文献综述：基于SolidWorks的八开胶印机输墨装置的建模及仿真

文献综述学 院 轻工学院 专 业 印刷工程 导 师 杨翰林 学 生 谢若雪 学 号 201110830602 2015年3月20日1 机械设计概述机械设计（machine design），是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法、相对位置等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程1。也就是说，要生产一台实际可用的机械，设计者必须将构思用直观的方法严谨地表达出来。所以机械设计无疑是机械工程中的重要环节，是生产机械的前提，也是决定机械性能的最主要的部分。上世纪60年代以前，设计者进行机械设计需要依靠经验总结数据进行手工绘图，设计思路很被动，表达也不精准、直观。随着科技发和计算机技术的广泛应用，出现了许多以大量数据为基础，依靠动态分析的设计方法，例如机械优化设计、有限元分析、模糊优化设计、价值分析、计算机辅助设计、人机工程及艺术设计，机械设计已经在向越来越人性化完善化的方向前进。 1.1 机械设计方法传统机械设计是依靠经验总结，运用力学、数学的经验公式、图表、设计手册等归结出的经验值，通过经验公式、近似系数、类比方法进行设计。传统机械设计是人与机械制造之间的直接构建桥梁，是一种经验设计、静态设计、直觉设计，所以也称为常规设计2。其设计方法为理论设计和经验设计。传统设计需要人工检索计算及绘图，有其局限性。例如工作周期长导致设计跟不上市场需求；设计过程修改繁复工作量大效率低；人工直接作为表达凭借导致尺寸精度不高，不能考虑到机械从材料选择、加工装配、使用运行到报废回收的实际需要，造成了环境的污染和资源、人力的浪费；另外，由于过分依赖经验积累基础，运用经验公式、图标、规定、标准进行条件计算和类比设计，使得设计方法不能在长期的运用中不断提高；被动的静态设计、过分依赖经验、近似计算、人工工作量大是传统机械设计的特征。正是这些特征成为传统机械设计前进发展中的最大的阻碍。 在现今的数据时代，计算机在各领域应用越发广泛与深入，而现代机械设计以计算机作为主要媒体的计算机辅助设计在人与机械模型建立间加入仿真元素，建立起稳定而又严密的设计关系，其在工业上也占据着越发重要的地位。20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了计算机辅助设计的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的计算机辅助设计系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了计算机辅助设计技术的发展3。21世纪以来，计算机辅助设计软件在工程产品和设计中发挥的作用越来越大，目前已在电子和电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是指运用计算机软件模拟实物设计，展现开发产品外型、结构、质感等特征的过程4。而在计算机辅助下的机械零件设计、干涉校验、运动仿真已经成为机械设计的发展方向。利用计算机软件创建装置零件、机构、装配体的模型（模型建立）；再进行虚拟装配，利用三维软件建立装配体后能够准确掌握各零部件之间的装配关系（仿真系统建立）；装配体完成后可进行干涉检查，通过分析各项性能指标及系统响应时间和稳定时间来查看装配体结构是否合理（仿真实验）。通过必要的仿真可直接应用和指导生产；还可将零件生成透明体将其隐藏，外部零件被隐藏后便可清楚地看到内部的装配结构，最后还可利用动画来演示装配体的拆装和运动过程，实现系统、模型、计算机之间的基本活动联系，还可进行有限元分析的，对机械系统的研究分析有着十分重要的实践意义。