自动组合机床下料机构创新设计及其优化分析.pdf
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1、 自动组合机床下料机构创新设计及其优化分析自动组合机床下料机构创新设计及其优化分析 摘摘 要要 在现代机械制造业中,CAE 技术已经得到普遍的应用,利用虚拟样机 (VPVirtual Prototyping)技术对产品进行创新设计,可以有效缩短开发周 期,降低成本,改进产品设计质量,提高面向客户与市场需求的能力。该技术 相对于传统设计方法,设计流程大大简化,设计概念、设计图纸、三维模型建 立、加工制造、直至涉及产品的性能测试、优化分析、寿命评估等都是数字化 处理,通过参数化模型的优化评估,其结论数据可以直接反馈到数字模型,使 功能虚拟样机得以修改,最终反映到产品上。而传统方法则需经过概念的图纸
2、 化、样机的试制,物理测试等过程,其优化分析会多出实际样机模型的修改与 试制过程,不断修改,试制,如此往复,浪费资金、设计效率低下,不能及时 做到产品随市场改变,思路随客户更改。虚拟样机设计方法唯一需要注意的是 数字化模型建立需尽可能准确,简化要合理,这样结论才是可靠的,产品质量 才能保证。 本文以汽车拉杆钻攻双工位自动组合机床中的下料机构为例对运动机构 进行了创新设计及优化分析。该下料机构的作用是在拉杆工件(圆管)加工完 成后翻转工件进入到下料滚道至料仓,是完成自动化加工过程中一个重要的辅 助设备。本文采用虚拟样机技术和 CAE 技术,以 ADAMS、ANSYS 软件为工具,对 下料机构进行
3、了参数化建模和仿真分析。真实地模拟了机构的运动过程,并且 分析和比较了多种参数方案, 综合考虑机构的尺寸及干涉位置进行了机构优化, 得出最优化的设计模型。完成了较为精确的数字模型,并在此基础上对机构关 键部件进行弹性化,建立了刚柔混合模型,讨论了考虑弹性影响的机构动力学 响应。 关键字关键字: : ADAMS;下料机构;参数化模型;设计优化 Design and optimizing the baiting mechanism of automatic modular machine ABSTRACT In the modern manufacture industry, CAE techno
4、logy has been widely used, applying the VP (virtual prototype) technology to product innovation physical prototype design, can cut down the development cycle, reduce the cost, improve product quality, and improve customer design with market demand for the ability of its functions. The flow process o
5、f design will be simplified strongly relative to traditional design, and all of processes such as concept, blueprint, 3D model, manufacture, so much as aptitude test, optimizational analysis and life evaluation, ware digitized and the results of optimizational analysis ware applied to modify the VP.
6、 On the other hand, the methods of traditional design have additional process except for classical flow of design, repeating modifying engineering modal and trial-producing, that would arise a series of problems. Setting-up digit ional modal must be as accurate as possible ,and simplifying as reason
7、able as possible, that must be thought much of using VP technology , in this way, the result of analysis is credible and the quality of product is ensured . This paper research one type of mechanism named as turnover mechanism used to turn makings in the automotive tie rod drilling attack duplex aut
