基于ADAMS的包裝箱翻轉(zhuǎn)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真分析

姜錦華　崔向貴　張繼忠　張?zhí)┰?/p>

摘要：針對(duì)人工翻轉(zhuǎn)包裝箱時(shí)存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等問題，設(shè)計(jì)了一種包裝箱自動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝置，采用兩組曲柄搖塊機(jī)構(gòu)將氣缸活塞桿的往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)換為左、右翻板的90°翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了包裝箱的兩次90°翻轉(zhuǎn)功能。為減小裝置翻轉(zhuǎn)所需的氣缸最大驅(qū)動(dòng)力，利用ADAMS軟件在給定的設(shè)計(jì)變量范圍內(nèi)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解。研究結(jié)果表明，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化后，初始翻轉(zhuǎn)抬升瞬間所需最大驅(qū)動(dòng)力減小了25.6%，仿真分析驗(yàn)證了優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)參數(shù)滿足預(yù)期要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，工作效率得到了有效提升。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)裝置；曲柄搖塊機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；仿真

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

翻轉(zhuǎn)裝置應(yīng)具有輕巧靈活、操作簡(jiǎn)單、安全可靠等特點(diǎn)，使輸送和搬運(yùn)工作更加平穩(wěn)有效。根據(jù)最大翻轉(zhuǎn)角度，翻轉(zhuǎn)裝置分為90°翻轉(zhuǎn)機(jī)和180°翻轉(zhuǎn)機(jī)，常見翻轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)類型有框架式、皮帶式、鏈條式等［1］。由于裝滿金屬零件的箱體質(zhì)量較大且每天需要翻轉(zhuǎn)的數(shù)量較多，采取人工翻轉(zhuǎn)效率低下，且具有一定的危險(xiǎn)性。近年來(lái)出現(xiàn)很多類型的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如液壓鉸鏈翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)利用轉(zhuǎn)軸將電機(jī)與翻轉(zhuǎn)輪相連，在8個(gè)定位塊固定作用下，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每45°實(shí)現(xiàn)一次翻轉(zhuǎn)［2］；或利用雙曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)，通過氣缸往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)藥筒水平與傾斜的狀態(tài)變化［3］。這類機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，工作狀態(tài)穩(wěn)定，適用于小型工件生產(chǎn)線。對(duì)于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化問題，優(yōu)化方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如通過對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析以優(yōu)化尺寸，這種非參數(shù)化方法不方便修改，缺少直觀的數(shù)據(jù)支撐［4-5］。目前大部分優(yōu)化設(shè)計(jì)利用MATLAB和ADAMS/View等計(jì)算機(jī)軟件求解，采用參數(shù)化方法可以更精確的完成復(fù)雜機(jī)械的設(shè)計(jì)，不僅能夠快速生成方案而且便于修改，具有很好的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，但并不適用于參數(shù)和決策變量為雙下標(biāo)變量問題，還需在基本的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行變換才能求解，有一定的局限性［6-8］；另有研究利用ADAMS/View軟件，在目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)上建立相應(yīng)約束，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)［9-18］。對(duì)比這些優(yōu)化方法可知，基于ADAMS的優(yōu)化設(shè)計(jì)不用推導(dǎo)繁瑣的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程，是比較理想的優(yōu)化方法。由于曲柄搖塊機(jī)構(gòu)具有傳遞動(dòng)力大、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)［19］，本文設(shè)計(jì)的包裝箱自動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝置采用曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，利用ADAMS/View對(duì)單目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化與仿真分析，該方案既節(jié)省驅(qū)動(dòng)力又滿足防干涉、控制沖擊等要求，提高了翻轉(zhuǎn)效率。

1翻轉(zhuǎn)裝置工作原理

包裝箱結(jié)構(gòu)及包裝要求如圖1所示，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，首先左側(cè)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)左翻板包裝箱向左翻轉(zhuǎn)90°，使得包裝箱立起，以方便纏繞第1圈膠帶，之后左側(cè)翻板的彎板帶動(dòng)包裝箱復(fù)位回到水平位置。接下來(lái)右側(cè)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)右翻板將包裝箱向右翻轉(zhuǎn)90°，包裝箱再次立起，以方便在對(duì)稱位置纏繞第2圈膠帶，最后右側(cè)翻板的彎板帶動(dòng)包裝箱復(fù)位回到水平位置實(shí)現(xiàn)所有預(yù)期功能。

