FX2-779機組條煙排出機構的建模技術與仿真分析

江蘇中煙工業有限公司徐州卷煙廠 陳杰，鄭友東，李二鵬

FX2-779機組條煙排出機構的建模技術與仿真分析

江蘇中煙工業有限公司徐州卷煙廠 陳杰，鄭友東，李二鵬

FX2-779機組條煙排出工作機構是一種氣缸驅動式傳動機構，在運行將近一年的時候，相繼頻繁出現“條煙輸出推子”故障（擠煙）。查找設備源程序發現，該故障是由于氣缸運行超時造成的。本文中從機械設計的角度對造成此故障進行深入分析，將氣缸驅動式傳動機構改為伺服電機驅動式。而后運用三維建模軟件SolidWorks和機械動力學仿真軟件ADAMS建立FX2-779機組條煙排出工作機構的多剛體虛擬樣機模型，對曲柄連桿機構進行仿真分析，同時仿真的結果為伺服電機選擇提供了理論依據。

伺服電機；傳動機構；仿真

FX2機組是德國FOCKE公司推出的新一代硬盒包裝機組，主要由小盒包裝機（703）、小盒透明紙包裝機（753）和條盒包裝機（779）組成，額定生產速度70條/分鐘。該機型已穩定運行三年多的時間。在實際生產過程中發現，779機組的條煙排出機構經常發生故障。

由于伺服驅動具有精度高；容易實現柔性化和智能化，工作性能提高；簡化傳動環節，減少維修和節省能量；環保；安全性能高等優點。本文試圖通過將氣缸驅動結構改為伺服電機直接驅動式，進而縮短傳動鏈，提高傳動機構的可靠性。

1　現有機構特點分析

779機組的條煙排出機構由推板和兩個互相垂直的氣缸組成，如圖1所示。在生產運行中，下面的氣缸驅動推板向前運動，上面的氣缸驅動推板向后運動，從而完成一個完整的推煙動作。徐州卷煙廠現有兩臺FOCKE-FX2機組，在運行將近一年的時候，相繼頻繁出現“條煙輸出推子”故障（擠煙）。查找設備源程序發現，該故障是由于氣缸運行超時造成的，即當氣缸在做伸出動作時，從起始點到終止點的時間超過設定時間，或者在做縮回動作時，從終止點返回起始點的時間超過設定時間，設備就會出現上述故障而停機。從源程序可知，該設定時間為200ms，嘗試把該時間參數調整為300ms，故障暫時得以解決，但是在運行幾天之后，兩臺設備又出現同樣的問題。進一步分析原因可知：氣缸驅動—傳動組合式即氣缸驅動曲柄連桿機構。原設計采用兩個單作用結構氣缸，在空間上互相垂直交錯布置。氣缸的一端固定機架上，另一端通過球頭鉸接在銷軸上（圖1）。運動過程中為了保證曲柄轉動角度的準確性，還需在輸出軸上安裝兩個限位擋塊。這樣就完成了壓力能向回轉機械能轉化的基本結構。但是氣缸式曲柄連桿機構存在三個較為嚴重的問題，一是隨著曲柄轉角和連桿擺角的變化，氣缸式曲柄連桿機構的往復運動時波動的，呈現出周期性的不平穩狀態，并且伴隨著連桿運動過程的波動，曲柄連桿機構的輸出扭矩同樣呈現出周期性的波動狀態，活塞式氣缸的這種不穩定性會極大地影響氣缸的輸出運動的可靠性，會引起氣缸產生較大幅度的振動，伴隨而來的還有較為嚴重的噪音污染。另一個較為嚴重的問題是，氣缸的活塞桿推動曲柄做功，這期間活塞做的運動方式是平動，曲柄做的是回轉運動。在壓縮氣體推動活塞向下運動的過程中，會產生一個作用在汽缸壁的負作用力，這個負作用力不但會加大汽缸壁的磨損，極大地縮短氣缸的工作壽命，還會消耗壓縮氣體的部分壓力能，造成能量的損失以及壓縮氣體的利用率降低，從而降低了氣缸驅動式曲柄連桿機構的工作效率。三是由于構成機構的構件和運動副數量多，運行速度高，系統的慣性力較大，機械的運動精度和穩定性也會帶來很大的影響。

圖1 氣缸驅動結構示意圖

2　主傳動系統的建模與仿真

2.1 ADAMS仿真步驟分析（如圖2所示）

圖2 動態仿真流程圖

2.2傳動系統的建模

采用SolidWorks來建立FX2-779機組條煙排出機構的三維模型，如表1所示，并將模型導入到ADAMS中。ADAMS中提供了豐富的載荷和運動約束，可以迅速地建立構件間的約束。

