JF39-1800M壓力機的建模與仿真研究

陳啟升，徐兆剛，徐友珍，馬 森，倪明軍

（山東冠泓數控裝備有限公司，山東 諸城262200）

0 引言

隨著市場競爭的日趨激烈，為提高企業(yè)核心競爭力，制造業(yè)企業(yè)應著力解決新產品的上市時間、成本、質量、服務等關鍵問題。與此同時，現代信息技術的飛速發(fā)展及廣泛應用極大促進了傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展與創(chuàng)新。其中虛擬樣機技術作為21 世紀的新技術正成為各國研究的新熱點。本文使用的ADAMS軟件即為專門用于開發(fā)機械產品虛擬樣機方面的軟件，通過虛擬調試，在產品開發(fā)階段即可幫助設計者發(fā)現設計缺陷，并提出改進方法，為今后產品的優(yōu)化提供堅實基礎[1]。

1 虛擬樣機技術簡介

1.1 虛擬樣機技術的基本含義

虛擬樣機技術（VPT，Virtual Prototyping Technology）是一種基于虛擬樣機的數字化設計方法，它是各個領域對CAX/DFX 技術的發(fā)展及延伸。虛擬樣機技術進一步融合了先進建模/仿真技術、現代信息技術、先進設計制造技術以及現代管理技術等。虛擬樣機技術不僅將這些技術應用于復雜產品全生命周期和全系統(tǒng)的設計，還對它們進行綜合管理。利用虛擬樣機技術，有時只需投入傳統(tǒng)設計方式10%的費用，即可達到傳統(tǒng)設計90%的目標，不但大大縮短開發(fā)周期，而且設計的效率也得到相應提高[2]。

1.2 虛擬樣機技術的應用

目前，虛擬樣機技術已經得到廣泛應用，涉及工程機械、汽車制造、造船、航海、航空航天、機械電子和通用機械等多個領域[3]。

世界上一些著名的制造公司在生產開發(fā)過程中均已開始廣泛應用虛擬樣機技術。美國波音公司設計的波音777 飛機就是采用的虛擬開發(fā)技術，開發(fā)周期從通常的8年減少到5年，同時設計、裝機、測試均是在計算機中模擬完成，初步做到無紙設計，并保證了一次試制成功，大大降低研究成本。在日產汽車公司，設計師通常利用虛擬樣機進行概念設計、覆蓋件設計、包裝設計以及整車仿真設計等。在我國的農業(yè)機械領域內，虛擬樣機技術同樣也有應用，有人利用虛擬樣機技術設計甘蔗收獲機，實現了產品設計方法的創(chuàng)新，取得了良好效果。虛擬樣機技術正在改變傳統(tǒng)的設計思想，將對制造業(yè)產生極為深遠的影響[4]。

1.3 虛擬樣機技術的特點

同傳統(tǒng)的物理樣機的設計和制造方法相比，虛擬樣機有以下特點：

（1）新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的設計與制造主要通過周而復始設計—試驗—設計的過程，產品才能達到要求的性能。與傳統(tǒng)設計相比，虛擬樣機技術真正實現了系統(tǒng)角度的產品優(yōu)化，它基于并行工程（Concurrent Engineering），使不同領域的人員對同一產品在概念設計階段就可以迅速地分析?？赏ㄟ^比較多種設計方案，確定影響性能的敏感參數，并通過可視化技術設計產品、預測產品在真實工況下的特征以及所具有的響應，直至獲得最優(yōu)工作性能。

（2）更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期、更高的產品質量。采用虛擬樣機設計方法有助于擺脫對物理樣機的依賴。通過計算機技術建立產品的數字化模型（即虛擬樣機），可以完成無數次物理樣機無法進行的虛擬試驗；使產品在設計初期即可迅速分析、比較多種設計方案并方便地改進和進行優(yōu)化設計，節(jié)約時間和費用，實現高質量、快速、低成本的設計，而且使一次性開發(fā)成功成為可能[5]。

1.4 基于ADAMS的開發(fā)流程

ADAMS 所采用的開發(fā)流程與傳統(tǒng)設計方法類似，但是傳統(tǒng)的設計方法周期長，費用高，需要反復修改物理樣機的參數，反復進行測試，才能滿足設計要求。而采用虛擬樣機研究，可在虛擬環(huán)境下進行功能測試、修改參數等，縮短了產品開發(fā)周期和成本，提高了設計質量[6]。

本文在ADAMS 中，所采用的虛擬樣機設計流程大致為建立樣機模型（建立幾何模型→添加約束→施加載荷）→仿真分析（特性的測量→仿真分析→動畫播放→繪制曲線圖）[7]。具體流程圖如圖1所示。

