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虚拟样机技术在折剪两用机床开发中的研究与应用 |
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作者：安美玲 李新勇 赵志平 |
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折弯、剪板两用机床(简称折剪机床)是将折弯机和剪板机两种设备的功能集于一身，在一台设备上实现对板材的剪切及弯曲成型。目前，我国大中型板料加工设备正朝着数控技术和柔性板材加工中心的方向发展，而对于小型的板料加工设备，目前研制较少。但我国的中小企业较多，对小型板料加工设备需求量大，所以小型板料加工设备有着巨大的市场需求。因此，研究开发折剪机床具有十分重要的意义。
传统的产品设计无法从根本上解决和从总体上把握产品设计的时间、质量和成本等问题，因此已无法满足多变的、持续发展的市场需求。要对快速多变的市场需求做出敏捷响应，就必须寻求先进的设计方法和手段。虚拟样机技术是以计算机支持的仿真技术为基础，在产品设计阶段就可以实时并行地模拟出产品设计的全过程，通过计算机模拟的虚拟样机，预测产品结构、产品性能、产品的可制造性及产品制造成本，减少了产品开发中的试生产环节，从而达到产品的开发周期最短、成本最低、产品的设计质量最优等目的。因此，我们将虚拟制造技术应用到折剪机床设计开发中，在概念设计阶段利用系统仿真软件真实地模拟系统的运动，对整个系统进行分析，并及时地发现并修改设计中的不足和缺陷，直至获得最优设计方案后，再做出物理样机。这样极大地加快了产品开发进度，减少产品开发费用和成本，获得最优化的设计产品。
1 折剪机床的结构设计
折剪机床的传动系统目前普遍采用的是双缸驱动的液压传动，成本较高，且滑块的同步运动性较差。本机采用液压中动式单缸驱动，对称式连杆增力机构及齿轮同步机构传动，不仅解决了同步问题，还实现了增力，具有结构简单、紧凑、易于维护等优点。
2 折剪机床虚拟样机模型仿真的软件平台
ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是由美国MDI公司开发的虚拟样机分析软件。该软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库来创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论的Langrage方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。其仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
然而由于这个软件的重点是在力学分析上，所以在建模方面还存在很多不足，尤其是一些复杂零部件的三维建模很难实现。因此，这里利用SolidWorks软件进行折剪机床的零部件实体建模及装配体建模，然后将装配体文件以ADAMS和Solidworks都支持的Paras01．id格式输入到ADAMS中，在ADAMS里给各零件之间加上质量、力、约束和运动等初始条件就可以进行静力学、动力学和运动学仿真。在两个软件结合的基础上，实现折剪机床的仿真研究。
3 折剪机床虚拟样机几何模型的创建
SolidWorks是一款优秀的基于Window/NT／2000／XP的三维造型软件。通过它可以进行三维零件设计和三维虚拟装配。还可以通过三维装配图动态地仿真出构件间的传动关系，因此被广泛应用于产品开发中，已经发展成为机械产品三维造型的主流设计工具。
在SolidWorks中先按实际尺寸建立各零部件的三维模型，再利用SolidWorks提供的自底向上的装配技术，按各零部件实际装配位置关系建立虚拟装配体模型，见图1、2。并利用SolidWorks提供的"干涉检查"和"物理模拟"工具对装配体进行静态干涉检查和动态碰撞检查，以便从中发现问题及时修改。最后将折剪机床装配体文件另存成Parasolid格式的图形文件，以减少装配体模型导入ADAMS环境中时的数据丢失。
图1 折剪机床三维装配轴侧图 图2 折剪机床三维装配后视图
以上工作完成之后，就可以把在SolidWorks中创建的折剪机床装配体模型导入到ADAMS中进行仿真分析，为折剪机床的工作参数和结构设计参数的优化提供理论依据。
4 虚拟样机的仿真分析
4．1 将装配体模型导入ADAMS
首先在ADAMS中的"Units Setting"对话框中设置与Solidworks相同的单位。然后打开Parasohd格式的折剪机床装配体文件，将其导入ADAMS／View环境。
4．2 在ADAMS中构建虚拟样机仿真模型
首先在导入的几何模型上添加标记点，根据几何关系，计算出各点坐标。如果模型中零件的材料属性与实际不符，可以在特性修改对话框中重新定义，使其满足要求。利用ADAMS提供的几何建模工具中的组合形体命令，将相关零件组合成一个构件。如将左右墙板、上固定板、工作台等组合成机架。使用ADAMS／View中的约束库添加各联结件间的约束副，以定义各构件之间的运动关系。如在机架与地面之间添加固定副，滑块与机架之间添加一个沿y轴的移动副，滑块与上连杆、上连杆与油缸、上连杆与下连杆、下连杆与同步连杆、下连杆与机架、同步齿轮与机架、同步连杆与同步齿轮之间各添加轴线为x轴的旋转副，两个同步齿轮之间添加齿轮副，油缸与活塞之间添加一个沿z轴的移动副。至此完成折剪机床虚拟样机模型的建立。如图3所示。
图3 折剪机床虚拟样机施加约束后的模型图
4．3进行仿真模拟
滑块的运动精度直接影响折剪机床的工作性能，虚拟样机模型中，滑块相对机架沿Y轴方向的移动是折剪机床工作的主运动，其运动性能反映了折剪机床和动力进行仿真，获取滑块的位移、速度和加速度的动态变化曲线及滑块的输出力，实现产品的优化设计。采用ADAMS／View提供的函数F(time，…)=SIGN(98000，-VX(zjje．huosai．MARKER_147)定义施加在活塞杆上的推力。给定总的仿真时间2 s，仿真步长200，进行仿真，然后用后处理显示得到滑块等主要构件的位移、速度和加速度曲线，见图4-图9。
4．4仿真结果分析
图4是滑块的位移曲线，滑块在2．5 s内移动距离约为50 nun，位移曲线基本为直线，说明其运动平稳，无振动现象，符合折剪机床的性能要求。图5、图6分别为滑块速度和加速度曲线，在1．75 s发生了锐变，均开始急剧增大，这与图7、8中连杆增力机构的角速度、角加速度曲线相吻合，完全符合平面连杆机构的急回特性。这一特性也符合剪板、折弯的工艺要求。图9反映的是滑块在y轴方向输出的力，即折弯力。从图中看出折弯力是逐渐增大的，在2．5 s左右(折弯开始位置)力增加到了最大值650 kN，完全符合平面连杆机构的增力特性。
根据仿真结果，优化折剪机床设计，并制作出实物样机。通过测试，可知折剪机床的机械系统的装配性能、运动性能、输出力等完全满足折剪机床的性能要求。
5 结论
利用SolidWorks软件完成了折剪两用机床机械系统各零部件和装配体三维模型，并进行了干涉和碰撞检查。通过parasolid格式将装配体模型导入ADAMS中，建立了折剪机床虚拟样机仿真模型，设置了初始和边界条件，通过对滑块力学性能和运动特性的仿真分析，获得最化结果，并制造了实物样机，通过对样机测试，各项性能指标均符合设计要求，性能稳定、可靠。 (end)
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(12/27/2008) |
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