基于Solidworks的試卷袋密封施膠裝置的建模與仿真分析

單光 何邦貴 王超

摘 ?要： 借助Solidworks軟件，來設(shè)計(jì)模擬試卷袋施膠裝置的結(jié)構(gòu)，對(duì)部件進(jìn)行三維建模和模型裝配，并利用Solidworks Simulation插件對(duì)取膠輥進(jìn)行受力分析，以及Motion插件對(duì)整個(gè)試卷袋施膠機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出數(shù)據(jù)以及仿真結(jié)果有助于我們分析試卷袋施膠機(jī)構(gòu)的可行性，其中有限元分析計(jì)算，使我們對(duì)所設(shè)計(jì)方案能夠更好地進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞： 施膠裝置;Solidworks;建模;仿真

中圖分類號(hào)： TP391 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.028

本文著錄格式：?jiǎn)喂?，何邦貴，王超，等. 基于Solidworks的試卷袋密封施膠裝置的建模與仿真分析[J]. 軟件，2019，40（8）：117122

【Abstract】： With the help of Solidworks software， we designed the structure of the paper bag casting device， modeled and assembled the parts in three dimensions， analyzed the force of the roller applying using the Solidworks Simple plug-in， and simulated the motion of the entire paper bag casting mechanism. The data obtained and the simulation results can help us to analyze the feasibility of the paper bag casting mechanism， and the finite element analysis and calculation can make us better evaluate the design scheme.

【Key words】： Gelling device; Solidworks; Modeling; Simulation

0 ?引言

試卷印制主要由保密印刷廠來印制，不僅要保證試卷的印刷質(zhì)量，還要保證在整個(gè)生產(chǎn)過程中安全性、保密性以及時(shí)效性，防止失、泄密事件的發(fā)生[1]。在試卷的生產(chǎn)印制過程中，保密出現(xiàn)問題，將產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果，尤其是一些國(guó)家級(jí)考試和省級(jí)考試環(huán)節(jié)，對(duì)于考試保密級(jí)別要求相當(dāng)高，國(guó)家保密局對(duì)試卷印制企業(yè)有著嚴(yán)格的資質(zhì)審查，目前具備印制試卷資質(zhì)的企業(yè)數(shù)量有限[2]。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)考查和調(diào)研，由于試卷印制的特殊性，尚未發(fā)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)或個(gè)人對(duì)試卷印制技術(shù)進(jìn)行研究，目前試卷袋采用手工刷膠，整個(gè)試卷的生產(chǎn)效率過緩，生產(chǎn)質(zhì)量不高，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)[2]。仍有許多生產(chǎn)人員能夠接觸試卷內(nèi)容，試卷印制企業(yè)需要對(duì)參與試卷生產(chǎn)的人員進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的入閨管理，直至考試結(jié)束才能解闈。

因此，我們利用Solidworks來設(shè)計(jì)一臺(tái)自動(dòng)密封施膠裝置，將三維建模用于設(shè)計(jì)的前期方案設(shè)計(jì)階段，然后對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)設(shè)計(jì)出的機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并對(duì)施膠輥進(jìn)行受力分析，確定該取膠輥的剛度以及偏移度，對(duì)整體裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和可操作性。利用Solidworks對(duì)相關(guān)的試卷袋施膠裝置的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和指導(dǎo)。

1 ?試卷袋施膠裝置的三維建模

1.1 ?工作原理分析

施膠裝置的主要功能是將膠水涂抹在試卷袋中間位置，施膠寬度與密封簽的寬度一致，人工施膠是使用跟密封簽寬度一樣的刷子，將刷子蘸膠水，然后均勻的將膠水刷在試卷袋需要粘貼密封簽的位置上。所以施膠裝置的工作原理為取膠、上膠、施膠三個(gè)步驟，并且必須保證施膠均勻。目前已有的有刷子施膠，滾輪施膠，圓盤施膠，每種施膠裝置的應(yīng)用場(chǎng)合不一樣，施膠方式也不一樣，施膠原理也各有千秋，有其優(yōu)勢(shì)也有其不足之處。經(jīng)過分析試卷袋施膠具體場(chǎng)景，分析出其工作原理是將液體膠放在盛膠盒里，通過滾輪傳輸膠水，在通過橡膠輥二次均勻膠水，最后通過施膠輥將膠水施加在試卷袋上。如下圖1所示試卷袋施膠位置圖，圖中綠色為施膠位置。

