數(shù)字化虛擬樣機(jī)技術(shù)是縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的重要途徑。目前國(guó)外設(shè)計(jì)部門都已經(jīng)大規(guī)模地應(yīng)用到機(jī)械的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，利用仿真的概念，使設(shè)計(jì)流程由設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)—改進(jìn)設(shè)計(jì)—再實(shí)驗(yàn)—再設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)—仿真—實(shí)驗(yàn)，使設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題在設(shè)計(jì)初期以參數(shù)化，數(shù)字化的形式加以解決。長(zhǎng)期以來(lái)，印刷機(jī)的送紙機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)處于圖解、公式計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，以簡(jiǎn)化性為前提，不僅效率低下，結(jié)果難免具有近似性和粗糙性。采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)雖然改變了手工計(jì)算的方法帶來(lái)的不便，但仍然以近似簡(jiǎn)化假設(shè)為基礎(chǔ)，并沒(méi)有把分析和設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，尤其對(duì)于優(yōu)化，不能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)化程序和模型，給工程設(shè)計(jì)帶了一個(gè)難題，而采用虛擬樣機(jī)技術(shù)可有效的解決以上問(wèn)題。 1 理論計(jì)算 已知曲柄1偏心為a，轉(zhuǎn)角θ1，等角速度w1，中心距L，分析導(dǎo)桿位置θ2；角速度w2；角加速度a2。擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖1： 圖1 擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) acosθ1+asinθ1cotθ2=L，令L/a=k cotθ2=kcscθ1-cotθ1，兩邊對(duì)t求導(dǎo)得： w2csc2θ2=（kcscθ1cotθ1-csc2θ1）w1 w2=（kcosθ1-1）w1/（k2+1-2kcosθ1）兩邊對(duì)t求導(dǎo)得： a2=（kcosθ1-1）a1/（k2+1-2kcosθ1）-（k2-1）kw12sinθ1/（k2+1-2kcosθ1）2 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖2。 圖2 搖桿滑塊機(jī)構(gòu) h=r3cosβ3-r4sinβ4 s=r3sinβ3-r4cosβ3 由以上兩式可得到s=r3sinβ3+（2r4-2（r3cosβ3-h））/2 兩邊對(duì)t求導(dǎo)， 得v=r3w3cosβ3+（r3cosβ3-h）r3w3sinβ33/（2r4-2（rcosβ3-h））/2，再求導(dǎo)可推導(dǎo)。 2 虛擬設(shè)計(jì)過(guò)程 印刷機(jī)常用推板機(jī)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖3。 圖3 印刷機(jī)常用推板機(jī)構(gòu)示意圖 送紙機(jī)構(gòu)主要參數(shù)為：最大送紙速度150張/min，送紙精度±0.5mm。圖3中，此機(jī)構(gòu)由2個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)合成，一個(gè)是擺動(dòng)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)，一個(gè)是搖桿滑塊結(jié)構(gòu)。L（60～95）mm為曲柄長(zhǎng)度，ZL（250～350）mm為滑臂長(zhǎng)度，ZLA（70°～120°）為滑臂與X軸方向的夾角，L1（350～430）mm為擺臂長(zhǎng)度，A1（90°～110°）擺臂與X軸方向夾角，L2（90～200）mm小連桿長(zhǎng)度，A2（-6°～6°）為小連桿與X軸方向夾角。利用ADAMS參數(shù)化工具，把以上參數(shù)全部采用變量設(shè)計(jì)，使整個(gè)機(jī)構(gòu)全部參數(shù)化，首先我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從單個(gè)參數(shù)的變化得出運(yùn)動(dòng)改變規(guī)律，在此忽略具體參數(shù)化過(guò)程。 確定此機(jī)構(gòu)的目標(biāo)條件是如下： 1）滿足送0紙行程要求，送紙行程需要達(dá)到115mm（理論值），實(shí)際中為有效送紙行程106.0919mm，整個(gè)行程213.3mm。 2）速度最大值需要與送紙輥筒速度相同（理想情況），實(shí)際中考慮到加速不能太大，否則運(yùn)動(dòng)沖擊較大，振動(dòng)過(guò)大。經(jīng)驗(yàn)速度為送紙輥筒速度的68％～78％之間。 以下分兩步研究：虛擬實(shí)驗(yàn)分析和虛擬優(yōu)化設(shè)計(jì)。 