陳啟升，徐兆剛，徐友珍，馬 森，倪明軍

（山東冠泓數(shù)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(yīng)著力解決新產(chǎn)品的上市時(shí)間、成本、質(zhì)量、服務(wù)等關(guān)鍵問題。與此同時(shí)，現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用極大促進(jìn)了傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展與創(chuàng)新。其中虛擬樣機(jī)技術(shù)作為21 世紀(jì)的新技術(shù)正成為各國研究的新熱點(diǎn)。本文使用的ADAMS軟件即為專門用于開發(fā)機(jī)械產(chǎn)品虛擬樣機(jī)方面的軟件，通過虛擬調(diào)試，在產(chǎn)品開發(fā)階段即可幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并提出改進(jìn)方法，為今后產(chǎn)品的優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介

1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的基本含義

虛擬樣機(jī)技術(shù)（VPT，Virtual Prototyping Technology）是一種基于虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，它是各個(gè)領(lǐng)域?qū)AX/DFX 技術(shù)的發(fā)展及延伸。虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)一步融合了先進(jìn)建模/仿真技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)以及現(xiàn)代管理技術(shù)等。虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期和全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還對它們進(jìn)行綜合管理。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，有時(shí)只需投入傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式10%的費(fèi)用，即可達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)90%的目標(biāo)，不但大大縮短開發(fā)周期，而且設(shè)計(jì)的效率也得到相應(yīng)提高[2]。

1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，涉及工程機(jī)械、汽車制造、造船、航海、航空航天、機(jī)械電子和通用機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域[3]。

世界上一些著名的制造公司在生產(chǎn)開發(fā)過程中均已開始廣泛應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)。美國波音公司設(shè)計(jì)的波音777 飛機(jī)就是采用的虛擬開發(fā)技術(shù)，開發(fā)周期從通常的8年減少到5年，同時(shí)設(shè)計(jì)、裝機(jī)、測試均是在計(jì)算機(jī)中模擬完成，初步做到無紙?jiān)O(shè)計(jì)，并保證了一次試制成功，大大降低研究成本。在日產(chǎn)汽車公司，設(shè)計(jì)師通常利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、覆蓋件設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)以及整車仿真設(shè)計(jì)等。在我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)，虛擬樣機(jī)技術(shù)同樣也有應(yīng)用，有人利用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)甘蔗收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新，取得了良好效果。虛擬樣機(jī)技術(shù)正在改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，將對制造業(yè)產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響[4]。

1.3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)

同傳統(tǒng)的物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造方法相比，虛擬樣機(jī)有以下特點(diǎn)：

（1）新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造主要通過周而復(fù)始設(shè)計(jì)—試驗(yàn)—設(shè)計(jì)的過程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產(chǎn)品優(yōu)化，它基于并行工程（Concurrent Engineering），使不同領(lǐng)域的人員對同一產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段就可以迅速地分析。可通過比較多種設(shè)計(jì)方案，確定影響性能的敏感參數(shù)，并通過可視化技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品、預(yù)測產(chǎn)品在真實(shí)工況下的特征以及所具有的響應(yīng)，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(chǎn)品質(zhì)量。采用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法有助于擺脫對物理樣機(jī)的依賴。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型（即虛擬樣機(jī)），可以完成無數(shù)次物理樣機(jī)無法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn)；使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期即可迅速分析、比較多種設(shè)計(jì)方案并方便地改進(jìn)和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、快速、低成本的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)方法類似，但是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法周期長，費(fèi)用高，需要反復(fù)修改物理樣機(jī)的參數(shù)，反復(fù)進(jìn)行測試，才能滿足設(shè)計(jì)要求。而采用虛擬樣機(jī)研究，可在虛擬環(huán)境下進(jìn)行功能測試、修改參數(shù)等，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期和成本，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量[6]。

本文在ADAMS 中，所采用的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)流程大致為建立樣機(jī)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(dòng)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(jī)的仿真流程

