折剪機(jī)床的動(dòng)態(tài)仿真與性能預(yù)測(cè)

建模和模擬是數(shù)字設(shè)計(jì)和制造的核心技術(shù)。廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、決策等領(lǐng)域。這是一種有效而經(jīng)濟(jì)的研究方法。虛擬樣機(jī)技術(shù)是利用先進(jìn)的CAD技術(shù),建立與物理樣機(jī)相一致的數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型,然后對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等多種學(xué)科仿真分析的一種技術(shù)。折剪機(jī)床是集折彎和剪板兩種功能于一身的板料加工設(shè)備。本文作者在折剪機(jī)床的開發(fā)設(shè)計(jì)中,利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行建模與仿真,獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案后,再作出物理樣機(jī)。可大大地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率,降低成本,實(shí)現(xiàn)真正意義上的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。1虛擬裝配模型的建立建立折剪機(jī)床虛擬樣機(jī)模型之前,首先利用SolidWorks提供的拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃描等操作命令建立各零部件模型;然后按照機(jī)床各零部件間的裝配與配合關(guān)系,采用自底向上的裝配技術(shù)對(duì)各零件的三維實(shí)體模型進(jìn)行虛擬裝配,得到整機(jī)的三維實(shí)體虛擬裝配模型,如圖1所示。利用SolidWorks提供的“干涉檢查”和“物理模擬”工具對(duì)裝配模型進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)碰撞檢查,以便從中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)修改。在SolidWorks軟件中創(chuàng)建好折、剪兩用機(jī)床虛擬裝配模型后,在ADAMS軟件中利用ADAMS/Exchange模塊把裝配體模型文件導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境,構(gòu)成虛擬樣機(jī)的幾何模型,通過(guò)給幾何模型中的零部件施加約束、運(yùn)動(dòng)、力等,完成折剪機(jī)床虛擬樣機(jī)的建立。1.1設(shè)置折剪機(jī)床相關(guān)文件由于不同CAD軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換不可避免地會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失,因此應(yīng)首先在Solidworks軟件中將折剪機(jī)床虛擬裝配體文件另存成Parasolid格式的圖形文件,然后將此文件導(dǎo)入ADAMS環(huán)境中。導(dǎo)入時(shí),首先在ADAMS中的“UnitsSetting”對(duì)話框中設(shè)置與Solidworks相同的單位,然后打開Parasolid格式的折剪機(jī)床裝配體文件。通過(guò)幾何建模工具中的組合形體工具,將左右墻板、上固定板、工作臺(tái)等組合成機(jī)架,對(duì)各零件進(jìn)行重新命名,分別定義零件的材料、彈性模量、泊松比、密度等性能參數(shù)。最后在導(dǎo)入的裝配體幾何模型上添加標(biāo)記點(diǎn),系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)其幾何關(guān)系,計(jì)算出各點(diǎn)坐標(biāo)。1.2創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副及施加載荷三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS/View后,各零部件之間毫無(wú)聯(lián)系地獨(dú)立存在于ADAMS/View環(huán)境中。這種狀態(tài)下即使全部零部件都已導(dǎo)入,也不能構(gòu)成一臺(tái)具有現(xiàn)實(shí)意義的虛擬樣機(jī)。因此,必須對(duì)模型添加適當(dāng)?shù)募s束、運(yùn)動(dòng)和力等,才能建立其仿真模型即虛擬樣機(jī)。添加約束。