郭年琴，劉大明

(江西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江西贛州 341000)

定位機(jī)構(gòu)是印鐵機(jī)中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，鐵皮在進(jìn)入印刷單元之前必須處于一個(gè)正確的位置方能保證圖案的準(zhǔn)確印刷和色彩的精準(zhǔn)套印.前規(guī)和側(cè)規(guī)負(fù)責(zé)對(duì)鐵皮的前后和左右方向進(jìn)行定位，其中前規(guī)的定位要求高，定位難度大，控制復(fù)雜，是定位的核心所在［1］.

近年來，金屬印涂產(chǎn)品的使用量和需求量日益增加，印鐵行業(yè)也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，高質(zhì)量的產(chǎn)品對(duì)印鐵設(shè)備的性能要求也逐漸提高.計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，仿真軟件和虛擬樣機(jī)的廣泛使用，推動(dòng)了前規(guī)分析和設(shè)計(jì)的進(jìn)步與突破.

行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士對(duì)前規(guī)的性能分析研究做了大量的工作.黃巖等［2］運(yùn)用C語言和Matlab對(duì)膠印機(jī)前規(guī)和遞紙進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，討論了不同形式的前規(guī)和遞紙機(jī)構(gòu)的布局對(duì)定位精度的影響，找出了影響遞紙質(zhì)量和定位精度的關(guān)鍵因素.蔡吉飛等［3］對(duì)下擺式的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，討論了有擋紙時(shí)和無擋紙時(shí)使用的場(chǎng)合以及優(yōu)缺點(diǎn).王曉華［4］運(yùn)用VB和Solidworks對(duì)前規(guī)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過二次開發(fā)，使得前規(guī)的三維設(shè)計(jì)更加人性化與簡(jiǎn)易化，方便參數(shù)的更新和尺寸的關(guān)聯(lián).C.D.Cullen［5］將真空分離和運(yùn)送技術(shù)運(yùn)用到膠印機(jī)運(yùn)送機(jī)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了紙張準(zhǔn)確平穩(wěn)地到達(dá)側(cè)規(guī)處定位，提高運(yùn)送效率和定位精度.然而上述研究都只限于對(duì)前規(guī)單方面的分析，沒有將承印物運(yùn)動(dòng)分析結(jié)合起來，因而不能全面準(zhǔn)確地反應(yīng)前規(guī)定位過程的真實(shí)情況，有較大的局限性.因此文中將對(duì)印鐵機(jī)前規(guī)定位鐵皮的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析.

1 前規(guī)定位鐵皮的建模

由于文章重點(diǎn)是分析前規(guī)對(duì)鐵皮定位過程的運(yùn)動(dòng)分析和接觸瞬間接觸力分析，故而在前規(guī)的建模過程中，只選取前規(guī)的擋舌部分.以某型號(hào)輪轉(zhuǎn)式印鐵機(jī)為研究對(duì)象，采用5個(gè)擋舌來等效印鐵機(jī)上的前規(guī)及其咬牙機(jī)構(gòu).鐵皮的規(guī)格為1 100 mm×960 mm，厚度為0.2 mm鐵皮的輸送臺(tái)簡(jiǎn)化成5根圓形的柱子.由于Solidworks建模簡(jiǎn)單，界面操作方便等特點(diǎn)，建模后可直接在motion模塊里約束定義，所以在Solidworks里面對(duì)上述簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模得到前規(guī)定位鐵皮機(jī)構(gòu)的三維模型如圖1所示.

圖1 前規(guī)定位鐵皮三維模型

鐵皮的三維模型建好后就可以在Solideworks Motion里面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析.

2 Solidworks Motion運(yùn)動(dòng)仿真

Solidworks Motion是Solidworks里面專門用來處理機(jī)構(gòu)分析的模塊，它以菜單的形式添加到Solidworks中，并與其形成了無縫集成.Solidworks里面的零件三維造型、裝配關(guān)系在Motion里面可以自動(dòng)轉(zhuǎn)化成仿真模型的連接關(guān)系，因而三維動(dòng)力學(xué)仿真功能強(qiáng)大［6-7］.

