FX2-779機(jī)組條煙排出機(jī)構(gòu)的建模技術(shù)與仿真分析

江蘇中煙工業(yè)有限公司徐州卷煙廠 陳杰，鄭友東，李二鵬

FX2-779機(jī)組條煙排出機(jī)構(gòu)的建模技術(shù)與仿真分析

江蘇中煙工業(yè)有限公司徐州卷煙廠 陳杰，鄭友東，李二鵬

FX2-779機(jī)組條煙排出工作機(jī)構(gòu)是一種氣缸驅(qū)動(dòng)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在運(yùn)行將近一年的時(shí)候，相繼頻繁出現(xiàn)“條煙輸出推子”故障（擠煙）。查找設(shè)備源程序發(fā)現(xiàn)，該故障是由于氣缸運(yùn)行超時(shí)造成的。本文中從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度對(duì)造成此故障進(jìn)行深入分析，將氣缸驅(qū)動(dòng)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式。而后運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks和機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立FX2-779機(jī)組條煙排出工作機(jī)構(gòu)的多剛體虛擬樣機(jī)模型，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，同時(shí)仿真的結(jié)果為伺服電機(jī)選擇提供了理論依據(jù)。

伺服電機(jī)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；仿真

FX2機(jī)組是德國(guó)FOCKE公司推出的新一代硬盒包裝機(jī)組，主要由小盒包裝機(jī)（703）、小盒透明紙包裝機(jī)（753）和條盒包裝機(jī)（779）組成，額定生產(chǎn)速度70條/分鐘。該機(jī)型已穩(wěn)定運(yùn)行三年多的時(shí)間。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，779機(jī)組的條煙排出機(jī)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生故障。

由于伺服驅(qū)動(dòng)具有精度高；容易實(shí)現(xiàn)柔性化和智能化，工作性能提高；簡(jiǎn)化傳動(dòng)環(huán)節(jié)，減少維修和節(jié)省能量；環(huán)保；安全性能高等優(yōu)點(diǎn)。本文試圖通過(guò)將氣缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)改為伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式，進(jìn)而縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性。

1　現(xiàn)有機(jī)構(gòu)特點(diǎn)分析

779機(jī)組的條煙排出機(jī)構(gòu)由推板和兩個(gè)互相垂直的氣缸組成，如圖1所示。在生產(chǎn)運(yùn)行中，下面的氣缸驅(qū)動(dòng)推板向前運(yùn)動(dòng)，上面的氣缸驅(qū)動(dòng)推板向后運(yùn)動(dòng)，從而完成一個(gè)完整的推煙動(dòng)作。徐州卷煙廠現(xiàn)有兩臺(tái)FOCKE-FX2機(jī)組，在運(yùn)行將近一年的時(shí)候，相繼頻繁出現(xiàn)“條煙輸出推子”故障（擠煙）。查找設(shè)備源程序發(fā)現(xiàn)，該故障是由于氣缸運(yùn)行超時(shí)造成的，即當(dāng)氣缸在做伸出動(dòng)作時(shí)，從起始點(diǎn)到終止點(diǎn)的時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間，或者在做縮回動(dòng)作時(shí)，從終止點(diǎn)返回起始點(diǎn)的時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間，設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)上述故障而停機(jī)。從源程序可知，該設(shè)定時(shí)間為200ms，嘗試把該時(shí)間參數(shù)調(diào)整為300ms，故障暫時(shí)得以解決，但是在運(yùn)行幾天之后，兩臺(tái)設(shè)備又出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。進(jìn)一步分析原因可知：氣缸驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)組合式即氣缸驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)。原設(shè)計(jì)采用兩個(gè)單作用結(jié)構(gòu)氣缸，在空間上互相垂直交錯(cuò)布置。氣缸的一端固定機(jī)架上，另一端通過(guò)球頭鉸接在銷軸上（圖1）。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中為了保證曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度的準(zhǔn)確性，還需在輸出軸上安裝兩個(gè)限位擋塊。這樣就完成了壓力能向回轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化的基本結(jié)構(gòu)。但是氣缸式曲柄連桿機(jī)構(gòu)存在三個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題，一是隨著曲柄轉(zhuǎn)角和連桿擺角的變化，氣缸式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)波動(dòng)的，呈現(xiàn)出周期性的不平穩(wěn)狀態(tài)，并且伴隨著連桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程的波動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的輸出扭矩同樣呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng)狀態(tài)，活塞式氣缸的這種不穩(wěn)定性會(huì)極大地影響氣缸的輸出運(yùn)動(dòng)的可靠性，會(huì)引起氣缸產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)，伴隨而來(lái)的還有較為嚴(yán)重的噪音污染。另一個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題是，氣缸的活塞桿推動(dòng)曲柄做功，這期間活塞做的運(yùn)動(dòng)方式是平動(dòng)，曲柄做的是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在壓縮氣體推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用在汽缸壁的負(fù)作用力，這個(gè)負(fù)作用力不但會(huì)加大汽缸壁的磨損，極大地縮短氣缸的工作壽命，還會(huì)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(qū)動(dòng)式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作效率。三是由于構(gòu)成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副數(shù)量多，運(yùn)行速度高，系統(tǒng)的慣性力較大，機(jī)械的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性也會(huì)帶來(lái)很大的影響。

