牛軍燕1，劉 杰，唐永濤3，劉 全

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450015；2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450015；3.華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)逐步變成了自動化、智能化的生產(chǎn)方式[1]。如果直接設(shè)計并制造出物理樣機，一旦出現(xiàn)碰撞干涉或個別桿件應(yīng)力不足等現(xiàn)象，將需要重新設(shè)計，這樣不僅浪費成本而且延長生產(chǎn)周期。而虛擬樣機技術(shù)作為一種先進的計算機技術(shù)，可以大大減少昂貴而費時的物理樣機制造及試驗過程，設(shè)計人員可以直接在計算機進行快速分析，比較多種設(shè)計方案，進行分析優(yōu)化，在設(shè)計中及時發(fā)現(xiàn)問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，顯示了其無與倫比的作用與地位[2]。

1 虛擬樣機技術(shù)的軟件平臺

虛擬樣機技術(shù)是指在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)揉和在一起，在計算機上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進行仿真與分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進而改進產(chǎn)品設(shè)計、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)[3]。虛擬樣機技術(shù)不僅具有機械系統(tǒng)運動學(xué)及動力學(xué)分析技術(shù)，而且還具有建模仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)、優(yōu)化分析技術(shù)、驅(qū)動元件建模技術(shù)結(jié)構(gòu)分析、模型分析、控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。虛擬樣機技術(shù)在一些較發(fā)達國家，如美國、德國、日本等國已得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、工程機械 、航空航天業(yè) 、國防工業(yè) 、通用機械制造業(yè)、生物力學(xué) 、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等很多方面，虛擬樣機技術(shù)也將在機械手設(shè)計研發(fā)方面扮演越來越重要的角色。本文就是利用虛擬樣機技術(shù)在水電站啟閉機設(shè)備上進行的研究與應(yīng)用。

虛擬樣機技術(shù)在工程中的應(yīng)用是通過界面友好、功能強大、性能穩(wěn)定的商品化虛擬樣機軟件實現(xiàn)的。以三維設(shè)計軟件PRO/E、機械動力學(xué)仿真軟件ADAMS、大型有限元分析軟件ANSYS、Hypermesh和控制仿真軟件 MATLAB為核心，構(gòu)建集成的軟件環(huán)境平臺，從而為水電站啟閉機設(shè)備的虛擬樣機設(shè)計提供一種新型的、具有實用價值的工程設(shè)計方法，使企業(yè)能夠應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)。ADAMS是集建模、 求解、可視化技術(shù)于一體的機械系統(tǒng)仿真分析軟件，一方面是虛擬樣機分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便的對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析；另一方面，又是虛擬樣機分析開發(fā)工具，它擁有開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，如ADAMS支持的IGES、 STEP、 DXF/DWG、 Parasolid Wavefront、Test Date等圖形交換格式都可以導(dǎo)入到ADAMS中，進行運動學(xué)仿真和動力學(xué)仿真，更擴大了它的使用范圍，同時可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺[4]。

以水電站啟閉機設(shè)備的集成虛擬樣機設(shè)計為例，軟件設(shè)計平臺如圖1 所示。

圖1 水電站啟閉機設(shè)備的集成虛擬樣機軟件設(shè)計平臺

如圖1所示，水電站啟閉機設(shè)備虛擬樣機是利用計算機輔助設(shè)計分析仿真軟件對虛擬樣機進行性能分析的，如同對水電站啟閉機設(shè)備物理樣機的試驗研究一樣。對虛擬樣機主要部件進行動力學(xué)和運動學(xué)仿真，從仿真的結(jié)果不僅可以得到各運動件的動畫、位置、速度、加速度、位移、軌跡，檢驗機構(gòu)運動是否合理，是否出現(xiàn)干涉、卡死等問題，還可以得到各零部件實際所受的各種載荷。有了零件所受的力和力矩作為載荷條件，可以將載荷傳遞給有限元分析軟件ANSYS、Hyperhesh進行水電站啟閉機設(shè)備關(guān)鍵零件的剛度、熱變形、振動、動態(tài)特性等分析，獲得零件的應(yīng)力、應(yīng)變分布、 位移以及固有頻率和振型等。同時，也可以對水電站啟閉機設(shè)備整機特性進行分析。在對水電站啟閉機設(shè)備虛擬樣機性能測試不能滿足要求時，返回概念設(shè)計或詳細設(shè)計中，進行方案修改或變化有關(guān)參量，直至測試滿足要求。

