基于Pro/E与ADAMS自动打孔装订机联合仿真实现

孙 月，杨家富

(南京林业大学机械电子工程学院，南京210037)

0 引言

打孔装订机是一种办公设备，其装订目的是把零散的文件、票据等集中装订好，使其便于保管、方便检索等。随着我国经济的不断发展以及办公自动化水平的提高，一种新型的自动打孔装订设备以其无粉屑、噪音小、污染小、操作简单等环保优点，在银行、工商、证券、税务、图书馆及各类企事业单位中广泛使用，它满足了人们对其健康环保的要求。

在传统的产品设计与制造过程中，为了验证产品的整体性能，往往采用物理原型(Physical Prototype)的方法，但这种方法生产周期长、成本高。随着计算机和CIMS技术的迅猛发展，虚拟样机在产品设计和制造中起到越来越重要的作用。虚拟样机(Visual Prototype也称虚拟原型)技术是在计算机上设计出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。为了减少产品设计周期和优化设计，本文采用Pro/E来实现自动打孔装订机复杂三维模型的建立，利用接口软件Mechanism/Pro将模型导入到ADAMS中进行仿真分析。

1 自动打孔装订机仿真模型建立

1.1 自动打孔装订机工作原理

自动打孔装订机结构原理图，如图1所示，主要有打孔和压铆装订两部分组成。其工作原理如下:

(1)打孔过程。接通电源，按下启动键，行程电机顺时针转动，通过齿轮齿条运动副带动打孔电机向下运动，在打孔电机座带动下，压头体将待装订纸张压紧;打孔电机向下运动完成打孔，当触碰到导电橡胶后，触发信号，行程电机逆时针转动带动打孔电机上升，在上升过程中完成自动切料动作，当触碰到行程电机复位开关后，电机停止转动，完成打孔过程。

(2)装订过程。当行程电机停止后，凸轮电机转动，通过齿轮运动副带动凸轮转动，凸轮连杆机构将按照凸轮从动件运动规律运动，带动本体(下模)与上模运动并完成压铆装订过程，当压铆完成后，凸轮电机停止转动。

图1 自动打孔装订机结构图

1.2 基于Pro/E的虚拟样机

本文采用的软件配置版本如下:ADAMS2005+MECH/Pro 2005+Pro/Engineer Wildfire 2.0，在Pro/E 2.0中建立机构的三维模型，利用无缝接口软件MECH/Pro 2005将机构导入到ADAMS 2005中进行运动仿真分析。

在建立自动打孔装订机零件模型时，将自动打孔装订机各零部件按照一定的规则进行命名、编号，单独建立各零部件的三维模型，为虚拟样机的装配做好充分准备。由于自动打孔装订机模型比较复杂，由多个传动机构组成，每个传动机构完成不同的功能。为了便于零部件的装配，采用自下而上的装配方法，在实际装配过程中，从底层逐步向上装配。

结合实际机构运动要求并根据Pro/E 2.0装配原则得到自动打孔装订机总装配模型，如图2所示。

图2 自动打孔装订机模型图

1.3 仿真模型建立

Mechanism/pro模块实现Pro/E与ADAMS之间的无缝连接，将Pro/E中建立的精确装配体总成定义为刚体并添加部分约束后，将装配体模型导入到ADAMS中。最终得到自动打孔装订机运动仿真模型，如图3所示。

图3 自动打孔装订机仿真模型

图4 4.0500秒样机仿真过程示意图

2 自动打孔装订机运动仿真与结果分析

根据打孔装订机实际工作时间设置运动仿真时间为30秒，运动过程分解1000步，装订纸张厚度约10mm。在实际仿真过程中出现多次仿真结果出错，主要原因为机构在运动过程中出现干涉，根据错误信息窗口提示对机构进行完善，并重新添加约束与驱动，这里不再详述。最终机构仿真成功，图4与图5分别为机构在4.0500秒及25.4588秒时的运动仿真记录。

图5 25.4588样机仿真过程示意图

2.1 打孔过程仿真结果与分析

打孔过程主要分析当给定行程电机一定驱动力时，钻孔电机能否按照指定要求完成打孔，其主要参数为打孔电机位移随时间变化关系。

图6为行程电机角速度图与角加速度图，行程电机在工作过程中有正反转，图中斜线表示行程电机速度突变曲线，水平线表示电机匀速转动。图7为打孔电机仿真过程参数记录图，从右上角位移－时间图可以看出，打孔电机先匀速下降，然后匀速上升，总共耗时约8秒。在最低点表示触碰到导电橡胶，打孔电机达到位移最大值。与实际情况相符合。

图6 行程电机运动特性图

图7 打孔电机仿真过程运动特性曲线图

图8为压头体的运动特性参数图。图中右下角为位移－时间运动特性图，在打孔过程中，压头体向下压紧纸张，位移约为－40mm;当装订结束后，压头体向上恢复到初始位置，位移为+40mm。

图8 压头体运动特性参数

2.2 装订过程仿真结果与分析

装订过程动力来源于凸轮电机，凸轮电机匀速转动，通过齿轮运动副带动凸轮连杆机构运动，完成装订过程，整个装订过程大约为22秒。如图9所示，为凸轮电机的角速度与角加速度图，在打孔过程完成后，凸轮电机开始匀速转动，当装订过程完成后，凸轮电机停止转动。因为凸轮电机在转动过程中通过齿轮副带动凸轮转动，所以凸轮与凸轮电机的角速度与角加速度大小相同，方向相反，如图10所示。理论推断、仿真结果均与实际情况相相符。

图9 凸轮电机运动特性参数图

图10 凸轮运动特性参数图

图11为理想的凸轮从动件运动规律，主要包括3个阶段:升程阶段、工作阶段和回程阶段。在升程阶段，从动件以修正正弦曲线运动规律上升，达到一定位置后，上升速率变缓，从动件进入工作状态并匀速运动。到了运动曲线的最高位置，运动曲线又趋于水平，从动件无位移。然后，运动曲线下降，从动件进行回程的位移，最后下降到曲线的最低位置，完成一个循环周期。图12为实际仿真过程中记录的凸轮从动件(本体)的运动位移图，初始阶段为打孔状态，本体无位移;当进行装订时，其位移将随着时间的变化而变化。从图中可以看出，其运动趋势与理想的运动规律比较接近，但误差较大，误差主要来源于凸轮运动轮廓的设计误差，需要进一步设计改进。

图11 凸轮从动件理想运动规律

图12 凸轮从动件理想运动规律

图13 修正后的凸轮轮廓外形

在上述仿真模型成功的基础上，重新修正凸轮轮廓外型，经过多次仿真试验，最终确定凸轮轮廓外型，如图13所示。修正后的凸轮从动件运动位移与时间关系如图14所示，满足设计要求。

图14 修正后的凸轮从动件实际运动规律

3 结语

在研究分析自动打孔装订机的工作原理基础上，利用Pro/E三维建模软件建立自动打孔装订机机构模型;利用接口软件MECHANISM/Pro将三维模型导入到运动学仿真软件ADAMS中进行运动仿真，检查机构动作过程中是否出现干涉、是否按照设定要求完成规定的动作;由ADAMS的后处理模块ADAMS/Postprocess对全自动打孔装订机打孔过程、装订过程中重要特性参数变化图线进行调用分析，将仿真结果与实际数据进行比较，验证设计方案的正确性，进行相应的改进修正，最终得出能够按照实际要求完成相应动作的模型。仿真实验结果、理论推理与实际数据基本吻合。

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