（机械工程专业论文）90度直裁技术改造及设计方法研究.pdf

) 卜 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 摘要 虚拟设计己经成为未来产品设计的主要发展方向。本文简要介绍了虚拟设计 技术的概念、形成及目前的发展状况，阐述了当前橡胶行业国内外9 0 度钢丝帘 布裁断机的状况、发展趋势，以及9 0 度帘布裁断机在轮胎生产中的重要作用及 结构、生产流程；针对国内现有的钢丝帘布裁断机裁刀使用寿命短，裁刀更换频 繁且困难等缺点，根据国外设备的先进裁断原理，自行设计了一种新的裁断装置， 并运用虚拟设计技术与有限元分析技术，对9 0 度钢丝帘布裁断机改造项目中的 主要零部件一一上横梁的结构静力特性进行了研究。利用三维建模软件 p r o e n g i n e e r 软件建立了裁断机上横梁的有限元模型，通过有限元方法对梁 截面尺寸进行优化设计，使设备在经济和可靠方面达到一个平衡点；利用大型有 限元分析软件a n s y s 8 0 软件对模型的静力特征进行有限元分析，得到模型受力 状态下的应力和应变图，根据分析结果，对设计进行了相关改进。并通过改造， 对虚拟设计这种新的设计方法进行了探讨。 横梁 关键词；虚拟设计，p r o e ，a n s y s 有限元分析，9 0 度钢丝帘布裁断机，上 il嘎llj 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 a b s t r a c t t h ev i r t u a ld e s i g nh a sa l r e a d yb e c o m et h em a i nd e v e l o p m e n tt r e n do f t h ef u t u r ep r o d u c t sd e s i9 1 1 t h i sa r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ec o n c e p t o f v i r t u a ld e s i g nt e c h n o l o g y ，f o r m i n gp r o c e s sa n dt h ep r e s e n td e v e l o p m e n t s i t u a t i o n ， i te l a b o r a t e dt h es t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do ft h e9 0d e g r e e b o d yc o r d sc u t t i n gm a c h i n ei nt h en o w d a y st i r eb u s i n e s s ，a sw e l la si t s v e r yi m p o r t a n tr o l e ，s t r u c t u r ea n dp r o d u c t i o np r o c e s si nt h ep r o d u c t1i n e i nv i e wo fv e r ys h o r ts e r v i c e1i f ea n df r e q u e n t l yc h a n g i n gf o c u si nt h e c u t t i n gb l a d e id e s i g n e dan e wd e v i c ei n d e p e n d e n t l ya c c o r d i n gt ot h e a d v a n c e dt h e o r yf r o mo v e r s e a s u s i n gv i r t u a ld e s i g nt e c h n o l o g ya n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g yi nt h es t u d yo ft h eu p c r o s s b e a m , w h i c hi s k e yp a r to ft h er e f o r mp r o j e c ti n9 0d e g r e eb o d yc o r d sc u t t i n gm a c h i n e u s i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lp r o g r a m - p r o e n g i n e e ro n ef i n i t e e l e m e n tm o d e lh a sb ee s t a b l i s h e df o rt h eu pc r o s s b e a mi nt h ec u t t i n g m a c h i n e o o p t i m i z i n gt h es e c t i o ns i z eb yt h ew a yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d s oi tc a u s ep r e s e n tab a l a n c ep o i n tb e t w e e nt h ee c o n o m ya n dr e l i a b i l i t y t h el a r g es c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y z es o f t w a r e a n s y 8 0 ，w h i c ha l s o b eu s e di nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y z i n go fs t a t i cf o r ec h a r a c t e ri nt h i s t e x t a f t e rt u n i n gt h i sa n a l y t i c a lp r o g r a m 。