Autodesk Inventor 應(yīng)用案例-轉(zhuǎn)載于CADCAM

非飛520

數(shù)字化設(shè)計(jì)
$ V' z- ~) c! V% V2 Z  m$ m0 n$ n& D$ \在設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行仿真
——Autodesk Inventor Professional在DANIELI冶金設(shè)備（北京）有限公司的應(yīng)用
Inventor Professional 11（以下簡(jiǎn)稱(chēng)AIP11）在很好地解決設(shè)計(jì)中的尺寸結(jié)構(gòu)問(wèn)題的同時(shí)，還內(nèi)嵌了運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析模塊，對(duì)上述問(wèn)題提供了很好的解決方案，能夠讓設(shè)計(jì)人員在一款CAD軟件中從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到運(yùn)動(dòng)分析，再到出具相關(guān)計(jì)算報(bào)告都輕松完成。
* |) E; c* S; i# Y+ c下面就討論一下，如何在AIP11中完成起停式曲柄飛剪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析。
! W8 s6 o  X$ J5 m7 p: V首先根據(jù)訂單需求，利用AIP11方便快捷的造型功能，完成曲柄、飛剪機(jī)框架和剪刀的設(shè)計(jì)。對(duì)于這些常規(guī)機(jī)構(gòu)模型，使用AIP11中的拉伸、旋轉(zhuǎn)命令便能夠完成（這里需要注意的是，在AIP11中拉伸和旋轉(zhuǎn)等草圖特征命令中包含了加材料和減材料的功能）。在“設(shè)計(jì)加速器”中輸入壓力角、螺旋角和中心距，利用系數(shù)求解一對(duì)傳動(dòng)的圓柱斜齒輪，如圖3所示。然后在部件環(huán)境中對(duì)各個(gè)零件按實(shí)際要求拼裝（這里可以使用添加“裝配約束”的命令進(jìn)行拼裝，并確定哪些零件需要降級(jí)成為子裝配），以便日后生成工程圖中需要的明細(xì)表。最后還要校驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸，以確保零部件在實(shí)際裝配位置上處于無(wú)干涉狀態(tài)。這些操作相信對(duì)用過(guò)AIP11的設(shè)計(jì)人員，并不是一件難事，所以具體操作這里不再贅述。


圖3 使用設(shè)計(jì)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(guān)系，讓所有零件都置于同一級(jí)裝配樹(shù)中（因?yàn)樵趯?shí)際機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中并沒(méi)有總裝和子裝配的概念，都是
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4 u: {1 X6 o8 w. y9 o4 P# `# e$ |飛剪機(jī)的主要任務(wù)是將運(yùn)行著的軋件按照工藝要求定尺剪斷。隨著軋機(jī)軋制速度和生產(chǎn)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(wèn)題之一。飛剪機(jī)種類(lèi)很多，根據(jù)其不同的剪切斷面和速度快慢，被應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。目前較先進(jìn)的機(jī)型為起停式曲柄飛剪，該飛剪一般處于靜止?fàn)顟B(tài)，剪切時(shí)采用低慣量大扭矩直流電機(jī)，直接完成起動(dòng)、剪切和制動(dòng)等工藝過(guò)程。其實(shí)物模型如圖1所示。
0 X5 G, Y1 V$ T6 u/ T起停式曲柄飛剪機(jī)剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求為：
1 兩剪刃運(yùn)動(dòng)必須為一定軌跡的封閉曲線(xiàn)，且剪切工程中要求剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡水平平滑，水平分速度呈勻速線(xiàn)形，并大于等于軋件的運(yùn)動(dòng)速度。
4 E/ C: P% D0 k8 g& z# g+ C1 r' p2 在剪刃剪切過(guò)程中出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)，確保承受載荷的曲柄是安全的。

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: t. ?0 U& N$ c* {) I1 N□ 北京銳和華泰科技有限公司 王崢
如果采用傳統(tǒng)的手工計(jì)算，設(shè)計(jì)人員首先要做出機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，并套用各種力學(xué)公式及平面幾何的概念求解結(jié)果，然后再根據(jù)結(jié)果描繪所需各種曲線(xiàn)。由于模型已簡(jiǎn)化為最基本的桿單元，且還有計(jì)算工程中數(shù)值近似取整等問(wèn)題，造成得出結(jié)果只能作為一個(gè)理論值，和實(shí)際設(shè)計(jì)要求還有一段距離，所以通常計(jì)算得出的結(jié)果安全系數(shù)要大于等于10（安全系數(shù)因企業(yè)設(shè)計(jì)要求不同而不同，這里所列出的只是筆者企業(yè)所采用的數(shù)值），才能放心使用。同時(shí)因?yàn)閭鹘y(tǒng)算法，手算量大，易出現(xiàn)人為計(jì)算紕漏，最終造成設(shè)計(jì)誤差。曲柄飛剪機(jī)的機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

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設(shè)計(jì)人員為便于明細(xì)統(tǒng)計(jì)和后期的生產(chǎn)制造而人為定義的，所以筆者為求與真實(shí)環(huán)境一致，盡量將其還原真實(shí)條件），并進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化（例如刪除軸承），使之真正成為一個(gè)力學(xué)模型。如圖4所示。


