基于ADAMS的電容器引線焊接機送絲機構運動學分析*

唐 勰

(沙洲職業工學院，江蘇 張家港 215600)

1 引言

鋁電解電容器是電子線路中非常重要的電子元器件。其作用概括為:通交流、阻直流，具有濾波、旁路、耦合和快速充放電的功能，并具有體積小、儲存電量大、性價比高的特性。隨著現代科技的進步與電容器性能的不斷提高，鋁電解電容器已廣泛應用于消費電子產品、通信產品、電腦及周邊產品、新能源、自動化控制、汽車工業、光電產品、高速鐵路與航空及軍事裝備等。電容器引線(又稱為導針，如圖1所示)作為電容器正負兩極薄膜上的引出線，是制造電容器的主要零部件。引線是將純鋁線和鍍錫銅包鋼線焊接到一起，然后進入到由凸輪驅動的沖壓切邊模具將鋁棒端打扁并按尺寸要求切除多余材料而獲得［1］。

圖1 導針實物

2 電容器引線焊接機結構說明

鋁電解電容器引線焊接機，如圖2所示，是為了生產鋁電解電容器的引線而研制開發的一種專門設備，該機器結構設計精妙，零件種類較多，裝配精度要求較高。該設備主要由線材校直部件、線材(鋁線、CP線)送進部件、鋁線切斷部件、CP線(鍍錫銅包鋼線)切斷部件、焊接部件、二分割傳送部件、八分割傳送部件、沖壓切邊模具部件、檢測部件、傳動部件、機架部件、電氣控制部件等組成。它能自動完成將特定長度的CP線、鋁線切斷后焊接在一起、并且將鋁線部分打扁、切腳，制成鋁電解電容器所需要的引線，由于該設備加工速度比較快，使用強度較高，對可靠性提出了較高的要求。

圖2 引線焊接機虛擬樣機

3 送線機構的特點及功能分析

送絲機構的組成:鋁電解電容器送絲機構主要由矯直部分和送絲部分組成。由前述知，電容器引線的原料是鋁線和CP線，而CP線、鋁線都是成圈狀安放在送料桶中，其本身或正旋、或逆旋(左、右旋)都存在彎曲撓度及直線性不良的情況，所以在焊接前必須先經過送絲機構的直線器(如圖3所示)，對鋁線和CP線進行調直，這樣CP線和鋁線熔接在一起后才能得到筆直的導針丸棒，才能保證CP線和鋁線有較好的對中性能，從而保證焊接后能達到標準規定的抗拉強度。電容器引線焊接機，是一臺全自動工作的設備，送絲是整個加工環節中的一環，送絲機構處于設備的最前端，它的性能如何直接影響到后續的所有環節。送絲部分(如圖4所示)是整個送絲機構的關鍵部件。它是鋁線和CP線完好焊接，同時也是導針丸棒在進入模具沖壓時準確定位的有力保證。所以對其進行仿真分析是非常有必要的，這也是保證生產優良導針的先決條件。

圖3 直線器部件

圖4 送絲機構模型

4 送絲機構的運動學仿真

4.1 仿真軟件及過程簡要說明

虛擬樣機技術是利用軟件所提供的各零部件的物理和幾何信息，直接在計算機上對機械系統進行建模和虛擬裝配，從而獲得基于產品的計算機數字模型，即虛擬樣機(virtual prototype)，并對其進行仿真分析。這種方法使設計人員能在計算機上快速試驗多種設計方案，直至得到最優化結果，從而免去了傳統設計方法中物理樣機的試制，從而大幅度縮短開發周期，減少開發成本，提高產品質量［2］。

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是世界上著名的動力學仿真軟件，由美國MSC公司開發研制的集建模、求解、可視化技術于一體的虛擬樣機軟件［3］。進行仿真分析的模型既可以在ADAMS環境下直接建模，也可以從其它CAD軟件中導入，一般情況都采用后者。本次分析首先是運用Pro/E構建了整個設備的三維實體模型，并且專門為送絲機構構建了簡化的分析模型，通過mechanism/pro接口軟件導入ADAMS2010中，構建了該部分的虛擬樣機。