w eg o tt h et h em o d e ls t r a i n c h a r ta n dc h a n g i n gs t r a i nc h a r tu n d e r i n gt h es t r e s sc o n d i t i o n o u rd e s i g n h a sb e e ni m p r o v e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i c a lr e s u l t s a n dw ea l s o d e v e l o p in gt h ed i s c u s s i n gi nt h i sn e wk i n do fp r o d u c td e s i g nf r o mt h e p r o j e c t k e yw o r d ：v i r t u a ld e s i g n ，p r o e ，a n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，9 0 d e g r e eb e d yc o r d sc u t t i n gm a c h i n e ，u p - c r o s s b e a m 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 第一章绪论 虚拟设计是20 世纪90 年代发展起来的一个新的研究领域，它是计算机图 形学、人工智能、计算机网络、信息处理，机械设计与制造等技术综合发展的产 物，在机械行业有广泛的应用前景，如虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成、 虚拟制造等。目前，虚拟设计对传统设计方法的革命性的影响已经逐渐显现出来。 由于虚拟设计系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设 计、开发与加工过程在计算机上的本质实现，即完成产品的数字化过程。与传统 的设计和芾造相比较，它具有高度集成、快速成型、分布合作等特征。虚拟设计 技术不仅在科技界。而且在企业界引起了广泛关注，成为研究的热点。 虚拟设计应用到产品设计中，实现新的设计方法和理论，已经被普遍认为是 下一代产品设计的主要发展方向之一。 1 1 虚拟设计的形成 在产品设计过程中，设计人员需要将对产品的构思、设计等头脑中的思维模 型反映出来，变成工程上可以理解的几何形象模型。这是一项复杂的工作，最终 产品性能的好坏，在很大程度上受其设计特性所左右。在开发产品时，有关产品 的结构、功能、操作性能、生产工艺、装配性能、甚至维护性能等许许多多问题 都需要在开发过程的前期得到解决。通常，人们借助理论分析、c a d 系统和各种 比例的事物模型，也可以参考先前产品的开发经验来解决有关新产品开发的各种 问题。由于有关装配、操作和维修的问题往往只会在产品开发的后期或在最终产 品试车过程中、甚至在投入使用一段时间后才能暴露出来，尤其是有关维修的问 题往往是在产品已经售出很长时间以后才能被发现。为了解决这些问题，有时产 品就不得不返回到设计构造阶段进行必要的设计变更，这样的产品开发过程即效 率低、耗时、费用又高。 产生这个问题的原因是产品在前期开发阶段，由于缺乏试验用样机，不可能 取得足够的实际经验以避免产生潜在的问题和缺陷，虽然产品本身的功能可以通 过模拟的方法得以测试和检验，然而要预先测试和检验入机交互性能是非常困难 的。仅借助现行的c a d 系统很难断定装配过程中是否存在问题，用户在使用过程 中是否遇到困难等。所以迫切需要一种更加自然的人机接口环境，特别是要求设 计人员在产品的设计阶段就要考虑其生命周期内的全部因素，如功能结构、设计、 可制造性、可装配性、可靠性、可维护性、经济性等。 虚拟设计技术将提供解决这些问题的新方法。即便是在设计的初级阶段，计 算机产生的最初模型也可以放入虚拟环境进行试验，甚至可以直接在虚拟环境中 创建产品模型。这样不仅可以使产品的外表形状和功能得到模拟，而且有关产品 的人机交互性能得到测试和检验，使产品的缺陷和问题在设计阶段就能被及时发 现并加以解决。 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 1 2 虚拟设计的概念及发展趋势 虚拟设计是以产品的最优性能为目标函数的新的设计思想，在以往的研究中 由于环境的限制和技术的局限，设计者在设计过程中无法对产品的最终性能进行 估计和控制，而网络技术的出现，使设计者在设计过程中能够突破环境、技术和 材料等因素的限制，从而来实现对所设计产品其最终性能指标的估计和控制，即 完成真正意义上的产品性能设计、虚拟设计既是机械设计思想的重大变革，也是 对传统机械工业模式的重大突破，它更接近机械设计的本质；它的实现和发展， 将在很大程度上推动机械设计的发展和机械产品性能的提高。