（机械工程专业论文）模块化包装机械的设计仿真与优化研究.pdf

摘要 随着科学技术水平的提高，包装机械在包装工业和商品流通领域的作用越来 越大，是产品实现机械化、自动化的根本保障。本文在模块化理论的指导下，以 后包生产线为例，对该线上典型的包装机械进行模块划分，并利用p r o e , 软件对 模块进行参数化建模，然后以a n s y s 和a d a m s c o n t r o l 联合仿真对包装机械 典型模块进行仿真和优化设计，更好的地提高包装机械的结构性能和工作效率。 对于包装机械的发展趋势来讲，希望在设计阶段就能够了解未来产品的静、动态 性能，并根据要求对结构进行优化改进，避免产品样机的反复试制、测试及改进 过程。本文以模块化理论思想和结构静、动态设计为主要研究路线，寻求结构参 数的最佳组合，使产品动、静态特性达到最优化。全文工作及取得的成果如下： 1 分析了包装机械发展的现状以及存在的问题和模块化原理在工业中的应 用，结合计算机设计和分析仿真技术，提出模块化原理和设计仿真技术在包装机 械应用的基本思想及基本步骤。 2 在对包装机械的结构和功能进行分析的基础上，利用广义模块化设计原 理和方法对包装机械进行规划，并以开箱机为例详细介绍其功能的分解及其模块 的详细划分，然后对特征建模知识进行总结，在结合柔性模块的建模原则、模型 框架以及建模特征等知识的前提下，利用p r o e 软件对包装机各个模块进行建模。 3 基于虚拟样机技术，利用a d a m s 软件对已经划分好的包装机的模块进行 仿真分析。在此基础上，找出影响模块性能的关键参数，然后对模块进行参数化 仿真，达到模块动态性能最优的目的。 4 基于有限元结构参数化原理，利用a n s y s 软件对包装机的机架模块进 行动、静态特性分析测试，然后根据分析结果提出相应的改进方案，最后验证了 改进方案的可行性和优越性。 关键词： 模块化设计包装机械参数化建模仿真优化 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，p a c k a g i n gm a c h i n e r yp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep a c k a g i n gi n d u s t r ya n dc o m m o d i t yc i r c u l a t i o nf i e l d ，w h i c h g u a r a n t e e st h er e a l i z a t i o no ft h em e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i o ni np a c k a g i n gi n d u s t r y u n d e rt h eg u i d a n c eo fm o d u l a r i z a t i o nt h e o r y ，p a c k a g i n gm a c h i n e r yi n s p e c i f i c p r o d u c t i o nl i n ei sd i v i d e da n df l e x i b l em o d u l e sa r ee s t a b l i s h e db yu s i n gp r o ei nt h i s p a p e r i no r d e rt oi m p r o v et h es t r u c t u r ep e r f o r m a n c ea n dw o r k i n ge f f i c i e n c y ，e a c h m o d u l ei ss i m u l a t e da n do p t i m i z e du s i n gc o - s i m u l a t i o nu s i n ga n s y sa n da d a m s f o rt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fp a c k a g i n gm a c h i n e r y ，t h es t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h ep r o d u c t i o ni sh o p e dt ob eu n d e r s t o o di nt h ed e s i g ns t a g e ，t h e n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c e ，t h es t r u c t u r eo fp a c k a g i n gm a c h i n e r y w i l lb eo p t i m i z e d , t h a ta v o i dt h ep r o c e s so f r e p e a t e dl r i a la n d ：t e s to f p r o d u e t p r o t o t y p e b a s e do nt h em o d u l a r i z a t i o nt h e o r ya n dm a k es t a t i ca n dd y n a m i cd e s i g n 嬲t h em a i n r e s e a r c ha i m ，t h ep a p e ri ss e e k i n gt h eb e s tc o m b i n a t i o no fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r