（机械制造及其自动化专业论文）全自动平压平模切机模切机构特性分析及结构优化设计.pdf

， 卜 ， ，譬 分 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 ：、取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： ：皴 日 期：滏丑殳：! ! ! 蛩 = = 1 p “一1 _ 一 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。：典新。签名碰签二型! ：z 彩 i-厂“，。 ：_ 1 l ， 卜 l 立 础 0 ， 刖 产一 摘要 随着包装工业的迅猛发展，市场对高性能模切机的需求量日益剧增。但是， 从市场上现有产品来看，国产模切机产品在加工速度、加工精度、工作稳定性和 可靠性上都与国外的先进产品存在着较大的差距，市场大部分被国外产品占有， 提高国产模切机产品质量迫在眉睫。模切机构作为模切机的核心部分，其机械运 动性能的好坏对模切机的整体工作能力及性能起着至关重要的作用。因此，对模 切机构的工作原理、运动学特性进行深入研究是提高模切机工作能力及性能的关 键，对模切机构进行科学、合理的优化设计是提高我国模切机产品市场竞争力的 根本措施。 本课题结合唐山玉印公司的现有某型号模切机产品，对其双肘杆驱动机构进 行了系统的运动学理论分析，并基于改善机构的运动学特性及模切工艺质量的目 的，建立了新的共轭凸轮驱动机构设计方案，运用现代设计方法对其结构进行了 全面的创新优化设计，在满足模切精度的前提下，将模切机构的工作速度提高到 7 5 0 0 转时，并相应提高了模切机的整体工作性能。论文的主要工作内容和研究 结果有以下几点： ， 首先，针对现有模型号模切机产品，对其模切机构建立了数学模型，运用了 复数矢量法对其运动进行了精确求解，得到了双肘杆各构件的运动方程，并通过 m a t l a b 编写程序得到了模切机在最高工作速度( 6 0 0 0 转时) 时机构各杆件的 位移、速度、加速度变化曲线图。 根据双肘杆机构的运动特性曲线，得出了影响模切机构性能的主要因素及其 影响方式。其中，模切平台、连杆、上肘杆的加速度运动规律对模切机性能的影 响最大，它们在运动过程中所具有的峰值加速度产生较大的冲击载荷，且模切平 台的运动规律不符合模切工艺要求。 基于改善机构的运动学特性及模切工艺质量的目的，以模切平台的改进加速 度运动规律为设计准则，对双肘杆机构的结构进行了全面优化设计，建立了以共 轭凸轮驱动代替曲柄驱动的设计方案，并通过m a t l a b 对共轭凸轮机构进行了精 确反求设计，并且得到了共轭凸轮的精确轮廓。 最后，通过a d a m s 对优化设计后的共轭凸轮驱动机构进行运动仿真分析， 得到了新机构中各构件的位移、速度、加速度变化曲线，并通过对比发现，共轭 凸轮驱动机构在设计工作速度( 7 5 0 0 转时) 时的运动特性更有利于提高机构的 运动精度、更符合模切工艺要求，使之结构更加简单紧凑、从而更加有效的提高 了模切机构的工作能力及性能。 关键词：模切机构， 运动学特性，共轭凸轮机构，a d a m s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e p a c k a g i n gi n d u s t r y ，t h em a r k e td e m a n d sf o r d i e c u t t i n gm a c h i n ew i t hh i g h - p e r f o r m a n c ei sg r o w i n gd r a m a t i c a l l y h o w e v e r , f r o m t h ev i e w p o i n t so ft h ec u r r e n tp r o d u c t so f t h em a r k e t ，t h e r ei sa l a r g eg a pb e t w e e n d o m e s t i cd i e - c u t t i n gm a c h i n e sa n df o r e i g na d v a n c e dp r o d u c t si nt h ep r o c e s s i n g s p e e d ， p r e c i s i o n ，s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f m a c h i n e f o rt h i sr e a s o n ，m o s to f t h ed o m e s t i c m a r k e ti so c c u