Autodesk Inventor 應用案例-轉載于CADCAM

非飛520

數字化設計
% O* J4 J8 J  M2 m: q; B% W0 e在設計的同時進行仿真
2 @9 B$ {) [" m1 ]( c0 G9 g——Autodesk Inventor Professional在DANIELI冶金設備（北京）有限公司的應用
Inventor Professional 11（以下簡稱AIP11）在很好地解決設計中的尺寸結構問題的同時，還內嵌了運動仿真和有限元分析模塊，對上述問題提供了很好的解決方案，能夠讓設計人員在一款CAD軟件中從產品概念設計到運動分析，再到出具相關計算報告都輕松完成。
2 [8 H- @+ K3 t% w0 j9 _  @) U下面就討論一下，如何在AIP11中完成起停式曲柄飛剪機構的運動學性能分析。
1 n: |1 t! ^, S4 H) \首先根據訂單需求，利用AIP11方便快捷的造型功能，完成曲柄、飛剪機框架和剪刀的設計。對于這些常規機構模型，使用AIP11中的拉伸、旋轉命令便能夠完成（這里需要注意的是，在AIP11中拉伸和旋轉等草圖特征命令中包含了加材料和減材料的功能）。在“設計加速器”中輸入壓力角、螺旋角和中心距，利用系數求解一對傳動的圓柱斜齒輪，如圖3所示。然后在部件環境中對各個零件按實際要求拼裝（這里可以使用添加“裝配約束”的命令進行拼裝，并確定哪些零件需要降級成為子裝配），以便日后生成工程圖中需要的明細表。最后還要校驗設計尺寸，以確保零部件在實際裝配位置上處于無干涉狀態。這些操作相信對用過AIP11的設計人員，并不是一件難事，所以具體操作這里不再贅述。

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" {/ X) t* h- j4 a圖3 使用設計加速器生成所需齒輪
接著保存剛才裝配完成的起停式曲柄飛剪，并改變此模型中的裝配關系，讓所有零件都置于同一級裝配樹中（因為在實際機構運動中并沒有總裝和子裝配的概念，都是
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, S/ |7 I  e: F* [飛剪機的主要任務是將運行著的軋件按照工藝要求定尺剪斷。隨著軋機軋制速度和生產能力的不斷提高，提高飛剪的速度和性能已成為人們致力研究的問題之一。飛剪機種類很多，根據其不同的剪切斷面和速度快慢，被應用于不同的場合。目前較先進的機型為起停式曲柄飛剪，該飛剪一般處于靜止狀態，剪切時采用低慣量大扭矩直流電機，直接完成起動、剪切和制動等工藝過程。其實物模型如圖1所示。
起停式曲柄飛剪機剪切機構設計要求為：
" ?, p4 {$ e7 F8 Y0 ]9 v) d1 兩剪刃運動必須為一定軌跡的封閉曲線，且剪切工程中要求剪刃運動軌跡水平平滑，水平分速度呈勻速線形，并大于等于軋件的運動速度。
; O$ c# O9 O  i# F2 在剪刃剪切過程中出現最大應力時，確保承受載荷的曲柄是安全的。


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/ @- ~) S$ `) q. _如果采用傳統的手工計算，設計人員首先要做出機構簡圖，并套用各種力學公式及平面幾何的概念求解結果，然后再根據結果描繪所需各種曲線。由于模型已簡化為最基本的桿單元，且還有計算工程中數值近似取整等問題，造成得出結果只能作為一個理論值，和實際設計要求還有一段距離，所以通常計算得出的結果安全系數要大于等于10（安全系數因企業設計要求不同而不同，這里所列出的只是筆者企業所采用的數值），才能放心使用。同時因為傳統算法，手算量大，易出現人為計算紕漏，最終造成設計誤差。曲柄飛剪機的機構示意圖如圖2所示。