圖1 虛擬樣機的仿真流程

2 基于UG NX6.0 的壓力機幾何模型建立

2.1 UG NX6.0 軟件簡介

UG NX6.0 是一種高度集成的CAD/CAM/CAE軟件系統(tǒng)，可應用于產品的整個開發(fā)過程，包括產品的概念設計、建模、分析和加工等。它不僅具有強大的實體建模、曲面造型、虛擬裝配和生成工程圖等設計功能，而且在設計過程中還可進行有限元分析、機構運動分析、動力學分析和仿真模擬等，提高設計的可靠性。同時UG NX6.0 可以運用已經建立好的三維模型直接生成數控代碼，用于產品的加工，其后處理程序支持多種類型的數控機床。UG NX6.0 具有多個功能強大的應用模塊，主要包括CAD、CAM、CAE、鈑金設計、注塑流動分析、Web、管線布置、質量工程應用、逆向工程應用模塊等，每一個模塊都是以Gateway 為基礎，而且每個功能模塊都具有一定的獨立功能，同時又具有一定的關聯性。因此不同的用戶可以根據工作的不同需要，將產品導入不同的模塊中進行設計或者加工編程等操作[8]。

本文主要涉及應用到的是CAD 中的實體建模、特征建模以及裝配建模模塊，下面分別對這三種建模模塊進行簡要介紹。

（1）實體建模。實體建模為用戶提供了草圖設計、各種曲線生成和編輯、布爾操作、體掃掠、體拉伸、體旋轉、沿引導線掃掠、尺寸驅動、定義和編輯變量及其表達式等功能。實體建模是“ 特征建?！焙汀?自由形狀建?！钡南葲Q條件。

（2）特征建模。特征建模支持各種標準設計特征的創(chuàng)建和編輯，諸如孔、槽和腔體、凸臺、倒圓倒角、抽殼、螺紋、拔模、實例特征、特征編輯等工具。一個特征可以相對任何其他特征或者對象設置，并且可以被引用來建立相關的特征集，方便用戶進行快速的概念設計。

（3）裝配建模。裝配建模支持自頂向下、自底向上和并行裝配的產品開發(fā)方法，在裝配模型的過程中，零件數據是對零件本身的鏈接映像，保證零件設計和裝配模型之間雙向相關，并且改進了軟件的操作性能，減少對存儲空間的需求。當部件更新以后，裝配模型中的零件也會自動更新，并且在裝配環(huán)境下可直接進行零件設計修改[8]。

2.2 JF39-1800M 閉式四點壓力機的建模

根據UG 軟件的特點，建立壓力機主要結構——曲柄滑塊模型，首先創(chuàng)建組成曲柄滑塊機構的零件[9]。

本文采用偏心齒輪驅動的曲柄滑塊機構，偏心齒輪芯軸雙端支承，這樣偏心齒輪只傳遞扭矩，而彎矩則由芯軸承受，受力情況比曲軸好，芯軸的剛度大，這么做可加強主動件的強度，偏心齒輪的偏心頸相當于曲柄旋轉，從而帶動連桿使滑塊上下運動[10]。

以偏心齒輪開始，繪制偏心齒輪的草圖，通過拉伸，布爾運算等特征操作，完成后的偏心齒輪模型如圖2 所示，連桿建模如圖3 所示。

每個零件模型建立完成后，再進行裝配。JF39-1800M 型18000kN 閉式四點壓力機的曲柄滑塊機構建模如圖4 所示。

圖2 偏心齒輪的三維圖

圖3 連桿的三維圖

圖4 曲柄滑塊的裝配建模

3 基于ADAMS的JF39-1800M 閉式四點壓力機的仿真研究

3.1 ADAMS軟件簡介

ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），是全球應用最為廣泛的機械系統(tǒng)仿真軟件。用戶可以利用ADAMS 在計算機上建立和測試虛擬樣機，實現實時再現仿真，了解復雜機械系統(tǒng)設計的運動性能[11,12]。

ADAMS軟件采用的是交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，可以創(chuàng)建機械系統(tǒng)幾何模型，并可完全參數化，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程的計算方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出行程、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。而本文主要應用ADAMS軟件進行曲柄滑塊機構的運動學仿真分析，輸出滑塊的行程、速度、加速度曲線等。

ADAMS 一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可非常方便地運用該軟件對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，它又是虛擬樣機分析開發(fā)工具，其開放性的程序結構和多種接口可成為用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。ADAMS軟件現有UNIX 版和Windows NT/2000 版兩種操作系統(tǒng)版本[13]。

3.2 曲柄滑塊機構的仿真模型的建立

在ADAMS/View 中建立模型有兩種方法：一種是利用ADAMS/View 提供的建模工具，在ADAMS中直接建立曲柄滑塊的仿真模型； 另一種是當結構比較復雜時，由于完全依靠ADAMS 幾何建模工具建立復雜幾何體模型相當困難，因此需通過ADAMS與其他CAD 軟件的數據接口，將在CAD 軟件中建立好的模型直接導入ADAMS，經適當的編輯后轉變成ADAMS 中的剛性構件。借助ADAMS軟件的機械動力分析功能，對模型進行運動學仿真分析[14]。

