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自动组合机床下料机构创新设计及其优化分析自动组合机床下料机构创新设计及其优化分析 摘摘 要要 在现代机械制造业中，cae 技术已经得到普遍的应用，利用虚拟样机 （vpvirtual prototyping）技术对产品进行创新设计，可以有效缩短开发周 期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。该技术 相对于传统设计方法，设计流程大大简化，设计概念、设计图纸、三维模型建 立、加工制造、直至涉及产品的性能测试、优化分析、寿命评估等都是数字化 处理，通过参数化模型的优化评估，其结论数据可以直接反馈到数字模型，使 功能虚拟样机得以修改，最终反映到产品上。而传统方法则需经过概念的图纸 化、样机的试制，物理测试等过程，其优化分析会多出实际样机模型的修改与 试制过程，不断修改，试制，如此往复，浪费资金、设计效率低下，不能及时 做到产品随市场改变，思路随客户更改。虚拟样机设计方法唯一需要注意的是 数字化模型建立需尽可能准确，简化要合理，这样结论才是可靠的，产品质量 才能保证。 本文以汽车拉杆钻攻双工位自动组合机床中的下料机构为例对运动机构 进行了创新设计及优化分析。该下料机构的作用是在拉杆工件（圆管）加工完 成后翻转工件进入到下料滚道至料仓，是完成自动化加工过程中一个重要的辅 助设备。本文采用虚拟样机技术和 cae 技术，以 adams、ansys 软件为工具，对 下料机构进行了参数化建模和仿真分析。真实地模拟了机构的运动过程，并且 分析和比较了多种参数方案， 综合考虑机构的尺寸及干涉位置进行了机构优化， 得出最优化的设计模型。完成了较为精确的数字模型，并在此基础上对机构关 键部件进行弹性化，建立了刚柔混合模型，讨论了考虑弹性影响的机构动力学 响应。 关键字关键字: : adams；下料机构；参数化模型；设计优化 design and optimizing the baiting mechanism of automatic modular machine abstract in the modern manufacture industry, cae technology has been widely used, applying the vp (virtual prototype) technology to product innovation physical prototype design, can cut down the development cycle, reduce the cost, improve product quality, and improve customer design with market demand for the ability of its functions. the flow process of design will be simplified strongly relative to traditional design, and all of processes such as concept, blueprint, 3d model, manufacture, so much as aptitude test, optimizational analysis and life evaluation, ware digitized and the results of optimizational analysis ware applied to modify the vp. on the other hand, the methods of traditional design have additional process except for classical flow of design, repeating modifying engineering modal and trial-producing, that would arise a series of problems. setting-up digit ional modal must be as accurate as possible ,and simplifying as reasonable as possible, that must be thought much of using vp technology , in this way, the result of analysis is credible and the quality of product is ensured . this paper research one