如圖2所示，在大小為900×600×760 mm的機(jī)架上，翻板置于平板凹槽內(nèi)，翻轉(zhuǎn)裝置采用兩組曲柄搖塊機(jī)構(gòu)將氣缸活塞桿的往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)換為左、右翻板的90°翻轉(zhuǎn)，鉸鏈圍繞鉸鏈點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。I型單肘接頭兩端分別與氣缸活塞桿和翻板鉸鏈座相連，鉸鏈座固定于翻板下方。為減小包裝箱在基板上移動(dòng)過程中的摩擦阻力，在翻轉(zhuǎn)臺(tái)基板上安裝有成組的牛眼輪，將包裝箱與基板之間的滑動(dòng)摩擦改變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。將尺寸為320×130×240 mm，質(zhì)量為60 kg的包裝箱放置于機(jī)架上，利用牛眼輪移動(dòng)至翻板對(duì)應(yīng)位置，在氣缸驅(qū)動(dòng)作用下氣缸活塞桿向上移動(dòng)，帶動(dòng)翻板抬升實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使包裝箱從水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到豎直90°狀態(tài)。基板兩側(cè)安裝有限位板，可以防止包裝箱在左、右翻板翻轉(zhuǎn)過程中由于慣性而出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)過度，發(fā)生傾倒。

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模

ADAMS參數(shù)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是設(shè)計(jì)變量的參數(shù)化，即以約束方程為邊界條件，給出設(shè)計(jì)變量的變化范圍和優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)解［20］，本次設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)是使氣缸驅(qū)動(dòng)力達(dá)到最小值。

2.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)化

曲柄搖塊機(jī)構(gòu)是包裝箱自動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能的重要組成部分，主要由翻板、鉸鏈、氣缸等組成。在參數(shù)化建模前，首先對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后的模型如圖3所示。

在ADAMS/View中，各設(shè)計(jì)點(diǎn)的初始位置坐標(biāo)是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模的主要參數(shù)，各設(shè)計(jì)點(diǎn)的空間位置和相互關(guān)系是建模的關(guān)鍵。以圖3中鉸鏈點(diǎn)O為原點(diǎn)建立笛卡爾直角坐標(biāo)系XOY，點(diǎn)A位于X軸正方向，與點(diǎn)O處于同一水平線，其余點(diǎn)均位于Y軸負(fù)方向，表1為各初始設(shè)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)。

利用創(chuàng)建完成的設(shè)計(jì)點(diǎn)分別創(chuàng)建曲柄、氣缸桿、氣缸構(gòu)件，更改各構(gòu)件名稱，方便添加約束和驅(qū)動(dòng)。根據(jù)各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，添加固定副、移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副，在氣缸處添加驅(qū)動(dòng)，至此翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型創(chuàng)建完成，如圖4所示。

2.2 添加設(shè)計(jì)變量

由圖3，將氣缸水平方向的坐標(biāo)（E點(diǎn)橫坐標(biāo)）設(shè)置為變量DV_1，豎直方向的坐標(biāo)（E點(diǎn)縱坐標(biāo)）設(shè)置為變量DV_2，曲柄夾角設(shè)置為變量DV_AOB，曲柄的長(zhǎng)度設(shè)置為變量DV_OB。根據(jù)各位置點(diǎn)之間存在的線性關(guān)系，創(chuàng)建完成表2中各設(shè)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)和設(shè)計(jì)變量坐標(biāo)。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量初始值及給定的變化范圍見表3。

2.3 添加約束條件

圖5為翻板運(yùn)動(dòng)到90°位置的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)正常工作的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，末端終止的理想位置角位移應(yīng)為90°。

基于各點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系，得到鉸鏈點(diǎn)O到氣缸的垂直距離h與各設(shè)計(jì)變量間的線性關(guān)系

其中，l為曲柄OB的長(zhǎng)度，γ為曲柄夾角AOB，x6、y6分別為E點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，h為O到BE的垂直距離。化簡(jiǎn)，得

（1）結(jié)合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)際要求，為防止翻轉(zhuǎn)過程中氣缸桿與翻板干涉，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求給出h值的最小約束：hmin＞35 mm；

