牛軍燕1，劉 杰，唐永濤3，劉 全

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450015；2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450015；3.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)逐步變成了自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)方式[1]。如果直接設(shè)計(jì)并制造出物理樣機(jī)，一旦出現(xiàn)碰撞干涉或個(gè)別桿件應(yīng)力不足等現(xiàn)象，將需要重新設(shè)計(jì)，這樣不僅浪費(fèi)成本而且延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。而虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以大大減少昂貴而費(fèi)時(shí)的物理樣機(jī)制造及試驗(yàn)過(guò)程，設(shè)計(jì)人員可以直接在計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速分析，比較多種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行分析優(yōu)化，在設(shè)計(jì)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，顯示了其無(wú)與倫比的作用與地位[2]。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的軟件平臺(tái)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)揉和在一起，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對(duì)該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真與分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)[3]。虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅具有機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)，而且還具有建模仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、優(yōu)化分析技術(shù)、驅(qū)動(dòng)元件建模技術(shù)結(jié)構(gòu)分析、模型分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)在一些較發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)已得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、工程機(jī)械 、航空航天業(yè) 、國(guó)防工業(yè) 、通用機(jī)械制造業(yè)、生物力學(xué) 、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等很多方面，虛擬樣機(jī)技術(shù)也將在機(jī)械手設(shè)計(jì)研發(fā)方面扮演越來(lái)越重要的角色。本文就是利用虛擬樣機(jī)技術(shù)在水電站啟閉機(jī)設(shè)備上進(jìn)行的研究與應(yīng)用。

虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程中的應(yīng)用是通過(guò)界面友好、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的商品化虛擬樣機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的。以三維設(shè)計(jì)軟件PRO/E、機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS、大型有限元分析軟件ANSYS、Hypermesh和控制仿真軟件 MATLAB為核心，構(gòu)建集成的軟件環(huán)境平臺(tái)，從而為水電站啟閉機(jī)設(shè)備的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)提供一種新型的、具有實(shí)用價(jià)值的工程設(shè)計(jì)方法，使企業(yè)能夠應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。ADAMS是集建模、 求解、可視化技術(shù)于一體的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件，一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便的對(duì)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，又是虛擬樣機(jī)分析開(kāi)發(fā)工具，它擁有開(kāi)放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，如ADAMS支持的IGES、 STEP、 DXF/DWG、 Parasolid Wavefront、Test Date等圖形交換格式都可以導(dǎo)入到ADAMS中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真，更擴(kuò)大了它的使用范圍，同時(shí)可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)[4]。

以水電站啟閉機(jī)設(shè)備的集成虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)為例，軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)如圖1 所示。

圖1 水電站啟閉機(jī)設(shè)備的集成虛擬樣機(jī)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)

如圖1所示，水電站啟閉機(jī)設(shè)備虛擬樣機(jī)是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析仿真軟件對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行性能分析的，如同對(duì)水電站啟閉機(jī)設(shè)備物理樣機(jī)的試驗(yàn)研究一樣。對(duì)虛擬樣機(jī)主要部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，從仿真的結(jié)果不僅可以得到各運(yùn)動(dòng)件的動(dòng)畫(huà)、位置、速度、加速度、位移、軌跡，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否合理，是否出現(xiàn)干涉、卡死等問(wèn)題，還可以得到各零部件實(shí)際所受的各種載荷。有了零件所受的力和力矩作為載荷條件，可以將載荷傳遞給有限元分析軟件ANSYS、Hyperhesh進(jìn)行水電站啟閉機(jī)設(shè)備關(guān)鍵零件的剛度、熱變形、振動(dòng)、動(dòng)態(tài)特性等分析，獲得零件的應(yīng)力、應(yīng)變分布、 位移以及固有頻率和振型等。同時(shí)，也可以對(duì)水電站啟閉機(jī)設(shè)備整機(jī)特性進(jìn)行分析。在對(duì)水電站啟閉機(jī)設(shè)備虛擬樣機(jī)性能測(cè)試不能滿足要求時(shí)，返回概念設(shè)計(jì)或詳細(xì)設(shè)計(jì)中，進(jìn)行方案修改或變化有關(guān)參量，直至測(cè)試滿足要求。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)在水電站啟閉機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 在PRO/E中建模

