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        基于ADAMS 的壓印機(jī)虛擬模型運(yùn)動仿真研究

        2022-04-21 01:47:14劉嘉昊石禹鵬于龍騰李嘉錚袁嘉偉
        關(guān)鍵詞:壓盤壓印主動輪

        劉嘉昊 石禹鵬 于龍騰 李嘉錚 袁嘉偉

        (無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院,無錫 214121)

        壓印機(jī)是一種印刷機(jī)[1]?,F(xiàn)代印刷機(jī)一般是將所需的文字或圖像用墨涂敷于印版,再直接或間接印在紙張或其他承載物上。而壓印機(jī)是在滾筒上制出凹凸不平的圖案或文字,在壓力的作用下使紙張或者承載物發(fā)生塑性變形,從而壓印出各種圖案或文字。

        相較于普通印刷機(jī),壓印出的物品會呈現(xiàn)出立體感和藝術(shù)感,且不使用油墨,而是通過壓印機(jī)的壓力使圖像凸顯出來。雖然壓印機(jī)對紙張或者承載物的質(zhì)量要求較高,但是工作環(huán)境會比印刷機(jī)適用范圍更加廣泛,如高溫環(huán)境和潮濕環(huán)境。此外,在防油圖層、鋼鐵制品等普通印刷機(jī)無法印出所需要求制品的情況下,壓印機(jī)也可以擁有良好的使用效果。

        1 壓印機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及模型建立

        1.1 壓印機(jī)的組成

        在不影響壓印機(jī)工作狀態(tài)、效率和性能的前提下,將相對無關(guān)的零件視為一體。鋼制壓印機(jī)零部件由底座、左右側(cè)板、上蓋板、凹凸?jié)L筒、大小齒輪、漲緊套壓盤以及擋板簡化組成,其中各個零部件通過螺栓、螺母和螺釘?shù)冗B接件固定和連接[2]。

        底座用來承載壓印機(jī)左右側(cè)板,是壓印機(jī)的地基。左右側(cè)板用來固定凹凸輪,使其能夠在左右側(cè)板之間旋轉(zhuǎn)工作。它的上方用上蓋板連接左右側(cè)板,使 其固定。

        凹凸?jié)L筒在工作時,為使其能夠印出所需效果,需要兩個滾筒之間保持相同的旋轉(zhuǎn)速度。齒輪傳動能夠保證瞬時傳動比穩(wěn)定、傳遞運(yùn)動穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊密等。為了使兩個凹凸?jié)L筒之間能夠有相同的旋轉(zhuǎn)速度、穩(wěn)定的工作效率,這里選擇齒輪連接。為了使凹凸?jié)L筒和齒輪之間沒有相對運(yùn)動,需要用漲緊套壓盤將二者連接固定。

        壓印機(jī)的輸入段也選擇齒輪連接來傳動凹凸?jié)L筒的齒輪,并用擋板來固定主動輪。當(dāng)需要改變壓印機(jī)的輸出功率時,只需改變主動輪的輸入功率即可。

        1.2 壓印機(jī)模型建立

        使用NX 建立壓印機(jī)所需要的各個零部件,包括底座、左右側(cè)板、上蓋板、凹凸?jié)L筒、大小齒輪、漲緊套壓盤以及擋板組。

        通過約束使所有配件裝配起來:底座添加固定約束,左右側(cè)板通過接觸約束裝配在底座凹槽處,上蓋板使用接觸約束在左右側(cè)板,凹凸?jié)L筒通過同心接觸和平行接觸固定在左右側(cè)板中間,齒輪和漲緊套壓盤使用同心接觸在凹凸?jié)L筒上。實(shí)物與效果如圖1 所示。

        2 ADAMS 運(yùn)動仿真設(shè)置

        2.1 ADAMS 仿真壓印機(jī)介紹

        使用NX 建好壓印機(jī)模型后將文件使用Para solid 格式導(dǎo)出,導(dǎo)入到ADAMS 軟件,方便后續(xù)的運(yùn)動副約束設(shè)置和仿真,并省略螺栓、螺母及螺釘?shù)冗B接件來簡化壓印機(jī)。通過運(yùn)動副約束壓印機(jī)零部件的相對運(yùn)動,添加驅(qū)動使壓印機(jī)模型運(yùn)動起來,達(dá)到最終想要的效果。通過使用ADAMS 來模擬壓印機(jī)的運(yùn)動仿真[3],從齒輪轉(zhuǎn)動速度和主動輪輸入速度方面分析壓印機(jī)運(yùn)動。

        2.2 ADAMS 工作環(huán)境設(shè)置

        使用ADAMS[4]仿真壓印機(jī)運(yùn)動方式時要設(shè)置好重力及方向、模型單位及坐標(biāo)系選擇等工作環(huán)境。重力方向選擇垂直與工作格柵的Z 軸負(fù)方向;將工作格柵設(shè)置為矩形,格柵大小為750 mm×500 mm,格柵間隔為25 mm×25 mm;模型單位選擇MMKS;模型裝配坐標(biāo)系與ADAMS 坐標(biāo)系一致。

        2.3 壓印機(jī)運(yùn)動副設(shè)置與驅(qū)動設(shè)置

        為了能使壓印機(jī)能夠穩(wěn)定正確地按照設(shè)想工作方式運(yùn)作,需要設(shè)置相關(guān)約束和運(yùn)動副來確保壓印機(jī)正常工作。壓印機(jī)的主要工作原理為凹凸兩滾筒之間以相同大小的角速度和相反的運(yùn)動方向運(yùn)作,使得凹凸兩滾筒以穩(wěn)定的速度來壓印所需要的物品。