FX2-779機組條煙排出機構的工作機構，主要由擋板、連桿、連接塊等零件組成。在計算機仿真過程中，首先是建立各零件的三維實體模型，然后根據各自之間的裝配關系進行裝配。而后通過ADAMS和這些軟件的數據接口，把建立好的零件實體模型傳輸到ADAMS軟件中，做進一步的分析。

表1 FX2-779各零件的幾何模型

2.3模型的仿真

2.3.1 導入幾何模型

在SolidWorks中創建主傳動機構各零件三維實體模型，通常以Parasolid(*.x_t)格式輸出，利用圖形接口ADAMS/Exchange，模塊將零件模型輸入到ADAMS軟件中進行仿真分析，充分發揮SolidWorks實體建模功能和ADAMS仿真分析功能的優勢。在SolidWorks中把工作機構各零件按照各自的關系裝配成如圖3所示。圖4為導入ADAMS后的工作機構模型。

圖3 SolidWorks環境下的模型

圖4 ADAMS環境下的模型

2.3.2 設置材料屬性

導入模型后，設置材料屬性。分別選取機構的各個零件，將其材料形式（material type）選定為鋁材料（aluminum），如圖5所示。

圖5 設置材料屬性

2.3.3 設置單位和重力加速度

設置系統單位。單擊菜單【Setting】→【Units】→【MMKS】后，彈出單位制設置對話框，將相應的單位設置成所需要的單位制即可。設置重力加速度。單擊菜單【Settings】→【Gravity】后，彈出Gravity settins設置對話框。重力加速的方向為坐標系-Z方向。如圖6所示。

圖6 設置單位和重力加速度

2.3.4 添加約束

根據機構的運動方式，在ADAMS中創建約束，本文中添加4個轉動副，以及若干個固定副，固定副主要是將擋板部件固定在一起，如圖7所示。

圖7 創建約束

2.3.5 施加載荷和驅動

根據設計要求：每分鐘輸出70條煙，每條煙的重量為260g左右。相對于整個機構而言，每條煙的質量可以忽略不計，所以在仿真計算的時候不再施加任何載荷，僅根據每分鐘輸出100條煙，進行施加驅動，即一個周期的時間T=0.6s，電機轉速n=100r/ min，電機角速度w=600d/s，所以在ADAMS中，在電機輸入端增加一旋轉驅動，旋轉的角速度為600d×time，如圖8所示。

圖8 施加驅動

2.3.6 模型的仿真

利用ADAMS/View功能模塊可以對模型進行動態仿真試驗，將仿真時間設置為3秒，步數設置為1000步后，單擊仿真計算按鈕，開始仿真計算。本文中對模型進行了五個周期的仿真，其模型的運行狀況可以通過計算機直觀地獲取，并可以對感興趣的參數進行實時測量和曲線繪制。

通過仿真，可以得到曲柄連桿機構推煙擋板的位移、速度及加速度與時間的關系。圖9為曲柄連桿機構仿真的運動仿真曲線。

圖9 曲柄的扭矩曲線

3　仿真結果分析

通過仿真分析，可以清楚地觀測到曲柄連桿機構5個周期的運動循環情況。然后測量曲柄上的轉動副的扭矩，輸出曲柄的驅動力矩的曲線圖如圖10，根據圖10曲柄的驅動力矩曲線可以為電機的選擇提供參考。通過ADAMS軟件的Postprocess模塊對曲線進行編輯測量，測得驅動的扭矩的最大值和最小值為-81.1398Nmm～73.4276Nmm，即在電機轉速為n=100r/min時，電機輸出的扭矩T≥81.1398Nmm。

圖10 曲柄的扭矩曲線

4　結論

通過對7 7 9機組的條煙排出機構建模和仿真分析，可以發現曲柄連桿機構的驅動扭矩的最大值和最小值為-81.1398Nmm～73.4276Nmm，即在電機轉速為n=100r/min時，電機輸出的扭矩T≥81.1398Nmm，能滿足對機器性能設計的要求。

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The Modeling Technique and Simulation of FX2-779 Unit Smoking Discharge Device

FX2-779 unit smoking discharge device is a transmission mechanism by cylinder driven. After running for nearly one year, this device frequently encounters the “cigarette output fader” fault. By analyzing the equipment source program, it is found that this fault is caused by the time-out running of the cylinder. In this paper, the author makes a deep analysis into this fault from the aspect of mechanical design, and replaces the cylinder driven mechanism with a servo motor driven one. By using the 3D modeling software SolidWorks and mechanical dynamics simulation software ADAMS, the author establishes the virtual prototype model of multi rigid body for FX2-779 unit of the smoke exhaust mechanism, and makes simulation analysis for the crank slider mechanism. Meanwhile, the simulation results provide a theoretical basis for the following servo motor selection.

Servo motor; Drive system; Simulation

陳杰（1972-），男，上海崇明人，工程師，工程碩士，現就職于江蘇中煙工業有限責任公司徐州卷煙廠，從事卷接包設備的管理與維護工作。