圖1 氣缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

2　主傳動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真

2.1 ADAMS仿真步驟分析（如圖2所示）

圖2 動(dòng)態(tài)仿真流程圖

2.2傳動(dòng)系統(tǒng)的建模

采用SolidWorks來(lái)建立FX2-779機(jī)組條煙排出機(jī)構(gòu)的三維模型，如表1所示，并將模型導(dǎo)入到ADAMS中。ADAMS中提供了豐富的載荷和運(yùn)動(dòng)約束，可以迅速地建立構(gòu)件間的約束。

FX2-779機(jī)組條煙排出機(jī)構(gòu)的工作機(jī)構(gòu)，主要由擋板、連桿、連接塊等零件組成。在計(jì)算機(jī)仿真過(guò)程中，首先是建立各零件的三維實(shí)體模型，然后根據(jù)各自之間的裝配關(guān)系進(jìn)行裝配。而后通過(guò)ADAMS和這些軟件的數(shù)據(jù)接口，把建立好的零件實(shí)體模型傳輸?shù)紸DAMS軟件中，做進(jìn)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(dǎo)入幾何模型

在SolidWorks中創(chuàng)建主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各零件三維實(shí)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(jìn)行仿真分析，充分發(fā)揮SolidWorks實(shí)體建模功能和ADAMS仿真分析功能的優(yōu)勢(shì)。在SolidWorks中把工作機(jī)構(gòu)各零件按照各自的關(guān)系裝配成如圖3所示。圖4為導(dǎo)入ADAMS后的工作機(jī)構(gòu)模型。

圖3 SolidWorks環(huán)境下的模型

圖4 ADAMS環(huán)境下的模型

2.3.2 設(shè)置材料屬性

導(dǎo)入模型后，設(shè)置材料屬性。分別選取機(jī)構(gòu)的各個(gè)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(shè)置材料屬性

2.3.3 設(shè)置單位和重力加速度

設(shè)置系統(tǒng)單位。單擊菜單【Setting】→【Units】→【MMKS】后，彈出單位制設(shè)置對(duì)話框，將相應(yīng)的單位設(shè)置成所需要的單位制即可。設(shè)置重力加速度。單擊菜單【Settings】→【Gravity】后，彈出Gravity settins設(shè)置對(duì)話框。重力加速的方向?yàn)樽鴺?biāo)系-Z方向。如圖6所示。

圖6 設(shè)置單位和重力加速度

2.3.4 添加約束

根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，在ADAMS中創(chuàng)建約束，本文中添加4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，以及若干個(gè)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(chuàng)建約束