p i e db yf o r e i g np r o d u c t s s o ，i ti su r g e n tt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f h o m e m a d e d i e - c u t t i n gm a c h i n e s a sd i e c u t t i n gm e c h a n i s mi st h ec o r eo fd i e c u r i n g m a c h i n e ，t h ep e r f o r m a n c eo fi t sm e c h a n i c a lm o v e m e n ti sv e r yi m p o r t a n tf o r t h e s y n t h e t i c a lc a p a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fd i e - c u t t i n gm a c h i n e t h e r e f o r e ，t h ei n d e p t h s t u d yo nt h er u n n i n gp r i n c i p l ef o rd i e - c u t t i n gm e c h a n i s ma n di t sk i n e m a t i c c h a r a c t e r i s t i c si st h ek e yt oi m p r o v ei t sw o r k a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h e d i e 。c u t t i n gm a c h i n e ，t h es c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lo p t i m i z e dd e s i g no fd i e c u t t i n g m e c h a n i s mi st h ef u n d a m e n t a lm e a s u r et oi m p r o v et h e t h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so f d o m e s t i cd i e c u t t i n gm a c h i n e s t h ea u t h o rr e s e a r c hi sc o m b i n e dw i t hs o m es p e c i f i ct y p ed i e c u t t i n gm a c h i n e ， a n di t ss y s t e m a t i ck i n e m a t i c st h e o r e t i c a la n a l y s i so fi t sd r i v em e c h a n i s mh a sb e e n d o n e ，a n dt h e n ，f o rt h ep u r p o s eo f i m p r o v i n gi t sk i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e q u a l i t yo fi t sc u t t i n gt e c h n i c s ，an e wp r o j e c to fc o n j u g a t ec a md r i v em e c h a n i s mi s e s t a b l i s h e d b ym e a n s o fm o d e md e s i g nm e t h o d s ，i t ss t r u c t u r ec o m p r e h e n s i v eo p t i m a l a n di n n o v a t i v ed e s i g ni sc o m p l e t e d t h u s ，f o rg u a r a n t e e i n gi t sp r o c e s sp r e c i s i o n ，t h e p r o c e s s i n gs p e e do fd i e - c u t t i n gm a c h i n eh a sb e e ni n c r e a s e da t15 0 0 r h ，a n di t s s y n t h e t i c a lc a p