针对传统设计，计算机辅助设计的设计方法主要有以下特点5：自由性：计算机辅助设计可直观展现零件结构任意并精确地调整尺寸，给予设计者极大的自由，改变了传统设计的被动思维；节能性：机械从原料使用，装配加工，投入运行到报废回收都将考虑到设计中，减少了原来传统设计的污染和浪费；可靠性：科学的发展使得各学科之间的交叉性大大增加，力学与有限元分析法在机械设计中的应用使得强度设计准则要求日益提高；高效与精准性：由于不需要人工计算、制图，转而由计算机进行设计参数和设计方案的求取，解决了传统设计工作周期长效率低、精确度掌握困难的弊端，简化了繁复的设计与修改过程。优化设计是机械设计的发展目标，也就是要在各种限定的条件（如理论知识、材料、加工能力和计算手段等）下设计出最好的机械。要优化设计就需要综合考虑许多设计要求，一般有：尺寸和重量尽量小而轻、工作性能优良、使用中的可靠性、制造成本低、最低消耗和减小环境污染。然而这些要求常是互相矛盾的，不可能每一项都做到极致最优，所以各项的相对重要性由机械用途和种类的不同而产生差异6。设计者需要按照目标机械的具体作用和要求，权衡轻重统筹兼顾，使所设计机械具有最佳的综合技术经济效果。过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累，以及计算机的推广应用，优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。计算机辅助设计将机械的适用性、可靠性和经济型良好高效地统一起来，其设计方法也在随着各学科的进步（机构学、机械结构强度学、传动机械学、机械动力学）、产品的变革技术的改进而不断发展，例如有限元法（将复杂的求解域非为若干个有限单元，对每一单元计算方法进行简化求解从而推导出整个域的满足条件）、模态分析（研究分析弹性结构固有的震动模态）、专家系统（具有专业知识和经验计算的人工智能程序系统）等7，向着越来越智能化的方向目标靠近。现代机械设计继承了传统机械设计基础，将自然、技术和艺术等知识有机地融合起来，形成新的设计体系。1.2 计算机辅助设计的研究现状计算机辅助设计是一项涉及多个学科领域的前沿技术，发达国家于20世纪80年代提出了相关概念，这项技术在过去的10年里获得了迅速发展并达到实用阶段。综合国内外的研究现状，为了实现构件的造型和运动仿真，目前采用的方法归纳起来可分为三类8：开发专业的运动软件，这种方法可以进行多种机构的运动仿真和运动学、动力学分析。这种方法的开发工作量大，开发周期长，开发的费用也很高，主要由专业的软件开发商来完成，具有代表性的软件有ADAMS。利用具有真实感的应用软件进行三维实体造型和运动仿真，通常使用的软件是openGL和3DS，OpenGL是OpenGraphiesLib的缩写，它独立于硬件，独立于操作系统，包含有100多个图形函数，开发者可以通过这些函数建立三维模型。由于OpenGL包含的图形函数的数量和功能有限，目前尚不适合构造比较复杂的机械零件，应用于运动仿真领域的也仅限于简单机构：3DS是目前世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件，被广泛地应用于电视及娱乐业中，该软件功能强大，使用方便，但是造型结束后实体的形状和尺寸都不能被实时或交互更改，如果用于运动仿真就显得柔性不足。针对成熟软件的二次开发方法。这些成熟的软件包括AutoCAD、UG、Pro/E、SolidWorks等，其中AutoCAD二次开发多用于平面图形，很少应用与三维实体造型，其余几种软件本身就是工程软件，对机械零件的造型能力很强，其二次开发的接口也比较成熟，开发具有很大的灵活性，二次开发的产品很多己经进入工程使用阶段。和一些先进国家相比，我国在这个领域还有一定差距，但已经引起了国家有关部门和科学家们的重视，国家自然科学基金、国家高技术产业规划都把虚拟现实技术（VR）列入了研究项目。国内一些高校和研究部门在紧跟国际先进技术的同时，也积极投入到了这一领域当中，并且取得了一定的研究成果9。清华大学计算机科学与技术系对虚拟现实和临场感方面进行了研究，在克服立体图闪烁的措施和深度感试验方面采用了一些独特的方法。他们针对室内环境的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。哈尔滨工业大学机械系在机构的三维运动仿真方面进行了不少研究，他们使用OpenGL开发的机构三维仿真软件成功地模拟出了一些常用机构的运动状态，并在此基础上加入了一些计算机辅助设计和分析的功能。