虛擬樣機技術在印刷機械設計中的應用

2013-4-24 23:41:54      點擊:
隨著全球經濟的一體化,印刷機械產品市場的競爭日益激烈。為了提高市場競爭力,必須不斷縮短新產品的研發周期,提高產品質量、性能,降低開發成本。在這種需求下,以虛擬樣機技術為代表的計算機技術不斷發展,是一種新的現代化設計手段。運用虛擬設計的方法,可以在產品設計初期,設計、分析和評估產品的性能,確定和優化物理樣機參數,從而降低新產品的開發風險,縮短開發周期,提高產品性能。本文以印刷機械的具體設計為實例,說明虛擬樣機技術在印刷機械設計領域中的應用。

  在傳統的印刷機械設計工作過程中,都是由工程師先根據機器功能改進的需要,進行理論選型,然后計算結果,畫出機械零件圖、部件圖和裝配圖,再交給車間進行試制。待樣品出來以后,對樣品進行運轉測試,把測試到的實際結果與設計前的理論構想進行比對,尋找差異產生的原因,再重新進行設計上的修改,直到樣品滿足改進的需要。這種設計過程,需要的周期長,樣品試制費用高,往往不能滿足市場對新機器換代及時性的要求,帶來了人力物力的巨大浪費。因此,有必要利用現代的設計手段,即虛擬樣機技術,來改善印刷機械的設計方法。

  什么是虛擬樣機技術呢?機械工程中的虛擬樣機技術又稱為機械系統動態仿真技術,是國際上20世紀80年代隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一項計算機輔助工程(CAE)技術。工程師在計算機上建立樣機模型,對模型進行各種動態性能分析,然后改進樣機設計方案,用數字化形式代替傳統的實物樣機實驗。運用虛擬樣機技術,可以大大簡化機械產品的設計開發過程,大幅度縮短產品開發周期,大量減少產品開發費用和成本,明顯提高產品質量,提高產品的系統級性能,獲得最優化和創新的設計產品。因此,該技術一出現,立即受到了工業發達國家、有關科研機構和大學、公司的極大重視,許多著名制造廠商紛紛將虛擬樣機技術引入各自的產品開發中,取得了很好的經濟效益。根據國際權威人士對機械工程領域產品性能實驗和研究開發手段的統計和預測,傳統的機械系統實物實驗研究方法,將在很大程度上會被迅速發展起來的計算機數字化仿真技術取代。虛擬樣機技術的研究范圍主要是機械系統運動學和動力學分析,其核心是利用計算機輔助分析技術進行機械系統的運動學和力學分析,以確定系統及其各構件運動所需的作用力及其反作用力。

  本文以具體的設備研發為例,探討虛擬樣機這一先進技術在實際工程和實際工作中的應用,來探討虛擬樣機技術在印刷機械設計時使用的步驟及方法。

  眾所周知,模切機是包裝印刷工業中重要的印后表面裝飾加工設備。經過模切加工后的印品可大幅度提高檔次,在提高產品包裝附加值方面起著重要的作用。自動平壓模切機通常如圖一所示,由送紙部分、模切燙金部分、清廢部分、收紙堆垛部分組成。

  當前,國外自動模切機的工作速度普遍在7500張/小時~9000張/小時。與此相比較,我國生產的自動平壓模切機的工作速度較低,一般最高只有5500張/小時~7500張/小時。從模切精度上來講,國外自動平壓模切機的模切精度通??梢鑰刂圃?.10mm左右,而國產自動平壓模切機的模切精度在0.15mm ~0.20mm范圍內,只有少量機型能夠達到0.1mm的模切精度。并且國產自動平壓模切機的工作速度較高時,模切精度將大幅度下降,嚴重影響了印品的模切質量。 

  作者經過對國內現有模切機,包括國外的一些模切機進行認真研究后發現,模切機提速后,制約模切精度的一個很重要的因素是紙張定位的時間不足。我們對此來加以分析,國內外的模切機的紙張定位和傳送機構的原理基本相同。

  定位和傳送機構的工作過程是:大鏈輪帶動鏈條(分成長度相等的段)向模壓方向做周期性的間歇運動。當前一段鏈條攜帶的紙張處于模壓狀態的時候,后一段鏈條也到達了取紙點(A點)。此時,大鏈輪和鏈條都是靜止的。這時,擺動板上擺呈水平狀態,紙張沿著擺動板傳送過來,并由固定在擺動板上的規矩裝置完成定位,然后交接給鏈條上的咬紙牙。交接完成后,擺動板下擺。當前一段鏈條攜帶的紙張完成了模壓工作,在大鏈輪的帶動下繼續向前運動的時候,新取得紙張的鏈條將隨之運動并到達模壓位置,循環復始。

  從某一段鏈條到達A點,開始靜止取紙,再到其開始離開A點,所用的時間一般只占一個循環的2/5。這2/5的時間包含了紙張的定位時間。并且,這2/5的時間不是全部用來紙張定位的。為了不發生機構的干涉,鏈條到達A點以后,擺動板才可以上擺;擺動板又必須在鏈條離開A點繼續前進之前下擺,再加上規矩等的穩定時間,真正用于紙張定位的時間一般不到這2/5時間的一半??梢鑰闖?,紙張定位時間原本就很緊張,而隨著機器速度的不斷提高,紙張定位的絕對時間越來越短。毫無疑問,定位時間的不足,將對模切精度帶來很大的損害。

