基于ADAMS的包裝箱翻轉(zhuǎn)裝置優(yōu)化設計及仿真分析

姜錦華　崔向貴　張繼忠　張?zhí)┰?/p>

摘要：針對人工翻轉(zhuǎn)包裝箱時存在勞動強度大、效率低等問題，設計了一種包裝箱自動翻轉(zhuǎn)裝置，采用兩組曲柄搖塊機構將氣缸活塞桿的往復移動轉(zhuǎn)換為左、右翻板的90°翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了包裝箱的兩次90°翻轉(zhuǎn)功能。為減小裝置翻轉(zhuǎn)所需的氣缸最大驅(qū)動力，利用ADAMS軟件在給定的設計變量范圍內(nèi)對優(yōu)化目標進行求解。研究結(jié)果表明，翻轉(zhuǎn)機構優(yōu)化后，初始翻轉(zhuǎn)抬升瞬間所需最大驅(qū)動力減小了25.6%，仿真分析驗證了優(yōu)化后的機構參數(shù)滿足預期要求和結(jié)構設計需要，工作效率得到了有效提升。

關鍵詞：翻轉(zhuǎn)裝置；曲柄搖塊機構；優(yōu)化設計；仿真

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A

翻轉(zhuǎn)裝置應具有輕巧靈活、操作簡單、安全可靠等特點，使輸送和搬運工作更加平穩(wěn)有效。根據(jù)最大翻轉(zhuǎn)角度，翻轉(zhuǎn)裝置分為90°翻轉(zhuǎn)機和180°翻轉(zhuǎn)機，常見翻轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構類型有框架式、皮帶式、鏈條式等［1］。由于裝滿金屬零件的箱體質(zhì)量較大且每天需要翻轉(zhuǎn)的數(shù)量較多，采取人工翻轉(zhuǎn)效率低下，且具有一定的危險性。近年來出現(xiàn)很多類型的翻轉(zhuǎn)機構，如液壓鉸鏈翻轉(zhuǎn)機構利用轉(zhuǎn)軸將電機與翻轉(zhuǎn)輪相連，在8個定位塊固定作用下，通過電機驅(qū)動，每45°實現(xiàn)一次翻轉(zhuǎn)［2］；或利用雙曲柄連桿滑塊機構，通過氣缸往復移動，實現(xiàn)藥筒水平與傾斜的狀態(tài)變化［3］。這類機構結(jié)構相對簡單，工作狀態(tài)穩(wěn)定，適用于小型工件生產(chǎn)線。對于翻轉(zhuǎn)機構及連桿機構的優(yōu)化問題，優(yōu)化方法各有優(yōu)缺點，如通過對翻轉(zhuǎn)機構的結(jié)構分析以優(yōu)化尺寸，這種非參數(shù)化方法不方便修改，缺少直觀的數(shù)據(jù)支撐［4-5］。目前大部分優(yōu)化設計利用MATLAB和ADAMS/View等計算機軟件求解，采用參數(shù)化方法可以更精確的完成復雜機械的設計，不僅能夠快速生成方案而且便于修改，具有很好的運算優(yōu)勢，但并不適用于參數(shù)和決策變量為雙下標變量問題，還需在基本的數(shù)學模型的基礎上進行變換才能求解，有一定的局限性［6-8］；另有研究利用ADAMS/View軟件，在目標函數(shù)基礎上建立相應約束，以實現(xiàn)優(yōu)化設計［9-18］。對比這些優(yōu)化方法可知，基于ADAMS的優(yōu)化設計不用推導繁瑣的運動學、動力學方程，是比較理想的優(yōu)化方法。由于曲柄搖塊機構具有傳遞動力大、壽命長、結(jié)構簡單等特點［19］，本文設計的包裝箱自動翻轉(zhuǎn)裝置采用曲柄搖塊機構，利用ADAMS/View對單目標進行優(yōu)化與仿真分析，該方案既節(jié)省驅(qū)動力又滿足防干涉、控制沖擊等要求，提高了翻轉(zhuǎn)效率。

1翻轉(zhuǎn)裝置工作原理

包裝箱結(jié)構及包裝要求如圖1所示，翻轉(zhuǎn)機構工作時，首先左側(cè)曲柄搖塊機構驅(qū)動左翻板包裝箱向左翻轉(zhuǎn)90°，使得包裝箱立起，以方便纏繞第1圈膠帶，之后左側(cè)翻板的彎板帶動包裝箱復位回到水平位置。接下來右側(cè)曲柄搖塊機構驅(qū)動右翻板將包裝箱向右翻轉(zhuǎn)90°，包裝箱再次立起，以方便在對稱位置纏繞第2圈膠帶，最后右側(cè)翻板的彎板帶動包裝箱復位回到水平位置實現(xiàn)所有預期功能。

