玻璃钢锚杆成型机螺纹缠绕装置设计.doc

基于相似设计法的玻璃钢锚杆成型机螺纹缠绕装置设计 基于相似设计法的 玻璃钢锚杆成型机螺纹缠绕装置设计 辛治国 （唐山开滦林西矿业有限公司掘进一区） 摘要本课题以相似设计法为理论基础，面向新兴的玻璃钢锚杆成型机进行设计。以AutoCAD 2004为图形支撑软件，Pro/E4.0为实体造型支撑软件，并用Adams软件对其进行运动仿真。 关键词相似设计法；锚杆；实体造型；运动仿真 AbstractThis topic take the similar design law as the rationale, carries on the design face the emerging glass fiber reinforced plastic anchor rod shaper. Take AutoCAD 2004 as the graph support software, Pro/E4.0 are the solid modeling support softwares, and carries on the movement simulation with the Adams software to it. Key word Similar design law; Anchor rod; Solid modeling; Movement simulation 前言 随着CAD技术迅速成长，CAD技术的应用水平己成为衡量一个国家和企业技术水平的重要标志。锚杆成型机CAD技术在我国国内锚杆成型机制造行业得到了深入推广，其有利于缩短设计周期，提高设计水平和质量，提高经济效益。锚杆成型机的螺纹缠绕轴是锚杆成型机的核心部件之一，其优劣直接关系着锚杆成型机整机的整体性能的优劣。 相似设计法是锚杆成型机的主要设计方法之一，在实际生产中应用很广。相似设计法具有设计计算简单，准确性高，把握性大， 因此，相似设计法与锚杆成型机缠绕轴CAD技术的结合应用是急待研究的问题。 本文正以此为研究课题，以相似设计法为理论基础，多种软件为研究工具，进行锚杆成型机螺纹缠绕装置的结构设计、实体造型及其运动仿真。实现了新型玻璃钢锚杆成型机螺纹缠绕装置的优化设计。 1.本文应用软件简介 1.1 AutoCAD AutoCAD是目前国内外使用的最广泛的微机绘图软件包，其绘图功能丰富,编辑功能强大,用户界面良好。AutoCAD提供的各种编程工具与接口，为用户在该软件平台的基础上进行二次开发创造了便利的条件。现在已经成为强有力的绘图工具。 1.2 Pro/E 1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER proewildfire5.0。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。 1.3 Adams ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 2.基于相似设计法锚杆成型机缠绕装置结构设计 2.1相似设计法理论基础 相似设计法是利用同类事物间静态与动态的对应性，根据样机或模型求得新设计对象有关参数的一种方法。即通过实地参观玻璃钢锚杆成型机的生产流程，目测其外观尺寸，并向其技术人员询问其重要参数，利用合适的比例，设计出一套新的玻璃钢锚杆成型机模型。 2.2 基于相似设计法主要步骤 1、设计基型产品查资料确定玻璃钢锚杆成型机模型； 2、确定相似类型确定设计锚杆成型机和模型锚杆成型机之间的相似性； 3、确定尺寸、参数的级差公比确定设计锚杆成型机和模型锚杆成型机之间的相似放大或缩小比例； 4、求得系列中设计产品的尺寸、参数根据设计产品与模型之间的级差公比计算设计产品的尺寸、参数； 5、确定全系列产品的结构尺寸及参数绘制玻璃钢锚杆成型机螺纹缠绕装置图。 2.3 相似设计法的修正 相似设计法中主要从以下两面进行修正 1、考虑尺寸效应修正时的相似设计； 2、考虑螺纹缠绕与牵引相匹配时的相似设计法修正。 3.基于相似设计法玻璃钢锚杆成型机螺纹缠绕装置虚拟设计 3.1 基于相似设计法锚杆成型机缠绕轴CAD图的实现 根据相似设计法理论，已知锚杆成型机模型的各尺寸和参数求得新设计的锚杆成型机缠绕轴的各尺寸和参数。如图1所示。 图1 锚杆成型机螺纹缠绕轴各尺寸和参数 3.2 基于相似设计法锚杆成型机螺纹缠绕装置实体造型的实现 3.2.1 三维实体造型概述 在传统的设计中，设计工程师以二维工程图的形式把设计图纸提供给加工单位，主要设计软件为AutoCAD。其主要缺点是各尺寸之间无关联，无法实现参数化设计。