a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eh a v ea l s ob e e ni m p r o v e dr e l e v a n t l y t h em a i n w o r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e di na c c o r dw i t ht h ee x i s t i n g s p e c i f i ct y p ed i e c u t t i n gm a c h i n e s ，a n dt h e n ，b ym e a n so ft h et h e o r e t i c a lm e c h a n i c s a n a l y s i sm e t h o d ，t h es o l u t i o no fi t sm o v e m e n ti so b t a i n e d ，a n dt h e nt h em e c h a n i s m m o v e m e n te q u a t i o n sf o re a c hc o m p o n e n tc a nb eo b t a i n e de x a c t l y ，t h ep i c t u r e so ft h e m e c h a n i s md i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nc h a n g ec u r v ef o re a c hc o m p o n e n t c a nb ea l s og o t t h r o u g ht h ea n a l y s i so fm a t l a bw h e nd i e c u t t i n gm a c h i n er u n sa t t h eh i 曲e s ts p e e d ( 6 0 0 0 r h ) i i l o l 争j - 矗 向 广 a c c o r d i n gt ok i n e m a t i ca n a l y s i sc u r v eo ft h ed r i v em e c h a n i s m ，t h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h e i ri n f l u e n c i n gm e c h n i s m st ot h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo f t h ed i e c u t t i n gm e c h a n i s ma r ec o n c l u d e d a m o n ga l lf a c t o r s ，t h ec u t t i n gp l a t f o r ma n d a c c e l e r a t i o nm o v e m e n to ft h ec o n n e c t i n gr o dc r e a t et h em a x i m a li n f l u e n c eo nt h e c u t t i n gp e r f o r m a n c e ，t h e i rp e a ka c c e l e r a t i o n si nt h ec o u l s eo fm o v e m e n tc r e a t eh i g h i m p a c tl o a d ，a n dt h em o v e m e n to ft h ep l a t f o r md o e sn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so f d i e - c u t t i n gp r o c e s sf o rc u t t i n gt e c h n i c s f o rt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h ek i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fd i e - c u t t i n g m e c h a n i s ma n di t sd i e - c u t t i n gq u a l i t y , t h ei m p r o v e da c c e l e r a t i o no ft h ec u t t i n g p l a t f o r mi st a