使之更能适应当前 科技发展的前沿方向，不但具有十分重要的学术价值和实际意义，同时对于未来 的制造业也具有重要的指导意义，与之相关的理论和应用技术的研究，将进一步 推动网络和计算机技术的发展和普及，同时，可为其他行业的网络化发展提供一 定的技术和理论指导。 如果说c a d 技术的发展使机械工业甩掉图板的革命，那么可以说，虚拟设计 系统将给机械工艺革命带来一个更深入更彻底的信息技术革命，它将使机械工业 不但能摆脱繁重复杂的设计任务，彻底打破传统的产品开发模式，开创集设计、 制造、试验于一体的集成产品开发模式，大类节省新产品的开发投资，而且能够 打破零部件生产和材料的限制，缩短制造周期，从而实现制造行业过程控制的全 面信息化。 由于虚拟设计使一门新兴的设计计算，目前对它还没有一个统一的定义。 虚拟设计是在虚拟现实技术的基础上产生的。近几年来，随着计算机技术的 发展，虚拟现实技术与高速发展的c a x ( c a d c a m 及c a e 等) 系统有机结合，为产品 的创意、变更以及工艺优化提供了虚拟的三维环境。设计人员借助于这样的虚拟 环境可以在产品设计过程中，对产品进行虚拟的加工、装配和评价进而避免设计 缺陷，有效的缩短产品的开发周期，同时降低产品开发成本和制造成本。越来越 多的人已经认识到这种技术是集中可靠的，行之有效的辅助设计技术。初步的实 践证明，这些技术对产品的概念设计，装配设计和人机工程学评价特别有益，因 此对这三方面的应用倍受重视，这项技术成为“虚拟设计”。 “虚拟设计”属于新兴的多学科交叉技术。它涉及众多的学科和专业技术， 它是以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象的基于自然交互式的设计手段。 虚拟设计可以把设计人员从传统的键盘和鼠标中解脱出来，使他们可以通过众多 的传感器与多位的信息环境进行交互，同时利用这项技术也可以大大地减少实物 模型和样机的制造。 虚拟设计技术充分的利用了虚拟设计技术，但它又不同于一般的虚拟设计技 术，它又具有虚拟现实特征，如：自主性、交互性、沉浸感等。 在虚拟设计技术中，设计者大多采用三维方式，建立的数字模型使全关联的。 当需要绘图数据时，可以方便的从三维模型中抽取，实现三维数字无图纸设计， 同时还要求竞选产品总体的模型设计，而不仅限于设计单个部件或零件，设计者 需要了解零件如何制造、装配，并应用于设计过程，各专业人员不再分开独立工 作，而是按照项目进行组织并同时开展工作，能够很好地解决设计过程中的同步 闻题。 采用三维图纸的立体模型，使得在产品设计时就可以确定产品的所有物理性 能，包括重力，质量，破面特性及重心等。通过装配模拟软件，产品设计人员可 以检查部件的间隙和相互干扰，并在实际加工之前就建立了整个产品的虚拟工作 2 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 原型，对此虚拟原型进行试验，分析应力和变形等。若设计不符合标准，可以十 分方便的更改模型，并重新生产模型。由于设计方案的更改工作是在加工装配之 前完成的，因此可以有效降低生产成本并避免返工等。 利用虚拟设计方法进行虚拟产品开发无须按传统方式费时、费钱地开展设计、 制造及试验原型等工作，可以完全通过计算机的“虚拟”环境完成建模、分析和 修改设计，这些设计工作分别称为“虚拟产品模型建立”和“虚拟解析原型制作”。 其关键技术是在c e 环境及全企业范围实现产品信息管理p i 瓶，计算机辅助设计 c a d ，计算机辅助制造c a 蚺和计算机辅助工程c a e 的集成，以及快速原型制造r p m 及国际互联网( i n t e r n e t ) 技术等。 由于计算机辅助设计发展较早，人们已经积累了不少的经验和数据，所以虚 拟设计技术应充分的利用计算机辅助设计已获得的这些宝贵财富。另外，虚拟设 计系统比现行的c a d 系统具有更强的交互能力，设计人员可以通过视觉、听觉、 触觉及语音、手势等设计的对象在虚拟环境中进行自然的、直观的交互。由此可 见。这项技术使得计算机在产品设计的辅助设计方面向前推进了一步，使计算机 辅助设计的工作从规范性工作向创造性工作迈进。 从某种意义上说，虚拟设计技术是虚拟制造技术的重要组成部分，然而它目 标明确，支持技术较为成熟、易于启动，相信这项技术的优先发展定会有助于实 现真正意义上的虚拟制造。 1 3 虚拟设计系统的分类 1 3 1 虚拟产品设计 近几年来，c a d 技术为企业在新产品开发过程中提供了有力的支持，但目前 在虚拟产品设计中多使用软件组合来完成产品设计过程。例如复杂曲面的产品造 型，多采用r h i n o 和p r o e n g i n e e r 等软件的组合使用来完成虚拟产品设计模型， 其实质并没有把设计人员从二维鼠标与键盘上解放出来，设计人员也并没有真正 参与到虚拟产品设计中来，在某种角度上限制了设计人员的积极性与创造性的发 挥。 随着虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术与多媒体技术的发展，虚拟现实技 术与多媒体技术有机结合在新产品开发过程中的使用，以及科技人员在不断提高 的计算机操作的人机界面综合技术，改善了虚拟产品设计中人与计算机的交互方 式。