隨著全球經(jīng)濟(jì)的一體化，印刷機(jī)械產(chǎn)品市場的競爭日益激烈。為了提高市場競爭力，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，對樣品進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)測試，把測試到的實(shí)際結(jié)果與設(shè)計(jì)前的理論構(gòu)想進(jìn)行比對，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，樣品試制費(fèi)用高，往往不能滿足市場對新機(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)國際權(quán)威人士對機(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，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)過對國內(nèi)現(xiàn)有模切機(jī)，包括國外的一些模切機(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。我們對此來加以分析，國內(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，紙張定位的絕對時(shí)間越來越短。毫無疑問，定位時(shí)間的不足，將對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)間就大大延長了。
對遞紙系統(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)測機(jī)械系統(tǒng)的性能，運(yùn)動(dòng)范圍，碰撞檢測，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。
　?、偬砑蛹s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；
　　③進(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，大大簡化了設(shè)計(jì)流程，縮短了設(shè)計(jì)周期，對印刷機(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)對廣大工程師的迫切要求。