孫 月，楊家富

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京210037)

0 引言

打孔裝訂機(jī)是一種辦公設(shè)備，其裝訂目的是把零散的文件、票據(jù)等集中裝訂好，使其便于保管、方便檢索等。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及辦公自動(dòng)化水平的提高，一種新型的自動(dòng)打孔裝訂設(shè)備以其無粉屑、噪音小、污染小、操作簡單等環(huán)保優(yōu)點(diǎn)，在銀行、工商、證券、稅務(wù)、圖書館及各類企事業(yè)單位中廣泛使用，它滿足了人們對其健康環(huán)保的要求。

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中，為了驗(yàn)證產(chǎn)品的整體性能，往往采用物理原型(Physical Prototype)的方法，但這種方法生產(chǎn)周期長、成本高。隨著計(jì)算機(jī)和CIMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬樣機(jī)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中起到越來越重要的作用。虛擬樣機(jī)(Visual Prototype也稱虛擬原型)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。為了減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文采用Pro/E來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打孔裝訂機(jī)復(fù)雜三維模型的建立，利用接口軟件Mechanism/Pro將模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行仿真分析。

1 自動(dòng)打孔裝訂機(jī)仿真模型建立

1.1 自動(dòng)打孔裝訂機(jī)工作原理

自動(dòng)打孔裝訂機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖1所示，主要有打孔和壓鉚裝訂兩部分組成。其工作原理如下:

(1)打孔過程。接通電源，按下啟動(dòng)鍵，行程電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪齒條運(yùn)動(dòng)副帶動(dòng)打孔電機(jī)向下運(yùn)動(dòng)，在打孔電機(jī)座帶動(dòng)下，壓頭體將待裝訂紙張壓緊;打孔電機(jī)向下運(yùn)動(dòng)完成打孔，當(dāng)觸碰到導(dǎo)電橡膠后，觸發(fā)信號(hào)，行程電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)打孔電機(jī)上升，在上升過程中完成自動(dòng)切料動(dòng)作，當(dāng)觸碰到行程電機(jī)復(fù)位開關(guān)后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成打孔過程。

(2)裝訂過程。當(dāng)行程電機(jī)停止后，凸輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪運(yùn)動(dòng)副帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪連桿機(jī)構(gòu)將按照凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)本體(下模)與上模運(yùn)動(dòng)并完成壓鉚裝訂過程，當(dāng)壓鉚完成后，凸輪電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 自動(dòng)打孔裝訂機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 基于Pro/E的虛擬樣機(jī)

本文采用的軟件配置版本如下:ADAMS2005+MECH/Pro 2005+Pro/Engineer Wildfire 2.0，在Pro/E 2.0中建立機(jī)構(gòu)的三維模型，利用無縫接口軟件MECH/Pro 2005將機(jī)構(gòu)導(dǎo)入到ADAMS 2005中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。

在建立自動(dòng)打孔裝訂機(jī)零件模型時(shí)，將自動(dòng)打孔裝訂機(jī)各零部件按照一定的規(guī)則進(jìn)行命名、編號(hào)，單獨(dú)建立各零部件的三維模型，為虛擬樣機(jī)的裝配做好充分準(zhǔn)備。由于自動(dòng)打孔裝訂機(jī)模型比較復(fù)雜，由多個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，每個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成不同的功能。為了便于零部件的裝配，采用自下而上的裝配方法，在實(shí)際裝配過程中，從底層逐步向上裝配。

結(jié)合實(shí)際機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求并根據(jù)Pro/E 2.0裝配原則得到自動(dòng)打孔裝訂機(jī)總裝配模型，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)打孔裝訂機(jī)模型圖

1.3 仿真模型建立

Mechanism/pro模塊實(shí)現(xiàn)Pro/E與ADAMS之間的無縫連接，將Pro/E中建立的精確裝配體總成定義為剛體并添加部分約束后，將裝配體模型導(dǎo)入到ADAMS中。最終得到自動(dòng)打孔裝訂機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真模型，如圖3所示。

圖3 自動(dòng)打孔裝訂機(jī)仿真模型

圖4 4.0500秒樣機(jī)仿真過程示意圖

2 自動(dòng)打孔裝訂機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真與結(jié)果分析

根據(jù)打孔裝訂機(jī)實(shí)際工作時(shí)間設(shè)置運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)間為30秒，運(yùn)動(dòng)過程分解1000步，裝訂紙張厚度約10mm。在實(shí)際仿真過程中出現(xiàn)多次仿真結(jié)果出錯(cuò)，主要原因?yàn)闄C(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)干涉，根據(jù)錯(cuò)誤信息窗口提示對機(jī)構(gòu)進(jìn)行完善，并重新添加約束與驅(qū)動(dòng)，這里不再詳述。最終機(jī)構(gòu)仿真成功，圖4與圖5分別為機(jī)構(gòu)在4.0500秒及25.4588秒時(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真記錄。

