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摘 要
隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和現(xiàn)代設(shè)計方法的不斷豐富，設(shè)計智能化已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計中熱門的研究課題之一。本文針對造紙機(jī)中的卷紙機(jī)部分進(jìn)行了研究，開發(fā)了一套完整的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。
參數(shù)化設(shè)計和特征建模技術(shù)是CAD技術(shù)繼續(xù)發(fā)展和適應(yīng)工業(yè)發(fā)展要求的兩項重要技術(shù)。參數(shù)化設(shè)計技術(shù)有利于建立和管理產(chǎn)品零件庫，極大的提高了產(chǎn)品的開發(fā)效率。而應(yīng)用特征建模技術(shù)建立的產(chǎn)品特征模型，從產(chǎn)品整個生命周期各階段的不同要求來描述產(chǎn)品，完整的提供了產(chǎn)品信息，使得各應(yīng)用系統(tǒng)可以直接從產(chǎn)品模型中抽出所需的信息，這就極大的滿足了CAD/CAM/CAE集成系統(tǒng)的要求。
本文是在對卷紙機(jī)的工作原理特別了解的基礎(chǔ)上以Visua1C++為工具，運(yùn)用數(shù)學(xué)中的優(yōu)化方法對卷紙機(jī)中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并且利用Pro舊專業(yè)繪圖軟件，實(shí)現(xiàn)了卷紙機(jī)零件的參數(shù)化繪圖，精確繪出各個零件的幾何形狀和二維工程圖。最后，該軟件繪制出卷紙機(jī)的三維實(shí)體為卷紙機(jī)在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行有限元分析以及數(shù)控加工打下了基礎(chǔ)。
本文通過完整的卷紙機(jī)優(yōu)化程序，參數(shù)化建模繪圖，大大縮短了卷紙機(jī)的設(shè)計周期，降低了卷紙機(jī)的研制成本，這對輕工業(yè)機(jī)械的研制有積極的幫助。
關(guān)鍵詞: 卷紙機(jī) 優(yōu)化設(shè)計 參數(shù)化 有限元分析
Abstract
With computer technology developing modern designing method becoming more abundance, the designing intelligence has become a Popular researching aspect. This paper is mainly about reeler of paper manufacture machine，researching and developing a designing expert system.
Parametric design and Feature Molding technology are the two important technologies in subsequent development of CAD. The Parametric design technology is favor of establishment and management of products and it can improve design efficiency of products. The product feature model established by Feature Modeling technology describes the product from the each stage in life，and provides whole information of the product. Every system can gain its information from product mold and this can satisfied the requirement of CAD/CAM system.
This paper is on the foundation for the working principle special understanding of reeler use Visual C++ carry out optimization for the paper manufacture machine structure，and draw using Pro/E special field software，have realized the parameter of paper manufacture machine element draw，paint paper manufacture machine accurately in the geometry shape of every element and drawing. Finally，this software draw the three-dimensional entity of paper manufacture machine have established foundation for the Processing of numerical control as well as the structural analysis of paper machine.
This paper passes through complete reeler optimization program，parameter drawing，has shortened the design period of reeler greatly，has reduced the cost of R&D of reeler，this has positive help for the R&D of light industry mechanism.
Key words: paper manufacture machine optimization design Pro/Engineer parametric finite element analysis
46
目 錄
第一章 緒 論 5
1.1卷紙機(jī)介紹 5
1.1.1 卷紙機(jī)概述 5
1.1.2 卷紙機(jī)分類 5
1.2 卷紙機(jī)的發(fā)展概況 6
1.3國內(nèi)發(fā)展概況 7
第二章 卷紙機(jī)的功能結(jié)構(gòu)分析 9
2.1 卷紙機(jī)的工作原理 9
2.2 卷紙機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能分析 10
2.3 卷紙機(jī)關(guān)鍵件的若干技術(shù)要求 11
2.4 卷紙機(jī)性能參數(shù)的設(shè)定 12
第三章 叉架傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化 14
3.1 叉架傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算 14
3.1.1 結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn) 14
3.1.2 傾轉(zhuǎn)力矩的計算 15
3.2優(yōu)化設(shè)計概述 19
3.2.1 優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型 19
3.2.2 優(yōu)化設(shè)計方法 20
3.3卷紙機(jī)的優(yōu)化設(shè)計 22
3.3.1 卷紙機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計 22
3.3.2 機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計 24
3.3.3 卷紙機(jī)優(yōu)化設(shè)計 25
第四章 卷紙機(jī)的參數(shù)化建模 29
4.1 參數(shù)化建模技術(shù) 29
4.2 參數(shù)化建模方法 29
4.2 卷紙機(jī)三維實(shí)體模型的參數(shù)化建模 30
4.2.1 參數(shù)化設(shè)計的一般過程 30
4.2.2 主機(jī)架模型的建立 31
4.2.3 卷紙缸模型的建立 31
4.3 工程圖的建立 35
4.3.1 主機(jī)架工程圖 35
4.3.2 卷紙輥工程圖 35
4.3.3 缸蓋工程圖 36
4.3.4 卷紙機(jī)裝配圖 37
第五章 卷紙機(jī)零件的有限元分析 38
5.1 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 38
5.1.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn) 38
5.1.2 ANSYS中的1GES標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方式 38
5.2 模型的修改 39
5.3 卷紙缸的有限元分析 39
5.3.1 單元類型與網(wǎng)格劃分 39
5.3.2 邊界約束與載荷 39
5.3.3 結(jié)果處理 40
第六章 結(jié)論與展望 41
參考文獻(xiàn) 43
第一章 緒 論
1.1卷紙機(jī)介紹
1.1.1 卷紙機(jī)概述
卷紙機(jī)是配置在造紙機(jī)最末端的一個聯(lián)動設(shè)備。它的主要功能是將紙機(jī)生產(chǎn)出的紙幅卷成紙輥，便于后加工工序進(jìn)一步加工。
在紙張生產(chǎn)中，卷紙也是非常重要的技術(shù)之一。卷紙機(jī)的性能直接影響卷紙質(zhì)量、紙卷結(jié)構(gòu)、紙張損失、紙機(jī)和后加工工序的整體生產(chǎn)效率以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；同時，還影響印刷用戶的印刷質(zhì)量、印刷效率和印刷過程的運(yùn)行性能。卷紙機(jī)運(yùn)行性能的好壞直接影響造紙機(jī)的生產(chǎn)效率。