type of mechanism named as turnover mechanism used to turn makings in the automotive tie rod drilling attack duplex automatic combination machine. after processed in the processing position, the workpiece(pipe) must enter the specified location. and using the turnover mechanism, we can let the workpiece enter the specified location. the turnover mechanism is an important auxiliary equipment in the part of the processing line. the paper using the virtual prototyping with aid of adams and ansys software this operation platform, parametric model for turnover mechanism is established, and carried out simulating analysis for it. next realistic simulation of the movement of the body, and quickly analyze and compare a variety of parameters of the program. synthetically considering the optimal size and location of turnover mechanism.and let the key position into the flexible body. finally obtained the optimal design model. keywords: adams software, baiting mechanism, parametric model ，design and optimization 致致 谢谢 从选题到研究，再进入模拟计算过程，最后至成文，每一个步骤都是忙碌 和充实的。设计过程中充满了迷惑和不知所措，也有着很多了解和领悟后的惊 喜！论文的完成过程就是一个成长的过程！ 在此，我要衷心地感谢我的指导老师王勇老师。王勇老师知识渊博，治学 严谨，正是在他的指导帮助下，我的硕士论文才得以顺利完成，同时也学到了 做学问所应有的态度。 在此，我还要感谢其他同学和朋友的关心和帮助。 最后，向我的父母、爱人、儿子致谢，他们的支持和鼓励一直是我克服困 难，不断前进的强大动力，使我有了无比的信心来完成我的学业。 作者：汤 萍 2013 年 10 月 31 日 目目 录录 第一章第一章 引引 言言 1 1.1 研究目的与意义 1 1.2 相关领域的研究现状和发展趋势 2 1.3 本文研究的主要内容.2 第二章第二章 虚拟样机技术概述虚拟样机技术概述 4 2.1 虚拟样机技术的基本概念 .4 2.2 虚拟样机的应用及优势 .5 2.3 adams 软件概述6 2.4 应用 adams 软件进行虚拟样机设计的过程 .8 第三章第三章 下料机构的工作背景及总体设计下料机构的工作背景及总体设计 11 3.1 下料机构的工作背景. 11 3.2 下料机构的设计参数及要求 . 12 第四章第四章 下料机构的动力学方程下料机构的动力学方程 14 4.1 adams 建立动力学方程思路与方法 14 4.2 下料机构动力学方程. 14 第五章第五章 建立机构的三维模型及仿真分析建立机构的三维模型及仿真分析 17 5.1 下料机构模型的建立. 19 5.2 模型的检验 21 第六章第六章 下料机构的优化分析下料机构的优化分析 23 6.1 下料机构的参数化设计 . 23 6.2 创建目标函数和约束函数 . 