圖4 簡(jiǎn)化的力學(xué)模型
接著進(jìn)入仿真環(huán)境，工具欄中的第一個(gè)命令可用來(lái)給零件間添加包括鉸接在內(nèi)的各種運(yùn)動(dòng)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(duì)齊、配合和插入等裝配條件自動(dòng)轉(zhuǎn)成運(yùn)動(dòng)仿真中的連接條件。這里應(yīng)該注意的是裝配中的角度約束問(wèn)題，過(guò)度和運(yùn)動(dòng)約束是不可以轉(zhuǎn)換的。


圖5 插入連接功能
在這里應(yīng)盡量使用從裝配環(huán)境繼承連接條件的方法進(jìn)行裝配關(guān)系的轉(zhuǎn)化，這樣可以減少許多不必要重復(fù)性勞動(dòng)，如圖6所示。使用過(guò)AIP11仿真功能的讀者，可能都遇到過(guò)一個(gè)有趣的問(wèn)題，下面以四連桿機(jī)構(gòu)為例說(shuō)明。
- n) U$ F3 D1 c! L; n在原有的裝配環(huán)境中，每根桿都使用插入約束進(jìn)行連接，模型完全可以運(yùn)動(dòng)，而且沒(méi)有提示任何錯(cuò)誤。在進(jìn)入仿真環(huán)境并對(duì)這些插入約束一一進(jìn)行轉(zhuǎn)化后，會(huì)發(fā)現(xiàn)前三個(gè)插入條件都能夠順利轉(zhuǎn)成鉸接，但在轉(zhuǎn)成鉸接后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示添加條件自由度出現(xiàn)問(wèn)題，如圖7所示。
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( C( X3 s! b- Y2 q/ s$ C! q: t圖7 添加條件出現(xiàn)冗余錯(cuò)誤
開(kāi)始筆者以為是操作問(wèn)題，進(jìn)行多次嘗試后仍出現(xiàn)該問(wèn)題，但不會(huì)影響機(jī)構(gòu)的模擬運(yùn)動(dòng)，然而在對(duì)同一根桿進(jìn)行多次受力分析后，發(fā)現(xiàn)模擬得到的結(jié)果出入很大，這是為什么呢？
筆者為此翻閱了大學(xué)時(shí)代的課本，并請(qǐng)教了Autodesk公司的技術(shù)工程師。原來(lái)AIP11運(yùn)動(dòng)仿真模塊的底層計(jì)算完全基于我們所學(xué)的機(jī)械原理中的概念公式，關(guān)于連桿機(jī)構(gòu)自由度條件計(jì)算我們可參考“GRUEBLER定理”。
為使空間四連桿機(jī)構(gòu)只有一個(gè)可動(dòng)度M=1（M=6（N-J-1）+∑J，其中N為桿件數(shù)，J為接點(diǎn)數(shù)，∑J為接點(diǎn)自由度之和），經(jīng)計(jì)算得出最后一個(gè)連接點(diǎn)自由度數(shù)為4，故最后一個(gè)連接應(yīng)改為“球面圓槽運(yùn)動(dòng)”。
同理修改起停式曲柄飛剪機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)連接錯(cuò)誤的接點(diǎn)，建議讀者使用軟件自帶的“修復(fù)冗余”命令解決類(lèi)似問(wèn)題，如圖8所示。對(duì)于較簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)模型，在“修復(fù)冗余”命令菜單中可以直接對(duì)其進(jìn)行修改，而對(duì)于復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型，此處只能提出合理化建議，設(shè)計(jì)人員需要使用“插入連接”的命令，重新定義連接關(guān)系，如圖9所示。



9 m5 q( n+ [1 h+ {5 I圖9 修復(fù)界面
本例中的主傳動(dòng)齒輪連接可采用“外齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)”，選擇兩個(gè)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(shí)的連接條件只為計(jì)算傳動(dòng)功率，并不校驗(yàn)齒輪的嚙合，如減速箱功率的計(jì)算等。如需校驗(yàn)每一個(gè)齒可以考慮使用“接觸集合”的條件。對(duì)于一些專(zhuān)業(yè)的CAE軟件所提供的實(shí)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(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，在AIP11的連接條件中也有一個(gè)“焊
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CAD/CAM與制造業(yè)信息化•2006年第9期65
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9 Z* {# b0 V0 d& j9 p, L" ]3 i( M
6 n) S( |  R3 t: t! [" ]$ e接連接”的條件，這和剛才提到的焊接零件是兩個(gè)不同的概念。兩者的本質(zhì)區(qū)別是“焊接零件”允許把幾個(gè)零件在運(yùn)動(dòng)仿真中定義成一個(gè)整體，但是作用力不能在這幾個(gè)零件間傳遞，且“焊接連接”功能只能進(jìn)行兩個(gè)零件的添加，不能同時(shí)選擇幾個(gè)零件集體定義，而“焊接連接”則可以做到力的傳遞。因?yàn)橐?jì)算剪切過(guò)程中曲柄的受力，所以在這里只需要把飛剪機(jī)的曲柄和剪刃定義為“焊接連接”即可，如圖13所示。


+ a& z3 r# u6 s7 F6 w) C圖10
外齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)

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