k e na st h eo p t i m i z e dd e s i g nt a r g e t ，an e wp r o j e c to fc o n j u g a t e c a m d r i v e nm e c h a n i s mi n s t e a do fc r a n k d r i v e ni se s t a b l i s h e d a n da ne x a c tr e v e r s e d e s i g nf o rd i e - c u t t i n gm a c h i n e ss t r u c t u r ei sc o n d u c t e db ym a t l a b ，a n dt h e n ，t h e e x a c tc o n t o u r so ft h ec o n j u g a t ec a mi sg o t f i n a l l y , a d a m si sa p p l i e d t ot h ec o n j u g a t ec a m d r i v e nm e c h a n i s mf o ri t s m o t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i s ，f o re a c hc o m p o n e n to ft h en e wd i e c u t t i n gm e c h a n i s m ， t h e i rd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nc h a n g ec u r v ec a nb eg o t w h e n d i e - c u t t i n gm a c h i n er u n sa tt h ed e s i g ns p e e d ( 7 5 0 0 r h ) c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t o b t a i n e di no r i g i n a ld i e c u t t i n gm e c h a n i s m ，t h ek i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fc o n j u g a t e c a m - d r i v e nm e c h a n i s mi sm o r ec o n d u c i v et oi m p r o v em o v e m e n t p r e c i s i o nf o rt h e d i e c u t t i n gm e c h a n i s m ，i tc a nm e e tt h ec u t t i n gr e q u i r e m e n t so ft h ed i e - c u t t i n g t h e s t r u c t u r eo fc o n j u g a t ec a m d r i v e nm e c h a n i s mi sm o r es i m p l ea n dc o m p a c t ，t h u s ，i t i m p r o v e st h ec a p a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fd i e c u t t i n gm e c h a n i s me f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：d i e c u t t i n gm e c h a n i s m ，k i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ， c o n j u g a t ec a m - d r i v e nm e c h a n i s m ，a d a m s i i i 目录 摘要i a b s t r a c t 1 i 第1 章绪论l 1 1 概述1 1 2 平压平自动模切机简介1 1 3 模切机的国内外发展现状及趋势2 1 3 1 国内研究现状2 1 3 2 国外研究现状分析一3 1 3 3 存在的问题4 1 4 课题米源及研究对象4 1 5 课题研究的目的及意义5 1 6 课题研究思路及内容6 第2 章模切机双肘杆驱动机构的运动特性分析8 2 1 双肘杆机构的机构分析8 2 2 机构自由度计算及杆组划分9 2 2 1 自由度计算9 2 2 2 杆组划分。