0引言
众所周知，要想在当前激烈的市场竞争中取胜。缩短产品开发周期，提高产品质量，降低生产成本，以及对市场的快速、灵活的反应成为竞争者们取胜的法宝。谁最先推出产品，谁就占有市场。然而。传统的设计与制造方式无法满足这些要求。
随着计算机技术的发展，仿真分析技术的不断革新，特别是专用动力学分析软件的出现，大大减轻了在机械系统设计中的工作强度和难度。但是，此类动力学分析软件仅仅是对数学模型所进行的分析计算，不能对真实的系统模型进行模拟和仿真，而真正具有革命性突破的是虚拟样机技术的出现。在产品研究开发过程中，产品研发人员通过建立虚拟样机．对产品全生命周期的各个阶段，从不同角度、不同需要出发，进行性能和行为仿真、性能测试和评价，实现用虚拟样机取代物理样机．一次开发成功的目的。本文从分析虚拟样机技术的特点和优势出发，针对现有自动包装秤设计手段存在的不足．将虚拟样机技术引入自动包装秤设计开发领域。
1DCS一5O自动包装秤的组成及原理
DCS一50型自动包装秤共分为两大部分，即称重部分和包装部分。称重部分执行计量功能，是重点设计对象，主要由料仓、给料料斗、给料阀门、给料气阀组件、称重料斗、称重气阀组件、称重阀门、称重传感器、状态传感器、电气控制柜等组成。包装部分主要由包装料斗、包装气阀组件、夹袋器等组成。DCS一50型自动包装秤的工作参数见表1。

其工作原理为：料仓内的物料流入给料料斗。由给料料斗的给料阀门控制成粗给料和细给料两个阶段流人称重料斗：与称重料斗直接接触的称重传感器将物重直接变成电信号，传给单片机控制系统，并与设定值进行比较。当称重料斗内的重量达到设定值的94％时，发出粗加料终了信号，使给料料斗的给料阀门在给料气阀作用下，由粗给料切换到细给料，进入细给料过程，直至发出满秤信号；此时，给料料斗的给料阀门在给料气阀的作用下完全关闭，停止了细给料，并下达放料指令，在称重气阀的作用下通过称重阀门拨杆打开称重阀门，物料由称重料斗经包装料斗落人包装袋，完成计量自动落料。
2建立DCS一5O自动包装秤称重机械结构参数化模型
称重组件包括称重料斗、称重阀门、气阀组件、支承和传感器等。
在CATIA软件环境中，称重料斗设计是先在曲面设计模块中形成旋转曲面，再在零件模块中通过加厚曲面或封闭曲面形成实体后编辑而成，如图1所示。

气阀组件、支承等其它零件模型是在零件设计模块中通过创建二维草图，然后使用三维建模的基础特征，包括成型特征，特征操作，和变换特征等创建，如图2所示。

在CATIA的装配模块下，通过虚拟装配，定义各个零部件间的同轴，偏移，角度等位置约束关系，从而得到DCS一50自动包装秤称重机械结构装配模型，如图3所示。

3DCS一5O自动包装秤称重机械结构虚拟样机模型
通过标准数据格式如igs、step等，可以将CATIA建立的自动包装秤模型导入ADAMS；其缺点是在导入的模型中，原有的约束关系以及物理特性参数等将有可能丢失，必须对其进行重新修正。将在CATIA中建立的各个零件三维模型转换成igs格式，再将分析所需的零件用转换后的s格式逐一导入ADAMS／View中。为了保障导人零件的物理特性参数的安全性，可以把在CATIA中计算得到的各个零部件的质量、转动惯量、质心坐标等数据分别赋给ADAMS中相应的零件：再利用ADAMS／View中的位置调整工具，对所导人的零件位置进行重新调整，使其与实际装配位置相符合。在模型零件的物理特性参数和位置确定以后，最后定义零件问的连接和相对运动方式。如图4所示。分别是通过格式转换、零件导入、数据修正、位置调整、添加约束、定义运动、模型细化、优化后得到的DCS一50型自动包装秤的称重结构虚拟样机模型。