24 6.3 运行设计研究 25 6.4 运行试验设计分析 27 6.5 运行优化设计分析 30 第七章第七章 下料机构关键部位弹性化下料机构关键部位弹性化 34 结结 论论 36 参考文献参考文献 37 插图清单插图清单 图 2-1 传 统 产品 开 发 与虚 拟 样机 开 发 流程 对 比5 图 2-2 应用 adams 软件进行虚拟样机设计流程图10 图 3-1a 汽车横拉杆钻攻 双工位自动 组合机床主 要结构示意 图11 图 3-1b 下 料机 构结 构 及安 装示 意 图12 图 3-2 v 型支 座与 管材几 何关 系示意 图13 图3-3 下料 机 构 初始 位 置13 图3-4 下料 机 构 终止 位 置14 图 4-1 下 料机 构 力学 分 析模 型 16 图5-1 下料 机 构 的模 型 图20 图5-2 气缸 活 塞 杆速 度 图21 图5-3 气缸 活 塞 杆位 移 图21 图5-4 管 料 抛 射 轨迹 22 图6-1 模 型 位 置 标注 24 图 6-2 参 数化 后 初始 值 及范 围 24 图6-3 管料 质 心 位移 测 量25 图6-4 设 计 研 究 设置 26 图 6-5 dv_1 到dv_4 的信息报表27 图6-6 试 验 分 析 设置 28 图 6-7 各 参数 组合下 管料 高度 的变化 曲线 图29 图 6-8 各 参数 组合下 管料 高度 的部分 具体 值29 图 6-9 各 参数 组合下 管料 高度 的抛射 曲线 图30 图6-10 优 化 设计 分 析 设 置31 图6-11 管 料 抛射 曲 线 图 31 图6-12 优 化 设计 分 析 结 果32 图 6-13 管料质心到v 型支座的顶角距离33 图 6-14 优化 的机 构 尺寸 和位 置示 意 图33 图 7-1 柔性 体 代替 刚 性体 对话 框34 图7-2 下料 机 构 变形 情 况35 图 7-3 刚柔 体 系下 管 料抛 射高 度35 1 第一章第一章 引引 言言 1.1 1.1 研究目的与意义研究目的与意义 目前国内对于很多机械机构的设计大多还是图解法，通过建立机构的数学 模型，然后根据设计要求对模型进行优化。这种设计方法计算量大且复杂、效 率不高，机构运动真实度不高。应用虚拟样机技术对工程机械进行设计研究和 优化分析取代传统的机械设计、试验和研究方法已成为一种趋势。 我国制造工业的快速发展、技术进步以及工人素质的提高，使自动化设备 得到了前所未有的发展机遇。随着经济水平的提高，制造业的规模不断加大， 体制随着改革的深化也有了重大的变化，行业的自动化水平、技术水平有了较 大进步。到了如今，制造业的发展出现了瓶颈，设计技术落后，产品更新跟不 上市场，尤其是国际市场的变化，人员工资相应提高，要求我国制造业必须由 制造型向创造型发展，同时大力提高行业自动化水平，新的设计思路、设计方 法需要在中国创造中承担重大角色。国际上，新的设计理念和方法也在不断发 展与应用，虚拟样机技术应运而生，主要的代表就是虚拟样机技术。 虚拟样机技术机(virtau1prototype，简称 vp)通过数字化方式体现设计者的 设计意图，通过建立一个和物理样机具有相似功能的模型，模拟在实际过程中 的运动来测试所建模型，从而在产品加工之前对产品的性能、可制造性进行分 析，将制造过程中可能出现的问题提前到设计过程来处理。虚拟样机技术对产 品设计开发过程的简化、产品开发周期的缩短，产品开发的费用和成本的减少 都会有极大的作用。应用的好，可以做到对产品进行合理的优化，大幅度提高 机械产品的性能和质量。adams 作为虚拟样机分析的应用软件，可以方便精 确地对各种机械系统进行建模和优化设计。 下料机构是一种在现代各种各样的生产工艺线上或自动化加工设备中，除 了主机之外的重要的辅助设备之一，主要作用是把高位设备上的加工中的产品 移动到低位设备上，或是将低位设备上的加工产品移动到高位设备上。在移动 加工产品的过程中，要保证整个生产的流畅、降低噪音、减少产品表面和生产 设备的划伤和冲击损害、提高生产效率和质量。合理地设计下料机构，对整个 生产的自动化及充分发挥主机设备的效能，提高产品的质量和产量有着重要的 作用。本文研究的下料机构属于汽车拉杆双工位自动组合机床的附属部件。具 有结构简单，安装方便，容易加工，成本低，运动可靠等优点。此种类型的下 料机构还可以广泛用于类似管材加工的生产工艺线上或自动化设备上。 本文旨在现有虚拟样机技术研究的基础上，借助 adams ，ansys 软件 对下料机构进行建模仿真，通过对模型进行参数化和优化分析，利用优化设计 的结果，进行运动仿真，验证优化设计模型的正确性，并获得符合应用要求的 2 机构参数值，给出机构设计的相关设计参数。 1.2 1.2 相关领域的研究现状和发展趋势相关领域的研究现状和发展趋势 虚拟样机技术在一些发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛应用， 应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国 防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学及工程咨询等多方面 1。所 涉及产品从庞大的卡车到照相机的快门，上天的火箭、卫星到轮船的锚链。在 各领域，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节约开支、时间并提供满意的 设计方案。