目前，所采用的将虚拟现实技术引入c a d 环境，这将便于模拟新产品开发中 产品的某些性能，又便于设计人员对产品的修改。技术条件好的公司，在进行虚 拟产品设计时，设计人员可以先利用现有的c a d 系统建模，再转换到v r 环境中， 让设计人员或准客户来感知产品。设计人员也可以利用v r - c a d 系统，直接在虚拟 环境中进行设计与修改。例如在对汽车的设计时，设计人员在具有全交互性的设 计环境中，利用头盔显示器、具有触觉反馈功能的数据手套、操纵杆、三维位置 跟踪器等装置，将视觉、听觉、触觉与虚拟概念产品模型相连，不仅可以进行虚 拟的合作，产生一种身临其境的感觉，而且还可以实时地对整个虚拟产品( v i r t u a l p r o d u c t ) 设计过程进行检查、评估，实地解决设计中的决策问题，使设计思想得 到综合。在交互性的虚拟环境快速成型设备上，设计人员对虚拟产品设计模型的 直接设计提高了设计人员积极性与创造性的发挥。， 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 有的企业在新产品开发设计时，还建立了物理试验模型p m u ( p h y s i c a l m o c k - u p ) ，如油泥模型( c l a ym o d e l i n g ) 等已逐步被计算机和仿真代替，在此基 础上进行产品设计建模和仿真设计，以达到改进产品方案设计的目的。虚拟产品 也就是最初的数字试验模型d m u ( d i g i t a lm o c k - u p ) ，虚拟产品设计初级阶段的 虚拟油泥建模( v i r t u a lc l a ym o d e l i n g ) ，可以适应创造性设计过程所提出的直 观要求，设计人员可以在虚拟环境空间中，利用轨迹跟踪系统可以削掉和涂抹虚 拟的油泥材料。所设计的产品可得到精确的描述，物理模型能通过快速原型方法 被迅速的南作出来。虚拟产品设计在造船等其他新产品开发方面也得到了成功的 应用。 另外，虚拟产品设计与其它设计过程进行数字连接，可实现新产品开发过程 的集成，使并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 得到充分体现与实施。从而缩短 开发时间，降低开发成本，发挥设计人员的创造性潜能。 1 3 2 虚拟装配设计( v i r t u a la s s e m b l yd e s i g n ) 虚拟装配设计( v i r t u a la s s e m b l yd e s i g n ) 是虚拟设计在新产品开发方面具 有较大影响力的一个领域。虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ) 采用计算机仿真与虚 拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加 工制造、装配和调试，它是实际装配的过程在计算机上的本质体现。目前，就其 技术而言，已经成熟，虽尚没有商用虚拟装配系统，也尚未充分地应用于新产品 开发的分析和评价，但这项技术在新产品开发中已得到肯定，并具有很重要的意 义。 过去传统的产品开发，常需要花费大量的时间、人力、物力来制作实物模型 进行各种装配实验研究，力求在产品的可行性、实用性和产品性能等方面进行各 种测试分析。现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应考虑装配问题，在 进行虚拟装配的同时创建产品、分析装配精度，及时优化设计方案。 虚拟装配的第一步是在c a d 系统创建虚拟产品模型，然后进入并利用虚拟装 配设计环境( v i r t u a la s s e m b l yd e s i g ne n v i r o n m e n t ) 系统，产品开发人员在 v a d e 系统中开展工作，借助虚拟装配设计环境系统，设计人员可以在虚拟环境中 使用各种装配工具对设计的机构进行装配检验，帮助设计人员及时发现设计中的 装配缺陷，全面掌握在虚拟制造中的装配过程，尽可能早地发现在新产品开发过 程中的设计、生产和装配工艺等问题。利用这个虚拟环境，评价产品的公差、选 择零部件的装配顺序、确定装拆工艺，可将结果进行可视化处理。 实验表明，虚拟装配设计的完善将有效缩短新产品开发的周期，减轻设计返 工的负担，加快了引入高级设计方法和技术的速度，提高新产品开发的质量与可 靠性。同时也降低新产品开发的成本。 i 3 3 虚拟人机工程学设计 虚拟人机工程学设计是借助虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 系统，也有人 称其为虚拟人机工程学环境，将它引入虚拟人机工程学评价系统，设计人员可以 精确研究产品的人机工程学参数，并且在必要时可以修改虚拟部件的位置，重新 设计整个产品的构造。另外，它还允许不同技术背景的人直接与设计的产品进行 4 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 交互及评价产品的性能，有助于满足不同用户的特殊要求。 1 4 虚拟设计和传统c a d 系统的区别 虚拟设计和传统c a d 技术的主要区别在于； 虚拟设计具有两个重要特征，即交互和实时，而传统c a d 做不到； 虚拟设计使设计者呈主动状态，设计者能身历其境。