1.1.2 卷紙機(jī)分類
卷紙機(jī)按照卷曲原理可分為兩種:軸式卷紙機(jī)和圓筒式卷紙機(jī)。軸式卷紙機(jī)的卷紙軸被直接帶動旋轉(zhuǎn)。卷曲時的圓周速度等于
式中：及一纏卷的卷曲半徑及直徑，其數(shù)值在卷曲過程中逐漸增大
一紙卷的角速度
當(dāng)紙的線速度一定時(與造紙機(jī)相應(yīng)的線速度)，紙卷的角速度應(yīng)該不斷的降低。圓筒式卷紙機(jī)卷曲的紙卷是支撐在按要求的線速度轉(zhuǎn)動的卷紙缸上，并由卷紙缸借摩擦力帶動。隨著紙卷卷曲直徑的增大，紙卷的轉(zhuǎn)速不斷降低，所以不需要在卷紙軸(輥)上裝設(shè)變速裝置。
由于圓筒式卷紙機(jī)的操作簡單，并且能卷曲直徑很大的紙卷。所以大多數(shù)的造紙機(jī)上普遍采用圓筒式卷紙機(jī)。然而，軸式卷紙機(jī)也具有一些優(yōu)點(diǎn)：可方便地借改變紙幅拉力來調(diào)整卷曲緊度；對沿橫向幅寬上紙幅不均勻性不太敏感。其主要缺點(diǎn)在于車速高于時，領(lǐng)紙過程需要復(fù)雜的自動控制設(shè)備，紙卷直徑較小，所以在低速的、對調(diào)整紙卷進(jìn)度要求較高的而特別是需要松卷紙卷的造紙機(jī)上，或者需要在造紙機(jī)上將紙幅縱切成兩個或多個紙卷時仍可使用多軸式卷紙機(jī)[1]。
另外，從結(jié)構(gòu)上可分手動式與液壓或氣動式；從機(jī)架導(dǎo)軌形式可分傾斜式與水平式[2]。
1.2 卷紙機(jī)的發(fā)展概況
近10多年來，世界各國也包括我國的廣大造紙工作者和造紙機(jī)械制造廠商，都在努力研究改進(jìn)卷紙技術(shù)和提高卷紙機(jī)性能。在20世紀(jì)80年代前的100多年里，世界各國的造紙機(jī)主要是使用傳統(tǒng)的老式卷紙機(jī)，也稱作第一代卷紙機(jī)。而在1992年出現(xiàn)了第二代卷紙機(jī)。20世紀(jì)末又出現(xiàn)了嶄新的現(xiàn)代卷紙機(jī)，也稱第三代卷紙機(jī)，諸如Valmet公司的OptiReel Plus 卷紙機(jī)、Voith Sulzer公司的Sirius卷紙機(jī)和原Beloit公司的TNT卷紙機(jī)。
1. 第一代卷紙機(jī)
自從Alexander Pore發(fā)明第一代卷紙機(jī)以來，已應(yīng)用了100多年。這種卷紙機(jī)有軸式和輥式兩種形式，應(yīng)用最多的是輥式卷紙機(jī)，也稱表面卷紙機(jī)，適用于中低速各種形式造紙機(jī)。
輥式卷紙機(jī)[3]主要由卷紙缸和一對放卷紙軸的搖臂支架組成。卷紙軸壓在卷紙缸上部的表面上，卷紙缸為主動回轉(zhuǎn)的輥簡，卷紙是靠紙卷壓向卷紙缸產(chǎn)生的摩擦力被動回轉(zhuǎn)而卷紙的。因此，卷成紙卷的緊密度取決于紙卷與卷紙缸之間的線壓力。對于老式輥式卷紙機(jī)，沒有調(diào)節(jié)線壓力的裝置。為了使紙卷緊密度均勻一致，后來才增設(shè)了氣動加壓缸裝置，可以調(diào)節(jié)線壓力，提高卷紙質(zhì)量(如圖1.1所示)。與此同時，在換輥時為了使待卷紙軸的線速度與卷紙缸的線速度一致，有的傳統(tǒng)卷紙機(jī)增設(shè)了待卷紙軸的加速裝置，以避免換輥時造成過多的紙張損失。
圖l.1 傳統(tǒng)的氣動加壓輥式卷紙機(jī)
1—卷紙缸 2—卷紙輥 3—紙卷 4—引紙搖臂 5—引紙搖臂氣壓缸
6—引紙搖臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 7—卷紙輥卷紙軸架 8—加壓氣壓缸
9—?dú)鈮焊讞U 10—在最大紙卷直徑時氣壓缸的位置
2. 第二代卷紙機(jī)
針對第一代卷紙機(jī)的缺點(diǎn)，第二代卷紙機(jī)的設(shè)計目標(biāo)就是采用一切可行的措施，把卷紙中造成的損紙量降低到最低限度。Valmet公司在開發(fā)研制第二代卷紙機(jī)時，把它命名為“無損紙”卷紙機(jī)。世界上第一臺第二代卷紙機(jī)OptiReel 卷紙機(jī)，于1992年安裝在UPM—Kymmene Kaukas紙廠，并試車成功，投入生產(chǎn)。第二代卷紙機(jī)比第一代卷紙機(jī)損紙量降低5％，即提高整體生產(chǎn)效率5％。對于年產(chǎn)20萬t的LWC生產(chǎn)線，年增產(chǎn)1萬t。
3. 第三代卷紙機(jī)
第三代卷紙機(jī)也就是現(xiàn)代卷紙機(jī)，在20世紀(jì)90年代中后期才出現(xiàn)。Valmet公司的OptiReel Plus。 卷紙機(jī)，Voith Sulzer公司的Sirius卷紙機(jī)和原Beloit公司的TNT卷紙機(jī)，都是第三代卷紙機(jī)。
OptiReel Plus卷紙機(jī)是由Valmet公司推出的現(xiàn)代化卷紙機(jī)。1999年3月首次投產(chǎn)，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的現(xiàn)代化卷紙機(jī)。已成功地應(yīng)用在新聞紙、超級壓光紙、低定量涂布紙、超低定量涂布紙、涂布和未涂布高級文化用紙等多種現(xiàn)代化高速造紙機(jī)以及現(xiàn)代化后加工生產(chǎn)線上，進(jìn)行卷紙和再卷紙作業(yè)。OptiReel Plus （如圖1.2）卷紙機(jī)操作性能優(yōu)良、運(yùn)行性能良好。在生產(chǎn)大直徑紙卷、減少損紙量、提高生產(chǎn)效率、改善卷紙質(zhì)量、優(yōu)化紙卷結(jié)構(gòu)、保護(hù)紙張表面性能等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)。
圖1.2 OptiReel Plus 卷紙機(jī)
1.3國內(nèi)發(fā)展概況
國產(chǎn)卷紙機(jī)與造紙機(jī)一樣，長期停留在窄幅、慢速、手控的水平上。卷紙輥從卷紙機(jī)的副臂轉(zhuǎn)到主臂的過程，或是引紙、換卷，均靠手工操作來完成。勞動強(qiáng)度較大，又不安全。卷成的紙卷外緊內(nèi)松，在紙卷端面形成卷曲的荷葉狀，造成幾十層紙的質(zhì)量下降或報廢。
這種結(jié)構(gòu)的卷紙機(jī)，其卷紙輥與缸面問的線壓力，靠輥?zhàn)幼灾嘏c輥?zhàn)由侠p繞紙頁的重量迭加而形成的線壓，隨著紙卷直徑的增加，線壓力亦會增大，這就會造成紙卷“硬度”的提高，從而造成紙卷內(nèi)松外緊。
一旦工作車速在200r/min以上時，這種卷紙機(jī)則很難勝任。在紙幅超過2400mm 時，處境就更為惡劣。
國外的造紙機(jī)械廠商在20世紀(jì)90年代就對卷紙機(jī)做了大量的調(diào)查研究和開發(fā)研制工作，推出了嶄新的現(xiàn)代化卷紙機(jī)。而我國的卷紙機(jī)仍是裝備水平低、性能差。然而，我國紙和紙板的產(chǎn)量近些年卻居世界第二、三位，在年產(chǎn)3400萬t的情況下，若開發(fā)應(yīng)用上現(xiàn)代化卷紙機(jī)，那就是對挖掘我國造紙工業(yè)潛力做出的一大貢獻(xiàn)。
第二章 卷紙機(jī)的功能結(jié)構(gòu)分析
2.1 卷紙機(jī)的工作原理
卷紙機(jī)分為圓筒式卷紙機(jī)和軸式卷紙機(jī)兩種。而大多數(shù)的造紙上普遍采用的均是圓筒式卷紙機(jī)。
圓筒式卷紙機(jī)的特點(diǎn)是：將抄造好的原紙由舒展輥的下方進(jìn)入卷紙缸的缸面，然后被不斷地卷到壓靠在卷紙缸表面的卷紙輥上。卷紙輥被卷紙缸所帶動，并以卷紙缸相同的線速度將紙幅卷到輥面上。在卷取過程中卷紙輥和卷紙缸表面之間需要保持一個穩(wěn)定的線壓力。此線壓力是由機(jī)器兩側(cè)的次級臂和氣缸來實(shí)現(xiàn)的。通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力可得到所需要的線壓力。當(dāng)紙卷直徑達(dá)到要求尺寸后，通過換紙裝置上的繩子將紙幅橫向劃破，同時，紙幅被引到另一個空卷紙輥上，開始下一次工作循環(huán)，如圖2.1所示。
圖2.1 水平圓筒式卷紙機(jī)
2.2 卷紙機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能分析
1. 在卷紙缸中通入壓縮空氣，減少缸中取水，有利于傳動和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
在卷紙缸中通入壓縮空氣減少缸中積水，有利于傳動和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)[4]。舊式卷紙機(jī)卷紙缸中的冷卻水靠水超過缸半徑自溢，這樣往往有半缸水，一經(jīng)車速提高形成水環(huán)，影響運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，造成機(jī)架振動及軸承過早磨損。
新式卷紙機(jī)車速均較高，在缸體操作端裝有旋轉(zhuǎn)接頭，同時通入壓縮空氣，氣壓為，氣管內(nèi)徑約為。
2. 舒紙頁裝置的改進(jìn)
在紙頁進(jìn)入卷紙之前要保證紙頁舒展平整，確保卷成的紙卷圓整、沒有折子。過去用固定的多螺桿的弧形板，紙面與弧形板的接觸為滑動摩擦，會擦傷紙面留下隱影 ，于是采用了帶有中高的回轉(zhuǎn)式鼓形輥或可調(diào)活動弧形輥(見圖2.2)。
3. 卷紙輥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
舊式卷紙輥是一支輥?zhàn)优渲脙芍换瑒虞S承，不適應(yīng)于高速復(fù)卷機(jī)的放紙要求?，F(xiàn)在的卷紙輥(見圖2.2)都配置帶有滾動軸承的軸承殼及內(nèi)齒輪聯(lián)軸器。
圖2.2 新式卷紙輥
l—輥體 2—軸承殼 3—半聯(lián)軸器
為了特殊需要，有時輥面包覆橡膠，其厚度為，硬度為消氏，有利于卷紙輥起卷，保護(hù)缸面，延長輥?zhàn)拥氖褂脡勖?