利用Solidworks Motion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真的求解過程:①物理建模，利用Solidworks的三維建模功能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體的模型構(gòu)建，完成對(duì)實(shí)體的尺寸和構(gòu)型的復(fù)映;②數(shù)學(xué)分析，通過調(diào)用專用的求解器生成數(shù)學(xué)方程，為求解作準(zhǔn)備;③ 問題求解，通過迭代的方式求出方程的解［8-9］.

3 前規(guī)定位鐵皮的運(yùn)動(dòng)仿真分析

3.1 前規(guī)定位原理

規(guī)矩是印鐵機(jī)定位的主要部件，分為前規(guī)和側(cè)規(guī)，鐵皮前進(jìn)方向定位主要由前規(guī)負(fù)責(zé)，鐵皮左右運(yùn)動(dòng)的方向定位主要由側(cè)規(guī)負(fù)責(zé);通常情況下，定位在前的是前規(guī)，在后的是側(cè)規(guī)，鐵皮在運(yùn)動(dòng)過程中，先通過前規(guī)定位獲得精確的方向后，再通過側(cè)規(guī)定位;同時(shí)，前規(guī)擋板離開輸鐵臺(tái)，壓印滾筒的叼牙達(dá)到鐵皮位置，咬住鐵皮準(zhǔn)備開始印刷.

前規(guī)的運(yùn)動(dòng)為復(fù)合運(yùn)動(dòng)，一方面做往復(fù)擺動(dòng)，另一方面做勻速圓周運(yùn)動(dòng).擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由凸輪驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其運(yùn)動(dòng)軌跡由凸輪的輪廓決定;勻速圓周運(yùn)動(dòng)隨壓印滾筒一起，因?yàn)榍耙?guī)是安裝在壓印滾筒的空檔處的咬牙軸上，所以在擺動(dòng)的同時(shí)會(huì)隨壓印滾筒一起做勻速圓周運(yùn)動(dòng).

前規(guī)的往復(fù)擺動(dòng)可分為3個(gè)過程:上擺對(duì)鐵皮定位;短暫的停頓等待對(duì)鐵皮定位;下擺讓鐵皮［10］.前規(guī)的擋舌上安裝有咬牙，在定位的同時(shí)會(huì)將鐵皮咬住，但咬牙力比較小，為后續(xù)印刷作準(zhǔn)備.

3.2 不同前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律仿真分析

3.2.1 二次式運(yùn)動(dòng)規(guī)律

以某輪轉(zhuǎn)式印鐵機(jī)為研究對(duì)象，鐵皮在輸鐵臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)為先勻速，然后短暫停頓，之后再加速，然后減速到達(dá)前規(guī)處.初選的鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律將用直線和二次曲線來模擬上述運(yùn)動(dòng)過程.給定的鐵皮運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖2所示.

從圖2中可以看出，鐵皮的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間為3.0 s，在1.5 s的時(shí)候與前規(guī)接觸，加速度在這一時(shí)刻由于碰撞產(chǎn)生了一個(gè)突變的峰值.位移和速度在此時(shí)刻的后續(xù)時(shí)刻沒能立刻減為0，主要是因仿真過程沒有考慮摩擦，導(dǎo)致鐵皮在接觸前規(guī)后，產(chǎn)生了輕微的反彈.由此可見給定的鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律并不是最優(yōu)的，有待于進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn).

分析在給定鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律的條件下，前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律為二次式曲線時(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真，其運(yùn)動(dòng)特性和接觸力曲線如圖3所示.

圖2 給定鐵皮運(yùn)動(dòng)特性曲線

圖3 二次式前規(guī)運(yùn)動(dòng)特性與接觸力曲線

從圖3中可以看出，前規(guī)的往復(fù)擺動(dòng)范圍為40°，與理論值相吻合，前規(guī)的速度曲線較緩和，但是角速度在t=2.4 s時(shí)達(dá)到最大值，t=0.6 s時(shí)達(dá)到最小值.加速度在1.2 s時(shí)出現(xiàn)躍變的峰值，這主要是由于運(yùn)動(dòng)規(guī)律在這一時(shí)刻的突然改變所致.接觸力在1.5 s撞擊時(shí)處于峰值狀態(tài)，且曲線比較陡峭，但是有緩和的跡象.

3.2.2 1/4余弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律

當(dāng)前規(guī)采用1/4余弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行仿真時(shí)，其運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖4所示.

