陸武慧，趙 哲

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院通用航空學(xué)院，陜西西安 710089；2.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021）

貼標(biāo)機(jī)是將標(biāo)簽或商標(biāo)貼在產(chǎn)品上的一種常見的設(shè)備，是現(xiàn)代包裝不可缺少的組成部分。產(chǎn)品走向市場前，必須經(jīng)過包裝、貼標(biāo)和打碼等環(huán)節(jié)才能裝箱入庫。主要適用于在線路板、汽車精密部件、紙盒、雜志、手機(jī)電池、醫(yī)藥、日化等小尺寸平面物料上進(jìn)行高精度準(zhǔn)確貼標(biāo)的理想設(shè)備，使產(chǎn)品標(biāo)識更美觀。魏會芳等利用機(jī)器人機(jī)構(gòu)完成對熱卷鋼材頂面和側(cè)面的標(biāo)記[1]。張付祥等提出了3T2R 混聯(lián)機(jī)構(gòu)，對其進(jìn)行了運動學(xué)分析及工作空間研究[2]。

貼標(biāo)機(jī)是包裝或者運輸生產(chǎn)線上重要的一個環(huán)節(jié)設(shè)備，且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。貼標(biāo)機(jī)構(gòu)是保證貼標(biāo)效果及效率的關(guān)鍵部分，根據(jù)貼標(biāo)的具體工作要求，貼標(biāo)機(jī)構(gòu)應(yīng)該具有足夠的速度以及一定的工作能力[3-4]。文中提出的貼標(biāo)機(jī)構(gòu)的基本機(jī)構(gòu)是五桿機(jī)構(gòu)，具有傳遞路徑短、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、容易制造生產(chǎn)等優(yōu)點。隨著自動化生產(chǎn)技術(shù)的日益發(fā)展，貼標(biāo)機(jī)在自動化生產(chǎn)線上具有非常廣泛的應(yīng)用，貼標(biāo)機(jī)技術(shù)從手工貼標(biāo)、半自動貼標(biāo)到自動貼標(biāo)，發(fā)生了巨大的變化。文中對貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計與建模仿真進(jìn)行了分析，為實際物理樣機(jī)的生產(chǎn)提供了依據(jù)，對其進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計和提高生產(chǎn)效率提供了參數(shù)支持[5-8]。

1 貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)分析

如圖1 所示的貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)包括曲柄、連桿、后搖桿、貼標(biāo)桿、前搖桿、標(biāo)簽和標(biāo)簽盒。當(dāng)曲柄1 轉(zhuǎn)動時，帶動連桿2、后搖桿3、貼標(biāo)桿4 和前搖桿5 轉(zhuǎn)動，后搖桿3 和前搖桿5 固結(jié)在地面上，通過連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動貼標(biāo)桿4 在標(biāo)簽盒7 前方的標(biāo)簽6 處吸取標(biāo)簽，之后，通過貼標(biāo)桿4 的運動粘貼到自動化生產(chǎn)線批量生產(chǎn)的產(chǎn)品上，然后往復(fù)運動，實現(xiàn)貼標(biāo)動作。自動貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)本質(zhì)上可簡化為連桿機(jī)構(gòu)，貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)運動簡圖如圖1 所示。

圖1 貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖

且桿3 和桿5 滿足θ5=θ3-π。

將閉環(huán)矢量方程寫成三角函數(shù)形式，并消去θ5，得到位置方程：

方程組中θ1為初始條件給定值，θ2、θ3、θ4、θ6為未知量。該方程組為非線性超越方程組，可以先利用作圖法給出各角度的估計值，再利用牛頓-辛普森方法迭代求得各桿角度的數(shù)值解。