隨著卷紙機(jī)車速的提高，卷紙直徑、幅寬的增大，輥?zhàn)又睆健⑤S徑(吊裝掛鉤處)一般宜采用較大值，保證具有足夠剛性，以防止吊裝時造成彎曲，影響卷紙輥的使用壽命。
4. 卷紙輥與缸面間線壓力靠氣控調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)的壓力，確保紙卷內(nèi)外松緊一致，紙卷圓度好。紙卷硬度適中。
卷紙機(jī)的副臂都裝有氣缸，卷紙輥與缸面接觸形成的線壓力藉調(diào)節(jié)氣缸中的氣壓而得到有效控制。通常線壓力為1.2～2.5N/mm。
5. 刮刀采用往復(fù)式移動
一旦卷紙機(jī)車速提高(約在300m/min)時，刮刀由固定式改用往復(fù)式移動。這樣，可保護(hù)缸面。
6. 在卷紙機(jī)水平導(dǎo)輥尾部裝有制動裝置，使吊起的紙卷不再轉(zhuǎn)動，保證起吊安全。
7. 為了引紙方便，安全可靠，在卷紙缸操作端車有引紙槽，配置一套引紙繩輪裝置。
8. 為了便于引紙、換卷，卷紙輥的啟動采用氣缸—尼龍皮帶或電機(jī)—機(jī)械啟動裝置。
卷紙機(jī)的基本技術(shù)性能參數(shù)主要有六個:卷曲直徑、車速、軌距、卷紙缸直徑、凈紙寬度、功率。
2.3 卷紙機(jī)關(guān)鍵件的若干技術(shù)要求
1 卷紙缸剛體是卷紙機(jī)關(guān)鍵部件，用HT200鑄造加工而成，缸面硬度，表面粗糙度為0.4。
2 卷紙輥是卷紙與復(fù)卷機(jī)(或切紙機(jī))上通用的紙卷載體，復(fù)卷機(jī)的工作車速通常為卷紙機(jī)的三倍，不同于造紙機(jī)其它輥筒 根據(jù)情況須校準(zhǔn)靜或動平衡，平衡塊固定須牢固。由于經(jīng)常吊放紙卷，難免發(fā)生碰撞，其軸頭要考慮有足夠的剛性，安全系數(shù)要大于干毯導(dǎo)輥的，經(jīng)?？梢钥吹郊垙S卷紙輥的軸頭撞彎，妨礙正常運(yùn)行，造成卷紙輥過早報廢。
3 機(jī)架兩支導(dǎo)軌做成水平式，成V字形導(dǎo)軌面，經(jīng)滲氯電火花處時，既不變形又耐磨，卷紙輥軸承殼球面部分在V字形導(dǎo)軌面中移動，經(jīng)長期使用，導(dǎo)軌面無碰傷拉毛等情況，是種較為合理的結(jié)構(gòu)。
4為了保持卷紙缸缸面清潔，免受刮刀擦傷，對刮刀刀片的材質(zhì)選擇適當(dāng)是重要的，通常采用的如表2.1中所列。
表2.1 材料選用表
序號
材料名稱
規(guī)格(厚度)
備注
1
T8A薄鋼板
1
2
磷銅板
23
刃口剖成斜面
3
不銹鋼冷軋整形Crl8Ni9Ti
1
4
布質(zhì)酚醛層壓板
34
刃口剖成斜面
5
樹脂層壓板
刃口剖成斜面
近年來，刮刀多數(shù)采用往復(fù)移動(車速在以上時)，往復(fù)移動次數(shù)7次/分，移動距離為單邊，有氣動皮膜式或電動式，以電動機(jī)—減速器—偏心輪較為可靠。
5 具有中高的回轉(zhuǎn)式鼓形輥或多節(jié)可調(diào)活動弧形輥，是舒展紙頁的有效裝置。紙頁進(jìn)入卷紙之前須進(jìn)行舒展，過去采用多段螺桿調(diào)節(jié)的弧形板來舒展紙頁．這樣會擦傷紙面 現(xiàn)在采用鼓形輥或可調(diào)活動弧形輥．使用情況好，對涂布紙或特種紙更為有利。鼓形輥的中高量每米紙寬4～6mm，可調(diào)活動弧形輥固定軸的偏心距為12～25mm。
隨著造紙機(jī)車適的提高，卷紙機(jī)的卷紙缸直徑趨向于小型化，有的缸體用無縫鋼管或鋼板卷制而成一表面刻有溝槽，其間距為20～30mm，溝槽寬1.5～2mm，深1.2～2.5mm，表面噴涂一層厚度為0.30～0.50mm的鉬(Mo)，需要涂層的制件表面須經(jīng)電火花拉毛，涂層耐磨、不生銹，由于噴涂的鉬層有無數(shù)疏松隙，這些孔隙具有“吸附”紙頁的作用．溝槽能使紙面夾帶的氣體逸出。在高速卷取高級紙時尤為突出。
噴涂鉬層一般以鋁絲電噴涂質(zhì)量較佳，若用鉬粉氣噴涂，因鉬粉粗細(xì)不一，有堵塞噴槍、鉬粉氧化等造成涂層產(chǎn)生夾層，氣泡。但前者費(fèi)用比后者大，約為1.3～1.5倍。
對于涂布機(jī)配套的卷紙機(jī)，其缸表面噴涂鉬，其效果較佳，國內(nèi)完全具備噴涂鉬層的能力，經(jīng)使用質(zhì)量亦好。在高速復(fù)卷機(jī)支承輥 及 材質(zhì)為鑄鐵件經(jīng)噴涂后情況良好。
卷紙缸直徑大小，并不由卷取厚紙、薄紙而定，也不是由車速高低而定．應(yīng)該是按缸體的制造工藝和卷紙機(jī)結(jié)構(gòu)的需要來定較為妥當(dāng)。
水平式卷紙機(jī)可以看作是一臺單支承輥的“復(fù)”卷機(jī)，國外的復(fù)卷機(jī)通常有雙支承輥與單支承輥之分。因鑄造的勞動強(qiáng)度大，周期長，以及環(huán)保等原因，在國外把鑄造件的支承輥改為無縫鋼管或鋼板卷制造。做一支直徑的鋼管比做或 來得容易，成本低，機(jī)加工、校平衡均較方便。
2.4 卷紙機(jī)性能參數(shù)的設(shè)定
卷紙機(jī)的基本技術(shù)性能參數(shù)主要有六個:卷曲直徑、車速、軌距、卷紙缸直徑、凈紙寬度、功率。
1. 卷曲直徑
卷曲直徑是指卷紙輥在卷紙的過程中隨著卷紙輥卷紙層數(shù)的不斷增加，最終在完成卷紙時所能達(dá)到的最大直徑。
2. 車速
卷紙機(jī)的車速是指卷紙機(jī)上紙幅的實(shí)際運(yùn)行速度(米/分)，有時也稱之為抄速。此外，經(jīng)常使用下列有關(guān)車速的術(shù)語。
工作車速：指造紙機(jī)在給定的紙料品種和工藝生產(chǎn)條件下可以達(dá)到的車速，用以作為制定生產(chǎn)計劃和考查完成生產(chǎn)任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)。工作車速表示造紙機(jī)具有的能夠發(fā)揮的生產(chǎn)能力。
設(shè)計車速：指造紙機(jī)從機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度上和產(chǎn)品范圍內(nèi)最大宗的產(chǎn)品生產(chǎn)條件出發(fā)考慮時可以達(dá)到的最高車速。通常是在最大工作車速的基礎(chǔ)上提高20%后的車速作為設(shè)計車速，并常常以此為根據(jù)選用造紙機(jī)的各種附屬裝備。
結(jié)構(gòu)車速：指在工作車速基礎(chǔ)上提高以后的車速，用來作為紙機(jī)零件強(qiáng)度設(shè)計和某些紙機(jī)部件技術(shù)質(zhì)量檢驗的依據(jù)，它表示造紙機(jī)結(jié)構(gòu)所允許的最高車速。
3. 軌距
軌距是指卷紙機(jī)基礎(chǔ)上底軌的中心距。卷紙機(jī)的軌距由造紙機(jī)的銅網(wǎng)寬度決定并應(yīng)考慮到烘缸端面與基礎(chǔ)梁之間有足夠的間距。軌距的估算用下列經(jīng)驗公式
設(shè)表示軌距，當(dāng)銅網(wǎng)寬度時，
當(dāng)銅網(wǎng)寬度時，
造紙機(jī)的軌距通常也就是紙機(jī)各棍子兩軸承之間的中心距。
4. 卷紙缸直徑
卷紙缸是卷紙機(jī)工作過程中最重要的部件，它是由一個電動機(jī)帶動支撐著紙卷，并借著紙卷與卷紙缸壓區(qū)中的摩擦力而使紙幅產(chǎn)生張力，產(chǎn)生的摩擦力也是這種卷紙方式工作的唯一卷紙動力。
5. 凈紙寬度
造紙機(jī)的抄寬是指所抄造紙幅的寬度，用卷紙機(jī)上紙幅的寬度表示，有時也稱為毛紙寬度。毛紙經(jīng)過復(fù)卷機(jī)或切紙機(jī)切去毛邊后，所得成品紙的寬度便是凈紙寬度(用表示)。
