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0引言
眾所周知，要想在當(dāng)前激烈的市場競爭中取勝。縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，以及對市場的快速、靈活的反應(yīng)成為競爭者們?nèi)俚姆▽殹Ｕl最先推出產(chǎn)品，誰就占有市場。然而。傳統(tǒng)的設(shè)計與制造方式無法滿足這些要求。
隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真分析技術(shù)的不斷革新，特別是專用動力學(xué)分析軟件的出現(xiàn)，大大減輕了在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計中的工作強度和難度。但是，此類動力學(xué)分析軟件僅僅是對數(shù)學(xué)模型所進(jìn)行的分析計算，不能對真實的系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬和仿真，而真正具有革命性突破的是虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)。在產(chǎn)品研究開發(fā)過程中，產(chǎn)品研發(fā)人員通過建立虛擬樣機(jī)．對產(chǎn)品全生命周期的各個階段，從不同角度、不同需要出發(fā)，進(jìn)行性能和行為仿真、性能測試和評價，實現(xiàn)用虛擬樣機(jī)取代物理樣機(jī)．一次開發(fā)成功的目的。本文從分析虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點和優(yōu)勢出發(fā)，針對現(xiàn)有自動包裝秤設(shè)計手段存在的不足．將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入自動包裝秤設(shè)計開發(fā)領(lǐng)域。
1DCS一5O自動包裝秤的組成及原理
DCS一50型自動包裝秤共分為兩大部分，即稱重部分和包裝部分。稱重部分執(zhí)行計量功能，是重點設(shè)計對象，主要由料倉、給料料斗、給料閥門、給料氣閥組件、稱重料斗、稱重氣閥組件、稱重閥門、稱重傳感器、狀態(tài)傳感器、電氣控制柜等組成。包裝部分主要由包裝料斗、包裝氣閥組件、夾袋器等組成。DCS一50型自動包裝秤的工作參數(shù)見表1。

其工作原理為：料倉內(nèi)的物料流入給料料斗。由給料料斗的給料閥門控制成粗給料和細(xì)給料兩個階段流人稱重料斗：與稱重料斗直接接觸的稱重傳感器將物重直接變成電信號，傳給單片機(jī)控制系統(tǒng)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)稱重料斗內(nèi)的重量達(dá)到設(shè)定值的94％時，發(fā)出粗加料終了信號，使給料料斗的給料閥門在給料氣閥作用下，由粗給料切換到細(xì)給料，進(jìn)入細(xì)給料過程，直至發(fā)出滿秤信號；此時，給料料斗的給料閥門在給料氣閥的作用下完全關(guān)閉，停止了細(xì)給料，并下達(dá)放料指令，在稱重氣閥的作用下通過稱重閥門撥桿打開稱重閥門，物料由稱重料斗經(jīng)包裝料斗落人包裝袋，完成計量自動落料。
2建立DCS一5O自動包裝秤稱重機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型
稱重組件包括稱重料斗、稱重閥門、氣閥組件、支承和傳感器等。
在CATIA軟件環(huán)境中，稱重料斗設(shè)計是先在曲面設(shè)計模塊中形成旋轉(zhuǎn)曲面，再在零件模塊中通過加厚曲面或封閉曲面形成實體后編輯而成，如圖1所示。

氣閥組件、支承等其它零件模型是在零件設(shè)計模塊中通過創(chuàng)建二維草圖，然后使用三維建模的基礎(chǔ)特征，包括成型特征，特征操作，和變換特征等創(chuàng)建，如圖2所示。

在CATIA的裝配模塊下，通過虛擬裝配，定義各個零部件間的同軸，偏移，角度等位置約束關(guān)系，從而得到DCS一50自動包裝秤稱重機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配模型，如圖3所示。

3DCS一5O自動包裝秤稱重機(jī)械結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型
通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式如igs、step等，可以將CATIA建立的自動包裝秤模型導(dǎo)入ADAMS；其缺點是在導(dǎo)入的模型中，原有的約束關(guān)系以及物理特性參數(shù)等將有可能丟失，必須對其進(jìn)行重新修正。將在CATIA中建立的各個零件三維模型轉(zhuǎn)換成igs格式，再將分析所需的零件用轉(zhuǎn)換后的s格式逐一導(dǎo)入ADAMS／View中。為了保障導(dǎo)人零件的物理特性參數(shù)的安全性，可以把在CATIA中計算得到的各個零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)分別賦給ADAMS中相應(yīng)的零件：再利用ADAMS／View中的位置調(diào)整工具，對所導(dǎo)人的零件位置進(jìn)行重新調(diào)整，使其與實際裝配位置相符合。在模型零件的物理特性參數(shù)和位置確定以后，最后定義零件問的連接和相對運動方式。如圖4所示。分別是通過格式轉(zhuǎn)換、零件導(dǎo)入、數(shù)據(jù)修正、位置調(diào)整、添加約束、定義運動、模型細(xì)化、優(yōu)化后得到的DCS一50型自動包裝秤的稱重結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型。

