數字化虛擬樣機技術是縮短產品開發周期，降低開發成本，提高產品設計和制造的重要途徑。目前國外設計部門都已經大規模地應用到機械的運動學和動力學仿真，利用仿真的概念，使設計流程由設計—實驗—改進設計—再實驗—再設計的設計理念轉變為設計—仿真—實驗，使設計中的關鍵問題在設計初期以參數化，數字化的形式加以解決。長期以來，印刷機的送紙機構的分析和設計處于圖解、公式計算分析的基礎上，以簡化性為前提，不僅效率低下，結果難免具有近似性和粗糙性。采用計算機輔助技術雖然改變了手工計算的方法帶來的不便，但仍然以近似簡化假設為基礎，并沒有把分析和設計結合起來，尤其對于優化，不能設計系統的優化程序和模型，給工程設計帶了一個難題，而采用虛擬樣機技術可有效的解決以上問題。 1 理論計算 已知曲柄1偏心為a，轉角θ1，等角速度w1，中心距L，分析導桿位置θ2；角速度w2；角加速度a2。擺動導桿機構見圖1： 圖1 擺動導桿機構 acosθ1+asinθ1cotθ2=L，令L/a=k cotθ2=kcscθ1-cotθ1，兩邊對t求導得： w2csc2θ2=（kcscθ1cotθ1-csc2θ1）w1 w2=（kcosθ1-1）w1/（k2+1-2kcosθ1）兩邊對t求導得： a2=（kcosθ1-1）a1/（k2+1-2kcosθ1）-（k2-1）kw12sinθ1/（k2+1-2kcosθ1）2 搖桿滑塊機構見圖2。 圖2 搖桿滑塊機構 h=r3cosβ3-r4sinβ4 s=r3sinβ3-r4cosβ3 由以上兩式可得到s=r3sinβ3+（2r4-2（r3cosβ3-h））/2 兩邊對t求導， 得v=r3w3cosβ3+（r3cosβ3-h）r3w3sinβ33/（2r4-2（rcosβ3-h））/2，再求導可推導。 2 虛擬設計過程 印刷機常用推板機構示意圖，見圖3。 圖3 印刷機常用推板機構示意圖 送紙機構主要參數為：最大送紙速度150張/min，送紙精度±0.5mm。圖3中，此機構由2個運動機構合成，一個是擺動導桿結構，一個是搖桿滑塊結構。L（60～95）mm為曲柄長度，ZL（250～350）mm為滑臂長度，ZLA（70°～120°）為滑臂與X軸方向的夾角，L1（350～430）mm為擺臂長度，A1（90°～110°）擺臂與X軸方向夾角，L2（90～200）mm小連桿長度，A2（-6°～6°）為小連桿與X軸方向夾角。利用ADAMS參數化工具，把以上參數全部采用變量設計，使整個機構全部參數化，首先我們進行實驗研究，從單個參數的變化得出運動改變規律，在此忽略具體參數化過程。 確定此機構的目標條件是如下： 1）滿足送0紙行程要求，送紙行程需要達到115mm（理論值），實際中為有效送紙行程106.0919mm，整個行程213.3mm。 2）速度最大值需要與送紙輥筒速度相同（理想情況），實際中考慮到加速不能太大，否則運動沖擊較大，振動過大。經驗速度為送紙輥筒速度的68％～78％之間。 以下分兩步研究：虛擬實驗分析和虛擬優化設計。 3 虛擬實驗分析 首先把此機構作為剛體分析，研究運動學意義上的規律，見圖3。基本參數如下：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。參數完全與送紙部相同。 圖4是移動座的位移、速度的曲線圖，經過圖表數據可得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（理論計算得到），通過ADAMS計算得到的值為V=0.9327m/s，誤差為0.1%，可以證明ADMAS完全可以滿足設計要求。 圖4 移動座的位移 加速度曲線見圖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對位移、速度、加速度影響。在此只分析對位移影響，對于速度，加速度的影響通過位移曲線可以直接得到。 （1）L（60～95）mm對位移、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，對于速度、加速度也是同樣規律。 圖6 L對位移的影響 Fig.6 Influence of L on displacement （2）L1（350～430）mm對位移、速度、加速度的影響，如圖7所示，可以得到，L1越大，位移越大，對于速度，加速度也是同樣規律。 圖7 L1對位移的影響 （3）L2（90～200）mm對位移、速度、加速度的影響，如圖8所示，可以看出，L2越大，位移越大，對于速度，加速度也是同樣規律。 圖8 L2對位移的影響 （4）ZL（250～350）mln對位移、速度、加速度的影響，如圖9所示，不難發現，呈現拋物線規律變化，對于速度，加速度也是同樣規律。 圖9 ZL對位移的影響 （5）A2（-6°～6°）對位移、速度、加速度的影響見圖10，角度越大位移越小，對于速度，加速度也是同樣規律。 圖10 A2對位移的影響 通過以上3個變量很容易發現其位移變化規律，相應的速度，加速度也僅僅是位移導數關系。以上通過ADAMS能認識各個構件變化對位移、速度、加速度的影響，這屬于實驗研究階段，研究各變量對目標影響的敏感程度。 4 虛擬優化設計 討論的目的是為了在提高速度的同時，克服機構的振動沖擊帶來的影響。速度的提高對沖擊的影響是一次方關系，但和加速度的關系是2次方關系。從2個方面分析這個問題：1）從機構幾何關系分析，主要是在滿足送紙的要求情況下對位移，速度進行分析。2）從受力的角度分析，載紙板下座的受力分析，轉動軸處的受力分析，由于這些力都是周期變化的，周期變化的力產生周期變化的力矩，必然對機器產生沖擊，從而導致振動。在此把載紙板下座的受力分析做為重點。見圖11。在構件幾何尺寸確定的條件下，再減少運動部件質量，此文暫不作討論。 圖11 載紙板下座受力圖 在此通過ADAMS優化設計理念，首先確定設計變量為A2、ZLA、A1、L2、L1，確定約束條件，變量約束目標匯總見表1，載紙板的速度最大值是前輸紙滾筒的68%～78%之間（給速度一個誤差值），目標條件支撐軸處的FX、FY，，以及合力F的大小，要求在約束條件下這些值到達最小，就能滿足設計目標。ADAMS如何建模，參數化，在此不作討論。 表1 變量約束目標匯總表 5 優化結果參數 L=75.4mm；L1=400mm；L2=130mm；ZL=280.3mm；ZL A=107.65°；A1=100°；A2=-4°，優化后的受力曲線見圖12。 圖12 優化后的受力曲線 此時載紙板下座的變化幅值最小，能大大減少對機器的振動影響。 通過實驗，優化后最大值為85N，優化前為130N，通過優化可以減少受力34%，在同樣周期下，可以減少周期變化力的峰值，因此可以減少振動帶來的沖擊力，在速度提高的情況下，可以很好的解決受力沖擊和振動問題，有效提高推板送紙速度，并在此基礎上適當減少個構件質量，充分減少慣量。