（机械设计及理论专业论文）木质素纤维添加设备的现代设计方法研究.pdf

a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：惭纯 刎年，月即日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：研，氧殳刎。年每月1 日 导师签名： f 彩3 人 i ? 口几年，月27 日 摘要 近年来，c a d c a m 技术越来越广泛地应用到机械设计中来，并取得了很好的应用 效果。在筑路机械方面，这种尝试也相当普遍。随着筑路机械的大量使用，新产品的设 计研发日新月异。在市场竞争中，谁的产品先上市，往往决定着谁在市场竞争中占优势。 如若能将计算机辅助设计技术引入进来，缩短产品开发周期，将具有重要意义。本论文 就是在这样的背景下进行参数化设计、优化设计和仿真的研究工作的。 首先，论文进行了4 0 0 0 型木质素纤维添加设备主要零部件的设计和配件的选型。 在此基础上，采用v i s u a lc + + 语言和p r o e 自带的开发工具p r o t o o l k i t 相结合的 方法在p r o e 上进行二次开发，生成纤维添加设备主要零部件参数化设计与装配系统。 在该系统中，只要输入纤维添加设备的设备型号，而不需要重复进行设计计算，就可以 准确生成所需型号的三维零部件模型；不用人工定义复杂的装配约束，系统就可以将生 成的零部件进行自动装配，生成各个机构的装配模型。 该参数化设计系统将设计计算、参数化设计和自动装配等功能综合到一起，具有较 好的智能性和自动性，大大提高了纤维添加设备的设计效率和质量，降低了产品的开发 成本，有较好的应用前景。同时，这对其余产品的参数化设计，也有一定的借鉴作用。 其次，建立纤维添加设备螺旋输料机构质量和效率双目标优化的数学模型，利用 m a t l a b 7 1 的优化工具箱对该数学模型进行求解，并最终达到了螺旋输料机构在质量最 小情况下效率最高的目标。优化设计不仅使该机构的结构得到了优化，并提高了设计效 率，有实用价值。 最后，将建立的纤维添加设备打散机构的虚拟样机进行干涉检查，并导入仿真分析 软件a d a m s 中进行打散工作的仿真，并输出打散叶片位移和角速度的曲线图，证明了 创建虚拟样机的正确性。将仿真技术运用进来，对提高产品设计效率有一定作用。 关键词：p r o e 、木质素纤维添加设备、参数化设计、自动装配、优化设计、仿真 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec a d c a mt e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e dt ot h e m e c h a n i c a ld e s i g n , a n dh a sa c h i e v e ds a t i s f a c t o r yr e s u l t s i nt h er o a dc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , t h i sk i n do fa t t e m p ti sa l s ov e r yc o m m o n w i t hr o a d b u i l d i n gm a c h i n e s m a s s i v eu s e s ，t h en e w p r o d u c t sd e s i g nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc h a n g e sw i t he a c hn e wd a y i nt h em a r k e t c o m p e t i t i o n , w h o s ep r o d u c t sc o m ef a s t ，o f t e nd e t e r m i n e sw h oi sd o m i n a n ti nt h em a r k e t c o m p e t i t i o n i ft h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt e c h n o l o g yc a nb ei n t r o d u c e di na n ds h o r t e nt h e p r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，i tw i l lb eo fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h ep a p e ri sc a r r y