该校计算机系成功地摹拟出了人的脸部动作，如表情的合成和唇动的合成。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面虚拟建筑环境实时漫游系统，实现了立体视觉，同时提供的交互工具使系统的真实感达到了较高的水平。北京航空航天大学计算机系着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示和处理，在虚拟现实的视觉接口方面开发出了部分软硬件，提供了用于飞行员训练的虚拟现实系统。西安交通大学信息工程研究所对立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比。西北工业大学在基于UG的二次开发方面进行了不少研究。西安理工大学机械与精密仪器学院在基于SolidWorks的二次开发方面也做了不少工作，开发了连杆机构和弧面分度凸轮的运动仿真软件。上海交通大学图像处理及模式识别研究所，国防科技大学计算机研究所，北京工业大学CAD研究中心等单位也都在这一领域做了一定的工作，并取得了一定的研究成果。1.3计算机辅助设计的发展趋势目前，计算机辅助设计已经在各个领域得到了广泛的应用，例如汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业，所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，从天上的火箭到轮船的锚机。计算机辅助设计主要的发展趋势体现在10：考虑产品继承性：在产品更新换代中，能方便的获得产品的全部历史数据，以便充分利用已经经过生产实践的产品信息。满足并行设计要求：即用并行设计方法代替串行设计方法，在设计过程中将产品分成不同模块分别设计后组装集成，对产品建立统一的数据模型后进行动态管理。具有良好集成性：一般有两种途径，一是通过接口将现有的计算机辅助设计系统连接起来，二是开发集成计算机辅助设计系统。智能系统：支持智能设计，检测失误，建议方案，具有推理能力等。就印刷机械方面来说，国外印刷机制造商七十年代就已经采用计算机辅助设计进行研究，而国内大多数印刷机生产厂家常时间以来，是对国外的胶印机进行测绘制造和仿造设计。胶印机输墨系统的设计方面，也处于跟踪模仿的水平。往往是国外胶印机上有了一种新的输墨系统设计方案，国内就进行仿造，进行实验了解其性能，适合我们机型就直接应用，或做一些试探性的调整和改进11。造成这种状况的主要原因是由于我们在胶印机输墨系统设计理论研究上还比较薄弱。通常，涉及系统静态性能分析时，根据设计方案，我们可以计算出输墨系统的着墨系数、打墨线数、匀墨系数、积墨系数、着墨率等五大性能指标，但是涉及系统动态性能分析时，国内尚缺乏理论计算依据，无法直接计算动态性能指标，一般情况下，只能通过实验方法做最终检验。这样，由于在系统的设计阶段不能预先计算系统的动态性能指标，只有到方案设计完成后，试制出输墨系统，用实验方法来实测动态性能。若性能不理想，则需重新设计方案，再试制，再实测不仅设计周期长，而且经费投入也大。模仿国外输墨系统，虽然是一种既省时又经济的方法，但也是限制我们输墨系统设计思路的一个因素。这种设计上的被动局面，既不利于创新，还不可避免地遇到了知识产权保护等问题。因此，我国研究者目前主要致力于利用计算机仿真软件对印刷机械进行优化设计、仿真研究以及对软件的二次开发12。2 软件选择目前国内外机械设计应用较多的软件有AutoCAD、Pro/E、SolidWorks、UG等。AutoCAD主要用来绘制工种图样，是一款二维设计软件。考虑到输墨装置整体的造型和结构，仅凭二维设计技术是不够的，三维必不可少。而且从长远看，从二维到三维是设计软件一个不可逆转的趋势。再加上其科技含量较高，通常一名设计师要用半年到一年的时间才能熟练掌握1314。根据以上原因本次设计不予考虑AutoCAD；Pro/E曲面设计非常强大，但是学起来挺困难，普遍是入门容易，精通难，要求具有较强的想象力15，而且Pro/E的文件管理不是很方便，不能由设计树追踪修改文件16，所以也不予考虑；UG是基于C语言开发实现的三维参数化软件，其功能强大.