顯然，凈紙寬度應(yīng)該是印刷、書寫和其他用途紙張的標(biāo)準(zhǔn)寬度的整數(shù)倍。目前國內(nèi)比較通用的凈紙寬度的基數(shù)是:(新聞紙)、(印刷紙、文化用紙)和(紙袋紙)；其他紙張的寬度則根據(jù)現(xiàn)有紙機(jī)的規(guī)格。
6.功率
功率是卷紙機(jī)的主要技術(shù)性能之一，給出的功率是用來選擇帶動卷紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)通過減速器等裝置帶動卷紙機(jī)中最重要的部件卷紙缸轉(zhuǎn)動。因此，卷紙機(jī)的功率與電機(jī)的功率是密切相關(guān)的。
第三章 叉架傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化
3.1 叉架傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算
國內(nèi)大型長網(wǎng)紙機(jī)隨著工作車速的大幅度提高，與其配套的卷紙機(jī)叉架傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也以機(jī)械傳動取代了笨重落后的手動機(jī)構(gòu)。目前傳動機(jī)構(gòu)多采用行星式擺線針輪減速機(jī)—電磁鐵制動系統(tǒng)與叉架下部扇形齒輪機(jī)構(gòu)一起組成機(jī)械式叉架傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
3.1.1 結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)
卷紙機(jī)的傳動型式屬于行星摩擦輪系，卷紙缸是中心輪，固定在叉臂上的卷紙輥是行星輪，其結(jié)構(gòu)愿理[5]如圖3.1所示。
圖3.1 卷紙機(jī)叉架傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖
1—軌道 2—二次叉架 3一卷后紙輪 4—叉臂 5—卷筒紙輥軸
6—卷紙缸 7—卷紙缸軸 8—扇形齒輪 9—小齒輪 10—機(jī)架
卷紙缸由主傳動直接輸入。叉架傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是單獨(dú)韻一套傳動系統(tǒng)。叉架的轉(zhuǎn)軸就是卷紙缸軸承架的外套，叉架的上端是U形叉臂，是用來裝卡紙輥軸的，使其圍繞中心輪的外外圓作行星轉(zhuǎn)動，叉架的下端是扇形齒輪，與主動小齒輪連同減速機(jī)組成叉架傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以間歇傳動方式完成換輥動作。由于卷紙輥與卷紙缸之間始終處于緊密接觸狀態(tài)，并具有相當(dāng)大的摩擦力。從紙機(jī)烘干部傳出來的紙幅就被這種摩擦力拉出，并連續(xù)不斷地卷在紙輥上。當(dāng)紙輥卷到一定直徑時，叉臂便將紙輥傾轉(zhuǎn)到水平軌道的二次叉架上。這時紙輥繼續(xù)依靠裝設(shè)在軌道內(nèi)的氣缸推頂二次叉架， 使紙輥與卷紙缸保持摩擦傳動，然后叉臂脫開紙輥軸并恢復(fù)到原來的垂直位置，準(zhǔn)備下一個工作循環(huán)。
這種傳動型式的主要特點(diǎn)是： 能在設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，實(shí)現(xiàn)平滑過渡，銜接換輥，保持生產(chǎn)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
3.1.2 傾轉(zhuǎn)力矩的計算
根據(jù)機(jī)械動力學(xué)分析[6,7]，在系統(tǒng)中存在著紙輥旋轉(zhuǎn)傾落時的慣性力矩和發(fā)生在叉架轉(zhuǎn)軸處滑動軸承上的摩擦力矩，其力矩之和為：
（3-1）
可應(yīng)用剛體繞定軸轉(zhuǎn)動微分方程求得：
（3-2）
式中，，因紙輥在傾轉(zhuǎn)的瞬間近似于勻速轉(zhuǎn)動，（恒量），，則
（3-3）
（3-4）
根據(jù)平行軸轉(zhuǎn)換公式
（3-5）
式中：—紙輥轉(zhuǎn)動慣量，
—紙輥質(zhì)量，
故
（3-6）
（3-7）
（3-8）
式中：—紙輥傾轉(zhuǎn)時重量，設(shè)
—重力加速度，
—叉架轉(zhuǎn)動半徑，即
—紙輥半徑，
—卷紙缸半徑，
—卷紙機(jī)工作車速，
—卷紙缸轉(zhuǎn)速，
—卷紙輥角速度，
—滑動摩擦系數(shù)，
—叉架轉(zhuǎn)軸半徑，
則
（3-9）
作用在扇形齒輪上的力為
式中：—扇形齒輪節(jié)圓半徑，，
則
（3-10）
小齒輪軸扭矩為
式中：—小齒輪節(jié)圓半徑,
（3-11）
為計算出的實(shí)際傾轉(zhuǎn)力矩，可見原設(shè)計可靠性不夠。根據(jù)機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計計算[8,9]，對傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動設(shè)計，應(yīng)注意以下原則：
（1）設(shè)計選用的減速機(jī)輸出軸扭矩必須滿足設(shè)計要求；
（2）必須能夠達(dá)到傳動過程自鎖要求；
（3）對系統(tǒng)中的受載零部件按最大載荷(或扭矩)及最不利的工作條件進(jìn)行精確強(qiáng)度計算，以便使機(jī)構(gòu)性能達(dá)到最佳設(shè)計。
從幾個方案中選擇設(shè)計齒輪—蝸輪減速機(jī)。在高速軸與電動機(jī)之間裝設(shè)雙錐離合器，使功能結(jié)構(gòu)達(dá)到合理、完善、實(shí)用(詳見圖3.2所示)。
圖3.2 齒輪—蝸輪減速機(jī)示意圖
1—蝸輪 2—蝸桿 3—蝸輪箱 4—齒輪箱 5—離合器殼
8—雙錐離合器 7—電動機(jī) 8—一級齒輪副 9—二級齒輪副
設(shè)計步驟如下[10]：
（1）使用中已知條件
①減速機(jī)輸出扭矩
②叉架轉(zhuǎn)速
③電動機(jī)轉(zhuǎn)速
④電動機(jī)功率
（2）速比分配
①原機(jī)扇形齒輪與小齒輪速比
（3-12）
，，扇形齒輪有效齒數(shù)，小齒輪齒數(shù)。
②齒輪—蝸輪減速機(jī)速比
第一級：，，，
第二級：，，，
第三級：蝸桿頭數(shù)，渦輪齒數(shù)，，，減速機(jī)速比 （3-13）
③傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動速比
（3）計算叉架機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速
（3-14）
上式為叉架的工作轉(zhuǎn)速，符合設(shè)計要求。
（4）計算承載能力
由于叉架傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是短時間運(yùn)轉(zhuǎn)而停歇時間又較長的傳動，因此只計算兩個末級承受較大載荷韻扇形齒輪機(jī)構(gòu)的小齒輪和蝸輪的承載能力[11,12]。
①小齒輪的強(qiáng)度驗算
按作用力由一個齒全部承受的最壞情況驗算其彎曲強(qiáng)度，根據(jù)簡化公式得：
（3-15）
（3-16）
故，滿足強(qiáng)度要求。
②計算渦輪承載能力
蝸輪機(jī)構(gòu)在24小時內(nèi)間歇傳動，每小時最多開動2次，每攻5分鐘，正反轉(zhuǎn)工作，環(huán)境溫度為，蝸桿下置式，使用年限為5年。
計算渦輪輸出扭矩：
