JF39-1800M压力机的建模与仿真研究

陈启升，徐兆刚，徐友珍，马 森，倪明军

（山东冠泓数控装备有限公司，山东 诸城262200）

0 引言

随着市场竞争的日趋激烈，为提高企业核心竞争力，制造业企业应着力解决新产品的上市时间、成本、质量、服务等关键问题。与此同时，现代信息技术的飞速发展及广泛应用极大促进了传统制造业的发展与创新。其中虚拟样机技术作为21 世纪的新技术正成为各国研究的新热点。本文使用的ADAMS软件即为专门用于开发机械产品虚拟样机方面的软件，通过虚拟调试，在产品开发阶段即可帮助设计者发现设计缺陷，并提出改进方法，为今后产品的优化提供坚实基础[1]。

1 虚拟样机技术简介

1.1 虚拟样机技术的基本含义

虚拟样机技术（VPT，Virtual Prototyping Technology）是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，它是各个领域对CAX/DFX 技术的发展及延伸。虚拟样机技术进一步融合了先进建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术以及现代管理技术等。虚拟样机技术不仅将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，还对它们进行综合管理。利用虚拟样机技术，有时只需投入传统设计方式10%的费用，即可达到传统设计90%的目标，不但大大缩短开发周期，而且设计的效率也得到相应提高[2]。

1.2 虚拟样机技术的应用

目前，虚拟样机技术已经得到广泛应用，涉及工程机械、汽车制造、造船、航海、航空航天、机械电子和通用机械等多个领域[3]。

世界上一些著名的制造公司在生产开发过程中均已开始广泛应用虚拟样机技术。美国波音公司设计的波音777 飞机就是采用的虚拟开发技术，开发周期从通常的8年减少到5年，同时设计、装机、测试均是在计算机中模拟完成，初步做到无纸设计，并保证了一次试制成功，大大降低研究成本。在日产汽车公司，设计师通常利用虚拟样机进行概念设计、覆盖件设计、包装设计以及整车仿真设计等。在我国的农业机械领域内，虚拟样机技术同样也有应用，有人利用虚拟样机技术设计甘蔗收获机，实现了产品设计方法的创新，取得了良好效果。虚拟样机技术正在改变传统的设计思想，将对制造业产生极为深远的影响[4]。

1.3 虚拟样机技术的特点

同传统的物理样机的设计和制造方法相比，虚拟样机有以下特点：

（1）新的研发模式。传统的设计与制造主要通过周而复始设计—试验—设计的过程，产品才能达到要求的性能。与传统设计相比，虚拟样机技术真正实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程（Concurrent Engineering），使不同领域的人员对同一产品在概念设计阶段就可以迅速地分析。可通过比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。

（2）更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型（即虚拟样机），可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验；使产品在设计初期即可迅速分析、比较多种设计方案并方便地改进和进行优化设计，节约时间和费用，实现高质量、快速、低成本的设计，而且使一次性开发成功成为可能[5]。

1.4 基于ADAMS的开发流程

ADAMS 所采用的开发流程与传统设计方法类似，但是传统的设计方法周期长，费用高，需要反复修改物理样机的参数，反复进行测试，才能满足设计要求。而采用虚拟样机研究，可在虚拟环境下进行功能测试、修改参数等，缩短了产品开发周期和成本，提高了设计质量[6]。

本文在ADAMS 中，所采用的虚拟样机设计流程大致为建立样机模型（建立几何模型→添加约束→施加载荷）→仿真分析（特性的测量→仿真分析→动画播放→绘制曲线图）[7]。具体流程图如图1所示。

图1 虚拟样机的仿真流程

2 基于UG NX6.0 的压力机几何模型建立

2.1 UG NX6.0 软件简介

UG NX6.0 是一种高度集成的CAD/CAM/CAE软件系统，可应用于产品的整个开发过程，包括产品的概念设计、建模、分析和加工等。它不仅具有强大的实体建模、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能，而且在设计过程中还可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟等，提高设计的可靠性。同时UG NX6.0 可以运用已经建立好的三维模型直接生成数控代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型的数控机床。UG NX6.0 具有多个功能强大的应用模块，主要包括CAD、CAM、CAE、钣金设计、注塑流动分析、Web、管线布置、质量工程应用、逆向工程应用模块等，每一个模块都是以Gateway 为基础，而且每个功能模块都具有一定的独立功能，同时又具有一定的关联性。因此不同的用户可以根据工作的不同需要，将产品导入不同的模块中进行设计或者加工编程等操作[8]。