利用ADAMS對送絲機構進行仿真的過程大致分為:送絲機構幾何建模、施加約束和載荷、送絲機構樣機模型檢驗和仿真結果后處理、仿真結果比較分析，參數優化等幾個階段。通過對構件編輯材料屬性，添加約束，施加驅動和載荷，對送絲機構進行運動學仿真分析。

4.2 送絲機構簡化模型的構建

根據送絲機構的工作原理(送絲機構的裝配模型由CP線送料凸輪機構、鋁線送料凸輪機構組成，兩個機構同步動作，保證CP線和鋁線的同步送進)，對其樣機模型進行簡化。簡化的虛擬樣機模型如圖5所示。

圖5 送絲機構簡化模型

4.3 ADAMS虛擬樣機模型的建立

分別創建轉軸與大地之間的轉動副，CP線送線凸輪及鋁線送線凸輪與轉軸之間的固定副，滾動軸承與推桿之間的轉動副，推桿與直線導軌之間的移動副，直線導軌與大地之間用固定副連接。凸輪與滾子之間采用接觸方式連接，在凸輪與滾子之間添加接觸力，在推桿和導軌之間增加彈簧阻尼器，在仿真的過程中逐漸修改彈簧的剛度值［4］。ADAMS2010中的虛擬樣機模型如圖6所示。

圖6 ADAMS中虛擬樣機模型

4.4 仿 真

為樣機模型添加驅動，根據需方對物理樣機設計提出的要求(180支/min)來設置驅動，驅動值設置為每秒逆時針旋轉1 080°，步長500，終止時間5 s。設置好后，對模型進行仿真，最后進入后處理模塊，可以直接看到仿真效果，可以得出CP線推桿、鋁線推桿的位移、速度、加速和以及由接觸力和彈簧力等數據情況，仿真結果如圖7～10所示。

圖7 CP線送絲推桿運動情況

4.5 仿真結果分析

從分析圖線可看出，CP線推桿、鋁線推桿的運動情況的趨勢是一致的，雖然數據上有一定出入，但這也為后續的參數優化指明了方向，通過調整合適的仿真參數可以找到最優的結果。彈簧力及接觸力的情況也是正常的，通過更換不同剛度的彈簧參數，可以使物理樣機性能達到最優化。

圖8 鋁線送絲推桿運動情況

圖9 彈簧力及形變情況

5 結論

虛擬樣機技術使機械結構的設計擺脫了對物理樣機的依賴，利用虛擬樣機技術可以快速地建立機構的動力學仿真模型，對機構的多種設計方案、各種性能進行測試評估、模擬仿真，可以在機構的設計初期和過程中及時發現問題，解決問題，不斷改進，得到最好的性能和最優化的方案［5］。通過Pro/E和ADAMS接口程序，把Pro/E的模型導入ADAMS，從而實現兩者之間的無縫連接，實現數據傳輸，充分發揮兩個軟件的專長，實現機械產品的高效仿真分析。從而可以方便地獲得機構運動學和動力學特性曲線，分析方法和結果對機械結構的優化設計提供了較大幫助。大幅度縮短了開發周期，減少了開發成本，提高了產品質量。

圖10 接觸力情況

［1］ 王 倩，徐榮建.電容器引線焊接機沖壓切邊凸輪的三維精確造型［J］.沙洲職業工學院學報，2010(2):13-14.

［2］ 王華杰.基于虛擬樣機技術的含間隙轉動鉸曲柄滑塊機構動力學仿真研究［J］.襄樊學院學報，2007(11):58-61.

［3］ 徐 芳，周志剛.基于ADAMS的凸輪機構設計及運動仿真分析［J］.機械設計與制造，2007(9):78.

［4］ 鄭 凱，胡仁喜，陳鹿民，等.ADAMS2005機械設計高級應用實例［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［5］ 韓曉明，王惠源.基于ADAMS/View機心凸輪機構分析與動態仿真［J］.制造業信息化，2005(10):92-95.