模板機機架結(jié)構(gòu)剛性優(yōu)化與研究

徐建勇 潘慧英 蔡孔祈 吳俊延 周永光

（1、臺州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，浙江 臺州 318000 2、臺州方圓質(zhì)檢有限公司，浙江 臺州 318000）

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展與人工成本的不斷升高，模板機憑借其獨有的技術(shù)優(yōu)勢迅速發(fā)展成為縫制市場上一匹亮眼的黑馬。它依靠精確的自動控制單元，可以迅速提高縫制質(zhì)量和效率；同時模板機操作簡單，不僅降低了工人數(shù)量也降低了對操作工經(jīng)驗和技能熟練程度的要求[1]。

但眾所周知，模板機產(chǎn)品由于其功能的實現(xiàn)，涉及到多軸聯(lián)動，而且結(jié)構(gòu)尺寸比較大，整體重量大，可達400KG，隨之則會帶來高速送布負載和振動的加大，以及其他譬如針偏等問題。所以，模板機若設(shè)計不合理或者承載剛度設(shè)計不足，將很大程度影響產(chǎn)品的性能指標。模板機機架在整機中起著重要支承作用，對于一個模板機機架的剛度設(shè)計是否最優(yōu)有必要進行一定的優(yōu)化和分析，綜合選擇成本與性能雙優(yōu)的方案。

有限元軟件分析在工程應(yīng)用中是非常有用的輔助工具，在方案的擇優(yōu)選擇上可以避免反復(fù)的樣品測試工作，省時省力[2]。本研究將搭建模板機有限元模型，進行模態(tài)和受力分析，并通過多種機架剛度優(yōu)化方案的對比，選擇最優(yōu)方案。

1 有限元建模與模態(tài)分析

本研究涉及的模板機整機零件非常繁多且復(fù)雜，搭建有限元模型需要進行一定的簡化，選擇在整機中占大部分質(zhì)量的機頭、基座、底板前座和一些必要的連接件，其材料均為灰鑄鐵，各零件用螺栓固定連接，再加上本研究的重點對象機架，機架是由多根空心矩形管焊接而成，此處將其當做一個整體處理。簡化后的幾何模型如圖1 所示。

圖1 模板機簡化幾何模型

1.1 有限元建模

將簡化后的幾何模型導(dǎo)入前處理軟件中，分別對每個零件進行幾何清理，再劃分網(wǎng)格。機殼、基座、底板前座等復(fù)雜鑄件采用四面體3D 網(wǎng)格劃分，機架為重點關(guān)注零件，抽取幾何中面后采用正方形2D 網(wǎng)格劃分，部分過渡區(qū)域采用三角形，然后用剛性單元模擬螺栓連接將各零件固定在一起[3]。

1.2 模態(tài)分析

模板機的工作轉(zhuǎn)速為2000r/min～2500r/min，轉(zhuǎn)換為電機轉(zhuǎn)軸頻率為33.3Hz～41.7Hz。放置地面時，由于機器本身重量級大，在重力作用下，可近似為不可移動。根據(jù)實際工況，為全面準確地掌握整機的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，此處分析模板機有限元裝配體的約束模態(tài)，約束邊界條件設(shè)置為在機架四個支撐腳處建立剛性單元，并約束其6 個自由度[4]。各零件材料及其物理屬性如表1所示。

表1 各零件材料及屬性

將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入求解器軟件計算求解，在后處理模塊查看各階模態(tài)的固有頻率及振型。提取前六階的模態(tài)固有頻率數(shù)據(jù)如表2 所示，其中前三階固有頻率小于電機轉(zhuǎn)軸頻率（33.3Hz～41.7Hz），為避免共振，應(yīng)盡可能提升其低階固有頻率。

表2 模板機有限元裝配體前六階固有頻率

2 模板機針偏問題產(chǎn)生原因及仿真分析

2.1 模板機針偏問題產(chǎn)生原因

模板機由于整機質(zhì)量大，在一處位置調(diào)整好所有工藝參數(shù)后，若挪動到其他位置，在地面不是絕對平整的情況下，無法保證四處機腳均勻受力，此時機架剛度不足則會導(dǎo)致機頭產(chǎn)生相對變形，而機針部件安裝在機頭上，針板部件安裝在基座上，實際工況中兩者由于自身結(jié)構(gòu)屬性，變形量不同，使理論上對準的機針和針板孔發(fā)生相對偏移，即針偏問題。

地面不平時，機架剛度相對不足，基座在Z 方向產(chǎn)生的較大位移，會引起機針在X 方向產(chǎn)生較大偏移，導(dǎo)致針偏問題出現(xiàn)。提升機架剛度減小Z 方向的位移能有效改善機針在X 方向的偏移。模板機發(fā)生較大的針偏變形會嚴重影響產(chǎn)品性能，是不容忽視的質(zhì)量問題。

