜组、镜体中心轴和组外部保护件组等
图2-3直角棱镜转像的双筒望远镜整体结构
物镜组由若干零件组成,结构如图2-4所示,包括偏心镜座、偏心环带螺纹透镜、压圈、带螺纹镜盖、垫圈、消色差双胶合透镜和壳体等。
图2-4物镜组结构图
目镜组由若干零件组成,结构如图2-5所示,包括目镜基座、目镜卡环、透镜隔圈、带螺纹压环、目镜镜体和两枚双胶合透镜等。
图2-5目镜组结构图
普罗棱镜组由若干零件组成,结构如图2-6所示,包括棱镜座、两枚转折棱镜、棱镜压条、棱角保护条和棱镜调整薄片等
图2-6普罗棱镜组结构图
中心轴组由若干零件组成,结构如图2-7所示,包括中心带部分螺纹插销、中心螺母、调整垫片、插销保护套和油封垫圈等。
图2-7中心轴组结构图
3仪器产品组装的原则和要求
3.1装配工艺规程[2]
装配的基本概念
一台仪器由许多零件和部件组成。
更具规定的技术要求,将若干个零件结合成部件或将若干个零件和部件结合成产品(总成)的过程,称为装配。
前者称为部件装配,后者称为总装配,如图3-1所示。
仪器的装配式仪器制造过程中的最后一个阶段,经过装配,使仪器实现要求的功能,保证一定的使用精度。
装配是对仪器设计及零件加工质量的总检验。
装配工艺的作用就是根据转配精度的要求,合理确定零件的公差,使之成为相对容易加工并寻求经济而又方便的装配方法。
图3-1精密仪器装备车间[9]
装配工艺规程的制定
制订原则和原始资料,在制订仪器装配工艺规程时,要尽可能的减少钳工装配工作量,以提高效率,缩短周期;
尽可能的减少车间的生产面积。
制订装配工艺规程,必须具有下列原始资料:
•••产品的总装图和部件配图。
•产品验收的技术条件。
•产品的生产纲领。
•现有生产条件。
制订装配工艺规程的方法,制订装配工艺规程大致分为三个阶段:
•产品结构分析
•分划装配单元
•确定装配顺序
编写装配工艺文件
装配工艺过程卡和装配工艺工序卡是装配工艺的主要文件,装配工艺流程图是装配工艺的辅助文件。
在单件小批量生产时,一般只编写装配工艺过程卡片,并利用装配工艺流程图代替装配工序卡片,如图3-2所示。
图3-2流程工序卡
3.2一般装配工作[2]
仪器的装配工作包括组装、调试、试验、检验、包装等内容。
组装是将零件集合成组件或部件,最后集合成仪器的工艺过程。
组装时通过各种手段保证产品质量的过程。
常见的组装工作包括:
清洗,连接,装配加工和平衡。
装配的组织形式
仪器的装配工艺方案的制订与装配的组织形式有关。
装配组织形式的选择,主要取决于产品的结构特点(尺寸和重量)、精度要求和生产批量。
装配主要组织形式有非流水装配和流水装配,非流水装配都用于固定式装配,而流水装配则有固定式装配及移动式装配两种。
非流水装配
非流水装配分为两种,一种是整个装配自零件到产品,由一组工人来完成,工人在技术上不作分工,因而对工人的技术水平要求较高,由于零件的修配量大,装配周期较长,这种方式只适用于单件生产;
另一种是把装配过程分细,一部分工人事先把零件转配成组件或部件,再由另一部分工人把组件或部件等装配成整台仪器。
这样分工,工人易于积累经验,生产周期也短些,适合于中小批生产。
流水装配
流水装配就是把装配过程分成个别的工序,而每道工序有它自己的工作特点,由固定的工人在一定时间内完成,按流水作业进行装配。
移动流水式装配
装配对象的移动
传送装置的布置
工序同期化
固定流水式装配
产品装配是在不动的装配工作台上进行的,装配过程中产品位置不变,装配所需零部件都汇集在工作点附近。
这种方式适用于机体质量大或刚度较差的仪器仪表,随意移动会影响其装配精度。
固定式装配线的特点是成品的全部装配过程所占工作台的数量等于装配过程的工序数目。
4光学仪器装配校正的一般过程[3]
从加工好的合格的光学零件和金属零件,到装成一个合格的成品军用光学仪器,一般需要经过初装、精装(校正)、总装、密封干燥和检查测试等步骤
4.1初装
初装是指主要是将凡是能在装配光学零件以前,能装配的所有金属零件按设计要求进行装配。
由于光学仪器一般都是比较精密的,特别是其中一些关键结构部分中的零件或部件之间的配合要求较高,如果直接用机械加工的公差来保证是比较困难的,并且也是不经济的,所以在初装过程中,往往需要对有些配合部分进行“补充加工”,如选配、修切、调整、研磨、配钻等。