而对于传统c a o ，设计 者只是被动的观察者； 虚拟设计的图形真实感强，有远，近、纵、深的感觉，这是传统c a d 做不至 的； 。 利用虚拟设计技术可以实现产品生命全周期的管理，多产品和新旧产品同时 开发和资源共享； 进行虚拟设计时，首先要在计算机中生产虚拟原型，通过这个虚拟原型，我 们可以做很多工作； 进行多方案对比，从中选出最佳方案； 设计者通过虚拟原型可以进行虚拟装配，以检查各零部件尺寸以及可装配 性，及时修改错误； 通过虚拟原型，可以进行虚拟分析和试验，而不用再去做很多的实物试验， 这样，即节省了时间又节约了费用。 正因为如此，v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术和传统的c a d c a m 结合有着光辉的前 景。虚拟设计虚拟制造也成为当今非常活跃的、前沿的研究领域。 1 5 虚拟设计技术的应用现状 随着多媒体技术软硬件飞速发展，特别是虚拟设计技术与多媒体技术有机结 合，加快了设计人员从键盘和鼠标上解脱下来的速度，使虚拟设计技术在新产品 开发应用方面也得到提升。虽然目前仅是起步阶段，在通过多种传感器与多维的 信息环境进行自然的交互方面，及实现全方位的认识方面还有待于进一步提高， 但在新产品开发设计应用方面具有很大的潜力，而且应用前景广阔。应该深入开 发研究，使虚拟设计技术更好地帮助设计人员在新产品开发中提升设计刨新思维 能力与产品设计水平。 习惯定义的虚拟设计，即用模型来模仿实际系统进行实验和研究，从来就是 产品开发中的常用技术手段。例如：人们要设计一架飞机，为了研究其空气动力 学性能，总是要先制造一个缩小的飞机模型，放在气流场相似的风洞中进行实验 研究；人们要设计一艘轮船，为了了解轮船的各种性能，常常要先做一个缩小的 轮船模型，在水池中进行各种试验等等。当然，这些虚拟设计用的都是几何相似 的物理模型。自从电子计算机问世以后，虚拟设计这个概念就越来越紧密地与计 算机联在一起了，人们越来越多地通过数学模型应用计算机来进行虚拟设计。例 如：美国不久前研制成功的新一代波音7 7 7 飞机，宣称进行了“不上天的试飞 ( t e s t i n gw i t h o u tf l y i n g ) ”，就是用计算机完成了模拟试飞，取得了和实际 上天试飞的同样效果这一事例充分显示计算机虚拟设计技术的当代发展水平， 同时也说明计算机虚拟设计已成为现代产品开发中的重要支撑技术。 虚拟设计。尤其是计算机虚拟设计技术之所以能在现代产品开发中发挥其重 5 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 要作用，主要是因为： l 应用虚拟设计技术，可以提高产品开发质量 现代产品开发，强调“最优化设计”一以追求产品全寿命周期的综合性能最 佳以核心准则。这是传统的产品开发不可能做到的，传统的产品开发有时甚至仅 仅以满足使用要求为准则，局限为。可用化设计”。但是，产品在其全寿命周期 内可能遇到各种各样复杂的工作环境，而且这些复杂的工作环境往往是人工难以 复现的。应用计算机虚拟设计技术，可以甚至在产品尚未最终设计出来之前，就 考察研究它们在各种工作环境下的表现，从而保证其综合性能的最优。这正是虚 拟设计技术首先被应用于航天、航空、军事、原子反应堆等领域的重要原因。例 如：第一台模拟计算机用于飞机设计，第一台混合计算机用于导弹轨迹计算等。 2 应用虚拟设计技术，可以缩短产品开发周期 产品开发周期主要由设计周期、加工准备周期、制造同期三部分组成。传统 的产品开发，常常要经历方案设计一图样设计一样机制造一工艺设计( 必要时伴 以工艺试验) 一批量生产这样一系列步骤，在任何一个步骤中发现问题，常常要 回退到前面的某一步骤重新循环。此外，样机制作、工艺试验本身也要花费很多 时间，因而造成产品开发周期的冗长。应用虚拟设计技术，可以从以下几个方面 大大缩短产品的开发时间。 1 ) 在方案设计中，可以同时对多个方案进行综合性能的模拟预测，以便迅速 确定最佳方案。 2 ) 在图样设计阶段，可以通过虚拟设计，对结构、参数是否适合产品综合性 能要求进行验证。 3 ) 虚拟设计可以代替或部分代替样机制作、工艺试验。 4 ) 可以通过对制造过程、装配过程的模拟，及早在设计阶段就发现并解决工 艺设计、加工制造中可能发生的问题。 3 应用虚拟设计技术，可以降低产品开发费用 用计算机虚拟设计代替样机或实体模型试验，不仅可以缩短产品开发周期， 而且可以大大节省开发费用。例如，在大型变压器产品开始中必须进行电磁场的 计算，用传统的解析法已无法计算，多年来一直是通过l ：1 的实体模型试验来取 得数据，每做一件模型就要花费几十万甚至几百万元，现在用计算机进行电磁场 波过程仿真，节省下可观的模型制作费用。 又如，汽车车身覆盖件的设计中，不仅要考虑其运行阻力，外观造型等因素， 而且要考虑安全因素当汽车受到碰撞时，车身的变形应尽可能少地危及乘员 的安全。为此，每设计一个车型总要拿出十几辆车，从不同方向进行撞车试验， 验证车身的变形状况。现在美国等工业发达国家已实现用计算机进行撞车模拟试 验，从过去毁坏十几辆车作撞车试验，减少到只用5 辆。 