基于ADAMS 的壓印機(jī)虛擬模型運(yùn)動(dòng)仿真研究

劉嘉昊 石禹鵬 于龍騰 李嘉錚 袁嘉偉

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214121）

壓印機(jī)是一種印刷機(jī)[1]。現(xiàn)代印刷機(jī)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(jī)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(fā)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(jī)，壓印出的物品會(huì)呈現(xiàn)出立體感和藝術(shù)感，且不使用油墨，而是通過(guò)壓印機(jī)的壓力使圖像凸顯出來(lái)。雖然壓印機(jī)對(duì)紙張或者承載物的質(zhì)量要求較高，但是工作環(huán)境會(huì)比印刷機(jī)適用范圍更加廣泛，如高溫環(huán)境和潮濕環(huán)境。此外，在防油圖層、鋼鐵制品等普通印刷機(jī)無(wú)法印出所需要求制品的情況下，壓印機(jī)也可以擁有良好的使用效果。

1 壓印機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及模型建立

1.1 壓印機(jī)的組成

在不影響壓印機(jī)工作狀態(tài)、效率和性能的前提下，將相對(duì)無(wú)關(guān)的零件視為一體。鋼制壓印機(jī)零部件由底座、左右側(cè)板、上蓋板、凹凸?jié)L筒、大小齒輪、漲緊套壓盤(pán)以及擋板簡(jiǎn)化組成，其中各個(gè)零部件通過(guò)螺栓、螺母和螺釘?shù)冗B接件固定和連接[2]。

底座用來(lái)承載壓印機(jī)左右側(cè)板，是壓印機(jī)的地基。左右側(cè)板用來(lái)固定凹凸輪，使其能夠在左右側(cè)板之間旋轉(zhuǎn)工作。它的上方用上蓋板連接左右側(cè)板，使 其固定。

凹凸?jié)L筒在工作時(shí)，為使其能夠印出所需效果，需要兩個(gè)滾筒之間保持相同的旋轉(zhuǎn)速度。齒輪傳動(dòng)能夠保證瞬時(shí)傳動(dòng)比穩(wěn)定、傳遞運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊密等。為了使兩個(gè)凹凸?jié)L筒之間能夠有相同的旋轉(zhuǎn)速度、穩(wěn)定的工作效率，這里選擇齒輪連接。為了使凹凸?jié)L筒和齒輪之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需要用漲緊套壓盤(pán)將二者連接固定。

壓印機(jī)的輸入段也選擇齒輪連接來(lái)傳動(dòng)凹凸?jié)L筒的齒輪，并用擋板來(lái)固定主動(dòng)輪。當(dāng)需要改變壓印機(jī)的輸出功率時(shí)，只需改變主動(dòng)輪的輸入功率即可。

1.2 壓印機(jī)模型建立

使用NX 建立壓印機(jī)所需要的各個(gè)零部件，包括底座、左右側(cè)板、上蓋板、凹凸?jié)L筒、大小齒輪、漲緊套壓盤(pán)以及擋板組。

通過(guò)約束使所有配件裝配起來(lái)：底座添加固定約束，左右側(cè)板通過(guò)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(cè)板，凹凸?jié)L筒通過(guò)同心接觸和平行接觸固定在左右側(cè)板中間，齒輪和漲緊套壓盤(pán)使用同心接觸在凹凸?jié)L筒上。實(shí)物與效果如圖1 所示。

2 ADAMS 運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置

2.1 ADAMS 仿真壓印機(jī)介紹

使用NX 建好壓印機(jī)模型后將文件使用Para solid 格式導(dǎo)出，導(dǎo)入到ADAMS 軟件，方便后續(xù)的運(yùn)動(dòng)副約束設(shè)置和仿真，并省略螺栓、螺母及螺釘?shù)冗B接件來(lái)簡(jiǎn)化壓印機(jī)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)副約束壓印機(jī)零部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，添加驅(qū)動(dòng)使壓印機(jī)模型運(yùn)動(dòng)起來(lái)，達(dá)到最終想要的效果。通過(guò)使用ADAMS 來(lái)模擬壓印機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真[3]，從齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度和主動(dòng)輪輸入速度方面分析壓印機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2.2 ADAMS 工作環(huán)境設(shè)置

使用ADAMS[4]仿真壓印機(jī)運(yùn)動(dòng)方式時(shí)要設(shè)置好重力及方向、模型單位及坐標(biāo)系選擇等工作環(huán)境。重力方向選擇垂直與工作格柵的Z 軸負(fù)方向；將工作格柵設(shè)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(biāo)系與ADAMS 坐標(biāo)系一致。

2.3 壓印機(jī)運(yùn)動(dòng)副設(shè)置與驅(qū)動(dòng)設(shè)置

為了能使壓印機(jī)能夠穩(wěn)定正確地按照設(shè)想工作方式運(yùn)作，需要設(shè)置相關(guān)約束和運(yùn)動(dòng)副來(lái)確保壓印機(jī)正常工作。壓印機(jī)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(yùn)動(dòng)方向運(yùn)作，使得凹凸兩滾筒以穩(wěn)定的速度來(lái)壓印所需要的物品。