本文所研究的傳動系統(tǒng)結構較簡單，經簡化為曲柄滑塊機構，因此采用ADAMS 自帶的建模工具進行曲柄滑塊機構模型建立的方法，可迅速完成建模。所建模型如圖5 所示。

3.3 曲柄滑塊模型的約束及驅動添加

圖5 曲柄滑塊模型

3.3.1 約束的添加

ADAMS/view 中將約束分為幾個比較常用的基本約束以及運動副。要想模擬出系統(tǒng)的真實運動情況，就需要我們根據實際的情況抽象出相應的運動副，并在構件間定義運動副。

偏心齒輪與大地間在point 1 添加一個轉動副，偏心齒輪與連桿在point 2 添加一個轉動副，連桿與滑塊間在point 3 添加一個轉動副，滑塊與大地間在point 4 添加一個移動副，方向為上下垂直。

3.3.2 驅動的添加

在ADAMS/view 中，在模型上定義驅動就是將運動副沒有約束的其他自由度進一步約束。實際上，驅動也是一種約束，只不過這種約束是一種時間的函數。在運動副上可以添加的驅動有兩種，一種是旋轉驅動，另一種是滑移驅動。此壓力機曲柄滑塊機構是一個平面機構，系統(tǒng)需要固定的運動，從而驅動的個數必須要等于自由度的個數，即自由度=驅動=1。該壓力機由電動機傳遞的動力，經過三級齒輪變速，最終將偏心齒輪的轉動轉化為滑塊的直線移動，需要添加一個旋轉驅動。根據該壓力機的設計參數，可在偏心齒輪與大地間的轉動副添加施加角速度為72°/s。仿真模型創(chuàng)建完成，如圖6 所示。

圖6 曲柄滑塊機構的模型

3.3.3 定義作用力

沖壓力是一個比較復雜的瞬時力，在沖壓過程中隨著零件的尺寸、材料的機械性能和材料厚度的變化而變化。本文采用當滑塊向下運動壓緊工件時，其壓緊力用ADAMS 中的彈簧力來進行模擬。彈簧的剛度K=3750N/mm，阻尼系數C=0[15]。

3.4 壓力機的虛擬樣機仿真研究

3.4.1 仿真條件

在模型驗證無誤以后，利用Adams/View 模塊對系統(tǒng)進行動態(tài)仿真試驗，試驗中仿真時間可取一個工作行程，即運動周期為360°，轉速為12rpm，時間為5 秒，仿真步數為500 步。初始時，壓力機偏心齒輪的偏心體處于豎直時，滑塊位于上死點。仿真試驗啟動后，在偏心體轉動副的驅動下滑塊自上而下進行運動，系統(tǒng)的運行狀況通過Adams/View 界面進行實時觀察，也可在仿真試驗結束后進行程序回放，對不同角度和位置進行反復的觀察分析。通過仿真動畫，可以進一步檢驗虛擬樣機模型的正確性，來進一步的完善模型。

3.4.2 仿真結果

通過對壓力機傳動系統(tǒng)的運動仿真分析，可求解滑塊的行程、速度、加速度與時間的函數關系。在對系統(tǒng)進行運動分析時，忽略各組成構件受力變形，這樣仿真精度僅取決于建模精度和相關幾何參數的準確性。仿真結果如圖7、圖8、圖9 所示。

圖7 滑塊的行程曲線

圖8 滑塊的速度曲線

圖9 滑塊的加速度曲線

由圖可知，滑塊從上死點運動到下死點和從下死點回到上死點所用的時間相同，滑塊的速度在工作行程以及回程是有明顯的數值上的重復性，并按照正弦規(guī)律發(fā)生變化?；瑝K從上死點到下死點的行程為800mm，在下死點處滑塊的速度為零，這有利于對沖壓件進行保壓處理。

從仿真計算結果可以看出，滑塊的行程、速度、加速度特征曲線中表現出的特殊位置點的值與理論計算值幾乎一樣，這說明仿真模型建立良好。而且從滑塊的運動曲線（圖7～9）中可以看出，該壓力機機構的整個運動過程平穩(wěn)，無沖擊震蕩現象，可以認為該機構的運動曲線與實際情況是相符的[16]。

4 小結

本文主要對虛擬樣機技術、UG 軟件以及ADAMS軟件進行了簡要的分析介紹，并通過UG 軟件建立了JF39-1800M 四點壓力機的主要構件模型，然后將其導入ADAMS，通過ADAMS軟件對四點壓力機進行分析，以實現壓力機的建模與仿真分析，通過分析發(fā)現，計算結果與傳統(tǒng)方法基本一致，并且省時省力，節(jié)約了計算成本。

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