美国克莱斯勒公司的工程师通过与i b m 合作，采用v r t ( v i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g y ) 对轿车内部结构进行改进设计，以确保驾驶员在任何位置均能看清 座位前的仪表，而无须实际建造样机；美国最大的工程机械公司引进依利诺斯大 学的研究成果来设计挖掘机，通过大型铲斗抓取虚拟的泥土试验，来检验操纵人 员的视角要求是否得到满足，并进行改进设计 相对于国外虚拟设计的发展，国内的虚拟设计的研究和应用还比较落后，虚 拟技术在8 0 年代开始在我国兴起。至今，我国在虚拟设计的基础图形技术领域已 经具备了坚实的基础，目前我国在并联机床产品开发，模具设计、圆柱齿轮设计、 加工中心自动换刀装置设计、垃圾专业设备、客车车身设计、汽车设计、农机产 品、微电子机械、化工设备、蒸汽喷射泵等多方面的机械产品的设计开发中得到 6 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 了广泛的应用，在航天、船舶、服装设计等方面也有应用。总的看来，我国虚拟 技术的研究刚刚起步。多数是在原先c a d c a m 及仿真技术的基础上进行的，在产 品的开发设计中，虚拟技术还没有发挥出它应有的作用。许多生产厂家都重技术， 轻设计。从而导致产品的竞争力差。我国现在已经正式加入w t o ，国内产品设计 面临巨大的挑战，重视产品设计投入，将虚拟设计技术应用刀设计领域成为当前 国内产品开发的重要出路。 发展我国的虚拟制造技术应该以企业的需求为动力，通过政府的政策和计划 的协调，继续深入开展成组技术、准时化生产技术及并行工程的研究与应用，并 利用工业工程思想和分布式网络化研究中心，组织各地区的科研力量集中突破与 虚拟制造技术密切相关的如多媒体远程通讯、网络技术、工程数据库技术、灵境 技术等，为虚拟制造功能的实现提供有力支撑。就现在研究情况来看，虚拟制造 技术在国外发展很快，我们应适当吸收国外的成熟经验，在研究中大胆创新，在 应用时要注意人与技术的协调，注重企业实际，达到事半功倍的效果。 1 6 本课题的来源 子午线轮胎从1 9 4 8 年闻世，至今已有4 0 多年的历史，目前已经发展为多种 类型的轮胎，轿车轮胎，载重轮胎、工程轮胎、拖拉机轮胎、飞机轮胎都已经被 子午线结构所代替，斜交轮胎逐渐被淘汰。虽然子午线轮胎的制造工艺要求很严 格，生产效益较低，制造子午线轮胎的设备也比斜交胎的设备贵得多，但由于子 午线轮胎上的巨大优势，汽车生产和使用部门都希望使用子午线轮胎。 子午线轮胎的9 大优势： 1 子午线轮胎耐磨性好 2 予午线轮胎的滚动阻力小 、 3 子午线轮胎的牵引力和刹车性能好 4 子午线轮胎的转弯能力大 5 子午线轮胎的噪音小 6 子午线轮胎的舒适性好 7 子午线轮胎的生热小 8 子午线轮胎的高速性能好 9 子午线轮胎耐机械损失性好 子午线轮胎有这些优点，汽车使用部门都希望采用子午线轮胎，尤其是轿车 轮胎改用子午线轮胎后，安全性、操纵稳定性和高速性能有所保障，牵引及刹车 性能好，即节省汽油，行驶里程高。因此子午线轮胎近年来发展很快，欧洲己基 本实现了子午线化。美国和日本也在迅速赶上，我国也在大力发展子午线轮胎。 9 0 度钢丝帘布是轮胎成型的主要胎体部件，9 0 度钢丝帘布生产线用途和特 点：9 0 度钢丝帘布生产线，是用来在规定的宽度下，以9 0 度角裁切未硫化的压 延钢丝帘布，并将裁断的钢丝帘布转9 0 度对接成连续的钢丝帘布，通过卷取装置 卷成需要长度的卷，同时对接后的钢丝帘布可进行贴合子口包胶条及包边等。据 我厂统计的爆破的轮胎中，胎体破损占有4 0 的比例，胎体由一层钢丝帘布组成， 按子午线方向( 径向) 排列，维持轮胎的基本形状，与胎侧的曲挠变形由直接的 关系。胎体帘布的裁断和接头质量直接影响到轮胎使用安全。 9 0 度钢丝帘布裁断机是生产载重子午线轮胎胎体帘布的关键设备之一其代 表厂家有意大利皮列里公司、德国f e s h e r 公司、荷兰i 公司、日本三菱公司， 该类设备都具有自动化程度高、产质量好、运行稳定、停机率低等优点德国 7 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 f e s 脏r 公司在钢丝帘布裁断机生产上是行业的霸主，其生产的设备最大的特点在 于它钢丝帘布裁断装置裁断质量温度，裁断速度快，及接头装置快速，生产效率 比其他公司产品要高。 国产的9 0 度钢丝帘布裁断机起步较晚，基本是在国外设备仿制阶段，研究工 作明显落后与国外。 本课题是针对天津赛象钢丝帘布裁断装置的改造。国产裁刀装置采用铡刀式 裁断装置，其裁刀工作寿命只能使用几千次就不能裁断钢丝帘布，需要调整裁刀 间隙或者更换裁刀，而且裁刀间隙调整很繁琐，国外设备在裁刀寿命上铡刀式是 3 0 万次左右，园盘刀是3 万次左右，其间隙调整有气动自适应方式，也有整体刀 具位移调整式，而且裁刀的更换很简便，部分设备有专门的液压换刀装置。 本课题主要来源于贵州轮胎股份有限公司对天津赛象集团9 0 度直裁的技改 项目，对产品( 主要是机械产品) 的虚拟设计做了理论研究和部分实践，根据进 口设备上的优点改进国内设备，旨在解决和提高国产设备生产效率较低，裁刀寿 命低及更换调整困难这一普遍难题，提高设备使用效率。 1 3 本课题的研究内容和意义 虚拟现实技术从正式提出到现在还不到2 0 年的时间，在这十几年中，虚拟现 实技术以惊人的速度发展、完善，并且逐渐应用到各个领域当中，把虚拟现实技 术引入到产品设计中，实现产品的虚拟开发技术，现在还处在探索，尝试阶段。 在论文中，主要分析了当前虚拟技术发展的现状，以及虚拟技术应用到产品设计 中的主要途径和对产品设计带来的巨大推动作用，并且提出了一种基于简单p c 机虚拟环境下产品的设计，主要应用p r o e 实现对产品设计的虚拟化。 