２０１５年１０月
第４３卷第２０期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｏｃｔ ２０１５
Ｖｏｌ ４３Ｎｏ ２０
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１５ ２０ ００７
草坪卷收稿日期：２０１４－０７－２９
作者简介：何高清（１９７７ ），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为数控技术及其自动化装备㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｅｇｑ２００８＠
１６３ ｃｏｍ㊂
通信作者：赵柏暄，Ｅ－ｍａｉｌ：３９６５０１０４２＠ｑｑ ｃｏｍ㊂
何高清，赵柏暄
（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥２３０００９）
摘要：实际情况中气门摇臂铆接压机构件的变形可能会对铆接精度产生影响，多刚体模型难以满足分析精度要求，因此使用ＡＮＳＹＳ和ＡＤＡＭＳ建立刚－柔耦合虚拟样机模型对铆接压机构件进行动态分析㊂为解决ＡＤＡＭＳ中难以对有物体发生塑性变形的系统进行仿真的问题，使用ＤＥＦＯＲＭ⁃３Ｄ对压铆过程中铆钉变形进行仿真，以得到的 压模载荷－铆钉被压入长度 曲线作为刚度在ＡＤＡＭＳ中建立非线性弹簧力代替铆钉㊂这种方法使仿真更接近实际，也使仿真结果对铆接压机的控制具有指导意义㊂ 关键词：铆接压机；刚－柔耦合模型；虚拟样机技术；动态仿真
中图分类号：ＴＰ３９１ ７㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１５）２０－０１８－３
ＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＶａｌｖｅＲｏｃｋｅｒＰｒｅｓｓｕｒｅＲｉｖｅｔｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ
ＨＥＧａｏｑｉｎｇ，ＺＨＡＯＢａｉｘｕａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｅｆｅｉＡｎｈｕｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐａｒｔｓｏｆｅｎｇｉｎｅｖａｌｖｅｒｏｃｋｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｒｉｖｅｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｍａｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｒｉｖｅｔｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｗｉｔｈｍｕｌｔｉ⁃ｒｉｇｉｄｂｏｄｙｍｏｄｅｌｃａｎｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ＡＮＳＹＳａｎｄＡＤＡＭＳｗｅｒｅｕｓｅｄｔ
ｏｂｕｉｌｄａｒｉｇｉｄ⁃ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｍａｄｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｉｔｗａｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｅｄｐｌａｓｔｉｃａｌｌｙｄｅｆｏｒｍｅｄｏｂｊｅｃｔｓ，ＤＥＦＯＲＭ⁃３Ｄｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｅ⁃ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｒｉｖｅｔｉｎｔｈｅｒｉｖｅｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅ ｄｉｅｌｏａｄ⁃ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｌｅｎｇｔｈｏｆｒｉｖｅｔ ｃｕｒｖｅｗａｓｇｏｔｔｅｎａｓｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆａｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｐｒｉｎｇｔｏｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｒｉｖｅｔｉｎＡＤＡＭＳ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｍａｋｅｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｌｏｓｅｔｏａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｍａｋｅｓｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅｒｉｖｅｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；Ｒｉｇｉｄ⁃ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌ；Ｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
㊀㊀气门摇臂铆接压机是一种对气门摇臂进行铆接的设备㊂文中使用虚拟样机软件ＡＤＡＭＳ和有限元软件ＡＮＳＹＳ，对气门摇臂铆接压机进行动态分析㊂压铆过程中铆钉发生塑性变形，而ＡＤＡＭ
Ｓ中难以对有物体发生塑性变形的系统进行仿真㊂为解决这一问题，在以往的研究中多使用定值载荷或线性弹簧代替铆钉，这些做法并不能得到准确的结果，与真实情况差距较大㊂为使仿真尽可能接近真实情况，文中使用ＤＥＦＯＲＭ⁃３Ｄ分析压铆过程中铆钉变形，得到 压模载荷－铆钉被压入长度 曲线，在ＡＤＡＭＳ中建立以此曲线为刚度曲线的非线性弹簧代替铆钉㊂
１㊀铆接压机的结构及工作原理
气门摇臂铆接压机的结构如图１所示，主要包括机身㊁铆接摇臂㊁直线轴承㊁顶杆㊁丝杠螺母机构㊁一级齿轮减速箱㊁同步带及带轮㊁伺服电机等部件，其中机身包括机架㊁上机身和中梁㊂气门摇臂铆接压机通常工况下将铆钉双边总共压入１ ２ｍｍ，其最大
设计承载约为４ˑ１０４Ｎ㊂
机构的运行简图如图２所示，伺服电机通过同步带带动减速箱输入轴，减速箱输出轴为丝杠，减速箱两侧丝杠旋向相反㊂压铆加载过程中，伺服电机正转，丝杠螺母座向两侧移动，丝杠螺母座推动铆接摇臂转动，铆接摇臂推动顶杆移动，压模安装在顶杆端部，对铆钉施加载荷，从而实现压铆动作
㊂
图１㊀气门摇臂铆接压机结构简图（同步带及带轮和伺服电机省略）㊀
图２㊀气门摇臂铆接
压机运动简图
２㊀基于刚－柔耦合模型的动态分析
２ １㊀动态分析流程
仿真流程如图３所示㊂使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立气门摇臂摇臂铆接压机模型㊂将机身和铆接摇臂模型以Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式导入ＡＮＳＹＳ，在ＡＮＳＹＳ中对其进行网格划分㊁建立外部节点和刚性区域，使用ＡＤＡＭＳ ｍａｃ宏命令输出模态中性文件㊂将铆钉和压模模型以ｓｔｌ格式导入ＤＥＦＯＲＭ⁃３Ｄ对压铆过程铆钉变形进行分析，得到 压模载荷－铆钉被压入长度 曲线㊂将气门摇臂铆接压机装配体模型以Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式㊁模态中性文件以ｍｎｆ格式㊁ 压模载荷－铆钉被压入长度 曲线上各点以ｔｘｔ格式导入ＡＤＡＭＳ，建立刚－柔耦合模型，进行动态分析㊂最后，得到所需的分析结果
数控分度头
㊂
图３㊀动态分析流程图
２ ２㊀压铆过程中铆钉变形分析
在ＤＥＦＯＲＭ⁃３Ｄ中对到压铆过程铆钉变形进行仿真，仿真得到的 压模载荷－铆钉被压入长度 曲线见图４㊂铆钉被压入１ ２ｍｍ时压模载荷为２０８００Ｎ；压模载荷达到４ˑ１０４Ｎ时，铆钉被压入５ ７ｍｍ㊂