由于其功能模块多且涉及相关专业知识以及学科交叉理论，内容抽象难懂学习困难17，一般用于大型企业生产精度较高的器械如汽车等 18，本次设计输墨装置大可不必用此作为设计软件；SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，功能强大，组件繁多，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的19。能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。同时，对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本就可以用它来做设计，操作简单方便、易学易用20。工业设计是一项综合了各学科的团队设计工作，包括艺术造型设计以及机械工程设计两部分共同完成。艺术造型设计目前通常采用平面设计软（例如Photoshop等）或三维影视动画软件（如3DMax，Myaa）先出设计方案，经客户确认之后，再由机械工程师利用机械设计软件出工程图，最终完成整个产品的结构设计21。用不同类型的软件进行艺术造型设计和机械工程设计，其设计的过程总是要分两个部分，因为平面设计和三维影视动画的设计软件其格式大多不能直接用于机械设计的软件，或者是可以用中间格式转换却丢失了部分数据，不能很好的衔接、统一。SolidWokrs可以让艺术造型设计和机械工程设计在同一个软件中完成。SolidWokrs具有以下优点：基于特征及参数化的造型。SolidWorks装配体由零件组成，而零件由特征（例如凸台、螺纹孔、筋、钣金等）组成。这种特征造型方法，直观地展示人们所熟悉的三维物体，体现设计者的设计意图22。巧妙地解决了多重关联性。SolidWorks创作过程包含三维与二维交替的过程，因此完整的设计文件包括零件文件、装配文件和二者的工程图文件。成功的处理了创作过程中存在多重关联性，使得设计过程顺畅、简单及准确23。易学易用。SolidWorks软件易于使用者学习，便于使用者进行设计、制造和交流。熟悉Windows系统的人基本上都可以用其进行设计，软件图标设计简单明了，自带丰富教程，有详细的帮助文件，采用核心汉化，易学易懂24。其他三维CAD软件的学习通常需要三个月左右，而SolidWorks仅仅需要两周就可以掌握。3 SolidWorks的建模过程3.1 建模仿真要素系统、模型与仿真之间具有十分密切的关系，系统是我们研究的对象，模型则是系统特性的一种表述。一般来说，模型不仅用来代替系统，而且是对系统的简化25。仿真包含两个过程：建立模型和对模型进行实验。系统仿真包括三个要素：系统、模型与计算机。联系这三个要素有三个基本活动：模型建立、仿真模型建立、仿真实验（运行）26。三个要素和三个基本活动的关系可用图3.1来表示。 图3.1 计算机仿真示意图SolidWorks实体设计直接生成三维模型，在设计过程中省掉了二维和三维之间的转化，清晰直观而且基于Windows的界面操作方便。它采用的设计模式是参数驱动，即可以通过修改相关的各项参数来动态修改，完善设计方案。软其内含大量的标准件图库，方便用户任意扩充自定义图库，从而减少了很多重复的、不必要的设计操作，有效地缩短了设计周期，提高了设计效率。此外，SolidWorks可以通过任意旋转和剖切对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测，如发现问题可立即修正，将“试制过程”放在设计阶段，这大大提高了产品设计的成功率。各种机械产品的构造都大有不同，其功能和工作原理也有所差异，但应用SolidWorks来进行工业产品设计的设计方法是大致相同的27。 其设计的一般过程如图3.2所示。图3.2 Solidworks 工业设计过程3.2 装置模型建立3.2.1 零件体的建模为了实现机械的动态仿真，必须先利用软件的实体造型功能构造出各个运动构件的三维模型，例如：齿条、大小齿轮、槽轮、销轮、凸轮、杆等，以及轴、销等辅助构件。