如圖2所示，在大小為900×600×760 mm的機架上，翻板置于平板凹槽內(nèi)，翻轉(zhuǎn)裝置采用兩組曲柄搖塊機構將氣缸活塞桿的往復移動轉(zhuǎn)換為左、右翻板的90°翻轉(zhuǎn)，鉸鏈圍繞鉸鏈點做旋轉(zhuǎn)運動。I型單肘接頭兩端分別與氣缸活塞桿和翻板鉸鏈座相連，鉸鏈座固定于翻板下方。為減小包裝箱在基板上移動過程中的摩擦阻力，在翻轉(zhuǎn)臺基板上安裝有成組的牛眼輪，將包裝箱與基板之間的滑動摩擦改變?yōu)闈L動摩擦。將尺寸為320×130×240 mm，質(zhì)量為60 kg的包裝箱放置于機架上，利用牛眼輪移動至翻板對應位置，在氣缸驅(qū)動作用下氣缸活塞桿向上移動，帶動翻板抬升實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運動，使包裝箱從水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到豎直90°狀態(tài)?；鍍蓚?cè)安裝有限位板，可以防止包裝箱在左、右翻板翻轉(zhuǎn)過程中由于慣性而出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)過度，發(fā)生傾倒。

2 翻轉(zhuǎn)機構參數(shù)化建模

ADAMS參數(shù)化設計基礎是設計變量的參數(shù)化，即以約束方程為邊界條件，給出設計變量的變化范圍和優(yōu)化目標的最優(yōu)解［20］，本次設計的優(yōu)化目標是使氣缸驅(qū)動力達到最小值。

2.1 翻轉(zhuǎn)機構模型簡化

曲柄搖塊機構是包裝箱自動翻轉(zhuǎn)裝置實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能的重要組成部分，主要由翻板、鉸鏈、氣缸等組成。在參數(shù)化建模前，首先對翻轉(zhuǎn)機構進行簡化處理，簡化后的模型如圖3所示。

在ADAMS/View中，各設計點的初始位置坐標是翻轉(zhuǎn)機構參數(shù)化建模的主要參數(shù)，各設計點的空間位置和相互關系是建模的關鍵。以圖3中鉸鏈點O為原點建立笛卡爾直角坐標系XOY，點A位于X軸正方向，與點O處于同一水平線，其余點均位于Y軸負方向，表1為各初始設計點坐標。

利用創(chuàng)建完成的設計點分別創(chuàng)建曲柄、氣缸桿、氣缸構件，更改各構件名稱，方便添加約束和驅(qū)動。根據(jù)各構件之間的運動關系，添加固定副、移動副和轉(zhuǎn)動副，在氣缸處添加驅(qū)動，至此翻轉(zhuǎn)機構的參數(shù)化模型創(chuàng)建完成，如圖4所示。

2.2 添加設計變量

由圖3，將氣缸水平方向的坐標（E點橫坐標）設置為變量DV_1，豎直方向的坐標（E點縱坐標）設置為變量DV_2，曲柄夾角設置為變量DV_AOB，曲柄的長度設置為變量DV_OB。根據(jù)各位置點之間存在的線性關系，創(chuàng)建完成表2中各設計點坐標和設計變量坐標。

翻轉(zhuǎn)機構設計變量初始值及給定的變化范圍見表3。

2.3 添加約束條件

圖5為翻板運動到90°位置的運動簡圖。在翻轉(zhuǎn)機構正常工作的一個運動周期內(nèi)，末端終止的理想位置角位移應為90°。

基于各點相對位置關系，得到鉸鏈點O到氣缸的垂直距離h與各設計變量間的線性關系

其中，l為曲柄OB的長度，γ為曲柄夾角AOB，x6、y6分別為E點的橫坐標和縱坐標，h為O到BE的垂直距離?；?，得

（1）結(jié)合機構運動實際要求，為防止翻轉(zhuǎn)過程中氣缸桿與翻板干涉，根據(jù)結(jié)構設計要求給出h值的最小約束：hmin＞35 mm；

（2）在翻轉(zhuǎn)過平衡位置后，重力開始作為驅(qū)動力帶動包裝箱翻轉(zhuǎn)至鉛錘位置，由于實際工作過程中氣缸提供的驅(qū)動力是不變的，所以為了防止產(chǎn)生過大沖擊，應盡可能減小力臂，結(jié)合機構尺寸要求給出h值最大約束：hmax＜65 mm。