目前,虚拟样机技术已在我国得到了应用与推广，主要是在汽车制造 业和武器装备制造业中应用较为广泛,但只停留在初步应用阶段； 在其它行业应 用较少，主要局限在专业研究机构和高校研究机构。可见我国对于虚拟样机技 术的应用领域和技术水平还很低,但是却有很大的提升空间。 作为一种先进的设 计方法，虚拟样机技术有助于企业做出前瞻性的决策,实现产品总体优化目标， 为企业赢得用户给市场提供了有利条件 8-10。作为提高劳动生产率的利器，目 前我国的自动化设备，特别是高端设备、装备，大部分都是从国外引进，甚至 被国际封锁而不得引进。所以采用先进理论自主创新研发自动化设备就纳入了 我国新时期的国家战略（机械行业十二五规划） 。由于我国的机械行业整体水平 与世界先进水平尚有一定的差距，设计理念和设计方法还相对落后，发挥后发 优势，学习、借鉴国际上先进技术就成为了必需，并且也是可行的，这会大大 缩短我国技术上的差距，增强自主创新能力。因此，虚拟样机技术势必会成为 将来我国机械行业产品设计优化的主流。 1.3 1.3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 运动机构的设计方法不断在发展和更新。基本的方法是从机械原理出发， 确定运动机构的传动方案，零部件材料选型，部件运动或动力分析，在此基础 上，综合安装位置、约束干涉情况进行优化分析。此种方法设计效率低下，特 别是需要进行优化时，更耗时费力。计算机的发展和多体系统理论的发展带来 了全新的机构设计理念，极大地丰富了设计手段。我们可以在计算机系统上几 乎不下线地完成机构的模型开发，动、静态分析及寿命的预估，甚至借助“3d 打印”技术，完全实现零部件的所见即所得。理解并应用新技术进行机构设计 与分析的流程是本文的研究重点。本文主要从以下几方面进行研究。具体内容 如下： （1）在完成资料调研后，根据实际工况，确定组合机床整体方案及下料机 构动作方案。 （2）基于多体系统的理论知识，针对下料运动机构，建立动力学微分方程。 （3）对下料机构进行合理简化并在 adams 中建立下料机构的三维全刚性模 3 型，测试模型，校验模型，细化模型，进行运动学和动力学仿真分析。 （4）建立参数化模型，运行设计研究和优化分析，得到最优化的模型结果和运 动分析结论。 （5）结合有限元分析软件 ansys，对下料机构中关键零件进行弹性化，建立刚 弹混合模型，得到更为准确的机构运动情况，分析其对整个下料机构运动的 影响。 4 第二章第二章 虚拟样机技术概述虚拟样机技术概述 2.1 2.1 虚拟样机技术的基本概念虚拟样机技术的基本概念 虚拟样机一词译自英文“virtual prototyping”或“virtual prototype”, 也称作虚拟原型或虚拟模型，简称 vp。 “virtual prototype”是指基于计算机 仿真的原型系统或原型子系统，与物理原型机相比，在一定程度上达到了功能 的真实。而“virtual prototyping”则是指使用虚拟样机来代替物理样机，测 试和评价一个系统设计的特定性质的过程。 虚拟样机技术“virtual prototype technology”是一种基于产品的计算 机仿真模型数字化设计方法，这些数字模型即虚拟样机支持并行工程方法学， 这种方法是近年来国际流行而在国内方兴未艾的一种设计新方法。虚拟样机技 术，顾名思义，以计算机技术为平台，将实体数字化，建立三维实体数字模型， 并对之进行相关的性能分析，类似于实际物理样机的设计与测试。虚拟样机技 术核心理论为多体系统运动学与动力学建模理论，其功能主要体现为机械动力 学软件，其主要特征为协同，也即基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信 息管理技术、 交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用与联合仿真模拟。 虚拟样机技术是在 cax(如 cad,cam,cae 等)/dfx（如 dfa,dfm 等）技术基础上 的发展，它进一步融合信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，并将这些技 术应用于复杂系统的全生命周期和全系统，以便对系统进行综合管理。虚拟样 机技术从系统层面来分析复杂系统，支持“从上至下”的面向工程对象的复杂 系统开发模式。虚拟样机技术设计的初级阶段概念设计阶段就可以对整个 系统进行完整的运动、及各零部件间的相互作用进行观察和分析，并借助对运 动的真实模拟和多领域分析，方便地在计算机上进行设计缺陷的修改及设计方 案的不同试验，直至最优设计方案的出现。利用虚拟样机技术替代传统设计方 法对产品进行创新设计、在线测试和实时评估，可快速提高面向客户与市场需 求的能力，缩短产品的开发周期，降低开发成本，改进和提高产品设计质量。 