1.2 ?零件構(gòu)建

根據(jù)試卷袋施膠的工作原理，利用Solidworks構(gòu)建施膠裝置的三維模型，所設(shè)計(jì)的施膠裝置主要包括取膠輥、傳膠輥、施膠輥、滾動(dòng)軸承、齒輪、支座、盛膠盒、電機(jī)等構(gòu)成。其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源由電機(jī)提供，通過電機(jī)來帶動(dòng)取膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過取膠輥上的齒輪帶動(dòng)傳膠輥上齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到將取膠輥上的膠水均勻的轉(zhuǎn)移到傳膠輥上，然后通過傳膠輥上的齒輪帶動(dòng)施膠輥上的齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，將傳膠輥上膠水轉(zhuǎn)移的施膠輥上，在壓力、摩擦力作用下將膠水轉(zhuǎn)移到試卷袋上，即完成整個(gè)施膠過程。

當(dāng)完成初步結(jié)構(gòu)分析后，即可利用Solidworks進(jìn)行三維模型的建立，在草圖中繪制二維平面輪廓，通過拉伸命令，形成初步的模型，然后通過旋轉(zhuǎn)，以及各種Solidworks命令即可初步構(gòu)建模型。每個(gè)零件都用Solidworks進(jìn)行構(gòu)建，設(shè)置好各自尺寸，即完成建模，如下圖2所示的取膠輥。其中的齒輪可以從零件庫(kù)里提取，通過改變齒輪模數(shù)、齒輪的其他參數(shù)，就可以得到自己所需的齒輪，如下圖3所示的齒輪。

在Solidworks中，通常用的零件構(gòu)建功能就是草圖繪制，拉伸，切除，打孔，倒圓，有的零件可以直接從零件庫(kù)里選取標(biāo)準(zhǔn)件，通過改變標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)即可得到自己所需的零件，這種建模效率更高，得到的零件更為標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 ?整體裝配

將所有的零件繪制完畢后，通過Solidworks新建裝配體功能，將零件導(dǎo)入裝配體，按各零件之間的配合關(guān)系進(jìn)行裝配，通過各零部件的裝配形成一個(gè)完整的三維裝配結(jié)構(gòu)模型，通過拖動(dòng)鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)視圖，可以觀察整個(gè)裝配體的構(gòu)造、配合關(guān)系。

打開Solidworks軟件，新建裝配體，命名為施膠裝置。按設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將取膠輥、傳膠輥、施膠輥、滾動(dòng)軸承、齒輪、支座、盛膠盒、電機(jī)等利用配合命令重合、平行、垂直、相切、同軸心建立約束關(guān)系。使取膠輥與傳膠輥保持相切，并且傳膠輥、取膠輥、施膠輥通過同軸心命令與滾動(dòng)軸承固定。其余各部件、零件按相應(yīng)的約束關(guān)系進(jìn)行配合，即可得到一個(gè)裝配體，最后加裝一個(gè)主動(dòng)力電機(jī)。

裝配完成后再次檢驗(yàn)裝配約束關(guān)系是否正確，在Solidworks配合關(guān)系一欄，看配合是否出現(xiàn)紅色或者黃色。若出現(xiàn)則表示某一零件相應(yīng)尺寸、配合關(guān)系不合理導(dǎo)致裝配缺陷或者錯(cuò)誤。并且在裝配關(guān)系中，可以單獨(dú)選中某個(gè)需要從新設(shè)計(jì)的零件，點(diǎn)擊該零件進(jìn)行修改然后保存，同樣在這個(gè)裝配體中，該零件也會(huì)在裝配體中從新構(gòu)建，檢查裝配體關(guān)系，其他配合約束關(guān)系不會(huì)受到影響。

1.4 ?干涉檢查

在利用Solidworks構(gòu)建三維模型時(shí)由于直觀、配合、設(shè)計(jì)、計(jì)算等因素，各零部件之間會(huì)出現(xiàn)干涉狀況，通過Solidworks中的評(píng)估下的干涉檢查命令來對(duì)裝配體進(jìn)行檢查，通過干涉功能。進(jìn)入干涉檢查時(shí)，單擊計(jì)算命令，這樣就可以對(duì)整個(gè)裝配體進(jìn)行干涉檢驗(yàn)[3]。若存在干涉情況，則裝配體中干涉零件會(huì)顯示為紅色，這樣就需要回零件里進(jìn)行相應(yīng)修改。

利用干涉檢查，將整個(gè)模型存在的干涉排除，這樣就能避免在實(shí)際生產(chǎn)過程中，各軸、孔、齒輪配合不精準(zhǔn)，需要反復(fù)打磨加工來滿足安裝精度，減少了人力、物力不必要的浪費(fèi)。

同時(shí)也為下一步正確的分析數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)仿真提供必要先決條件[4]。這樣能夠避免各膠輥之間產(chǎn)生干涉，相互阻擋摩擦，或者各部件之間卡死不能運(yùn)轉(zhuǎn)等情況。

