基于ADAMS的跌落式裝箱機動力學(xué)仿真研究

徐國寶，馬金鳳，王延軍，楊紅亮，石卓棟

(北京航天斯達(dá)科技有限公司，北京 100076)

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基于ADAMS的跌落式裝箱機動力學(xué)仿真研究

徐國寶，馬金鳳，王延軍，楊紅亮，石卓棟

(北京航天斯達(dá)科技有限公司，北京 100076)

摘要：根據(jù)某液體灌裝線上裝箱機的實際情況，利用SolidWorks軟件建立裝箱機三維模型，通過ADAMS建立裝箱機的動力學(xué)模型。依據(jù)運動學(xué)、動力學(xué)原理，導(dǎo)入MATLAB生成的運動學(xué)曲線，完成裝箱機的動力學(xué)分析，得到其受力分布圖，為裝箱機驅(qū)動件的選擇提供了依據(jù)，同時也為完成其他工程產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供了一種行之有效的方法。

關(guān)鍵詞：裝箱機；三維建模；動力學(xué)模型；ADAMS

0引言

隨著工業(yè)化生產(chǎn)水平的提高，人們對液體灌裝線自動化程度的要求也不斷提高[1-2]。跌落式裝箱機作為一種自動裝箱設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、成本低廉等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[3]。跌落式裝箱機在工作時受力較為復(fù)雜，設(shè)計人員往往根據(jù)經(jīng)驗選擇強度高的材料和較大的驅(qū)動力，以保證機械設(shè)備的安全性。為獲得最優(yōu)設(shè)計，必須經(jīng)過多次選擇、計算和驗證。而利用虛擬樣機的性能測試，可最大程度地滿足設(shè)計目標(biāo)需求。本文以中國石油天然氣潤滑油廠1~4L潤滑油自動灌裝線裝箱機為例，利用ADAMS建立裝箱機動力學(xué)模型，并分析驅(qū)動件受力情況，得到受力分布圖，為機器零部件的設(shè)計，動力原件的選型提供參考。

1跌落式裝箱機結(jié)構(gòu)組成及工作原理

裝箱機結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括機架、輥道輸送線、定位機構(gòu)、舉升機構(gòu)、翻板機構(gòu)、整理機構(gòu)等部分。其工作過程如下：

(1)完成灌裝、旋蓋后的潤滑油桶由上一道工序拆分為指定數(shù)量，并經(jīng)整理機構(gòu)整理成一定樣式(本文以4×3排列樣式為例)后，輸送到裝箱機翻板的指定區(qū)域內(nèi)；同時，開箱成型的紙箱通過輥道輸送線輸送到翻板的正下方時，裝箱機的定位機構(gòu)將其擋住并定位，等待裝箱。

(2)舉升機構(gòu)將紙箱托起，使其脫離輸送線輥面；紙箱升起到位后，翻板氣缸動作，翻板下翻撐開紙箱，潤滑油桶靠重力落入紙箱。

(3)舉升機構(gòu)復(fù)位，裝箱后的紙箱回落到輸送線上，紙箱被輸送到下一工位。

如圖1(b)所示，落桶時，2個翻板氣缸同時動作，驅(qū)動左右兩軸轉(zhuǎn)動；左右兩軸動作的同時，通過4對傳動比為1的傘齒輪傳動，帶動上下兩軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)4塊翻板同時動作。4塊翻板從中心向四周打開，以撐開紙箱，同時潤滑油桶靠自身重力順勢落入紙箱內(nèi)。該過程是實現(xiàn)裝箱穩(wěn)定的關(guān)鍵。從翻板開啟到潤滑油桶落入紙箱的過程中，12個潤滑油桶之間的受力即彼此獨立又相互制約，致使翻板的受力較為復(fù)雜，2個翻板氣缸的受力、傳動齒輪的受力很難直接求出。以往，設(shè)計人員往往采用加大設(shè)計參數(shù)值來完成設(shè)計，加工樣機進行試驗，然后通過多次的修正參數(shù)值來進行優(yōu)化設(shè)計。這一過程不僅用時較長，而且浪費材料，增加了產(chǎn)品的設(shè)計成本。而通過對裝箱機進行動力學(xué)仿真，分析翻板的受力情況，完成氣缸型號的選擇、齒輪的設(shè)計，最終完成裝箱機的整個設(shè)計。