（1）創(chuàng)建固定副：底座與大地固定在一起，左右側(cè)板和頂蓋使用兩個(gè)物體一個(gè)位置的構(gòu)建方式固定在底座上，凹凸?jié)L輪、漲緊套壓盤(pán)和大齒輪使用兩個(gè)物體一個(gè)位置固定在一起。

（2）創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副：凹凸?jié)L輪、漲緊套壓盤(pán)和大齒輪整體在右側(cè)板孔中心創(chuàng)建一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，小齒輪在擋板上創(chuàng)建一個(gè)旋轉(zhuǎn)副。

（3）創(chuàng)建力：在兩個(gè)大齒輪和小齒輪相互之間創(chuàng)建特殊力——?jiǎng)?chuàng)建接觸。

（4）創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)：在小齒輪上創(chuàng)建一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，并且選擇小齒輪的旋轉(zhuǎn)副，方向選擇旋轉(zhuǎn)，類(lèi)型選擇速度，函數(shù)設(shè)置為500 d×time、1 000 d。

3 ADAMS 運(yùn)動(dòng)仿真分析

壓印機(jī)工作時(shí)是電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪，使主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪，從動(dòng)輪和漲緊套壓盤(pán)及凹凸?jié)L筒連接，從動(dòng)輪和凹凸?jié)L筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)。為了使壓印機(jī)打印更加立體和穩(wěn)定，主動(dòng)輪的動(dòng)能要穩(wěn)定，從動(dòng)輪之間的受力要穩(wěn)定，凹凸?jié)L筒之間的運(yùn)動(dòng)速度一致方向相反，不能出現(xiàn)速度不一致的狀況。壓印機(jī)主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)輪通過(guò)漲緊套壓盤(pán)連接滾筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所以，壓印機(jī)運(yùn)動(dòng)大致可分為勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和變速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩種，進(jìn)而對(duì)主動(dòng)輪的速度和加速度進(jìn)行分析[5]。因?yàn)閴河C(jī)工作部位是滾筒，從動(dòng)輪與滾筒具有相同的轉(zhuǎn)速，所以對(duì)兩個(gè)滾筒進(jìn)行分析即可。

3.1 壓印機(jī)變速運(yùn)動(dòng)分析

主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為500 d×time，類(lèi)型為加速度，仿真時(shí)間設(shè)置為3 s，仿真步數(shù)為500，開(kāi)始仿真運(yùn)動(dòng)。

主動(dòng)輪在0 ～3 s 內(nèi)做加速運(yùn)動(dòng)，角速度應(yīng)該逐漸加快，圖像經(jīng)過(guò)零點(diǎn)斜向上，如圖2 所示。主動(dòng)輪輸出的動(dòng)能會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大，圖像呈向上的拋物線(xiàn)狀，如圖3 所示。

主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪，從動(dòng)輪與漲緊套壓盤(pán)和滾筒連接，從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)角速度與滾筒一致，在工作時(shí)滾筒時(shí)輸出端，所以觀察滾筒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即可。在0 ～3 s 旋轉(zhuǎn)速度會(huì)逐漸增加，滾筒的壓印受力面運(yùn)動(dòng)速度會(huì)越來(lái)越快，滾筒的運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)越來(lái)越快，如圖4 和圖5 所示。

在壓印機(jī)做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，連接兩個(gè)滾筒的從動(dòng)輪受力也會(huì)逐漸增加。從0 s 開(kāi)始逐漸加速運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的增加，主動(dòng)輪提供的動(dòng)能逐漸增大，旋轉(zhuǎn)速度也漸漸變大，兩個(gè)從動(dòng)輪之間受到的轉(zhuǎn)矩也開(kāi)始變大，如圖6 所示。

3.2 壓印機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)分析

主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為1 000 d，類(lèi)型為速度，仿真時(shí)間設(shè)置為3 s，仿真步數(shù)為500，開(kāi)始仿真運(yùn)動(dòng)。

壓印機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)輪輸入功率一定，輸出的動(dòng)能一定，所以從動(dòng)輪帶動(dòng)滾筒運(yùn)動(dòng)速度也一定。凹凸?jié)L筒的運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)呈現(xiàn)出周期性，如圖7 和 圖8 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了壓印機(jī)和常規(guī)印刷機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)，介紹了壓印機(jī)的結(jié)構(gòu)組成。利用NX 軟件將簡(jiǎn)化后的壓印機(jī)進(jìn)行建模和處理，使用Para solid 格式導(dǎo)入ADAMS。在ADAMS 中先進(jìn)行相關(guān)工作環(huán)境設(shè)置，并對(duì)壓印機(jī)3D 模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的約束，使其能夠按照需求仿真運(yùn)動(dòng)。之后進(jìn)入后處理階段，分別對(duì)凹凸?jié)L筒在加速運(yùn)動(dòng)和勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，對(duì)主動(dòng)輪在加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下角速度的變化和動(dòng)能變化進(jìn)行分析，可為類(lèi)似的壓印機(jī)的凹凸?jié)L筒和主動(dòng)輪在工作狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)情況提供參考。