本文探討了在SolidWorks下對沖壓機床的虛擬設計和運動仿真研究相關內容。

　　引言

　　沖壓機床是為沖壓工藝服務的。隨著生產技術的發展，沖壓機械已經越來越廣泛的應用于國民經濟各部門的工業生產中，除機械制造本身外，船舶、電機、汽車、航空、航天，以及人們日常生活密切相關的家用電器、日用五金等輕工業部門，均需要大量的沖壓機械為之服務。隨著科學技術的進步，需要更多、更好的各種沖壓機械來實現各種沖壓工藝，這就要求我們利用各種現代化的設計理論和算法，設計出重量輕、性能好、生產率高的各類新型沖壓機械。現代CAD技術的發展，使得沖壓機械的3D虛擬設計得以實現，同時在多剛體力學和彈性力學的基礎上，還可以對沖壓機床等沖壓機械進行運動仿真。這樣可以大大降低開發新產品的周期，極大地減少產品設計中的錯誤，降低開發新產品的成本。十是，研究沖壓機床的虛擬設計和運動仿真具有重要的實際意義。

　　1 SolidWorks功能簡介

　　為了開發基于微機平臺的三維CAD軟件，1993年PTC公司的副總裁與CV公司的副總裁共同成立了SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks軟件。該軟件具有很大的創新性，目前已經發展到2006版。該軟件的主要功能特點如下:

　　SolidWorks 3D設計直接從三維模型人手，省去設計過程中三維與二維之間的轉化。設計者可以方便地運用鼠標通過拉伸、旋轉、薄壁特征、高級抽殼、特征陣列以及打孔等拖放式操作不斷改變其結構，最終完成整個產品(或零件)的設計，直觀易學，操作方便。SolidWorks軟件采用參數驅動的設計模式，可以通過修改相關的參數來完善設計方案，支持設計方案的動態修改。軟件包含豐富的標準件圖庫，用戶也可任意擴充自定義的圖庫，因而減少了不必要的重復性設計工作，有效地縮短了設計周期，提高了設計效率。SolidWorks可以通過任意旋轉和剖切對運動的零部件進行動態的干涉檢查和間隙檢測，發現問題立即修正，把"試制過程"放在設計階段，可以避免做成實物后才發現問題，提高了新產品的設計效率。SolidWorks軟件擁有數十個黃金合作伙伴，比如美國著名的結構研究公司的Cosmos軟件能夠和SolidWorks軟件無縫集成，實現機械產品的運動學和動力學仿真，此外還可以對機械零件進行有限元分析，從而進一步進行強度校核或優化設計。

　　2機械系統仿真的實現方法

　　機械工程中的機械系統動態仿真又成為虛擬樣機技術，是國際上20世紀80年代隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一項計算機輔助工程(CAE)技術。工程師在計算機上建立樣機模型，對模型各種動態性能進行分析和評價，然后改進樣機設計方案，用數字化形式替代傳統的實物樣機試驗。機械系統仿真研究的主要范圍是機械系統運動學和動力學分析，其核心是利用計算機輔助分析技術進行機械系統的運動學和動力學分析，以確定系統及其各個構件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數方程組確定引起系統及其各構件運動所需要的作用力和反作用力。應用SolidWorks只要輸入材質屬性(密度)，即可直接輸出零部件的質量特性，如:質量、體積、表面積、重心、慣性主軸和慣性矩、慣性張量等，可減少復雜的計算，提高設計效率和正確性。

　　根據SolidWorks軟件的技術特點，在初步確定設計方案后，就可以利用SolidWorks軟件設計產品的機械零件，這一過程可以允分利用軟件的高效率建模技術實現。然后利用SolidWorks軟件的智能裝配技術把各個設計的零件裝配為一個機械系統。可以在SolidWorks軟件的插件工具中對各個運動副進行定義，井施加引起運動的載荷，進行仿真實驗，輸出必要的測試曲線，并進行分析和評價，如果設計目標已經達到，則完成產品設計，并可以生成用以加工的工程圖或數控代碼。

　　3沖壓機床設計實例分析

　　為了簡化仿真，節約時間，這里在建立沖壓機床的3D模型時對結構進行了簡化，忽略了機座上的螺釘、導軌等的安裝細節，把它們看作是一個整體，通稱為機座。把動力輪和曲柄視為一個整體，并命名為曲柄。這樣并不影響關鍵的仿真結果。整個沖壓機床的3D虛擬設計模型如圖1所示。

　　圖2所示的沖壓機床工作的基本原理是動力源使曲柄旋轉，曲柄運動帶動連桿把運動傳給沖頭，沖頭由于受到的機座上導軌的限制，作上下平動，為安裝在沖頭上的沖壓模具(圖中為畫出)提供沖壓力。機械系統的裝配模型正確建立以后，就可以在Cosmos/motion(SolidWorks插件)環境下進行仿真。固定構件和運動構件確立后，就可以設置構件之間的運動關系，從而限制構件的某些運動自由度，使其完成期望的運動。完成運動副的創建之后，就可以給動力構件施加載荷了，本例中設置曲柄的旋轉速度為3600/s，設置仿真時間為3秒，動畫幀數為50幀/s。在仿真過程中可以對沖床任何一步分構件進行運動測量，測量加速度、速度、運動副支反力等。圖3所示是沖頭速度仿真時間歷程，由于沖頭作平動，其上所有點的速度和加速度都相同。根據沖壓機床的工作特點，沖頭的在工作過程中的理論速度-時間曲線和加速度-時間曲線是正弦曲線，圖2的仿真的曲線恰好證明了這一點。

　　以上只是沖壓機床的簡單仿真實例，實際上還可以定義不同的驅動力和約束副的性質進行仿真，這樣仿真的結果會更加接近實際情況。如果在仿真過程中發現有不適當的地方，可以直接在裝配模型中進行修改，這種修改會直接反映在所修改的機械零件上，而不必退出裝配體窗口。此外，根據仿真得到的沖頭速度和加速度設計曲線，還可以反求施加在曲柄上的扭矩，這樣為合理選擇電機和設計控制系統提供重要的參考依據。

　　4結束語

　　通過以上的機械系統仿真方法和實例，可以看出SolidWorks軟件具有方便、易用等特點，為探索沖壓機床新的設計方法提供了良好的途徑。通過動態仿真技術，可以及早發現設計中的錯誤，極大地提高了經濟效益。實踐表明基于SolidWorks軟件的虛擬設計和動態仿真技術在沖壓機床的設計中具有良好的應用前景。