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

非飛520

數(shù)字化設(shè)計
在設(shè)計的同時進行仿真
, L# p+ n; h; g: I0 h5 L% ^——Autodesk Inventor Professional在DANIELI冶金設(shè)備（北京）有限公司的應(yīng)用
  S# I. E/ F2 f  j! d( x* aInventor Professional 11（以下簡稱AIP11）在很好地解決設(shè)計中的尺寸結(jié)構(gòu)問題的同時,，還內(nèi)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(shè)計人員在一款CAD軟件中從產(chǎn)品概念設(shè)計到運動分析，再到出具相關(guān)計算報告都輕松完成,。
' E& V, U. H1 T; @5 n下面就討論一下,，如何在AIP11中完成起停式曲柄飛剪機構(gòu)的運動學(xué)性能分析。
9 v4 n+ J2 Y) G+ b8 S1 _2 X7 x8 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、飛剪機框架和剪刀的設(shè)計,。對于這些常規(guī)機構(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)求解一對傳動的圓柱斜齒輪,，如圖3所示。然后在部件環(huán)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(xì)表。最后還要校驗設(shè)計尺寸,，以確保零部件在實際裝配位置上處于無干涉狀態(tài),。這些操作相信對用過AIP11的設(shè)計人員，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裝配樹中（因為在實際機構(gòu)運動中并沒有總裝和子裝配的概念,，都是

; \) G' V% P# G: a! x飛剪機的主要任務(wù)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(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題之一,。飛剪機種類很多，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?fàn)顟B(tài),，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,。
+ `$ B0 q0 X. _, i0 j起停式曲柄飛剪機剪切機構(gòu)設(shè)計要求為：
9 v5 w. w# }7 O( 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,。
1 p& u7 F% o2 d) r2 在剪刃剪切過程中出現(xiàn)最大應(yīng)力時，確保承受載荷的曲柄是安全的,。
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□ 北京銳和華泰科技有限公司 王崢
如果采用傳統(tǒng)的手工計算,，設(shè)計人員首先要做出機構(gòu)簡圖，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,。由于模型已簡化為最基本的桿單元，且還有計算工程中數(shù)值近似取整等問題,，造成得出結(jié)果只能作為一個理論值,，和實際設(shè)計要求還有一段距離，所以通常計算得出的結(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。同時因為傳統(tǒng)算法,，手算量大,，易出現(xiàn)人為計算紕漏，最終造成設(shè)計誤差,。曲柄飛剪機的機構(gòu)示意圖如圖2所示,。



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4 h6 q) U  A2 @0 H設(shè)計人員為便于明細(xì)統(tǒng)計和后期的生產(chǎn)制造而人為定義的，所以筆者為求與真實環(huán)境一致,，盡量將其還原真實條件）,，并進行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡化（例如刪除軸承），使之真正成為一個力學(xué)模型,。如圖4所示,。

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圖4 簡化的力學(xué)模型
8 {" T& L8 {5 X/ L接著進入仿真環(huán)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(nèi)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(zhuǎn)成運動仿真中的連接條件,。這里應(yīng)該注意的是裝配中的角度約束問題,，過度和運動約束是不可以轉(zhuǎn)換的。
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' J) }4 ?9 `& b1 B  H" |0 w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,，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(gòu)為例說明。
2 f' }: Q* |: h, L8 X在原有的裝配環(huán)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(huán)境并對這些插入約束一一進行轉(zhuǎn)化后,，會發(fā)現(xiàn)前三個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)會自動提示添加條件自由度出現(xiàn)問題,，如圖7所示。
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2 b: l5 G  F* [: G' B$ V7 \0 [
8 `  q4 c( z$ Y& ], k0 {圖7 添加條件出現(xiàn)冗余錯誤
7 v; o$ }- u( Y6 H開始筆者以為是操作問題,，進行多次嘗試后仍出現(xiàn)該問題,，但不會影響機構(gòu)的模擬運動，然而在對同一根桿進行多次受力分析后,，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)時代的課本,，并請教了Autodesk公司的技術(shù)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(xué)的機械原理中的概念公式，關(guān)于連桿機構(gòu)自由度條件計算我們可參考“GRUEBLER定理”,。
為使空間四連桿機構(gòu)只有一個可動度M=1（M=6（N-J-1）+∑J,，其中N為桿件數(shù)，J為接點數(shù),，∑J為接點自由度之和）,，經(jīng)計算得出最后一個連接點自由度數(shù)為4，故最后一個連接應(yīng)改為“球面圓槽運動”,。
5 b$ ~1 k$ N7 W! |8 S! ~' m同理修改起停式曲柄飛剪機構(gòu)中出現(xiàn)連接錯誤的接點,，建議讀者使用軟件自帶的“修復(fù)冗余”命令解決類似問題，如圖8所示,。對于較簡單的動力學(xué)模型,，在“修復(fù)冗余”命令菜單中可以直接對其進行修改，而對于復(fù)雜的動力學(xué)模型,，此處只能提出合理化建議,，設(shè)計人員需要使用“插入連接”的命令，重新定義連接關(guān)系,，如圖9所示,。
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圖9 修復(fù)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(yè)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(xì)心的讀者可能會發(fā)現(xiàn),，在AIP11的連接條件中也有一個“焊

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8 U1 ?6 r- B8 u6 n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(zhì)區(qū)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,。


圖10
外齒輪嚙合運動
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圖11 焊接零件
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2 M9 k# G8 H9 t7 m; V圖12 定義固定

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1 g/ P; ^7 v9 C. L1 l% q. M, {圖13 焊接連接