軟件簡介
CATIA三維造型設(shè)計軟件：法國達(dá)索飛機(jī)公司開發(fā)的高檔CAD／CAM軟件。具有強大的曲面設(shè)計功能，在飛機(jī)、車輛、船舶等領(lǐng)域享有很高的聲譽。
ADAMS機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件：美國MSC公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件．能對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析．可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷等。
4優(yōu)化分析
氣閥的作用就是要保證其在有足夠氣壓條件下，使稱重閥門在放料前保持關(guān)閉。本節(jié)用優(yōu)化分析的方法求出滿足實際工況時氣閥需用氣壓的最小值。
稱重機(jī)械結(jié)構(gòu)所受的外力，除重力外還包括兩個作用力，一個是物料對稱重閥門的作用力1．另一個是氣閥汽缸通過氣壓對閥桿的作用力2。所受的重力是ADAMS／View自動設(shè)置的，所以只需對其它兩個力進(jìn)行添加。
DCS一50型自動包裝秤的最大量程是50kg。以小麥為工作對象來求出小麥對稱重閥門的壓力。
根據(jù)稱重料斗的幾何尺寸和小麥的密度，可以計算出當(dāng)稱重料斗內(nèi)的小麥重量為50kg時，稱重料斗內(nèi)的小麥的高度約為550ram。近似地按流體靜力學(xué)計算，小麥對稱重閥門的壓力應(yīng)為：P=H×P式中：P一稱重閥門所受的壓力：H一稱重料斗內(nèi)的小麥的高度；p一小麥的密度，約為735kg／m。得出：P=0．4N／cm。則稱重閥門所受小麥的作用力為：F=P×S式中：5一稱重閥門的上表面積．約為0．O17m。
通過計算可以得到作用力1為F=68N作用力2有一個變化范圍，其在該范圍內(nèi)變化時，能夠取得一個滿足優(yōu)化條件的最小值，所以作用力2以設(shè)計變量的形式設(shè)定．并把對作用力2的測量以便取得最小值作為優(yōu)化分析的目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)實際工況把作用力2設(shè)定在100N～300N之間，并把200N設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)值。
把對稱重閥門與支承之問轉(zhuǎn)動副的角度測量設(shè)定為設(shè)計的約束條件。稱重閥門與支承之間轉(zhuǎn)動副的角度為零或負(fù)值時，表示稱重閥門關(guān)閉或在一定的作用力下被鎖死。
確定了目標(biāo)函數(shù)、定義了設(shè)計變量和設(shè)定了約束條件后，就可以對稱重機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。得出作用力2的變化曲線圖．如圖5所示，然后輸出優(yōu)化分析結(jié)果報告。如圖6所示。

優(yōu)化分析結(jié)果報告表明，本次優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了4次設(shè)計實驗；作用力2的最大值為200N，轉(zhuǎn)動副的角度為一37．2。，表明稱重閥門在一定的作用力下被鎖死；作用力2的最小值為166．3N，轉(zhuǎn)動副的角度為一0．41616。，表明設(shè)計可行，稱重閥門在此條件下能夠保持關(guān)閉狀態(tài)，可以把作用力2的最小值166-3N作為保證稱重閥門保持關(guān)閉狀態(tài)的臨界值。
DCS一50型自動包裝秤稱重機(jī)械結(jié)構(gòu)采用的氣閥型號是MAIA0—50型，它的活塞直徑為40mm．通過計算得到P=0．13MPa。由于實際工況的復(fù)雜性和各種不確定的影響因素，此仿真值不能作為實際工作值。該值應(yīng)該乘以一個安全可靠性系數(shù)，方能保障實際工作的安全性和可靠性。取安全可靠性系數(shù)為1．5．則P約為0．2MPa，此值可作為實際工作的最小值。而實際的工作氣壓為0．3～0．5MPa，雖更能保障實際工作的安全性和可靠性，但造成一定程度上的能源浪費。
5結(jié)束語
基于三維造型設(shè)計軟件CATIA，研究了DCS～50自動包裝秤稱重機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方法，并在ADAMS中建立了DCS一50自動包裝秤稱重機(jī)械結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，實現(xiàn)了DCS一50自動包裝秤稱重機(jī)械結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的動力學(xué)仿真，用優(yōu)化分析的方法得到滿足實際工況時氣閥需用氣壓的最小值。將其與實際工作值相比較．基本吻合，說明了虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性。基于虛擬樣機(jī)的建模和仿真技術(shù)可以為DCS一50自動包裝秤稱重機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其他傳動系統(tǒng)的強度校核、優(yōu)化設(shè)計等提供較為準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。

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