折剪机床的动态仿真与性能预测

折剪机床的动态仿真与性能预测

建模和模拟是数字设计和制造的核心技术。广泛应用于产品的设计、验证、决策等领域。这是一种有效而经济的研究方法。虚拟样机技术是利用先进的CAD技术,建立与物理样机相一致的数字化虚拟样机模型,然后对虚拟样机模型进行动力学、运动学等多种学科仿真分析的一种技术。折剪机床是集折弯和剪板两种功能于一身的板料加工设备。本文作者在折剪机床的开发设计中,利用虚拟样机技术进行建模与仿真,获得最优设计方案后,再作出物理样机。可大大地提高设计质量和效率,降低成本,实现真正意义上的计算机辅助设计。1虚拟装配模型的建立建立折剪机床虚拟样机模型之前,首先利用SolidWorks提供的拉伸、旋转、放样、扫描等操作命令建立各零部件模型;然后按照机床各零部件间的装配与配合关系,采用自底向上的装配技术对各零件的三维实体模型进行虚拟装配,得到整机的三维实体虚拟装配模型,如图1所示。利用SolidWorks提供的“干涉检查”和“物理模拟”工具对装配模型进行静态干涉检查和动态碰撞检查,以便从中发现问题并及时修改。在SolidWorks软件中创建好折、剪两用机床虚拟装配模型后,在ADAMS软件中利用ADAMS/Exchange模块把装配体模型文件导入到ADAMS环境,构成虚拟样机的几何模型,通过给几何模型中的零部件施加约束、运动、力等,完成折剪机床虚拟样机的建立。1.1设置折剪机床相关文件由于不同CAD软件之间进行数据交换不可避免地会产生数据丢失,因此应首先在Solidworks软件中将折剪机床虚拟装配体文件另存成Parasolid格式的图形文件,然后将此文件导入ADAMS环境中。导入时,首先在ADAMS中的“UnitsSetting”对话框中设置与Solidworks相同的单位,然后打开Parasolid格式的折剪机床装配体文件。通过几何建模工具中的组合形体工具,将左右墙板、上固定板、工作台等组合成机架,对各零件进行重新命名,分别定义零件的材料、弹性模量、泊松比、密度等性能参数。最后在导入的装配体几何模型上添加标记点,系统将自动根据其几何关系,计算出各点坐标。1.2创建运动副及施加载荷三维实体模型导入ADAMS/View后,各零部件之间毫无联系地独立存在于ADAMS/View环境中。这种状态下即使全部零部件都已导入,也不能构成一台具有现实意义的虚拟样机。因此,必须对模型添加适当的约束、运动和力等,才能建立其仿真模型即虚拟样机。添加约束。本模型中加入的约束有机架与地面之间的固定副,滑块与机架之间沿Y轴的移动副,滑块与上连杆、上连杆与油缸、上连杆与下连杆、下连杆与同步连杆、下连杆与机架、同步齿轮与机架、同步连杆与同步齿轮之间沿X轴的转动副,油缸与活塞之间沿Z轴的移动副,两个同步齿轮的齿轮副。在添加运动副的过程中,应注意被连接的两个构件的选择顺序。例如,用转动副将齿轮连接到机架上,应该先选择齿轮,后选择机架。定义运动。折、剪机床中滑块的运动是往复移动,因而使用移动工具对话框,直接输入速度值,根据系统的性能要求速度值为0.02m/s。添加力。在折、剪两用机床的虚拟样机模型中,需要施加的载荷主要是油缸对活塞杆的作用力,采用ADAMS/View提供的力函数F(time,…)=SIGN(98000,-vX(zhejianjichuang.huosai.MARKER_147)定义力。在力表达式中,SIGN()为符号函数,vX()为X方向速度;zhejianjichuang.huosai.MARKER_147为活塞上的一个标记,是力作用的点I。图2为折、剪机床虚拟样机模型。2基于adams的系统仿真滑块的运动精度直接影响折、剪机床的工作性能,虚拟样机模型中,滑块相对机架沿Y轴方向的移动是折、剪机床工作的主运动,其运动性能反映了折、剪机床的总体性能。因此,对折、剪机床在各种工况下的运动和动力进行仿真,获取滑块的位移、速度和加速度的动态变化曲线及滑块的输出力,实现产品的优化设计。在ADAMS交互仿真界面中进行运动仿真,软件可在输出折弯、剪板工作过程仿真动画的同时同步输出该时刻不同系统的性能状态曲线,如机械系统零部件运动速度、位移等曲线;液压系统流量、压力状态曲线等。综合比较分析这些仿真结果,可以实现对折剪机床不同方案的整机性能评价。本文作者采用ADAMS/View提供的函数F(time,…)=SIGN(98000,-vX(zjjc.huosai.MARKER_147)定义施加在活塞杆上的推力。给定总的仿真时间2s,仿真步长200,进行仿真,然后用后处理显示得到滑块等主要构件的位移、速度和加速度曲线,如图3—6所示。根据仿真结果,优化折、剪机床设计,并制作出实物样机。通过测试,可知折、剪机床的机械系统的装配性能、运动性能、输出力等完全满足折、剪机床的性能要求。3滑块性能分析利用SolidWorks软件完成了折剪机床机械系统各零部件和装配体的建模,并进行了干涉和碰撞检查。然后将装配体模型导入ADAMS中,建立了折、剪机床虚拟样机仿真模型,设置了初始和边界条件,通过对滑块力学性能和运动特性的仿真分析,获得最优化结果,并制造了实物样机,通过对样机测试,表明该机床各项性能指标均符合设计要求,且性能稳定、可靠。图3是滑块的位移曲线,滑块在2.5s内移动距离约为50mm,位移曲线基本为直线,说明其运动平稳,无振动现象,符合折、剪机床的性能要求。图4、5分别为滑块速度和加速度曲线,在1.75s发生了锐变,均开始急剧