基于虛擬樣機技術的機床設計

目前，國內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，這與我國現在以小型為主的品種、多個品種和若干批量的產品不一致。現有的小型的機型,卻存在功能單一等不足。對于小型的板料加工設備,目前研制的較少。由于我國的中小企業較多,對小型板料加工設備需求量大,所以小型的板料加工設備,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備。同其他產品一樣,折剪兩用機床的研發存在一個設計、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研發模式,顯得力不從心,而虛擬樣機技術的引入,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折剪兩用機床的過程中,運用了虛擬樣機技術,極大的提高了設計質量和效率,減少了設計誤差與錯誤,完善了產品結構,縮短了產品研發周期。運用虛擬樣機技術進行折剪兩用機床設計的步驟為:(1)根據折剪兩用機床的特性及功能、性能要求,進行機床的總體結構設計;(2)利用Pro/E軟件,建立折剪兩用機床機械系統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構優化;(4)根據虛擬樣機仿真分析結果,制造實物樣機。1主要性能指標通過充分的市場調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動;傳動裝置采用對稱式連桿增力機構;同步機構采用齒輪連桿同步結構;機架采用鋼板焊接式結構;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構,下模采用整體式結構;剪切刀刃采用分段式對稱結構;機床導軌采用矩形導軌;壓料裝置采用彈性壓料機構;滑塊由電器、液壓聯合控制,可實現點動、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。根據本機床的特性及適用范圍,確定了主要性能指標:剪折板尺寸(厚×寬):3mm×1600mm;公稱力:450kN;行程次數: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動結構,具有整機系統簡單、結構緊湊、成本低廉等突出優點。2維建模折剪兩用機床是一個復雜的機械結構,在建模過程中,根據其結構特點,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系,同時可對折剪兩用機床各零部件的靜態干涉,進行檢驗分析,修改設計中不合理的部分,初步評價設計是否合理,避免實際裝配階段因為零件的設計錯誤而需要重新設計,也可利用虛擬樣機的裝配關系,指導實際裝配關系。3結構仿真和應力分析時的仿真工作折剪兩用機床的主要零部件,在Pro/E軟件里創建好后,就將模型文件導入到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件之間的某些相對運動,并以此將不同構件連接起來,組成一個機械系統。(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。(3)系統仿真分析。即將開始仿真分析之前,應對樣機模型進行最后的檢驗:利用模型自檢工具,檢查不恰當的連接和約束、沒有約束的構件、無質量的構件、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;在進行動力學分析之前,先進行靜態分析,以排出系統在啟動狀態下的一些瞬態響應。根據折剪機床虛擬樣機實際結構,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,然后根據仿真結果進行局部細化,來編寫仿真劇本再次仿真,如果仿真結果中初始給定的條件還不滿足要求,則繼續修改劇本文件,直到仿真結果比較精確合理。根據折剪兩用機床的實際狀況和工作狀態,首先進行油缸力學、運動學仿真分析,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系以及最終輸出力的情況。仿真結果表明,油缸和滑塊的運動特性及力學特性,都完全符合機床的性能要求。當完成折剪機床的建模和運動分析后,采用應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力分析。經過分析,整個上板的應力水平一般,設計中的最低安全系數為1.49。因此,改進結構,增加加強筋。改進后再進行應力分析(如圖2所示)。整個上板的應力水平降低,最低安全系數為1.65。根據標準規定,鋼在動載荷下的安全系數為1.3~1.5,因而改進設計后,使結構更加合理,設計更加安全,上板有足夠的能力承受最大的載荷。4實現折剪機床數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定可