i n go nt h e r e s e a r c hw o r ko f p a r a m e t r i z a t i o nd e s i g nu n d e rs u c hab a c k g r o u n d a tf i r s t , t h ep a p e rc a r r i e so nt h ed e s i g nw o r ko ft y p e4 0 0 0 f e e d i n ge q u i p m e n to ff i b e r b a s e do nt h i s ，w i t ht h em e t h o do fu s i n gv i s u a l c + + l a n g u a g ea n dp r o en a t i v e d e v e l o p m e n tk i tp r o t o o l k i t , ic a r r yo nt h er e d e v e l o p m e n to fp r o ea n dg e n e r a t ea p a r a m e t r i z a t i o nd e s i g na n da s s e m b l ys y s t e m f o rf e e d i n ge q u i p m e n t sm a i np a r t s i nt h i s s y s t e m , a sl o n ga st h ei n p u to ft h ef e e d i n ge q u i p m e n t su n i tt y p e ，w ec a l lg e ta na c c r u t em o d e l o ft h er e q u i r e dt h r e e d i m e n s i o n a lp a r t sa n dc o m p o n e n t sw i t h o u tt h en e e df o rr e p e a t e dd e s i g n c a l c u l a t i o n s i m i l a r l y , w i t h o u tt h en e e df o rt h ea r t i f i c i a ld e f i n i t i o no fc o m p l e xa s s e m b l y c o n s t r a i n t s ，t h es y s t e mc a na u t o m a t i c a l l ya s s e m b l ep a r t sa n dg e n e r a t et h ea s s e m b l ym o d e lo f e a c h o r g a n i z a t i o n f u n c t i o n s ，a sd e s i g nc a l c u l a t i o n ，p a r a m e t r i z a t i o nd e s i g na n da u t o m a t i ca s s e m b l y , a r e i n t e g r a t e di n t o t h i ss y s t e m s ot h es y s t e mh a sg o o di n t e l l i g e n c ea n da u t o m a t i s m ，g r e a t l y i n c r e a s e st h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h ef e e d i n ge q u i p m e n t , r e d u c e st h ep r o d u c t d e v e l o p m e n tc o s ta n dh a sb r i g h ta p p l i c a t i o np r o s p e c t a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra l s oh a s s o m e t h i n gf o rr e f e r e n c ef o ro t h e rp r o d u c t s p a r a m e t r i z a t i o nd e s i g n t h e n ，t h ep a p e re s t a b l i s h sam a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hh a st h eo p t i m a lw e i g h ta n d e f f i c i e n c ya