模塊化包裝機(jī)械的設(shè)計仿真與優(yōu)化思考

石鴻鵬

摘 要 文章對包裝機(jī)械模塊化設(shè)計的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了分析，并闡述了模塊化包裝機(jī)械建模仿真的可行思路;從運(yùn)動性能與靜態(tài)性能兩個角度出發(fā)，提出了行之有效的優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞 模塊化設(shè)計;包裝機(jī);建模仿真

1模塊化包裝機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計

簡單來講，所謂“模塊化設(shè)計”，就是利用多種功能模塊搭建出子流程、子程序、主程序的軟件框架，并對不同模塊之間的邏輯關(guān)系、結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行定義與調(diào)試，最終形成非線性、系統(tǒng)化的程序設(shè)計體系。這一技術(shù)方法在很大程度上打破了傳統(tǒng)中逐條錄入指令、逐層反饋動作的程序編制模式，可在不影響程序體系整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)單一子功能、子模塊的增刪或調(diào)整，從而達(dá)到降低程序復(fù)雜性、提高維護(hù)便捷性、強(qiáng)化設(shè)計發(fā)展性的積極目的。在包裝機(jī)械的生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計中，主要應(yīng)采取柔性的模塊化設(shè)計方式，即對各類功能模塊的主要特征進(jìn)行參數(shù)化處理，從而獲得可體現(xiàn)包裝機(jī)械典型結(jié)構(gòu)的模型產(chǎn)物，以此實(shí)現(xiàn)柔性模塊的生成[1]。

從原理上看，柔性的模塊化設(shè)計具有明顯層次性，其以模塊化產(chǎn)品族為頂層結(jié)構(gòu)，依照GMi柔性模塊、GMii柔性子模塊、VMi虛擬模塊與USi元結(jié)構(gòu)的順序，逐層向下分化，以實(shí)現(xiàn)各類子功能、子任務(wù)的精細(xì)分離。同時，每個層次當(dāng)中的模塊都可獨(dú)立成集，即總體系中包含有產(chǎn)品集、柔性模塊集、柔性子模塊集、虛擬模塊集和元結(jié)構(gòu)集。其中，元結(jié)構(gòu)以外的各個集合均可表現(xiàn)為參數(shù)化模型，且能在設(shè)計完成后轉(zhuǎn)化為定制產(chǎn)物。

例如，在某開箱機(jī)器的模塊化設(shè)計中，可將開箱機(jī)整體視為產(chǎn)品層。在此體系下，先設(shè)計出“紙箱進(jìn)給”、“紙箱成型”、“內(nèi)外折頁”以及“成型輸送”四個柔性模塊。其后，再結(jié)合各模塊的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、功能需求，分別進(jìn)行柔性子模塊的設(shè)計，如“紙箱進(jìn)給”模塊下設(shè)“導(dǎo)軌”、“傳動”、“擋板”等控制模塊、“紙箱成型”模塊下設(shè)“真空吸盤”、“傳動”、“斜齒”等控制模塊等。最后，為了實(shí)現(xiàn)子模塊機(jī)構(gòu)的能源供應(yīng)與動作調(diào)整，還需進(jìn)行電路、程序等方面的針對設(shè)計。這樣一來，便可在各模塊的功能支持下，搭建起紙箱板片由進(jìn)料、加工、折疊、封底到最終成型的生產(chǎn)框架。基于此框架對各模塊的傳統(tǒng)方式、擋板方向、動作模式進(jìn)行適宜性調(diào)整，即可滿足產(chǎn)品包裝與用戶定制的生產(chǎn)需求，達(dá)到可調(diào)可控的靈活化包裝處理效果。

2模塊化包裝機(jī)械的建模仿真

模塊化包裝機(jī)械的數(shù)字模型構(gòu)建，需要經(jīng)歷“模塊劃分→功能分析/結(jié)構(gòu)分析→圖紙分析→參數(shù)提取→模塊創(chuàng)建→接口標(biāo)準(zhǔn)化處理→生成模型結(jié)構(gòu)→檢驗結(jié)構(gòu)合理性→建立模塊庫”的流程環(huán)節(jié)。其中，在包裝機(jī)械模塊的分析階段，相關(guān)人員必須要將企業(yè)真實(shí)的圖紙資料、生產(chǎn)條件、生產(chǎn)需求作為參考，并在綜合分析后確定是沿用既有圖紙還是重新制圖;在模塊、模型的創(chuàng)建階段，當(dāng)前主要以CAD建模軟件作為平臺工具，可達(dá)到良好的參數(shù)運(yùn)算與模型生成效果;在模型結(jié)構(gòu)合理性的檢驗階段，相關(guān)人員應(yīng)從靜態(tài)、動態(tài)兩個角度入手進(jìn)行仿真檢驗。若檢驗結(jié)果不合格，則應(yīng)退回“參數(shù)提取”環(huán)節(jié)進(jìn)行流程優(yōu)化與模型重建。