1 0 2 3 机构的运动学分析l o 2 4 模切机构的运动学计算1 1 2 5 本章小结1 8 第3 章基于m a t l a b 的机构运动求解及分析1 9 3 1 m a t l a b 应用简介1 9 3 2 机构运动求解1 9 3 3 机构运动规律分析2 7 3 4 模切质量影响因素分析2 8 3 5 本章小结2 9 第4 章模切机构的创新优化设计3 0 4 1 模切机构优化设计依据3 0 4 2 模切机构优化设计3 0 4 2 1 机构选择一3 0 4 2 2 凸轮机构特点3 1 4 2 3 凸轮结构宝 构形式的确定3 1 - 1 一 一， ， 4 2 4 凸轮机构从动件运动规律设计3 4 4 2 5 从动件系统优化对象的选择3 7 4 2 6 下模切平台的运动曲线形式的确定3 7 4 2 7 下模切平台的运动曲线的设计3 8 4 3 凸轮轮廓的反求设计4 1 4 3 1 坐标变换法4 l 4 3 2 滚子摆动从动件主凸轮轮廓的求解4 2 4 3 3 滚子摆动从动件回凸轮轮廓的求解4 5 4 3 4 滚子摆动从动件共轭凸轮轮廓求解的通用公式4 6 4 3 5 共轭凸轮的主、副凸轮安装角一4 7 4 3 6 基于目标从动件运动规律的共轭凸轮轮廓求解4 8 4 4 本章小结5 2 第5 章共轭凸轮驱动机构的运动学仿真分析5 3 5 1 共轭凸轮驱动机构的运动学仿真5 3 5 1 1a d a m s 功能简介5 3 5 1 2 基t a d a m s 的共轭凸轮机构动力学仿真分析5 3 5 2 模切驱动机构结构优化前后的对比分析：6 l 5 3 本章小结6 2 第6 章总结及展望。6 3 6 1 总结6 3 6 2 研究成果和创新点6 4 6 3 展望：6 4 致谢6 5 参考文献j 6 6 i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 改革开放以来，随着科技的不断进步和社会的不断发展，社会生产力得到了 极大的提升，越来越多样化的产品满足了人民日益增长的的物质生活需求。正是 在这样的背景下，我国包装工业得到了迅速发展，市场上急需大量的高精度、高 速度和高稳定性的自动化包装机械以满足日益增长的社会需求。而模切机作为包 装加工设备的一种，是包装机械中应用最为广泛的产品之一。像产品包装纸盒、 纸箱、商标以及各种各样的折叠纸制品等都需要用模切机来完成最后的成型加 工，以获得所需规格的纸质加工产品。此外，产品外包装的使用不仅可以使产品 给人以美观的外表，同时也在无形中提高了产品的附加价值。因此，模切机产品 具有巨大的市场价值，对模切机的研究也就显得非常重要。 1 2 平压平自动模切机简介 用以进行印制品模切压痕的加工设备称为模切机。模切机是印刷包装行业中 一种非常重要的印后加工设备，在食品、医药、烟草等多个领域中有着极为广泛 的应用，其主要应用于纸盒、纸箱或商标等印刷产品的模切、压痕、压凹凸及烫 金工艺过程。根据模切版和压切机构两部分主要工作部件的形状不同，模切机可 分为平压平模切机、圆压平模切机和圆压圆模切机三种基本类型；而根据平压平 模切机中版台及压板的方向位置不同，又可分为立式模切机和卧式模切机两种。 其中卧式平压平自动模切机的自动化程度高、模切精度高、操作简单，应用最为 广泛，平压平模切机的结构及工作原理如下图1 1 所示。 ： ? j 武汉理工大学硕上学位论文 图1 1 自动平压平模切机示意图 1 送纸部分2 主模切部分3 清废部分4 收纸部分5 间歇输纸机构 自动平压平模切机的结构主要由送纸部分、主模切部分、清废部分及收纸部 分组成，其工作过程及原理如下：在送纸部分，叼纸牙排轴固定在输纸链条上并 由链轮带动，牙排轴在前靠规处进行定位后，纸张被准确咬合，牙排轴在链条带 动下继续前进，在后靠规处二次定位，完成输纸动作；此时在主模切部分，下模 切平台与上平台压合，对纸张进行模切完成主模切动作；最后在清废部分和收纸 部分，牙排轴在链条的带动下，向前运动到清废和收纸部位完成清废和收纸动作。 至此，平压平模切机完成一个周期的工作。 1 3 模切机的国内外发展现状及趋势 1 3 1 国内研究现状 国内企业对模切机的研制大部分停留在依靠测绘仿制的传统设计方法上，缺 乏科学理论根据，没有一套完整的科学设计理论作支撑，且缺乏自主创新意识和 能力，生产出的模切机产品加工效率、质量和精度不高，缺乏稳定性，使用寿命 短。同时，加之设计周期长、成本高等缺点导致其难以及时响应市场需求。大多 数企业生产的模切机工作速度较低，一般时速只有5 5 0 0 - - - 7 5 0 0 张，少数先进企业 可以达到时速8 0 0 0 张，且国产模切机的模切精度绝大多数在o 1 5 0 2 m m 范围 内。