高麗麗

（上海理工大學 上海 200093）

模切機是印刷包裝行業(yè)壓制紙盒、紙箱等紙制品的專用設備，是印刷包裝行業(yè)中重要的表面裝飾加工設備。而肘桿機構是壓模燙印部分的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響印刷品的模切精度和整機速度。由于肘桿機構是一個既有轉動副又有移動副的復雜的十桿機構，其運動特性分析起來比較復雜。采用計算機仿真的手段來分析機構的位移、速度和加速度，為肘桿機構的設計提供必要的數(shù)據(jù)和參考。對雙肘桿機構的運動分析，主要有圖解法和解析法等。圖解法需要反復作圖，較直觀、方便，但是精度不高，而解析法人工計算工作量大，容易出錯。ADAMS軟件是虛擬樣機技術典型的應用軟件，應用ADAMS軟件對模切機雙肘機構進行運動仿真，與傳統(tǒng)的平面機構運動分析方法如圖解法和解析法相比，用ADAMS求解平面機構運動學具有精度高、速度快等特點。機構運動分析的本質為求解機構的輸入構件與輸出構件之間的位置、速度和加速度的映射關系。

1 建立模切機雙肘桿機構及模切原理

在Pro/E中建立雙肘桿機構的三維模型如圖1所示。

圖1 雙肘桿機構的三維模型

模切機的工作原理是通過上、下平臺接觸對壓完成模切工作。模切機的上平臺固定不動，下活動模切平臺由雙肘桿機構帶動上下運動。在模切機整個運動周期中，由于雙肘桿機構各構件之間由鉸鏈相連，與之相連的動平臺不是直上直下的往復運動，而是“左右搖擺，上下起伏”地完成一個循環(huán)運動?？梢姡p肘桿機構工作性能和運動規(guī)律的優(yōu)劣，對模切機的速度、精度及其穩(wěn)定性都有較大影響。雙肘桿機構簡圖如圖2所示。

圖2 雙肘桿機構簡圖

由圖2可知模切機雙肘桿是由曲柄EOF、連桿DF和CE、上肘桿CG和DH、下肘桿CA和DB以及動平臺GH組成，各桿的長度(單位：mm)分別為曲柄轉速ω=9.376 rad／s。

2 模切機雙肘桿機構的仿真

為了對雙肘桿機構的運動規(guī)律和動態(tài)特性有更多的了解，需要得到模壓活動平臺以及各個桿的速度、加速度數(shù)據(jù)，在此應用ADAMS導入的雙肘桿機構的虛擬樣機模型，進行運動仿真。在ADAMS虛擬仿真環(huán)境中 ADAMS根據(jù)系統(tǒng)導入的模型自動建立拉格朗日運動方程，對每個剛體列出6個廣義坐標帶乘子的拉格朗日方程及相關的約束方程：

首先在Pro/E中建立雙肘桿機構的模型，另存為 x_t 格式的文件，然后導入到ADAMS中進行仿真，首先選取適當?shù)淖鴺讼蹬c單位，調整視圖的位置，應用工具箱添加各個約束和驅動，其中曲柄為主動件，在其上添加運動，設定速度。模壓活動平臺與滑塊間采用滑移副約束，其余桿件采用旋轉副約束。在曲柄與地連接的轉動副上添加驅動，設定旋轉速度為曲柄轉速ω=9.376 rad／s。創(chuàng)建完成后的雙肘桿機構仿真模型如圖3所示。曲柄EOF順時針旋轉，再點擊仿真分析命令(simulation)，設定動畫仿真的時間和步數(shù)，就可以進行動畫仿真了。

圖3 雙肘桿機構仿真模型

3 仿真結果及圖形處理

以動平臺和下肘桿為例，查看仿真結果曲線，進入ADAMS仿真后處理器點擊后處理器中的（blocktracking）可測得任意時間對應的角位移、角速度、角加速度，并能直接取出最大和最小值。圖4為動平臺傾斜轉角曲線，從曲線可以看出動平臺左右擺動的幅度情況，圖5為動平臺滑動位移曲線。

圖4 動平臺傾斜轉角曲線

圖5 動平臺滑動位移曲線

從圖4和圖5中可以看出，盡管平臺傾斜角度很小，但模壓平臺確實存在著左右擺動，這是影響其加工精度的重要因素之一。同時，在圖5中還可以看到其運動的范圍及極限位置，為安裝和調試帶來了便利。通過仿真，可以分析其運動的一些特性，這種手段不需要工程人員掌握復雜的解析法或數(shù)值分析等方法去分析其運動，也不需要多少仿真知識就可以輕易地對其運動作精確的定性和定量分析，從而指導機構的設計工作，十分便捷，提高了雙肘桿機構設計的效率和質量。

以下為以肘桿為例繪制的仿真運動曲線，如圖6、圖7、圖8分別記錄了下肘桿AC和BD的角位移、角速度和角加速度的隨時間變化的曲線。

圖6 下肘桿AC和BD的角位移

圖7 下肘桿AC和BD的角速度

圖8 下肘桿AC和BD的角加速度

機構的兩下肘桿在一個運動周期內的角速度和角加速度曲線呈反對稱，即當桿AC的位移、速度和加速度增大時，桿BD的位移、速度和加速度就減小，反之亦然。另外，從變化幅值上看，整個運動周期內兩下肘桿的位移、速度和加速度變化較為平緩，符合模切機的運動規(guī)律。

4 結語

通過分析模切機雙肘機構的運動參數(shù)和曲線后可以得到：

(1)模壓活動平臺在整個運動周期中并不是始終沿豎直方向進行往復運動，而是“左右搖擺、上下起伏”地完成一個循環(huán)運動。其傾斜角和水平方向位移只在最高點位置附近和最低點處為零，其它位置兩者都不為零，水平方向的位移和傾斜角度越大，則平臺和導向滑塊之間的作用力就越大。模壓活動平臺左右擺動的角度最大值為0.686 7°，動平臺上下移動的最大值為60.122 mm。

(2)從提高機構動態(tài)性能的角度看，最佳狀態(tài)是模切機整個運動過程中動平臺始終與上平臺保持平行，而沒有水平方向的偏移和傾斜角度，由于各構件之間由鉸鏈相連，機構的運動特性就會決定動平臺不是直上直下的往復運動。在滿足工藝要求的前提下應盡量減小動平臺的自由行程(指動平臺從最高點到最低點位置所經(jīng)過的位移)，降低動平臺水平方向的偏移和傾斜角，以提高模切速度、精度和整機的穩(wěn)定性。

[1] 張選生，柴三中，成剛虎，等.用回路法分析自動模切機雙肘桿機構[J].包裝工程，2005，26(6)： 51－53．