（3-17）
式中：，，
按，查得
（3-18）
根據(jù)設(shè)計渦輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)，，時，許用扭矩
核算輪齒尖峰負(fù)荷
（3-18）
故滿足要求。
3.2優(yōu)化設(shè)計概述
優(yōu)化設(shè)計就是對所設(shè)計的問題經(jīng)過數(shù)學(xué)建模[13]，按照最優(yōu)化原理和方法，通過尋找影響系統(tǒng)目標(biāo)的優(yōu)化變量各分量的某種取值組合，使得系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)在給定約束條件下達(dá)到最優(yōu)或近似最優(yōu)[14]。
3.2.1 優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型
通過對所設(shè)計的問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模而構(gòu)建:(l)目標(biāo)函數(shù)，(2)設(shè)計變量，(3)約束條件[15]。
1.目標(biāo)函數(shù)
目標(biāo)函數(shù)就是以設(shè)計變量為自變量，用來衡量設(shè)計優(yōu)劣指標(biāo)的函數(shù)。優(yōu)化設(shè)計的目的就是在滿足約束的條件下使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大或者最小值。
2.設(shè)計變量
對于構(gòu)建的用參數(shù)表示的數(shù)學(xué)模型，有些參數(shù)的變化對目標(biāo)函數(shù)沒有影響，對于優(yōu)化過程中可以不考慮，而對于目標(biāo)函數(shù)有影響的參數(shù)就是設(shè)計變量。
3.約束條件
約束條件就是用設(shè)計變量構(gòu)建的一些滿足性能或者幾何限制條件。約束條件一般有等式約束和不等式約束。
優(yōu)化設(shè)計的模型一般可以簡化為
（3-19）
式中而—求目標(biāo)函數(shù)的最小值；
—設(shè)計變量的n維空間；
—不等式約束；
—等式約束。
3.2.2 優(yōu)化設(shè)計方法
數(shù)學(xué)中幾種經(jīng)常用到的優(yōu)化方法的介紹
1. 外罰函數(shù)法算法程序介紹
對于目標(biāo)函數(shù)，等式約束函數(shù)和不等式約束函數(shù)；還有終止限(可取 )，設(shè)由約束函數(shù)構(gòu)造的懲罰函數(shù)為
（3-20）
外罰函數(shù)法的算法
1）選定初始點(diǎn)為；選取初始懲罰因子 (可取)，懲罰因子的放大系數(shù)(可取)；置。
2）以為初始點(diǎn)，求解無約束問題
(3-21)
設(shè)其極小點(diǎn)為。
3）若，則就是所要求的最優(yōu)解，停止；否則轉(zhuǎn)4)。
4)置；，轉(zhuǎn)2)。
2. 步長加速法算法程序介紹
對于元目標(biāo)函數(shù)，步長收縮系數(shù)的終止限。
1）選定初始點(diǎn)，初始步長向量。
2）置，，，（或0.1）。
3）。
4）在點(diǎn)以為步長向量做探索搜索。
5）若探索搜索成功，即，則轉(zhuǎn)6)；否則轉(zhuǎn)10)。
6）作模式移動：；置，。
7）在點(diǎn)以為步長向量作探索搜索。
8）若這次探索搜索的終點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值比前一次探索搜索的終點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值小，即，則稱模式移動成功。說明從出發(fā)沿方向有繼續(xù)前進(jìn)的必要。因此轉(zhuǎn)6)再次作模式移動。因為一般比要大，所以凡是連續(xù)作的模式移動都是加速步驟。
9）若，則稱模式移動失敗。此時，把前一次探索搜索的終點(diǎn)選作參考點(diǎn)。相當(dāng)于模式移動作廢；然后轉(zhuǎn)4)。
10）由5轉(zhuǎn)來。若探索搜索失敗，即，則判別步長收縮系數(shù)是否充分??；若，則把縮小，即置，然后轉(zhuǎn)3)；若，則就是所求的極小點(diǎn)。
3. 探索搜索算法程序介紹
已知：目標(biāo)函數(shù)，步長向量和參考點(diǎn)。
1）計算；置，。
2）依次沿第坐標(biāo)軸方向作如下搜索：計算，，其中是第坐標(biāo)上的單位向量。以下三種情況必居其一：
（i）若，則說明比好，置，。
（ii）若而，則說明不比好，但比好，因此置，。
（iii）若與同時成立，說明和都不比好，則和都保持當(dāng)前值不變。
依次對計算后，最后得到的和分別是從出發(fā)以為步長向量的探索搜索的終點(diǎn)極其目標(biāo)函數(shù)值。
由于實(shí)際問題中的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)基本上都是一些非線性約束，而且約束函數(shù)中包括等式約束和不等式約束，所以更多采用的是外罰函數(shù)法?？紤]到實(shí)際問題的需要，本系統(tǒng)在選用優(yōu)化方法的時候也采用的是外罰函數(shù)法。
3.3卷紙機(jī)的優(yōu)化設(shè)計
3.3.1 卷紙機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計
圓筒卷紙機(jī)是借助紙卷與卷紙缸壓區(qū)中的表面摩擦力工作的。為了得到均勻的紙卷緊度，紙卷與卷紙缸之間的線壓力要保持基本不變。
圖3.3 舊式卷紙輥與卷紙缸位置示意圖
1—卷紙輥 2—卷紙缸
舊式搖臂式圓筒卷紙機(jī)上，此線壓力隨著紙卷重量和搖臂位置的變化而改變。如圖3.3所示，由靜力平衡方程可得出壓區(qū)壓力
(3-22)
式中：—確定搖臂位置的夾角；
—紙卷的重量，它是時間的函數(shù)；
—卷紙輥的重量。
顯然，在這種卷紙機(jī)上卷紙，會造成紙卷的內(nèi)外松緊不一，會影響紙卷的質(zhì)量，尤其是不能適應(yīng)高速紙機(jī)的要求。
現(xiàn)代造紙機(jī)上，大多采用氣動加壓和抬起紙卷的導(dǎo)軌式圓筒卷紙機(jī)。根據(jù)資料介紹，如果卷紙軸的導(dǎo)軌傾斜角度等于導(dǎo)軌與軸承之間的摩擦角，則紙卷本身的重量對卷紙缸不產(chǎn)生壓力，通過調(diào)整工作氣缸，可獲得穩(wěn)定的線壓力。我國在七十年代的一些氣動卷紙機(jī)，正是根據(jù)這一理論，將導(dǎo)軌設(shè)計成與水平傾斜左右，如圖3.4所示。
圖3.4 改進(jìn)后卷紙輥與卷紙缸位置示意圖
1—卷紙輥 2—卷紙缸
上述理論是在假定紙卷在導(dǎo)軌上靜止的條件下得出的。實(shí)際上，隨著紙卷直徑的增大，紙卷是在離開卷紙缸方向緩慢地移動的。其摩擦阻力方向恰好與圖3—2所示的方向相反，即與紙卷自重下滑力是相同方向的。因此，在動態(tài)下，圖3—2所示傾斜導(dǎo)軌上，紙卷與卷紙缸的壓區(qū)壓力為
（3-23）
式中：—摩擦系數(shù)；
—摩擦角，；
—兩側(cè)汽缸在平行于導(dǎo)軌方向的附加壓力；
—紙卷與卷紙輥的重量之和。