8、omatic combination machine. After processed in the processing position, the workpiece(pipe) must enter the specified location. And using the turnover mechanism, we can let the workpiece enter the specified location. The turnover mechanism is an important auxiliary equipment in the part of the proces
9、sing line. The paper using the virtual prototyping with aid of ADAMS and ANSYS software this operation platform, parametric model for turnover mechanism is established, and carried out simulating analysis for it. Next realistic simulation of the movement of the body, and quickly analyze and compare
10、a variety of parameters of the program. Synthetically considering the optimal size and location of turnover mechanism.And let the key position into the flexible body. Finally Obtained the optimal design model. Keywords: ADAMS software, baiting mechanism, Parametric model ,Design and Optimization 致致
11、谢谢 从选题到研究,再进入模拟计算过程,最后至成文,每一个步骤都是忙碌 和充实的。设计过程中充满了迷惑和不知所措,也有着很多了解和领悟后的惊 喜!论文的完成过程就是一个成长的过程! 在此,我要衷心地感谢我的指导老师王勇老师。王勇老师知识渊博,治学 严谨,正是在他的指导帮助下,我的硕士论文才得以顺利完成,同时也学到了 做学问所应有的态度。 在此,我还要感谢其他同学和朋友的关心和帮助。 最后,向我的父母、爱人、儿子致谢,他们的支持和鼓励一直是我克服困 难,不断前进的强大动力,使我有了无比的信心来完成我的学业。 作者:汤 萍 2013 年 10 月 31 日 目目 录录 第一章第一章 引引 言言 1
12、 1.1 研究目的与意义 1 1.2 相关领域的研究现状和发展趋势 2 1.3 本文研究的主要内容.2 第二章第二章 虚拟样机技术概述虚拟样机技术概述 4 2.1 虚拟样机技术的基本概念 .4 2.2 虚拟样机的应用及优势 .5 2.3 ADAMS 软件概述6 2.4 应用 ADAMS 软件进行虚拟样机设计的过程 .8 第三章第三章 下料机构的工作背景及总体设计下料机构的工作背景及总体设计 11 3.1 下料机构的工作背景. 11 3.2 下料机构的设计参数及要求 . 12 第四章第四章 下料机构的动力学方程下料机构的动力学方程 14 4.1 ADAMS 建立动力学方程思路与方法 14 4.2
13、 下料机构动力学方程. 14 第五章第五章 建立机构的三维模型及仿真分析建立机构的三维模型及仿真分析 17 5.1 下料机构模型的建立. 19 5.2 模型的检验 21 第六章第六章 下料机构的优化分析下料机构的优化分析 23 6.1 下料机构的参数化设计 . 23 6.2 创建目标函数和约束函数 . 24 6.3 运行设计研究 25 6.4 运行试验设计分析 27 6.5 运行优化设计分析 30 第七章第七章 下料机构关键部位弹性化下料机构关键部位弹性化 34 结结 论论 36 参考文献参考文献 37 插图清单插图清单 图 2-1 传 统 产品 开 发 与虚 拟 样机 开 发 流程 对 比5
14、 图 2-2 应用 ADAMS 软件进行虚拟样机设计流程图10 图 3-1a 汽车横拉杆钻攻 双工位自动 组合机床主 要结构示意 图11 图 3-1b 下 料机 构结 构 及安 装示 意 图12 图 3-2 V 型支 座与 管材几 何关 系示意 图13 图3-3 下料 机 构 初始 位 置13 图3-4 下料 机 构 终止 位 置14 图 4-1 下 料机 构 力学 分 析模 型 16 图5-1 下料 机 构 的模 型 图20 图5-2 气缸 活 塞 杆速 度 图21 图5-3 气缸 活 塞 杆位 移 图21 图5-4 管 料 抛 射 轨迹 22 图6-1 模 型 位 置 标注 24 图 6-
15、2 参 数化 后 初始 值 及范 围 24 图6-3 管料 质 心 位移 测 量25 图6-4 设 计 研 究 设置 26 图 6-5 DV_1 到DV_4 的信息报表27 图6-6 试 验 分 析 设置 28 图 6-7 各 参数 组合下 管料 高度 的变化 曲线 图29 图 6-8 各 参数 组合下 管料 高度 的部分 具体 值29 图 6-9 各 参数 组合下 管料 高度 的抛射 曲线 图30 图6-10 优 化 设计 分 析 设 置31 图6-11 管 料 抛射 曲 线 图 31 图6-12 优 化 设计 分 析 结 果32 图 6-13 管料质心到V 型支座的顶角距离33 图 6-1
