隨著全球經(jīng)濟的一體化，印刷機械產(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，以虛擬樣機技術(shù)為代表的計算機技術(shù)不斷發(fā)展，是一種新的現(xiàn)代化設(shè)計手段。運用虛擬設(shè)計的方法，可以在產(chǎn)品設(shè)計初期，設(shè)計、分析和評估產(chǎn)品的性能，確定和優(yōu)化物理樣機參數(shù)，從而降低新產(chǎn)品的開發(fā)風險，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能。本文以印刷機械的具體設(shè)計為實例，說明虛擬樣機技術(shù)在印刷機械設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用。
　　在傳統(tǒng)的印刷機械設(shè)計工作過程中，都是由工程師先根據(jù)機器功能改進的需要，進行理論選型，然后計算結(jié)果，畫出機械零件圖、部件圖和裝配圖，再交給車間進行試制。待樣品出來以后，對樣品進行運轉(zhuǎn)測試，把測試到的實際結(jié)果與設(shè)計前的理論構(gòu)想進行比對，尋找差異產(chǎn)生的原因，再重新進行設(shè)計上的修改，直到樣品滿足改進的需要。這種設(shè)計過程，需要的周期長，樣品試制費用高，往往不能滿足市場對新機器換代及時性的要求，帶來了人力物力的巨大浪費。因此，有必要利用現(xiàn)代的設(shè)計手段，即虛擬樣機技術(shù)，來改善印刷機械的設(shè)計方法。
　　什么是虛擬樣機技術(shù)呢？機械工程中的虛擬樣機技術(shù)又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，是國際上20世紀80年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程（CAE）技術(shù)。工程師在計算機上建立樣機模型，對模型進行各種動態(tài)性能分析，然后改進樣機設(shè)計方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機實驗。運用虛擬樣機技術(shù)，可以大大簡化機械產(chǎn)品的設(shè)計開發(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)費用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計產(chǎn)品。因此，該技術(shù)一出現(xiàn)，立即受到了工業(yè)發(fā)達國家、有關(guān)科研機構(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技術(shù)引入各自的產(chǎn)品開發(fā)中，取得了很好的經(jīng)濟效益。根據(jù)國際權(quán)威人士對機械工程領(lǐng)域產(chǎn)品性能實驗和研究開發(fā)手段的統(tǒng)計和預(yù)測，傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)實物實驗研究方法，將在很大程度上會被迅速發(fā)展起來的計算機數(shù)字化仿真技術(shù)取代。虛擬樣機技術(shù)的研究范圍主要是機械系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)分析，其核心是利用計算機輔助分析技術(shù)進行機械系統(tǒng)的運動學(xué)和力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件運動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，探討虛擬樣機這一先進技術(shù)在實際工程和實際工作中的應(yīng)用，來探討虛擬樣機技術(shù)在印刷機械設(shè)計時使用的步驟及方法。
　　眾所周知，模切機是包裝印刷工業(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。自動平壓模切機通常如圖一所示，由送紙部分、模切燙金部分、清廢部分、收紙堆垛部分組成。
　　當前，國外自動模切機的工作速度普遍在7500張/小時～9000張/小時。與此相比較，我國生產(chǎn)的自動平壓模切機的工作速度較低，一般最高只有5500張/小時～7500張/小時。從模切精度上來講，國外自動平壓模切機的模切精度通常可以控制在0.10mm左右，而國產(chǎn)自動平壓模切機的模切精度在0.15mm ～0.20mm范圍內(nèi)，只有少量機型能夠達到0.1mm的模切精度。并且國產(chǎn)自動平壓模切機的工作速度較高時，模切精度將大幅度下降，嚴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，包括國外的一些模切機進行認真研究后發(fā)現(xiàn)，模切機提速后，制約模切精度的一個很重要的因素是紙張定位的時間不足。我們對此來加以分析，國內(nèi)外的模切機的紙張定位和傳送機構(gòu)的原理基本相同。
　　定位和傳送機構(gòu)的工作過程是：大鏈輪帶動鏈條（分成長度相等的段）向模壓方向做周期性的間歇運動。當前一段鏈條攜帶的紙張?zhí)幱谀籂顟B(tài)的時候，后一段鏈條也到達了取紙點（A點）。此時，大鏈輪和鏈條都是靜止的。這時，擺動板上擺呈水平狀態(tài)，紙張沿著擺動板傳送過來，并由固定在擺動板上的規(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，擺動板下擺。當前一段鏈條攜帶的紙張完成了模壓工作，在大鏈輪的帶動下繼續(xù)向前運動的時候，新取得紙張的鏈條將隨之運動并到達模壓位置，循環(huán)復(fù)始。
　　從某一段鏈條到達A點，開始靜止取紙，再到其開始離開A點，所用的時間一般只占一個循環(huán)的2/5。這2/5的時間包含了紙張的定位時間。并且，這2/5的時間不是全部用來紙張定位的。為了不發(fā)生機構(gòu)的干涉，鏈條到達A點以后，擺動板才可以上擺；擺動板又必須在鏈條離開A點繼續(xù)前進之前下擺，再加上規(guī)矩等的穩(wěn)定時間，真正用于紙張定位的時間一般不到這2/5時間的一半。可以看出，紙張定位時間原本就很緊張，而隨著機器速度的不斷提高，紙張定位的絕對時間越來越短。毫無疑問，定位時間的不足，將對模切精度帶來很大的損害。
