隨著全球經(jīng)濟(jì)的一體化,，印刷機(jī)械產(chǎn)品市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,，必須不斷縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期,，提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能,，降低開發(fā)成本,。在這種需求下，以虛擬樣機(jī)技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展,，是一種新的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段,。運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)的方法，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期,，設(shè)計(jì),、分析和評(píng)估產(chǎn)品的性能，確定和優(yōu)化物理樣機(jī)參數(shù),，從而降低新產(chǎn)品的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn),，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能,。本文以印刷機(jī)械的具體設(shè)計(jì)為實(shí)例,，說明虛擬樣機(jī)技術(shù)在印刷機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
　　在傳統(tǒng)的印刷機(jī)械設(shè)計(jì)工作過程中,，都是由工程師先根據(jù)機(jī)器功能改進(jìn)的需要,，進(jìn)行理論選型，然后計(jì)算結(jié)果,，畫出機(jī)械零件圖,、部件圖和裝配圖，再交給車間進(jìn)行試制,。待樣品出來以后，對(duì)樣品進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試,，把測(cè)試到的實(shí)際結(jié)果與設(shè)計(jì)前的理論構(gòu)想進(jìn)行比對(duì),，尋找差異產(chǎn)生的原因,，再重新進(jìn)行設(shè)計(jì)上的修改，直到樣品滿足改進(jìn)的需要,。這種設(shè)計(jì)過程,，需要的周期長(zhǎng)，樣品試制費(fèi)用高,，往往不能滿足市場(chǎng)對(duì)新機(jī)器換代及時(shí)性的要求,，帶來了人力物力的巨大浪費(fèi)。因此,，有必要利用現(xiàn)代的設(shè)計(jì)手段,，即虛擬樣機(jī)技術(shù)，來改善印刷機(jī)械的設(shè)計(jì)方法,。
　　什么是虛擬樣機(jī)技術(shù)呢,？機(jī)械工程中的虛擬樣機(jī)技術(shù)又稱為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，是國(guó)際上20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù),。工程師在計(jì)算機(jī)上建立樣機(jī)模型,，對(duì)模型進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)性能分析，然后改進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案,，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn),。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程,，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量,，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)性能,，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。因此,，該技術(shù)一出現(xiàn),，立即受到了工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家、有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和大學(xué),、公司的極大重視,，許多著名制造廠商紛紛將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入各自的產(chǎn)品開發(fā)中，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益,。根據(jù)國(guó)際權(quán)威人士對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域產(chǎn)品性能實(shí)驗(yàn)和研究開發(fā)手段的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè),，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)研究方法，將在很大程度上會(huì)被迅速發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)數(shù)字化仿真技術(shù)取代,。虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究范圍主要是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,，其核心是利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力及其反作用力,。
　　本文以具體的設(shè)備研發(fā)為例,，探討虛擬樣機(jī)這一先進(jìn)技術(shù)在實(shí)際工程和實(shí)際工作中的應(yīng)用,，來探討虛擬樣機(jī)技術(shù)在印刷機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)使用的步驟及方法。
