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基于SOLIDWORKS 與ADAMS 的自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)構(gòu)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

2021-04-30 07:24陸武慧
電子設(shè)計(jì)工程 2021年7期
關(guān)鍵詞:貼標(biāo)搖桿曲柄

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(chǎng)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(kù)。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(shí)更美觀。魏會(huì)芳等利用機(jī)器人機(jī)構(gòu)完成對(duì)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(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及工作空間研究[2]。

貼標(biāo)機(jī)是包裝或者運(yùn)輸生產(chǎn)線上重要的一個(gè)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(jiǎn)單緊湊、容易制造生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。隨著自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的日益發(fā)展,貼標(biāo)機(jī)在自動(dòng)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(dòng)貼標(biāo)到自動(dòng)貼標(biāo),發(fā)生了巨大的變化。文中對(duì)貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模仿真進(jìn)行了分析,為實(shí)際物理樣機(jī)的生產(chǎn)提供了依據(jù),對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)時(shí),帶動(dòng)連桿2、后搖桿3、貼標(biāo)桿4 和前搖桿5 轉(zhuǎn)動(dòng),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(dòng)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(yùn)動(dòng)粘貼到自動(dòng)化生產(chǎn)線批量生產(chǎn)的產(chǎn)品上,然后往復(fù)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)貼標(biāo)動(dòng)作。自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)本質(zhì)上可簡(jiǎn)化為連桿機(jī)構(gòu),貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)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(duì)時(shí)間求導(dǎo),得到速度方程:

速度方程對(duì)時(shí)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(diǎn)H的位置方程如下:

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

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

由此可以求得貼標(biāo)點(diǎn)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(jì)研發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域,它充分借助計(jì)算機(jī)軟件,建立產(chǎn)品和設(shè)備的三維實(shí)體模型,在三維模型的基礎(chǔ)上,完成運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的仿真模擬,為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造提供基礎(chǔ)和依據(jù)。通過在計(jì)算機(jī)軟件上建立虛擬樣機(jī),對(duì)其動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算、分析和優(yōu)化,用仿真的方式創(chuàng)新了傳統(tǒng)實(shí)際樣機(jī)的試驗(yàn)環(huán)節(jié)[9-10]。

ADAMS 是一種可實(shí)現(xiàn)三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真的虛擬樣機(jī)軟件,用戶可以對(duì)所研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,可以確定部件在對(duì)應(yīng)時(shí)間下的位移、速度和加速度等參數(shù)。同時(shí),通過動(dòng)力學(xué)模型,可以仿真計(jì)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真模擬的前提,三維模型的建立也為導(dǎo)入到動(dòng)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(diǎn),其簡(jiǎn)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(duì)貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模,建立自動(dòng)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(dòng)力學(xué)仿真模型建立

動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS,不僅可以作為機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(tái)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(shí)體模型,導(dǎo)出ADAMS 軟件能夠讀取的parasolid 格式,在動(dòng)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(duì)其添加運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng),從而建立貼標(biāo)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型,為其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(xiàng)運(yùn)動(dòng)副信息。

添加約束如下:1)7 個(gè)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(dòng)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(dòng)形成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)副;2)給傳送帶上設(shè)置移動(dòng)副,當(dāng)添加移動(dòng)速度后,被貼標(biāo)的物品將隨著傳送帶移動(dòng)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(dòng)和傳送帶移動(dòng)速度等參數(shù),從而建立起貼標(biāo)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型,如圖2所示[17-18]。

圖2 貼標(biāo)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型

3 模型仿真分析

3.1 驗(yàn)證機(jī)構(gòu)合理性

根據(jù)貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程,設(shè)置仿真時(shí)間為3 s,步數(shù)為1 000 步,對(duì)貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算,在貼標(biāo)桿末端設(shè)置一個(gè)測(cè)量標(biāo)記點(diǎn),在ADAMS 仿真模型中,該點(diǎn)命名為trace_point,位于貼標(biāo)桿末端位置,通過運(yùn)動(dòng)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(diǎn),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(dòng),運(yùn)行過程平穩(wěn)、無死點(diǎn),驗(yàn)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(zhǎng)度對(duì)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(dòng)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(zhǎng)度對(duì)貼標(biāo)高度的影響,選擇曲柄長(zhǎng)度為10.2 cm、10.275 cm、10.35 cm、10.425 cm、10.5 cm 的5 種情況,對(duì)曲柄長(zhǎng)度進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),如圖4 所示,對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,得到在5 種不同曲柄長(zhǎng)度情況下的貼標(biāo)桿末端高度結(jié)果和運(yùn)動(dòng)仿真模擬,如圖5、圖6 所示。

圖4 曲柄長(zhǎng)度參數(shù)化取值

圖5 不同曲柄長(zhǎng)度貼標(biāo)高度結(jié)果

圖6 變曲柄長(zhǎng)度的貼標(biāo)桿末端運(yùn)動(dòng)仿真

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)曲柄長(zhǎng)度不同時(shí),貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)高度也隨之不同。當(dāng)曲柄長(zhǎng)度為10.425 cm 時(shí),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(dòng)作;當(dāng)曲柄長(zhǎng)度為10.2 cm、10.275 cm、10.35 cm 這3 種情況時(shí),貼標(biāo)桿的末端與被貼標(biāo)物體表面間存在距離,會(huì)出現(xiàn)不能成功貼標(biāo)的情況;當(dāng)曲柄長(zhǎng)度為10.5 cm 時(shí),會(huì)出現(xiàn)貼標(biāo)桿末端與被貼標(biāo)物體擠壓的情況,可能會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽出現(xiàn)損傷的情況。

因此,對(duì)貼標(biāo)機(jī)構(gòu)的曲柄長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),讓貼標(biāo)桿末端與被貼標(biāo)物體成功貼合,完成貼標(biāo)動(dòng)作,符合工程實(shí)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(dòng)力學(xué)軟件ADAMS 中建立貼標(biāo)機(jī)的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型,并得出了自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)中貼標(biāo)桿末端的位移曲線,符合工程實(shí)際情況,驗(yàn)證了貼標(biāo)機(jī)構(gòu)的合理性,并得出了不同曲柄長(zhǎng)度下,貼標(biāo)桿末端高度結(jié)果和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象,模型準(zhǔn)確,可應(yīng)用于實(shí)際中,并探索了曲柄長(zhǎng)度對(duì)貼標(biāo)性能的影響,有助于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析以及實(shí)際的物理樣機(jī)生產(chǎn)提供了依據(jù)。

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