3 優(yōu)化設計

優(yōu)化設計時，通常有三種約束函數(shù)：measure，result set component，ADAMS/View function。根據(jù)實際情況，需要對翻轉(zhuǎn)至90°位置時鉸鏈點O到氣缸的垂直距離h進行約束，故采用第一種約束方法。根據(jù)設定的參數(shù)，在ADAMS中輸入測量對象、設計變量、優(yōu)化目標、約束條件等，經(jīng)過多次迭代優(yōu)化，得到一組最優(yōu)解，見表4。

由圖6仿真曲線可以看出，在翻轉(zhuǎn)過程中所需驅(qū)動力不斷減小，峰值出現(xiàn)在初始抬升瞬間，優(yōu)化后，翻轉(zhuǎn)機構的氣缸驅(qū)動力得到了明顯優(yōu)化，最大驅(qū)動力由945.75 N減小到703.44 N，減小了25.6%，有效的提高了翻轉(zhuǎn)機構的傳力性能。

4 翻轉(zhuǎn)機構動力學仿真分析

根據(jù)優(yōu)化后得到的最優(yōu)參數(shù)修改翻轉(zhuǎn)機構零件尺寸，完成裝配，建立新的翻轉(zhuǎn)機構三維模型，優(yōu)化后翻轉(zhuǎn)機構簡圖如圖7所示。對簡化后的模型添加約束和驅(qū)動，完善虛擬樣機模型。在模型中新建320×130×240 mm的包裝箱立方體，定義質(zhì)量為60 kg，完成作用力添加。通過仿真運行，得到翻轉(zhuǎn)過程中所需理想驅(qū)動力變化情況，如圖8所示。

可知，氣缸所需理想驅(qū)動力隨翻轉(zhuǎn)過程逐漸減小，在初始抬升瞬間驅(qū)動力達到峰值，經(jīng)仿真可知此虛擬樣機中峰值驅(qū)動力約為719.8 N，與優(yōu)化結(jié)果對比基本一致，誤差在合理范圍內(nèi)，驗證了翻轉(zhuǎn)機構參數(shù)化建模和優(yōu)化設計的正確性。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后的翻轉(zhuǎn)機構驅(qū)動力變化情況與預期結(jié)果基本一致，機構既實現(xiàn)了在翻轉(zhuǎn)過程中減小驅(qū)動力的目標，同時滿足了機構工作過程中不存在裝置干涉和過大沖擊的要求。

5 結(jié)論

本文以曲柄搖塊機構為基礎，提出了一種包裝箱自動翻轉(zhuǎn)裝置的設計方案。利用ADAMS軟件，通過參數(shù)化設計對翻轉(zhuǎn)機構進行優(yōu)化，得到了一組最優(yōu)機構尺寸，以最優(yōu)解參數(shù)修改模型建立虛擬樣機，最終實現(xiàn)了在滿足約束條件下減小氣缸驅(qū)動力的目的，提升了裝置翻轉(zhuǎn)能力。經(jīng)過仿真分析可知，最優(yōu)解滿足設計要求，該裝置具有應用可行性。在后續(xù)研究中，應著重考慮關鍵受力位置鉸鏈疲勞分析等問題，完善機構優(yōu)化內(nèi)容。

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Optimal Design and Simulation Analysis of Box Flipping Device Based on ADAMS

JIANG Jin-hua， CUI Xiang-gui， ZHANG Ji-zhong， ZHANG Tai-yuan

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China）

Abstract： An automatic box flipping device was designed for the manual flipping of the box， there was a problem of high labor intensity and low efficiency. Two sets of crank rocker mechanisms were used to convert the reciprocating movement of the cylinder piston rod into a 90° flip of the left and right flaps. The two 90° flips of the box are realized by the flip device. In order to reduce the maximum driving force of the cylinder required for the unit to flip， the ADAMS software was used to solve the optimization target within a given range of design variables. The results show that the maximum driving force required for the initial flipping and lifting moment is reduced by 25.6%. It is verified that the optimized mechanism parameters meet the expected requirements and structural design requirements through simulation analysis， and the working performance is effectively improved.

Keywords： flip device； crank rocker mechanism； optimized design； simulation

收稿日期：2022-05-18

通信作者：張繼忠，男，教授，主要研究方向為機械系統(tǒng)動力學及數(shù)字化設計。E-mail：zjzqdu@163.com