　　眾所周知,，模切機(jī)是包裝印刷工業(yè)中重要的印后表面裝飾加工設(shè)備,。經(jīng)過模切加工后的印品可大幅度提高檔次，在提高產(chǎn)品包裝附加值方面起著重要的作用,。自動(dòng)平壓模切機(jī)通常如圖一所示,，由送紙部分、模切燙金部分,、清廢部分,、收紙堆垛部分組成。
　　當(dāng)前,，國(guó)外自動(dòng)模切機(jī)的工作速度普遍在7500張/小時(shí)～9000張/小時(shí),。與此相比較，我國(guó)生產(chǎn)的自動(dòng)平壓模切機(jī)的工作速度較低,，一般最高只有5500張/小時(shí)～7500張/小時(shí),。從模切精度上來講，國(guó)外自動(dòng)平壓模切機(jī)的模切精度通?？梢钥刂圃?.10mm左右,，而國(guó)產(chǎn)自動(dòng)平壓模切機(jī)的模切精度在0.15mm ～0.20mm范圍內(nèi)，只有少量機(jī)型能夠達(dá)到0.1mm的模切精度,。并且國(guó)產(chǎn)自動(dòng)平壓模切機(jī)的工作速度較高時(shí),，模切精度將大幅度下降，嚴(yán)重影響了印品的模切質(zhì)量,。
　　作者經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有模切機(jī),，包括國(guó)外的一些模切機(jī)進(jìn)行認(rèn)真研究后發(fā)現(xiàn)，模切機(jī)提速后,，制約模切精度的一個(gè)很重要的因素是紙張定位的時(shí)間不足,。我們對(duì)此來加以分析，國(guó)內(nèi)外的模切機(jī)的紙張定位和傳送機(jī)構(gòu)的原理基本相同,。
　　定位和傳送機(jī)構(gòu)的工作過程是：大鏈輪帶動(dòng)鏈條（分成長(zhǎng)度相等的段）向模壓方向做周期性的間歇運(yùn)動(dòng),。當(dāng)前一段鏈條攜帶的紙張?zhí)幱谀籂顟B(tài)的時(shí)候，后一段鏈條也到達(dá)了取紙點(diǎn)（A點(diǎn)）,。此時(shí),，大鏈輪和鏈條都是靜止的。這時(shí),，擺動(dòng)板上擺呈水平狀態(tài),，紙張沿著擺動(dòng)板傳送過來，并由固定在擺動(dòng)板上的規(guī)矩裝置完成定位,，然后交接給鏈條上的咬紙牙,。交接完成后,，擺動(dòng)板下擺。當(dāng)前一段鏈條攜帶的紙張完成了模壓工作,，在大鏈輪的帶動(dòng)下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，新取得紙張的鏈條將隨之運(yùn)動(dòng)并到達(dá)模壓位置,，循環(huán)復(fù)始,。
　　從某一段鏈條到達(dá)A點(diǎn)，開始靜止取紙,，再到其開始離開A點(diǎn),，所用的時(shí)間一般只占一個(gè)循環(huán)的2/5。這2/5的時(shí)間包含了紙張的定位時(shí)間,。并且,，這2/5的時(shí)間不是全部用來紙張定位的。為了不發(fā)生機(jī)構(gòu)的干涉,，鏈條到達(dá)A點(diǎn)以后,，擺動(dòng)板才可以上擺；擺動(dòng)板又必須在鏈條離開A點(diǎn)繼續(xù)前進(jìn)之前下擺,，再加上規(guī)矩等的穩(wěn)定時(shí)間,，真正用于紙張定位的時(shí)間一般不到這2/5時(shí)間的一半?？梢钥闯?，紙張定位時(shí)間原本就很緊張，而隨著機(jī)器速度的不斷提高,，紙張定位的絕對(duì)時(shí)間越來越短,。毫無疑問，定位時(shí)間的不足,，將對(duì)模切精度帶來很大的損害,。
　　為此，提出了一種改進(jìn)方法,，得到一個(gè)新的紙張定位和傳送機(jī)構(gòu),，將大大提高紙張的定位時(shí)間。如圖三所示,。
　　新機(jī)構(gòu)舍棄掉原來的擺動(dòng)板,，安裝一個(gè)遞紙吸嘴。紙張?jiān)贐點(diǎn)完成定位后,，交接給遞紙吸嘴,；遞紙吸嘴做水平運(yùn)動(dòng)，交接給取紙鏈條,，然后下擺返回,。氣流的控制以及
　　新機(jī)構(gòu)與原機(jī)構(gòu)不同之處是：原來的紙張定位是受制于鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)的,，必須等到取紙鏈條到達(dá)A點(diǎn)以后擺動(dòng)板才能上擺到水平狀態(tài)，然后紙張過來,，開始定位,。而改進(jìn)后紙張的定位是相對(duì)獨(dú)立的，它可以在取紙鏈條還沒有到達(dá)A點(diǎn)以前就開始紙張的定位,，并在取紙鏈條離開A點(diǎn)以前交接給它就可以了,。這樣紙張定位的時(shí)間就大大延長(zhǎng)了。
對(duì)遞紙系統(tǒng)的每一個(gè)循環(huán)來說,，除了遞紙吸嘴的送紙和返回以外,，其余的時(shí)間都可以用來進(jìn)行紙張的定位。很明顯,，改進(jìn)以后,，紙張定位時(shí)間即使是在提速的情況下，也要比原機(jī)構(gòu)在低速情況下還要長(zhǎng)一些,。
　　在明確設(shè)計(jì)方案以后,，根據(jù)模切機(jī)的工藝要求，進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型,，通過分析比較確定了以凸輪——連桿機(jī)構(gòu)為初步的設(shè)計(jì)方案,。選擇修正梯形加速度規(guī)律為從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定機(jī)構(gòu)參數(shù),，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,，采用SOLIDWORKS軟件實(shí)體建模。因?yàn)槠年P(guān)系,，這里就不一一介紹推算的依據(jù),，以及詳細(xì)的過程了。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法,，求出理論模型是比較容易實(shí)現(xiàn)的,。