sd o u b l eo b j e c t i v e t h e n , u s et h em a t l a b 7 1o p t i m i z a t i o nt o o l b o xt oc a l c u l a t et h e m a t h e m a t i c a lm o d e la n da c h i e v et h et a r g e to fm i n i m u mw e i g h ta n dh i g h e s te f f i c i e n c y i ti s r e a l i z e dt h a tt h em e c h a n i s mi so p t i m i z e da n dt h ed e s i g ne f f i c i e n c yi sr a i s e d ，a n dt h ew o r ki s o fp r a c t i c a lv a l u e i i i a tl a s t ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p i n go ft h ed i s p e r s i n gm e c h a n i s mh a sa l li n t e r f e r e n c ec h e c k a n di si m p o r t e dt ot h es o f t w a r ea d a m st oh a v eaw o r kp r o c e s ss i m u l a t i o n t h e nt h ec u r v e s o ft h ed i s p e r s i n gl e a v e s d i s p l a c e m e n ta n da n g u l a rv e l o c i t ya r ee x p o r t e d 1 1 1 e yp r o v et h a tt h e v i r t u a lp r o t o t y p i n gi sc o r r e c t l ye s t a b l i s h e d t h ea p p l i c a t i o no ft h es i m u l a t i o np l a y ss o m er o l e i nt h ei m p r o v e m e n to ft h ed e s i g ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：p r o e ；f e e d i n ge q u i p m e n to ff i b e r ；p a r a r n e t r i z a t i o nd e s i g n ；a u t o m a t i c a s s e m b l y ；o p t i m u md e s i g n ；s i m u l a t i o n ； 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 木质素纤维添加设备的发展概述1 c a d 技术的发展现状与趋势。2 参数化设计的概述4 优化设计的概述5 虚拟样机技术的概述6 1 2 本课题的研究意义6 1 3 课题研究的主要内容。8 第二章木质素纤维添加设备主要零部件的结构设计1 0 2 1 木质素纤维添加设备的结构与工作原理一1 0 2 1 1木质素纤维添加设备的基本结构1o 2 1 2 木质素纤维添加设备的工作原理1 l 2 2 木质素纤维添加设备的设计思路1 l 2 34 0 0 0 型木质素纤维添加设备主要零部件的结构设计1 2 2 3 1料仓与打散机构主要尺寸计算1 3 2 3 2 输料机构主要尺寸计算1 6 2 - 3 - 3 其他配件的选型1 8 2 4 本章小结。1 9 第三章基于p r o e 的木质素纤维添加设备主要零部件参数化建模2 0 3 1 参数化设计技术一2 0 3 2p r o e 软件的介绍2 1 3 3p r o g r a m 参数化建模方法2 2 3 4 木质素纤维添加设备主要零部件的参数化建模与自动装配2 4 3 4 1 螺旋输料机构的参数化建模过程2 4 3 4 2 打散机构的自动装配2 8 3 5 本章小结一3 2 第四章基于p r o t o o l k i t 参数化设计系统的二次开发。3 3 4 1 基于p r o 厂r o o l t 二次开发的基础知识3 3 4 1 1p r o t o o l k i t 的介绍3 3 4 1 2 基于p r o t o o l k i t 的二次开发过程3 3 4 2 木质素纤维添加设备主要零部件参数化设计系统的二次开发过程3 8 4 2 1参数化设计系统的总体框架3 8 4 2 2 系统菜单与子菜单的设计3 9 2 3系统用户对话框的设计4 0 2 4 源程序的详细设计4 2 2 5 程序的编译、注册与运行4 3 木质素纤维添加设备主要零部件参数化设计系统的展示与应用。