位置方程對時間求導(dǎo)，得到速度方程：

速度方程對時間求導(dǎo)，得到加速度方程：

由圖中矢量關(guān)系可知，貼標(biāo)點H的位置方程如下：

對貼標(biāo)點H的位置方程求導(dǎo)，得到貼標(biāo)點H的速度方程如下：

對貼標(biāo)點H的速度方程求導(dǎo)，得到貼標(biāo)點H的加速度方程如下：

由此可以求得貼標(biāo)點H的位置、速度、加速度特性。

2 仿真模型建立

2.1 貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)建模

當(dāng)前，虛擬樣機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、設(shè)計研發(fā)等多個領(lǐng)域，它充分借助計算機(jī)軟件，建立產(chǎn)品和設(shè)備的三維實體模型，在三維模型的基礎(chǔ)上，完成運動學(xué)和動力學(xué)模型的仿真模擬，為產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)和制造提供基礎(chǔ)和依據(jù)。通過在計算機(jī)軟件上建立虛擬樣機(jī)，對其動力學(xué)模型進(jìn)行仿真計算、分析和優(yōu)化，用仿真的方式創(chuàng)新了傳統(tǒng)實際樣機(jī)的試驗環(huán)節(jié)[9-10]。

ADAMS 是一種可實現(xiàn)三維建模及運動仿真的虛擬樣機(jī)軟件，用戶可以對所研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真，可以確定部件在對應(yīng)時間下的位移、速度和加速度等參數(shù)。同時，通過動力學(xué)模型，可以仿真計算出各構(gòu)件的力、力矩等涉及到的參數(shù)[11-12]。

產(chǎn)品三維建模是進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真模擬的前提，三維模型的建立也為導(dǎo)入到動力學(xué)仿真軟件提供了依據(jù)。根據(jù)貼標(biāo)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，其簡化模型包括曲柄、連桿、前后搖桿、貼標(biāo)桿、標(biāo)簽盒等尺寸信息。在SOLIDWORKS 軟件中對貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，建立自動化傳送帶，并在傳送帶上均勻布置建模需要貼標(biāo)的批量產(chǎn)品，完成貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)建模。

2.2 貼標(biāo)機(jī)動力學(xué)仿真模型建立

動力學(xué)仿真軟件ADAMS，不僅可以作為機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析的工具，而且它具備多種接口，可以作為虛擬樣機(jī)的開發(fā)工具，適合多種開放性程序類型，為產(chǎn)品和設(shè)備樣機(jī)的二次開發(fā)提供平臺和基礎(chǔ)[12-13]。

利用SOLIDWORKS 軟件強(qiáng)大的三維建模功能，在該軟件中建立好實體模型，導(dǎo)出ADAMS 軟件能夠讀取的parasolid 格式，在動力學(xué)軟件ADAMS 中導(dǎo)入該格式的貼標(biāo)機(jī)三維模型，檢查當(dāng)前軟件中模型相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，修改零件名稱、材料和顏色等。然后，對其添加運動副和驅(qū)動，從而建立貼標(biāo)機(jī)的動力學(xué)模型，為其進(jìn)行運動分析和軌跡判斷打好基礎(chǔ)。在貼標(biāo)機(jī)三維模型建立的基礎(chǔ)上，添加各項運動副信息。

添加約束如下：1）7 個旋轉(zhuǎn)副：在電機(jī)與貼標(biāo)機(jī)曲柄之間建立旋轉(zhuǎn)副約束，使貼標(biāo)機(jī)曲柄能夠隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動而旋轉(zhuǎn)；貼標(biāo)機(jī)曲柄和連桿之間建立旋轉(zhuǎn)副約束，形成鉸鏈；貼標(biāo)機(jī)連桿和貼標(biāo)桿之間建立旋轉(zhuǎn)副，形成鉸鏈約束；后搖桿與貼標(biāo)桿之間建立旋轉(zhuǎn)副，形成鉸鏈約束；前搖桿與貼標(biāo)桿之間建立旋轉(zhuǎn)副，形成鉸鏈。前搖桿和后搖桿各自的轉(zhuǎn)動形成兩個旋轉(zhuǎn)副；2）給傳送帶上設(shè)置移動副，當(dāng)添加移動速度后，被貼標(biāo)的物品將隨著傳送帶移動到貼標(biāo)的位置；3）傳送帶上物品與傳送帶之間建立固定副約束[14-16]。

