Autodesk Inventor 应用案例-转载于CADCAM

非飞520

数字化设计
在设计的同时进行仿真
——Autodesk Inventor Professional在DANIELI冶金设备（北京）有限公司的应用
  ]0 @1 X2 G" E. s0 s: z" w; MInventor Professional 11（以下简称AIP11）在很好地解决设计中的尺寸结构问题的同时，还内嵌了运动仿真和有限元分析模块，对上述问题提供了很好的解决方案，能够让设计人员在一款CAD软件中从产品概念设计到运动分析，再到出具相关计算报告都轻松完成。
6 |; W* O& ]! P( g5 D下面就讨论一下，如何在AIP11中完成起停式曲柄飞剪机构的运动学性能分析。
首先根据订单需求，利用AIP11方便快捷的造型功能，完成曲柄、飞剪机框架和剪刀的设计。对于这些常规机构模型，使用AIP11中的拉伸、旋转命令便能够完成（这里需要注意的是，在AIP11中拉伸和旋转等草图特征命令中包含了加材料和减材料的功能）。在“设计加速器”中输入压力角、螺旋角和中心距，利用系数求解一对传动的圆柱斜齿轮，如图3所示。然后在部件环境中对各个零件按实际要求拼装（这里可以使用添加“装配约束”的命令进行拼装，并确定哪些零件需要降级成为子装配），以便日后生成工程图中需要的明细表。最后还要校验设计尺寸，以确保零部件在实际装配位置上处于无干涉状态。这些操作相信对用过AIP11的设计人员，并不是一件难事，所以具体操作这里不再赘述。


0 H; [8 y6 |' \图3 使用设计加速器生成所需齿轮
+ A. [5 |" @% E  }接着保存刚才装配完成的起停式曲柄飞剪，并改变此模型中的装配关系，让所有零件都置于同一级装配树中（因为在实际机构运动中并没有总装和子装配的概念，都是

5 L% K" t3 N7 L+ u/ u9 \4 l2 j8 \& O飞剪机的主要任务是将运行着的轧件按照工艺要求定尺剪断。随着轧机轧制速度和生产能力的不断提高，提高飞剪的速度和性能已成为人们致力研究的问题之一。飞剪机种类很多，根据其不同的剪切断面和速度快慢，被应用于不同的场合。目前较先进的机型为起停式曲柄飞剪，该飞剪一般处于静止状态，剪切时采用低惯量大扭矩直流电机，直接完成起动、剪切和制动等工艺过程。其实物模型如图1所示。
4 [; y2 P5 g4 C: V: [' L起停式曲柄飞剪机剪切机构设计要求为：
6 a; L( [$ Z2 g* s- _& l1 两剪刃运动必须为一定轨迹的封闭曲线，且剪切工程中要求剪刃运动轨迹水平平滑，水平分速度呈匀速线形，并大于等于轧件的运动速度。
, k( a0 T; u* A5 K  v5 s2 在剪刃剪切过程中出现最大应力时，确保承受载荷的曲柄是安全的。

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5 i* ?, E4 G4 o! K□ 北京锐和华泰科技有限公司 王峥
/ Z+ n: {/ N' S6 k3 K如果采用传统的手工计算，设计人员首先要做出机构简图，并套用各种力学公式及平面几何的概念求解结果，然后再根据结果描绘所需各种曲线。由于模型已简化为最基本的杆单元，且还有计算工程中数值近似取整等问题，造成得出结果只能作为一个理论值，和实际设计要求还有一段距离，所以通常计算得出的结果安全系数要大于等于10（安全系数因企业设计要求不同而不同，这里所列出的只是笔者企业所采用的数值），才能放心使用。同时因为传统算法，手算量大，易出现人为计算纰漏，最终造成设计误差。曲柄飞剪机的机构示意图如图2所示。