4 4 3 1 参数化设计流程4 5 3 2 参数化设计系统的展示4 5 4 4 本章小结4 9 第五章木质素纤维添加设备螺旋输料机构的优化设计5 0 5 一1 1 前言5 0 日i j 舌5 0 5 2 优化设计的基本理论5 0 5 2 1 优化设计的数学模型5 0 5 2 2 优化设计的迭代计算及收敛条件51 5 3 木质素纤维添加设备螺旋输料机构优化数学模型的建立5 3 5 3 1 设计要求5 3 5 3 2 变量设置。5 3 5 3 3目标函数的建立5 4 5 3 4 约束函数的建立5 4 5 3 5 总体优化设计数学模型的建立5 7 5 4 优化结果分析。5 8 5 5 本章小结6 0 第六章基于虚拟样机技术的打散机构运动仿真分析6 1 6 1 基于p r o e 软件的虚拟装配与干涉检查6 1 6 2a d a m s 软件的简介6 3 6 3 打散机构的运动仿真6 3 6 3 1 仿真过程。6 3 6 3 2 仿真结果与分析6 5 6 4 本章总结。6 7 结论与建议6 8 参考文献6 9 致 射7 1 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 木质素纤维添加设备的发展概述 从2 0 世纪6 0 年代开始，首先在德国成功地利用随着现代公路交通建设事业的迅猛 发展，人们对公路路面的质量与寿命等指标提出了越来越高的要求。顺应人们的要求， 各种新型路面材料、新的施工工艺不断涌现。沥青马蹄脂碎石混合料( s t o n em a s t i c a s p h a l t ，简称s m a ) 路面便是其中之一【l 】。s m a 是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉和少 量细集料组成的沥青马蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而形成的沥青混合料。使用 中发现，s m a 路面是一种具有良好的热稳定性、抗滑耐磨、抗高温车辙、低温开裂少、 密实持久、使用寿命长的新型路面结构。 s m a 摊铺交通量最繁重的公路路面，鉴于其卓越的表现特性，很快在欧洲的主要 国家被接受和采用并将其作为抗磨损道路的标准。自1 9 9 0 年美国赴欧洲实地考察研究 之后，也在美国的各个州推广开来。在我国公路建设中，s m a 路面的使用目前正处于 推广应用阶段。在首都机场高速公路、山东省高速公路，陕西和辽宁等省的高速公路建 设中均有很好的表现。 木质素纤维是s m a 的稳定剂，它能使s m a 在拌和、储存、运输、摊铺及碾压过程 中保持稳定，并最终发挥优良的性能。传统的拌制s m a 过程中投入稳定剂的方法，多为 人工称量和投送。这种方法不仅要花费很多的人力，而且劳动强度大、工作环境十分恶 劣。更重要的是，这种人工的称量和投送，很容易出现失误，产生误差，从而影响到 s m a 的拌和质量。严重时，很可能一批混合料都将作废，造成很大的经济损失和工期 延误。 针对这种情况，与沥青混凝土拌和设备配套使用的木质素纤维添加设备便应运而 生。 在生产s m a 时，一些欧洲大陆上的国家，像德国、英国等等国家，他们的生产办 法就是如下的，事先早点加工出纤维、沥青、骨料、粉料等全部混合的混合物颗粒，苒 把混合物吹送到拌和楼的拌锅里面去。但是不同的是，我们中华人民共和国国内生产 s m a 时采用的纤维材料的风送添加的手法和美利坚合众国是一样的，那就是直截了当 地将纤维粉料风送吹入进拌和楼的拌和锅里面，因为事实证明这样做时，生产成本更低， 第一章绪论 更适合我国国情，也有利于向市场上推广流行开来。另外不一样的是，在美利坚合众国 的公路建设开发施工中，拌和楼的工作形式好多都是连续工作形式的，而但是在我们中 华人民共和国国内，工地上所使用的拌和楼则为间歇工作的形式的。所以，中华人民共 和国各企业和科研院所所研发设计的都是与间歇工作形式的沥青拌和楼( 站) 相匹配、 相适合的纤维粉料的添加设备和机械【2 1 。随着国内越来越多的纤维添加设备和沥青拌和 楼配套使用，如沈大高速、成南高速、沪宁高速等重点工程中均采用了专门的木质素纤 维添加设备，其优势也愈加明显地显现出来。 优势一，人工投料，误差较大。由于投料工人连续工作，粉尘、噪音等使工人易疲 劳产生误差，少投或多投一包造成的误差较大。而添加设备投料信号采自拌和楼控制室， 工作完全与拌和楼同步，不会产生误差。 优势二，投料效率提高。纤维的添加在初期完全依靠人工预先计量，再人工投放， 大大加重了施工工作量。