关于虚拟样机有下面几种总结形式的论述： （1）虚拟样机技术在概念形成初期， 就利用计算机技术建立机械系统的数 字化模型，进行仿真模拟分析，得到该系统在真实工况下的各种运动及动力特 性分析数据，并优化改进得到最优设计方案。之后，才制造实体样机。 （2）虚拟样机数字化实体模型，能够反映实际产品的特性，包括外观、空 间关系以及运动学和动力学的特性。体现在软件上，就是先在计算机上建立机 械系统模型，进而模拟在真实环境下机械系统的运动和动力特性，并根据仿真 结果精化和优化系统。 （3）虚拟样机技术对产品对象进行几何、功能、制造等许多方面交互的建 模和分析。它在 cad 模型的基础上，把虚拟技术与仿真技术及多领域分析技术 5 结合起来，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。 2.2 2.2 虚拟样机的应用及优势虚拟样机的应用及优势 虚拟样机技术作为计算机辅助工程的一个重要分支， 在人们开发新产品时， 从概念设计阶段，就可以通过学科理论和计算机技术，对设计的产品进行虚拟 的性能测试，以达到提高设计性能、降低设计成本、减少产品开发时间的目的。 虚拟样机技术已经在多个领域得到广泛的应用，如汽车制造、工程机械、航空 航天、造船、航海、机械电子、通用机械以及医学医疗等。 虚拟样机技术的优势就在于它的先验性。随着我国社会的进步发展，人员 工资不断提高，各行各业对自动化设备的需求与更新也越来越高，越来越快。 同时由于社会竞争更加激烈，产品所需设备自动化程度越来越高，设备保修维 修期望也越来越高，迫切需要新技术来完成这些目标。另外，有一些客观上的 约束条件，例如昂贵的物理样机试验（汽车碰撞试验、一些事关人员人身安全 的医疗设备的破坏性试验等） ，严格的法律法规要求等，使得提高产品质量，缩 短生产周期，并不是件容易的事情。所以，要克服以上困难，虚拟样机技术应 运而生。通过进行仿真模拟，在未产出真实的产品之前就进行仿真模拟，提前 知道产品的各种性能，防止各种设计缺陷的存在，提出改进意见。图 2-1 为传 统产品开发流程和虚拟样机开发流程的对比。 事实证明，虚拟样机技术是一个行之有效的方法。它已经完美地应用于美 国波音公司波音 777 飞机的研制。1990 年，波音公司采用一种全新的设计与制 图 2-1 传统产品开发与虚拟样机开发流程对比 概念 设计 详细 设计 制造 物理 物理 样机 产品 定型 发现问题、修改设计 并重新制造样机 图 2-1a 传统的产品开发流程 概念 设计 详细 设计 虚拟 样机 产品 定型 图 2-1b 虚拟样机开发流程 6 造方式：整个开发过程实现了全数字化的无纸设计技术，即整机外型、结构件 和整机飞机系统完全采用三维数字化定义，完全应用数字化预装配，整个设计 制造过程无需模型和物理样机，一次成功，首次实现了整机数字化设计、数字 化制造和数字化协调。对比以往的飞机研制，此型飞机成本降低了 25%，出错 返工率减少了 75%， 制造周期缩短了 50%。 这项技术就是虚拟样机技术 （virtual prototyping vp） 。开发过程叫做虚拟产品开发（virtual product development - vpd） 。同样，多家汽车公司也相继地使用了虚拟样机技术进行 新产品的开发。通用动力公司 1997 年建成第一个全数字化机车虚拟样机，并在 基础上进行相关产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设 计。日产汽车公司利用虚拟样机技术进行概念设计、包装设计、整车仿真及优 化等。美国海军的 navair-apl 项目，研究发现协同虚拟样机技术不仅使产品的 上市时间缩短，还使产品的成本减少了至少 20%。有着这种巨大的优势，虚拟 样机技术势必会成为将来产品设计优化的主流。 2.3 2.3 多体系统力学的发展与多体系统力学的发展与 adamsadams 软件概述软件概述 虚拟样机技术的理论核心是多体系统理论及相关的计算方法，而多体系统 动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始于 20 世纪 60 年代。一 直到 80 年代，国际上大多侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统理 论及自动建模技术和数值求解方法 5,6。到了 80 年代中后期，多刚体系统动力 学的研究已经取得一系列成果，尤其是建模理论趋于成熟，但更稳定、更有效 的数值求解方法仍然是研究的热点。80 年代之后，多体系统动力学的研究更偏 重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算多体系统动力学 6-7，它至 今仍是力学研究中最有活力的分支之一，但已远远地超过一般力学的涵义。