【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 弊端是過(guò)分注重細(xì)節(jié)而忽略了系統(tǒng)整體性能。而虛擬樣機(jī)技術(shù)在 CAX( 如 CAD、 CAM、CAE 等 ) / DFX( 如 DFP、 DFA、 DFM、 DFT、 DFQ、 DFC、 DFS 等 ) 等技術(shù)基礎(chǔ)上 , 進(jìn)一步融合信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù) 和先進(jìn)仿真技術(shù) , 并將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)全生命 周期、全系統(tǒng) , 并對(duì)它們進(jìn)行綜合管理 , 從系統(tǒng)的層面來(lái)分析復(fù)雜系統(tǒng) , 支持“ 由上至下”的復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式。虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)相比 , 具有如下特點(diǎn) : （ 1） 面向系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)。強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)的層次上模擬產(chǎn)品的外觀、功能和在特定環(huán)境下的行為 。 （ 2） 涉及產(chǎn)品全生命周期。虛擬樣機(jī)可應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全生命周期 , 并隨著產(chǎn)品生命周期的演進(jìn)而不斷豐富和完善 。使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員也可地進(jìn)行交流 , 協(xié)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā) 支持分布式協(xié)同設(shè)計(jì)。虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)將產(chǎn)品的模型定義在計(jì)算機(jī)上 , 利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù) , 使處于異地的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員也可地進(jìn)行交流 , 協(xié)同進(jìn)行產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。支持不同領(lǐng)域人員從不同角度對(duì)同一虛擬產(chǎn)品并行地進(jìn)行測(cè)試、分析與評(píng)估活動(dòng)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門(mén)綜合多學(xué)科的技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程正如物理樣機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展過(guò)程中從 CAX 向集成優(yōu)化的現(xiàn)代集成 制造系統(tǒng) ( CIMS) 的發(fā)展歷程一樣 , 復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)已成為一個(gè)系統(tǒng)工程復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)工程。虛擬樣機(jī)技現(xiàn)不僅僅是一種新技術(shù)的應(yīng)用 , 而是設(shè)計(jì)思想的變革 , 將對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的相關(guān)技術(shù) 機(jī)械系統(tǒng)的種類繁多，虛擬樣機(jī)分析軟件在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，易拉罐翻新機(jī)械翻邊裝置虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì) 11 還需要融合其他相關(guān)技術(shù)。為了能夠充分發(fā)揮不同分析軟件的特長(zhǎng)，有事可能希望虛擬樣機(jī)軟件可以支持其他機(jī)械系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助工程（ MCAE）軟件，或者反過(guò)來(lái)，虛擬樣機(jī)軟件的輸入數(shù)據(jù)可以由其他的專用軟件產(chǎn)生 [10]。 一個(gè)優(yōu)秀的虛 擬樣機(jī)分析軟件除了可以進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析以外，還應(yīng)該包含一下技術(shù)： （ 1） 幾何形體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) （ CAD） 軟件和技術(shù)。用于機(jī)械系統(tǒng)的幾何建模，或者用來(lái)展現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。 （ 2） 有限元分析 （ FEA） 軟件和技術(shù)?？梢岳脵C(jī)械系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，確定進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)有限元分析 （ FEA） 所需的外力和邊界條件?