圖4 1/4余弦前規(guī)運(yùn)動(dòng)特性與接觸力曲線

從圖4中可知，1/4余弦的前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律速度和加速度曲線都比較平滑，無躍變現(xiàn)象發(fā)生，但是接觸力曲線峰值很大，且沒有緩和的跡象.說明此種情況下接觸時(shí)間短，接觸撞擊劇烈.

3.2.3 半余弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律

半余弦前規(guī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線如圖5所示.

圖5 半余弦前規(guī)運(yùn)動(dòng)特性和接觸力曲線

半余弦的前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律速度曲線非常平緩，較前面2種情況有很大的改善，只是加速度在1.2 s時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生改變時(shí)有突變的現(xiàn)象，但是總體過渡還是比較緩和.對(duì)前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇有一定的參考意義.

3.2.4 3-4-5次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3-4 -5 次多項(xiàng)式前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的曲線如圖6所示.

圖6 3-4-5次多項(xiàng)式前規(guī)運(yùn)動(dòng)特性和接觸力曲線

由圖6可知，3-4-5次多項(xiàng)式的前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律速度、加速度曲線較前三者都平緩，無突變和峰值現(xiàn)象.接觸力曲線也較緩和，峰值較小，在1.5 s的附近有緩和區(qū)域，說明前規(guī)對(duì)鐵皮定位時(shí)間長(zhǎng)，定位穩(wěn)定可靠，該運(yùn)動(dòng)規(guī)律為最佳前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

3.3 不同鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律仿真分析

在運(yùn)動(dòng)過程中采用分段處理方法，通過對(duì)鐵皮不同的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)比分析，得到最佳結(jié)果;分析不同的加速度曲線可知，當(dāng)鐵皮與擋板相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生碰撞，但是碰撞時(shí)間比較短暫，所以不能反映加速度性能好壞.通過上面的分析可知，在給定鐵皮的運(yùn)動(dòng)規(guī)律條件下，3-4-5次多項(xiàng)式規(guī)律的前規(guī)運(yùn)動(dòng)特性最好，接觸力最為平緩，有利于鐵皮的印刷.但是，給定的鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律并不是最優(yōu)的，因而有必要分析在最佳的前規(guī)運(yùn)動(dòng)特性下，不同鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)特性及接觸力特性.圖7-9反映了在最佳前規(guī)特性條件下，3種鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)特性和接觸力曲線.

圖7 線性鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的運(yùn)動(dòng)特性和接觸力曲線

圖8 二次式鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的運(yùn)動(dòng)特性和接觸力曲線

圖9 3-4-5次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律鐵皮運(yùn)動(dòng)特性和接觸力曲線

圖7-9以及圖2給出了4種典型的鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性及對(duì)應(yīng)接觸力曲線.從圖中可知，線性規(guī)律的鐵皮速度、加速度均出現(xiàn)較大的剛性沖擊，運(yùn)動(dòng)特性最差，接觸力峰值最大.3-4-5次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的鐵皮速度、加速度、以及接觸力的曲線都比較平緩，過渡無沖擊，只在接觸瞬間有過短暫的加速度突變.二次式規(guī)律的鐵皮運(yùn)動(dòng)曲線也比較緩和，只是接觸力不如3-4-5次多項(xiàng)式平緩.由此可知，3-4-5次多項(xiàng)式的鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律為最佳，有利于鐵皮的平穩(wěn)輸送和安全定位.故而，在給定前規(guī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律條件下，3-4-5次多項(xiàng)式的鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律為最佳.

4 結(jié)論

1)通過對(duì)8種不同組合的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析可知，不同的前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和不同的鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合所得的運(yùn)動(dòng)曲線和接觸力曲線都不一致.由分析可知，當(dāng)兩者都采用3-4-5次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，所得的運(yùn)動(dòng)特性和接觸力曲線最佳.

2)通過對(duì)接觸力曲線的分析和研究可知，鐵皮的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是影響接觸力的主要因素.在同一種前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律下，不同的鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律呈現(xiàn)出來的接觸力出現(xiàn)了較大的變化.而不同的前規(guī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與同種鐵皮運(yùn)動(dòng)規(guī)律相組合接觸力的變化不大.

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