而采用添加设备，尤其是采用电子称量式设备后，完全达到了 充分松散、准确计量和自动输送的要求，比人工添加平均每锅少用6 8 秒。且传统人工 投料，投料人员不少于2 人。而采用添加设备后，仅用1 人就够，大大节省了人力。 目前，木质素纤维添加设备的控制精度不断提高，计算方式也由流量、容积计量发 展到电子称重计量。可以说，国产的各型号木质素纤维添加设备经过几年的实践检验， 正不断改进、完善，并走向成熟。 1 1 2c a d 技术的发展现状与趋势 c a d 技术( 即计算机辅助设计技术) 应用到机械工程的设计与制造，已经有四十 多年的历史，到今时今日，看看一个国家的c a d 技术好不好，就能知道这个国家的现 代工业发展现代不现代，这个国家的科技是不是走在时代前列，说c a d 技术作为任意 一个国家的工业、科技的现代化的衡量手段，是一点都不为过的。并且可以这样说，计 算机上面的辅助设计的技术正在引领着一场深刻的产品设计的技术革命浪潮【3 1 。 一c a d 技术的国外发展现状 在c a d 技术领域中，美国一直处于领先地位。到1 9 8 1 年为止，美国已在机械等 行业共采用了4 5 0 0 套左右的c a d ( 计算机辅助设计) 系统。到1 9 9 5 年，其数量增至1 9 万套，年平均增长率为3 l ，这是目前其它国家所不及的。在美国工业市场中c a d 技术的应用已从民航、机械扩展到2 3 个行业，可见在美国c a d 的普及化已达到相当 高的程度。 2 长安大学硕士学位论文 世界上其它一些工业发达国家如日本、英国、西蓓和法国等也都在大力发展c a d 技术，其中日本的发展情况尤为令人注目。日本从1 9 7 3 年开始采用c a d 技术， 到 8 0 年代获得迅速发展，1 9 8 6 年c a d 市场的销售额为1 9 8 3 年的3 倍，主要应用于汽 车等工业。此外，日本的c a d 集成化技术的发展也很快。 在国外c a d 技术的发展过程中，一些国家和公司采取了若干措施以促进c a d 技 术的推广应用：( 1 ) 从企业生产发展的需要出发，逐步推广采用相应的c a d 技术，以 达到预期的效果。( 2 ) 培养c a d 技术人材是推广应用c a d 技术的另一个重要措施。( 3 ) 政府的大力支持也是推广应用c a d 技术获得成功德重要因素。 二c a d 技术的国内发展现状 上世纪，也就是2 0 世纪的7 0 年代中段的时候，中华人民共和国内开始有人员和机 构开始去研究涉及机械c a d 技术的东西，二维的制图技术是当时各科研人员和科研机 构的研究的主要内容；上世纪，也就是2 0 世纪8 0 年代初段的时间，中华人民共和国开 始从国外成套地引进机械c a d 系统，并在此基础上进行了开发和应用；2 0 世纪9 0 年 代初段的时候，中华人民共和国国内科技人员虽然自己独立自主开发出来的c a d 辅助 设计软件还不是很多的见到，但是一些经过翻译变成中文版本和经过研究人员再次的改 进和修改的本来在国外开发出来的软件已经在中华大地的市场和研究院所的科研应用 当中出现在人们的视野当中；上世纪的9 0 年代末段的时间，中华人民共和国的科研人 员经过努力，开发了许许多多的c a d 辅助设计的软件和程序，并且这些软件和程序们 被相当地成功地使用在了机械设备、零部件等等的制图绘图当中和数据的分析、数据的 计算等等方方面面上面来了。 虽然c a d 设计的技术在我们中华人民共和国国内，可以说有了相当长足发展和长 进，但是不可否认的可以说，在软件和技术的应用以及软件和技术的后续开发上，我们 国家在深度的挖掘上和广度的涉及上面都还是难望很多工业和科学技术发达国家的项 背，像德国、美国、英国和日本等工业发达先进的地方。中华人民共和国国内科研院所 和企业所开发设计出来的c a d 技术的辅助设计软件可以说一般很难能够在我们国内的 软件市场上分获市场份额，更不要说占据有利的市场地位了，这些辅助设计的系统和软 件们的功能设置的很单调和有限，系统的集成化程度也可以说比较地低下，这些都是国 内开发的软件的缺陷和明显的不足之处。中华人民共和国国土上的c a d 技术辅助设计 的软件往往在很多的时候都还只是作为传统依依上的画图纸的代替品，并无他用。这些 软件们更深一点层次的应用还是没有，国内的科研院所、企业和高等院校等等很少会将 第一章绪论 这些辅助设计的软件系统用来进行机械产品和零部件的设计工作，而还仅仅是画图板而 已。只有克服这些弱点、不足、毛病，c a d 技术才能真正意义上地为我们中华人民共 和国的工业发展发挥作用，为现代化建设添砖添瓦。 三c a d 辅助技术的未来发展势头和趋向 c a d 计算机上的辅助设计技术的发展势头和趋向将一定会是朝着集成化、智能化、 参数化、标准化、网络化的方向发展和前进。 1 集成化能够很好地实现我们国家工业生产过程的自动、高科技和智能。