高速封邊機(jī)修邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及優(yōu)化*

陳 浩，吳智恒，殷術(shù)貴，陳超輝

（1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院廣州有色技術(shù)研究院，廣東廣州 510651；2.廣州弘亞數(shù)控機(jī)械股份有限公司，廣東廣州 510530）

高速封邊機(jī)修邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及優(yōu)化*

陳 浩1，吳智恒1，殷術(shù)貴1，陳超輝2

（1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院廣州有色技術(shù)研究院，廣東廣州 510651；2.廣州弘亞數(shù)控機(jī)械股份有限公司，廣東廣州 510530）

修邊機(jī)構(gòu)是高速封邊機(jī)的核心功能部件之一。借助CAD軟件建立了高速封邊機(jī)修邊機(jī)構(gòu)的三維裝配體模型，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了相應(yīng)的虛擬樣機(jī)模型，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，分別研究了封邊速度、氣缸壓力對修邊機(jī)構(gòu)性能的影響關(guān)系，確定了最優(yōu)的封邊速度和氣缸壓力，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合；應(yīng)用Ansys軟件進(jìn)行了修邊機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析和校核，為輕量化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

封邊機(jī)；修邊機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；強(qiáng)度分析

0 引言

封邊加工[1]是實(shí)現(xiàn)家具板式部件加工流水線生產(chǎn)中的重要工段，其將工件和緣材在加熱的條件下較牢固、較快地粘合在一起，截去多余的緣材部分，并對緣材的邊沿進(jìn)行修飾。板式家具部件通常由多種材料膠和而成，側(cè)面疏密不均，接縫明顯。通過封邊，不僅可以很好地改善其外觀質(zhì)量，避免家具在運(yùn)輸和使用過程中邊角部損壞、貼面層被掀起或剝落，同時(shí)可起到防水、封閉有害氣體的釋放和減少變形等作用[2-3]。修邊機(jī)構(gòu)是封邊機(jī)邊沿精加工工序中的核心功能部件之一，其修邊質(zhì)量的好壞將直接影響產(chǎn)品的封邊質(zhì)量并最終影響整個(gè)加工工序的生產(chǎn)效率[4]。因此，對修邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確、合理的仿真分析模擬，了解其力學(xué)特性并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)，在提高其可靠性及加工精度的同時(shí)也提升了整個(gè)加工過程的生產(chǎn)效率。

1 基于動(dòng)力學(xué)的修邊機(jī)構(gòu)建模及運(yùn)動(dòng)分析

封邊機(jī)修邊機(jī)構(gòu)主要由氣缸、四桿機(jī)構(gòu)、支承板、電機(jī)及其基座、刀具及靠模等構(gòu)件所組成。通過SolidEdge軟件對封邊機(jī)修邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模并進(jìn)行裝配，將建好的模型以.x_t(Parasolid)文件的格式輸出并導(dǎo)入到Adams，得到所建立的虛擬樣機(jī)模型如圖1所示。

圖1 修邊機(jī)的虛擬樣機(jī)模型

修邊機(jī)構(gòu)的主要工作過程是：纖維板固定在上下兩條傳輸履帶之間，其運(yùn)行速度即為履帶的進(jìn)料速度。在傳輸過程中，纖維板的外沿部分與電機(jī)基座的靠模接觸并碰撞。修邊機(jī)在沖擊載荷作用下，以一定的速度向履帶傳輸?shù)姆较騼A斜并壓縮右端氣缸。當(dāng)電機(jī)基座下降到一定的高度之后，纖維板的外沿部分與電機(jī)中高速轉(zhuǎn)動(dòng)的刀具接觸，最終實(shí)現(xiàn)纖維板的倒角成形。

在實(shí)際修邊過程中，纖維板的倒角形狀并非完全光滑而是出現(xiàn)不平整的波紋，這是因?yàn)樵诶w維板與靠模碰撞接觸的過程中，修邊機(jī)在纖維板和靠模的接觸力以及氣缸壓力的共同作用下出現(xiàn)顫動(dòng)，當(dāng)電機(jī)刀具以不平穩(wěn)的速度與纖維板接觸后即會(huì)產(chǎn)生波紋狀的倒角。本文以封邊機(jī)的進(jìn)料速度以及氣缸剛度為設(shè)計(jì)變量，通過Adams軟件對修邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，通過結(jié)果對比來確定進(jìn)料速度與氣缸剛度的最優(yōu)組合。