本文主要涉及应用到的是CAD 中的实体建模、特征建模以及装配建模模块，下面分别对这三种建模模块进行简要介绍。

（1）实体建模。实体建模为用户提供了草图设计、各种曲线生成和编辑、布尔操作、体扫掠、体拉伸、体旋转、沿引导线扫掠、尺寸驱动、定义和编辑变量及其表达式等功能。实体建模是“ 特征建模”和“ 自由形状建模”的先决条件。

（2）特征建模。特征建模支持各种标准设计特征的创建和编辑，诸如孔、槽和腔体、凸台、倒圆倒角、抽壳、螺纹、拔模、实例特征、特征编辑等工具。一个特征可以相对任何其他特征或者对象设置，并且可以被引用来建立相关的特征集，方便用户进行快速的概念设计。

（3）装配建模。装配建模支持自顶向下、自底向上和并行装配的产品开发方法，在装配模型的过程中，零件数据是对零件本身的链接映像，保证零件设计和装配模型之间双向相关，并且改进了软件的操作性能，减少对存储空间的需求。当部件更新以后，装配模型中的零件也会自动更新，并且在装配环境下可直接进行零件设计修改[8]。

2.2 JF39-1800M 闭式四点压力机的建模

根据UG 软件的特点，建立压力机主要结构——曲柄滑块模型，首先创建组成曲柄滑块机构的零件[9]。

本文采用偏心齿轮驱动的曲柄滑块机构，偏心齿轮芯轴双端支承，这样偏心齿轮只传递扭矩，而弯矩则由芯轴承受，受力情况比曲轴好，芯轴的刚度大，这么做可加强主动件的强度，偏心齿轮的偏心颈相当于曲柄旋转，从而带动连杆使滑块上下运动[10]。

以偏心齿轮开始，绘制偏心齿轮的草图，通过拉伸，布尔运算等特征操作，完成后的偏心齿轮模型如图2 所示，连杆建模如图3 所示。

每个零件模型建立完成后，再进行装配。JF39-1800M 型18000kN 闭式四点压力机的曲柄滑块机构建模如图4 所示。

图2 偏心齿轮的三维图

图3 连杆的三维图

图4 曲柄滑块的装配建模

3 基于ADAMS的JF39-1800M 闭式四点压力机的仿真研究

3.1 ADAMS软件简介

ADAMS，即机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），是全球应用最为广泛的机械系统仿真软件。用户可以利用ADAMS 在计算机上建立和测试虚拟样机，实现实时再现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能[11,12]。

ADAMS软件采用的是交互式图形环境和零件库、约束库、力库，可以创建机械系统几何模型，并可完全参数化，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程的计算方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出行程、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。而本文主要应用ADAMS软件进行曲柄滑块机构的运动学仿真分析，输出滑块的行程、速度、加速度曲线等。

ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可非常方便地运用该软件对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，它又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口可成为用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件现有UNIX 版和Windows NT/2000 版两种操作系统版本[13]。

3.2 曲柄滑块机构的仿真模型的建立

在ADAMS/View 中建立模型有两种方法：一种是利用ADAMS/View 提供的建模工具，在ADAMS中直接建立曲柄滑块的仿真模型； 另一种是当结构比较复杂时，由于完全依靠ADAMS 几何建模工具建立复杂几何体模型相当困难，因此需通过ADAMS与其他CAD 软件的数据接口，将在CAD 软件中建立好的模型直接导入ADAMS，经适当的编辑后转变成ADAMS 中的刚性构件。借助ADAMS软件的机械动力分析功能，对模型进行运动学仿真分析[14]。