由式(3-5)可知，在卷紙過程中，紙卷自重的下滑力與摩擦力并不能抵消，壓區(qū)線壓力并不是恒定的。而是紙卷自重的線性函數(shù)。欲使紙卷自重對卷紙缸不產(chǎn)生壓力，理論上分析，導(dǎo)軌傾斜的方向應(yīng)該變?yōu)閳D3.3所示，即朝外向下傾斜。但是，從操作安全和制造工藝角度考慮，這種傾斜也是沒有必要的。七十年代以來，國外現(xiàn)代卷紙機(jī)大多采用圖3.5所示的水平道軌和擺動氣缸機(jī)構(gòu)。只要應(yīng)用機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計原理，合理選擇機(jī)構(gòu)參數(shù)，完全可以達(dá)到紙卷與卷紙缸之間的壓力基本不變的要求。
圖3.5 理想的卷紙輥與卷紙缸位置示意圖
1—卷紙輥 2—卷紙缸
3.3.2 機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計
機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計是近年來出現(xiàn)并且發(fā)展非常迅速的一種設(shè)計方法。它采用最優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，借助于計算機(jī)程序，使設(shè)計的機(jī)構(gòu)最優(yōu)地滿足預(yù)訂的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方面的要求，給出最優(yōu)的設(shè)計方案。
設(shè)計步驟如下
建立數(shù)學(xué)模型，包括設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。
凡屬于在優(yōu)化設(shè)計中需要優(yōu)化選擇的結(jié)構(gòu)參數(shù)，稱為設(shè)計變量。一組個設(shè)計變量，可寫成矩陣的形式：
對設(shè)計變量的取值加以某些限制的條件，稱為約束條件。一般用不等式約束方程：
， （3-24）
和等式約束方程式：
， （3-25）
表示出來。
機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計就是在設(shè)計中能最好地滿足所要追求的某些特定目標(biāo)。這些目標(biāo)可以表示為設(shè)計變量的函數(shù)，稱為目標(biāo)函數(shù)，記作：
（3-26）
目標(biāo)函數(shù)的值是評價設(shè)計方案優(yōu)劣程度的標(biāo)準(zhǔn)。最優(yōu)化設(shè)計是要尋找一個最優(yōu)點(diǎn)，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小(或最大)值，即
， （3-27）
D為可行區(qū)域，稱值為最優(yōu)值。
3.3.3 卷紙機(jī)優(yōu)化設(shè)計
如圖3.5所示水平導(dǎo)軌式圓筒卷紙機(jī)的示意圖。紙機(jī)車速，卷紙缸直徑，抄寬，紙卷最大直徑，卷紙輥直徑，輥軸重，抄造紙張的緊度，卷紙輥軸殼在導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，二次叉臂桿長，于是卷紙缸與紙卷之間的線壓力達(dá)到基本不變，確定其它構(gòu)件的尺寸[16]。
1. 確定設(shè)計變量
2. 目標(biāo)函數(shù)
由紙卷與卷紙缸之間的壓力盡量逼近所期望的壓力，按標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到最小值來建立目標(biāo)函數(shù)[17]
（3-28）
圖3.5 水平導(dǎo)軌式圓筒卷紙機(jī)
1—卷紙輥 2—卷紙缸
（3-29）
式中
其中—紙卷凈重；
—時間；
—紙卷的厚度；
—紙厚。
3. 約束條件
由構(gòu)件構(gòu)成的三角形，滿足
根據(jù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸，要求各構(gòu)件長度在給定的范圍內(nèi)
根據(jù)壓區(qū)線壓力和汽缸壓力及叉臂重量的允許范圍得
4.最優(yōu)化方法及其計算結(jié)果
最優(yōu)化方法用外部懲罰函數(shù)法，無約束優(yōu)化方法用Powell法，取懲罰函數(shù)法的收斂精度，Powell法的收斂精度，懲罰函數(shù)形式為
（3-30）
選取初始懲罰函數(shù)參數(shù)，遞減系數(shù)，初始點(diǎn)，利用Visual C++ 計算[18]解得如下最優(yōu)結(jié)果
即
第四章 卷紙機(jī)的參數(shù)化建模
4.1 參數(shù)化建模技術(shù)
參數(shù)化設(shè)計[19]是近幾年才發(fā)展起來的先進(jìn)設(shè)計技術(shù)，可以大大提高設(shè)計效率，并有助于減輕設(shè)計人員的工作強(qiáng)度。
參數(shù)化設(shè)計是機(jī)械零件設(shè)計的一個重要部分，參數(shù)化設(shè)計的零部件對于系列化產(chǎn)品尤其重要。廣義上講，參數(shù)設(shè)計過程是指從功能分析到創(chuàng)建參數(shù)化模型的整個過程。首先根據(jù)零部件的功能，以及零部件與其他零件之間的關(guān)系，確定零部件是否可能進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。有些零部件是專用零件，有的甚至是單件生產(chǎn)，像這樣的零部件不必進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。如果零部件需要量大，并且需要系列化生產(chǎn)，這樣的零件應(yīng)該考慮進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。
從產(chǎn)品設(shè)計到制造的整個過程中，尤其在產(chǎn)品設(shè)計的初步階段，產(chǎn)品的幾何形狀和尺寸不可避免地要反復(fù)修改、協(xié)調(diào)和優(yōu)化。如果利用CAD軟件進(jìn)行非參數(shù)化建模，那么哪怕要改變圖形的一個尺寸和結(jié)構(gòu)，也要修改原模型，甚至要重新建模。那么能否利用數(shù)值驅(qū)動零部件的特征尺寸，在進(jìn)行產(chǎn)品系列設(shè)計時，只需要添加多組數(shù)據(jù)即可；若要進(jìn)行重新設(shè)計，只需要修改部分?jǐn)?shù)據(jù)即可呢？其實(shí)，這就是參數(shù)化設(shè)計的思想，現(xiàn)今流行的三維CAD[20]造型系統(tǒng)大多提供了參數(shù)化設(shè)計的功能。
參數(shù)化設(shè)計可以大大提高產(chǎn)品設(shè)計的效率，同時可以有效保證產(chǎn)品模型的安全可靠性[21]。尤其對于形狀比較定型的零部件，用一組參數(shù)約束該幾何圖形的一組尺寸序列，參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸對應(yīng)顯示。當(dāng)賦予不同的參數(shù)序列時，就可驅(qū)動原有幾何模型達(dá)到新的目標(biāo)幾何圖形，可以完成高效建模和模型修改。
4.2 參數(shù)化建模方法
參數(shù)化建模的首要步驟是對零部件進(jìn)行形體分析，從而確定設(shè)計變量和建模策略，然后進(jìn)行參數(shù)化建模以及參數(shù)提取，最后進(jìn)行建模的驗證。根據(jù)零部件幾何形狀以及復(fù)雜程度的不同，應(yīng)該選擇不同的參數(shù)化建模方式，通常有2種參數(shù)化建模方法。
1. 特征建模方法