工程师独立于组件外设计各个元件，需要用手工方法保证元件的正确配合以符合设计标准。设计者常会在创建组件后发现无法装配，检测出问题后，设计者需要手工调整每个模型，而随着结构的复杂性增加，检测和纠正这些矛盾会消耗大量的时间。 3.2.2 锚杆成型机螺纹缠绕轴的实体造型实例 用Pro/ENGINEER创建锚杆成型机螺纹缠绕轴的实体如图2所示。 图2 创建好的锚杆成型机螺纹缠绕轴的实体 3.2.3 实体零件装配设计 在现实环境中，进行零件装配就是将生产出来的零件通过一定的设计关系组装在一起，使装配体能够完成某一项功能。对零件装配起关键作用的是零件之间的设计关系，它将影响到整个装配体的结构和功能。 现实环境中零件之间的设计关系映射都虚拟环境就是零件之间的装配约束关系。虚拟环境中的装配关系与现实环境中装配关系式一一对应的。因此，在Pro/E中，零件装配是通过定义零件模型之间的装配约束关系来实现的。 当用户按照要求定义完零件之间的装配约束关系后，系统就根据定义的约束自动进行组装，从而完成零部件的装配模型。 完成的锚杆成型机缠绕装置装配图如图3所示。 图3 完成的锚杆成型机缠绕装置装配图 4.运用Adams/View实现运动仿真 4.1 Adams/View简介 Adams/View是一个强大的建模和仿真环境,它可以建模、仿真并优化机械系统模型。ADAMS/View可快速对多个设计变量进行分析直到获得最优化的设计。在ADAMS/View中创建模型的步骤与通常创建物理模型的步骤是相同的。尽管列出的创建模型的步骤似乎是一次创建模型成功,然后再对模型进行测试并优化,但建议在创建整个模型之前先建立并测试模型的小的元件或子系统。例如,先创建一些小的模型部件,把它们联系在一起,然后运行简单的仿真以测试它们的运动，确保它们运动正确。一旦模型正确,再在其上添加更复杂的模型。刚开始会进展缓慢,但能在开始下一步之前确保每个子系统工作正常，为后续工作作好铺垫。 4.2 模型创建、测验及优化 （1） 模型元素类型 （2） 创建部件 （3） 添加约束和驱动 （4） 增加力来控制零件运动 （5） 定义输出结果（Measure） （6） 仿真 （7） 查看仿真结果 （8） 验证仿真结果 （9） 优化模型 Adams/View提供优化功能，通过这个功能可以找到哪些设计变量对样机具有较大的影响，并且能找到这些变量的值使样机的性能达到最优。它们是 设计研究帮助用户分析哪个设计变量对样机的灵敏度比较高。 试验设计可以同时分析哪些设计变量对样机的影响大小及这些变量之间的联系。 优化分析对那些对系统影响比较大的设计变量优化，在给定约束条件下找到他们的最优值使系统性能达到用户要求。 4.3 锚杆成型机缠绕装置的动态仿真 将在Pro/E中装配好的装配图压缩掉一些对整体外形和运动仿真影响很小的零件，然后倒入Adams中。如图所示。 图4 倒入Adams后的装配体 隐藏机架，选择机架零件的实体，点击右键在弹出的菜单中选择Appearance 命令。系统会自动跳出Edit Appearance窗口，在Visibility栏选 Off 然后点Apply，最后点OK。想显示机架的时候选择settingIcons将visibility一项 改为 on或者inherit即可。 模型导入后，在Adams下对零件的名称、材料等基本信息进行设定，可以通过自定义的密度，质心使简化模型获得与实际样机相同的物理特征。再根据构件的运动方式为模型添加约束Joint和驱动Motion。如图5所示。 图5 隐藏机架并添加约束和驱动后的装配体 设定好时间和速度进行Adams运动仿真，如图6所示。 图6 装配体运动仿真 5.结论 本设计最终满足了基于相似设计法玻璃钢锚杆成型机螺纹缠绕装置设计要求。完成了玻璃钢锚杆成型机螺纹缠绕装置结构设计与相似换算、CAD绘图、Pro/E三维造型和Adams运动仿真等工作。 参考文献 [1] 濮良贵等，机械设计,高等教育出版社，2007. [2] 吴宗泽、罗圣国，机械设计设计手册，高等教育出版社，1999. [3] 侯珍秀，机械系统设计，哈尔滨工业大学出版社，2001. [4] 吴相宪、王正为、黄玉堂，实用机械设计手册，中国矿业大学出版社，1996. [5] 大连理工大学工程画教研室、机械制图（第四版）、高等教育出版社、1990. [6] 葛正浩、杨芙莲,机构设计与运动仿真,化学工业出版社、2007. [7] http// [8] http// [9] 莫蓉、吴英.计算机辅助几何造型技术.科学出版社2004，2（第一版） [10] 廖念钊、互换性与测量技术基础、中国计量出版社，1999. 9