本文所研究的传动系统结构较简单，经简化为曲柄滑块机构，因此采用ADAMS 自带的建模工具进行曲柄滑块机构模型建立的方法，可迅速完成建模。所建模型如图5 所示。

3.3 曲柄滑块模型的约束及驱动添加

图5 曲柄滑块模型

3.3.1 约束的添加

ADAMS/view 中将约束分为几个比较常用的基本约束以及运动副。要想模拟出系统的真实运动情况，就需要我们根据实际的情况抽象出相应的运动副，并在构件间定义运动副。

偏心齿轮与大地间在point 1 添加一个转动副，偏心齿轮与连杆在point 2 添加一个转动副，连杆与滑块间在point 3 添加一个转动副，滑块与大地间在point 4 添加一个移动副，方向为上下垂直。

3.3.2 驱动的添加

在ADAMS/view 中，在模型上定义驱动就是将运动副没有约束的其他自由度进一步约束。实际上，驱动也是一种约束，只不过这种约束是一种时间的函数。在运动副上可以添加的驱动有两种，一种是旋转驱动，另一种是滑移驱动。此压力机曲柄滑块机构是一个平面机构，系统需要固定的运动，从而驱动的个数必须要等于自由度的个数，即自由度=驱动=1。该压力机由电动机传递的动力，经过三级齿轮变速，最终将偏心齿轮的转动转化为滑块的直线移动，需要添加一个旋转驱动。根据该压力机的设计参数，可在偏心齿轮与大地间的转动副添加施加角速度为72°/s。仿真模型创建完成，如图6 所示。

图6 曲柄滑块机构的模型

3.3.3 定义作用力

冲压力是一个比较复杂的瞬时力，在冲压过程中随着零件的尺寸、材料的机械性能和材料厚度的变化而变化。本文采用当滑块向下运动压紧工件时，其压紧力用ADAMS 中的弹簧力来进行模拟。弹簧的刚度K=3750N/mm，阻尼系数C=0[15]。

3.4 压力机的虚拟样机仿真研究

3.4.1 仿真条件

在模型验证无误以后，利用Adams/View 模块对系统进行动态仿真试验，试验中仿真时间可取一个工作行程，即运动周期为360°，转速为12rpm，时间为5 秒，仿真步数为500 步。初始时，压力机偏心齿轮的偏心体处于竖直时，滑块位于上死点。仿真试验启动后，在偏心体转动副的驱动下滑块自上而下进行运动，系统的运行状况通过Adams/View 界面进行实时观察，也可在仿真试验结束后进行程序回放，对不同角度和位置进行反复的观察分析。通过仿真动画，可以进一步检验虚拟样机模型的正确性，来进一步的完善模型。

3.4.2 仿真结果

通过对压力机传动系统的运动仿真分析，可求解滑块的行程、速度、加速度与时间的函数关系。在对系统进行运动分析时，忽略各组成构件受力变形，这样仿真精度仅取决于建模精度和相关几何参数的准确性。仿真结果如图7、图8、图9 所示。

图7 滑块的行程曲线

图8 滑块的速度曲线

图9 滑块的加速度曲线

由图可知，滑块从上死点运动到下死点和从下死点回到上死点所用的时间相同，滑块的速度在工作行程以及回程是有明显的数值上的重复性，并按照正弦规律发生变化。滑块从上死点到下死点的行程为800mm，在下死点处滑块的速度为零，这有利于对冲压件进行保压处理。

从仿真计算结果可以看出，滑块的行程、速度、加速度特征曲线中表现出的特殊位置点的值与理论计算值几乎一样，这说明仿真模型建立良好。而且从滑块的运动曲线（图7～9）中可以看出，该压力机机构的整个运动过程平稳，无冲击震荡现象，可以认为该机构的运动曲线与实际情况是相符的[16]。

4 小结

本文主要对虚拟样机技术、UG 软件以及ADAMS软件进行了简要的分析介绍，并通过UG 软件建立了JF39-1800M 四点压力机的主要构件模型，然后将其导入ADAMS，通过ADAMS软件对四点压力机进行分析，以实现压力机的建模与仿真分析，通过分析发现，计算结果与传统方法基本一致，并且省时省力，节约了计算成本。

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