st o a c c o m p l i s ho p t i m i z a t i o n t h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep r e s e n td e v e l o p m e n ta n de x i s t i n gp r o b l e m so fp a c k a g i n gm a c h i n e r ya r e a n a l y z e da n dt h ea p p l i c a t i o no ft h em o d u l a rp r i n c i p l ei ni n d u s t r yi ss t u d i e d w i t h c o m p u t e rd e s i g na n da n a l y s i ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，t h em o d u l a rp r i n c i p l ea n d d e s i g ns i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi np a c k a g i n gm a c h i n e r yi sp r o p o s e d ，s u c ha st h eb a s i c i d e ao ft h ea p p l i c a t i o na n db a s i cs t e p s 2 b a s e do ns t r u c t u r ea n df u n c t i o no f p a c k a g i n gm a c h i n e r y ，w h i c hi sp l a n n e db y t h eg e n e r a l i z e dm o d u l a rd e s i g np r i n c i p l e t a k i n gu n p a c k i n gm a c h i n ea sa ne x a m p l e ， i n t r o d u c ei t sf u n c t i o nd e c o m p o s i t i o na n dd e t a i l e dd i v i s i o no ft h em o d u l e s a c c o r d i n g t ot h ef l e x i b l em o d u l em o d e l i n gp r i n c i p l ea n dt h ef e a t u r em o d e l i n gk n o w l e d g e ，b u i l t t h e3 一du n p a c k i n gm a c h i n e r ym o d e l su s i n gp r o es o f t w a r e 3 b a s e do nt h et h e o r yo ft h ep r i n c i p l eo fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ，t h e c o m p l e t e dm o d e l so fp a c k a g i n gm a c h i n e r ya r ea n a l y z e du s i n ga d a m s o nt h e b a s i so fa b o v ea n a l y s i s ，t h ek e yp a r a m e t e r st h a ti n f l u e n c em o d u l ep e r f o r m a n c ew e r e f o u n d ，a n dt h e nm a d ep a r a m e t e r i z e ds i m u l a t i o no ft h em o d u l et oa c h i e v et h ea i mo f o p t i m a lp e r f o r m a n c eo f t h em o d u l e 4 b a s e do nt h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n ts t r u c t u r a l p a r a m e t e r i z a t i o n ，t h e c o m p l e t e dm o d e l so fp a c k a g i n gm a c h i n e r ya r ea n a l y z e du s i n ga n s y s ，i n c l u d i n g s t a t i c ，d y n a m i ca n ds i m u l a t i o na n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fa n a l y s i sa b o v e t h e np u tf o r w a r ds o m ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n tp l a n t h ep l a n sw e r ev e r i f i e d m o r ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t y k e yw o r d s ：m o d u l a rd e s i g n p a c k a g i n gm a c h i n e r yp a r a m e t r i cm o d e l i n g s i m u l a t i o n & o p t i m i z a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 包装工业随着科技的发展已成为国民经济的重要支柱之一，作为包装工业重 要组成部分的包装机械，对包装产品的开发和完善起着关键的作用。