在水電站啟閉機(jī)設(shè)備虛擬樣機(jī)初步設(shè)計(jì)階段，主要進(jìn)行調(diào)研分析，了解企業(yè)的需要，明確水電站啟閉機(jī)設(shè)備的工作性能，確定所設(shè)計(jì)機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)。具體設(shè)計(jì)是在總體方案基本確定后 ，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行主要形狀和尺寸的設(shè)計(jì)，水電站啟閉機(jī)設(shè)備零部件外形結(jié)構(gòu)、尺寸的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)機(jī)械手性能有直接的影響。

由于ADAMS軟件建模功能還不完善，在仿真過(guò)程中需要借助其他CAD軟件建模。本文采用PRO/E建立了水電站啟閉機(jī)設(shè)備的三維實(shí)體模型。

2.2 動(dòng)態(tài)仿真分析

2.2.1 導(dǎo)入模型

將PRO/E中的水電站啟閉機(jī)設(shè)備模型導(dǎo)入ADAMS 中進(jìn)行仿真分析。導(dǎo)入過(guò)程如下：PRO/E與ADAMS之間的數(shù)據(jù)傳輸有兩種方式。

1)MSC公司推出了 ADAMS與PRO/E的接口模塊，即利用Pro/E和ADAMS軟件的接口程序 Mechanism/Pro來(lái)生成ADAMS可以讀取的文件，這是這兩個(gè)軟件能無(wú)縫連接的關(guān)鍵所在。利用該接口程序可以直接把實(shí)體模型存成可以在ADAMS讀取的文件格式。

2)對(duì)PRO/E創(chuàng)建好的裝配體另存為 Parasolid (. x_t)格式 ，這種是 ADAMS可以識(shí)別的格式 ，從而實(shí)現(xiàn)連接。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，本文采用方式(2)進(jìn)行導(dǎo)入，值得注意的是導(dǎo)入 ADAMS的實(shí)體為空白實(shí)體，無(wú)質(zhì)量、無(wú)約束。

2.2.2 完善模型

完善模型對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的正確性至關(guān)重要。首先要設(shè)置好工作環(huán)境，如背景顏色、單位、工作網(wǎng)格的大小等，以方便后續(xù)的工作。然后對(duì)每一個(gè)零件定義質(zhì)量、顏色、材料進(jìn)行設(shè)定。最好為每一個(gè)零件進(jìn)行重命名，這樣在后續(xù)添加約束等操作時(shí)容易識(shí)別，節(jié)省時(shí)間。其次，對(duì)各運(yùn)動(dòng)副添加約束。水電站啟閉機(jī)設(shè)備各運(yùn)動(dòng)部件之間用接觸力屬性定義，并設(shè)置摩擦系數(shù)。最后對(duì)所要求的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)添加驅(qū)動(dòng)。水電站啟閉機(jī)設(shè)備的移動(dòng)關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)都是采用 STEP函數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2.2.3 測(cè)量分析

在ADAMS/View環(huán)境下設(shè)置End Time為1.5 s，Steps為50，仿真類型選為缺省，然后啟動(dòng)仿真。

在仿真結(jié)束后，進(jìn)入ADAMS的后處理模塊，后處理模塊可以生成水電站啟閉機(jī)設(shè)備各部件的位置、速度、加速度和各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)上的作用力矩、角速度等數(shù)據(jù)曲線，通過(guò)修改某些參數(shù)，就可以改變水電站啟閉機(jī)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)特性。另外，還可以根據(jù)水電站啟閉機(jī)設(shè)備的力矩特性曲線為電機(jī)和減速器進(jìn)行選型，而電機(jī)及減速器的選擇是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在幾種選擇電機(jī)和減速器的方法中，仿真數(shù)據(jù)是最主要的選型和驗(yàn)證依據(jù)。因此，筆者在選擇水電站啟閉機(jī)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，就是根據(jù)仿真數(shù)據(jù)選擇合適的電機(jī)和減速器的。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門很實(shí)用的應(yīng)用技術(shù)，它具有高精度的分析能力和廣泛的應(yīng)用范圍，同時(shí)，可以使企業(yè)縮短生產(chǎn)周期、 降低成本、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)在水電站啟閉機(jī)設(shè)備上的應(yīng)用分析，特別是本文提出的水電站啟閉機(jī)設(shè)備的集成虛擬樣機(jī)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)可以為其他的設(shè)計(jì)方案做參考利用。同時(shí)，虛擬樣機(jī)技術(shù)還有利于方案的篩選和優(yōu)化，可以節(jié)省大量時(shí)間，為未來(lái)的設(shè)計(jì)工作提供了一條新的思路。