凹印聯(lián)機(jī)設(shè)備超大幅面縱向定位的仿真分析

薛元慶

摘要：本文采用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法，對現(xiàn)有工裝進(jìn)行逆向零配件三維建模后，通過有限單元分析法的分析，最終得到兩類符合企業(yè)目前要求聯(lián)機(jī)凹印設(shè)備生產(chǎn)的超設(shè)計規(guī)格（大張）印后工裝，其中關(guān)鍵零配件的設(shè)備改進(jìn)數(shù)據(jù)，并最終完成工裝加工。為提高車間生產(chǎn)大張產(chǎn)品的效率，減少原輔材料損耗，提供相關(guān)工裝改進(jìn)改良過程和設(shè)計探究過程。

關(guān)鍵詞：聯(lián)機(jī)凹??；仿真分析；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TS8；TS83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2021） 06-0047-07

Simulation Analysis of Online Gravure Printing Vertical Positioning with Large Format

XUE Yuan-qing（Shanghai Tobacco Package Printing Co.，LTD， Shanghai 200137， China）

Abstract： Improve the efficiency of the workshop in the production of large-scale products and reduce the loss of raw and auxiliary materials， the related tooling improvement and improvement process requires the design exploration process. Using modern mechanical design method is used to carry out the threedimensional modeling of the reverse parts of the existing tooling， and then the nonlinear analysis by the finite element analysis method.

Key words： gravure printing； non-linear analysis； optimized design

1 課題背景

滿足市場客戶對于某品牌印刷配套需求，深挖設(shè)備潛能，持續(xù)推進(jìn)創(chuàng)新印刷生產(chǎn)方式。（內(nèi)部編號A07機(jī)組）型號為：BOBST Lemanic 2036聯(lián)機(jī)高速凹印設(shè)備。由以往單一的、一次成型印刷方式新增生產(chǎn)模式，印后可再加工的切大張產(chǎn)品生產(chǎn)方式。使印后產(chǎn)品可再次增加附加值，讓原本一次成型設(shè)備轉(zhuǎn)型為復(fù)合加工型印制設(shè)備。

設(shè)備改進(jìn)需求：設(shè)備購置之初，生產(chǎn)配套工裝尺寸為最小盒：70×70mm（長×寬）；最大盒：375×296mm（長×寬）。而新增后的產(chǎn)品規(guī)格需求為：536.80×780.00mm（長×寬），遠(yuǎn)超設(shè)備購置之初的印后工裝作業(yè)規(guī)格尺寸，軟硬件工裝與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不匹配。本文針對設(shè)備改進(jìn)中，整紙堆垛縱向定位工裝這一關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，原先未裝配彈簧的剛性設(shè)計，與改進(jìn)后使用彈簧使其變?yōu)槿嵝约募夹g(shù)點(diǎn)進(jìn)行論述。

2 整紙堆垛縱向定位工裝簡介

如圖1和圖2所示，印后產(chǎn)品（綠色）層疊后經(jīng)傳送皮帶（紅色）傳送。整垛數(shù)量設(shè)置（XXX張/扎），通過整垛分離設(shè)備對產(chǎn)品進(jìn)行堆垛之間加速隔離。處于傳送設(shè)備末端的整紙堆垛縱向定位工裝（藍(lán)色）使印后產(chǎn)品確保產(chǎn)品的縱向堆垛整齊，便于下一步對收齊后的產(chǎn)品進(jìn)行翻檢或進(jìn)行下一步作業(yè)。

3 非線性分析簡介

非線性結(jié)構(gòu)是指：結(jié)構(gòu)的剛度隨著其變形而發(fā)生改變，現(xiàn)實中所有的物理結(jié)果都是非線性的。相對線性分析，只是一種近似，在一定條件下能夠滿足設(shè)計分析要求。但是對于許多結(jié)構(gòu)，例如：沖壓、彈簧、沖體、橡膠緩沖等，僅僅依靠線性分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

4 剛性設(shè)計遇到的問題及分析

4.1 裝配后問題

因產(chǎn)品規(guī)格遠(yuǎn)超設(shè)備購置之初的印后工裝作業(yè)規(guī)格尺寸，通過模仿原購置設(shè)計如圖4所示。對整紙堆垛縱向定位工裝，進(jìn)行符合大張生產(chǎn)規(guī)格的工裝裝配后，生產(chǎn)過程中及易造成產(chǎn)品卷曲，卷曲后的產(chǎn)品造成設(shè)備停機(jī)等故障發(fā)生見圖5。