特征建模方法主要是通過Pro/TOOLKTI[22]中提供的函數(shù)創(chuàng)建基準(zhǔn)、拉伸、旋轉(zhuǎn)、倒角、孔和掃描等特征的創(chuàng)建技術(shù)和關(guān)鍵代碼。
每一個零部件模型的建立均是由零部件中定義的各個相互獨(dú)立、關(guān)聯(lián)的特征組成的，用樹狀結(jié)構(gòu)的形式來描述和定義Pro/ENGNIEER的一個特定特征稱為特征元素樹(feature elements tree)。這種特征元素樹并不是指在交互操作時的模型樹(model tree)，而是用來代表定義特征所有信息的結(jié)構(gòu)體類型數(shù)據(jù)的一種直觀的表示形式。一個特征元素樹代表一個特定的特征，樹種根節(jié)點(diǎn)和各分支統(tǒng)稱為元素，作為ProElement對象。
2.參數(shù)化建模方法
參數(shù)化建模的方式是利用設(shè)計參數(shù)來控制三維模型?；咀鞣ㄊ抢媒换ナ椒椒▌?chuàng)建三維模型，再利用Pro/ENGNIEER的參數(shù)功能建立設(shè)計參數(shù)，然后由Pro/T00LKIT應(yīng)用程序檢索出模型的設(shè)計參數(shù)、并提供參數(shù)的編輯功能和根據(jù)新的設(shè)計參數(shù)再生三維模型的功能[23]?；谶@一方法建立模型的過程，該方法中主要涉及到了Pro/ENGNIEER的參數(shù)對象、參數(shù)值、參數(shù)的創(chuàng)建和檢索以及根據(jù)新的參數(shù)值派生三維模型的有關(guān)函數(shù)、程序算法等功能。
以上介紹了Pro/E參數(shù)化設(shè)計兩種功能，盡管特征元素樹創(chuàng)建三維模型是基本方法，但是相對于第二種方法，第一種方法至少存在著三方面的不足：一是程序設(shè)計繁瑣，對于形狀復(fù)雜的模型完全依靠Pro/TOOLKTI應(yīng)用程序來生成三維模型是非常困難的，有時甚至是不可能的；二是不能創(chuàng)建Pro/ENGNIEER具有的全部特征，如混合(Blend)等高級功能；三是Pro/TOOLKIT提供的特征樹結(jié)構(gòu)和元素與Pro/ENGNIEER的版本有關(guān)，在特定的版本下生成的Pro/TOOLKTI應(yīng)用程序不能保證在以后的高版本成功運(yùn)行?；谝陨先c(diǎn)不足，本文在選擇建立模型的方法時使用的是更為行之有效的第二種方法參數(shù)化建立模型。
4.2 卷紙機(jī)三維實(shí)體模型的參數(shù)化建模
4.2.1 參數(shù)化設(shè)計的一般過程
Pro/E除了提供方便而強(qiáng)大的參數(shù)化建模方法外，還提供了可以提取特征參數(shù)的數(shù)據(jù)表格，通過數(shù)據(jù)表格可以生成零件庫，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計的基本步驟如下[24]:
1. 根據(jù)圖紙和自由變化參數(shù)表確定建模方法；
2. 創(chuàng)建參數(shù)化模型；
3. 設(shè)置參數(shù)之間的關(guān)系；
4. 提取自由變化參數(shù)；
5. 創(chuàng)建零件庫，輸入零件系列數(shù)據(jù)，創(chuàng)建零件模型；
6. 調(diào)入生成的模型，檢查模型創(chuàng)建是否有誤；
7. 利用二次開發(fā)接口編寫程序，進(jìn)行零件庫的管理。
4.2.2 主機(jī)架模型的建立
主機(jī)架部分包括主機(jī)架、輔助機(jī)架、齒輪等結(jié)構(gòu)。其主要是起到對卷紙輥、卷紙缸等卷紙機(jī)中的運(yùn)動部件支撐的作用。在設(shè)計過程中，系統(tǒng)把計算得到的尺寸保存到一個數(shù)組中，由該數(shù)組的數(shù)據(jù)來驅(qū)動參數(shù)化零件數(shù)據(jù)庫中的模型，進(jìn)而得到系統(tǒng)所設(shè)計出來的零件的三維模型。主機(jī)架三維實(shí)體模型的上半部分是首先由參數(shù)化零件數(shù)據(jù)庫中提取出來的模型，下半部分控件中的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)計算得到的數(shù)據(jù)賦給控件的，當(dāng)然系統(tǒng)計算得到的數(shù)據(jù)主機(jī)架零件模型尺寸數(shù)據(jù)有很多，控件中顯示的只是其中的一部分，其他的均保存在系統(tǒng)程序的數(shù)組中，在控件中顯示出來的數(shù)據(jù)是為了用戶看到之后更直接，并可以通過修改控件中的數(shù)
圖4.1 機(jī)架的Pro/E三維模型圖
據(jù)，單擊更新按鈕可以重新生成圖4.1中上半部分的新的三維模型。
由于主機(jī)架部分零部件的形狀相對固定，在設(shè)計中一些變化大多屬于是零部件放置位置的變化，因此主機(jī)架部分的設(shè)計是卷紙機(jī)設(shè)計中變化相對較小的一部分。所以在本文中沒有對主機(jī)架部分中的其他零部件進(jìn)行詳細(xì)地介紹，而只是以主機(jī)架為例進(jìn)行介紹。
4.2.3 卷紙缸模型的建立
卷紙機(jī)中工作的主要部件是卷紙缸和卷紙輥，卷紙機(jī)通過卷紙缸和卷紙輥之間的摩擦力產(chǎn)生相對運(yùn)動來完成卷曲紙卷的任務(wù)，并且卷紙缸和卷紙輥之間的工作性能的好壞直接會影響到卷曲紙卷的質(zhì)量，而卷紙輥部分對于大多數(shù)的卷紙機(jī)來說，都是有規(guī)定的尺寸和大小的，因此在卷紙機(jī)使用卷紙輥是只需根據(jù)型號來選擇卷紙輥即可，不需要針對卷紙機(jī)來進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計卷紙輥，所以在卷紙機(jī)的設(shè)計當(dāng)中，卷紙缸部分的設(shè)計就顯得格外重要，本系統(tǒng)在卷紙缸的設(shè)計中也給予了重要的地位，如第三章中所闡述本系統(tǒng)對卷紙缸部分在設(shè)計中進(jìn)行了優(yōu)化。下面就對卷紙缸部分的三維模型建立方面進(jìn)行一下詳細(xì)地介紹。
1. 缸體參數(shù)化設(shè)計
缸體是卷紙缸中和卷紙輥直接接觸部分，其三維模型參數(shù)化設(shè)計如圖4.2所示。
圖4.2 卷紙缸的Pro/E三維模型圖
由于缸體的實(shí)際形狀相對其它零件比較簡單，因此在缸體的參數(shù)化設(shè)計中給出的設(shè)計尺寸只有六個，這并不是說缸體在設(shè)計時就只有六個尺寸，而是一些其他的尺寸在設(shè)計中可以由這六個尺寸推導(dǎo)出來或者是一些經(jīng)驗尺寸，這些尺寸只需要在圖形生成時由系統(tǒng)給出就可以了。
2. 缸蓋A參數(shù)化設(shè)計
缸體是和卷紙輥直接接觸的零件，但卷紙缸部分并不是僅僅只有缸體一個零件，缸體在工作時，兩端要有端蓋、軸承等固定支撐零件。下面將對缸蓋A的三維模型參數(shù)化進(jìn)行介紹，如圖4.3所示是缸蓋A的三維實(shí)體模型。
3. 缸蓋B參數(shù)化設(shè)計
缸蓋B與缸蓋A一樣也是缸體的固定支撐零件，因此缸蓋B的三維實(shí)體模型的參數(shù)化設(shè)計過程與缸蓋A的參數(shù)化設(shè)計過程基本相同，不同之處在于缸蓋B位于卷紙輥的兩端，缸蓋A位于卷紙缸的兩端。缸蓋B的三維模型如圖4.4所示。
4. 卷紙機(jī)的整體裝配三維模型圖
根據(jù)以上零件和其他零件模型的建立，在Pro/E三維軟件中的實(shí)體裝配實(shí)體模型如圖4.5所示。
圖4.3 缸蓋A的Pro/E三維模型圖
