基于SOLIDWORKS 與ADAMS 的自動貼標機構仿真及優化設計

陸武慧，趙 哲

（1.西安航空職業技術學院通用航空學院，陜西西安 710089；2.陜西科技大學 機電工程學院，陜西西安 710021）

貼標機是將標簽或商標貼在產品上的一種常見的設備，是現代包裝不可缺少的組成部分。產品走向市場前，必須經過包裝、貼標和打碼等環節才能裝箱入庫。主要適用于在線路板、汽車精密部件、紙盒、雜志、手機電池、醫藥、日化等小尺寸平面物料上進行高精度準確貼標的理想設備，使產品標識更美觀。魏會芳等利用機器人機構完成對熱卷鋼材頂面和側面的標記[1]。張付祥等提出了3T2R 混聯機構，對其進行了運動學分析及工作空間研究[2]。

貼標機是包裝或者運輸生產線上重要的一個環節設備，且結構比較復雜。貼標機構是保證貼標效果及效率的關鍵部分，根據貼標的具體工作要求，貼標機構應該具有足夠的速度以及一定的工作能力[3-4]。文中提出的貼標機構的基本機構是五桿機構，具有傳遞路徑短、結構簡單緊湊、容易制造生產等優點。隨著自動化生產技術的日益發展，貼標機在自動化生產線上具有非常廣泛的應用，貼標機技術從手工貼標、半自動貼標到自動貼標，發生了巨大的變化。文中對貼標機的機構設計與建模仿真進行了分析，為實際物理樣機的生產提供了依據，對其進一步優化設計和提高生產效率提供了參數支持[5-8]。

1 貼標機的機構分析

如圖1 所示的貼標機的機構包括曲柄、連桿、后搖桿、貼標桿、前搖桿、標簽和標簽盒。當曲柄1 轉動時，帶動連桿2、后搖桿3、貼標桿4 和前搖桿5 轉動，后搖桿3 和前搖桿5 固結在地面上，通過連桿機構驅動貼標桿4 在標簽盒7 前方的標簽6 處吸取標簽，之后，通過貼標桿4 的運動粘貼到自動化生產線批量生產的產品上，然后往復運動，實現貼標動作。自動貼標機的機構本質上可簡化為連桿機構，貼標機的機構運動簡圖如圖1 所示。

圖1 貼標機的機構簡圖

且桿3 和桿5 滿足θ5=θ3-π。

將閉環矢量方程寫成三角函數形式，并消去θ5，得到位置方程：

方程組中θ1為初始條件給定值，θ2、θ3、θ4、θ6為未知量。該方程組為非線性超越方程組，可以先利用作圖法給出各角度的估計值，再利用牛頓-辛普森方法迭代求得各桿角度的數值解。

位置方程對時間求導，得到速度方程：

速度方程對時間求導，得到加速度方程：

由圖中矢量關系可知，貼標點H的位置方程如下：

對貼標點H的位置方程求導，得到貼標點H的速度方程如下：

對貼標點H的速度方程求導，得到貼標點H的加速度方程如下：

由此可以求得貼標點H的位置、速度、加速度特性。

2 仿真模型建立

2.1 貼標機的機構建模

當前，虛擬樣機技術廣泛應用于機械制造、設計研發等多個領域，它充分借助計算機軟件，建立產品和設備的三維實體模型，在三維模型的基礎上，完成運動學和動力學模型的仿真模擬，為產品的設計、研發和制造提供基礎和依據。通過在計算機軟件上建立虛擬樣機，對其動力學模型進行仿真計算、分析和優化，用仿真的方式創新了傳統實際樣機的試驗環節[9-10]。

ADAMS 是一種可實現三維建模及運動仿真的虛擬樣機軟件，用戶可以對所研究機構進行運動學和動力學仿真，可以確定部件在對應時間下的位移、速度和加速度等參數。同時，通過動力學模型，可以仿真計算出各構件的力、力矩等涉及到的參數[11-12]。

產品三維建模是進行運動學和動力學仿真模擬的前提，三維模型的建立也為導入到動力學仿真軟件提供了依據。根據貼標機構的結構特點，其簡化模型包括曲柄、連桿、前后搖桿、貼標桿、標簽盒等尺寸信息。在SOLIDWORKS 軟件中對貼標機的機構進行三維建模，建立自動化傳送帶，并在傳送帶上均勻布置建模需要貼標的批量產品，完成貼標機的機構建模。

2.2 貼標機動力學仿真模型建立

動力學仿真軟件ADAMS，不僅可以作為機械系統進行運動學和動力學仿真分析的工具，而且它具備多種接口，可以作為虛擬樣機的開發工具，適合多種開放性程序類型，為產品和設備樣機的二次開發提供平臺和基礎[12-13]。