4.2 原因分析

經(jīng)驗證分析，造成大張產(chǎn)品印后縱向卷曲的原因分別是因為：

1）其在縱向堆垛過程中所造成的沖量作用力遠(yuǎn)大于常規(guī)規(guī)格產(chǎn)品。

2）產(chǎn)品自身重力遠(yuǎn)大于常規(guī)規(guī)格產(chǎn)品。

4.2.1 沖量與動量公式轉(zhuǎn)換

根據(jù)動量公式：p=mv{p：動量（kg/s），m：質(zhì)量（kg），v速度（m/s）}

根據(jù)沖量公式：I=Ft{I：沖量（Ns），F(xiàn)：作用力（N），t：作用時間（s）}

4.2.2 沖量計算

隨機(jī)配套工裝產(chǎn)品有硬盒規(guī)格（98×233mm）與條盒規(guī)格（375×296mm）兩類，下文分析中取產(chǎn)品規(guī)格（536.8×780mm）。

1）原硬盒速度

方式（一）：通過對整垛分離設(shè)備對產(chǎn)品進(jìn)行堆垛之間加速隔離整個過程編碼器的采樣（圖6），視頻錄制為30幀/秒（在此便于文中敘述，該為毫秒單位）錄制時長15分鐘，取周期變化區(qū)間內(nèi)不同數(shù)值記錄。通過視頻編輯軟件進(jìn)行逐幀回放后并予以記錄（表 1），中華硬盒生產(chǎn)車速180分/米，整紙堆垛周期為14s160ms，驗證周期驗證60次。

表1中紅色區(qū)間標(biāo)注為兩垛產(chǎn)品堆垛之間加速隔離，黃色區(qū)域為加速最高轉(zhuǎn)速值2398.7 r/min，藍(lán)色區(qū)域為印后產(chǎn)品層疊傳送值，取藍(lán)色區(qū)域均值為333.8r/min。設(shè)備裝配的是TRelectronic可編程編碼器，型號：QEH81M-12001軸直徑8mm。計算方式：主軸直徑×Π×轉(zhuǎn)速（r/s）：

方式（二）：采用Lutron接觸式轉(zhuǎn)速表，型號DT-2235B對生產(chǎn)車速180m/min的中華硬盒傳送皮帶進(jìn)行測速驗證。實際測量數(shù)據(jù)為穩(wěn)定傳送速度為7.9至8.8（m/min）其傳送過程所產(chǎn)生的速度差請參考表1，加速度最高為59.7（m/min）。

通過兩種不同的驗證方式，所取到的速度接近。在隨后數(shù)據(jù)引用時采用驗證一的數(shù)據(jù)更為精確。

2）新大張產(chǎn)品速度

切大張產(chǎn)品（全開始絨面）驗證（一）：驗證方式與中華硬盒產(chǎn)品相同獲取錄制時長15分鐘，取周期變化區(qū)間內(nèi)不同數(shù)值記錄。記錄數(shù)據(jù)（表2），切大張穩(wěn)定生產(chǎn)車速100分/米，整紙堆垛周期為20s120ms，驗證周期驗證45次，求得兩垛產(chǎn)品隔離前編碼器轉(zhuǎn)速平均值為171.4r/min。

與之間方式相同計算：

方式（二）：與中華硬盒相同。實際測量數(shù)據(jù)為穩(wěn)定傳送速度為4至4.5（m/min）其傳送過程所產(chǎn)生的速度差加速度最高為59.8（m/min）。

通過兩種不同的驗證方式，所取到的速度接近。在隨后數(shù)據(jù)引用時采用驗證（一）的數(shù)據(jù)更為精確。

3）質(zhì)量與作用時間

稱重使用精度1g的上海英展機(jī)電企業(yè)出品的電子秤。硬盒產(chǎn)品每張產(chǎn)品為0.005kg/張，切大張產(chǎn)品為0.104kg/張。

力的作用時間其最終達(dá)到的加速度值基本相同，所以最終形成鈑金撞擊時間基本相同，（在可生產(chǎn)規(guī)格產(chǎn)品時）與長度無關(guān)。在此取均值為0.1s。

4）沖量結(jié)果（最大值）

4.2.3 重力仿真

從圖7可見，生產(chǎn)過程產(chǎn)品處于傳送皮帶高度高于整紙機(jī)構(gòu)60mm。其掉落過程也會因自身重力原因產(chǎn)生微量的產(chǎn)品卷曲變形。