2 基于UG NX6.0 的壓力機(jī)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(yīng)用于產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)過程，包括產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、建模、分析和加工等。它不僅具有強(qiáng)大的實(shí)體建模、曲面造型、虛擬裝配和生成工程圖等設(shè)計(jì)功能，而且在設(shè)計(jì)過程中還可進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力學(xué)分析和仿真模擬等，提高設(shè)計(jì)的可靠性。同時(shí)UG NX6.0 可以運(yùn)用已經(jīng)建立好的三維模型直接生成數(shù)控代碼，用于產(chǎn)品的加工，其后處理程序支持多種類型的數(shù)控機(jī)床。UG NX6.0 具有多個(gè)功能強(qiáng)大的應(yīng)用模塊，主要包括CAD、CAM、CAE、鈑金設(shè)計(jì)、注塑流動(dòng)分析、Web、管線布置、質(zhì)量工程應(yīng)用、逆向工程應(yīng)用模塊等，每一個(gè)模塊都是以Gateway 為基礎(chǔ)，而且每個(gè)功能模塊都具有一定的獨(dú)立功能，同時(shí)又具有一定的關(guān)聯(lián)性。因此不同的用戶可以根據(jù)工作的不同需要，將產(chǎn)品導(dǎo)入不同的模塊中進(jìn)行設(shè)計(jì)或者加工編程等操作[8]。

本文主要涉及應(yīng)用到的是CAD 中的實(shí)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(jìn)行簡要介紹。

（1）實(shí)體建模。實(shí)體建模為用戶提供了草圖設(shè)計(jì)、各種曲線生成和編輯、布爾操作、體掃掠、體拉伸、體旋轉(zhuǎn)、沿引導(dǎo)線掃掠、尺寸驅(qū)動(dòng)、定義和編輯變量及其表達(dá)式等功能。實(shí)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)特征的創(chuàng)建和編輯，諸如孔、槽和腔體、凸臺(tái)、倒圓倒角、抽殼、螺紋、拔模、實(shí)例特征、特征編輯等工具。一個(gè)特征可以相對任何其他特征或者對象設(shè)置，并且可以被引用來建立相關(guān)的特征集，方便用戶進(jìn)行快速的概念設(shè)計(jì)。

（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(chǎn)品開發(fā)方法，在裝配模型的過程中，零件數(shù)據(jù)是對零件本身的鏈接映像，保證零件設(shè)計(jì)和裝配模型之間雙向相關(guān)，并且改進(jìn)了軟件的操作性能，減少對存儲(chǔ)空間的需求。當(dāng)部件更新以后，裝配模型中的零件也會(huì)自動(dòng)更新，并且在裝配環(huán)境下可直接進(jìn)行零件設(shè)計(jì)修改[8]。

2.2 JF39-1800M 閉式四點(diǎn)壓力機(jī)的建模

根據(jù)UG 軟件的特點(diǎn)，建立壓力機(jī)主要結(jié)構(gòu)——曲柄滑塊模型，首先創(chuàng)建組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的零件[9]。

本文采用偏心齒輪驅(qū)動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，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(qiáng)主動(dòng)件的強(qiáng)度，偏心齒輪的偏心頸相當(dāng)于曲柄旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)連桿使滑塊上下運(yùn)動(dòng)[10]。

以偏心齒輪開始，繪制偏心齒輪的草圖，通過拉伸，布爾運(yùn)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(gè)零件模型建立完成后，再進(jìn)行裝配。JF39-1800M 型18000kN 閉式四點(diǎn)壓力機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)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(diǎn)壓力機(jī)的仿真研究

3.1 ADAMS軟件簡介

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），是全球應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件。用戶可以利用ADAMS 在計(jì)算機(jī)上建立和測試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)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(jī)械系統(tǒng)幾何模型，并可完全參數(shù)化，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程的計(jì)算方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)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(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。而本文主要應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可非常方便地運(yùn)用該軟件對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，它又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口可成為用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。ADAMS軟件現(xiàn)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(jī)構(gòu)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(dāng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)，由于完全依靠ADAMS 幾何建模工具建立復(fù)雜幾何體模型相當(dāng)困難，因此需通過ADAMS與其他CAD 軟件的數(shù)據(jù)接口，將在CAD 軟件中建立好的模型直接導(dǎo)入ADAMS，經(jīng)適當(dāng)?shù)木庉嫼筠D(zhuǎn)變成ADAMS 中的剛性構(gòu)件。借助ADAMS軟件的機(jī)械動(dòng)力分析功能，對模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析[14]。

本文所研究的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，經(jīng)簡化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，因此采用ADAMS 自帶的建模工具進(jìn)行曲柄滑塊機(jī)構(gòu)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(qū)動(dòng)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(gè)比較常用的基本約束以及運(yùn)動(dòng)副。要想模擬出系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，就需要我們根據(jù)實(shí)際的情況抽象出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，并在構(gòu)件間定義運(yùn)動(dòng)副。

