数字化虚拟技术在印刷机输纸机构模拟设计中的应用

摘 要

数字化虚拟样机技术是缩短产品开发周期，降低开发成本，提高产品设计和制造的重要途径。长期以来，印刷机的送纸机构的分析和设计处于图解、公式计算分析的基础上，以简化性为前提，不仅效率低下，结果难免具有近似性和粗糙性。采用计算机辅助技术不能设计系统的优化程序和模型，给工程设计带了一个难题，而采用虚拟样机技术可有效的解决以上问题。

【关键词】虚拟样机技术 三维建模 印刷机输纸机构

上世纪90年代以前大部分的机械设计都是采用传统的静态设计，即主要是根据经验和实验数据反复进行修改调整而做的设计。其遵循的设计理念就是设计―实验―改进设计―再实验―再设计。很明显，这样的设计理念不仅不充分系统，也没有创新；另外在这样的设计中，仅仅是对重要的零部件根据简化的力学模型或公式进行实验计算，其它只是做类比设计，与实际情况相差甚远；最后，这样的设计在设计开发周期上也是一种浪费。

近30年，随着科学技术的迅猛发展，尤其是计算机技术的发展和应用，这给机械设计带来了革命性的变化。虚拟样机技术就是在这样的一个大环境下应运而生。

1 虚拟样机技术的概念

虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。这些数字模型即虚拟样机（VP：virtual prototype），将不同工程领域的开发模型结合在一起，从外观、管理和行为上模拟真实产品，支持并行工程方法学[1]。

在机械设计领域，虚拟样机主要指利用计算机三维设计软件建立样机模型，并进行一些列的性能模拟仿真，以便为后期能方便地进行改进和优化设计。因此，虚拟样机技术实际上是包含了多体系统力学、系统建模技术、多领域协同仿真、工程设计分析技术以及狡猾式用户界面技术等多种应用技术，其内涵是非常之丰富的。

首先，虚拟样机技术是以三维建模技术和多体系统运动学与动力学建模技术为基础。利用虚拟样机技术，设计人员可以直接应用计算机辅助设计软件在计算机上对机械、电气系统进行三维建模和虚拟装配，从而获得虚拟样机，并可以在计算机上根据各种工作情况的运行和受力情况进行仿真分析，最终对样机的性能有所了解，进而为生产物理样机提供可靠的数据分析。CAD特征造型能力的逐步完善，为产品集信息模型的建立奠定了基础。

其次，虚拟样机技术以协同仿真技术为核心。计算机仿真是指在研究中利用数学模型来获取系统的一些重要特性参数，这些数学模型通常是由以时间为便来那个的常微分方程来描述，并用数值方法进行计算机仿真求解的[2]。

2 印刷机输纸机构组成介绍

单张纸胶印机的输纸机构是胶印机一个重要组成部件，它的作用是将飞达部分分离出来的纸张平稳、准确、无划痕地输送到前规及侧规初进行定位。印刷速度越高对输纸机构的要求也越高。

常用输纸机构有两类：一是传送带匀速式输纸机构；一类是真空吸气带式减速输纸机构。这两类机构工作原理不同性能上也各有千秋。但总体而言他们的构成组件都差不多。针对印刷机输纸机构的共同特性以及中国印刷职业教育现今所用设备，本课题采用人民机械制造厂制造的08机型为研究对象。

印刷机输纸机构大致分成五个子模块，在设计过程中可以根据子模块一一建模构造。

3 需求分析

经过调研分析，系统需要以下几点需求：1.输纸机构五模块分布组成能实现三维造型；2.各子模块能实现组成部分工作原理解构视图、调节要求以及具体装配过程；3.对子模块有侧重点，其中以纸张分离机构和升降台为工作重点，双张、空张检测及气路构成作为了解部分；4.部分关键模块组成能形成动画演示，达到教学示范效果。如能显示零件装配详细过程；5.关键部件及模块能显示解构组装，能方便学生了解不解详细零件构成；6.部分零件能生成工程图，标明尺寸、标注，为后续课程打下基础，如各子模块中共同的零件弹簧、螺母、轴承、销等形成标件库，方便再次开发。

4 设计流程

虚拟样机的设计开发过程本质上是一种基于模型的不断提炼与完善的过程。[3]

（1）三维实体建模。三维建模就是利用几何形状来描述零部件的结构特征和装配关系。建模一般包括零件创建、给模型施加约束和运动和给模型施加各种作用力三个步骤；

（2）模型装配。通过相互关联定义装配体之间的关系，可以使用不同类型的配合将零件配合在一起。部分零件的装配形成子装配，各子装配进一步装配形成最终的设备；

（3）设备测试。又可以称为模型的校验和细化。它是指通过仿真软件对模型进行反复的仿真校验，查看各零件的约束和力是否正确。

本系统结合实际情况最终采取以下的设计流程：

5 系统设计及实现

由于SolidWorks本身不带有支持国家标准的标准件库，但是在系统设计中，要用到很多众多的标准件。因此要想减少重复的绘图工作量，我们必须对这个系统常用的标准件进行分析，并利用软件制作标准件库。只有建立了标准件库，我们在使用时只需要标准库中的零件调用，修改好尺寸、形状等参数就可以或侧新的所需三维实体模型，从而能将大量的重复建模工作减少，提高设计质量，缩短设计周期。

本系统标准零件库建立过程如下：1.在本系统根目录下建立标准零件子目录；2.按照国家标准将所需零件按类型尺寸建立好参数化几何模型。3.将不同类型存入指定目录，且每一系列具有不同的尺寸和外形参数。

6 测试结果

本系统基本完成整体设计，其优点在于利用三维软件真实再现了印刷机输纸机构5大模块的构成。同时能实现设备的组装、拆卸演示，能满足职业学校实践课程的需要，同时生成的工程图也能满足后续相关课程的需要。

参考文献

[1]熊光楞，李伯虎，柴旭东.虚拟样机技术.系统仿真学报，2001（01）.

[2]王永超.基于Matlab的机构运动仿真方法及其比较[J].计算机仿真，2004.

[3]温莉娜，王雷刚，.基于UG/WAVE技术的自顶向下产品建模[J].模具技，2006（06）.

作者简介

王志华（1978-），女，汉族，湖北省天门市人，本科，辽宁省新闻出版学校教师。

作者单位

辽宁省新闻出版学校 辽宁省沈阳市 110032