2.2 仿真模型搭建

鑒于問題造成原因是將機器移動到不平地產(chǎn)生的影響，故將模板機有限元裝配體機腳三個支撐點約束，剩下一個支撐點為自由狀態(tài)，分析在自身的重力影響下，未施加約束機腳處的位移情況，模擬地面不平時機器一個機腳產(chǎn)生變形的工況。由于分析的模型本身左右兩側(cè)質(zhì)量對稱分布，故只需考慮兩種不同的工況，即分別釋放同一側(cè)面的兩個支撐點。在兩種工況下，將靠近機頭尾端的機腳釋放約束，針偏位移更大，故建立仿真模型時，重點分析釋放機頭尾端一處機腳自由度的工況，設(shè)釋放約束的機腳為D 點。

設(shè)置好模型參數(shù)后，利用求解器進行線性靜態(tài)求解，在后處理模塊查看D 點在豎直方向Z 向的位移，D 點在Z 方向的位移量是-1.088mm。

3 機架剛度優(yōu)化設(shè)計

3.1 機架剛度提升方案設(shè)計

根據(jù)以上分析數(shù)據(jù)顯示，機架剛性存在明顯不足，有待提升。結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果中振型方式給出6 種加強方案進行對比分析。

上述設(shè)計的機架剛性提升方案主要是參考桁架的一些設(shè)計思路，在原機架的側(cè)面增加豎直或者傾斜的支撐。下一步運用有限元分析軟件分別建立每一種方案的針偏仿真模型，測量未施加約束的機腳D 點的豎直位移（Z 向）。

3.2 針偏有限元模型對比分析

按照2.2 中所述的針偏仿真分析方法分別建立6 種不同方案的有限元模型，測量D 點的位移數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 模板機針偏模型Z 向變形位移

上述6 個優(yōu)化方案分析對比，改善效果為方案6＞方案3＞方案4＞方案2＞方案5＞方案1＞原方案。其中方案6 改善63.5%，方案3 改善63.2%，方案4 改善63.1%，再結(jié)合加工工藝性和成本最小化考慮，方案4 為最優(yōu)方案。

3.3 最優(yōu)方案模態(tài)分析

從針偏仿真模型方面分析，經(jīng)過多種方案對比，上述方案4為最優(yōu)方案。大幅度增強機架剛性，不僅能有效改善針偏問題，整機的模態(tài)也會有一定程度的提升。現(xiàn)對方案四進行模態(tài)分析驗證，提取前六階的模態(tài)固有頻率數(shù)據(jù)，并與原機架方案模型對比如表4 所示。

表4 模態(tài)分析前六階固有頻率對比

模態(tài)分析數(shù)據(jù)顯示，機架剛性提升方案4 較原機架方案，各階模態(tài)均有顯著提升，尤其是前四階模態(tài)，表明方案4 機架剛性增加對整機的模態(tài)影響也較大，優(yōu)化后整機的最低階固有頻率高于電機轉(zhuǎn)軸頻率（33.3Hz～41.7Hz），一定程度上避免了低頻共振，改善機器振動性能。

4 實際樣品測試

根據(jù)分析結(jié)果，試制機架剛性提升方案4 若干，并裝配成整機與未改善前的原方案對比測試，分別測試振動數(shù)據(jù)和針偏數(shù)據(jù)。

選取三組樣機針偏測試數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 機架優(yōu)化前后針偏測試數(shù)據(jù)記錄表

振動測試時，分別將傳感器安裝在針板平面和機頭端部平面上，測試方向分別為X、Y、Z；讀數(shù)時，待振動測量儀器示值達到周期穩(wěn)態(tài)擺動后，記下讀數(shù)，連續(xù)測試三次，取其位移值的平均值為振動測量值。圖2 為一組機架優(yōu)化前后的振動測試數(shù)據(jù)。

圖2 振動對比測試數(shù)據(jù)

實際樣機測試數(shù)據(jù)表明，將機架剛性增強，整機針偏和振動問題均得到明顯改善。針偏由原來的0.2mm 范圍內(nèi)提升1 倍至0.1mm，振動性能也更優(yōu)。

5 結(jié)論

本文從實際問題出發(fā)，針對模板機本身所存在的振動大，針偏等問題，采用有限元仿真分析手段，綜合模態(tài)分析與受力偏移分析兩方面入手，并通過對多種方案的對比，設(shè)計出性能、成本、制造工藝等各方面綜合最優(yōu)的方案。最后通過實際樣機測試，驗證了方案的可靠性。