        (1)創(chuàng)建固定副:底座與大地固定在一起,左右側(cè)板和頂蓋使用兩個物體一個位置的構(gòu)建方式固定在底座上,凹凸?jié)L輪、漲緊套壓盤和大齒輪使用兩個物體一個位置固定在一起。

        (2)創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副:凹凸?jié)L輪、漲緊套壓盤和大齒輪整體在右側(cè)板孔中心創(chuàng)建一個旋轉(zhuǎn)副,小齒輪在擋板上創(chuàng)建一個旋轉(zhuǎn)副。

        (3)創(chuàng)建力:在兩個大齒輪和小齒輪相互之間創(chuàng)建特殊力——創(chuàng)建接觸。

        (4)創(chuàng)建運(yùn)動副驅(qū)動:在小齒輪上創(chuàng)建一個轉(zhuǎn)動驅(qū)動,并且選擇小齒輪的旋轉(zhuǎn)副,方向選擇旋轉(zhuǎn),類型選擇速度,函數(shù)設(shè)置為500 d×time、1 000 d。

        3 ADAMS 運(yùn)動仿真分析

        壓印機(jī)工作時是電機(jī)帶動主動輪,使主動輪帶動從動輪,從動輪和漲緊套壓盤及凹凸?jié)L筒連接,從動輪和凹凸?jié)L筒一起轉(zhuǎn)動。為了使壓印機(jī)打印更加立體和穩(wěn)定,主動輪的動能要穩(wěn)定,從動輪之間的受力要穩(wěn)定,凹凸?jié)L筒之間的運(yùn)動速度一致方向相反,不能出現(xiàn)速度不一致的狀況。壓印機(jī)主動輪帶動從動輪運(yùn)動,從動輪通過漲緊套壓盤連接滾筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。所以,壓印機(jī)運(yùn)動大致可分為勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和變速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動兩種,進(jìn)而對主動輪的速度和加速度進(jìn)行分析[5]。因為壓印機(jī)工作部位是滾筒,從動輪與滾筒具有相同的轉(zhuǎn)速,所以對兩個滾筒進(jìn)行分析即可。

        3.1 壓印機(jī)變速運(yùn)動分析

        主動輪的驅(qū)動函數(shù)設(shè)置為500 d×time,類型為加速度,仿真時間設(shè)置為3 s,仿真步數(shù)為500,開始仿真運(yùn)動。

        主動輪在0 ~3 s 內(nèi)做加速運(yùn)動,角速度應(yīng)該逐漸加快,圖像經(jīng)過零點(diǎn)斜向上,如圖2 所示。主動輪輸出的動能會隨著時間的增加而增大,圖像呈向上的拋物線狀,如圖3 所示。

        主動輪帶動從動輪,從動輪與漲緊套壓盤和滾筒連接,從動輪的旋轉(zhuǎn)角速度與滾筒一致,在工作時滾筒時輸出端,所以觀察滾筒的運(yùn)動狀態(tài)即可。在0 ~3 s 旋轉(zhuǎn)速度會逐漸增加,滾筒的壓印受力面運(yùn)動速度會越來越快,滾筒的運(yùn)動軌跡也會越來越快,如圖4 和圖5 所示。

        在壓印機(jī)做加速運(yùn)動時,連接兩個滾筒的從動輪受力也會逐漸增加。從0 s 開始逐漸加速運(yùn)動,隨著時間的增加,主動輪提供的動能逐漸增大,旋轉(zhuǎn)速度也漸漸變大,兩個從動輪之間受到的轉(zhuǎn)矩也開始變大,如圖6 所示。

        3.2 壓印機(jī)勻速運(yùn)動分析

        主動輪的驅(qū)動函數(shù)設(shè)置為1 000 d,類型為速度,仿真時間設(shè)置為3 s,仿真步數(shù)為500,開始仿真運(yùn)動。

        壓印機(jī)勻速運(yùn)動時,主動輪輸入功率一定,輸出的動能一定,所以從動輪帶動滾筒運(yùn)動速度也一定。凹凸?jié)L筒的運(yùn)動軌跡也會呈現(xiàn)出周期性,如圖7 和 圖8 所示。

        4 結(jié)語

        本文分析了壓印機(jī)和常規(guī)印刷機(jī)的優(yōu)劣勢,介紹了壓印機(jī)的結(jié)構(gòu)組成。利用NX 軟件將簡化后的壓印機(jī)進(jìn)行建模和處理,使用Para solid 格式導(dǎo)入ADAMS。在ADAMS 中先進(jìn)行相關(guān)工作環(huán)境設(shè)置,并對壓印機(jī)3D 模型進(jìn)行運(yùn)動副的約束,使其能夠按照需求仿真運(yùn)動。之后進(jìn)入后處理階段,分別對凹凸?jié)L筒在加速運(yùn)動和勻速運(yùn)動狀態(tài)下的運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析,對主動輪在加速運(yùn)動狀態(tài)下角速度的變化和動能變化進(jìn)行分析,可為類似的壓印機(jī)的凹凸?jié)L筒和主動輪在工作狀態(tài)下的運(yùn)動情況提供參考。

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