下面举几个实际例子说明:
图4-1,是轴孔配合的装配,各义尺寸Φ26.5配合后要求间隙小于0.01(即1丝或1道),这样间隙比1级精度还要高。
并且要求平滑转动,无卡滞现象,既要求比较高的几何形状精度和一定的表面光滑度。
在这种情况下往往采用研磨的方法来达到,先将轴孔做成过度配合,孔做成Φ26.5D4,轴做成Φ26.5ga3或Φ26.5gb3,在装配式选配成适当的过盈量作为研磨量,然后用金刚砂粗研,适当时再用绿油膏或绿粉研磨,直到到达要求为止。
这里,必须指出,金刚砂不能做软金属的研磨剂。
图4-1轴配合
图4-2,表示的是要求一定方向的钩子的装配。
图中①是钩子,②是配合件。
现要求钩子①的方向与②有一定的相对位置要求,而①是通过螺纹拧在②上的。
如果要直接用机械加工保证,那是很困难的,所以可通过修切②的端面或在①②之间加一定厚度的垫片就可以实现。
图4-2相对配合
图4-3,是一对锥齿轮啮合,两个锥齿轮分别于支架组成部件1和3,在装配后要求达到正确啮合,所谓正确啮合对锥齿轮来说有两条:
一是两个锥齿轮的锥顶角重合,二是两个锥齿轮轴线的夹角为预定的。
现在部件2为基准(配合面A)所以部件1相对部件2要作三个方向的转动。
即①沿着部件1的锥齿轮轴线方向移动;
②沿着垂直于纸面方向移动;
③沿着部件2的锥齿轮轴线方向移动;
④绕垂直于纸面的轴线转动,其中①和②可以通过调整1来达到,③和④则可以修切配合面A来达到,一般是修切部件1上的平面来达到。
图4-3齿轮啮合
以上三个例子是所提到的所谓研磨,修切,加垫片,调整等方法,总称补偿法,这种方法在光学仪器装配中经常用到,也是比较重要的方法。
因此在设计时必须预先考虑到这些问题。
4.2精装
精装是光学零件与金属零件之间的装配,在这过程的同时需要对能转成的带有光学零件的部件进行校正和检查,如检查它们的性能,像质,鉴别率,校正光学零部件与金属零部件的基准面的相对位置的正确关系。
把初装后的部件重新拆开,经过清洗,与光学零件直接固定的金属零件要烘干,然后对光学零件和金属零件进行组合,组合后进行检查,看是否把光学零件夹得过紧或松动,如过紧则会产生应力而使像质变坏,如松动则会影响光学零件的位置精度。
如果有两个以上带光学零件的部件组成更大的部件时(对简单仪器来说也可能已成总体),也往往在校正的同时需要对某些部件的基面进行修切或调整,以达到各部件之间的正确关系。
4.3总装
总装,一般适用于大型的或较为复杂的光学仪器进行装配才有。
在总装过程中,主要把已装好的并且已经校正合格的部件,装入总的基准键中,并进行部件之间相互校正和总的校正,以达到仪器各项总的性能指标。
在这过程中也同样要对某些件作修切或调整。
4.4对装配好的仪器进行密封和干燥
光学仪器,特别是在室外使用的军用光学仪器需要在各种恶劣条件下使用,所以对仪器必须进行严格的密封,并进行干燥,如不这样做,就会在光学零件表面上生霉,生雾,影响仪器使用,严重的则无法使用。
密封,是在可动部分,一般采用密封结构,在固定部分,一般是采用密封油灰货其他密封材料。
干燥,主要是在仪器内部灌入干燥气体(如氮气),以杜绝霉菌繁殖的条件。
在结构上采用两个气孔,供抽气和灌气用。
4.5成品光学仪器的检查
装调好的光学仪器产品要经过一系列的测试,合格后才能出厂,包括以下内容。
光学性能包括:
放大倍率(Г)、视场(2ω)、出朣直径(2a’)、出朣距离(P’)和鉴别率(α)等。
对不同类型的仪器还有一些各自特有的光学性能。
其他性能包括:
分划刻度正确性(主要是零位置)、转动精度、转动力矩、外表和技术条件所规定的其他总体性能等。
模拟使用条件的试验,一般称之为五项试验。
但有些仪器则不一定是五项,要看使用条件而定。
五项试验(以下为其中四项对以光学仪器的测试项目)的内容和次序:
•震动试验-----模拟仪器在运输状态
•冲击-----模拟仪器在火炮上使用。
如瞄准镜
•淋雨-----模拟仪器在野外下雨时使用,有的仪器还做灰雾室试验。
•高低温试验-----模拟仪器在极端温度条件下使用,一般规定+50℃---40℃
以上五项试验,主要是对仪器的牢固性,密封性和稳定性进行考验。