我们努 力地提高c a d 辅助设计系统软件中各个环节和功能区块之间的合成集合程度，并且各 个c a d 辅助设计系统软件之间也要加强联合和连接，让c a d 辅助设计的技术在零部件 设计、机械产品和设备的开发中设计的每一步都能能够最大程度地被使用和调用。这样， 对工业生产过程智能化的实现很有帮助。 2 智能化零部件产品、机械产品和设备在进行设计时，设计人员的研发过程是相 当复杂和辛苦的，若c a d 辅助设计的软件系统如果仅仅被用来作为传统的制图板的代 替品进行机械画图制图是远远不尽如人意的。将人工智能的思维方式引入传承到传统的 c a d 设计系统中，大势所趋，将是c a d 技术革命浪潮中一朵美妙的浪花。 3 参数化参数化设计技术能非常有效地减少机械设备研发人员重复性的工作内 容和设计任务，减少企业和科研院所在研发时的付出，经济效益也会得到很大的提高。 当设计对象的结构形状比较定型不变的时候，采用参数化设计是很好的选择。 4 标准化将国家c a d 技术标准化，推出权威、公正、可操作的c a d 标准体系， 促进c a d 应用工程的规范化，并为集成化的实现提供保证。 5 网络化基于i n t e r a c t 技术的c a d 产品，可以高效地传输图纸，这对于控制成本和 加快产品上市至关重要1 4 】。 1 1 3 参数化设计的概述 参数化设计作为c a d 技术的发展趋势之一，正在工业产品的设计与生产中发挥着 越来越重要的作用。 参数化设计的基本思想，是以约束来表达产品模型的形状特征，通过从模型中提取 一些主要的定形、定位或装配尺寸作为自定义变量，修改这些变量的同时由一些公式计 算并变动其他相关尺寸，从而方便地创建一系列形状相似的零件。这种用尺寸驱动、修 4 长安大学硕士学位论文 改图形的功能为初始产品设计、产品建模、修改系列产品设计提供了有效的手段，能够 满足设计具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品及相关工艺装备的需要。 参数化设计的优点，是对设计人员的初始设计要求低，无需精确绘图，只需勾绘草 图，然后可通过适当的约束得到所需精确图形；便于编辑、修改，能满足反复设计的需 要。参数化技术使得设计者可以通过设计参数来驱动产品零件的几何模型；与传统的建 模方式比较，参数化设计将设计者从琐碎的拼凑几何元素的操作中解放出来，大大简化 了用户生成和修改零件模型的操作，做到了仅通过利用编程语言所编程序界面输入参 数，就完全自动地创建模型，大大提高了设计效率。 在早期，主要是进行二维的参数化设计。但由于二维图形直观性不强，不能进行干 涉检查、模拟装配等，导致参数化设计的推广受到了限制。但是随后出现的一批三维 c a d 软件，如p r o e 、u g 、s o l i d w o r k s 等，他们不仅有较强的三维参数化设计功能，还 能进行干涉检查、虚拟装配等【5 1 。可以说，至此，参数化设计出现了较大发展。它的发 展也为c a d 技术带来了新一轮的技术革命。 1 1 4 优化设计的概述 传统的机械产品设计需要经过设计、绘图等繁琐的环节，且这些工作都要靠设计人 员手工完成。随着现在市场竞争的需要，新产品的开发周期日益缩短。因此，这种传统 设计方法越来越不能适应开发的需要。 另外，机械产品的设计总是希望能够获得性能、可靠性、成本等各方面效益。这就 要求设计人员能从一系列可能的设计方案中选取一个最好的方案。但是，在传统的机械 设计中，因为时间和经费的限制，供选的方案有限，且不一定能从中选择出最好的。 近几十年来，随着计算机技术的发展，在机械设计领域内，已经可以用一些现代的 设计方法来满足上面提出的对机械设计的要求。上世纪6 0 年代发展起来的优化设计 ( o p t i m u md e s i g n ) 便是一种能满足此类要求的先进的设计方法。 所谓的优化设计，即借助于最优化设计数值计算方法和先进的计算机技术，求解工 程实际问题的最优设计方案【6 】。 在进行机械产品的优化设计时，主要有两个步骤：一是建立数学模型，即将工程实 际问题进行数学描述，可以由数学解析式、试验数据或经验公式等来表示；二是优化问 题的求解方法( 即优化方法) ，需要选用一种最优化数值计算方法和计算机程序，利用 计算机来进行运算和求解，最终得到的一组设计参数就是设计的最优求解。 5 动所需的力和反作用力。同时，虚拟样机技术还融合进了其他的一些机械设计技术，如 三维建模技术、机电液控制技术、有限元分析技术和优化设计技术等7 1 。 在一些发达国家，比如美国、德国、日本等，虚拟样机技术已经有了相当广泛的 应用，应用领域也涉及了汽车、工程机械、国防、航空、机械电子等各个方面。并且在 这些实际应用当中，证实了虚拟样机技术具有很好的应用价值。目前，我国对虚拟样机 技术的应用也很广泛，很多高校和研究机构都在进行这方面的研究工作，并取得了良好 的效果。 