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

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

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軟件建立了簡化的參數(shù)化模型，并通過設(shè)置目標(biāo)函數(shù)與約束條件，對機(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)計是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一種新型的設(shè)計方法，主要以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，在解決復(fù)雜問題時，借助計算機(jī)的高速運(yùn)算能力和邏輯分析能力，合理選擇設(shè)計方案與設(shè)計參數(shù)。目前，機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域通過建立零件模型進(jìn)行優(yōu)化分析設(shè)計已十分普遍[1-3]。

橫封是產(chǎn)品包裝中的一個重要環(huán)節(jié)，采用桿件作為傳動方式的包裝機(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，所以對橫封機(jī)構(gòu)的沖擊力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對提高包裝質(zhì)量、降低成本、延長產(chǎn)品使用壽命具有重要意義。

1 建立橫封機(jī)構(gòu)的簡化模型

1.1簡化模型

VFP5000型包裝機(jī)的橫封機(jī)構(gòu)由活塞桿、長拉桿、短拉桿、搖臂、轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動臂等部件組成，通過對機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析可以將其簡化成如圖1所示的模型。為了方便進(jìn)行驅(qū)動臂、擺桿和指定角度的參數(shù)化，在ADAMS中手動建立簡化的封裝機(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，因此，上述各零件的起始點(diǎn)要進(jìn)行參數(shù)化，通過設(shè)置BC、CD、CE及安裝角度這4個變量，得到其他各點(diǎn)與變量之間的函數(shù)對應(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)動副、移動副、球副等，而根據(jù)約束的種類可將運(yùn)動副分為基本副、低副、特殊副等[4]。零部件之間有相對的運(yùn)動及位置關(guān)系，通過約束能夠互相限制。

1.4確定驅(qū)動

ADAMS會直接根據(jù)驅(qū)動建立約束方程，運(yùn)動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)動情況后，在氣缸活塞桿移動副上添加滑移驅(qū)動，驅(qū)動函數(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

2.1目標(biāo)函數(shù)的建立

在虛擬樣機(jī)創(chuàng)建完成后，需要創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)，這里的目標(biāo)函數(shù)是工作過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，需要測量驅(qū)動MOTION的沖擊力，選擇沖擊力的幅值進(jìn)行測量，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

測量函數(shù)f(t)與約束函數(shù)的添加，使優(yōu)化過程中設(shè)計變量的取值受到一些限制，滿足一定的約束方程，優(yōu)化的過程就是設(shè)計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)的過程。設(shè).work.MEA_PT2PT_3為兩封裝滑塊之間的相對距離函數(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桿的長度值要小于CE桿的長度值，所以建立函數(shù)如下：

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

最后，兩個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，通過軟件導(dǎo)出變量(長度或角度)與時間的對應(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

通過專業(yè)分析軟件ADAMS對活塞桿進(jìn)行最大沖擊力的優(yōu)化。通過優(yōu)化分析得到最大沖擊力的最小值與各個設(shè)計變量之間的關(guān)系。各個設(shè)計變量的最佳值確定后，橫封機(jī)構(gòu)在封裝過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)械制造及自動化。