近 年来，该技术的另外一个重点就是求解理论，该理论随着计算机软硬件发展及 数值计算方法的发展而发展。数值计算理论也是跟随着计算机技术的发展，软 件的每次升级也大都与计算理论取得进展有关系。在传统力学领域，数值计算 理论在结构力学领域取得了辉煌的成就，出现了以 ansys、nastran 等为代表的 应用极为广泛的结构有限元分析软件，显示了计算机求解复杂工程问题的可能 性与可靠性。多体系统动力学借鉴了有限元理论中关于刚度阵、质量阵及其他 有限元方法中相关概念，进行动力学方程组的矩阵化和矩阵装配，借用有限元 的数值求解方法，求解动力学问题，其本质是应用计算机技术进行复杂机械系 统的动力学方程组的求解。它是在经典力学基础上产生的新学科分支，在经典 刚体系统动力学上的基础上，经历了多刚体系统动力学和计算多体系统动力学 两个发展阶段。 牛顿在其经典著作中解决了质点的运动学和动力学问题，欧拉于 1775 年提 出刚体的概念并建立了经典力学中的牛顿-欧拉方程。达朗贝尔在 1743 年研究 7 了约束刚体系统， 区分了作用力和反作用力， 形成了虚功原理的初步概念。 1788 年，拉格朗日发表了分析力学 ，系统地研究了约束系统，提出了广义坐标的 概念，利用变分原理，从能量角度得出第二类拉格朗日方程最少数量坐标的 二阶常微分方程（ode） ；并利用约束方程与牛顿定律推出带拉格朗日乘子的第 一类拉格朗日方程最大数量坐标的微分代数方程（dae） 。至此，经典力学基 本完备，但虚功形式的动力学普遍方程尚不能解决具有非完整约束的机械系统 问题。1908 年若丹给出了若丹原理虚功率形式的动力学普遍方程，利用若 丹原理可以方便地讨论碰撞问题和非完整系统的动力学问题 7。随着组成系统 的刚体数目的增加，系统的方程也更加繁杂，以牛顿-欧拉方法为代表的矢量力 学方法和以拉格朗日方程为代表的分析力学方法对系统的解析求解往往是不可 能的，这促使数值计算方法得到了极大的发展，特别是计算机软硬件的发展， 使数值方法解决具体工程问题成为可能。 但初期的数值计算程序并没有商业化， 不通用，对每一个具体的问题都要编制相应的程序进行求解，过程重复、效率 低下，因此适合计算机程式化的多体建模理论和求解方法的探求与研究催生了 多体系统动力学。在此期间，出现了最具代表性的几种理论或方法，分别是罗 伯森-维滕堡（roberson-wittenburg）的图论方法 3、凯恩（kane）广义速率 方法、旋量方法和变分方法。这些方法借助计算机数值分析技术，可以解决由 多个物体组成的复杂机械系统动力学分析问题。chace 和 haug 为了解决多体系 统动力学建模与求解的自动化问题，提出了适宜于计算机自动建模与求解的多 刚体系统笛卡尔建模方法 4。它的核心思想是以系统中每个物体为单元，建立 固结在刚体上的坐标系，刚体的位置相对于一个公共参考基进行定义，其位置 坐标统一为刚体坐标系基点的笛卡尔坐标与坐标系的方位坐标，再根据铰约束 和动力学原理建立系统的数学模型进行求解，形成所谓计算多体系统动力学 5,6,7。 80 年代后期， 多体系统动力学的研究重点由多刚体系统侧重多柔体系统， 柔性多体系统动力学逐渐成为计算多体系统动力学的重要内容。计算多体系统 动力学研究复杂机械系统的静力学分析、运动学分析、动力学分析、控制系统 分析以及优化分析的理论和方法。其具体任务为： 1建立机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模 型的软件系统，用户只需输入描述系统的最基本数据，借助计算机的能力就能 自动进行建模，并利用三维建模技术，图形化所建数学模型，形成数字化的实 体模型。 2研究、开发和实现高效的计算数学模型的数值计算方法，计算机自动计 算求解动力学方程组，得到运动学规律和动力学响应。 3实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表或其他方式提供数据处理 结果。 计算多体系统动力学的产生充分结合了机构设计和力学分析方法，极大地 8 改变了机械系统的设计路线，诞生了虚拟样机技术。在结合其它工程辅助设计 方法或分析软件的强大接口功能如结构有限元分析、优化分析、热流分析、控 制理论等，可以求解极为困难的大型复杂问题，而且使机构更轻，结构更优化 紧凑，运行速度与精度更高的设计目标成为可能，这也是现代机械设计方法的 必然趋势。 随着计算机技术及多体系统理论的发展和计算多体系统动力学的兴起，图 形化建模、方程求解、数据结果的形象化处理成为可能，相应多体系统的求解 程序商业化也在蓬勃发展。目前动力学软件系统很多，但最著名的当属来自美 国的 msc/adams，比利时的 dads，韩国的 recurdyn 软件。