轻型机械行业应用虚拟制造技术的原则与方法

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　　1 从60年代开发出第一台现代手持式电动工具开始,随着当今大容量电池及快速充电技术的发展,直流动力产品从90年代开始逐渐发展成为国际市场上的主流,占了DIY市场的大部及专业级市场的一半。为适应国际竞争要求,采用先进技术开发新产品极为迫切。笔者就采用虚拟样机技术开发新型电动射钉枪系列产品的方法进行了研究,并用于解决设计制造中的困难问题。对长期制约该产品大批量投产的钢绳断裂问题以及离合器抱死等问题进行了仿真分析。并根据仿真结果提出了针对性的解决方案。实践证明了仿真分析的有效性,对设计工作有着十分重要的指导意义。

　　2　虚拟样机的建模产品设计采用UG三维造型和装配技术,完成核心部件的设计和材料特性定义。利用文件转换功能,将PAROSOLID格式转到ADAMS/VIEW软件中施加约束,确定运动关系,并设定测量单位。由于UG不能直接处理非刚性体,对虚拟样机的柔性体———钢丝绳部件,采用ADAMS的建模功能,将其“化整为零”,即用细化分段的刚体取代柔性体,在小段刚体间采用绞连接。这种近似建模方法,可以很好的用于它对其运动与受力仿真,试验结果也证明这种方法可以满足工程要求。

　　3　虚拟模型的运动学和动力学。仿真问题和难点该项研究的重点是对虚拟样机的动力传动机构、撞针的运动受力状态进行动态分析。根据仿真获得的结果,寻求最佳解决方案。用物理样机对重要的分析数据进行测试验证。限于篇幅,本文仅对撞针机构的钢绳受力分析过程作简要说明。该机结构较复杂,运转速度高(飞轮速度可达1万RPM),运转时间很短,撞针打钉的过程只有几毫秒。在物理样机试验中发现钢绳容易折断,导致产品不能及时投放市场。由于摩擦离合接合过程、撞击过程等非线性问题存在,简单的数学计算并不能准确反映其运动状况和受力状况。此外,缺乏对高速运动过程的测试手段,给客观地观察掌握运动状况,把握运动规律造成很大困难。利用仿真技术可以更有效地掌握其运动受力状况,找到薄弱环节。仿真软件工具及应用目前主要仿真软件有MATLAB SIMULINK, MSC DESK-TOP,MARC,NASTRAN, ADAMS等。Matlab Simulink是国际上公认的数值计算仿真软件,通过拉框图的办法可以轻松地建立系统的运行模型。它允许在产品开发的初始概念设计阶段对虚拟产品系统地进行动态的仿真,获得初始的设计参数。Matlab simulink广泛应用于机电、控制领域。就机构运动学、动力学仿真软件来看,MSC公司的DESKTOP和ADAMS软件的特点更为突出。由于该项产品的设计造型采用UG系统,运用ADAMS软件进行仿真更为便利。利用其高性能的后处理模块POSTPROCESS生成动画和数据图表,以便与实际测量数据进行比较。

　　4　仿真结果分析及解决方案为便于实验测试验证,选择钢绳上三个不同的受力点，通过仿真以获得它们的随时间变化的力参数。其中,A点初始直线状态和射钉过程中无弯曲。B点处于初始直线状态,射钉撞击过程中到达鼓轮槽上,发生弯曲。C点始终处于鼓轮槽上弯曲状态。

　　仿真结果与实际测试值的误差在11.5%左右,这主要是由于仿真中未考虑离合器飞轮惯性参数的影响。其次,系统的接触刚性、摩擦系数与实际值有差别。仿真结果表明,从撞针启动直至加速到最高速所经历的时间,与实测值相当接近。

　　通过某新型电动射钉枪的虚拟设计方案的实施,获得显著的成效。顺利解决了关键零部件的设计困难。利用仿真结果,对产品的结构进行了优化,提高了产品运动部件的寿命。通过仿真和实际测试数据分析,实现了对零件质量和寿命的预测。该项技术的应用,显著压缩了设计周期。


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