16、4 优化 的机 构 尺寸 和位 置示 意 图33 图 7-1 柔性 体 代替 刚 性体 对话 框34 图7-2 下料 机 构 变形 情 况35 图 7-3 刚柔 体 系下 管 料抛 射高 度35 1 第一章第一章 引引 言言 1.1 1.1 研究目的与意义研究目的与意义 目前国内对于很多机械机构的设计大多还是图解法,通过建立机构的数学 模型,然后根据设计要求对模型进行优化。这种设计方法计算量大且复杂、效 率不高,机构运动真实度不高。应用虚拟样机技术对工程机械进行设计研究和 优化分析取代传统的机械设计、试验和研究方法已成为一种趋势。 我国制造工业的快速发展、技术进步以及工人素质的提高,使自动化设
17、备 得到了前所未有的发展机遇。随着经济水平的提高,制造业的规模不断加大, 体制随着改革的深化也有了重大的变化,行业的自动化水平、技术水平有了较 大进步。到了如今,制造业的发展出现了瓶颈,设计技术落后,产品更新跟不 上市场,尤其是国际市场的变化,人员工资相应提高,要求我国制造业必须由 制造型向创造型发展,同时大力提高行业自动化水平,新的设计思路、设计方 法需要在中国创造中承担重大角色。国际上,新的设计理念和方法也在不断发 展与应用,虚拟样机技术应运而生,主要的代表就是虚拟样机技术。 虚拟样机技术机(virtau1Prototype,简称 VP)通过数字化方式体现设计者的 设计意图,通过建立一个和
18、物理样机具有相似功能的模型,模拟在实际过程中 的运动来测试所建模型,从而在产品加工之前对产品的性能、可制造性进行分 析,将制造过程中可能出现的问题提前到设计过程来处理。虚拟样机技术对产 品设计开发过程的简化、产品开发周期的缩短,产品开发的费用和成本的减少 都会有极大的作用。应用的好,可以做到对产品进行合理的优化,大幅度提高 机械产品的性能和质量。ADAMS 作为虚拟样机分析的应用软件,可以方便精 确地对各种机械系统进行建模和优化设计。 下料机构是一种在现代各种各样的生产工艺线上或自动化加工设备中,除 了主机之外的重要的辅助设备之一,主要作用是把高位设备上的加工中的产品 移动到低位设备上,或是将
19、低位设备上的加工产品移动到高位设备上。在移动 加工产品的过程中,要保证整个生产的流畅、降低噪音、减少产品表面和生产 设备的划伤和冲击损害、提高生产效率和质量。合理地设计下料机构,对整个 生产的自动化及充分发挥主机设备的效能,提高产品的质量和产量有着重要的 作用。本文研究的下料机构属于汽车拉杆双工位自动组合机床的附属部件。具 有结构简单,安装方便,容易加工,成本低,运动可靠等优点。此种类型的下 料机构还可以广泛用于类似管材加工的生产工艺线上或自动化设备上。 本文旨在现有虚拟样机技术研究的基础上,借助 ADAMS ,ANSYS 软件 对下料机构进行建模仿真,通过对模型进行参数化和优化分析,利用优化
20、设计 的结果,进行运动仿真,验证优化设计模型的正确性,并获得符合应用要求的 2 机构参数值,给出机构设计的相关设计参数。 1.2 1.2 相关领域的研究现状和发展趋势相关领域的研究现状和发展趋势 虚拟样机技术在一些发达国家,如美国、德国、日本等已得到广泛应用, 应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国 防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学及工程咨询等多方面 1。所 涉及产品从庞大的卡车到照相机的快门,上天的火箭、卫星到轮船的锚链。在 各领域,针对各种产品,虚拟样机技术都为用户节约开支、时间并提供满意的 设计方案。目前,虚拟样机技术已在我国得到了应用与推广,主
21、要是在汽车制造 业和武器装备制造业中应用较为广泛,但只停留在初步应用阶段; 在其它行业应 用较少,主要局限在专业研究机构和高校研究机构。可见我国对于虚拟样机技 术的应用领域和技术水平还很低,但是却有很大的提升空间。 作为一种先进的设 计方法,虚拟样机技术有助于企业做出前瞻性的决策,实现产品总体优化目标, 为企业赢得用户给市场提供了有利条件 8-10。作为提高劳动生产率的利器,目 前我国的自动化设备,特别是高端设备、装备,大部分都是从国外引进,甚至 被国际封锁而不得引进。所以采用先进理论自主创新研发自动化设备就纳入了 我国新时期的国家战略(机械行业十二五规划) 。由于我国的机械行业整体水平 与世
22、界先进水平尚有一定的差距,设计理念和设计方法还相对落后,发挥后发 优势,学习、借鉴国际上先进技术就成为了必需,并且也是可行的,这会大大 缩短我国技术上的差距,增强自主创新能力。因此,虚拟样机技术势必会成为 将来我国机械行业产品设计优化的主流。 1.3 1.3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 运动机构的设计方法不断在发展和更新。基本的方法是从机械原理出发, 确定运动机构的传动方案,零部件材料选型,部件运动或动力分析,在此基础 上,综合安装位置、约束干涉情况进行优化分析。此种方法设计效率低下,特 别是需要进行优化时,更耗时费力。计算机的发展和多体系统理论的发展带来 了全新的机构设计理念,极大
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- 关 键 词:
- 自动 组合 机床 机构 创新 设计 及其 优化 分析
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