；蛘呃糜邢拊治鰧?duì)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變和強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的分析。 （ 3） 模擬各種各樣作用力的軟件編程技術(shù)。虛擬樣機(jī)軟件運(yùn)用開(kāi)放式的軟件編程技術(shù)來(lái)模擬各種力和動(dòng)力，例如：電動(dòng)力、 液壓氣動(dòng)力、風(fēng)力等等，以適應(yīng)各種機(jī)械系統(tǒng)的要求。 （ 4） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析軟件和技術(shù)。虛擬樣機(jī)軟件可以運(yùn)用傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的控制理論，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真分析?；蛘呖梢詰?yīng)用其他專用的控制系統(tǒng)分析軟件，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合分析。 優(yōu)化分析軟件和技術(shù)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析，是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)優(yōu)化分析，確定最佳的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)值，是機(jī)械系統(tǒng)獲得最佳的綜合性能。 易拉罐翻新機(jī)械翻邊裝置虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì) 12 4 基于 Solidworks 軟件的虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用 近年來(lái) , 虛擬樣機(jī)技術(shù)已在產(chǎn)品 開(kāi)發(fā)的各個(gè)領(lǐng)域和不同階段取得多研究成果和成功應(yīng)用。 美國(guó)波音飛機(jī)公司波音 777 飛機(jī)的研制成功是虛擬樣機(jī)技術(shù)用的典型范例 , 其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)及分析均是在計(jì)算機(jī)中模擬完成 , 對(duì)比以往的機(jī)研制 , 波音 777 成本降低 25%, 制造周期縮短了 50% , 而且確保了最終產(chǎn)品一次接裝成功 , 成為全球首架采用虛擬樣機(jī)技術(shù)研發(fā)及制造的飛機(jī)。福特、 Caterpillar、 John Deere 等國(guó)外著名公司也廣泛采用虛擬樣機(jī)技術(shù) , 以減低開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和成本 , 改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量 , 并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 在國(guó)內(nèi) , 對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用研究目前一方面集中于對(duì)其技術(shù)內(nèi)涵、組成、運(yùn)行模式、體系結(jié)構(gòu)及其使能技術(shù)進(jìn)行了探討 , 以期構(gòu)建自主的虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)支持環(huán)境。另一方面則側(cè)重于虛擬樣機(jī)技術(shù)的在各領(lǐng)域的應(yīng)用研究。如中航第一飛機(jī)研究院成功推出國(guó)內(nèi)首架飛機(jī)全機(jī)規(guī)模電子樣機(jī)， 月球表面探測(cè)機(jī)器人方案研究 ?則運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)造虛擬月面計(jì)算仿真環(huán)境 , 并對(duì)涉及到的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究 ,并取得了很好的成果。各研究院所紛紛開(kāi)展虛擬樣機(jī)技術(shù)在汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航天航空業(yè)、國(guó)防工業(yè)及通用機(jī)械制造業(yè)等方面的應(yīng)用研究、仿真分析及二次 開(kāi)發(fā)。通過(guò)對(duì)虛擬樣機(jī)各關(guān)鍵技術(shù)的深入研究 , 必將促進(jìn)虛擬樣機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用 , 增強(qiáng)我國(guó)企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力 [11]。 SolidWorks 軟件簡(jiǎn)介 SolidWorks 的功能與特點(diǎn) Solidworks 軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 Solidworks 有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得 SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維 CAD 解決方案。 SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。 SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，而且對(duì)每個(gè) 工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。 