基于ADAMS的包裝箱翻轉裝置優化設計及仿真分析

姜錦華　崔向貴　張繼忠　張泰源

摘要：針對人工翻轉包裝箱時存在勞動強度大、效率低等問題，設計了一種包裝箱自動翻轉裝置，采用兩組曲柄搖塊機構將氣缸活塞桿的往復移動轉換為左、右翻板的90°翻轉，實現了包裝箱的兩次90°翻轉功能。為減小裝置翻轉所需的氣缸最大驅動力，利用ADAMS軟件在給定的設計變量范圍內對優化目標進行求解。研究結果表明，翻轉機構優化后，初始翻轉抬升瞬間所需最大驅動力減小了25.6%，仿真分析驗證了優化后的機構參數滿足預期要求和結構設計需要，工作效率得到了有效提升。

關鍵詞：翻轉裝置；曲柄搖塊機構；優化設計；仿真

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A

翻轉裝置應具有輕巧靈活、操作簡單、安全可靠等特點，使輸送和搬運工作更加平穩有效。根據最大翻轉角度，翻轉裝置分為90°翻轉機和180°翻轉機，常見翻轉裝置的結構類型有框架式、皮帶式、鏈條式等［1］。由于裝滿金屬零件的箱體質量較大且每天需要翻轉的數量較多，采取人工翻轉效率低下，且具有一定的危險性。近年來出現很多類型的翻轉機構，如液壓鉸鏈翻轉機構利用轉軸將電機與翻轉輪相連，在8個定位塊固定作用下，通過電機驅動，每45°實現一次翻轉［2］；或利用雙曲柄連桿滑塊機構，通過氣缸往復移動，實現藥筒水平與傾斜的狀態變化［3］。這類機構結構相對簡單，工作狀態穩定，適用于小型工件生產線。對于翻轉機構及連桿機構的優化問題，優化方法各有優缺點，如通過對翻轉機構的結構分析以優化尺寸，這種非參數化方法不方便修改，缺少直觀的數據支撐［4-5］。目前大部分優化設計利用MATLAB和ADAMS/View等計算機軟件求解，采用參數化方法可以更精確的完成復雜機械的設計，不僅能夠快速生成方案而且便于修改，具有很好的運算優勢，但并不適用于參數和決策變量為雙下標變量問題，還需在基本的數學模型的基礎上進行變換才能求解，有一定的局限性［6-8］；另有研究利用ADAMS/View軟件，在目標函數基礎上建立相應約束，以實現優化設計［9-18］。對比這些優化方法可知，基于ADAMS的優化設計不用推導繁瑣的運動學、動力學方程，是比較理想的優化方法。由于曲柄搖塊機構具有傳遞動力大、壽命長、結構簡單等特點［19］，本文設計的包裝箱自動翻轉裝置采用曲柄搖塊機構，利用ADAMS/View對單目標進行優化與仿真分析，該方案既節省驅動力又滿足防干涉、控制沖擊等要求，提高了翻轉效率。

1翻轉裝置工作原理

包裝箱結構及包裝要求如圖1所示，翻轉機構工作時，首先左側曲柄搖塊機構驅動左翻板包裝箱向左翻轉90°，使得包裝箱立起，以方便纏繞第1圈膠帶，之后左側翻板的彎板帶動包裝箱復位回到水平位置。接下來右側曲柄搖塊機構驅動右翻板將包裝箱向右翻轉90°，包裝箱再次立起，以方便在對稱位置纏繞第2圈膠帶，最后右側翻板的彎板帶動包裝箱復位回到水平位置實現所有預期功能。

如圖2所示，在大小為900×600×760 mm的機架上，翻板置于平板凹槽內，翻轉裝置采用兩組曲柄搖塊機構將氣缸活塞桿的往復移動轉換為左、右翻板的90°翻轉，鉸鏈圍繞鉸鏈點做旋轉運動。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過程中的摩擦阻力，在翻轉臺基板上安裝有成組的牛眼輪，將包裝箱與基板之間的滑動摩擦改變為滾動摩擦。將尺寸為320×130×240 mm，質量為60 kg的包裝箱放置于機架上，利用牛眼輪移動至翻板對應位置，在氣缸驅動作用下氣缸活塞桿向上移動，帶動翻板抬升實現翻轉運動，使包裝箱從水平狀態翻轉到豎直90°狀態。基板兩側安裝有限位板，可以防止包裝箱在左、右翻板翻轉過程中由于慣性而出現翻轉過度，發生傾倒。

2 翻轉機構參數化建模

ADAMS參數化設計基礎是設計變量的參數化，即以約束方程為邊界條件，給出設計變量的變化范圍和優化目標的最優解［20］，本次設計的優化目標是使氣缸驅動力達到最小值。

