本文探討了在SolidWorks下對(duì)沖壓機(jī)床的虛擬設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真研究相關(guān)內(nèi)容。

　　引言

　　沖壓機(jī)床是為沖壓工藝服務(wù)的。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，沖壓機(jī)械已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門的工業(yè)生產(chǎn)中，除機(jī)械制造本身外，船舶、電機(jī)、汽車、航空、航天，以及人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的家用電器、日用五金等輕工業(yè)部門，均需要大量的沖壓機(jī)械為之服務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，需要更多、更好的各種沖壓機(jī)械來實(shí)現(xiàn)各種沖壓工藝，這就要求我們利用各種現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)理論和算法，設(shè)計(jì)出重量輕、性能好、生產(chǎn)率高的各類新型沖壓機(jī)械。現(xiàn)代CAD技術(shù)的發(fā)展，使得沖壓機(jī)械的3D虛擬設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在多剛體力學(xué)和彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上，還可以對(duì)沖壓機(jī)床等沖壓機(jī)械進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。這樣可以大大降低開發(fā)新產(chǎn)品的周期，極大地減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，降低開發(fā)新產(chǎn)品的成本。十是，研究沖壓機(jī)床的虛擬設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真具有重要的實(shí)際意義。

　　1 SolidWorks功能簡介

　　為了開發(fā)基于微機(jī)平臺(tái)的三維CAD軟件，1993年P(guān)TC公司的副總裁與CV公司的副總裁共同成立了SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks軟件。該軟件具有很大的創(chuàng)新性，目前已經(jīng)發(fā)展到2006版。該軟件的主要功能特點(diǎn)如下:

　　SolidWorks 3D設(shè)計(jì)直接從三維模型人手，省去設(shè)計(jì)過程中三維與二維之間的轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)者可以方便地運(yùn)用鼠標(biāo)通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級(jí)抽殼、特征陣列以及打孔等拖放式操作不斷改變其結(jié)構(gòu)，最終完成整個(gè)產(chǎn)品(或零件)的設(shè)計(jì)，直觀易學(xué)，操作方便。SolidWorks軟件采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模式，可以通過修改相關(guān)的參數(shù)來完善設(shè)計(jì)方案，支持設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)修改。軟件包含豐富的標(biāo)準(zhǔn)件圖庫，用戶也可任意擴(kuò)充自定義的圖庫，因而減少了不必要的重復(fù)性設(shè)計(jì)工作，有效地縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。SolidWorks可以通過任意旋轉(zhuǎn)和剖切對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查和間隙檢測，發(fā)現(xiàn)問題立即修正，把"試制過程"放在設(shè)計(jì)階段，可以避免做成實(shí)物后才發(fā)現(xiàn)問題，提高了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。SolidWorks軟件擁有數(shù)十個(gè)黃金合作伙伴，比如美國著名的結(jié)構(gòu)研究公司的Cosmos軟件能夠和SolidWorks軟件無縫集成，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，此外還可以對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行有限元分析，從而進(jìn)一步進(jìn)行強(qiáng)度校核或優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　2機(jī)械系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)方法

　　機(jī)械工程中的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真又成為虛擬樣機(jī)技術(shù)，是國際上20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)。工程師在計(jì)算機(jī)上建立樣機(jī)模型，對(duì)模型各種動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，然后改進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案，用數(shù)字化形式替代傳統(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)。機(jī)械系統(tǒng)仿真研究的主要范圍是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，其核心是利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各個(gè)構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，同時(shí)，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需要的作用力和反作用力。應(yīng)用SolidWorks只要輸入材質(zhì)屬性(密度)，即可直接輸出零部件的質(zhì)量特性，如:質(zhì)量、體積、表面積、重心、慣性主軸和慣性矩、慣性張量等，可減少復(fù)雜的計(jì)算，提高設(shè)計(jì)效率和正確性。

　　根據(jù)SolidWorks軟件的技術(shù)特點(diǎn)，在初步確定設(shè)計(jì)方案后，就可以利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)品的機(jī)械零件，這一過程可以允分利用軟件的高效率建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)。然后利用SolidWorks軟件的智能裝配技術(shù)把各個(gè)設(shè)計(jì)的零件裝配為一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)。可以在SolidWorks軟件的插件工具中對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行定義，井施加引起運(yùn)動(dòng)的載荷，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，輸出必要的測試曲線，并進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，如果設(shè)計(jì)目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到，則完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并可以生成用以加工的工程圖或數(shù)控代碼。

　　3沖壓機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)例分析

　　為了簡化仿真，節(jié)約時(shí)間，這里在建立沖壓機(jī)床的3D模型時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，忽略了機(jī)座上的螺釘、導(dǎo)軌等的安裝細(xì)節(jié)，把它們看作是一個(gè)整體，通稱為機(jī)座。把動(dòng)力輪和曲柄視為一個(gè)整體，并命名為曲柄。這樣并不影響關(guān)鍵的仿真結(jié)果。整個(gè)沖壓機(jī)床的3D虛擬設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

　　圖2所示的沖壓機(jī)床工作的基本原理是動(dòng)力源使曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿把運(yùn)動(dòng)傳給沖頭，沖頭由于受到的機(jī)座上導(dǎo)軌的限制，作上下平動(dòng)，為安裝在沖頭上的沖壓模具(圖中為畫出)提供沖壓力。機(jī)械系統(tǒng)的裝配模型正確建立以后，就可以在Cosmos/motion(SolidWorks插件)環(huán)境下進(jìn)行仿真。固定構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)構(gòu)件確立后，就可以設(shè)置構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而限制構(gòu)件的某些運(yùn)動(dòng)自由度，使其完成期望的運(yùn)動(dòng)。完成運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建之后，就可以給動(dòng)力構(gòu)件施加載荷了，本例中設(shè)置曲柄的旋轉(zhuǎn)速度為3600/s，設(shè)置仿真時(shí)間為3秒，動(dòng)畫幀數(shù)為50幀/s。在仿真過程中可以對(duì)沖床任何一步分構(gòu)件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測量，測量加速度、速度、運(yùn)動(dòng)副支反力等。圖3所示是沖頭速度仿真時(shí)間歷程，由于沖頭作平動(dòng)，其上所有點(diǎn)的速度和加速度都相同。根據(jù)沖壓機(jī)床的工作特點(diǎn)，沖頭的在工作過程中的理論速度-時(shí)間曲線和加速度-時(shí)間曲線是正弦曲線，圖2的仿真的曲線恰好證明了這一點(diǎn)。

　　以上只是沖壓機(jī)床的簡單仿真實(shí)例，實(shí)際上還可以定義不同的驅(qū)動(dòng)力和約束副的性質(zhì)進(jìn)行仿真，這樣仿真的結(jié)果會(huì)更加接近實(shí)際情況。如果在仿真過程中發(fā)現(xiàn)有不適當(dāng)?shù)牡胤剑梢灾苯釉谘b配模型中進(jìn)行修改，這種修改會(huì)直接反映在所修改的機(jī)械零件上，而不必退出裝配體窗口。此外，根據(jù)仿真得到的沖頭速度和加速度設(shè)計(jì)曲線，還可以反求施加在曲柄上的扭矩，這樣為合理選擇電機(jī)和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)提供重要的參考依據(jù)。

　　4結(jié)束語

　　通過以上的機(jī)械系統(tǒng)仿真方法和實(shí)例，可以看出SolidWorks軟件具有方便、易用等特點(diǎn)，為探索沖壓機(jī)床新的設(shè)計(jì)方法提供了良好的途徑。通過動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐表明基于SolidWorks軟件的虛擬設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)在沖壓機(jī)床的設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。