基于虚拟样机技术的机床设计

基于虚拟样机技术的机床设计

目前，国内外市场上有很多类型的折叠和剪板机床，但其中大部分的趋势是大型化、控制化和高价格，这与我国现在以小型为主的品种、多个品种和若干批量的产品不一致。现有的小型的机型,却存在功能单一等不足。对于小型的板料加工设备,目前研制的较少。由于我国的中小企业较多,对小型板料加工设备需求量大,所以小型的板料加工设备,仍有着巨大的市场空间。折剪两用机床是集折弯、剪板两种工艺为一体的板料加工设备。同其他产品一样,折剪两用机床的研发存在一个设计、改进、定型的过程。面对瞬息万变的市场,基于物理样机的传统研发模式,显得力不从心,而虚拟样机技术的引入,提供了一个很好的解决手段。本课题组在为甘肃某石油化工机械有限公司研发折剪两用机床的过程中,运用了虚拟样机技术,极大的提高了设计质量和效率,减少了设计误差与错误,完善了产品结构,缩短了产品研发周期。运用虚拟样机技术进行折剪两用机床设计的步骤为:(1)根据折剪两用机床的特性及功能、性能要求,进行机床的总体结构设计;(2)利用Pro/E软件,建立折剪两用机床机械系统各零部件和装配体的三维几何模型,并进行装配干涉检验;(3)在ADAMS环境下,建立折剪机床的虚拟样机仿真模型,分析油缸和滑块的力学特性和运动特性,并针对决定折弯精度的上板,进行有限元分析及结构优化;(4)根据虚拟样机仿真分析结果,制造实物样机。1主要性能指标通过充分的市场调研及类比分析和实践检验,确定采用机、电、液控制,液压中动式单液压缸驱动;传动装置采用对称式连杆增力机构;同步机构采用齿轮连杆同步结构;机架采用钢板焊接式结构;采用单个滑块,上工位为折弯工位,下工位为剪切工位;折弯上模采用分段式结构,下模采用整体式结构;剪切刀刃采用分段式对称结构;机床导轨采用矩形导轨;压料装置采用弹性压料机构;滑块由电器、液压联合控制,可实现点动、单次、中停、中途返回等动作,工作时滑块的终点位置由电器或死挡铁控制。根据本机床的特性及适用范围,确定了主要性能指标:剪折板尺寸(厚×宽):3mm×1600mm;公称力:450kN;行程次数:8次/min,滑块速度:8mm/s;滑块行程:8mm,最大开启高度:180mm;立柱间距:1400mm工作台长度:1600mm外形尺寸(长×宽×高):1600mm×800mm×1650mm这种液压中动式单缸驱动结构,具有整机系统简单、结构紧凑、成本低廉等突出优点。2维建模折剪两用机床是一个复杂的机械结构,在建模过程中,根据其结构特点,将整机分为以下几种情况在Pro/E中分别建模:(1)建立左右墙板、上固定板、滑块、工作台等零件组成的壳体;(2)建立齿轮、连接杆等轴类、筒状零件;(3)建立折弯模具、剪切刀刃等零件;(4)螺栓、螺母等标准件。各零部件三维建模后,利用Pro/E可进行虚拟装配。虚拟装配能以可视化的方式,展示并改进折剪两用机床装配关系,同时可对折剪两用机床各零部件的静态干涉,进行检验分析,修改设计中不合理的部分,初步评价设计是否合理,避免实际装配阶段因为零件的设计错误而需要重新设计,也可利用虚拟样机的装配关系,指导实际装配关系。3结构仿真和应力分析时的仿真工作折剪两用机床的主要零部件,在Pro/E软件里创建好后,就将模型文件导入到ADAMS软件中进行仿真分析。(1)施加约束和运动。通过各种约束限制构件之间的某些相对运动,并以此将不同构件连接起来,组成一个机械系统。(2)施加载荷。在折剪两用机床的虚拟样机模型中,考虑主要因素,忽略次要因素,因而需要施加的载荷,主要是作用力(油缸对活塞杆的推力),采用输入ADAMS/View提供的函数。(3)系统仿真分析。即将开始仿真分析之前,应对样机模型进行最后的检验:利用模型自检工具,检查不恰当的连接和约束、没有约束的构件、无质量的构件、样机的自由度等;进行装配检验分析,通过装配分析有助于纠正错误的约束;在进行动力学分析之前,先进行静态分析,以排出系统在启动状态下的一些瞬态响应。根据折剪机床虚拟样机实际结构,本文使用主工具箱的仿真工具(如图1所示)。先给定总的仿真时间2s,仿真步长200,进行粗略仿真,然后根据仿真结果进行局部细化,来编写仿真剧本再次仿真,如果仿真结果中初始给定的条件还不满足要求,则继续修改剧本文件,直到仿真结果比较精确合理。根据折剪两用机床的实际状况和工作状态,首先进行油缸力学、运动学仿真分析,检验其对初始条件的反映;然后对最终运动部件———滑块进行力学特性和运动特性仿真分析,同时也对上连杆的运动特性仿真分析,以对比分析滑块的位置、速度和加速度与时间的关系以及最终输出力的情况。仿真结果表明,油缸和滑块的运动特性及力学特性,都完全符合机床的性能要求。当完成折剪机床的建模和运动分析后,采用应力分析工具测试零件的性能。因为上板的受力变形情况,直接影响到折弯上模的工作精度,所以选定上板零件进行载荷应力分析。经过分析,整个上板的应力水平一般,设计中的最低安全系数为1.49。因此,改进结构,增加加强筋。改进后再进行应力分析(如图2所示)。整个上板的应力水平降低,最低安全系数为1.65。根据标准规定,钢在动载荷下的安全系数为1.3~1.5,因而改进设计后,使结构更加合理,设计更加安全,上板有足够的能力承受最大的载荷。4实现折剪机床数字仿真通过样机检验和用户的使用证明,该折剪两用机床整机性能稳定可