基于虛擬樣機(jī)的步進(jìn)裝置分析改進(jìn)與動力學(xué)建模

王佳睿，張德強(qiáng)，李 煜

基于虛擬樣機(jī)的步進(jìn)裝置分析改進(jìn)與動力學(xué)建模

王佳睿，張德強(qiáng)，李 煜

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

針對DPH-260泡罩包裝機(jī)夾持步進(jìn)裝置的PVC拉扯變形問題，基于Solidworks建模并利用ANSYS和ADAMS軟件分別建立了改進(jìn)前后夾持步進(jìn)裝置的虛擬樣機(jī)及進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，得出PVC拉扯變形現(xiàn)象的原因并將改進(jìn)前后仿真結(jié)果對比。針對改進(jìn)后同步帶傳動機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)動力學(xué)建模的局限性，將同步帶離散為由Kelvin-Voigt單元柔性連接的質(zhì)量塊。最終對比了改進(jìn)前后步進(jìn)裝置的運(yùn)動曲線，通過理論分析建立了同步帶傳動機(jī)構(gòu)動力學(xué)方程，為包裝機(jī)步進(jìn)裝置的應(yīng)用提供了理論參考。

泡罩包裝機(jī)；虛擬樣機(jī)；動力學(xué)仿真；離散模型

DPH-260輥筒式泡罩包裝機(jī)廣泛應(yīng)用于藥品包裝生產(chǎn)過程之中，但包裝機(jī)步進(jìn)裝置仍存在運(yùn)動不穩(wěn)定這一缺陷[1]，這會導(dǎo)致加熱后的PVC產(chǎn)生拉扯變形現(xiàn)象。針對此問題，利用Solidworks、ANSYS和ADAMS分別對改進(jìn)前后步進(jìn)裝置的虛擬樣機(jī)建模并進(jìn)行動力學(xué)仿真。

首先，根據(jù)改進(jìn)前步進(jìn)裝置的傳動原理和ANSYS動力學(xué)的仿真結(jié)果，分析出PVC拉扯變形的主要原因：彈簧剛度不足導(dǎo)致曲柄復(fù)位時產(chǎn)生較大偏差，這一偏差使得曲柄轉(zhuǎn)角過大，從而引起步進(jìn)裝置運(yùn)動的不穩(wěn)定。故針對此問題將步進(jìn)裝置中的曲柄滑塊式步進(jìn)機(jī)構(gòu)改為同步帶直線傳動機(jī)構(gòu)。其次，針對同步帶是柔性體這一特點(diǎn)，利用ADAMS建立了同步帶傳動機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)并進(jìn)行動力學(xué)仿真并對比改進(jìn)前后的運(yùn)動曲線。最后，針對同步帶傳動機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)動力學(xué)建模的局限性，將同步帶離散為Kelvin-Voigt單元模型進(jìn)行理論分析，為包裝機(jī)步進(jìn)裝置同步帶傳動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型和仿真奠定了理論基礎(chǔ)。

1 PVC經(jīng)夾持步進(jìn)后產(chǎn)生變形的原因分析

1.1 夾持步進(jìn)裝置的工作原理

夾持步進(jìn)裝置由夾持裝置與步進(jìn)裝置構(gòu)成，依靠氣缸夾持PVC協(xié)助步進(jìn)。通過曲柄帶動擺桿實(shí)現(xiàn)左、右PVC夾持滑座的同步運(yùn)動，右夾持負(fù)責(zé)將PVC片送至加熱成型裝置中進(jìn)行加熱成型工作，左夾持則負(fù)責(zé)將成型好的PVC片拉出。

氣缸的夾緊方式采用下夾持，即氣缸夾持PVC片兩側(cè)，圖1所示為夾持步進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 PVC經(jīng)夾持步進(jìn)產(chǎn)生的變形現(xiàn)象及原因分析