分析中的材質(zhì)定義詳見表3。

受自身重力下落時間，定義縱向兩端為固定。勻速傳送結(jié)束至編碼器轉(zhuǎn)速峰值之間時間差該時間段內(nèi)的產(chǎn)品總數(shù)，求出單張產(chǎn)品時間。以硬盒產(chǎn)品堆垛設(shè)置為400張/扎，其單張時間：（11.480-10.120）400=0.0034s。切大張產(chǎn)品設(shè)置為每50張產(chǎn)品一垛，單張時間：（18-15.480）50=0.05s。具體后處理云圖（詳見圖8、圖9）。

分析結(jié)論：因硬盒產(chǎn)品通過實踐，低于軟件最小設(shè)置步長0.01s，取分析步長1，時間為0.01s。其型變量為1.527e-06=0.000001527mm。大張產(chǎn)品通過時間取最接近通過時間步長2，時間0.04s。型變量為1.826e-04=0.0001826。大張產(chǎn)品的在掉落過程中的型變量遠(yuǎn)高于硬盒產(chǎn)品。

5 優(yōu)化方案

5.1 由剛性設(shè)計改為柔性設(shè)計

上列圖片（圖10、圖11、圖12）分別表示根據(jù)大張產(chǎn)品規(guī)格的初次改進(jìn)設(shè)計為螺栓與鈑金結(jié)構(gòu)的剛性結(jié)構(gòu)，以及根據(jù)問題產(chǎn)生從而改進(jìn)設(shè)計的兩套柔性接觸結(jié)構(gòu)，改進(jìn)設(shè)計后的拉伸、壓力彈簧采用相同結(jié)構(gòu)碳素鋼絲II材質(zhì)，其彈簧中徑設(shè)置為8mm。

下述兩類彈簧件分析中的材質(zhì)定義詳見表4。

5.2 拉伸彈簧設(shè)計分析

如圖13所示，當(dāng)產(chǎn)品撞擊于定位鈑金后，因拉伸彈簧結(jié)構(gòu)，會造成鈑金件有開閉過程。采用非線性軟件分析，主要針對產(chǎn)品沖擊力造成的拉伸彈簧形變量。單張產(chǎn)品厚度0.3mm，大張產(chǎn)品設(shè)置每垛50張產(chǎn)品，高度為單張產(chǎn)品0.3mm×50=15mm。整紙堆垛過程，確保拉伸彈簧的形變量因小于15mm。

根據(jù)4.2.3描述的重力仿真中采用的作用時間取0.5秒，對拉伸彈簧進(jìn)行優(yōu)化分析，分別由上列圖片顯示。截面1mm拉伸變形量為59.39mm，1.5mm為23.65mm，截面積2mm為7.724mm。根據(jù)圖13測量，截面積為1.5mm與2mm此兩種彈簧適用于該類設(shè)計。

5.3 壓力彈簧設(shè)計分析

由圖20及21所示，采用另一種柔性結(jié)構(gòu)壓力彈簧。圖21，綠色、藍(lán)色區(qū)域為該機(jī)構(gòu)剛性螺栓固定結(jié)構(gòu)，另一塊鈑金受產(chǎn)品沖擊力，兩者間彈簧起緩沖沖擊力結(jié)構(gòu)。同樣借用4.2.3重力仿真中的沖擊力時間0.5s，選擇最接近的步長7，沖擊力受壓變形最多部分分配于受力鈑金上，兩鈑金間距離相對減少0.4498mm，適用于生產(chǎn)，且能確保大張產(chǎn)品縱向定位達(dá)到高速生產(chǎn)需求（如圖22所示）。

6 結(jié)論

采用三維設(shè)計軟件建模、分析。軟件仿真分析后，可從后處理總得到各類數(shù)據(jù)，而這類數(shù)據(jù)在實際工程應(yīng)用中又難以測量得到。通過仿真計算，可直觀了解設(shè)計裝配件的仿真運(yùn)動軌跡。仿真模擬的結(jié)果基本和實際生產(chǎn)相符。本文主要敘述，今后如何在凹印工程上，引用機(jī)械行業(yè)所采用的仿真分析，提供了借鑒。

在之后生產(chǎn)過程中裝配壓力彈簧設(shè)計裝配件進(jìn)行切大張產(chǎn)品縱向定位效果良好，為企業(yè)在進(jìn)行聯(lián)機(jī)凹印復(fù)合加工印制過程中，極大地降低了成本，減少損耗。

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