但是近些年来，由于市场需求的驱动和有限元理论、虚拟仿真等先进设计方 法在我国的逐步发展，很多企业现在也已从原来的测绘仿制逐步走上了以自主开 武汉理工人学硕上学位论文 发为主的发展道路，我国也生产出了很有竞争力的产品。其中代表性企业主要有 唐山兴业印刷( 唐山玉印) 、上海亚华和天津长荣，近些年来形成了“北有玉印、 南有亚华”的市场格局l i h 4 。 唐山玉印公司模切机产品涵盖了从加工纸板到纸盒，从模切压痕到凹凸、清 废、烫金、模砂，形成了系列产品，并生产出了n 似系列模切烫金两用机，其模 切机产品速度在6 0 0 0 张时，模切精度0 1 m m 。该公司的模切机产品己能满足国内 绝大多数的市场需求，且其模切机产品己远销到国外的许多国家；上海亚华通过 不断研究、消化、吸收国外模切机设计制造先进技术，其研发的模切机产品的模 切速度也已达n 8 0 0 0 次d , 时，模切精度也控制在了0 1 m m ，且机器工作稳定性较 好。该公司目前已有t y m 9 2 0 、t y m 7 8 0 、m w l 0 5 0 a l l 、m w l 0 5 0 型等多种型号 模切机产品，基本上形成了产品系列；天津长荣吸收国外利用凸轮驱动机构的先 进技术推出了m k l 0 5 0 g y m 模切机。该凸轮驱动机构模切机突破国内传统的曲轴 传动方式，采用自主研发的专利技术凸轮驱动装置，模切速度从最初的5 0 0 0 张 提高n t o o o 张时，模切精度也从最初的0 1 5 m m 提高到了0 1 m m ，模切机的工作 稳定性得到了很大的提高。 1 3 2 国外研究现状分析 国外生产自动平压模切机的厂商很多，早在上世纪6 0 年代开始他们就逐步开 始先进设计方法用于实际产品开发，研发技术相对国内也成熟的多。国外当前国 外先进水平的自动平压平模切机时速普遍在7 5 0 0 9 0 0 0 张左右，模切精度通常可 以控制在0 1 m m 左右，且近年来国外生产的模切机其整机性能及模切次数均在不 断的改善和提高。在当今国际市场上比较有代表性的如瑞士的b o b s t 公司、德 国j a g e n b e r g 公司、西班牙i b e r i c a 公司以及日本的s a n w a 三和公司等。 瑞士博斯特( b o a s t ) 公司的模切机产品代表了当今世界的最高水平，其产品 在世界模切机市场上占有很高的份额，成为高端模切机产品的代表。在博斯特公 司在2 0 0 5 年推出的s p a n t u e r a1 0 6 l e 型模切机就首先采用了凸轮驱动模切平台技 术。机器达到了最高1 2 0 0 0 张时的模切速度，模切精度通常可以控制在0 1 m m 左 右，且工作稳定性相当高；j a g e n b e r g 公司设计的模切机产品的工作方式与其 它公司不同，其模切机的模切平台在上面，将下平台固定在机座上，模切平台从 上往下的运动实现对产品的模切。其产品最高速度达至l j 9 0 0 0 张时，模切精度达 到了0 1 m m 。此外，西班牙i b e r i c a 公司以及日本的s a n w a 三和公司也在研究 传统驱动机构模切机的基础上，利用现代设计方法逐步开发出了具有自主知识产 权的新型模切机，其模切速度也能达n 8 0 0 0 张时。 显然，通过与国外模切机产品相比较，我国的模切机制造水平还不够高，在 武汉理工大学硕士学位论文 生产能力、产品种类及产品性能质量上与国外先进产品还存在一定的差距。虽然 近年来国内的一些企业开发出了较高转速的模切机产品，但模切机在高速工作 时，机械系统稳定性明显不高，模切精度有一定幅度的下降，并同时伴有明显的 大量噪声，机器磨损加快很多，使用寿命比较短。如何模切速度和模切精度的矛 盾，生产出高速度、高精度、高效率的模切机是国内模切机生产厂商急需解决的 问题，因为只有这样才能使企业在市场上具有竞争力。 1 3 3 存在的问题 国内企业生产的模切机产品性能远远达不到国外先进水平，造成这种局面的 原因有很多，主要有以下几个方面： ( 1 ) 国内大多数企业对模切机的研制缺乏系统的理论研究，存在一定的盲目 性，主要依靠传统设计方法，缺乏自主研发意识。 传统的设计方法就是经过测绘仿制来设计模切机。这种方法对经验过分依 赖，缺乏足够科学理论根据，导致生产出的模切机加工效率、质量和精度不高， 缺乏稳定性，模切机的使用寿命也短。同时，设计周期长、成本高等缺点也导致 其难以及时响应市场需求。 ( 2 ) 有限元分析技术、虚拟仿真技术等优化设计方法的应用还不成熟。 虽然国内一些模切机制造企业已经走上利用现代设计方法以自主开发为主 的发展道路，但由于现代设计方法在我国应用的时间不长，目前还处于不成熟阶 段。 ( 3 ) 对模切机驱动机构的研究不够系统全面，缺少对其整体进行全面优化设 计的研究和成果。 