2裝箱機動力學(xué)模型建立

2.1模型創(chuàng)建及導(dǎo)入

利用三維建模軟件SolidWorks創(chuàng)建裝箱機模型，并以“*.x_t”格式導(dǎo)入至ADAMS軟件中。

對于“*.x_t”格式的文件，ADAMS中有兩種模型導(dǎo)入方法——以“model”形式或者以“part”形式。如果以“model”形式導(dǎo)入，ADAMS將其識別為裝配體，模型中每個零件相互獨立；如果以“part”形式導(dǎo)入，ADAMS將整個模型識別為一個零件。

由于模型導(dǎo)入后，失去了原有的質(zhì)量、約束等信息，需在ADAMS中重新設(shè)置。為了在不簡化模型的基礎(chǔ)上減小工作量，在此采用“分次導(dǎo)入”的方式。即根據(jù)裝箱機結(jié)構(gòu)原理，將其拆分為機架、輥道輸送線、定位機構(gòu)、舉升機構(gòu)、翻板機構(gòu)、傘齒輪、整理機構(gòu)、油桶、紙箱等幾個部分，分別以“part”形式導(dǎo)入ADAMS。

2.2施加質(zhì)量與約束副

首先，根據(jù)裝箱機實際情況，設(shè)定ADAMS模型中各零件的質(zhì)量。

為裝箱機施加的約束副主要包括固定副、旋轉(zhuǎn)副、移動副、耦合副等。主要的約束副如下：

(1)在模型與地面、模型中各固定件之間施加固定副；(2)翻板機構(gòu)中的軸與其連接件之間施加旋轉(zhuǎn)副；(3)氣缸桿與氣缸筒之間施加移動副；(4)傘齒輪之間施加耦合副。

需要說明的是，施加約束副時，注意避免過約束，否則系統(tǒng)在計算時可能出現(xiàn)錯誤或者無解的情況[4]。

2.3施加接觸力

油桶在下落過程中，桶與翻板、護欄之間，以及桶與桶之間都會有碰撞。為了仿真落桶的過程，需要為每個桶施加接觸力。接觸力包括法向力和摩擦力，對于法向力，這里采用碰撞函數(shù)(Impact)方法來定義[5]。選擇力選項中的接觸(contact)選項，設(shè)定接觸力的4個參數(shù)：

剛度系數(shù)(Stiffness)——表征材料間的剛度；力指數(shù)(Force Exponent)——用來計算接觸力，表征材料的非線性特性；阻尼系數(shù)(Damping)——這里指模型運動時最大阻尼，表征能量的損耗；滲透深度(Penetration Depth)——表征最大阻尼時，材料的侵入深度。

通過結(jié)合機械手冊以及相關(guān)文獻[6]的經(jīng)驗，油桶與油桶之間、油桶與翻板之間剛度系數(shù)為3800N/mm，力指數(shù)取2，阻尼系數(shù)取1.5N·s/mm，滲透深度取0.1mm。由于摩擦較小，摩擦力采用系統(tǒng)默認(rèn)，不予更改。

至此，裝箱機動力學(xué)模型建立完成，如圖2所示。

3裝箱機模型動力學(xué)計算

3.1運動曲線生成

裝箱機實際工作時，翻板氣缸動作時間極短，翻板需在大約0.3~0.5s內(nèi)轉(zhuǎn)動75°。經(jīng)計算，氣缸桿應(yīng)伸出70mm以上，才能滿足要求。考慮到氣體的緩沖作用，氣缸桿運動應(yīng)平穩(wěn)、快速、無沖擊。為反映氣缸真實工作狀態(tài)，利用MATLAB生成氣缸桿運動曲線，計算出數(shù)據(jù)，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)在ADAMS中生成樣條函數(shù)，從而驅(qū)動模型運動[7]。

設(shè)定氣缸桿位移75mm，運動速度0.4s，最高速度為380mm/s，利用MATLAB編寫“*.m”程序，生成符合條件的運動曲線。得到速度曲線和位移曲線如圖3所示。

3.2運動曲線導(dǎo)入

將MATLAB生成的運動曲線導(dǎo)入ADAMS，作為ADAMS中翻板氣缸的運動輸入。導(dǎo)入方法如下：

(1)將速度曲線離散，得到一組時間t與速度V的對應(yīng)數(shù)據(jù)，將這組數(shù)據(jù)復(fù)制到“*.txt”文檔中并保存；

(2)將保存的“*.txt”文檔導(dǎo)入ADAMS，并利用導(dǎo)入的數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲線“SPLINE_1”；