修邊機(jī)基本參數(shù)：氣缸的截面半徑為32 mm，初始?xì)鈮褐禐楹愣ㄖ?.3 MPa，通過計(jì)算其初始的截面壓力為241.3 N。纖維板的長、寬、高分別為245 mm、180 mm、15 mm。纖維板的進(jìn)料速度為三檔：0.216 7 m/s、0.255 0 m/s、0.291 7m/s。擬定的氣缸剛度分別為2 000 N/m、4 000 N/m及8 000 N/m。

通過Adams進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[5-7]，得到了在三種不同的進(jìn)料速度及氣缸剛度下，修邊機(jī)構(gòu)的電機(jī)基座速度、加速度，靠模與纖維板法向接觸力的變化曲線，如圖2～4所示。

通過對圖2～4曲線進(jìn)行對比分析，得到了在三種不同進(jìn)料速度下，不同的氣缸剛度對于修邊機(jī)整體動(dòng)力性能影響，其結(jié)果對比如表1所示。

圖2 進(jìn)料速度Vb=0.216 7 m/s下三種氣缸剛度數(shù)據(jù)對比

通過對比表格數(shù)據(jù)可知，在進(jìn)料速度為0.216 7 m/s時(shí)，氣缸剛度越大使電機(jī)基座速度達(dá)到平穩(wěn)所需時(shí)間越短，在Ks=8 000 N/m時(shí)幾乎無速度波動(dòng)，此時(shí)的氣缸剛度為最優(yōu)選擇；在進(jìn)料速度0.255 0 m/s時(shí)，隨著氣缸剛度的增大電機(jī)基座達(dá)到速度平穩(wěn)所需的時(shí)間越長，在Ks=8 000 N/m時(shí)整個(gè)接觸過程中基座速度一直處于波動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)Ks=2 000 N/m為氣缸的最優(yōu)選擇；在進(jìn)料速度為0.291 7 m/s時(shí)，氣缸剛度Ks=4 000 N/m幾乎無速度波動(dòng)，此時(shí)的氣缸剛度最佳。另外，隨著進(jìn)料速度的加大，電機(jī)基座平穩(wěn)所需時(shí)間呈減小趨勢，而纖維板與靠模之間的接觸力呈增大趨勢，最大接觸力為-625.91 N，發(fā)生在進(jìn)料速度為0.291 7 m/s，氣缸剛度Ks=2 000 N/m時(shí)。

圖3 進(jìn)料速度Vb=0.255 0 m/s下三種氣缸剛度數(shù)據(jù)對比

圖4 進(jìn)料速度Vb=0.291 7 m/s下三種氣缸剛度數(shù)據(jù)對比

2 基于有限元的修邊機(jī)構(gòu)建模及強(qiáng)度分析

將SolidEdge軟件建好的三維模型導(dǎo)入到Hy? permesh中，并對其實(shí)體模型進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分、施加載荷及約束等前處理，最后導(dǎo)入到Ansys中求解得到其靜力學(xué)分析結(jié)果。

2.1 三維有限元模型建立

在Hypermesh中將模型進(jìn)行簡化以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量。對部分局部幾何特征，如倒角、沉孔、螺栓孔等進(jìn)行簡化，該簡化模型并不影響計(jì)算結(jié)果，簡化后的三維實(shí)體模型如圖5（a）所示。

表1 三種不同進(jìn)料速度及氣缸剛度下修邊機(jī)動(dòng)力性能對比

在Hypermesh中以八節(jié)點(diǎn)六面體單元對實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的有限元模型如圖5（b）所示，其中單元數(shù)目為269 770個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為327 961個(gè)。模型材料為普通鋁材，屈服強(qiáng)度為80～100 MPa，彈性模量為E=71.705 GPa，泊松比μ=0.33。

