模塊化包裝機械的設計仿真與優(yōu)化思考

石鴻鵬

摘 要 文章對包裝機械模塊化設計的結構原理進行了分析，并闡述了模塊化包裝機械建模仿真的可行思路;從運動性能與靜態(tài)性能兩個角度出發(fā)，提出了行之有效的優(yōu)化建議。

關鍵詞 模塊化設計;包裝機;建模仿真

1模塊化包裝機械的結構設計

簡單來講，所謂“模塊化設計”，就是利用多種功能模塊搭建出子流程、子程序、主程序的軟件框架，并對不同模塊之間的邏輯關系、結構配置進行定義與調(diào)試，最終形成非線性、系統(tǒng)化的程序設計體系。這一技術方法在很大程度上打破了傳統(tǒng)中逐條錄入指令、逐層反饋動作的程序編制模式，可在不影響程序體系整體結構的基礎上，實現(xiàn)單一子功能、子模塊的增刪或調(diào)整，從而達到降低程序復雜性、提高維護便捷性、強化設計發(fā)展性的積極目的。在包裝機械的生產(chǎn)控制系統(tǒng)設計中，主要應采取柔性的模塊化設計方式，即對各類功能模塊的主要特征進行參數(shù)化處理，從而獲得可體現(xiàn)包裝機械典型結構的模型產(chǎn)物，以此實現(xiàn)柔性模塊的生成[1]。

從原理上看，柔性的模塊化設計具有明顯層次性，其以模塊化產(chǎn)品族為頂層結構，依照GMi柔性模塊、GMii柔性子模塊、VMi虛擬模塊與USi元結構的順序，逐層向下分化，以實現(xiàn)各類子功能、子任務的精細分離。同時，每個層次當中的模塊都可獨立成集，即總體系中包含有產(chǎn)品集、柔性模塊集、柔性子模塊集、虛擬模塊集和元結構集。其中，元結構以外的各個集合均可表現(xiàn)為參數(shù)化模型，且能在設計完成后轉(zhuǎn)化為定制產(chǎn)物。

例如，在某開箱機器的模塊化設計中，可將開箱機整體視為產(chǎn)品層。在此體系下，先設計出“紙箱進給”、“紙箱成型”、“內(nèi)外折頁”以及“成型輸送”四個柔性模塊。其后，再結合各模塊的機構特點、功能需求，分別進行柔性子模塊的設計，如“紙箱進給”模塊下設“導軌”、“傳動”、“擋板”等控制模塊、“紙箱成型”模塊下設“真空吸盤”、“傳動”、“斜齒”等控制模塊等。最后，為了實現(xiàn)子模塊機構的能源供應與動作調(diào)整，還需進行電路、程序等方面的針對設計。這樣一來，便可在各模塊的功能支持下，搭建起紙箱板片由進料、加工、折疊、封底到最終成型的生產(chǎn)框架。基于此框架對各模塊的傳統(tǒng)方式、擋板方向、動作模式進行適宜性調(diào)整，即可滿足產(chǎn)品包裝與用戶定制的生產(chǎn)需求，達到可調(diào)可控的靈活化包裝處理效果。

2模塊化包裝機械的建模仿真

模塊化包裝機械的數(shù)字模型構建，需要經(jīng)歷“模塊劃分→功能分析/結構分析→圖紙分析→參數(shù)提取→模塊創(chuàng)建→接口標準化處理→生成模型結構→檢驗結構合理性→建立模塊庫”的流程環(huán)節(jié)。其中，在包裝機械模塊的分析階段，相關人員必須要將企業(yè)真實的圖紙資料、生產(chǎn)條件、生產(chǎn)需求作為參考，并在綜合分析后確定是沿用既有圖紙還是重新制圖;在模塊、模型的創(chuàng)建階段，當前主要以CAD建模軟件作為平臺工具，可達到良好的參數(shù)運算與模型生成效果;在模型結構合理性的檢驗階段，相關人員應從靜態(tài)、動態(tài)兩個角度入手進行仿真檢驗。若檢驗結果不合格，則應退回“參數(shù)提取”環(huán)節(jié)進行流程優(yōu)化與模型重建。