软件简介
CATIA三维造型设计软件：法国达索飞机公司开发的高档CAD／CAM软件。具有强大的曲面设计功能，在飞机、车辆、船舶等领域享有很高的声誉。
ADAMS机械系统动力学分析软件：美国MSC公司开发的虚拟样机分析软件．能对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析．可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷等。
4优化分析
气阀的作用就是要保证其在有足够气压条件下，使称重阀门在放料前保持关闭。本节用优化分析的方法求出满足实际工况时气阀需用气压的最小值。
称重机械结构所受的外力，除重力外还包括两个作用力，一个是物料对称重阀门的作用力1．另一个是气阀汽缸通过气压对阀杆的作用力2。所受的重力是ADAMS／View自动设置的，所以只需对其它两个力进行添加。
DCS一50型自动包装秤的最大量程是50kg。以小麦为工作对象来求出小麦对称重阀门的压力。
根据称重料斗的几何尺寸和小麦的密度，可以计算出当称重料斗内的小麦重量为50kg时，称重料斗内的小麦的高度约为550ram。近似地按流体静力学计算，小麦对称重阀门的压力应为：P=H×P式中：P一称重阀门所受的压力：H一称重料斗内的小麦的高度；p一小麦的密度，约为735kg／m。得出：P=0．4N／cm。则称重阀门所受小麦的作用力为：F=P×S式中：5一称重阀门的上表面积．约为0．O17m。
通过计算可以得到作用力1为F=68N作用力2有一个变化范围，其在该范围内变化时，能够取得一个满足优化条件的最小值，所以作用力2以设计变量的形式设定．并把对作用力2的测量以便取得最小值作为优化分析的目标函数。根据实际工况把作用力2设定在100N～300N之间，并把200N设定为标准值。
把对称重阀门与支承之问转动副的角度测量设定为设计的约束条件。称重阀门与支承之间转动副的角度为零或负值时，表示称重阀门关闭或在一定的作用力下被锁死。
确定了目标函数、定义了设计变量和设定了约束条件后，就可以对称重机械结构进行优化分析。得出作用力2的变化曲线图．如图5所示，然后输出优化分析结果报告。如图6所示。

优化分析结果报告表明，本次优化设计进行了4次设计实验；作用力2的最大值为200N，转动副的角度为一37．2。，表明称重阀门在一定的作用力下被锁死；作用力2的最小值为166．3N，转动副的角度为一0．41616。，表明设计可行，称重阀门在此条件下能够保持关闭状态，可以把作用力2的最小值166-3N作为保证称重阀门保持关闭状态的临界值。
DCS一50型自动包装秤称重机械结构采用的气阀型号是MAIA0—50型，它的活塞直径为40mm．通过计算得到P=0．13MPa。由于实际工况的复杂性和各种不确定的影响因素，此仿真值不能作为实际工作值。该值应该乘以一个安全可靠性系数，方能保障实际工作的安全性和可靠性。取安全可靠性系数为1．5．则P约为0．2MPa，此值可作为实际工作的最小值。而实际的工作气压为0．3～0．5MPa，虽更能保障实际工作的安全性和可靠性，但造成一定程度上的能源浪费。
5结束语
基于三维造型设计软件CATIA，研究了DCS～50自动包装秤称重机械结构模型的构建方法，并在ADAMS中建立了DCS一50自动包装秤称重机械结构虚拟样机模型，实现了DCS一50自动包装秤称重机械结构虚拟样机模型的动力学仿真，用优化分析的方法得到满足实际工况时气阀需用气压的最小值。将其与实际工作值相比较．基本吻合，说明了虚拟样机模型的准确性。基于虚拟样机的建模和仿真技术可以为DCS一50自动包装秤称重机械结构系统及其他传动系统的强度校核、优化设计等提供较为准确可靠的依据。

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