對(duì)于熟悉 微軟 的 Windows 系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用 SolidWorks 來(lái)搞設(shè)計(jì)了。SolidWorks 獨(dú)有的拖拽功能使用戶在比較短的時(shí)間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計(jì)。 SolidWorks 資源管理器 是同 Windows 資源管理器一樣的 CAD 文件管理器，用它可以方便地 管理 CAD文件。使用 SolidWorks ，用戶能在比較短的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高易拉罐翻新機(jī)械翻邊裝置虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì) 13 質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場(chǎng)。 在目前市場(chǎng)上所見(jiàn)到的三維 CAD 解決方案中， SolidWorks 是設(shè)計(jì)過(guò)程比較簡(jiǎn)便而方便的軟件之一。在強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作（包括 Windows 風(fēng)格的拖 /放、點(diǎn) /擊、剪切 /粘貼）協(xié)同下，使用 SolidWorks ，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間的是全相關(guān)的。 Solidworks 虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件集成 SolidWorks 的應(yīng)用 CAD 實(shí)體建模僅是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的一環(huán) ,Solidworks 主要用于完成零件設(shè)計(jì)、裝配體設(shè)計(jì)和自動(dòng)生成工程圖?；谌S特征元素的建模和面向特征元素的數(shù)據(jù)修改是通過(guò) Solidworks 來(lái)完成的 , 并且二維、三維數(shù)據(jù)全相關(guān) , 修改任何一個(gè)零件的二維尺寸 , 都會(huì)引起其三維零件圖和裝配圖的自動(dòng)修改 , 甚至與其有緊密聯(lián)系的相關(guān)零件的尺寸也會(huì)變化 。 反之修改三維尺寸也會(huì)有同樣結(jié)果。這樣就可以實(shí)現(xiàn)完全的動(dòng)態(tài)參數(shù)化設(shè)計(jì)。另外 , Solidworks 中有一特征管理員 , 通過(guò)它可以隨時(shí)隨地修改某一特征元素的幾何尺寸 , 而不必考慮各幾何特征的相互關(guān)系和先后次序 , 極大地方便了設(shè)計(jì)人員 , 提高了設(shè)計(jì)效率。 Solidworks 通過(guò) SmartTeam 技術(shù)來(lái)創(chuàng)建和維護(hù)建模過(guò)程中的數(shù)據(jù)庫(kù) , 并通過(guò) API 接口技術(shù)與 FEA 軟件 (cosmos/works) 、動(dòng)態(tài)裝配軟件 (IPA) 、高級(jí)渲染軟件(photo/works)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件 (Cosmos/motion)和數(shù)控加工軟件 Camworks 等子系統(tǒng)進(jìn)行連接。其中 IPA 可以直觀地顯示大型裝配體并對(duì)其各個(gè)零部件進(jìn)行操作 , 可使設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段真實(shí)地看到 產(chǎn)品的實(shí)際形狀 , 并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。Cosmos/works 將對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和力學(xué)校核 , 它與 Solidworks 共享單一的數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)給模型指定一個(gè)載荷時(shí) , 設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)即自動(dòng)更新。 Photoworks 能迅速產(chǎn)生高級(jí)的渲染效果圖 , 包括豐富的材質(zhì)和紋理。用戶可定義光源、反射度、透明度以及背景景象。 IPA 與 Cosmos/motion 結(jié)合能進(jìn)行全真的裝配設(shè)計(jì) , 能實(shí)現(xiàn)三維模型的運(yùn)動(dòng)分析和產(chǎn)品的功能仿真。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的相關(guān)技術(shù)主要包含 6 個(gè)方面 ， ① 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) ((CAD)技術(shù)。用于機(jī)械系統(tǒng)的 幾何建模，或者展現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。 ② 有限元分析 ((FEA)技術(shù)?？梢杂脵C(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析結(jié)果，確定進(jìn)行有限元分析所需要的外力和邊界條件?；蛘呃糜邢拊治鰧?duì)構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變和強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的分析。 ③ 驅(qū)動(dòng)元件建模易拉罐翻新機(jī)械翻邊裝置虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì) 14 技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)還必須提供驅(qū)動(dòng)力元件，還模擬各種載荷，比如電動(dòng)力、風(fēng)力等 。④模型反求技術(shù)。利用實(shí)物進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)反求工程，快速建立機(jī)械系統(tǒng)模型。 ⑤ 控制系統(tǒng)分析技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)還可以運(yùn)用控制理論，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真?；蛘?，借助于其它控制系統(tǒng)分析軟件，進(jìn)行機(jī)械和控制系統(tǒng)的聯(lián)合 仿真分析。 ⑥ 優(yōu)化技術(shù)。通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析，確定最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)機(jī)械系統(tǒng)獲得最佳的綜合性能。 基于 Solidworks 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法 根據(jù) Solidworks 提供的功能特點(diǎn) , 可以采取圖 42 的步驟和方法進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和分 [12]。 圖 42 基于 Solidworks 虛擬樣 機(jī)設(shè)計(jì)方法 另外 , 如果需要 , 基于 Solidworks 的虛擬樣仿真軟件 (如 Matlab)連接進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。 易拉罐翻新機(jī)械翻邊裝置虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì) 15 5 易拉罐翻邊機(jī)零件建模設(shè)計(jì)及虛擬裝配 要對(duì)機(jī)械 系統(tǒng)進(jìn)行仿真 , 首先要建立機(jī)械系統(tǒng)的裝配模型。 Solidworks 軟件建立機(jī)械三維裝配體模型的方法有 2 種 : 一種是先建立零件 , 然后使用配合技術(shù)對(duì)各構(gòu)成零件進(jìn)行組裝建立裝配體 , 即自底向上的裝配體建模技術(shù) 。 另一種方法是直接在裝配體模型中根據(jù)零件特征和尺寸關(guān)聯(lián)建立起各個(gè)構(gòu)成零件 , 即自頂向下的建模技術(shù)。這里采用前一種方法 , 利用 Solidworks 提供的智能配合技術(shù) (Smartmate)快速建立系統(tǒng)的裝配體模型 [13]。 利用拉伸、陣列、切除、掃描、鏡像等特征，建立易拉罐翻新機(jī)主要零部件的三維參數(shù) 化模型 .包括軸、支架、帶輪、擋板、上下壓模、旋壓機(jī)頭、上端蓋、夾具裝置等10 多個(gè)零件。因電機(jī)、軸承、等為選購(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有建立這些零件的三維模型，僅建立易拉罐翻新機(jī)主機(jī)上零件模型。在建模過(guò)程中，充分利用參數(shù)化尺寸、方程式共享數(shù)值、配置、派生零件等參數(shù)化設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)重用技術(shù)，便于虛擬裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)不合適時(shí)對(duì)其進(jìn)行修改。 易拉罐翻邊機(jī)零件三維建模 機(jī)架建模過(guò)程 1)打開(kāi)程序。雙擊桌面的 SolidWorks 圖標(biāo)打開(kāi)界面。 2)新建零件。在打開(kāi)的界面中單擊【文件】 【新建】。在彈出的對(duì)話框中 選擇【零件】，然后單擊【確認(rèn)】進(jìn)入作圖界面 ，如下圖 51 所示 易拉罐翻新機(jī)械翻邊裝置虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì) 16 圖 51 零件建立界面 3）創(chuàng)建草圖并拉伸底板。選擇上視基準(zhǔn)面，單擊草圖工具欄的【草圖繪制】按鈕進(jìn)入草圖繪制狀態(tài)，繪制草圖 1 如下。并選擇拉伸凸臺(tái) 1 特征，輸入拉伸尺寸，然后單擊 ，即可完成實(shí)體的創(chuàng)建。如下圖 52 所示 圖 52 拉伸凸臺(tái) 1 3）創(chuàng)建草圖并拉伸底板。選擇上視基準(zhǔn)面，單擊草圖工具欄的【草圖繪制】按鈕進(jìn)入草圖繪制狀態(tài)，繪制草圖 2 如下。并選擇拉伸凸臺(tái) 2 特征，輸入拉伸尺寸，然后單擊 ，即可完成實(shí)體的創(chuàng)建。如下圖 53 所示 易拉罐翻新機(jī)械翻邊裝置虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì) 17 圖 53 拉伸凸臺(tái) 2 5）創(chuàng)建草圖并拉伸凸臺(tái)。選擇基準(zhǔn)面，單擊草圖工具欄的【草圖繪制】按鈕進(jìn)入草圖繪制狀態(tài)，繪制矩形草圖 3 及 3D 草圖 1，如下。并選擇拉伸特征 2，輸入拉伸凸臺(tái)尺寸，然后單擊 ，即可完成實(shí)體的創(chuàng)建。如下圖 54 所示 圖 54 拉伸凸臺(tái) 4 6）創(chuàng)建草圖并拉伸凸臺(tái)。選擇基準(zhǔn)面，單擊草圖工具欄的【草圖繪制】按鈕進(jìn)入草圖繪制狀