1.2.1 變形現(xiàn)象

DPH-260泡罩包裝機(jī)在正常工作時，影響包裝質(zhì)量的故障多出現(xiàn)在PVC夾持步進(jìn)部分。左右夾持步進(jìn)機(jī)構(gòu)通過拉軸一起同步運(yùn)動，PVC片經(jīng)加熱后，延展性增強(qiáng)，在夾持步進(jìn)裝置拉扯后，更易發(fā)生形變，導(dǎo)致每板的距離變長，直接影響泡罩包裝機(jī)的產(chǎn)量完成指標(biāo)和備件消耗指標(biāo)，同時增加了PVC卷的消耗，降低了設(shè)備有效作業(yè)率。

1.擺桿；2.曲柄；3.PVC卡板；4.氣缸座板；5.滑動軸；6.PVC滑板；7.拉軸；8.PVC夾持滑座

1.2.2 產(chǎn)生變形現(xiàn)象原因分析

根據(jù)步進(jìn)裝置的傳動原理：步進(jìn)裝置的傳動主要依靠曲柄[2]，曲柄由凸輪帶動，凸輪轉(zhuǎn)動推動滾輪，使拉桿擺動，拉動鏈條使鏈輪轉(zhuǎn)過一個角度，從而使曲柄轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)一個步進(jìn)距離，而曲柄的復(fù)位靠彈簧的拉力拉動鏈條，使鏈輪反方向轉(zhuǎn)過一個角度，從而使夾持卡板回到原來位置。根據(jù)夾持步進(jìn)裝置的傳動原理并結(jié)合曲柄滑塊式步進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，考慮PVC拉扯變形現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是彈簧剛度不足導(dǎo)致曲柄復(fù)位產(chǎn)生較大偏差，從而導(dǎo)致曲柄轉(zhuǎn)角過大，引起步進(jìn)裝置運(yùn)動的不穩(wěn)定，圖2所示為步進(jìn)裝置傳動示意圖。

1.彈簧；2.凸輪；3.滾輪；4.拉桿；5.鏈條；6.鏈輪

1.2.3 基于Ansys Workbench的動力學(xué)仿真分析

基于Solidworks建模并與Ansys Workbench進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用Rigid Dynamics模塊仿真模擬彈簧剛度不足時步進(jìn)裝置的運(yùn)動情況，圖3所示為Ansys Workbench動力學(xué)仿真模型。

按實(shí)際工作情況進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)定，仿真時間0.61 s，仿真步長0.02 s，曲柄施加轉(zhuǎn)矩=2.446 N·m。由于PVC隨夾持卡板同步運(yùn)動，故將仿真對象設(shè)置為夾持卡板，表1所示為夾持卡板部分時況速度、加速度數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)較多，故在此僅列出部分時刻的速度、加速度值。將所有數(shù)據(jù)采集后，通過Excel繪圖功能表示出PVC夾持卡板速度、加速度曲線圖，圖4所示為夾持步進(jìn)裝置速度、加速度曲線圖。

圖3 Ansys Workbench動力學(xué)仿真模型

表1 部分時況速度、加速度值

時間/s速度/(m·s-1)加速度/(m·s-2)時間/s速度/(m·s-1)加速度/(m·s-2) 0000.390.350.60 0.05-0.081-0.470.440.380.61 0.150.172.590.540.390.62 0.20.250.820.590.400.65 0.260.280.680.610.410.66

圖4 夾持步進(jìn)裝置速度、加速度曲線圖

由圖4可見：在0～0.1 s這一時間段內(nèi)，速度曲線出現(xiàn)速度為負(fù)的返程現(xiàn)象，結(jié)合曲柄滑塊式步進(jìn)裝置的傳動原理和ANSYS動力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行分析得出：返程現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于彈簧剛度不足使曲柄不能與擺桿共線，從而導(dǎo)致在下一次步進(jìn)運(yùn)動時曲柄轉(zhuǎn)角過大引起滑座返程現(xiàn)象的發(fā)生；在0.1～0.2 s時間段內(nèi)，加速速度出現(xiàn)波峰。

由于PVC經(jīng)加熱后熱塑性增加，故曲柄滑塊式步進(jìn)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的運(yùn)動不平穩(wěn)性會加劇PVC拉扯變形現(xiàn)象的發(fā)生。