能不能通过五项测试(即经过五项试验仍保持原有的各项总体性能指标),这样的仪器的材料选择,仪器结构的设计与装配质量,以及辅料的质量(如油灰,润滑油等)有很大关系。
如果材料强度不够或结构取得太单薄,就经不起震动、冲击。
同样,如果密封油灰太脆或润滑油脂性能不好,或装配没有达到规定的要求,则经过震动后,也可能把密封油压震裂而破坏密封性,或把润滑油甩到光学零件表面上影响使用。
如果材料选得不合适或设计间隙选得不适当,辅料质量不好,则经过高低温后,可能使活动部分卡死,密封油灰开裂或熔化,润滑油凝固或流出等等,都是影响仪器总的性能原因。
通过五项试验,如试验前后各项性能指标的变化在公差范围内,则仪器就可以交付使用了。
通过上述分析,在实际装配中有两个重点,一是要注意到装配与设计有密切的关系,设计时必须考虑到装配与校正的可能性,也就是要考虑到各种补偿的可能性。
二是要注意到军用光学仪器要在各种恶劣的条件下使用的特点,这对设计和装配提出了更加严格的要求。
5SOLIDWORKS使用研究
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统,由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势,SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。
良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新,公司也获得了很多荣誉。
该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名;
从1995年至今,已经累计获得十七项国际大奖,其中仅从1999年起,美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖,以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。
至此,SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明,使用它,设计师大大缩短了设计时间,产品快速、高效地投向了市场。
本设计使用软件为solidworks2009,该软件功能强大,适合几乎所有类别的机械结构设计,下面是对于该软件功能的介绍。
5.1solidworks2009配置要求和界面[15]
solidworks2009的最低配置要求是,CPU1.6GHZ,内存256M,集成显卡即可。
作者为了让程序运行更加流畅,选用了CPU2.1*3GHZ,内存3G和HD5650独立显卡(显存1G)的配置。
当然,如果需要更专业的运行环境,必要配备专业图形显卡,配置此类显卡即可运行realview模式,让建模外观更加真实漂亮。
Solidworks2009的载入界面和运行界面如图5-1和图5-2所示。
图5-1solidworks2009载入界面
图5-2solidworks2009运行界面
5.2solidworks的基本功能[15]
草图:
SolidWorks草图可以插入参考图片,图线可以自由拖动,自动解算,自动标注,自我修复。
配置:
SolidWorks独特的配置功能迅速展示不同设计方案,以及零件不同状态,比如:
能够迅速获得零件毛坯形态和尺寸,不仅仅为设计,更延伸到对工艺过程的支持。
阵列:
除了常见的规则阵列,更含有草图驱动、特征驱动、曲线驱动、数据文件驱动等多种阵列能力,比如:
仅仅用一个曲线驱动阵列,就能模拟电缆拖链的动态占位效果。
多实体建模:
多实体建模为复杂模型建造带来更多的实用手段,甚至能像装配那样移动、重组实体,完美地实现零件插入零件的复合造型。
特型造型:
SolidWorks独特的特型造型功能极大提高了艺术造型的能力与效率,比如:
仅仅使用平直线条的简单造型,迅速就能转化为曲面模型。
钣金:
强大的钣金功能含有多种造型模式,能完成复杂钣金件的快速建模,比如
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