其中 adams （automatic dynamic analysis of mechanical systems）软件作为虚拟样机 技术的核心软件系统，占市场 70%以上。adams 软件使用交互式图形环境，具 有丰富的零件库、约束库和力库，可以创建完全参数化的机械系统和几何模型， 丰富的函数库提供了多变的驱动或载荷构造，其核心理论是多体系统动力学理 论，采用笛卡尔坐标，对单元建立拉格朗日方程，装配后建立系统动力学方程 组矩阵，通过求解，可以对机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，以及 线性或非线性运动分析，包括柔性系统和刚柔混合系统的仿真分析，自动输出 位移、速度、加速度和反作用力曲线，或者利用丰富的函数库编写指定的输出。 利用它可以迅速地分析和比较多种参数方案，确定最优化的参数性能，大大减 少物理样机的制造与试验次数，从而缩短产品研制周期和费用，极大提升产品 设计质量。adams 软件的仿真结果还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，支持同大多数 cad/fea 软 件及控制软件开发系统之间的双向通讯 8-12。 用户可以运用 adams 软件,非常方便地对机构进行静力学、 运动学和动力学 分析；同时当成开发工具，利用其开放性的程序结构和多种接口，为特殊行业 进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发。 2.4 2.4 应用应用 adamsadams 软件进行虚拟样机设计的过程软件进行虚拟样机设计的过程 adams 软件包括三个最基本的主程序模块和一些扩展模块。各模块具有不 同功能， 其中三个主模块及 flex 插件是我们进行优化设计及建立刚弹混合模型 必须要掌握的内容。包括：adams/view(交互界面)、adams/solver(求解器)、 adams/postprocessor(后处理) 模块及 adams/flex 模块。adams 软件利用这 几个模块建立虚拟样机完整流程见如图 2-2 所示，下面就流程进行简要说明。 2.4.1 创建模型 创建机械系统的模型主要在 adams/view 模块中实现，包括，创建构件或者 零件（create parts） 、给构件施加约束（constrain the parts）和定义作用 构件上的力（define force acting on the parts） 。 9 软件中构件定义为是具有质量、转动惯量等物理特征的几何形体。约束用 于确定构件之间的连接关系，明确构件之间的相对运动形式。 2.4.2 检验和验证模型 样机模型在创建完成后或在创建模型过程中，可随时对其进行测试仿真， 验证模型的正确性。检验模型的方法包括：测量特性（measure characteristics） 、仿真分析（perform simulations） 、动画播放（review animations）和绘制曲线（review results as plots） 。验证模型包括：输入 测试数据（import test data）和数据曲线比较（superimpose test data on plot） 。 2.4.3 完善模型和迭代仿真 细化和完善模型，需要在初步验证模型正确的基础上，对模型添加其他因 素，例如定义约束中的摩擦、施加触发 sensor、编写输出定义 measure 和定义 柔性体等。对所建模型进行参数化，这样可以通过修改参数来自动修改模型， 这对优化分析非常重要。完善模型包括以下几方面：施加摩擦（add friction） 、 定义柔性体（define flexible bodies） 、使用力函数（implement force functions） 和定义控制 （define controls） 。 迭代仿真包括： 添加模型参数(add parameters)和定义设计变量（define design variables） 。 2.4.4 优化模型 adams 可以在事先定义好的参数化设计变量基础上自动对模型进行多次仿 真，每次仿真都通过改变模型的设计变量，并按照一定的算法找到机械系统设 计的最优方案。优化设计则分为设计变量敏感度研究（perform design sensitivity studies） 、试验设计分析（perform design of experiments）和 优化设计分析（perform optimization studies） 。 10 以上流程给出了样机模型的典型建立方法。要想得到理想的模型，需要做 更多的细致工作，要综合考虑诸多因素，如根据工况简化，如求解器的选定等。 准确、细致的模型才是设计与分析的结论合理与否的前提。 