大多数企业对模切机驱动机构的研究不够全面，影响模切效率和质量的因素 很多，基于改善机构或相关构件的运动特性、静态特性、动态特性目的的研究都 有，但都没有统一于整体，因此对产品的改造效果不明显。 ( 4 ) 缺乏自主创新意识和能力 目前主流的模切机都是采用凸轮驱动机构，很多企业还是等国外产品进入国 内后引进该产品，通过测绘仿制的方法进行制造。凸轮驱动机构的形式很多，多 数企业只是跟着一味的仿制，没有分析其设计思路，总是跟在别人后面走，缺乏 自主创新意识和能力。 1 4 课题来源及研究对象 本课题来源于河北兴业印刷机械有限公司( 唐山玉印) ，公司始建于1 9 5 8 年， 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 7 8 年转产印刷包装设备，而作为印后设备之一的模切机就是该公司生产的主要 产品之一，其模切机产品涵盖了从加工纸板到纸盒，从模切压痕到凹凸、清废、 烫金、模砂，形成了系列产品，并生产出了硎系列模切烫金两用机。此课题 的研究对象是该公司的某种型号全自动平压平模切机，如下图1 所示。该机型是 主要是通过测绘仿制国外进口机器，再加之改进研发而成。随着市场形势的变化， 该机型的工作性能已不能满足市场需求，现应公司要求对该产品进行系统的技术 研究，基于提高模切机的工作性能的目的对其进行科学合理的优化设计，进一步 提高该公司产品在市场的竞争力。 该型号全自动平压平模切机的技术参数如下：最大工作幅面：1 0 5 0 m m 7 6 0 m m ；最大模切压力：3 0 0 吨；最高模切速度：6 0 0 0 张d , 时；模切精度：0 1 m m ； 模切平台行程：2 5 m m ；主机功率为1 5 k w 。机器工作性能较为稳定，工作能力 在市场现有产品里一般。本课题主要是针对该型号模切机的核心机构( 双肘杆驱 动机构) 进行系统的理论分析，并对其进行创新性的优化设计，达到改善产品性 能的目的。 每 ? 。 | “z ? 。 。? 图1 2 某型号全自动平压平模切机 1 5 课题研究的目的及意义 随着包装工业的迅猛发展及消费者对更高质量产品的追求，市场对高性能模 切机的需求量日益剧增。但是，从市场上现有模切机产品来看，国产模切机产品 在模切速度、模切精度以及机器工作稳定性、可靠性上都国外的先进产品存在着 较大的差距，模切机市场大部分被国外产品占有，特别是在高端模切机产品领域。 很明显，造成这一局面的原因是多方面的，但最主要的原因无疑是我国落后的设 计研发方法及制造水平。我国大多数企业主要是通过高精度测绘仿制国外先进机 型等传统设计方法来进行模切机的设计，没有对模切机进行系统性的理论研究， 武汉理工大学硕士学位论文 依靠经验来设计，存在一定的盲目性。虽然近年来一些企业开始将现代设计方法 运用于产品设计，但应用还不够成熟和深入，造成产品质量得不到实质提升。要 从根本上提高产品性能，就必须深入的对模切机进行技术研究，分析影响模切机 工作性能的实质因素。 模切机的模切速度、模切精度、工作稳定性等工作性能取决于很多因素，例 如输纸机构、间歇机构、定位机构等，但作为模切平台驱动机构的双肘杆机构无 疑是模切机的核心机构，双肘杆机构的尺寸结构和动力学特性将直接影响模切机 的工作性能。模切机在工作时，电机的源动力通过蜗轮蜗杆传给曲柄肘杆机构带 动模切平台上下往复运动，实现对产品的模切或压痕动作。双肘杆机构是一个是 十杆机构，动作过程复杂。从受力方面看，曲柄旋转一周的过程中，活动平台能 两次到达最高极限位置，此时模切压力达到最，机构受力状态达到极限。不同的 驱动结构和尺寸使机构具有不同的受力状态，如果机构设计不合理，则机构构件 的应力分布出现集中和应力变形过大，产生磨损严重、噪声很大和运动变形，间 接导致模切质量和工作稳定性下降。从运动方面看，模切机在极限模切速度时， 机构运转很快，一个周期内机构各构件所具有的速度和加速度运动规律对模切机 的工作能力有直接影响，如果各构件具有较大的峰值速度和加速度，则机构在运 动过程中具有很大的附加惯性力和冲击载荷，会增大机构的受力，影响稳定性。 另外，如果各构件的速度和加速度曲线不平滑，波动较大，则机构运动也会很不 平稳。由此可见，模切机驱动机构的结构形式及尺寸使机构所具有的静态特性和 动态特性完全不同，并最终直接影响到模切机的模切精度、模切速度和工作稳定 性。此外，机构是否简单紧凑、模切平台的所具有的模切运动是否满足产品加工 工艺要求也是影响模切机工作性能的重要因素。 因此，基于改善机构的运动特性和受力特性，对模切机的双肘杆机构建立数 学模型进行系统的研究和利用现代设计方法建立新的机构优化设计方案，对于提 高企业现有模切机的工作性能、延长产品使用寿命、缩短研发周期、降低成本和 提高市场竞争力具有重大的实用价值。 1 6 课题研究思路及内容 模切平台驱动机构是模切机的核心部分，其机械运动性能的好坏对模切机的 工作速度、模切精度及工作稳定性起到至关重要的作用。