2 ?對(duì)試卷袋施膠裝置進(jìn)行受力分析與仿真

2.1 ?取膠輥受力分析

在Solidworks中，Solidworks Simulation可以預(yù)測(cè)零件在承載下性能如何，并可以檢測(cè)在設(shè)計(jì)周期可能出現(xiàn)的問題，通過給零件添加應(yīng)用載荷和夾具，并指定材料。對(duì)零件進(jìn)行分析，可以查看結(jié)果。所有這些信息都包括在Simulations算例中。大部分分析問題要求有綜合性分析產(chǎn)品，在最終通過設(shè)計(jì)之前進(jìn)行精確且完整的實(shí)時(shí)模擬。使用強(qiáng)大且全面的Solidworks Simulations能夠具有高效的評(píng)估性能、提高質(zhì)量和推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新[5]。

此次構(gòu)建的模型主要用于模擬取膠輥的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。使用Solidworks中的Simuation功能來分析取膠輥的剛度和受力情況，以確保取膠輥能取膠，并且能傳輸膠水，保證與傳膠輥之間的接觸，在運(yùn)轉(zhuǎn)中不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件形態(tài)。通過分析能夠確定軸能夠承受軸本身和膠輥的質(zhì)量，并且能夠保證在傳膠輥載荷作用下時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生過大的偏移。利用受力分析可以解決設(shè)計(jì)過程諸多不確定性和數(shù)據(jù)不足的特點(diǎn)[6]。

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，目前有很多公司設(shè)計(jì)研發(fā)出了多款受力分析軟件，比如3D3S，PKPM，staad，sap 2000，anisys以及各種三維建模軟件自帶的受力分析插件。這些軟件核心原理基本相同，采用化整為零方法，即將各自建立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分成很多小塊，每一小塊受不同載荷。最后將每一個(gè)相關(guān)的受力小塊單元進(jìn)行疊加，受力分析由一個(gè)單元變成一個(gè)整體，這樣就可以分析在受載荷情況下的變形、受力情況等靜力學(xué)特性，并計(jì)算出整個(gè)三維模型的特性，稱為有限元分析計(jì)算[7]。由于實(shí)際有限元分析受力單元多，分布面廣，且重疊性突出的特點(diǎn)，都借助于相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，通過計(jì)算機(jī)輔助軟件分析為工程設(shè)計(jì)者提供了便利，減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作量，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度。在這些受力分析軟件中Solidworks Simulation操作界面簡(jiǎn)單，使用方便，性能突出。

為對(duì)模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算，對(duì)實(shí)體模型網(wǎng)格化，網(wǎng)格劃分大的小和屬性參數(shù)對(duì)最終有限元分析結(jié)果的精度有很大的影響。在使用Solidworks Simulations進(jìn)行受力分析時(shí)，需要進(jìn)行6個(gè)步驟操作，分別是夾具、載荷、材料、運(yùn)行、結(jié)果、優(yōu)化。①添加夾具：應(yīng)用夾具以阻止零件在應(yīng)用載荷時(shí)移動(dòng);②載荷：添加壓力或者添加力;③材料：對(duì)三維模型應(yīng)用材料;④運(yùn)行：使用默認(rèn)設(shè)置求解或者調(diào)整設(shè)置求解;⑤結(jié)果：顯示vonMises應(yīng)力，顯示位移，顯示安全系數(shù);⑥優(yōu)化。

對(duì)取膠輥進(jìn)行受力分析時(shí)，先添加夾具，將取膠輥兩端軸固定，（在這里將帶有夾具的面視為完整剛性）。然后在受力的輥區(qū)域施加受力大小和受力方向，選擇合金鋼材料，并應(yīng)用進(jìn)行運(yùn)行模擬，這時(shí)候出現(xiàn)動(dòng)畫模擬，停止動(dòng)畫，顯示運(yùn)行結(jié)果。首先顯示vonMises應(yīng)力，然后顯示位移，最后顯示安全系數(shù)。如下圖8所示，綠色箭頭表示兩端添加夾具示意，紅色箭頭表示輥軸受重力、壓力示意。如下圖9所示，應(yīng)用合金鋼材料。如下圖10所示，在力的作用下運(yùn)行圖。如下圖11所示，為vonMises應(yīng)力圖。如下圖12所示，為位移顯示。如下圖13所示，為安全系數(shù)。

由圖8可知，使用材料為合金鋼，該材料的楊氏模量為2.1e+011 N/m2，其屈服強(qiáng)度為6.20422 e+ 008 N/m2。由圖10可知，該取膠輥運(yùn)行時(shí)，最大位移偏移出現(xiàn)在中部位置處。由圖11可知，該取膠輥靜應(yīng)變變形比例為1.25977 e+007 N/m2。由圖12所示，該取膠輥由軸兩端到中間位置位移量逐漸增大。