随着科学的发展与信息技术的应用，虚拟设计技术已经开始使用于企业的生 产与制造之中，使虚拟设计技术得到有效地提升，加强了设计人员对虚拟设计技 术的应用，特别是在企业进行新产品开发的设计与制造阶段更受重视。本文在论 述虚拟设计在新产品开发中的特征同时，着重论述虚拟设计在新产品开发中的应 用，分析设计人员在新产品开发过程中，如何应用虚拟设计技术进行产品的设计、 评价，探索虚拟设计技术在新产品开发中的应用前景，使虚拟设计技术更好地为 新产品的开发服务 本论文主要针对国内现有的钢丝帘布裁断机裁刀使用寿命短，裁刀更换频繁 且困难等缺点，参照国外设备的先进裁断原理，根据钢丝帘布的裁断要求，自行 设计了一种新的裁断装置。并运用虚拟设计技术与有限元分析技术，对9 0 度钢丝 帘布裁断机改造项目中的主要零部件一一上横梁的结构静力特性进行了研究。利 用三维建模软件p r o ，e n g i n e e r 软件建立了裁断杌上横梁的有限元模型，通过 有限元方法对梁截面尺寸进行优化设计，使设备在经济和可靠方面达到一个平衡 点；利用大型有限元分析软件a n s y s 8 0 软件对模型的静力特征进行有限元分析， 得到模型受力状态下的应力和应变图，根据分析结果，对设计进行了相关改进。 通过改造，对新的设计方法进行探讨。 对9 0 度钢丝帘布裁断机的设计采用了一种新的设计方法一虚拟设计 来进行研究，采用虚拟设计方法设计裁断机，能大大减少设计人员的工作量，提 高设计的质量，降低钢丝帘布裁断机的设计成本。 在本研究中力图使钢丝帘布裁断机的设计过程实现最优化，并且使各部件性 能参数达到最优点。由于采用虚拟设计的方法，在加工样机前可以在计算机中模 8 帅度直裁技术改造及设计方法研究 拟出产品的三维模型，并进行应力和变形的有限元分析，对产品综合性能指标进 行评测，及时调整设计参数，最大限度的减少设计失误，减少验机试制的次数， 从而节约了大量人力物力，缩短产品开发时间，提高产品的性能。这种设计方法 对于复杂产品的设计尤为合适。机械产品的虚拟设计和虚拟制造是机械行业的一 大发展趋势。 本课题的研究一方面，提高产品的综合开发能力，为以后类似的产品开发提 供经验和参考，另一方面，由于本次产品开发时间短，任务重，应用虚拟制造技 术对裁断机的开发，可加快开发时间，在设计与加工处理之前，对其性能进行全 方位的分析和预测，从而在虚拟环境中完成设计的可行性研究和优化，在设计阶 段就可消除各种缺陷，通过本课题的研究，消除结构缺陷，降低应力集中。 预期达到的各项指标如下： 截面尺寸的有限元优化设计 零件的三维建模 零件的有限元分析 分析结果的输出显示 根据分析结果对设计方案进行改进 9 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 第二章裁断装置的设计 2 19 0 度钢丝帘布生产线的结构和生产过程 本生产线主要由：导开装置、定长输送装置，裁断装置、定位输送装置、接 头装置、定位卸料装置、贴合包边装置、卷取装置等八个部分组成，配有气动系 统、液压系统及电气控制系统，形成一条完整的生产线。 1 导开装置：小车式，单工位导开，并设有光电对中系统及修边系统。 导开装置中垫布为双垫布卷取，卷取动力选用日本公司生产的伺服电机传 动。输送系统由德国s e w 公司产变频减速电机传动。修边装置各由两个气缸，带 动热刀片进行钢丝帘布左右两边修边工作，修剪下来的帘线自动卷取，帘布被送 导定长送料装置。 2 定长输送装置：设有对中，定长、定长显示及磁力输送等部分。 机械对中装置为由尼龙双向轴承组成的辊轴及由滚动轴承组成的导向辊 组成。定长装置，由0 1 5 跚o 6 k w 双速电机通过链条传给两根丝杆，带动定长块 移动，数值显示长度尺寸，由无杆气缸，带动磁力输送系统按已设定的距离移动， 将帘布输送到裁断装置。 3 裁断装置：门坊式铡刀剪切机，由液压系统驱动油缸，使裁刀上下运动， 裁断钢丝帘布，裁刀有预负荷调节。 4 定位送布装置：由导板机构、快速传送辊、毛刷传送辊、定位机构、毛刷 辊升降机构及送布同步带组成。 剪切后的帘布经导板机构由快速辊快速传送离开剪切机，由毛刷辊继续传 送，帘布见第一个光电毛刷由高速转为低速运行，帘布见第二个光电，毛刷辊延 时后，到定位机构停止，毛刷辊升降机构下降，送布传送带于毛刷辊呈9 0 度角将 帘布送至拼接装置，并准确的停止在接头装置针销的一侧。 5 接头装置：由拼接机架、针板机构、压条装置、上压架机构、车架机构、 压板机构、主传动机构组成。 由定位送布装置将帘布经合页板，准确的停止在接头装置针销的一侧，并 与前次接头完毕，由定位卸料装置将帘布经合页板传送到位的帘布尾部在针销两 侧对齐，压板机构压下，针板机构缩回，接头机构工作完毕，帘布由定位卸料装 置快速传送出接头区域，接头装置恢复原始位置。 6 定位卸料装置：由主动机构、从动机构、卸布辊、导向机构、对中机构组 成。 由传动机构带动皮带输送接头完毕的帘布快速脱离接头区域，待接头装置 恢复原始状态，将帘布尾部通过对中装置倒退到接头装置的另- - f g ，等待与下一 块帘布的拼接。 7 贴合及包边装置；由机械对中；帘布输送、贴舍及导开机构、包边及导开 机构、计长装置组成。 接头完毕的帘布经机械对中，由输送辊输送给贴合及包边机构进行子口包 胶的贴合及包边。计长机构能测量已完成的胎体帘布的长度。 