然后通过测量实际运动构件的实际参数。根据各个机构的运动特点，选择每个零件的原点位置，建立完整的三维零件体28。打开软件，进入零件设计工作环境，基于特征参数化设计部分，首先将其存储为零件文件（.sldprt）。SolidWorks软件有着强大的三维实体建模功能。首先应该要作出引导线的草图，然后绘制路径草图绘制参数化草图轮廓，完成草图绘制工作后，新建立一个与之垂直的基准面，再绘制轮廓草图。如图3.3所示，绘制1:1图形，利用智能尺寸标注所需尺寸，即可实现尺寸零误差，远远优胜于传统设计。建模的最后步骤为使用切除扫描特征的内腔体，完成产品造型。SolidWorks顺应了设计者的思维习惯，颠覆了传统的先二维后三维设计顺序，使得产品的结构设计紧跟设计者的设计思路，也更符合功能要求29。图3.3 Solidworks 零件设计界面3.2.2 装配体模型So1idWorks能够逼真地仿真三维模型，显示零部件实体结构形状及装配关系。在装配体的设计中可以充分发挥软件提供的智能配合功能，以便于快速、正确地建立起零件间的装配关系30。将已设计好的零件运用“插入/零部件/现有零件/装配体命令”，如图3.4所示。其步骤如下31：图3.4 装配体工具栏新建一个装配体文件：【文件】【新建】【装配体】；插入零件：【插入】【零组件】【来自文件】；组装配合：主要采用2种方法：将各零件建立配合关系（标准配合：重合、同轴心、平行、垂直、相切、距离、角度；高级配合：凸轮推杆配合、齿轮配合、限制配合、对称配合）。采用智慧组装（Smart-Mates）：拖动方式、选取方式；重复和步，直至完成全部零件的装配；保存装配体文件，完成装配体设计。设计者可以根据自己的设计意图和零件在装配模型中的位置以及相互关系，结合零件的自身特点和具体的运动条件，不断地调整自己的设计模型和配合要求，使零件结构设计更符合自己的设计思路和功能要求32。此设计方法是一个先有零件后有装配的过程，零件的结构特点是否合理、零件之间是否存在干涉问题等都可以在此装配模型中直接地反映出来，设计者的设计思路主要集中在零件的装配配合与装配模型整体结构和功能的设计上，而不必考虑具体零件的结构细化33。图3.5所示为装配效果图。图3.5 装配实现界面实现三维实体模型还不能完成机构运动的模拟，为了再现机构的实际运动，可以根据不同机构的特点，计算各构件间相对位置，自动在前一个机构的输出构件上装配新的机构，若前一个机构不存在则自动将主动构件坐标原点定位于装配体的坐标原点34。进行运动仿真时，首先根据需要找到并打开运动构件的三维实体模型，然后根据实际情况设置各个构件在装配体中的位置，使每个构件都正确的安装在装配体之中；根据实际情况在机构装配时自动完成运动参数的计算，其计算结果将保存在指定的Access数据库中35；得到各个构件之间相对运动关系的数据后，就可以用SoldiWorks进行运动仿真了。通过时间控制各个构件的运动都是，也就是说每隔一定的时间间隔，就从数据库中取出算好的构件位置数据并用此数据设置对应的构件。当这个时间单位足够小，单步的机构运动图像在视觉上表现为连续的机构运动，从而模拟出了机构的运动状况。通过控制计时器的参数和状态，可以实现机构运动的开始、暂停、反转、停止等操作36。另外，为了更清晰的展现每个机构的运动情况，各个机构还可以单独运动，使用户更清楚的了解每个机构的运动情况。 SolidWorks 支持对设计方案进行动态修改，设计者可以通过自己修改参数来改变零件尺寸以及装配体中的各个零部件的尺寸大小和特征形状，使得修改工作变得简单易行。经过装配仿真检验后修改好的装配设计方案，可利用 SolidWorks 的“爆炸”功能，通过设计适当的爆炸视角、爆炸方向和爆炸距离，生成等轴测分解图，然后重新设定各个构件的相对位置，显示其结构和相互间的装配关系，如图3.6所示。图3.6 装配体生成爆炸图4 论文研究的主要内容本文将在对比传统机械设计方法与计算机辅助设计的基础上，对多个计算机辅助设计软件进行分析比较，根据胶印机输墨装置的特征和设计要求，并考虑软件实际操作和工作特性等多方面因素，初步选择SolidWorks软件对八开印刷机输墨装置进行建模。