图４㊀压铆过程中压模载荷－铆钉被压入长度曲线
２ ３㊀刚－柔耦合模型建立
现实中所有物体都是柔性体，如果将所有构件都
建立柔性体，运算量过大；如果将所有构件都视为刚体，则不能满足精度要求㊂柔性体应选择其变形对精度影响较大的构件，影响小的部件视为刚体㊂
气门摇臂铆接压机铆接摇臂和机身的变形对铆接精度㊁动态特性有较大影响，因此选择它们为柔性体
㊂将铆接摇臂和机身的三维模型以Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式导入ＡＮＳＹＳ㊂单元类型选择Ｓｏｌｉｄ１８７（该类型不需定义实常数），弹性模量Ｅ＝２０７ＧＰａ，泊松比γ＝０ ２９，密度ρ＝７８０１ｋｇ／ｍ３㊂使用智能尺寸自由划分对机身和铆接摇臂进行网格划分㊂建立外部节点并使用约束
方程建立刚性区域㊂使用ＡＤＡＭＳ ｍａｃ宏命令自动进行模态分析，输出模态中性文件㊂
将气门摇臂铆接压机的装配体以Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式导入ＡＤＡＭＳ，导入的模型均为刚体㊂将模态中性文件导入ＡＤＡＭＳ，自动生成柔性体，将柔性体移动到对应的刚体位置，删除原刚体㊂
将 压模载荷－铆钉被压入长度 曲线中各点以ｔｘｔ格式导入ＡＤＡＭＳ，ＡＤＡＭＳ中自动拟合为ＳＰＬＩＮＥ
曲线㊂在两压模之间添加非线性弹簧力，其刚度曲线选择上述ＳＰＬＩＮＥ曲线㊂
潜流湿地
添加约束㊁接触力㊁驱动㊂刚－柔耦合模型建立完成，如图５所示
㊂
图５㊀气门摇臂铆接压机的刚柔耦合模型
２ ４㊀气门摇臂铆接压机的动态性能分析
气门摇臂铆接压机的动态性能分析的主要任务是
得到主要部件相关动态特性曲线，推算电机输出转矩㊁输出功率㊂
两压模之间距离㊁铆钉载荷随时间变化曲线如图
a7075６㊁图７所示㊂可以看出：压铆过程中曲线变化平缓㊁基本无突变现象，说明气门摇臂铆接压机运动平稳㊁无震动现象㊂
㊃９１㊃第２０期何高清等：气门摇臂铆接压机的动态仿真方法研究
㊀㊀㊀
图６㊀
两压模之间距离随时间变化曲线
图７㊀铆钉载荷随时间变化曲线
由于ＡＤＡＭＳ中的丝杠螺母副㊁齿轮副不能进行动力学分析，因此，可由丝杠螺母座所受轴向力推
算电机的输出转矩㊁输出功率㊂电机输出转矩㊁输出功率曲线见图８㊁图
９㊂
图８㊀
伺服电机输出转矩曲线
图９㊀伺服电机输出功率曲线
３㊀结论
使用ＡＤＡＭＳ和ＡＮＳＹＳ建立气门摇臂铆接压机的刚－柔耦合模型，对其进行动态仿真㊂使用ＤＥＦＯＲＭ⁃３Ｄ对压铆过程中铆钉变形进行仿真，得到 压模载
荷－铆钉被压入长度 曲线，在ＡＤＡＭＳ中建立以该曲线为刚度曲线的非线性弹簧代替铆钉，解决了ＡＤ⁃ＡＭＳ难以对有物体发生塑性变形的系统仿真的问题㊂与以往的仿真方法相比，结果更接近实际㊂仿真过程压模载荷与铆钉被压入长度的关系始终对应，因此对于气门摇臂铆接压机的控制具有指导意义，可根据仿真结果制定控制方案，提高压铆的效率与质量㊂
同时，还通过ＡＤＡＭＳ与ＡＮＳＹＳ数据接口，在ＡＮＳＹＳ中进行有限元分析㊂与单纯对机构进行静态有限元分析相比，这种分析方法把机床运动过程中的诸多因素考虑在内，分析结果与实际更为接近㊂
参考文献：
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入门到精通［Ｍ］．２版．北京：机械工业出版社，２０１２．［２］陈峰华．ＡＤＡＭＳ２０１２虚拟样机技术从入门到精通［Ｍ］．
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踢踏舞鞋冲模具联合动态仿真研究［Ｊ］．新技术新工艺，２０１１（２）：３０－３３．
（上接第６页）
（２）数控设备具有精度高㊁自动化程度高㊁稳定性好㊁维护性强等特点，数控技术及数控设备的先进性已成为衡量一个国家和企业数字化水平的重要依据㊂文中研究对基于数控系统的非标机电设备的设计与开发具有借鉴价值㊂
参考文献：
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［Ｍ］．西门子（中国）有限公司自动化与驱动部，２０１２．㊃
０２㊃机床与液压第４３卷
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