利用SOLIDWORKS 軟件強大的三維建模功能，在該軟件中建立好實體模型，導出ADAMS 軟件能夠讀取的parasolid 格式，在動力學軟件ADAMS 中導入該格式的貼標機三維模型，檢查當前軟件中模型相應的參數設置，修改零件名稱、材料和顏色等。然后，對其添加運動副和驅動，從而建立貼標機的動力學模型，為其進行運動分析和軌跡判斷打好基礎。在貼標機三維模型建立的基礎上，添加各項運動副信息。

添加約束如下：1）7 個旋轉副：在電機與貼標機曲柄之間建立旋轉副約束，使貼標機曲柄能夠隨著電機的轉動而旋轉；貼標機曲柄和連桿之間建立旋轉副約束，形成鉸鏈；貼標機連桿和貼標桿之間建立旋轉副，形成鉸鏈約束；后搖桿與貼標桿之間建立旋轉副，形成鉸鏈約束；前搖桿與貼標桿之間建立旋轉副，形成鉸鏈。前搖桿和后搖桿各自的轉動形成兩個旋轉副；2）給傳送帶上設置移動副，當添加移動速度后，被貼標的物品將隨著傳送帶移動到貼標的位置；3）傳送帶上物品與傳送帶之間建立固定副約束[14-16]。

設置初始條件，定義曲柄驅動和傳送帶移動速度等參數，從而建立起貼標機的動力學模型，如圖2所示[17-18]。

圖2 貼標機構的動力學模型

3 模型仿真分析

3.1 驗證機構合理性

根據貼標機的機構實際運動過程，設置仿真時間為3 s，步數為1 000 步，對貼標機的機構進行運動學仿真計算，在貼標桿末端設置一個測量標記點，在ADAMS 仿真模型中，該點命名為trace_point，位于貼標桿末端位置，通過運動仿真模擬，從而得到貼標機中貼標桿末端的位移曲線。

以貼標機中貼標桿的末端為研究點，貼標機的位移曲線光滑、平穩，具有周期性，如圖3 所示。貼標桿在標簽盒粘貼過程中存在位移的小幅變動，運行過程平穩、無死點，驗證了貼標機采用該連桿機構的合理性。

3.2 曲柄長度對貼標特性的影響

圖3 貼標桿末端位移圖

貼標機構是自動貼標機中的重要組成部分，其中貼標高度將影響到貼標的效果和準確性，為了探索曲柄長度對貼標高度的影響，選擇曲柄長度為10.2 cm、10.275 cm、10.35 cm、10.425 cm、10.5 cm 的5 種情況，對曲柄長度進行參數化設計，如圖4 所示，對其進行運動學仿真分析，得到在5 種不同曲柄長度情況下的貼標桿末端高度結果和運動仿真模擬，如圖5、圖6 所示。

圖4 曲柄長度參數化取值

圖5 不同曲柄長度貼標高度結果

圖6 變曲柄長度的貼標桿末端運動仿真

通過對比發現，當曲柄長度不同時，貼標機的貼標高度也隨之不同。當曲柄長度為10.425 cm 時，貼標桿末端與貼標物體表面剛好重合，且誤差最小，較好地完成了貼標動作；當曲柄長度為10.2 cm、10.275 cm、10.35 cm 這3 種情況時，貼標桿的末端與被貼標物體表面間存在距離，會出現不能成功貼標的情況；當曲柄長度為10.5 cm 時，會出現貼標桿末端與被貼標物體擠壓的情況，可能會導致標簽出現損傷的情況。

因此，對貼標機構的曲柄長度進行優化設計，讓貼標桿末端與被貼標物體成功貼合，完成貼標動作，符合工程實際情況，說明仿真的正確性。

4 結論

通過借助SOLIDWORKS 軟件的建模功能，建立貼標機的機構三維模型，導出成parasolid 格式，將導出格式的模型導入到動力學軟件ADAMS 中建立貼標機的機構動力學仿真模型，并得出了自動貼標機中貼標桿末端的位移曲線，符合工程實際情況，驗證了貼標機構的合理性，并得出了不同曲柄長度下，貼標桿末端高度結果和運動仿真模擬曲線。仿真結果表明：該五桿機構在貼標過程中，無運動干涉現象，模型準確，可應用于實際中，并探索了曲柄長度對貼標性能的影響，有助于提高產品設計的準確性，為后續的優化設計、有限元分析以及實際的物理樣機生產提供了依據。