将虚拟样机技术应用到机械设计中，势必能推动机械行业的发展，使设计人员再虚 拟的计算机环境中，就能实现产品的仿真和优化，这将使我国的机械产品设计达到一个 新的阶段。 1 2 本课题的研究意义 当前，世界制造业的市场竞争日益激烈。一个企业若想在竞争中处于不败之地，一 个关键的因素就是：能否先于自己的竞争对手把自己的产品推向市场，以抢得市场的先 6 长安大学硕士学位论文 机。换言之，对于企业来说，时间就是商机，时间就是效益。而在将产品推向市场的过 程中，产品的设计研发占据了很长一段时间。所以，要想适应现代商业社会中市场需求 的迅速变化，缩短产品上市时间，就要提高产品开发效率。而我们企业传统的设计方法， 通常需要花费大量的人力、物力、财力，新产品走向市场的时间较长，从而减弱了企业 在市场中的竞争力。产品研发周期与质量是每个制造企业需要面对的问题，先进的产品 研发方法与手段便是其最有利的保证。参数化设计和优化设计等先进的现代设计方法， 就是在这种环境下产生的。由于它们给产品设计所带来的方便性、对市场需求反应的灵 敏性，成为现代产品开发设计的热门手段。 木质素纤维添加设备是和沥青拌和楼配套使用的重要辅助设备。它的应用，大大提 高了s m a 路面的质量，也减少了人力资本。近年来，随着s m a 路面得到越来越广泛 的认可，木质素纤维添加设备的使用也得到了极大推广。所以，设计与相应型号的沥青 拌和楼配套使用的纤维添加设备就成为一项重要的设计内容。而往往与不同型号配套使 用的纤维添加设备结构类似，只是在尺寸上有所改动。如若采用传统的设计方法对其进 行设计，必将耗费设计人员大量的时间与精力，使设计工作进行大量的重复性劳动。参 数化设计方法就与传统的设计方法截然不同，特别是对经常需要修改的零部件设计，采 用此方法将使修改工作容易很多。它将大大提高设计效率，避免重复性劳动。随着计算 机的发展，将参数化设计理念运用纤维添加设备的设计实践中，已是一个实际可行而且 明智高效的方法。同时，结合运用优化设计方法，合理、快速地确定最佳设计尺寸，使 质量、效率和成本等达到最佳设计目标。因此，优化设计也具有提高设计质量和设计效 率的巨大实用价值。最后，将虚拟样机技术应用进来，在计算机屏幕上就能进行机构工 作过程分析，缩短了产品研发周期，节省了人力、物力和财力，在产品设计中发挥了很 大的积极作用。 本课题中，木质素纤维添加设备主要零部件参数化设计系统将专门针对木质素纤维 添加设备的主要零部件开发一个智能化的设计平台，这是在前人木质素纤维添加设备设 计经验的基础上，建立的一套基于高级计算机语言和三维c a d 软件的木质素纤维添加 设备主要零部件参数化设计系统。为设计者提供更为有效的设计手段和方法，并将木质 素纤维添加设备零部件设计人员从繁琐的工作中解放出来，节约大量的时间，这将大大 提高设计质量和设计效率，实现设计过程的智能化。有利于提高我国木质素纤维添加设 备的自主开发能力，因此具有很大的实用工程价值和经济效益。同时，通过对三维c a d 软件二次开发技术的具体探讨，相信对类似系统的开发也将会有较大的参考价值。 7 计，提高了螺旋输 运用优化设计的方 有显而易见的经济 综上所述，对木质素纤维添加设备进行参数化设计和优化设计有着广阔的研究与应 用价值。为了达到本课题的研究目的，主要进行以下几个方面的工作内容： ( 1 ) 理清参数化设计的背景知识及其应用情况，熟悉木质素纤维添加设备的结构， 工作原理与设计要点。 ( 2 ) 木质素纤维添加设备主要零部件的设计过程。在完全熟悉3 0 0 0 型木质素纤维 添加设备的结构、设计要点的基础上，根据具体设计要求，对4 0 0 0 型木质素纤维添加 设备的主要结构进行设计。 ( 3 ) 建立木质素纤维添加设备主要零部件的参数化模型。分析木质素纤维添加设备 主要零部件结构中各尺寸间的相互关系，选择合适的尺寸做驱动参数，在三维c a d 系 统p r o ew i l d f i r e 2 0 中建立由选取的参数就能驱动生成的木质素纤维添加设备主要零 部件参数化模型。这其中包括添加设备各零部件的参数化模型和装配模型。 ( 4 ) 利用v c + + 6 0 的编程功能和p r o e 2 0 中p r o t o o l k i t 提供的二次开发接口， 进行木质素纤维添加设备主要零部件参数化设计系统的开发。通过此系统的界面输入参 数，实现不同型号添加设备主要零部件的三维模型输出。开发出的设计系统主要包括添 加设备打散机构和螺旋输料机构零部件的参数化设计和自动装配。 ( 5 ) 在满足木质素纤维添加设备螺旋输料机构刚度、强度和其他性能要求的前提下， 对该机构进行结构的优化设计。建立效率和质量双目标优化数学模型并利用b t a t l a b 7 1 求解最优结构参数。优化设计后，该机构获得的工作效率和自重更优于原始设计方法获 得的数据。 