基于ADAMS 的壓印機虛擬模型運動仿真研究

劉嘉昊 石禹鵬 于龍騰 李嘉錚 袁嘉偉

（無錫職業技術學院 機械技術學院，無錫 214121）

壓印機是一種印刷機[1]。現代印刷機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，壓印出的物品會呈現出立體感和藝術感，且不使用油墨，而是通過壓印機的壓力使圖像凸顯出來。雖然壓印機對紙張或者承載物的質量要求較高，但是工作環境會比印刷機適用范圍更加廣泛，如高溫環境和潮濕環境。此外，在防油圖層、鋼鐵制品等普通印刷機無法印出所需要求制品的情況下，壓印機也可以擁有良好的使用效果。

1 壓印機的組成結構及模型建立

1.1 壓印機的組成

在不影響壓印機工作狀態、效率和性能的前提下，將相對無關的零件視為一體。鋼制壓印機零部件由底座、左右側板、上蓋板、凹凸滾筒、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、螺母和螺釘等連接件固定和連接[2]。

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

凹凸滾筒在工作時，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速度。齒輪傳動能夠保證瞬時傳動比穩定、傳遞運動穩定可靠、結構緊密等。為了使兩個凹凸滾筒之間能夠有相同的旋轉速度、穩定的工作效率，這里選擇齒輪連接。為了使凹凸滾筒和齒輪之間沒有相對運動，需要用漲緊套壓盤將二者連接固定。

壓印機的輸入段也選擇齒輪連接來傳動凹凸滾筒的齒輪，并用擋板來固定主動輪。當需要改變壓印機的輸出功率時，只需改變主動輪的輸入功率即可。

1.2 壓印機模型建立

使用NX 建立壓印機所需要的各個零部件，包括底座、左右側板、上蓋板、凹凸滾筒、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板，凹凸滾筒通過同心接觸和平行接觸固定在左右側板中間，齒輪和漲緊套壓盤使用同心接觸在凹凸滾筒上。實物與效果如圖1 所示。

2 ADAMS 運動仿真設置

2.1 ADAMS 仿真壓印機介紹

使用NX 建好壓印機模型后將文件使用Para solid 格式導出，導入到ADAMS 軟件，方便后續的運動副約束設置和仿真，并省略螺栓、螺母及螺釘等連接件來簡化壓印機。通過運動副約束壓印機零部件的相對運動，添加驅動使壓印機模型運動起來，達到最終想要的效果。通過使用ADAMS 來模擬壓印機的運動仿真[3]，從齒輪轉動速度和主動輪輸入速度方面分析壓印機運動。

2.2 ADAMS 工作環境設置

使用ADAMS[4]仿真壓印機運動方式時要設置好重力及方向、模型單位及坐標系選擇等工作環境。重力方向選擇垂直與工作格柵的Z 軸負方向；將工作格柵設置為矩形，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；模型裝配坐標系與ADAMS 坐標系一致。

2.3 壓印機運動副設置與驅動設置

為了能使壓印機能夠穩定正確地按照設想工作方式運作，需要設置相關約束和運動副來確保壓印機正常工作。壓印機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動方向運作，使得凹凸兩滾筒以穩定的速度來壓印所需要的物品。

（1）創建固定副：底座與大地固定在一起，左右側板和頂蓋使用兩個物體一個位置的構建方式固定在底座上，凹凸滾輪、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）創建旋轉副：凹凸滾輪、漲緊套壓盤和大齒輪整體在右側板孔中心創建一個旋轉副，小齒輪在擋板上創建一個旋轉副。

（3）創建力：在兩個大齒輪和小齒輪相互之間創建特殊力——創建接觸。

（4）創建運動副驅動：在小齒輪上創建一個轉動驅動，并且選擇小齒輪的旋轉副，方向選擇旋轉，類型選擇速度，函數設置為500 d×time、1 000 d。

3 ADAMS 運動仿真分析

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

3.1 壓印機變速運動分析

主動輪的驅動函數設置為500 d×time，類型為加速度，仿真時間設置為3 s，仿真步數為500，開始仿真運動。

主動輪在0 ～3 s 內做加速運動，角速度應該逐漸加快，圖像經過零點斜向上，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，所以觀察滾筒的運動狀態即可。在0 ～3 s 旋轉速度會逐漸增加，滾筒的壓印受力面運動速度會越來越快，滾筒的運動軌跡也會越來越快，如圖4 和圖5 所示。

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

3.2 壓印機勻速運動分析

主動輪的驅動函數設置為1 000 d，類型為速度，仿真時間設置為3 s，仿真步數為500，開始仿真運動。

壓印機勻速運動時，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動速度也一定。凹凸滾筒的運動軌跡也會呈現出周期性，如圖7 和 圖8 所示。

4 結語

本文分析了壓印機和常規印刷機的優劣勢，介紹了壓印機的結構組成。利用NX 軟件將簡化后的壓印機進行建模和處理，使用Para solid 格式導入ADAMS。在ADAMS 中先進行相關工作環境設置，并對壓印機3D 模型進行運動副的約束，使其能夠按照需求仿真運動。之后進入后處理階段，分別對凹凸滾筒在加速運動和勻速運動狀態下的運動軌跡進行分析，對主動輪在加速運動狀態下角速度的變化和動能變化進行分析，可為類似的壓印機的凹凸滾筒和主動輪在工作狀態下的運動情況提供參考。