張 曉 春

(銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 銅陵 244000)

基于ADAMS的橫封機(jī)構(gòu)沖擊力分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 曉 春

(銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 銅陵 244000)

根據(jù)包裝機(jī)橫封機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，利用ADAMS軟件建立了簡(jiǎn)化的參數(shù)化模型，并通過(guò)設(shè)置目標(biāo)函數(shù)與約束條件，對(duì)機(jī)構(gòu)的沖擊力這一關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析優(yōu)化，從而得出最佳設(shè)計(jì)方案。

橫封機(jī)構(gòu)； 參數(shù)化模型； ADAMS； 沖擊力； 優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型的設(shè)計(jì)方法，主要以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，在解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，借助計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力和邏輯分析能力，合理選擇設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)參數(shù)。目前，機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域通過(guò)建立零件模型進(jìn)行優(yōu)化分析設(shè)計(jì)已十分普遍[1-3]。

橫封是產(chǎn)品包裝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，采用桿件作為傳動(dòng)方式的包裝機(jī)橫封機(jī)構(gòu)，若沖擊力較大將影響包裝質(zhì)量和縮短產(chǎn)品的使用壽命，所以對(duì)橫封機(jī)構(gòu)的沖擊力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高包裝質(zhì)量、降低成本、延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命具有重要意義。

1 建立橫封機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型

1.1簡(jiǎn)化模型

VFP5000型包裝機(jī)的橫封機(jī)構(gòu)由活塞桿、長(zhǎng)拉桿、短拉桿、搖臂、轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動(dòng)臂等部件組成，通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析可以將其簡(jiǎn)化成如圖1所示的模型。為了方便進(jìn)行驅(qū)動(dòng)臂、擺桿和指定角度的參數(shù)化，在ADAMS中手動(dòng)建立簡(jiǎn)化的封裝機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，具體尺寸和安裝角度都會(huì)保持一致，在ADAMS中進(jìn)行優(yōu)化分析，其參數(shù)化模型如圖2所示。

圖1 ADAMS樣機(jī)簡(jiǎn)化模型

圖2 ADAMS參數(shù)化模型

建立上述模型的目的主要是方便參數(shù)化設(shè)計(jì)，因此，上述各零件的起始點(diǎn)要進(jìn)行參數(shù)化，通過(guò)設(shè)置BC、CD、CE及安裝角度這4個(gè)變量，得到其他各點(diǎn)與變量之間的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 VFP5000橫封機(jī)構(gòu)工程標(biāo)注圖

1.3確定約束

虛擬樣機(jī)模型通常都是將多個(gè)零部件裝配在一起構(gòu)成的，在零部件之間建立相應(yīng)的約束關(guān)系。約束通常有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、球副等，而根據(jù)約束的種類可將運(yùn)動(dòng)副分為基本副、低副、特殊副等[4]。零部件之間有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)及位置關(guān)系，通過(guò)約束能夠互相限制。

1.4確定驅(qū)動(dòng)

ADAMS會(huì)直接根據(jù)驅(qū)動(dòng)建立約束方程，運(yùn)動(dòng)副建立的約束方程右邊等于零。根據(jù)VFP5000型包裝機(jī)實(shí)際工況，在分析包裝流程中的運(yùn)動(dòng)情況后，在氣缸活塞桿移動(dòng)副上添加滑移驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：-(STEP(time,0,0,0.6,88)+STEP(time,0.6,0,1,-88)+STEP(time,1,0,2,0)+STEP(time,2,0,2.6,88)+STEP(time,2.6,0,3,-88)+STEP(time,3,0,4,0))。

2 參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1目標(biāo)函數(shù)的建立

在虛擬樣機(jī)創(chuàng)建完成后，需要?jiǎng)?chuàng)建目標(biāo)函數(shù)，這里的目標(biāo)函數(shù)是工作過(guò)程中最大沖擊力的最小值，即Min[Max(force)]=G(DV_LBC,DV_LCD,DV_LCE,Angel)，因此，需要測(cè)量驅(qū)動(dòng)MOTION的沖擊力，選擇沖擊力的幅值進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前活塞桿沖擊力

2.2創(chuàng)建約束方程

測(cè)量函數(shù)f(t)與約束函數(shù)的添加，使優(yōu)化過(guò)程中設(shè)計(jì)變量的取值受到一些限制，滿足一定的約束方程，優(yōu)化的過(guò)程就是設(shè)計(jì)變量在滿足約束方程和取值范圍內(nèi)使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的過(guò)程。設(shè).work.MEA_PT2PT_3為兩封裝滑塊之間的相對(duì)距離函數(shù)，根據(jù)實(shí)際工作需要，距離值必須滿足最小為122 mm，最大為250 mm，因此，建立約束方程：