偏心齒輪與大地間在point 1 添加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，偏心齒輪與連桿在point 2 添加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，連桿與滑塊間在point 3 添加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，滑塊與大地間在point 4 添加一個(gè)移動(dòng)副，方向?yàn)樯舷麓怪薄?/p>

3.3.2 驅(qū)動(dòng)的添加

在ADAMS/view 中，在模型上定義驅(qū)動(dòng)就是將運(yùn)動(dòng)副沒有約束的其他自由度進(jìn)一步約束。實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)也是一種約束，只不過這種約束是一種時(shí)間的函數(shù)。在運(yùn)動(dòng)副上可以添加的驅(qū)動(dòng)有兩種，一種是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，另一種是滑移驅(qū)動(dòng)。此壓力機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是一個(gè)平面機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)需要固定的運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)的個(gè)數(shù)必須要等于自由度的個(gè)數(shù)，即自由度=驅(qū)動(dòng)=1。該壓力機(jī)由電動(dòng)機(jī)傳遞的動(dòng)力，經(jīng)過三級齒輪變速，最終將偏心齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的直線移動(dòng)，需要添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)該壓力機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可在偏心齒輪與大地間的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的模型

3.3.3 定義作用力

沖壓力是一個(gè)比較復(fù)雜的瞬時(shí)力，在沖壓過程中隨著零件的尺寸、材料的機(jī)械性能和材料厚度的變化而變化。本文采用當(dāng)滑塊向下運(yùn)動(dòng)壓緊工件時(shí)，其壓緊力用ADAMS 中的彈簧力來進(jìn)行模擬。彈簧的剛度K=3750N/mm，阻尼系數(shù)C=0[15]。

3.4 壓力機(jī)的虛擬樣機(jī)仿真研究

3.4.1 仿真條件

在模型驗(yàn)證無誤以后，利用Adams/View 模塊對系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)中仿真時(shí)間可取一個(gè)工作行程，即運(yùn)動(dòng)周期為360°，轉(zhuǎn)速為12rpm，時(shí)間為5 秒，仿真步數(shù)為500 步。初始時(shí)，壓力機(jī)偏心齒輪的偏心體處于豎直時(shí)，滑塊位于上死點(diǎn)。仿真試驗(yàn)啟動(dòng)后，在偏心體轉(zhuǎn)動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)下滑塊自上而下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀況通過Adams/View 界面進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，也可在仿真試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行程序回放，對不同角度和位置進(jìn)行反復(fù)的觀察分析。通過仿真動(dòng)畫，可以進(jìn)一步檢驗(yàn)虛擬樣機(jī)模型的正確性，來進(jìn)一步的完善模型。

3.4.2 仿真結(jié)果

通過對壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，可求解滑塊的行程、速度、加速度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。在對系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，忽略各組成構(gòu)件受力變形，這樣仿真精度僅取決于建模精度和相關(guān)幾何參數(shù)的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)和從下死點(diǎn)回到上死點(diǎn)所用的時(shí)間相同，滑塊的速度在工作行程以及回程是有明顯的數(shù)值上的重復(fù)性，并按照正弦規(guī)律發(fā)生變化?；瑝K從上死點(diǎn)到下死點(diǎn)的行程為800mm，在下死點(diǎn)處滑塊的速度為零，這有利于對沖壓件進(jìn)行保壓處理。

從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，滑塊的行程、速度、加速度特征曲線中表現(xiàn)出的特殊位置點(diǎn)的值與理論計(jì)算值幾乎一樣，這說明仿真模型建立良好。而且從滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線（圖7～9）中可以看出，該壓力機(jī)機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程平穩(wěn)，無沖擊震蕩現(xiàn)象，可以認(rèn)為該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線與實(shí)際情況是相符的[16]。

4 小結(jié)

本文主要對虛擬樣機(jī)技術(shù)、UG 軟件以及ADAMS軟件進(jìn)行了簡要的分析介紹，并通過UG 軟件建立了JF39-1800M 四點(diǎn)壓力機(jī)的主要構(gòu)件模型，然后將其導(dǎo)入ADAMS，通過ADAMS軟件對四點(diǎn)壓力機(jī)進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)的建模與仿真分析，通過分析發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)方法基本一致，并且省時(shí)省力，節(jié)約了計(jì)算成本。

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