2.3.5 施加載荷和驅(qū)動(dòng)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求：每分鐘輸出70條煙，每條煙的重量為260g左右。相對(duì)于整個(gè)機(jī)構(gòu)而言，每條煙的質(zhì)量可以忽略不計(jì)，所以在仿真計(jì)算的時(shí)候不再施加任何載荷，僅根據(jù)每分鐘輸出100條煙，進(jìn)行施加驅(qū)動(dòng)，即一個(gè)周期的時(shí)間T=0.6s，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=100r/ min，電機(jī)角速度w=600d/s，所以在ADAMS中，在電機(jī)輸入端增加一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的角速度為600d×time，如圖8所示。

圖8 施加驅(qū)動(dòng)

2.3.6 模型的仿真

利用ADAMS/View功能模塊可以對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)，將仿真時(shí)間設(shè)置為3秒，步數(shù)設(shè)置為1000步后，單擊仿真計(jì)算按鈕，開(kāi)始仿真計(jì)算。本文中對(duì)模型進(jìn)行了五個(gè)周期的仿真，其模型的運(yùn)行狀況可以通過(guò)計(jì)算機(jī)直觀地獲取，并可以對(duì)感興趣的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和曲線繪制。

通過(guò)仿真，可以得到曲柄連桿機(jī)構(gòu)推煙擋板的位移、速度及加速度與時(shí)間的關(guān)系。圖9為曲柄連桿機(jī)構(gòu)仿真的運(yùn)動(dòng)仿真曲線。

圖9 曲柄的扭矩曲線

3　仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真分析，可以清楚地觀測(cè)到曲柄連桿機(jī)構(gòu)5個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)循環(huán)情況。然后測(cè)量曲柄上的轉(zhuǎn)動(dòng)副的扭矩，輸出曲柄的驅(qū)動(dòng)力矩的曲線圖如圖10，根據(jù)圖10曲柄的驅(qū)動(dòng)力矩曲線可以為電機(jī)的選擇提供參考。通過(guò)ADAMS軟件的Postprocess模塊對(duì)曲線進(jìn)行編輯測(cè)量，測(cè)得驅(qū)動(dòng)的扭矩的最大值和最小值為-81.1398Nmm～73.4276Nmm，即在電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=100r/min時(shí)，電機(jī)輸出的扭矩T≥81.1398Nmm。

圖10 曲柄的扭矩曲線

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)7 7 9機(jī)組的條煙排出機(jī)構(gòu)建模和仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)扭矩的最大值和最小值為-81.1398Nmm～73.4276Nmm，即在電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=100r/min時(shí)，電機(jī)輸出的扭矩T≥81.1398Nmm，能滿足對(duì)機(jī)器性能設(shè)計(jì)的要求。

[1] 郭建娟, 蔣文瑛, 吳旭等. FOCKE 800硬盒包裝機(jī)煙庫(kù)攪動(dòng)塊裝置的改進(jìn)與仿真研究[J]. 煙草科技, 2015, 48(5): 90 - 93.

[2] 沈再揚(yáng), 王隆太. 肘桿式壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新, 2005, 18(6): 140 - 142.

[3] 黃德良, 龔美華, 徐峰. FOCKE FC800超高速硬盒包裝機(jī)技術(shù)分析[C]. 中國(guó)煙草學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2010.

[4] 李增剛. ADAMS入門詳解與實(shí)例[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)初版社, 2008.

[5]劉俊, 林礪宗, 劉小平等. ADAMS柔性體運(yùn)動(dòng)仿真分析研究及運(yùn)用[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2004: 53 - 55.

[6] 郭建娟, 蔣文瑛. FOCKE 800硬盒包裝機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)分析[J]. 機(jī)械工程師, 2012, 9: 106 - 108.

[7] 羅衛(wèi)平. 剛?cè)狁詈蠙C(jī)械系統(tǒng)的建模方法[J]. 金陵科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 25(1): 25 - 27.

[8] 周奎田, 古勁聲. 超高速包裝機(jī)組FOCKE779條煙透明紙整形裝置的改進(jìn)[J]. 煙草科技, 2014, 4: 39 - 42.

[9] 何亞銀. 基于ADAMS和MATLAB的動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真[J]. 煙草科技, 2007, 5: 60 - 62.

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(xiàn)就職于江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司徐州卷煙廠，從事卷接包設(shè)備的管理與維護(hù)工作。