2.2 載荷和約束

修邊機(jī)工作過程中，靠模通過與纖維板的接觸碰撞帶動(dòng)整個(gè)修邊機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，通過之前的Adams動(dòng)力學(xué)仿真分析可知，最大接觸力均發(fā)生在剛接觸的位置。在靠模與電機(jī)基座之間定義接觸單元，而把修邊機(jī)構(gòu)的其他構(gòu)件進(jìn)行剛性連接以保障各部件之間相互力和力矩的傳遞。整個(gè)修邊機(jī)構(gòu)固定在地面上，因此在底座上對其X、Y、Z軸進(jìn)行全約束。

2.3 有限元結(jié)果分析

根據(jù)Adams分析結(jié)果，在靠模與纖維板的接觸區(qū)域施加最大外載為-625.91 N。此時(shí)右端的氣缸處于預(yù)緊狀態(tài)，為簡化結(jié)構(gòu)整體模型，將氣缸的預(yù)緊力直接施加在氣缸與連接板之間，其值為-241.3 N。通過Ansys軟件[8]對模型進(jìn)行靜力分析，修邊機(jī)整體及局部靠模的變形及應(yīng)力圖如圖6～7所示。

如圖6～7所示，修邊機(jī)構(gòu)的位移最大變形位置為靠模，其變形量為0.421 9 mm，變形量相對較小。修邊機(jī)的最大應(yīng)力為39.310 7 MPa，發(fā)生在右端連接板的底部，由于本文中將電機(jī)基座和四桿機(jī)構(gòu)以剛性連接，因此計(jì)算出的結(jié)果往往比實(shí)際結(jié)果要大。靠模的最大應(yīng)力值為10.404 2 MPa，發(fā)生在靠模與纖維板的接觸位置附近。由于工業(yè)鋁材的屈服強(qiáng)度為80～100 MPa之間，本文的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其屈服極限，安全性較好，滿足其設(shè)計(jì)需求。

圖5 修邊機(jī)三維簡化模型

3 結(jié)論

修邊機(jī)是封邊機(jī)作業(yè)的核心功能部件，其修邊質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的封邊質(zhì)量。本文通過建立封邊機(jī)虛擬樣機(jī)模型，以封邊機(jī)的進(jìn)料速度以及氣缸剛度為設(shè)計(jì)變量，導(dǎo)入Adams中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，分析結(jié)果表明：對應(yīng)于不同的進(jìn)料速度，最優(yōu)的氣缸剛度選擇不盡相同。但是隨著進(jìn)料速度的增大，電機(jī)基座平穩(wěn)所需時(shí)間呈減小趨勢，纖維板與靠模之間的接觸力呈增大趨勢。

以Adams分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了簡化的修邊機(jī)有限元模型，對結(jié)構(gòu)施加碰撞產(chǎn)生的最大接觸力并進(jìn)行強(qiáng)度分析，對比材料的屈服強(qiáng)度可知，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其屈服極限，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)分析結(jié)果還給出了結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值所產(chǎn)生的位置，這為之后的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析提供了依據(jù)。

圖6 修邊機(jī)變形及應(yīng)力圖

圖7 局部靠模變形及應(yīng)力圖

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Kinematics Simulation Analysis and Optimization of the Trimming Structure of High-Speed Sealing Side Machine

CHEN Hao1，WU Zhi-heng1，YIN Shu-gui1，CHEN Chao-hui2
（1.Industrial Technology Research Institute of Guangdong Province，Guangzhou Non-Ferrous Metal Research Institute，Guangzhou510651，China;2.Guangzhou KDT Machinery Co.，Ltd.，Guangzhou 510530，China）

A 3D assembly model of the trimming structure，which is one of the key parts of high-speed side-sealing machine，is established by CAD software in this paper.In order to optimize the combination of the sealing speed and cylinder pressure which would affect the performance of the trimming structure，a kinematics analysis of the corresponding virtual prototype that is utilized by multi-body dynamic simulation software ADAMS is simulated refer to the actual operating conditions.Meanwhile，the experimental and simulation results are identical with each other.Strength analysis and the verification of the trimming structure by using ANSYS have laid down the foundation for the lightweight design.

sealing side machine；trimming structure；kinematics simulation analysis；strength analysis

TS642

：A

：1009－9492(2014)12－0037－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.009

陳 浩，男，1988年生，江西萍鄉(xiāng)人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析。

(編輯：阮 毅)

*廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2011J4300015）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目 （編號(hào)：2013Y2-00100）

2014－06－11