其设计合理 与否，不仅关系到制造过程中金属材料的用量，还直接影响到包装生产过程中的 能耗和生产效率。模块化设计是指为了开发出具有多种功能的不同产品，不必对 每种产品施以单独设计，而是设计出许多模块，在将这些模块依据不同的方式组 合在一起，以解决产品品种规格在制造周期、成本之间的矛盾。 为了改进包装机械的性能进一步提高包装机械的生产效率，本文将模块化设 计原理应用到包装机械的结构设计中，然后对包装机械模块进行静、动态分析、 设计和优化，改善其静、动态性能。 1 1 1 模块化设计的发展与研究状况 模块化为一种新的理念和思想，随着人们对其研究的不断深入和理解逐渐加 深，其应用日益广泛。模块化的概念也在应用中不断的发展和完善，以下从模块 化相关概念出发，结合以往和现有对模块化的研究，总结分析了模块化的发展状 况。 文献【l j 首先从模块化与产品设计特点研究入手，提出影响模块化设计的两个 重要因素：一是产品设计中其功能域与物理结构域之间的对应程度；二是产品的 物理结构之间的关联程度。因此在产品的模块化的设计过程中，应采用适当的方 法对产品的功能域和物理结构域进行合理的规划分析。然后在产品的结构和功能 设计中要按照相对独立的原则，尽量减少产品模块之间相互影响的因素。 s u b 把模块化的设计以产品功能与设计参数之间的映射关系来定义【2 1 ，认为 模块化设计产生于产品的分析结果，即为满足产品设计的需求，选择合理的设计 参数来完成从功能域到设计参数域的映射，可以用公式( 1 1 ) 表示。 【f r = a d p 式中： f r 为功能域； d p 为设计参数； a 为设计矩阵。 第一章绪论 设计参数选择的过程就是产品不同功能的体现，模块化设计则是以产品、过 程和系统的形式表现。 p a h l 继承和发展了上面模块化的映射定义 3 1 ，如图1 1 所示，提出模块设计 的定义：首先将产品功能需求域映射到模块功能域，然后结合模块的性能特点再 将模块功能域映射到模块结构域。其中，把模块功能域分为五大基本类：基本功 能b f 、附加功能a f 、适应性功能a d f 、专用功能c f 、用户定制功能s f 。那么 根据功能域和结构域的映射关系，模块结构域也被划分为五大基本模块：基本模 块b m 、附加模块a m 、适应性模块a d m 、专用模块c m 、用户定制模块s m 。 回 g 回 一 固回 锈咯 f 回回 回回 hl 叫 图卜1 设计域的映射图 文献【4 j 从产品的功能出发提出模块化的概念，认为模块化设计是在对一类产 品功能研究分析的基础上，将这一类产品划分为不同的功能模块，然后对划分好 的功能模块进行再设计，最后根据市场的需求，选择不同的功能模块进行组合来 构成不同的产品。 文献【纠在依据功能划分模块的基础上，提出了模块接1 2 1 标准化，即将一类产 品根据功能划分完模块以后，根据模块组合的需要将模块与模块之间的接口进行 标准化设计，以达到快速组合产品的要求。 文献【6 j 从系统的观点对模块化进行定义，认为模块化是以获得最佳效益为目 的，把划分好的产品的模块进行分解或组合来建立产品的模块系统，然后再把模 块系统中的模块根据需求组合。 天津大学的徐燕申【7 教授首先提出了广义模块化的概念，他在总结传统的模 块化设计技术的不足，认为传统设计方法虽然对产品进行了模块划分，并且标准 化了模块的接口，也形成了模块系统。但是上述技术具有很大的局限性，首先， 只是对产品进行了模块的划分，而划分好的模块没有进行系统性的处理，由上述 第一章绪论 模块组成的产品相对来说功能变化的范围不大。其次，随着科技的高速发展，对 于市场需求的新产品，由传统模块技术划分的模块进行组合往往会达不到要求。 因此，在研究传统模块化技术的基础上，引进了参数化和变量化的概念，提m 了 由模块化、参数化和变量化集成设计的广义模块化方法。 文酬8 在研究广义模块化概念和原理的基础上，提出了产品模块系统，与传 统模块设计方法的模块系统相比，新模块系统的结构把模块分为两大类：模板模 块和实例模块，并以这两类模块为基础通过相互组合构成新产品。 文献【9 j 继承和完善了广义模块化理论，提出了柔性模块的概念。首先，文中 对广义模块化技术的划分对象进行了研究，认为其研究对象主要是一些非通用性 和标准性的机械结构产品，如大型产品生产线、液压生产线等。而柔性模块是在 参数化设计的基础上提出来的，在一定程度上，可以说柔性模块是参数化设计的 模块。但是柔性模块具有一些自身的特性。比如，柔性模块具有特定的功能域、 结构拓扑关系和相对固定的接口。文中广义模块化设计的主要出发点是根据用户 的一些特定需求，柔性模块的设计可以满足客户多样性的需要。因此，模块系统 中的模板模块被柔性模块代替，柔性模块的设计也变成了模块化设计的关键。 以上简单总结了模块化设计技术的发展和研究状况。总的来说，模块化设计 技术经历了传统模块化设计和广义模块设计两个阶段，前者主要强调产品划分模 块的方法，而后者侧重了对产品模块的处理。虽然到目前为止，模块化设计技术 还没有一个统一的定义，但是正是如此，随着科技的发展和理论的更新，模块化 技术有了更广、更深的发展空间。 1 1 2 模块化设计方法和技术研究 1 模块化产品系统开发研究 由于模块化技术的发展有两个阶段：传统模块化设计技术和广义模块化设计 技术。因而，针对模块化产品系统的开发工作的研究相应的分为两大类：传统的 模块化产品系统研究和特定模块化产品系统的研究。 