样机建模 创建零件添 加约束 模 型 检 验 测量特性 仿真分析 动画播放 控制曲线图 完善模型 输 入 测 试 数 据 数 据 曲 线 比较 与测试数 据相符 多次仿真 添加摩擦定 义柔性体使 用载荷函数 设计自动 化 添加模型参数 定义设计变量 样 机 验 证 设计敏感度研 究 实验设计研究 优化设计研究 优 化 设 计 创建自定义菜单 创建自定义对话 框 创建建模操作宏 y n 图 2-2 应用 adams 软件进行虚拟样机设计流程 11 第三章第三章 下料机构的工作背景及总体设计下料机构的工作背景及总体设计 3.13.1 下料机构的工作背景下料机构的工作背景 该下料机构是为某企业研制的汽车横拉杆钻攻双工位自动组合机床的一个 重要部件。该自动组合机床主要用于汽车转向横拉杆的钻孔、攻丝加工，是自 动化程度较高的加工设备，控制程序可以自动将上料机构中的待加工工件由待 料位，利用移位机构自动装夹至钻孔、攻丝加工位，完成加工后，最终自动下 料至料仓，在加工过程中可暂停检查。手动部分仅仅是填料以及当改变加工品 种规格时进行夹具的更换，其余工作全自动化控制。产品结构设计合理，安全 性能高，人性化好，使用方便，通过更换工装夹具（支撑 v 形支座镶块）或调 整丝杠行程可以适用于多种如长短不一，粗细不等的规格系列的汽车转向横拉 杆产品。 该设备主要由机床底座、夹具机构、自动上料机构、自动下料机构、移位 机构、工作进给系统、液压系统、冷却系统、防护系统及电气控制系统等组成， 如图 3-1a、3-1b 所示。 图 3-1a 汽车横拉杆钻攻双工位自动组合机床主要结构 自动上料机构 工作进给系统 夹具机构 机床底座 自动下料机构 移位机构 防护系统 12 该机床工作时，在备料完成后，由人工将工件整齐摆放至上料架，然后工 件由上料滚道受自重落到料口位置，由顶料装置每次放行一根工件落至备料口 待加工，再由移位机构移至 v 形块内，完成工件上料过程。加工好后，由移位 机构送至下工位的 v 形槽内，进行下步加工。最后，完成的工件再由下料机构 拨出攻丝工位的 v 槽至下料滚道，完成工件的下料过程。此下料机构料斗轨迹 运行要准确，这样才能保证工件能够顺利通过过 v 支座与压头的空间而不发生 干涉，达到指定的位置进入下料滚道。 3.23.2 下料机构的设计参数及要求下料机构的设计参数及要求 根据企业提供的产品参数，待加工的工件管材的外径为30mm、27mm 两 种规格,内孔需分别加工 m27、m25 螺纹，设计初选30mm 管材。根据实际装配 关系和动作要求，圆管在第二工位加工螺纹完毕后，下料机构开始工作，此时 要求管材能够顺利通过 v 型支座与压头空间，进入下料滚道而不与其他零部件 发生干涉，气缸导杆行程为 50mm，缸内径20mm，气压约为 0.20.8mpa，取 0.6mpa。气缸行程尽头停止后，料卡停止，此时管材在惯性的作用下被抛射出 去到达指定的位置。 管材在被抛射的过程中抛射高度不得高于 v 座上平面 175mm （压头位置限制）即 h175mm。而本文的任务就是设计及优化下料机构，确定 各连杆尺寸、连结点的位置及下料机构与支座的位置关系，并总结相关方法与 图 3-1b 下料机构结构及安装示意图 下料机构（绿色部件） 下料滚道（橙色部件） 工件 料卡 连杆 1 连杆 2 气缸 安装支座 夹具压头 h 13 规律。相互关联零部件位置关系如图 3-2 所示，运动分析示意简图如图 3-3、 3-4 所示。 图 3-2 v 型支座与管材几何关系示意图 图 3-3 下料机构初始位置 14 第四章第四章 下料机构的动力学方程下料机构的动力学方程 4.1 4.1 adams 建立建立动力学方程思路与方法动力学方程思路与方法 adams 使用笛卡尔坐标建模法。设定刚体的质心笛卡尔坐标和反映 刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即 ， ， ，这些坐标并不独立。考虑约束的存在，adams 引入了拉格 朗日乘子。基于此，采用第一类拉格朗日方程建立机构的动力学方程，得 到如下方程 其中 t 为系统广义坐标表达的动能， 为广义坐标， 为在广义坐标 方向的广义力，为运动学约束方程，最后一项涉及约束方程和拉格朗日 乘子，是在广义坐标方向的约束反力。 进一步引入广义动量： j j t p q 1 () n ji i jjj dtt q dtqqq j q j q (4.1) (4.2) , , , , , tqx y z , , t , , t rx y z 图 3-4 下料机构终止位置 15 简化表达约束反力为： 1 n ji i j c q 这样方程(4.1)可以简化为： jjj j t pqc q 动能可以进一步表达为： 11 22 ttt tr mrb jb 其中 m 为构件的质量阵，j为构件在质心坐标系下的惯量阵。 将(4.5)分别表达为移动方向与转动方向，有： rrr r t