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 8 卷取装置：为双工位卷取，每个工位设有垫布纠偏装置。 2 2 裁断机构设计考虑的关键问题和方案 2 2 1 总设计包括功能设计、结构设计和性能设计 功能设计是在调研分析并确定了所设计的裁断机的工作参数( 运动、动力， 尺寸) 之后，通过功能分解，创新出或类比出可以实现加工要求的各种布局方案 的一种设计。通过对机器运动功能的分解和合成来确定其布局方案，而变形设计 或类比设计主要通过查询、比较确定可参照的裁断机布局方案，而大量用于一般 设备的设计 机构设计是在总体布局方案基本确定之后，对机械结构件进行主要形状和尺 寸的设计，结构设计同意有类比和创新设计两类。类比设计是建立在成组设计和 模块化设计的基础上，采用参数化设计方案来实现，而创新式设计主要式按照设 计人员的意愿。通过对基础模块( 板、梁、筋、孔、凸缘、法兰等) 的实体进行 拼装。重叠等操作来实现。 性能设计是根据裁断机的总体性能对运动误差、精度和刚度等进行设计分配， 并综合应用有限元法，边界元法、分布参数等方法快速计算和比较各种方案的优 劣。 2 2 29 0 度裁断机应解决的关键问题 对于新型的裁断机的设计和制造必然会遇到许多以前从来没有遇到的问题，所 以对于这种机器的设计是一种刨新和探索的过程，显而易见，解决这些问题是成 功完成设计的关键所在。 现有圆盘式裁刀结构相对比较简单，圆盘裁刀由电机驱动，并由另一台电机通 过同步带拖动，使其在下裁刀上横向运动，以剪断钢丝帘布，圆盘刀在工作的瞬 间，只和钢丝帘布的几根钢丝接触，相对受力较小，但裁刀横向运动上会有一个 分力，对裁断帘布钢丝角度有影响，目前使用较少其外形图( 图2 一1 ) 和工作 原理图( 图2 - 2 ) 如图所示。 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 图2 - i 圆盘式裁刀 心 珏一 圆盘刀工作原理图 图2 - 2 圆盘刀工作原理图 摆动式铡刀是上刀安装在一个摆臂上，通过与切线上的下裁刀相切，剪断钢丝 帘布，摆臂式裁刀虽然使用寿命较长，但是摆轴和裁刀需加预负荷装置，上下裁 川相i 切时的m 隙测1 ，地铡丝帘和能甭戡断的火键。其【：作原理| 冬i 如i 冬| 2 - 3 所水。 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 图2 - 3 摆动式裁刀裁刀工作原理图 德国f i s i 忸r 公司的裁刀机构曲轴升降式裁刀相对摆动式裁刀有所改进，裁刀 的受力情况及预负荷调整方面有较大改善，裁刀由于是上下运动，裁断帘布尺寸 稳定，是当今裁断设备的主流，但该公司对这种裁断结构申请了专利。由于受专 利保护，在新设计的裁断机上不能采用该结构其外形如图2 _ 4 所示 图2 _ 4 曲轴升降式裁刀 经过与德国f i s h e r 公司裁断机的反复分析、比较和论证，认为在新设计裁断 机在结构和制造工艺上要解决以下关键问题： 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 2 2 3 结构上设计 工作过程中，上横梁是受力最大的部件，上横梁有四个主工作油缸，承担 了全部剪切的反作用力，成为变形最复杂也是最大的部件。由于此次设计 的对象就是对于上横粱的结构优化和分析所以。我们将在下一节里面具 体分析上横梁的受力和一些有所创新的机构设计； 裁断机两侧的拉杆也是变形较大的部件，主要是发生了拉伸和弯曲变形， 而这个弯曲变形会直接影响到上横梁的受力，从而使得加工精度受到影 响，甚至引起上横梁的失效； 采用曲轴上下升降结构的裁断机尺寸较大，适合裁断断面宽的帘布，而9 0 度钢丝胎体帘布普遍在宽度l 1 s m 之间，相对宽度较小，需考虑一种新 的结构形式 针对以上关键技术问题，本课题设计了一种新型的主机结构形式，即牌坊式立 柱的机构形式，如图2 - - 5 所示。 图2 巧牌坊式裁断机设计结构图 它的优点主要表现在： 它将机架设计成牌坊式的框架，上横梁和工作台直接嵌套在立柱的内框 中，在横梁和框架的接触面采用滑轨轴承。这样可以使受力更加均匀， 而后采用三角支撑，连接上横梁和立柱； 可以大大减少设备安装空间，并且装配和调整更加方便； 性能价格比高。 1 4 9 0 度直裁技术改造及设计方法研究 2 2 4 在制造工艺上考虑的问题 在新结构中由于采用焊接构件，因为大型焊接机构自身的一些特点，如焊接 结构应力集中变化范围大，焊接结构有较大的焊接应力和变形、焊接结构具有较 大的性能不均匀性，焊接接头的整体性强，刚度大等，若设计不合理，选材不当 或制造工艺，检测技术不完善，一旦某个环节处理不当，焊接结构极易失效。 在大型构件焊接工艺的设计中，优化大型构件的局部结构形式和焊缝形式， 消除局部结构缺陷，降低应力集中。正确选材，指定合理的焊接工艺，减少焊接 缺陷和焊接变形。 在局部结构设计方面。尽量采用对接接头如上横梁面板拼接、立柱内框对接、 在交叉处堆焊圆弧过渡区，焊缝便于施焊和检验；避免焊缝密集；尽量减少局部 结构刚度。避免采用厚钢板，最大限度的减少机构和焊接接头部位的应力集中。 上横梁是箱形结构，筋板众多，拘束较大，所用的钢板要求较高，即含硫量 小于0 0 0 8 ，实物要求供应商提供拉伸试验报告书。 对焊后消除残余应力方面，采用红外线加热和焦炭炉加热相结合的方式处理 主要焊缝( 即红外加热在上，焦炭炉加热在下) ，并对时