以上詳細(xì)介紹了主機(jī)架、缸體、缸蓋A、缸蓋B等零件的三維模型參數(shù)化設(shè)計和卷紙機(jī)的整體三維模型的裝配，由于本系統(tǒng)中都采用的是尺寸驅(qū)動參數(shù)化零件數(shù)據(jù)庫中的模型，因此設(shè)計過程中的本步驟和方式基本相同。
圖4.4 缸蓋B的Pro/E三維模型圖
圖4.5 卷紙機(jī)的Pro/E三維實(shí)體模型裝配圖
4.3 工程圖的建立
4.3.1 主機(jī)架工程圖
主機(jī)架的二維工程圖如圖4.6所示，分別為主機(jī)架的主視圖、左視圖和俯視圖。
圖4.6 主機(jī)架二維工程圖
4.3.2 卷紙輥工程圖
卷紙輥的二維工程圖如圖4.7所示，分別為卷紙輥的主視圖和左視圖。
圖4.7 卷紙輥二維工程圖
4.3.3 缸蓋工程圖
缸蓋的二維工程圖如圖4.8所示，分別為缸蓋的主視圖和俯視圖。
圖4.8 缸蓋二維工程圖
4.3.4 卷紙機(jī)裝配圖
卷紙機(jī)裝配圖的二維工程圖如圖4.9所示，分別為卷紙機(jī)的主視圖、左視圖和俯視圖。
圖4.9 卷紙機(jī)裝配體二維工程圖
第五章 卷紙機(jī)零件的有限元分析
5.1 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換
5.1.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)
接口技術(shù)是CAD/CAE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫集成的關(guān)鍵技術(shù)。為了滿足系統(tǒng)集成的需要，提高數(shù)據(jù)交換的速度，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠和有效，則必須使用有效的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。目前最為通用的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)有IGES標(biāo)準(zhǔn)和STEP標(biāo)準(zhǔn)。
IGE(s原始圖形信息交換技術(shù)規(guī)范)是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSI)制定的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)之間圖形信息交換的一種規(guī)范[25]。它由一系列產(chǎn)品的幾何、繪圖、結(jié)構(gòu)和其它信息組成，是用來定義產(chǎn)品凡何形狀的現(xiàn)代交互圖形系統(tǒng)，可以處理CAD/CAE/CAM系統(tǒng)中大部分信息，進(jìn)行產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的相容性交換。IGES標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已發(fā)展成為一種主流的通用圖形數(shù)據(jù)交換格式，大多數(shù)軟件都配有IGES接口。STEP標(biāo)準(zhǔn)是一個關(guān)于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的計算機(jī)可理解的表示和交換國際標(biāo)準(zhǔn)，提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，它描述的是包括產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用、維護(hù)、報廢等整個生命周期的信息。相對STEP標(biāo)準(zhǔn)，IGES更加側(cè)重于幾何圖形信息描述、幾何實(shí)體信息描述和有限元模型數(shù)據(jù)傳遞交換，而且ANSYS本身具有內(nèi)置的IGES轉(zhuǎn)換過濾器，其IGES的輸入能力在工業(yè)界是最強(qiáng)的。
CAD軟件幾何模型和有限元幾何模型記錄數(shù)據(jù)和保存文件的格式不同，且IGES的一些語法結(jié)構(gòu)有二義性，不同的系統(tǒng)也會對同一個IGES文件給出不同的解釋;有時IGES對數(shù)據(jù)傳輸不可靠，往往一個CAD系統(tǒng)只有一部分?jǐn)?shù)據(jù)能轉(zhuǎn)換成IGES數(shù)據(jù)，在讀入IGES數(shù)據(jù)時，也經(jīng)常有部分?jǐn)?shù)據(jù)被丟失，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換的失敗;另外交換文件所占的儲存空間通常較大，影響數(shù)據(jù)文件的處理速度和傳輸效率。因此，在把三維模型通過GIES文件轉(zhuǎn)換為有限元模型之前，必須對模型進(jìn)行修補(bǔ)、簡化工作。
5.1.2 ANSYS中的1GES標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方式
對于輸人IGES文件，ANSYS [26]提供了兩種選項:DEFAULT和ALTERNATE。DEFAULT選項使用一種增強(qiáng)的幾何數(shù)據(jù)庫，它可自動地進(jìn)行IGES文件的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換包括自動地合并和生成體，為模型劃分網(wǎng)格做準(zhǔn)備。DEFAULT選項不能轉(zhuǎn)換文本、面積、注解圖元、結(jié)構(gòu)圖元等數(shù)據(jù)，會忽略它不能識別的IGES圖元，不過它會轉(zhuǎn)換所有的IGES拓?fù)浜蛶缀螆D元;輸人后，ANSYS將不允許從DEFAULT選項轉(zhuǎn)換到ALTERNATE選項，因而不容許自底向上的模型生成方法。ALTERNATE選項使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS幾何數(shù)據(jù)庫，沒有自動生成體的能力，而且通過它轉(zhuǎn)換的模型還需要進(jìn)行一些手工的修補(bǔ)。在大多數(shù)情況下建議使用DEFAULT選項，只在以下幾種情況中可能使用ALTERNATE選項:無法通過DEFAULT選項輸入模型;希望把模型輸出到一個IGES文件中;希望在輸入的模型基礎(chǔ)之上建立新的圖元。
5.2 模型的修改
Pro/E生成的模型文件中包含了一些難以進(jìn)行網(wǎng)格劃分的物理細(xì)節(jié)，而且Pro/E程序采用了一種帶有特殊格式的方式來定義圖元，這種定義圖元的方式與ANSYS定義圖元的方式不一致，這些問題最終都會導(dǎo)致模型網(wǎng)格劃分失敗，因此需要對模型進(jìn)行以下修補(bǔ)和簡化：
1)拓?fù)湫薷暮蛶缀涡迯?fù)。使用拓?fù)湫薷墓ぞ唛]合模型中各圖元的間隙，可用間隙檢查調(diào)整間隙容差的方法對所有間隙進(jìn)行合并，修改不完全的圖元以生成線、面和體。如果在模型的輸入過程中發(fā)現(xiàn)模型的拓?fù)浜蛶缀谓Y(jié)構(gòu)有問題，或模型輸入時關(guān)閉了合并的開關(guān)，則把拓?fù)涔ぞ撸═opo Repair）變?yōu)榭捎脿顟B(tài)。
2)幾何結(jié)構(gòu)簡化。刪除一些無關(guān)緊要(或無限制的)的圖元，找出并去掉模型中產(chǎn)生問題的細(xì)節(jié)、小線或小特征，簡化幾何結(jié)