之后将利用SolidWorks软件根据实际需要建立输墨装置的仿真模型，在建模后可以利用计算机对输墨装置进行静态性能分析、静态应力分析，这对评价胶印机性能来说具有一定实际意义。同时也能方便随时调用现有胶印机的设计方案，以便于设计人员进行参考，有利于今后胶印机输墨装置新设计的开发和产品的更新换代。论文主要研究以下内容：利用Solidworks进行三维环境下的零件建模：利用软件的实体造型功能构造出八开胶印机输墨装置各个运动构件的三维模型，例如齿轮、槽轮、墨辊、支极、调压杆等，以及轴、销等辅助构件。然后根据墨辊之间排列关系和各个机构的运动特点，通过测量实际运动构件的实际参数，选择每个零件的原点位置，建立完整的三维零件体。装配体模拟装配：利用软件对以设计好的零件自动装配，再根据设计意图和输墨装置零件在装配模型中的位置以及相互关系，结合零件的自身特点和具体的运动条件，不断地调整自己的设计模型和配合要求，使零件结构设计更符合功能要求。对装配体进行干涉检验，可通过与传统设计过程的对比体现现代计算机设计方法的智能性与可靠性，实现计算机辅助设计在印刷机械设计中的应用。2参考文献1 孔建益. 机械设计M. 北京：机械工业出版社，2012：14.2 王万新，王会. 现代设计方法和传统机械设计比较J. 科技资讯，2002，18（4）：100-102.3 段晓华. 计算机辅助设计在机械设计中的应用分析J. 晋城职业技术学院学报，2011，11（9）：56-59.4 李才运现代设计和传统机械设计比较J科技资讯，2012，（10）：975 万小利，高志. 计算机辅助机械设计M. 北京：机械工业出版社，2005：45-78 .6 ZHANGHai yan，RENLing hui，HEYan ling. Dynamic Simulation of Offset Printing Inking System Based on Undirected GraphJ. World Congress in Applied Computing，Computer Science，and Computer Engineering，2009：（4）35-37.7 田国富，张国忠. 计算机辅助设计软件J. 沈阳工业大学学报，2002，8（6）：73-79.8 王莹莹，郭文峰，李锦阳. AutoCAD、3DMAX、OpenGL在计算机辅助机械设计中的作用与比较J. 机械科学与技术，2002，24（3）：7-53.9 巩勇智. 基于SolidWorks的机构运动仿真研究D. 西安：西安理工大学硕士学位论文，2004：45-47.10 T. A. Fadner，Fadner Consultants，Oshkosh. Where the WaterReally Goes Quantitative Evaluation of the Net WaterFlow Rate Model for LithographyJ. TAGA，1995：251-276. 11 初红艳，康建山，陈振欢等. 胶印机输墨系统结构建模J. 北京工业大学学报，2013，（42）：89-92.12 苗鸿宾. 计算机辅助机械系统概念设计M. 北京：机械工业出版社，2010：74-79.13 何佼. AutoCAD软件在机械工程制图中应用的优缺点分析J. 科技论坛民营科技，2012，（12）：49-55.14 赵志. Auto CAD在机械设计中的应用J. 同煤科技，2007，（4）：82-88.15 任丰兰，曾经梁. Pro/E软件在机械制图中的应用J. 农机使用与维修，2012， 5（11）：39-44.16 韩锐，秦杰，徐小明等. Pro/E软件在机械CAD计中应用J. 装备制造技术， 2011，（7）：20-25.17 吴自达. 中职UG软件教学探析J. 信息技术教学与研究，2014，（88）：57-61.18 邓婕. 浅谈UG软件在机械设计中的应用与研究J. 机电与自动化，2012，4（11）：92-95.19 曹茹. SolidWorks2014三维设计及应用M. 北京：机械工业出版社，2014：93-104.20 Raimo Launonen