2 改進(jìn)方案

2.1 改進(jìn)方案的選定

2.1.1 曲柄滑塊式步進(jìn)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)方案

由于PVC夾持步進(jìn)裝置需要往復(fù)運(yùn)動，故考慮將步進(jìn)機(jī)構(gòu)改為滾珠絲杠傳動或同步帶傳動，由于同步帶傳動精度高、價格低廉，故選用同步帶傳動。以伺服電機(jī)為動力源與帶動同步帶配合的滑座，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)裝置的簡化[3]，圖5所示為改進(jìn)后夾持步進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

1.夾持卡板；2.氣缸板座；3.齒形帶；4.齒形帶輪；5.齒形安裝板；6.氣缸

3 同步帶傳動機(jī)構(gòu)的離散化建模與ADAMS虛擬樣機(jī)的動力學(xué)仿真

因?yàn)橥綆г谙到y(tǒng)傳動過程中會發(fā)生多種變形，既有大的平動和轉(zhuǎn)動，又有彈性變形的特點(diǎn)，而同步帶的傳統(tǒng)建模法僅是將同步帶等效為軸與彈簧的連接[4-5]，忽略了各帶元之間的相互影響，因此，針對傳統(tǒng)動力學(xué)建模法的局限性，將同步帶離散為Kelvin-Voigt單元模型進(jìn)行動力學(xué)建模，并基于ADAMS虛擬樣機(jī)進(jìn)行動力學(xué)仿真，以驗(yàn)證步進(jìn)裝置的改進(jìn)效果。

3.1 同步帶傳動機(jī)構(gòu)離散化動力學(xué)建模

由同步帶是柔性體這一特點(diǎn)，故采用剛性有限元法對同步帶進(jìn)行建模，將同步帶離散為個由Kelvin-Voigt模型連接的質(zhì)量塊，從而實(shí)現(xiàn)了柔性同步帶的離散化建模。

圖6所示為同步帶離散化模型[6]。同步帶傳動機(jī)構(gòu)處于步進(jìn)狀態(tài)時，由于負(fù)載滑座通過齒形安裝板與同步帶配合，故同步帶在實(shí)際傳動過程中外力和載荷的方向?yàn)榍邢?。由圖6可見：m、K、X、F、F′分別為各離散單元的質(zhì)量、剛度系數(shù)、質(zhì)心位置、驅(qū)動力、阻力。

圖6 同步帶離散化模型

3.1.1 同步帶離散化動力學(xué)方程

將同步帶離散化，列出各質(zhì)量單元的力平衡方程組，如式(1)所示；整理式(1)可得式(2)。

將式(2)用式(3)所示矩陣形式表示。

Kelvin-Voigt模型的參數(shù)測定法可求得阻尼系數(shù)和彈簧剛度矩陣各參數(shù)[7]，由公式(3)可求得在同步帶離散化后，各單元在步進(jìn)裝置同步帶傳動機(jī)構(gòu)任意時刻的位移、速度及加速度。

3.2 基于ADAMS同步帶傳動機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)的動力學(xué)仿真

由于同步帶傳動仿真屬于剛?cè)狁詈戏抡妫释綆鲃訖C(jī)構(gòu)模型不便用Solidworks直接導(dǎo)入，在此利用ADAMS自帶的同步帶模型包Machinery-Belt進(jìn)行建模，為提高計算機(jī)求解速度，將同步帶步傳動機(jī)構(gòu)簡化，將滑座與同步帶齒形安裝板配合以等效原來的滑座-導(dǎo)向軸-齒形安裝板-同步帶傳動，滑座與導(dǎo)向軸之間的摩擦力直接施加在滑座上。

表2所示為同步帶接觸碰撞及摩擦參數(shù)：其中、、f、f分別為彈性剛度、接觸阻尼系數(shù)、動、靜摩擦系數(shù)，圖7所示為簡化后同步帶傳動機(jī)構(gòu)的ADAMS虛擬樣機(jī)。

3.3 基于ADAMS的動力學(xué)仿真分析

表2 同步帶接觸碰撞及摩擦參數(shù)

模型k/（N·mm-1）c/（N·s·mm-1）fdfs 帶-帶輪1×1040.10.50.67

圖7 簡化后同步帶傳動機(jī)構(gòu)的ADAMS虛擬樣機(jī)