2.1 翻轉機構模型簡化

曲柄搖塊機構是包裝箱自動翻轉裝置實現翻轉功能的重要組成部分，主要由翻板、鉸鏈、氣缸等組成。在參數化建模前，首先對翻轉機構進行簡化處理，簡化后的模型如圖3所示。

在ADAMS/View中，各設計點的初始位置坐標是翻轉機構參數化建模的主要參數，各設計點的空間位置和相互關系是建模的關鍵。以圖3中鉸鏈點O為原點建立笛卡爾直角坐標系XOY，點A位于X軸正方向，與點O處于同一水平線，其余點均位于Y軸負方向，表1為各初始設計點坐標。

利用創建完成的設計點分別創建曲柄、氣缸桿、氣缸構件，更改各構件名稱，方便添加約束和驅動。根據各構件之間的運動關系，添加固定副、移動副和轉動副，在氣缸處添加驅動，至此翻轉機構的參數化模型創建完成，如圖4所示。

2.2 添加設計變量

由圖3，將氣缸水平方向的坐標（E點橫坐標）設置為變量DV_1，豎直方向的坐標（E點縱坐標）設置為變量DV_2，曲柄夾角設置為變量DV_AOB，曲柄的長度設置為變量DV_OB。根據各位置點之間存在的線性關系，創建完成表2中各設計點坐標和設計變量坐標。

翻轉機構設計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為翻板運動到90°位置的運動簡圖。在翻轉機構正常工作的一個運動周期內，末端終止的理想位置角位移應為90°。

基于各點相對位置關系，得到鉸鏈點O到氣缸的垂直距離h與各設計變量間的線性關系

其中，l為曲柄OB的長度，γ為曲柄夾角AOB，x6、y6分別為E點的橫坐標和縱坐標，h為O到BE的垂直距離。化簡，得

（1）結合機構運動實際要求，為防止翻轉過程中氣缸桿與翻板干涉，根據結構設計要求給出h值的最小約束：hmin＞35 mm；

（2）在翻轉過平衡位置后，重力開始作為驅動力帶動包裝箱翻轉至鉛錘位置，由于實際工作過程中氣缸提供的驅動力是不變的，所以為了防止產生過大沖擊，應盡可能減小力臂，結合機構尺寸要求給出h值最大約束：hmax＜65 mm。

3 優化設計

優化設計時，通常有三種約束函數：measure，result set component，ADAMS/View function。根據實際情況，需要對翻轉至90°位置時鉸鏈點O到氣缸的垂直距離h進行約束，故采用第一種約束方法。根據設定的參數，在ADAMS中輸入測量對象、設計變量、優化目標、約束條件等，經過多次迭代優化，得到一組最優解，見表4。

由圖6仿真曲線可以看出，在翻轉過程中所需驅動力不斷減小，峰值出現在初始抬升瞬間，優化后，翻轉機構的氣缸驅動力得到了明顯優化，最大驅動力由945.75 N減小到703.44 N，減小了25.6%，有效的提高了翻轉機構的傳力性能。

4 翻轉機構動力學仿真分析

根據優化后得到的最優參數修改翻轉機構零件尺寸，完成裝配，建立新的翻轉機構三維模型，優化后翻轉機構簡圖如圖7所示。對簡化后的模型添加約束和驅動，完善虛擬樣機模型。在模型中新建320×130×240 mm的包裝箱立方體，定義質量為60 kg，完成作用力添加。通過仿真運行，得到翻轉過程中所需理想驅動力變化情況，如圖8所示。

可知，氣缸所需理想驅動力隨翻轉過程逐漸減小，在初始抬升瞬間驅動力達到峰值，經仿真可知此虛擬樣機中峰值驅動力約為719.8 N，與優化結果對比基本一致，誤差在合理范圍內，驗證了翻轉機構參數化建模和優化設計的正確性。經過優化調整后的翻轉機構驅動力變化情況與預期結果基本一致，機構既實現了在翻轉過程中減小驅動力的目標，同時滿足了機構工作過程中不存在裝置干涉和過大沖擊的要求。

5 結論

本文以曲柄搖塊機構為基礎，提出了一種包裝箱自動翻轉裝置的設計方案。利用ADAMS軟件，通過參數化設計對翻轉機構進行優化，得到了一組最優機構尺寸，以最優解參數修改模型建立虛擬樣機，最終實現了在滿足約束條件下減小氣缸驅動力的目的，提升了裝置翻轉能力。經過仿真分析可知，最優解滿足設計要求，該裝置具有應用可行性。在后續研究中，應著重考慮關鍵受力位置鉸鏈疲勞分析等問題，完善機構優化內容。

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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，主要研究方向為機械系統動力學及數字化設計。E-mail：zjzqdu@163.com