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# v  {( I) R! s4 z# Y! h& s% }設計人員為便于明細統計和后期的生產制造而人為定義的，所以筆者為求與真實環境一致，盡量將其還原真實條件），并進行適當的結構簡化（例如刪除軸承），使之真正成為一個力學模型。如圖4所示。
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% p: D) {0 k9 }圖4 簡化的力學模型
$ O* R3 c% H: N5 K5 r& K  l( _/ w接著進入仿真環境，工具欄中的第一個命令可用來給零件間添加包括鉸接在內的各種運動連接條件，如圖5所示。我們也可以使用“繼承裝配”的功能把裝配中的對齊、配合和插入等裝配條件自動轉成運動仿真中的連接條件。這里應該注意的是裝配中的角度約束問題，過度和運動約束是不可以轉換的。


! U" n5 {: F- d6 A7 r+ k圖5 插入連接功能
在這里應盡量使用從裝配環境繼承連接條件的方法進行裝配關系的轉化，這樣可以減少許多不必要重復性勞動，如圖6所示。使用過AIP11仿真功能的讀者，可能都遇到過一個有趣的問題，下面以四連桿機構為例說明。
在原有的裝配環境中，每根桿都使用插入約束進行連接，模型完全可以運動，而且沒有提示任何錯誤。在進入仿真環境并對這些插入約束一一進行轉化后，會發現前三個插入條件都能夠順利轉成鉸接，但在轉成鉸接后，系統會自動提示添加條件自由度出現問題，如圖7所示。
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' b+ w, |8 y/ Z8 y* y- ^圖7 添加條件出現冗余錯誤
7 G6 l2 C9 U. F% a2 k7 b' _開始筆者以為是操作問題，進行多次嘗試后仍出現該問題，但不會影響機構的模擬運動，然而在對同一根桿進行多次受力分析后，發現模擬得到的結果出入很大，這是為什么呢？
筆者為此翻閱了大學時代的課本，并請教了Autodesk公司的技術工程師。原來AIP11運動仿真模塊的底層計算完全基于我們所學的機械原理中的概念公式，關于連桿機構自由度條件計算我們可參考“GRUEBLER定理”。
$ C: P: s6 y+ f! H1 W+ [為使空間四連桿機構只有一個可動度M=1（M=6（N-J-1）+∑J，其中N為桿件數，J為接點數，∑J為接點自由度之和），經計算得出最后一個連接點自由度數為4，故最后一個連接應改為“球面圓槽運動”。
. D# t6 \, d: K# i5 R# @; t1 n. I同理修改起停式曲柄飛剪機構中出現連接錯誤的接點，建議讀者使用軟件自帶的“修復冗余”命令解決類似問題，如圖8所示。對于較簡單的動力學模型，在“修復冗余”命令菜單中可以直接對其進行修改，而對于復雜的動力學模型，此處只能提出合理化建議，設計人員需要使用“插入連接”的命令，重新定義連接關系，如圖9所示。



! |; E1 J$ e6 f* m! A圖9 修復界面
本例中的主傳動齒輪連接可采用“外齒輪嚙合運動”，選擇兩個斜齒輪的分度圓即可完成條件添加，如圖10所示。這里需要注意的是，此時的連接條件只為計算傳動功率，并不校驗齒輪的嚙合，如減速箱功率的計算等。如需校驗每一個齒可以考慮使用“接觸集合”的條件。對于一些專業的CAE軟件所提供的實體塊和定義地面的功能，我們可以使用“焊接零件”和“固定”命令加以替代，如圖11和圖12所示。細心的讀者可能會發現，在AIP11的連接條件中也有一個“焊
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CAD/CAM與制造業信息化•2006年第9期65
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接連接”的條件，這和剛才提到的焊接零件是兩個不同的概念。兩者的本質區別是“焊接零件”允許把幾個零件在運動仿真中定義成一個整體，但是作用力不能在這幾個零件間傳遞，且“焊接連接”功能只能進行兩個零件的添加，不能同時選擇幾個零件集體定義，而“焊接連接”則可以做到力的傳遞。因為要計算剪切過程中曲柄的受力，所以在這里只需要把飛剪機的曲柄和剪刃定義為“焊接連接”即可，如圖13所示。
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圖10
外齒輪嚙合運動

圖11 焊接零件

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圖12 定義固定
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圖13 焊接連接