本课题研究的主要内容 就是对公司现有产品的双肘杆机构进行系统理论分析，并基于改善机构的运动学 特性和动力学特性，利用现代设计方法对其结构及尺寸进行全面创新优化设计， 建立新的凸轮驱动机构设计方案，在满足模切精度的前提下最大化的提高模切速 度和工作的稳定性。 武汉理工大学硕士学位论文 课题的研究思路如下：从现有产品和技术出发，利用理论力学理论对双肘杆 驱动机构进行系统的运动学分析，通过m a t l a b 编程求解方程组得到各构件的在 一个周期内运动变化规律和受力变化规律，并通过分析机构所具有的运动学特 性，得到影响机构工作性能的因素及其影响方式，最后基于机构的目标运动输出 曲线，通过m a t l a b 编程精确反求设计出凸轮的轮廓，从而设计出改进后的模切 机构具体结构，最后利用a d a m s 对新的凸轮驱动结构进行动力学仿真，验证优 化设计的合理性。 论文具体从以下几个方面展开： 第一章：绪论。文中首先对模切机及其市场进行了简单概述，分析了国内外 的研发方法、当前国内外的发展现状和趋势及国内企业在研发方法存在的问题， 介绍了课题来源及具体研究对象，并最终提出了研究目的及意义。 第二章：模切机双肘杆驱动机构的运动学及动力学分析。首先对模切机的双 肘杆机构建立了机构运动简图，并在此基础上对其进行自由度计算及杆组划分； 然后基于理论力学的运动分析的原理和方法，以拆分机构法和复数坐标矢量法相 结合对机构建立了运动学数学模型，建立起各构建的运动参数方程，并通过 m a t l a b 编程求解非线性方程组，最终得到各杆件位移、速度和加速度以及各杆 件质心的加速度等运动曲线。 第三章：双肘杆机构的创新优化设计。首先对第二章中的双肘杆机构的运动 学分析结果进行深入了研究，研究出了机构各杆件所具有的运动规律对模切机对 于模切质量及机器工作稳定性的影响规律。然后基于改善机构运行稳定性及满足 模切工艺要求的目的，提出以共轭凸轮代替曲柄的凸轮驱动结构方案，并对驱动 机构模切平台的运动输出曲线进行优化改进，最后基于模切平台的目标加速度运 动输出规律，借助m a t l a b 对凸轮轮廓进行精确反求设计。 第四章：对优化设计后的驱动机构进行建模及仿真分析。利用a d a m s 对优 化设计后的凸轮驱动机构进行仿真得到了各构件的周期运动变化规律与优化之 前的结果相比较，机构的运动学特性均得到较大改善，结构简单紧凑，稳定性高， 验证了优化设计的合理性。 第五章：对本课题所做的工作进行了总结及展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章模切机双肘杆驱动机构的运动特性分析 2 1 双肘杆机构的机构分析 双肘杆驱动机构是模切机最为关键和最为核心的部分，它的运动状况和受力 状况将直接影响到模切速度、模切精度和机器的工作稳定性和可靠性，故而对双 肘杆机构的运动学和动力学分析至关重要一r 卜“。 下图2 1 为模切机的主模切机构简图，该机构是一个复杂的十杆机构，左右 对称。其中，州为主动件曲柄，a b 、a b 为连杆，b c 、b c 为下肘杆，b d 、 刀d 为上肘杆，d d 为下模切平台。由于机构左右对称，通过运动简图看机构 右边，该机构实际上可以看做一个由曲柄为主动件、b c 为摇杆组成的曲柄摇杆 机构以及一个以d f 为主动件、下模切机平台为滑块组成的曲柄滑块机构的组合。 其工作原理如下：开启电源后，电机的源动力通过一对涡轮蜗杆传递给机构的主 动件曲柄州，曲柄的恒定转动通过连杆a b 、a b 传递给下肘杆b c 和b c ，使 其绕固定铰链支点b 和b 做来回摆动，从而通过上肘杆推动模切平台在竖直平面 内做上下往复的模切运动，模切压力是下模切平台运动到最高点与上模切平台牙 合时所获得的反力。主模切机构工作时，曲柄旋转一周的过程中，下模切平台达 到一次最高位置和一次最低位置，经历一次升程和一次回程，两者之间的距离为 模切机的行程。其中，模切平台从进入模切到模切完成的最高位置之间的距离为 工作升程，此时机处于模切状态，机构在这很短的时间内有快速变大的突加载荷， 而模切平台处于其他位置时，则因为无模切压力而承受较小载荷。 武汉理工大学硕士学位论文 l l 图2 1 主模切机构简图 通过机构运动简图，可以看到双肘杆驱动机构两个重要优点：第一，机构具 有急回性。该机构可以看做是曲柄摇杆同摇杆滑块的组合机构，所以具有急回特 性，空行程时间少：第二，双肘杆具有一定的增力效果。下模切平台处于模切状 态时，双肘杆具有一定的增利力效果，模切压力大部分由双肘杆以纵向载荷形式 传递给机座，从而减小了原动件曲柄轴和脆弱部件连杆的受力。 2 2 机构自由度计算及杆组划分 2 2 1 自由度计算 为了使模切质量稳定，必须使模切机构各构件的运动是完全确定的。即当给 定原