本模型中加入的約束有機(jī)架與地面之間的固定副,滑塊與機(jī)架之間沿Y軸的移動(dòng)副,滑塊與上連桿、上連桿與油缸、上連桿與下連桿、下連桿與同步連桿、下連桿與機(jī)架、同步齒輪與機(jī)架、同步連桿與同步齒輪之間沿X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副,油缸與活塞之間沿Z軸的移動(dòng)副,兩個(gè)同步齒輪的齒輪副。在添加運(yùn)動(dòng)副的過(guò)程中,應(yīng)注意被連接的兩個(gè)構(gòu)件的選擇順序。例如,用轉(zhuǎn)動(dòng)副將齒輪連接到機(jī)架上,應(yīng)該先選擇齒輪,后選擇機(jī)架。定義運(yùn)動(dòng)。折、剪機(jī)床中滑塊的運(yùn)動(dòng)是往復(fù)移動(dòng),因而使用移動(dòng)工具對(duì)話框,直接輸入速度值,根據(jù)系統(tǒng)的性能要求速度值為0.02m/s。添加力。在折、剪兩用機(jī)床的虛擬樣機(jī)模型中,需要施加的載荷主要是油缸對(duì)活塞桿的作用力,采用ADAMS/View提供的力函數(shù)F(time,…)=SIGN(98000,-vX(zhejianjichuang.huosai.MARKER_147)定義力。在力表達(dá)式中,SIGN()為符號(hào)函數(shù),vX()為X方向速度;zhejianjichuang.huosai.MARKER_147為活塞上的一個(gè)標(biāo)記,是力作用的點(diǎn)I。圖2為折、剪機(jī)床虛擬樣機(jī)模型。2基于adams的系統(tǒng)仿真滑塊的運(yùn)動(dòng)精度直接影響折、剪機(jī)床的工作性能,虛擬樣機(jī)模型中,滑塊相對(duì)機(jī)架沿Y軸方向的移動(dòng)是折、剪機(jī)床工作的主運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)性能反映了折、剪機(jī)床的總體性能。因此,對(duì)折、剪機(jī)床在各種工況下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行仿真,獲取滑塊的位移、速度和加速度的動(dòng)態(tài)變化曲線及滑塊的輸出力,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在ADAMS交互仿真界面中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,軟件可在輸出折彎、剪板工作過(guò)程仿真動(dòng)畫的同時(shí)同步輸出該時(shí)刻不同系統(tǒng)的性能狀態(tài)曲線,如機(jī)械系統(tǒng)零部件運(yùn)動(dòng)速度、位移等曲線;液壓系統(tǒng)流量、壓力狀態(tài)曲線等。綜合比較分析這些仿真結(jié)果,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)折剪機(jī)床不同方案的整機(jī)性能評(píng)價(jià)。本文作者采用ADAMS/View提供的函數(shù)F(time,…)=SIGN(98000,-vX(zjjc.huosai.MARKER_147)定義施加在活塞桿上的推力。給定總的仿真時(shí)間2s,仿真步長(zhǎng)200,進(jìn)行仿真,然后用后處理顯示得到滑塊等主要構(gòu)件的位移、速度和加速度曲線,如圖3—6所示。根據(jù)仿真結(jié)果,優(yōu)化折、剪機(jī)床設(shè)計(jì),并制作出實(shí)物樣機(jī)。通過(guò)測(cè)試,可知折、剪機(jī)床的機(jī)械系統(tǒng)的裝配性能、運(yùn)動(dòng)性能、輸出力等完全滿足折、剪機(jī)床的性能要求。3滑塊性能分析利用SolidWorks軟件完成了折剪機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)各零部件和裝配體的建模,并進(jìn)行了干涉和碰撞檢查。然后將裝配體模型導(dǎo)入ADAMS中,建立了折、剪機(jī)床虛擬樣機(jī)仿真模型,設(shè)置了初始和邊界條件,通過(guò)對(duì)滑塊力學(xué)性能和運(yùn)動(dòng)特性的仿真分析,獲得最優(yōu)化結(jié)果,并制造了實(shí)物樣機(jī),通過(guò)對(duì)樣機(jī)測(cè)試,表明該機(jī)床各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求,且性能穩(wěn)定、可靠。圖3是滑塊的位移曲線,滑塊在2.5s內(nèi)移動(dòng)距離約為50mm,位移曲線基本為直線,說(shuō)明其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象,符合折、剪機(jī)床的性能要求。圖4、5分別為滑塊速度和加速度曲線,在1.75s發(fā)生了銳變,均開始急劇