（2）在翻轉(zhuǎn)過平衡位置后，重力開始作為驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)包裝箱翻轉(zhuǎn)至鉛錘位置，由于實(shí)際工作過程中氣缸提供的驅(qū)動(dòng)力是不變的，所以為了防止產(chǎn)生過大沖擊，應(yīng)盡可能減小力臂，結(jié)合機(jī)構(gòu)尺寸要求給出h值最大約束：hmax＜65 mm。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通常有三種約束函數(shù)：measure，result set component，ADAMS/View function。根據(jù)實(shí)際情況，需要對(duì)翻轉(zhuǎn)至90°位置時(shí)鉸鏈點(diǎn)O到氣缸的垂直距離h進(jìn)行約束，故采用第一種約束方法。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，在ADAMS中輸入測(cè)量對(duì)象、設(shè)計(jì)變量、優(yōu)化目標(biāo)、約束條件等，經(jīng)過多次迭代優(yōu)化，得到一組最優(yōu)解，見表4。

由圖6仿真曲線可以看出，在翻轉(zhuǎn)過程中所需驅(qū)動(dòng)力不斷減小，峰值出現(xiàn)在初始抬升瞬間，優(yōu)化后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的氣缸驅(qū)動(dòng)力得到了明顯優(yōu)化，最大驅(qū)動(dòng)力由945.75 N減小到703.44 N，減小了25.6%，有效的提高了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳力性能。

4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

根據(jù)優(yōu)化后得到的最優(yōu)參數(shù)修改翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)零件尺寸，完成裝配，建立新的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三維模型，優(yōu)化后翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。對(duì)簡(jiǎn)化后的模型添加約束和驅(qū)動(dòng)，完善虛擬樣機(jī)模型。在模型中新建320×130×240 mm的包裝箱立方體，定義質(zhì)量為60 kg，完成作用力添加。通過仿真運(yùn)行，得到翻轉(zhuǎn)過程中所需理想驅(qū)動(dòng)力變化情況，如圖8所示。

可知，氣缸所需理想驅(qū)動(dòng)力隨翻轉(zhuǎn)過程逐漸減小，在初始抬升瞬間驅(qū)動(dòng)力達(dá)到峰值，經(jīng)仿真可知此虛擬樣機(jī)中峰值驅(qū)動(dòng)力約為719.8 N，與優(yōu)化結(jié)果對(duì)比基本一致，誤差在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力變化情況與預(yù)期結(jié)果基本一致，機(jī)構(gòu)既實(shí)現(xiàn)了在翻轉(zhuǎn)過程中減小驅(qū)動(dòng)力的目標(biāo)，同時(shí)滿足了機(jī)構(gòu)工作過程中不存在裝置干涉和過大沖擊的要求。

5 結(jié)論

本文以曲柄搖塊機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，提出了一種包裝箱自動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)方案。利用ADAMS軟件，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到了一組最優(yōu)機(jī)構(gòu)尺寸，以最優(yōu)解參數(shù)修改模型建立虛擬樣機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)了在滿足約束條件下減小氣缸驅(qū)動(dòng)力的目的，提升了裝置翻轉(zhuǎn)能力。經(jīng)過仿真分析可知，最優(yōu)解滿足設(shè)計(jì)要求，該裝置具有應(yīng)用可行性。在后續(xù)研究中，應(yīng)著重考慮關(guān)鍵受力位置鉸鏈疲勞分析等問題，完善機(jī)構(gòu)優(yōu)化內(nèi)容。

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Optimal Design and Simulation Analysis of Box Flipping Device Based on ADAMS

JIANG Jin-hua， CUI Xiang-gui， ZHANG Ji-zhong， ZHANG Tai-yuan

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China）

Abstract： An automatic box flipping device was designed for the manual flipping of the box， there was a problem of high labor intensity and low efficiency. Two sets of crank rocker mechanisms were used to convert the reciprocating movement of the cylinder piston rod into a 90° flip of the left and right flaps. The two 90° flips of the box are realized by the flip device. In order to reduce the maximum driving force of the cylinder required for the unit to flip， the ADAMS software was used to solve the optimization target within a given range of design variables. The results show that the maximum driving force required for the initial flipping and lifting moment is reduced by 25.6%. It is verified that the optimized mechanism parameters meet the expected requirements and structural design requirements through simulation analysis， and the working performance is effectively improved.

Keywords： flip device； crank rocker mechanism； optimized design； simulation

收稿日期：2022-05-18

通信作者：張繼忠，男，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及數(shù)字化設(shè)計(jì)。E-mail：zjzqdu@163.com