(122-.work.MEA_PT2PT_3)<0

(.work.MEA_PT2PT_3-250)<0

還要求CD桿的長(zhǎng)度值要小于CE桿的長(zhǎng)度值，所以建立函數(shù)如下：

(.work.DV_LCD-.work.DV_LCE)<0

最后，兩個(gè)約束方程的變化角度.work.MEA_ANGLE_3在10°～55°，因此，約束方程為：

(10-.work.MEA_ANGLE_3)<0

(.work.MEA_ANGLE_3-60)<0

2.3優(yōu)化及優(yōu)化結(jié)果分析

進(jìn)入優(yōu)化界面，在Study a中選擇Objective，然后選擇目標(biāo)函數(shù)OBJECTIVE_3；在設(shè)計(jì)變量Design Variable中選擇全部的變量DV_LBC，DV_LCD，DV_LCE和DV_Angel；最后在約束方程Constraints中選擇OPT_Constraint_1，OPT_Constraint_2，OPT_Constraint_3，OPT_Constraint_4，OPT_Constraint_5；設(shè)置完成，點(diǎn)擊START，優(yōu)化結(jié)果界面如圖5所示。

圖5 優(yōu)化結(jié)果界面圖

優(yōu)化結(jié)束后，通過(guò)軟件導(dǎo)出變量(長(zhǎng)度或角度)與時(shí)間的對(duì)應(yīng)變化規(guī)律圖像，機(jī)構(gòu)變量值的變化與迭代次數(shù)如圖6所示。

圖6 部分變量數(shù)值與迭代次數(shù)變化圖

目標(biāo)函數(shù)最終結(jié)果如圖7所示，各變量的變化情況如圖8所示。

從優(yōu)化的結(jié)果來(lái)看，DV_LBC的取值范圍為 60～130 mm，最終的選取結(jié)果為130 mm；DV_LCD的取值范圍為50～100 mm，最終的選取結(jié)果為 50 mm；DV_LCE的取值范圍為70～150 mm,最終的選取結(jié)果為70 mm；DV_angel的取值范圍為10°～60°,最終的選取結(jié)果為25.10°。當(dāng)確定這些參數(shù)后，活塞桿受到的最大沖擊力從75.19 N優(yōu)化到37.11 N，沖擊力變化情況如圖9和表1所示。

圖7 優(yōu)化結(jié)果曲線圖

圖8 變量變化情況

圖9 沖擊力變化圖

參數(shù)優(yōu)化DV_LBC∕mmDV_LCD∕mmDV_LCE∕mmDV_Angel∕(°)最大沖擊力∕N優(yōu)化前100709930.8175.19優(yōu)化后130507025.1037.11

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)專業(yè)分析軟件ADAMS對(duì)活塞桿進(jìn)行最大沖擊力的優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化分析得到最大沖擊力的最小值與各個(gè)設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系。各個(gè)設(shè)計(jì)變量的最佳值確定后，橫封機(jī)構(gòu)在封裝過(guò)程中活塞桿受到的最大沖擊力從75.19 N優(yōu)化到37.11 N，達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1] 李鵬飛.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014:55-57.

[2] 張玉華.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模與仿真[M].合肥：安徽工業(yè)大學(xué)出版社，2010:163.

[3] 李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].第2版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014:133-136.

[4] 賀兵.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的包裝機(jī)械系統(tǒng)仿真研究[J].包裝工程，2008(2)：47-49.

Abstract:According to the characteristics of traverse seal mechanism of packaging machine, the simplified parametric model was established by using ADAMS software, and the optimization analysis of the key factor of impact force of mechanism was carried out by setting the objective function and the constraint conditions. And then the optimal design scheme was obtained.

Keywords:transverse sealing mechanism; parametric model; ADAMS; impact force; optimization

AnalysisandOptimizationDesignofImpactForceofCrossSealMechanismBasedonADAMS

ZHANG Xiaochun

(Tongling Polytechnic Institute, Tongling Anhui 244000, China)

TH12

A

1673-1980(2017)05-0067-04

2017-03-30

2016年安徽高校自然科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目“MPPT獨(dú)立式光伏系統(tǒng)優(yōu)化研究”(KJ2016A714)

張曉春(1982 — )，男，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化。