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7 _" q( r& i6 s8 t设计人员为便于明细统计和后期的生产制造而人为定义的，所以笔者为求与真实环境一致，尽量将其还原真实条件），并进行适当的结构简化（例如删除轴承），使之真正成为一个力学模型。如图4所示。
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7 V6 W$ ~' l. K8 @图4 简化的力学模型
. s! x% p; g: X- T; ^0 g接着进入仿真环境，工具栏中的第一个命令可用来给零件间添加包括铰接在内的各种运动连接条件，如图5所示。我们也可以使用“继承装配”的功能把装配中的对齐、配合和插入等装配条件自动转成运动仿真中的连接条件。这里应该注意的是装配中的角度约束问题，过度和运动约束是不可以转换的。

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图5 插入连接功能
& b. i7 h6 v5 B1 a  ]- ?7 t在这里应尽量使用从装配环境继承连接条件的方法进行装配关系的转化，这样可以减少许多不必要重复性劳动，如图6所示。使用过AIP11仿真功能的读者，可能都遇到过一个有趣的问题，下面以四连杆机构为例说明。
) C3 N! y/ ~+ M: @: i) e9 p2 _8 t* J在原有的装配环境中，每根杆都使用插入约束进行连接，模型完全可以运动，而且没有提示任何错误。在进入仿真环境并对这些插入约束一一进行转化后，会发现前三个插入条件都能够顺利转成铰接，但在转成铰接后，系统会自动提示添加条件自由度出现问题，如图7所示。
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/ v5 ?. U/ ~8 }; @图7 添加条件出现冗余错误
开始笔者以为是操作问题，进行多次尝试后仍出现该问题，但不会影响机构的模拟运动，然而在对同一根杆进行多次受力分析后，发现模拟得到的结果出入很大，这是为什么呢？
! J$ v5 f2 O. u6 ^笔者为此翻阅了大学时代的课本，并请教了Autodesk公司的技术工程师。原来AIP11运动仿真模块的底层计算完全基于我们所学的机械原理中的概念公式，关于连杆机构自由度条件计算我们可参考“GRUEBLER定理”。
& H, b' n, q# I* n: ?$ H为使空间四连杆机构只有一个可动度M=1（M=6（N-J-1）+∑J，其中N为杆件数，J为接点数，∑J为接点自由度之和），经计算得出最后一个连接点自由度数为4，故最后一个连接应改为“球面圆槽运动”。
0 l6 L8 i6 j; ]+ ~同理修改起停式曲柄飞剪机构中出现连接错误的接点，建议读者使用软件自带的“修复冗余”命令解决类似问题，如图8所示。对于较简单的动力学模型，在“修复冗余”命令菜单中可以直接对其进行修改，而对于复杂的动力学模型，此处只能提出合理化建议，设计人员需要使用“插入连接”的命令，重新定义连接关系，如图9所示。

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图9 修复界面
本例中的主传动齿轮连接可采用“外齿轮啮合运动”，选择两个斜齿轮的分度圆即可完成条件添加，如图10所示。这里需要注意的是，此时的连接条件只为计算传动功率，并不校验齿轮的啮合，如减速箱功率的计算等。如需校验每一个齿可以考虑使用“接触集合”的条件。对于一些专业的CAE软件所提供的实体块和定义地面的功能，我们可以使用“焊接零件”和“固定”命令加以替代，如图11和图12所示。细心的读者可能会发现，在AIP11的连接条件中也有一个“焊
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接连接”的条件，这和刚才提到的焊接零件是两个不同的概念。两者的本质区别是“焊接零件”允许把几个零件在运动仿真中定义成一个整体，但是作用力不能在这几个零件间传递，且“焊接连接”功能只能进行两个零件的添加，不能同时选择几个零件集体定义，而“焊接连接”则可以做到力的传递。因为要计算剪切过程中曲柄的受力，所以在这里只需要把飞剪机的曲柄和剪刃定义为“焊接连接”即可，如图13所示。

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图10
外齿轮啮合运动

" L; H! b5 x4 i3 B6 ^图11 焊接零件
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图12 定义固定
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3 E; b8 R5 g1 v: i7 X图13 焊接连接