設(shè)置初始條件，定義曲柄驅(qū)動和傳送帶移動速度等參數(shù)，從而建立起貼標(biāo)機(jī)的動力學(xué)模型，如圖2所示[17-18]。

圖2 貼標(biāo)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型

3 模型仿真分析

3.1 驗證機(jī)構(gòu)合理性

根據(jù)貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)實際運動過程，設(shè)置仿真時間為3 s，步數(shù)為1 000 步，對貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)仿真計算，在貼標(biāo)桿末端設(shè)置一個測量標(biāo)記點，在ADAMS 仿真模型中，該點命名為trace_point，位于貼標(biāo)桿末端位置，通過運動仿真模擬，從而得到貼標(biāo)機(jī)中貼標(biāo)桿末端的位移曲線。

以貼標(biāo)機(jī)中貼標(biāo)桿的末端為研究點，貼標(biāo)機(jī)的位移曲線光滑、平穩(wěn)，具有周期性，如圖3 所示。貼標(biāo)桿在標(biāo)簽盒粘貼過程中存在位移的小幅變動，運行過程平穩(wěn)、無死點，驗證了貼標(biāo)機(jī)采用該連桿機(jī)構(gòu)的合理性。

3.2 曲柄長度對貼標(biāo)特性的影響

圖3 貼標(biāo)桿末端位移圖

貼標(biāo)機(jī)構(gòu)是自動貼標(biāo)機(jī)中的重要組成部分，其中貼標(biāo)高度將影響到貼標(biāo)的效果和準(zhǔn)確性，為了探索曲柄長度對貼標(biāo)高度的影響，選擇曲柄長度為10.2 cm、10.275 cm、10.35 cm、10.425 cm、10.5 cm 的5 種情況，對曲柄長度進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，如圖4 所示，對其進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，得到在5 種不同曲柄長度情況下的貼標(biāo)桿末端高度結(jié)果和運動仿真模擬，如圖5、圖6 所示。

圖4 曲柄長度參數(shù)化取值

圖5 不同曲柄長度貼標(biāo)高度結(jié)果

圖6 變曲柄長度的貼標(biāo)桿末端運動仿真

通過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)曲柄長度不同時，貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)高度也隨之不同。當(dāng)曲柄長度為10.425 cm 時，貼標(biāo)桿末端與貼標(biāo)物體表面剛好重合，且誤差最小，較好地完成了貼標(biāo)動作；當(dāng)曲柄長度為10.2 cm、10.275 cm、10.35 cm 這3 種情況時，貼標(biāo)桿的末端與被貼標(biāo)物體表面間存在距離，會出現(xiàn)不能成功貼標(biāo)的情況；當(dāng)曲柄長度為10.5 cm 時，會出現(xiàn)貼標(biāo)桿末端與被貼標(biāo)物體擠壓的情況，可能會導(dǎo)致標(biāo)簽出現(xiàn)損傷的情況。

因此，對貼標(biāo)機(jī)構(gòu)的曲柄長度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，讓貼標(biāo)桿末端與被貼標(biāo)物體成功貼合，完成貼標(biāo)動作，符合工程實際情況，說明仿真的正確性。

4 結(jié)論

通過借助SOLIDWORKS 軟件的建模功能，建立貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)三維模型，導(dǎo)出成parasolid 格式，將導(dǎo)出格式的模型導(dǎo)入到動力學(xué)軟件ADAMS 中建立貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真模型，并得出了自動貼標(biāo)機(jī)中貼標(biāo)桿末端的位移曲線，符合工程實際情況，驗證了貼標(biāo)機(jī)構(gòu)的合理性，并得出了不同曲柄長度下，貼標(biāo)桿末端高度結(jié)果和運動仿真模擬曲線。仿真結(jié)果表明：該五桿機(jī)構(gòu)在貼標(biāo)過程中，無運動干涉現(xiàn)象，模型準(zhǔn)確，可應(yīng)用于實際中，并探索了曲柄長度對貼標(biāo)性能的影響，有助于提高產(chǎn)品設(shè)計的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計、有限元分析以及實際的物理樣機(jī)生產(chǎn)提供了依據(jù)。