由圖13所示，該取膠輥在應(yīng)力作用下，其受力范圍仍處于安全系數(shù)范圍內(nèi)。綜上所示，設(shè)計(jì)的取膠輥的應(yīng)變變形比例小于選用材料的楊氏模量和屈服強(qiáng)度，偏移量符合設(shè)計(jì)要求。研究分析結(jié)果與取膠輥實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)相符合，這進(jìn)一步驗(yàn)證了借助Solidworks輔助設(shè)計(jì)的可行性，得出了有效的數(shù)據(jù)和信息[8]。

2.2 ?運(yùn)動(dòng)仿真

借助Solidworks Motion工具仿真，通過三維模型的動(dòng)態(tài)展示從而直觀地反映施膠裝置的運(yùn)行情況，取膠輥在電機(jī)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)傳膠輥運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)施膠輥旋轉(zhuǎn)，最終在施膠輥與試卷袋的擠壓摩擦力作用下，將膠水轉(zhuǎn)移到試卷袋上。通過運(yùn)動(dòng)仿真可以檢測(cè)當(dāng)前各部件的運(yùn)動(dòng)性能，從各結(jié)構(gòu)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分析出其結(jié)構(gòu)的合理性，并檢測(cè)出該設(shè)計(jì)方案的可行性，也有助于檢驗(yàn)各零件之間的配合情況，從而依據(jù)仿真結(jié)果來優(yōu)化完善施膠裝置的設(shè)計(jì)。

在Solidworks中對(duì)施膠裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，首先打開左下角的運(yùn)動(dòng)算例，在插件選項(xiàng)中添加Solidworks Motion插件，選擇Motion分析，拖動(dòng)裝配體鍵碼，根據(jù)需要確定時(shí)長(zhǎng)，由于該施膠裝置是通過電機(jī)來帶動(dòng)，通過添加馬達(dá)，選取取膠輥?zhàn)鳛樾D(zhuǎn)零件，并選定轉(zhuǎn)動(dòng)方向，確定轉(zhuǎn)速，并確認(rèn)保存，添加接觸，使用接觸組，選取傳膠輥和軸承，并填寫參數(shù)確認(rèn)保存，添加引力，根據(jù)取膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)方向確定引力方向，最終添加軌跡繪制，并進(jìn)行計(jì)算，結(jié)束后導(dǎo)出軌跡路徑。

在Solidworks Motion分析中，可以方便調(diào)整模型的運(yùn)動(dòng)速度，使設(shè)計(jì)者能夠直觀的觀察模型運(yùn)動(dòng)的完整情況，可以確定裝配過程中各約束是否正確，是否產(chǎn)生干擾，是否聯(lián)動(dòng)，并可以通過設(shè)定時(shí)長(zhǎng)以及任意選擇時(shí)間點(diǎn)來觀察某一時(shí)刻模型的狀態(tài)。由圖15知，通過拖動(dòng)鍵碼來確保取膠輥運(yùn)動(dòng)，通過圖16知，添加馬達(dá)，保證取膠輥為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，與傳膠輥接觸，傳膠輥與施膠輥接觸，并設(shè)置材料，各輥軸均有重力，通過計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例，最后得出運(yùn)動(dòng)軌跡圖，顯示與試卷袋接觸點(diǎn)為一條直線，符合施膠裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)，將膠水施加在試卷袋上，并成均勻直線。通過運(yùn)動(dòng)模擬仿真分析，所設(shè)計(jì)的施膠裝置符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿足施膠實(shí)際目標(biāo)。通過Solidworks Motion運(yùn)動(dòng)仿真減少資源的消耗，提高模型的復(fù)用率，保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量[9]。

3 ?結(jié)論

本文通過Solidworks軟件進(jìn)行零件構(gòu)建，然后利用Solidworks對(duì)零件進(jìn)行裝配形成完整的裝配體，并進(jìn)行了干涉檢查。利用Solidworks Simulations對(duì)施膠裝置中重要構(gòu)件取膠輥進(jìn)行了受力分析，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)能夠承受所受應(yīng)力。而且通過Solidworks Motion對(duì)整個(gè)施膠裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，確定該裝置能夠在試卷袋上直線均勻施膠，符合設(shè)計(jì)需要。通過利用Solidworks設(shè)計(jì)施膠裝置的三維模型，直觀的展示了施膠裝置的外部構(gòu)造和各部件之間的配合關(guān)系，擺脫了對(duì)實(shí)際物理樣品的依賴，通過Solidworks Simulations分析了取膠輥的受力情況，保證了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料的合理性，最后通過Solidworks Motion對(duì)施膠裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了該裝置傳動(dòng)的合理性以及各部件配合的協(xié)調(diào)性。通過Solidworks軟件加快了設(shè)計(jì)的進(jìn)度，節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間，保證了設(shè)計(jì)的可靠性，驗(yàn)證了方案的可行性和正確性[10]。

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