8 长安大学硕士学位论文 ( 6 ) 在p r o e 软件中进行木质素纤维添加设备打散机构虚拟样机模型的创建和干涉 检查，并将该模型导入仿真分析软件a d a m s 中进行运动仿真分析，输出打散叶片位移和 角速度曲线图，证实了所创建虚拟样机模型的正确性。 9 第二章木质素纤维添加设备主要零部件的结构设计 第二章木质素纤维添加设备主要零部件的结构设计 木质素纤维添加设备主要零部件参数化设计系统是一个专门的设计软件，那么在开 之前，我们必须首先掌握木质素纤维添加设备本身的结构、工作原理、设计要求和设 过程等。只有这样，才能开发出合理准确的参数化设计系统，真正达到参数化设计的 求。本章主要对木质素纤维添加设备的结构、工作原理进行详细说明，并具体介绍添 设备主要零部件的设计过程。 2 1 木质素纤维添加设备的结构与工作原理 木质素纤维添加设备是为了适应我国沥青路面建设中的沥青马蹄脂碎石( s m a ) 路 面的发展需求而开发设计的，是实现高等级s m a 路面施工必不可少的理想设备。下面 详细介绍木质素纤维添加设备的结构与工作原理。 2 1 1 木质素纤维添加设备的基本结构 木质素纤维添加设备主要由两部分组成，即主机和智能配料控制器两部分。 纤维添加设备的主机部分主要包括料仓、料仓打散机构、物料螺旋输送机构、叶轮 给料机和风送机构等。其基本结构图如下图2 1 所示。 1 6 图2 1 木质素纤维添加设备 卜料仓2 一料仓打散机构3 物料输送机构 4 一叶轮给料机5 - 风送机构6 一电机 1 0 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 料仓：圆柱形料仓位于添加设备的最上方，准备好的纤维物料通过料仓上方 的仓门被工人投放进来，并存储于此。同时，料仓中装有物料称量传感器，利用减料称 量的方式进行每锅物料添加量的控制。 ( 2 ) 料仓打散机构：位于添加设备的料仓内，由3 根均布了多片打散叶片的空心 轴组成，3 根轴同时匀速转动，叶片带动块状的木质素纤维物料在料仓内旋转，进行充 分的打散、疏松，使之成为散状或粉状。 ( 3 ) 物料输送机构：位于添加设备料仓的下方，主要由螺旋输料轴和壳体组成。 经过料仓打散机构打散疏松的纤维物料经过料仓底部仓门进入物料输送机构，其中的螺 旋输料轴按调定的速度匀速转动，将物料进一步打散，并将物料螺旋带动，输送到叶轮 给料机。 ( 4 ) 叶轮给料机：位于物料螺旋输送机构出料口的下方，其作用是避免风送机构 在吹送纤维粉料时，将纤维粉料反吹回螺旋输料机构，从而保证物料能连续、均匀地被 输送到下一机构中。 ( 5 ) 风送机构：在智能控制器的控制下，风机定时定量地将疏松纤维物料吹送入 拌和楼的拌缸内。 ( 6 ) 智能配料控制元件：利用可编程控制技术进行工作。配料控制元件能实现精 度很高的自动控制工作内容。控制配料的配料控制元件可以通过在控制界面进行设置和 修改“木质素纤维粉料的风机吹送时间、“木质素纤维粉料的重量设定数值 等等 参数来实现自动化的木质素纤维粉料的称量工作；当木质素纤维粉料称的重量还不到、 木质素纤维粉料还没有被及时地送入道拌和的缸内时，配料控制元件有自动发出警报的 能力，能警告操作人员注意进行操作。 2 1 2 木质素纤维添加设备的工作原理 操作人员将事先准备好的纤维物料投放到纤维添加设备的料仓内。料仓内的打散轴 由电机带动进行匀速转动，打散叶片旋转带动投入到料仓内的纤维物料，并对其进行打 散、疏松，使原来呈粒状或块状的纤维物料呈散粉状或絮雾状，达到蓬松的效果。 控制配料的控制配料元件首先完成我们的木质素纤维添加机械进行一缸木质素纤 维粉料的计量工作，每时每刻等待着输送吹送给沥青拌和楼内的拌和锅进行木质素纤维 粉料混合料的拌和。木质素纤维粉料称量重量开始的时候，粉料称量控制元件掌控打开 叶轮给料机的进料闸门，并同时启动螺旋输送轴进行旋转，螺旋带动纤维物料输入叶轮 第二章木质素纤维添加设备主要零部件的结构设计 给料机，等待风机的吹送。通过装在料仓内的计量传感器，粉料称量控制元件变动地计 算木质素纤维粉料的重量变化过程，木质素纤维粉料一旦达到了以前已经设置好的重量 设定数值，就应该立刻关闭进料的开口，并且马上停止螺旋输料机构螺旋输送木质素纤 维粉料，一次完整的木质素纤维粉料的准备工作就准备妥当完全了。 粉料称量控制元件与我们的沥青拌和楼总机房中的计算机是连接在一起的，时时刻 刻等待沥青拌和楼的添加木质素纤维粉料的指导口号。控制元件一收到风送粉料的口 号，风送机构的风送闸板马上就打开了，风机将以前早就准备妥当的合格的木质素纤维 粉料在设置好的规定的时间许可范围内吹送进拌缸内参加拌和工作。风送完成好，立即 关闭风送闸板。等待一定的时间间隔后，控制进行木质素纤维粉料称量的控制元件自动 地掌控进行到下一个轮回的粉料的称重和传送。 从时间上来讲，沥青拌和楼拌和一锅混合料的周期应长于木质素纤维添加设备的运 行周期，即木质素纤维添加设备永