　　為此，提出了一種改進方法，得到一個新的紙張定位和傳送機構(gòu)，將大大提高紙張的定位時間。如圖三所示。
　　新機構(gòu)舍棄掉原來的擺動板，安裝一個遞紙吸嘴。紙張在B點完成定位后，交接給遞紙吸嘴；遞紙吸嘴做水平運動，交接給取紙鏈條，然后下擺返回。氣流的控制以及
　　新機構(gòu)與原機構(gòu)不同之處是：原來的紙張定位是受制于鏈條傳動系統(tǒng)的，必須等到取紙鏈條到達A點以后擺動板才能上擺到水平狀態(tài)，然后紙張過來，開始定位。而改進后紙張的定位是相對獨立的，它可以在取紙鏈條還沒有到達A點以前就開始紙張的定位，并在取紙鏈條離開A點以前交接給它就可以了。這樣紙張定位的時間就大大延長了。
對遞紙系統(tǒng)的每一個循環(huán)來說，除了遞紙吸嘴的送紙和返回以外，其余的時間都可以用來進行紙張的定位。很明顯，改進以后，紙張定位時間即使是在提速的情況下，也要比原機構(gòu)在低速情況下還要長一些。
　　在明確設(shè)計方案以后，根據(jù)模切機的工藝要求，進行機構(gòu)選型，通過分析比較確定了以凸輪——連桿機構(gòu)為初步的設(shè)計方案。選擇修正梯形加速度規(guī)律為從動件運動規(guī)律，確定機構(gòu)參數(shù)，進行設(shè)計計算，采用SOLIDWORKS軟件實體建模。因為篇幅的關(guān)系，這里就不一一介紹推算的依據(jù)，以及詳細的過程了。根據(jù)機械設(shè)計的基本方法，求出理論模型是比較容易實現(xiàn)的。
　　現(xiàn)在問題的關(guān)鍵是，對于設(shè)計出來的產(chǎn)品，能否滿足要求？不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，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，即利用虛擬樣機技術(shù)，來檢驗所設(shè)計出來的樣品，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)的一種機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件，可用于預(yù)測機械系統(tǒng)的性能，運動范圍，碰撞檢測，峰值載荷以及計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)化的機械系統(tǒng)幾何模型，對虛擬樣機系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(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，可以直接進行幾何建模，ADAMS有豐富的幾何建模工具集。如果運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進行模擬和檢驗了。
　　①添加約束，比如鉸接副，圓柱副等等；
　　②設(shè)定機構(gòu)的物理性質(zhì)，比如材料等；
　　③進行仿真計算分析，設(shè)定輸出方式等。
　　把新設(shè)計的模切機遞紙牙機構(gòu)導(dǎo)入到ADAMS后，根據(jù)ADAMS進行機構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)和彈性動力學(xué)分析，直接獲取所設(shè)計產(chǎn)品的實際性能。這里以機構(gòu)的彈性動力學(xué)分析過程為例，說明具體應(yīng)用的方法。
　　模切機的發(fā)展趨勢是機器速度不斷提高，而機器重量趨于減輕。因此，在機構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)該考慮到隨著機器重量的減輕，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產(chǎn)生變形，從而會使機構(gòu)真實的運動與預(yù)期的運動間產(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)計的新機構(gòu)進行彈性動力學(xué)分析，以檢驗機構(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，也是連接機構(gòu)上下兩部分的重要零件，它的柔性變化對機構(gòu)的精度會有很大的影響，因此考慮把連桿柔性體化（機器轉(zhuǎn)速選定為9000轉(zhuǎn)/小時）。
　　第二步：把柔性體裝入機構(gòu)，代替原來的剛性體零件，其它部分保持不變，重新進行裝配，對機構(gòu)進行運動仿真，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行比較運算，把兩者隨時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），機構(gòu)的誤差也在很小的范圍，最大為0.01mm，遠遠小于機器0.10mm誤差的要求，滿足設(shè)計要求。
　　如上所述，本文對印刷機械中的模切機進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性設(shè)計，在設(shè)計出理論數(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分析軟件ADAMS，來進行機構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)和彈性動力學(xué)分析，結(jié)果表明所設(shè)計的機構(gòu)滿足設(shè)計要求。這樣，大大簡化了設(shè)計流程，縮短了設(shè)計周期，對印刷機械的設(shè)計工作帶來了極大的便捷。因此，在印刷機械設(shè)計工作中，熟練掌握虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用是新技術(shù)對廣大工程師的迫切要求。