在模型建立后的仿真檢驗階段，相關(guān)人員要明確包裝機(jī)械的系統(tǒng)化運(yùn)行特點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)施出由原材料供給到包裝產(chǎn)出的全過程動態(tài)模擬。在此過程中，一方面要基于這一公式，對包裝機(jī)械的運(yùn)行效率進(jìn)行仿真分析。其中，Q為生產(chǎn)率，單位為件/h;Tk為基本包裝時間，單位為h;Tf為輔助時間，單位為h;ΣTn為循環(huán)外損失時間，單位為h。以此為依據(jù)，在動態(tài)模擬中以降低Tk為目的進(jìn)行設(shè)計改良，即可達(dá)到提升包裝生產(chǎn)線運(yùn)行效率的優(yōu)化效果;另一方面，要基于“調(diào)整時間增量→預(yù)估積分值→求解運(yùn)動方程→求解雅可比矩陣→求解Newton-Raphson線性方程→更新變量→評估積分誤差→確定誤差值→重新選擇步長及階數(shù)→調(diào)整時間增量”的循環(huán)流程，利用Newton-Raphson算法進(jìn)行模型參數(shù)的邏輯運(yùn)算，直至獲得最佳的參數(shù)結(jié)果，并終止仿真活動。此外，還需將包裝機(jī)械各模塊機(jī)構(gòu)的材質(zhì)參數(shù)輸入到模型當(dāng)中，隨動態(tài)仿真過程進(jìn)行對比分析，以此選定最終的包裝機(jī)械生產(chǎn)材質(zhì)。例如，現(xiàn)階段常見的包裝機(jī)斜齒輪材質(zhì)有黃銅、鋼材兩種，其密度、彈性模量與泊松比參數(shù)分別為8545kg/m3、1.06E+11N/m2、0.324和7800kg/m3、2.07E+11N/m2和0.3。將兩組參數(shù)輸入到CAD軟件當(dāng)中，即可直觀了解兩種金屬材質(zhì)在包裝機(jī)運(yùn)行中的應(yīng)用效果。

除動態(tài)仿真以外，相關(guān)人員還需對包裝機(jī)械的數(shù)字模型進(jìn)行靜態(tài)模擬，了解其系統(tǒng)中各類模塊機(jī)構(gòu)的受力特點(diǎn)，以確保包裝機(jī)設(shè)計產(chǎn)出后各模塊實(shí)體可充分承載自重、氣缸沖擊力、電機(jī)簡諧力的作用影響。

3模塊化包裝機(jī)械的優(yōu)化路徑

在模塊化設(shè)計的背景下，相關(guān)人員需要結(jié)合數(shù)字模型及其仿真模擬，進(jìn)行包裝機(jī)械動態(tài)、靜態(tài)缺陷問題的優(yōu)化改良。

在動態(tài)方面，主要應(yīng)對各模塊機(jī)構(gòu)的材質(zhì)、尺寸、元件數(shù)量、結(jié)構(gòu)布局等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以此消除模塊本身的運(yùn)行沖突，提高上層模塊、生產(chǎn)線體系的運(yùn)行效率。例如，在包裝機(jī)的建模仿真中發(fā)現(xiàn)，傳動模塊是影響包裝機(jī)鏈?zhǔn)缴a(chǎn)效率的主要因素，且問題集中在齒輪、螺距兩個子模塊上。此時，相關(guān)人員就需要對齒輪的尺寸、齒距、齒數(shù)進(jìn)行設(shè)計調(diào)整，并確保上升件螺距與齒輪參數(shù)之間的動態(tài)匹配，從而提高包裝機(jī)的紙箱加工效率。

在靜態(tài)方面，主要應(yīng)通過力學(xué)試驗對機(jī)械模型的受力閾值、形變情況進(jìn)行分析，并與電機(jī)、氣缸等應(yīng)力作用的實(shí)際水平進(jìn)行比對。其后，再根據(jù)比對結(jié)果，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)整。例如，在包裝機(jī)的建模仿真中發(fā)現(xiàn)，包裝機(jī)的架體自重較大，在長期應(yīng)用下存在形變隱患，不利于包裝箱的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)出。此時，便可在架體上端增設(shè)金屬橫梁，以此在增大架體強(qiáng)度與剛性的同時，提高應(yīng)力分布的均勻水平。

4結(jié)束語

總而言之，將模塊化技術(shù)運(yùn)用到包裝機(jī)械的系統(tǒng)設(shè)計中，可有效提高包裝機(jī)械的運(yùn)行質(zhì)量，為包裝生產(chǎn)線的效率提升做出支持。在設(shè)計實(shí)踐中，相關(guān)人員應(yīng)堅持趨優(yōu)性的設(shè)計原則，在確立設(shè)計目標(biāo)后對包裝機(jī)械數(shù)字模型的各類模塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行針對性優(yōu)化，以便獲得細(xì)節(jié)優(yōu)質(zhì)、整體高效的設(shè)計成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 周亮.包裝機(jī)械設(shè)計中模塊化設(shè)計應(yīng)用策略[J].南方農(nóng)機(jī)，2018， 49（18）：58.