圖8 同步帶傳動機(jī)構(gòu)速度、加速度曲線圖

由圖8可見，在同步帶傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)行初始階段，速度、加速度曲線有較大波動，這是由于帶的張緊力在主動輪啟動時瞬間達(dá)到極值[8]，隨著從動輪的轉(zhuǎn)動，帶的張緊力減小并趨于穩(wěn)定，負(fù)載滑塊的運(yùn)動也趨于平穩(wěn)，由于帶輪與同步帶之間相互嚙合的輪齒面積隨時間不斷變換，故速度、加速度曲線在一定值的上下范圍波動。

3.4 步進(jìn)裝置改進(jìn)前后運(yùn)動分析對比

通過對比圖4與圖8中的速度、加速度曲線可知，改進(jìn)后的步進(jìn)裝置在0～0.1 s這一時間段內(nèi)，速度曲線不會出現(xiàn)速度為負(fù)的返程現(xiàn)象發(fā)生，盡管在0～0.1 s內(nèi)速度、加速度值有較大波動，但0.1 s過后運(yùn)動曲線趨于平穩(wěn)，經(jīng)分析這是同步帶傳動的正?，F(xiàn)象，且與實(shí)際情況相吻合。

4 實(shí)際生產(chǎn)效果驗(yàn)證

通過對DPH-260輥筒式泡罩包裝機(jī)夾持步進(jìn)裝置的改進(jìn)并不斷調(diào)試，最終改進(jìn)后的同步帶夾持步進(jìn)裝置運(yùn)行平穩(wěn)，PVC片不會出現(xiàn)因加熱后，因熱塑性增強(qiáng)導(dǎo)致的拉扯變形問題，廢品率相對以前明顯降低，包裝效率可達(dá)到280～360板/分，圖9所示為改進(jìn)前后夾持步進(jìn)裝置實(shí)物圖。

圖9 改進(jìn)前后夾持步進(jìn)裝置實(shí)物圖

5 結(jié)論

基于ANSYS和ADAMS虛擬樣機(jī)分別對改進(jìn)前后的夾持步進(jìn)裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，仿真結(jié)果顯示，改進(jìn)后的夾持步進(jìn)裝置速度、加速度曲線趨于平穩(wěn)，0～0.1s內(nèi)速度為負(fù)的回程現(xiàn)象消失。

針對改進(jìn)后同步帶傳動機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)動力學(xué)建模的局限性，將同步帶離散為由Kelvin-Voigt單元柔性連接的質(zhì)量塊，通過理論分析建立了同步帶傳動機(jī)構(gòu)動力學(xué)方程，為包裝機(jī)步進(jìn)裝置同步帶傳動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型和仿真奠定理論基礎(chǔ)。

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Analysis Improvement and Dynamic Modeling of Stepping Device Based on Virtual Prototype

WANG Jia-rui, ZHANG De-qiang, LI Yu

（College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

In view of the PVC pulling deformation problem of the clamping stepping device of DPH-260 blister packaging machine, based on Solidworks modeling, ANSYS and ADAMS software used, the virtual prototype of the improved front and rear clamping stepping device was established and the dynamic simulation was carried out. The reasons for the PVC pulling deformation phenomenon were obtained and the simulation results before and after the improvement were compared. Considering the limitation of traditional dynamic modeling of the improved synchronous belt transmission mechanism, the synchronous belt is discretized into mass blocks flexibly connected by Kelvin-Voigt element. Finally, the movement curves of the stepping device before and after the improvement were compared, and the dynamic equation of the synchronous belt transmission mechanism was established through theoretical analysis, which provided a theoretical reference for the application of the stepping device of the packaging machine.

blister packaging machine; virtual prototype; dynamic simulation; discrete model

10.15916/j.issn1674-3261.2021.06.005

TB486

A

1674-3261(2021)06-0373-06

2021-03-06

遼寧省科技廳2018年重點(diǎn)研發(fā)計劃指導(dǎo)項(xiàng)目(2018106005)

王佳睿(1997-)，男，山東濱州人，碩士生。

張德強(qiáng)(1964-)，男，河北石家莊人，教授，碩士。

責(zé)任編輯：陳 明