(3)在翻板氣缸桿與氣缸桶之間的移動副之間建立函數(shù)關(guān)系，并輸入亦創(chuàng)建的曲線“SPLINE_1”。

通過以上操作，由MATLAB生成的速度曲線已經(jīng)導(dǎo)入ADAMS，并作為動力學(xué)模型中氣缸桿的運動輸入。

3.3仿真結(jié)果輸出

點擊仿真控制按鈕(Interactive Simulation Controls)，設(shè)置仿真時間為0.4s，步長設(shè)為0.001。運動前后仿真結(jié)果對比圖像如圖4所示。

仿真結(jié)束后，點擊主工具欄中“Plotting”選項，進入ADAMS的后處理模塊。選擇2個氣缸的氣缸桿受力曲線，輸出結(jié)果如圖5所示。

3.4仿真結(jié)果分析及應(yīng)用

由圖5可以看出，由于4塊翻板不完全對稱，2氣缸桿受力不同，其中1個氣缸桿受力最大值為35N。

為保證翻板的同步，應(yīng)選擇2個完全相同的氣缸。選用某廠家生產(chǎn)的雙作用氣缸，根據(jù)廠家提供的選型原則，氣缸運動速度50~500mm/s范圍內(nèi)動作，負(fù)載率應(yīng)小于50%。由圖3(a)所示，氣缸運動速度最大約為380mm/s，滿足條件。使用空氣壓力通常情況下選擇0.5MPa。根據(jù)仿真結(jié)果，建議選用缸徑為50mm的氣缸(理論輸出力為49.1N)。

4結(jié)束語

以液體自動灌裝生產(chǎn)線上的典型機械——自動裝箱機為例，詳細(xì)闡述了利用ADAMS建立動力學(xué)模型的過程，并通過實例說明了動力學(xué)計算結(jié)果在機械設(shè)計方面的一些應(yīng)用，為裝箱機的設(shè)計提供了理論依據(jù)，而且為以后其他設(shè)備的設(shè)計提供一種分析思路。

參考文獻:

[1] 陳軍陽.稱重式灌裝系統(tǒng)的應(yīng)用[J].機電工程技術(shù)，2011，40(7): 28-29.

[2] 張有良，徐強，常曉煜,等.沖瓶稱重灌裝旋蓋一體機的設(shè)計[J].包裝與食品機械，2011，29(2): 22-25.

[3] 崔巖，屠鳳蓮，石卓棟.直接跌落式裝箱機的設(shè)計[J].包裝與食品機械，2012，30(3):44-46.

[4] 王水林，鄒月偉，李海偉.基于ADAMS的仿真技術(shù)在履帶行走裝置的應(yīng)用[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，(5): 44-45.

[5] 謝最偉，吳新躍.基于ADAMS的碰撞仿真分析[C].第三屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集,大連：中國機械工程學(xué)會機械工業(yè)自動化分會，2007： 339-342.

[6] 葛中原，殷晨波.橋式起重機碰撞安全仿真分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保， 2015，41(8): 39-42.

[7] 李月月.基于ADAMS和MATLAB的機器人聯(lián)合仿真[D].保定：河北大學(xué)，2010.

Dynamics Simulation Study Based on ADAMS for the Packing Machine

XU Guo-bao,MA Jin-feng,WANG Yan-jun,YANG Hong-liang,SHI Zhuo-dong

(Beijing Areostandard Technology Co. Ltd.,Beijing 100076,China)

Abstract:According to the actual situation of a liquid filling machine,the 3D model of the packing machine was established by SolidWorks ,and the dynamic model of the packing machine is set up by ADAMS.According to kinematics and dynamics principle,the kinematics curve established by MATLAB was introduced,and the dynamic analysis of the packing machine was finished.The distribution map was obtained,which provided a basis for the selection of the power parts.Moreover,this way provided an effective method for the optimization design of other engineering products.

Key words:packing machine; 3D model;dynamic model; ADAMS

doi:10.3969/j.issn.1005-1295.2016.01.012

中圖分類號：TB485.3

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號：1005-1295(2016)01-0044-04

作者簡介：徐國寶(1987-)男，碩士，工程師，主要研究方向為智能化包裝設(shè)備、機器人碼垛應(yīng)用，

通信地址：100076北京市9200信箱72分箱25號 北京航天斯達(dá)科技有限公司， E-mail:xgb702@163.com。

收稿日期：2015-10-12