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0引言
眾所周知，要想在當前激烈的市場競爭中取勝。縮短產品開發(fā)周期，提高產品質量，降低生產成本，以及對市場的快速、靈活的反應成為競爭者們取勝的法寶。誰最先推出產品，誰就占有市場。然而。傳統(tǒng)的設計與制造方式無法滿足這些要求。
隨著計算機技術的發(fā)展，仿真分析技術的不斷革新，特別是專用動力學分析軟件的出現，大大減輕了在機械系統(tǒng)設計中的工作強度和難度。但是，此類動力學分析軟件僅僅是對數學模型所進行的分析計算，不能對真實的系統(tǒng)模型進行模擬和仿真，而真正具有革命性突破的是虛擬樣機技術的出現。在產品研究開發(fā)過程中，產品研發(fā)人員通過建立虛擬樣機．對產品全生命周期的各個階段，從不同角度、不同需要出發(fā)，進行性能和行為仿真、性能測試和評價，實現用虛擬樣機取代物理樣機．一次開發(fā)成功的目的。本文從分析虛擬樣機技術的特點和優(yōu)勢出發(fā)，針對現有自動包裝秤設計手段存在的不足．將虛擬樣機技術引入自動包裝秤設計開發(fā)領域。
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見表1。

其工作原理為：料倉內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，傳給單片機控制系統(tǒng)，并與設定值進行比較。當稱重料斗內的重量達到設定值的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，由粗給料切換到細給料，進入細給料過程，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閉，停止了細給料，并下達放料指令，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自動包裝秤稱重機械結構參數化模型
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，稱重料斗設計是先在曲面設計模塊中形成旋轉曲面，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計模塊中通過創(chuàng)建二維草圖，然后使用三維建模的基礎特征，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，角度等位置約束關系，從而得到DCS一50自動包裝秤稱重機械結構裝配模型，如圖3所示。

3DCS一5O自動包裝秤稱重機械結構虛擬樣機模型
通過標準數據格式如igs、step等，可以將CATIA建立的自動包裝秤模型導入ADAMS；其缺點是在導入的模型中，原有的約束關系以及物理特性參數等將有可能丟失，必須對其進行重新修正。將在CATIA中建立的各個零件三維模型轉換成igs格式，再將分析所需的零件用轉換后的s格式逐一導入ADAMS／View中。為了保障導人零件的物理特性參數的安全性，可以把在CATIA中計算得到的各個零部件的質量、轉動慣量、質心坐標等數據分別賦給ADAMS中相應的零件：再利用ADAMS／View中的位置調整工具，對所導人的零件位置進行重新調整，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。分別是通過格式轉換、零件導入、數據修正、位置調整、添加約束、定義運動、模型細化、優(yōu)化后得到的DCS一50型自動包裝秤的稱重結構虛擬樣機模型。

軟件簡介
CATIA三維造型設計軟件：法國達索飛機公司開發(fā)的高檔CAD／CAM軟件。具有強大的曲面設計功能，在飛機、車輛、船舶等領域享有很高的聲譽。
ADAMS機械系統(tǒng)動力學分析軟件：美國MSC公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件．能對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析．可用于預測機械系統(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。
稱重機械結構所受的外力，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自動設置的，所以只需對其它兩個力進行添加。
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。
根據稱重料斗的幾何尺寸和小麥的密度，可以計算出當稱重料斗內的小麥重量為50kg時，稱重料斗內的小麥的高度約為550ram。近似地按流體靜力學計算，小麥對稱重閥門的壓力應為：P=H×P式中：P一稱重閥門所受的壓力：H一稱重料斗內的小麥的高度；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以設計變量的形式設定．并把對作用力2的測量以便取得最小值作為優(yōu)化分析的目標函數。根據實際工況把作用力2設定在100N～300N之間，并把200N設定為標準值。
把對稱重閥門與支承之問轉動副的角度測量設定為設計的約束條件。稱重閥門與支承之間轉動副的角度為零或負值時，表示稱重閥門關閉或在一定的作用力下被鎖死。
確定了目標函數、定義了設計變量和設定了約束條件后，就可以對稱重機械結構進行優(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)化分析結果報告。如圖6所示。

優(yōu)化分析結果報告表明，本次優(yōu)化設計進行了4次設計實驗；作用力2的最大值為200N，轉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，轉動副的角度為一0．41616。，表明設計可行，稱重閥門在此條件下能夠保持關閉狀態(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閉狀態(tài)的臨界值。
DCS一50型自動包裝秤稱重機械結構采用的氣閥型號是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。該值應該乘以一個安全可靠性系數，方能保障實際工作的安全性和可靠性。取安全可靠性系數為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結束語
基于三維造型設計軟件CATIA，研究了DCS～50自動包裝秤稱重機械結構模型的構建方法，并在ADAMS中建立了DCS一50自動包裝秤稱重機械結構虛擬樣機模型，實現了DCS一50自動包裝秤稱重機械結構虛擬樣機模型的動力學仿真，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，說明了虛擬樣機模型的準確性?；谔摂M樣機的建模和仿真技術可以為DCS一50自動包裝秤稱重機械結構系統(tǒng)及其他傳動系統(tǒng)的強度校核、優(yōu)化設計等提供較為準確可靠的依據。

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