3 虛擬實(shí)驗(yàn)分析 首先把此機(jī)構(gòu)作為剛體分析，研究運(yùn)動(dòng)學(xué)意義上的規(guī)律，見(jiàn)圖3?；緟?shù)如下：L=80mm，ZL=285mm，ZLA=108.833°，L1=380mm，A1=106.302°，L2=120mm，A2=5.921°，n=1rad/s，滾筒速度V=1.258m/s。參數(shù)完全與送紙部相同。 圖4是移動(dòng)座的位移、速度的曲線圖，經(jīng)過(guò)圖表數(shù)據(jù)可得V=0.93m/s。也就是推板送紙的速度，比值I=V推板/V滾筒=0.93/1.258=74%：理論值為V=0.9328m/s（理論計(jì)算得到），通過(guò)ADAMS計(jì)算得到的值為V=0.9327m/s，誤差為0.1%，可以證明ADMAS完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。 圖4 移動(dòng)座的位移 加速度曲線見(jiàn)圖5，加速度最大值：a=6m/s2 圖5 加速度曲線 Fig.5 Acceleration curve 下面分別研究變量L、L1、L2、ZL、ZLA、A1、A2對(duì)位移、速度、加速度影響。在此只分析對(duì)位移影響，對(duì)于速度，加速度的影響通過(guò)位移曲線可以直接得到。 （1）L（60～95）mm對(duì)位移、速度、加速度影響，如圖6所示，很明顯，L越大，位移最大值也越大，對(duì)于速度、加速度也是同樣規(guī)律。 圖6 L對(duì)位移的影響 Fig.6 Influence of L on displacement （2）L1（350～430）mm對(duì)位移、速度、加速度的影響，如圖7所示，可以得到，L1越大，位移越大，對(duì)于速度，加速度也是同樣規(guī)律。 圖7 L1對(duì)位移的影響 （3）L2（90～200）mm對(duì)位移、速度、加速度的影響，如圖8所示，可以看出，L2越大，位移越大，對(duì)于速度，加速度也是同樣規(guī)律。 圖8 L2對(duì)位移的影響 （4）ZL（250～350）mln對(duì)位移、速度、加速度的影響，如圖9所示，不難發(fā)現(xiàn)，呈現(xiàn)拋物線規(guī)律變化，對(duì)于速度，加速度也是同樣規(guī)律。 圖9 ZL對(duì)位移的影響 （5）A2（-6°～6°）對(duì)位移、速度、加速度的影響見(jiàn)圖10，角度越大位移越小，對(duì)于速度，加速度也是同樣規(guī)律。 圖10 A2對(duì)位移的影響 通過(guò)以上3個(gè)變量很容易發(fā)現(xiàn)其位移變化規(guī)律，相應(yīng)的速度，加速度也僅僅是位移導(dǎo)數(shù)關(guān)系。以上通過(guò)ADAMS能認(rèn)識(shí)各個(gè)構(gòu)件變化對(duì)位移、速度、加速度的影響，這屬于實(shí)驗(yàn)研究階段，研究各變量對(duì)目標(biāo)影響的敏感程度。 4 虛擬優(yōu)化設(shè)計(jì) 討論的目的是為了在提高速度的同時(shí)，克服機(jī)構(gòu)的振動(dòng)沖擊帶來(lái)的影響。速度的提高對(duì)沖擊的影響是一次方關(guān)系，但和加速度的關(guān)系是2次方關(guān)系。從2個(gè)方面分析這個(gè)問(wèn)題：1）從機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系分析，主要是在滿足送紙的要求情況下對(duì)位移，速度進(jìn)行分析。2）從受力的角度分析，載紙板下座的受力分析，轉(zhuǎn)動(dòng)軸處的受力分析，由于這些力都是周期變化的，周期變化的力產(chǎn)生周期變化的力矩，必然對(duì)機(jī)器產(chǎn)生沖擊，從而導(dǎo)致振動(dòng)。在此把載紙板下座的受力分析做為重點(diǎn)。見(jiàn)圖11。在構(gòu)件幾何尺寸確定的條件下，再減少運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，此文暫不作討論。 圖11 載紙板下座受力圖 在此通過(guò)ADAMS優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，首先確定設(shè)計(jì)變量為A2、ZLA、A1、L2、L1，確定約束條件，變量約束目標(biāo)匯總見(jiàn)表1，載紙板的速度最大值是前輸紙滾筒的68%～78%之間（給速度一個(gè)誤差值），目標(biāo)條件支撐軸處的FX、FY，，以及合力F的大小，要求在約束條件下這些值到達(dá)最小，就能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。ADAMS如何建模，參數(shù)化，在此不作討論。 表1 變量約束目標(biāo)匯總表 5 優(yōu)化結(jié)果參數(shù) L=75.4mm；L1=400mm；L2=130mm；ZL=280.3mm；ZL A=107.65°；A1=100°；A2=-4°，優(yōu)化后的受力曲線見(jiàn)圖12。 圖12 優(yōu)化后的受力曲線 此時(shí)載紙板下座的變化幅值最小，能大大減少對(duì)機(jī)器的振動(dòng)影響。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化后最大值為85N，優(yōu)化前為130N，通過(guò)優(yōu)化可以減少受力34%，在同樣周期下，可以減少周期變化力的峰值，因此可以減少振動(dòng)帶來(lái)的沖擊力，在速度提高的情況下，可以很好的解決受力沖擊和振動(dòng)問(wèn)題，有效提高推板送紙速度，并在此基礎(chǔ)上適當(dāng)減少個(gè)構(gòu)件質(zhì)量，充分減少慣量。