在模型建立后的仿真檢驗階段，相關人員要明確包裝機械的系統(tǒng)化運行特點，進而實施出由原材料供給到包裝產(chǎn)出的全過程動態(tài)模擬。在此過程中，一方面要基于這一公式，對包裝機械的運行效率進行仿真分析。其中，Q為生產(chǎn)率，單位為件/h;Tk為基本包裝時間，單位為h;Tf為輔助時間，單位為h;ΣTn為循環(huán)外損失時間，單位為h。以此為依據(jù)，在動態(tài)模擬中以降低Tk為目的進行設計改良，即可達到提升包裝生產(chǎn)線運行效率的優(yōu)化效果;另一方面，要基于“調(diào)整時間增量→預估積分值→求解運動方程→求解雅可比矩陣→求解Newton-Raphson線性方程→更新變量→評估積分誤差→確定誤差值→重新選擇步長及階數(shù)→調(diào)整時間增量”的循環(huán)流程，利用Newton-Raphson算法進行模型參數(shù)的邏輯運算，直至獲得最佳的參數(shù)結果，并終止仿真活動。此外，還需將包裝機械各模塊機構的材質(zhì)參數(shù)輸入到模型當中，隨動態(tài)仿真過程進行對比分析，以此選定最終的包裝機械生產(chǎn)材質(zhì)。例如，現(xiàn)階段常見的包裝機斜齒輪材質(zhì)有黃銅、鋼材兩種，其密度、彈性模量與泊松比參數(shù)分別為8545kg/m3、1.06E+11N/m2、0.324和7800kg/m3、2.07E+11N/m2和0.3。將兩組參數(shù)輸入到CAD軟件當中，即可直觀了解兩種金屬材質(zhì)在包裝機運行中的應用效果。

除動態(tài)仿真以外，相關人員還需對包裝機械的數(shù)字模型進行靜態(tài)模擬，了解其系統(tǒng)中各類模塊機構的受力特點，以確保包裝機設計產(chǎn)出后各模塊實體可充分承載自重、氣缸沖擊力、電機簡諧力的作用影響。

3模塊化包裝機械的優(yōu)化路徑

在模塊化設計的背景下，相關人員需要結合數(shù)字模型及其仿真模擬，進行包裝機械動態(tài)、靜態(tài)缺陷問題的優(yōu)化改良。

在動態(tài)方面，主要應對各模塊機構的材質(zhì)、尺寸、元件數(shù)量、結構布局等參數(shù)進行優(yōu)化，以此消除模塊本身的運行沖突，提高上層模塊、生產(chǎn)線體系的運行效率。例如，在包裝機的建模仿真中發(fā)現(xiàn)，傳動模塊是影響包裝機鏈式生產(chǎn)效率的主要因素，且問題集中在齒輪、螺距兩個子模塊上。此時，相關人員就需要對齒輪的尺寸、齒距、齒數(shù)進行設計調(diào)整，并確保上升件螺距與齒輪參數(shù)之間的動態(tài)匹配，從而提高包裝機的紙箱加工效率。

在靜態(tài)方面，主要應通過力學試驗對機械模型的受力閾值、形變情況進行分析，并與電機、氣缸等應力作用的實際水平進行比對。其后，再根據(jù)比對結果，對機械結構進行靜態(tài)調(diào)整。例如，在包裝機的建模仿真中發(fā)現(xiàn)，包裝機的架體自重較大，在長期應用下存在形變隱患，不利于包裝箱的標準產(chǎn)出。此時，便可在架體上端增設金屬橫梁，以此在增大架體強度與剛性的同時，提高應力分布的均勻水平。

4結束語

總而言之，將模塊化技術運用到包裝機械的系統(tǒng)設計中，可有效提高包裝機械的運行質(zhì)量，為包裝生產(chǎn)線的效率提升做出支持。在設計實踐中，相關人員應堅持趨優(yōu)性的設計原則，在確立設計目標后對包裝機械數(shù)字模型的各類模塊機構進行針對性優(yōu)化，以便獲得細節(jié)優(yōu)質(zhì)、整體高效的設計成果。

參考文獻

[1] 周亮.包裝機械設計中模塊化設計應用策略[J].南方農(nóng)機，2018， 49（18）：58.