  為此,提出了一種改進方法,得到一個新的紙張定位和傳送機構,將大大提高紙張的定位時間。如圖三所示。

  新機構舍棄掉原來的擺動板,安裝一個遞紙吸嘴。紙張在B點完成定位后,交接給遞紙吸嘴;遞紙吸嘴做水平運動,交接給取紙鏈條,然后下擺返回。氣流的控制以及遞紙吸嘴的軌跡運動都可以由凸輪機構完成,這些都是非常容易實現的。

  新機構與原機構不同之處是:原來的紙張定位是受制于鏈條傳動系統的,必須等到取紙鏈條到達A點以后擺動板才能上擺到水平狀態,然后紙張過來,開始定位。而改進后紙張的定位是相對獨立的,它可以在取紙鏈條還沒有到達A點以前就開始紙張的定位,并在取紙鏈條離開A點以前交接給它就可以了。這樣紙張定位的時間就大大延長了。

對遞紙系統的每一個循環來說,除了遞紙吸嘴的送紙和返回以外,其余的時間都可以用來進行紙張的定位。很明顯,改進以后,紙張定位時間即使是在提速的情況下,也要比原機構在低速情況下還要長一些。

  在明確設計方案以后,根據模切機的工藝要求,進行機構選型,通過分析比較確定了以凸輪——連桿機構為初步的設計方案。選擇修正梯形加速度規律為從動件運動規律,確定機構參數,進行設計計算,采用SOLIDWORKS軟件實體建模。因為篇幅的關系,這里就不一一介紹推算的依據,以及詳細的過程了。根據機械設計的基本方法,求出理論模型是比較容易實現的。

  現在問題的關鍵是,對于設計出來的產品,能否滿足要求?不同于傳統的設計方法,不需要急著去車間根據圖紙加工零件,而是采用新的方法,即利用虛擬樣機技術,來檢驗所設計出來的樣品,是否滿足使用的需要。在這里,我們需要使用ADAMS軟件。ADAMS軟件是美國MDI公司開發的一種機械系統動力學仿真分析軟件,可用于預測機械系統的性能,運動范圍,碰撞檢測,峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。它使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫、創建完全參數化的機械系統幾何模型,對虛擬樣機系統進行靜力學、運動學和動力學分析,輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。

  在ADAMS的界面下,可以直接進行幾何建模,ADAMS有豐富的幾何建模工具集。如果運用其它的專用建模工具,在建立模型以后再導入到ADAMS,要方便得多。因此,我們把設計圖紙由SOLIDWORKS建模以后,導入到ADAMS,并依次完成下面的工作,就可以用ADAMS進行模擬和檢驗了。

 ?、傯砑釉際?,比如鉸接副,圓柱副等等;
 ?、諫瓚ɑ溝奈錮硇災?,比如材料等;
 ?、勱蟹掄婕撲惴治?,設定輸出方式等。

  把新設計的模切機遞紙牙機構導入到ADAMS后,根據ADAMS進行機構的運動學、動力學和彈性動力學分析,直接獲取所設計產品的實際性能。這里以機構的彈性動力學分析過程為例,說明具體應用的方法。

  模切機的發展趨勢是機器速度不斷提高,而機器重量趨于減輕。因此,在機構設計中,應該考慮到隨著機器重量的減輕,構件的柔度加大,柔性構件在外力和慣性力作用下就會產生變形,從而會使機構真實的運動與預期的運動間產生誤差。而隨著速度的提高,慣性力急劇增大,這一問題也就越突出。所以,必須對所設計的新機構進行彈性動力學分析,以檢驗機構在高速情況下是否能滿足精度要求。

  第一步:考慮到連桿受力比較大,也是連接機構上下兩部分的重要零件,它的柔性變化對機構的精度會有很大的影響,因此考慮把連桿柔性體化(機器轉速選定為9000轉/小時)。

  第二步:把柔性體裝入機構,代替原來的剛性體零件,其它部分保持不變,重新進行裝配,對機構進行運動仿真,輸出遞紙牙的位移曲線。

  第三步:和替換前的遞紙牙的位移曲線進行比較運算,把兩者隨時間的差異變化曲線輸出來。

  從結果可以看出,即使是在高速的情況下(9000轉/小時),機構的誤差也在很小的范圍,最大為0.01mm,遠遠小于機器0.10mm誤差的要求,滿足設計要求。

  如上所述,本文對印刷機械中的模切機進行結構創新性設計,在設計出理論數據后,沒有按照傳統的方法去試制樣品,而是采用了基于虛擬樣機分析軟件ADAMS,來進行機構的運動學、動力學和彈性動力學分析,結果表明所設計的機構滿足設計要求。這樣,大大簡化了設計流程,縮短了設計周期,對印刷機械的設計工作帶來了極大的便捷。因此,在印刷機械設計工作中,熟練掌握虛擬樣機技術的應用是新技術對廣大工程師的迫切要求。