2 虛擬樣機技術(shù)在水電站啟閉機設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 在PRO/E中建模

在水電站啟閉機設(shè)備虛擬樣機初步設(shè)計階段，主要進行調(diào)研分析，了解企業(yè)的需要，明確水電站啟閉機設(shè)備的工作性能，確定所設(shè)計機械手的主要結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)。具體設(shè)計是在總體方案基本確定后 ，對機械結(jié)構(gòu)零部件進行主要形狀和尺寸的設(shè)計，水電站啟閉機設(shè)備零部件外形結(jié)構(gòu)、尺寸的設(shè)計對整個機械手性能有直接的影響。

由于ADAMS軟件建模功能還不完善，在仿真過程中需要借助其他CAD軟件建模。本文采用PRO/E建立了水電站啟閉機設(shè)備的三維實體模型。

2.2 動態(tài)仿真分析

2.2.1 導(dǎo)入模型

將PRO/E中的水電站啟閉機設(shè)備模型導(dǎo)入ADAMS 中進行仿真分析。導(dǎo)入過程如下：PRO/E與ADAMS之間的數(shù)據(jù)傳輸有兩種方式。

1)MSC公司推出了 ADAMS與PRO/E的接口模塊，即利用Pro/E和ADAMS軟件的接口程序 Mechanism/Pro來生成ADAMS可以讀取的文件，這是這兩個軟件能無縫連接的關(guān)鍵所在。利用該接口程序可以直接把實體模型存成可以在ADAMS讀取的文件格式。

2)對PRO/E創(chuàng)建好的裝配體另存為 Parasolid (. x_t)格式 ，這種是 ADAMS可以識別的格式 ，從而實現(xiàn)連接。

經(jīng)過多次試驗，本文采用方式(2)進行導(dǎo)入，值得注意的是導(dǎo)入 ADAMS的實體為空白實體，無質(zhì)量、無約束。

2.2.2 完善模型

完善模型對運動學(xué)分析的正確性至關(guān)重要。首先要設(shè)置好工作環(huán)境，如背景顏色、單位、工作網(wǎng)格的大小等，以方便后續(xù)的工作。然后對每一個零件定義質(zhì)量、顏色、材料進行設(shè)定。最好為每一個零件進行重命名，這樣在后續(xù)添加約束等操作時容易識別，節(jié)省時間。其次，對各運動副添加約束。水電站啟閉機設(shè)備各運動部件之間用接觸力屬性定義，并設(shè)置摩擦系數(shù)。最后對所要求的運動關(guān)節(jié)添加驅(qū)動。水電站啟閉機設(shè)備的移動關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)都是采用 STEP函數(shù)進行驅(qū)動。

2.2.3 測量分析

在ADAMS/View環(huán)境下設(shè)置End Time為1.5 s，Steps為50，仿真類型選為缺省，然后啟動仿真。

在仿真結(jié)束后，進入ADAMS的后處理模塊，后處理模塊可以生成水電站啟閉機設(shè)備各部件的位置、速度、加速度和各個運動關(guān)節(jié)上的作用力矩、角速度等數(shù)據(jù)曲線，通過修改某些參數(shù)，就可以改變水電站啟閉機設(shè)備的運動特性。另外，還可以根據(jù)水電站啟閉機設(shè)備的力矩特性曲線為電機和減速器進行選型，而電機及減速器的選擇是一個復(fù)雜的過程，在幾種選擇電機和減速器的方法中，仿真數(shù)據(jù)是最主要的選型和驗證依據(jù)。因此，筆者在選擇水電站啟閉機設(shè)備的驅(qū)動電機時，就是根據(jù)仿真數(shù)據(jù)選擇合適的電機和減速器的。

3 結(jié)語

虛擬樣機技術(shù)是一門很實用的應(yīng)用技術(shù)，它具有高精度的分析能力和廣泛的應(yīng)用范圍，同時，可以使企業(yè)縮短生產(chǎn)周期、 降低成本、增強競爭力。通過在水電站啟閉機設(shè)備上的應(yīng)用分析，特別是本文提出的水電站啟閉機設(shè)備的集成虛擬樣機軟件設(shè)計平臺可以為其他的設(shè)計方案做參考利用。同時，虛擬樣機技術(shù)還有利于方案的篩選和優(yōu)化，可以節(jié)省大量時間，為未來的設(shè)計工作提供了一條新的思路。