　　現(xiàn)在問題的關(guān)鍵是，對(duì)于設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品,，能否滿足要求,？不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，不需要急著去車間根據(jù)圖紙加工零件,，而是采用新的方法,，即利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，來檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)出來的樣品,，是否滿足使用的需要,。在這里，我們需要使用ADAMS軟件。ADAMS軟件是美國(guó)MDI公司開發(fā)的一種機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件,，可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能,，運(yùn)動(dòng)范圍，碰撞檢測(cè),，峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等,。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫,、力庫,、創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，對(duì)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué),、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移,、速度,、加速度和反作用力曲線。
　　在ADAMS的界面下,，可以直接進(jìn)行幾何建模,，ADAMS有豐富的幾何建模工具集。如果運(yùn)用其它的專用建模工具,，在建立模型以后再導(dǎo)入到ADAMS,，要方便得多。因此,，我們把設(shè)計(jì)圖紙由SOLIDWORKS建模以后,，導(dǎo)入到ADAMS，并依次完成下面的工作,，就可以用ADAMS進(jìn)行模擬和檢驗(yàn)了,。
　　①添加約束,，比如鉸接副,，圓柱副等等；
　?、谠O(shè)定機(jī)構(gòu)的物理性質(zhì),，比如材料等；
　?、圻M(jìn)行仿真計(jì)算分析,，設(shè)定輸出方式等。
　　把新設(shè)計(jì)的模切機(jī)遞紙牙機(jī)構(gòu)導(dǎo)入到ADAMS后,，根據(jù)ADAMS進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué),、動(dòng)力學(xué)和彈性動(dòng)力學(xué)分析，直接獲取所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)際性能。這里以機(jī)構(gòu)的彈性動(dòng)力學(xué)分析過程為例,，說明具體應(yīng)用的方法,。
　　模切機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)器速度不斷提高，而機(jī)器重量趨于減輕,。因此,，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮到隨著機(jī)器重量的減輕,，構(gòu)件的柔度加大,，柔性構(gòu)件在外力和慣性力作用下就會(huì)產(chǎn)生變形，從而會(huì)使機(jī)構(gòu)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)與預(yù)期的運(yùn)動(dòng)間產(chǎn)生誤差,。而隨著速度的提高,，慣性力急劇增大，這一問題也就越突出,。所以,，必須對(duì)所設(shè)計(jì)的新機(jī)構(gòu)進(jìn)行彈性動(dòng)力學(xué)分析，以檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在高速情況下是否能滿足精度要求,。
　　第一步：考慮到連桿受力比較大,，也是連接機(jī)構(gòu)上下兩部分的重要零件，它的柔性變化對(duì)機(jī)構(gòu)的精度會(huì)有很大的影響,，因此考慮把連桿柔性體化（機(jī)器轉(zhuǎn)速選定為9000轉(zhuǎn)/小時(shí)）,。
　　第二步：把柔性體裝入機(jī)構(gòu)，代替原來的剛性體零件,，其它部分保持不變,，重新進(jìn)行裝配，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,，輸出遞紙牙的位移曲線,。
　　第三步：和替換前的遞紙牙的位移曲線進(jìn)行比較運(yùn)算，把兩者隨時(shí)間的差異變化曲線輸出來,。
　　從結(jié)果可以看出,，即使是在高速的情況下（9000轉(zhuǎn)/小時(shí)），機(jī)構(gòu)的誤差也在很小的范圍,，最大為0.01mm,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)器0.10mm誤差的要求，滿足設(shè)計(jì)要求,。
　　如上所述,，本文對(duì)印刷機(jī)械中的模切機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)出理論數(shù)據(jù)后,，沒有按照傳統(tǒng)的方法去試制樣品,，而是采用了基于虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS,，來進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和彈性動(dòng)力學(xué)分析,，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求,。這樣，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程,，縮短了設(shè)計(jì)周期,，對(duì)印刷機(jī)械的設(shè)計(jì)工作帶來了極大的便捷。因此,，在印刷機(jī)械設(shè)計(jì)工作中,，熟練掌握虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用是新技術(shù)對(duì)廣大工程師的迫切要求。