基于虛擬樣機技術(shù)的機床設(shè)計

基于虛擬樣機技術(shù)的機床設(shè)計

目前，國內(nèi)外市場上有很多類型的折疊和剪板機床，但其中大部分的趨勢是大型化、控制化和高價格，這與我國現(xiàn)在以小型為主的品種、多個品種和若干批量的產(chǎn)品不一致?，F(xiàn)有的小型的機型,卻存在功能單一等不足。對于小型的板料加工設(shè)備,目前研制的較少。由于我國的中小企業(yè)較多,對小型板料加工設(shè)備需求量大,所以小型的板料加工設(shè)備,仍有著巨大的市場空間。折剪兩用機床是集折彎、剪板兩種工藝為一體的板料加工設(shè)備。同其他產(chǎn)品一樣,折剪兩用機床的研發(fā)存在一個設(shè)計、改進、定型的過程。面對瞬息萬變的市場,基于物理樣機的傳統(tǒng)研發(fā)模式,顯得力不從心,而虛擬樣機技術(shù)的引入,提供了一個很好的解決手段。本課題組在為甘肅某石油化工機械有限公司研發(fā)折剪兩用機床的過程中,運用了虛擬樣機技術(shù),極大的提高了設(shè)計質(zhì)量和效率,減少了設(shè)計誤差與錯誤,完善了產(chǎn)品結(jié)構(gòu),縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。運用虛擬樣機技術(shù)進行折剪兩用機床設(shè)計的步驟為:(1)根據(jù)折剪兩用機床的特性及功能、性能要求,進行機床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計;(2)利用Pro/E軟件,建立折剪兩用機床機械系統(tǒng)各零部件和裝配體的三維幾何模型,并進行裝配干涉檢驗;(3)在ADAMS環(huán)境下,建立折剪機床的虛擬樣機仿真模型,分析油缸和滑塊的力學(xué)特性和運動特性,并針對決定折彎精度的上板,進行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化;(4)根據(jù)虛擬樣機仿真分析結(jié)果,制造實物樣機。1主要性能指標(biāo)通過充分的市場調(diào)研及類比分析和實踐檢驗,確定采用機、電、液控制,液壓中動式單液壓缸驅(qū)動;傳動裝置采用對稱式連桿增力機構(gòu);同步機構(gòu)采用齒輪連桿同步結(jié)構(gòu);機架采用鋼板焊接式結(jié)構(gòu);采用單個滑塊,上工位為折彎工位,下工位為剪切工位;折彎上模采用分段式結(jié)構(gòu),下模采用整體式結(jié)構(gòu);剪切刀刃采用分段式對稱結(jié)構(gòu);機床導(dǎo)軌采用矩形導(dǎo)軌;壓料裝置采用彈性壓料機構(gòu);滑塊由電器、液壓聯(lián)合控制,可實現(xiàn)點動、單次、中停、中途返回等動作,工作時滑塊的終點位置由電器或死擋鐵控制。根據(jù)本機床的特性及適用范圍,確定了主要性能指標(biāo):剪折板尺寸(厚×寬):3mm×1600mm;公稱力:450kN;行程次數(shù):8次/min,滑塊速度:8mm/s;滑塊行程:8mm,最大開啟高度:180mm;立柱間距:1400mm工作臺長度:1600mm外形尺寸(長×寬×高):1600mm×800mm×1650mm這種液壓中動式單缸驅(qū)動結(jié)構(gòu),具有整機系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉等突出優(yōu)點。2維建模折剪兩用機床是一個復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu),在建模過程中,根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點,將整機分為以下幾種情況在Pro/E中分別建模:(1)建立左右墻板、上固定板、滑塊、工作臺等零件組成的殼體;(2)建立齒輪、連接桿等軸類、筒狀零件;(3)建立折彎模具、剪切刀刃等零件;(4)螺栓、螺母等標(biāo)準件。各零部件三維建模后,利用Pro/E可進行虛擬裝配。虛擬裝配能以可視化的方式,展示并改進折剪兩用機床裝配關(guān)系,同時可對折剪兩用機床各零部件的靜態(tài)干涉,進行檢驗分析,修改設(shè)計中不合理的部分,初步評價設(shè)計是否合理,避免實際裝配階段因為零件的設(shè)計錯誤而需要重新設(shè)計,也可利用虛擬樣機的裝配關(guān)系,指導(dǎo)實際裝配關(guān)系。3結(jié)構(gòu)仿真和應(yīng)力分析時的仿真工作折剪兩用機床的主要零部件,在Pro/E軟件里創(chuàng)建好后,就將模型文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中進行仿真分析。(1)施加約束和運動。通過各種約束限制構(gòu)件之間的某些相對運動,并以此將不同構(gòu)件連接起來,組成一個機械系統(tǒng)。(2)施加載荷。在折剪兩用機床的虛擬樣機模型中,考慮主要因素,忽略次要因素,因而需要施加的載荷,主要是作用力(油缸對活塞桿的推力),采用輸入ADAMS/View提供的函數(shù)。(3)系統(tǒng)仿真分析。即將開始仿真分析之前,應(yīng)對樣機模型進行最后的檢驗:利用模型自檢工具,檢查不恰當(dāng)?shù)倪B接和約束、沒有約束的構(gòu)件、無質(zhì)量的構(gòu)件、樣機的自由度等;進行裝配檢驗分析,通過裝配分析有助于糾正錯誤的約束;在進行動力學(xué)分析之前,先進行靜態(tài)分析,以排出系統(tǒng)在啟動狀態(tài)下的一些瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)折剪機床虛擬樣機實際結(jié)構(gòu),本文使用主工具箱的仿真工具(如圖1所示)。先給定總的仿真時間2s,仿真步長200,進行粗略仿真,然后根據(jù)仿真結(jié)果進行局部細化,來編寫仿真劇本再次仿真,如果仿真結(jié)果中初始給定的條件還不滿足要求,則繼續(xù)修改劇本文件,直到仿真結(jié)果比較精確合理。根據(jù)折剪兩用機床的實際狀況和工作狀態(tài),首先進行油缸力學(xué)、運動學(xué)仿真分析,檢驗其對初始條件的反映;然后對最終運動部件———滑塊進行力學(xué)特性和運動特性仿真分析,同時也對上連桿的運動特性仿真分析,以對比分析滑塊的位置、速度和加速度與時間的關(guān)系以及最終輸出力的情況。仿真結(jié)果表明,油缸和滑塊的運動特性及力學(xué)特性,都完全符合機床的性能要求。當(dāng)完成折剪機床的建模和運動分析后,采用應(yīng)力分析工具測試零件的性能。因為上板的受力變形情況,直接影響到折彎上模的工作精度,所以選定上板零件進行載荷應(yīng)力分析。經(jīng)過分析,整個上板的應(yīng)力水平一般,設(shè)計中的最低安全系數(shù)為1.49。因此,改進結(jié)構(gòu),增加加強筋。改進后再進行應(yīng)力分析(如圖2所示)。整個上板的應(yīng)力水平降低,最低安全系數(shù)為1.65。根據(jù)標(biāo)準規(guī)定,鋼在動載荷下的安全系數(shù)為1.3~1.5,因而改進設(shè)計后,使結(jié)構(gòu)更加合理,設(shè)計更加安全,上板有足夠的能力承受最大的載荷。4實現(xiàn)折剪機床數(shù)字仿真通過樣機檢驗和用戶的使用證明,該折剪兩用機床整機性能穩(wěn)定可