圖5 25.4588樣機(jī)仿真過程示意圖

2.1 打孔過程仿真結(jié)果與分析

打孔過程主要分析當(dāng)給定行程電機(jī)一定驅(qū)動(dòng)力時(shí)，鉆孔電機(jī)能否按照指定要求完成打孔，其主要參數(shù)為打孔電機(jī)位移隨時(shí)間變化關(guān)系。

圖6為行程電機(jī)角速度圖與角加速度圖，行程電機(jī)在工作過程中有正反轉(zhuǎn)，圖中斜線表示行程電機(jī)速度突變曲線，水平線表示電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。圖7為打孔電機(jī)仿真過程參數(shù)記錄圖，從右上角位移－時(shí)間圖可以看出，打孔電機(jī)先勻速下降，然后勻速上升，總共耗時(shí)約8秒。在最低點(diǎn)表示觸碰到導(dǎo)電橡膠，打孔電機(jī)達(dá)到位移最大值。與實(shí)際情況相符合。

圖6 行程電機(jī)運(yùn)動(dòng)特性圖

圖7 打孔電機(jī)仿真過程運(yùn)動(dòng)特性曲線圖

圖8為壓頭體的運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)圖。圖中右下角為位移－時(shí)間運(yùn)動(dòng)特性圖，在打孔過程中，壓頭體向下壓緊紙張，位移約為－40mm;當(dāng)裝訂結(jié)束后，壓頭體向上恢復(fù)到初始位置，位移為+40mm。

圖8 壓頭體運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)

2.2 裝訂過程仿真結(jié)果與分析

裝訂過程動(dòng)力來源于凸輪電機(jī)，凸輪電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪運(yùn)動(dòng)副帶動(dòng)凸輪連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，完成裝訂過程，整個(gè)裝訂過程大約為22秒。如圖9所示，為凸輪電機(jī)的角速度與角加速度圖，在打孔過程完成后，凸輪電機(jī)開始勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)裝訂過程完成后，凸輪電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)橥馆嗠姍C(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中通過齒輪副帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，所以凸輪與凸輪電機(jī)的角速度與角加速度大小相同，方向相反，如圖10所示。理論推斷、仿真結(jié)果均與實(shí)際情況相相符。

圖9 凸輪電機(jī)運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)圖

圖10 凸輪運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)圖

圖11為理想的凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，主要包括3個(gè)階段:升程階段、工作階段和回程階段。在升程階段，從動(dòng)件以修正正弦曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律上升，達(dá)到一定位置后，上升速率變緩，從動(dòng)件進(jìn)入工作狀態(tài)并勻速運(yùn)動(dòng)。到了運(yùn)動(dòng)曲線的最高位置，運(yùn)動(dòng)曲線又趨于水平，從動(dòng)件無位移。然后，運(yùn)動(dòng)曲線下降，從動(dòng)件進(jìn)行回程的位移，最后下降到曲線的最低位置，完成一個(gè)循環(huán)周期。圖12為實(shí)際仿真過程中記錄的凸輪從動(dòng)件(本體)的運(yùn)動(dòng)位移圖，初始階段為打孔狀態(tài)，本體無位移;當(dāng)進(jìn)行裝訂時(shí)，其位移將隨著時(shí)間的變化而變化。從圖中可以看出，其運(yùn)動(dòng)趨勢與理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較接近，但誤差較大，誤差主要來源于凸輪運(yùn)動(dòng)輪廓的設(shè)計(jì)誤差，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)改進(jìn)。

圖11 凸輪從動(dòng)件理想運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖12 凸輪從動(dòng)件理想運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖13 修正后的凸輪輪廓外形

在上述仿真模型成功的基礎(chǔ)上，重新修正凸輪輪廓外型，經(jīng)過多次仿真試驗(yàn)，最終確定凸輪輪廓外型，如圖13所示。修正后的凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間關(guān)系如圖14所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 修正后的凸輪從動(dòng)件實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3 結(jié)語

在研究分析自動(dòng)打孔裝訂機(jī)的工作原理基礎(chǔ)上，利用Pro/E三維建模軟件建立自動(dòng)打孔裝訂機(jī)機(jī)構(gòu)模型;利用接口軟件MECHANISM/Pro將三維模型導(dǎo)入到運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，檢查機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程中是否出現(xiàn)干涉、是否按照設(shè)定要求完成規(guī)定的動(dòng)作;由ADAMS的后處理模塊ADAMS/Postprocess對全自動(dòng)打孔裝訂機(jī)打孔過程、裝訂過程中重要特性參數(shù)變化圖線進(jìn)行調(diào)用分析，將仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)修正，最終得出能夠按照實(shí)際要求完成相應(yīng)動(dòng)作的模型。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理論推理與實(shí)際數(shù)據(jù)基本吻合。

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