传统的模块化产品系统研究是指模块化设计的一般思科10 1 ，如图1 - 2 所示。 图1 2 传统模块化设计思路 第一章绪论 在对模块化产品设计进行分析的同时，要根据实际条件的状况考虑到应用中 可能会出现的问题，并加以分析预防。传统模块化设计过程一般可以分为三个步 骤： 首先，产品系统分析阶段，主要完成产品市场调研和拟定产品系列的谱系； 其次，针对已经分析好的产品对其进行模块划分： 最后，根据市场的不同需求，对模块进行选择、组合等，完成产品模块系统 的设计。 当然，传统模块化的设计过程还有其他的一些划分形式，比如文献【1 l 】将产品 模块设计过程分为以下五个阶段：定义设计任务；建立功能系统结构；寻找原理 和概念；选择和评价；准备布局设计。 传统模块化产品系统设计是以系统的观点来研究模块化设计过程的一种方 法，在模块化设计概念产生的初期为产品的设计提供了基本的思路。 特定模块化产品系统研究对象是针对特定的、非通用化和标准化的产品，如 大型生产线、液压机等。它主要是应用模块化的基本原理和模块划分的基本方法 对特定产品进行模块的划分与创建，在此过程序中，总结产品模块的划分方法和 模块创建的一般规律，为以后进行类似产品的模块化设计打下基础。 2 模块化设计系统研究 模块化设计的目的是为了解决产品类型多样与产品设计制造周期、成本之间 矛盾。模块化设计理论是一种新的设计理念，虽然发展的时间并不长，但是包含 的内容却十分广泛，模块化设计理论已经贯穿到现代工业的各个方面，从产品的 制造到企业的管理，模块化都得到了重视及应用。 文献【1 2 】在机床的设计中首先提出了分级模块化的思想，文中指出，级别高的 模块是由级别低的模块组成。任何复杂的机构都可以按照级别来划分，而且最终 可以划分到由简单几何形状组成的级别低模块，并对机床进行了分级和模块的划 分。利用分级模块的思想可以建立产品的分级模块设计系统，然后用低级别模块 进行组合来满足市场的需求。但是随着产品结构的复杂程度增加，划分的低级别 模块的数量也增加，这样就增加了模块的管理成本和模块之间的接口成本，因而 分级模块思想在现代工业的实际应用中很少。 g u n n a r e r i x o n 【1 3 】将m i m 矩阵( m o d u l a r - l n d i c a t i o l l m a t r i x ) 算法应用到了产 品的模块划分中，这种方法从产品生命周期的角度出发，对产品进行模块化系统 分析。它的原理为：首先对产品进行功能分解，在此基础上根据产品的生命周期 和子功能与其实现条件的相容度来判定分解的子功能是否可以定义为单个模块 或是那几个子功能可以划分到一个模块。该方法同时还引入了模糊数学中权重的 4 第一章绪论 概念来对产品进行结构分析，为矩阵分析提供了从定性转化定量的依据，同时也 为产品的模块系统的设计提供了定量数学理论依据。 文献【1 4 j 以并行工程学为出发点，根据产品的功能不同和产品设计中的接口之 间的关系，对产品进行模块划分，然后根据划分完模块中的信息，选出最优的模 块，再由模块中各个功能作用的大小来安排其优先权，以此来作为产品设计的依 据，该方法对柔性度大的产品设计作用明显。 文献【l5 】从产品设计的内外部因素出发，研究产品模块化的问题。文中分别以 不同的层次为着眼点，研究了各个层次对模块化的影响，比如企业的实际生产制 度、各个部门的协作关系等。 上述介绍了模块化系统设计的理论方法，用户可以根据产品的不同选择合适 的理论方法，同时还可以看出模块化设计理论还有很大的发展空间，没有形成通 用的方法。 3 模块接口和组合研究现状 模块接口是指模块之间的组合部分，它是模块组合的前提，模块接口设计的 好坏将直接影响到产品模块化设计的成败。 文献【l6 】将传统的面向装配和制造设计方法( d f m a ) 引入模块接1 2 1 的设计中， 为模块接口的设计提供了基本的设计方法。文中应用了公理化设计原理，为模块 接口设计提供了设计标准。 y i t o t l7 】提出一种结构描述方法，该方法由g t 编码和力流组成。编码结构如 1 3 所示，产品的接口语言用力流加以描述，为模块化接口的设计提供一种新的 思路。 a鲢立e 力流入表面结构形状结构功能 图1 - 3g t 编码示意图 力流出表面 文献1 8 1 表明，利用有向图来表示复杂机构的结构布局是一种有效的方法，因 为在对复杂机构的模块进行组合时，对各个模块组合进行一一列举的方法是行不 通的。文中以机床为例进行了研究说明，在机床的有向图表示中，图的顶点表示 模块，顶点之间的线段表示模块接口之间的关系。 第一章绪论 4 广义模块化系统规划和接口研究 广义模块化的系统规划由三个部分组成：模块的划分、模块的规划和模块的 创建。在产品模块化的设计中，这三个部分按照步骤依次进行。 ( 1 ) 模块的划分 首先将要进行模块化的产品进行功能划分，就是将产品的功能分解为很多子 功能，每个子功能单元依据其自身的特性构成一个功能模块或者是几个子功能单 元共同组成一个功能模块。然后对划分好的功能模块进行层次评价，评价的标准 就是功能模块的划分是否有助于产品的性能提高，降低产品的生产成本，以及产 品的通用化程度强弱。由于研究研究针对具体的机械产品，因而功能模块的划分 根据具体的研究对象和角度不同而不同。在广义模块的划分中，往往是很多模块 对应一个功能模块。模块的划分是广义模块化设计的基础。 ( 2 ) 模块的规划 广义模块的规划主要包括两个部分：模块化产品系列和构成产品的模块系 列。系列是指具有相似结构或功能的一类产品的总和。模块化产品系列的规划是 指在对产品进行模块划分前，对与目标产品相似类型的产品进行收集组成一个系 列，也就是说，广义模块化的研究对象不是一种产品，而是一种类型产品，即一 个系列的产品。模块系列是指对已经划分好的模块按照一定的标准进行分类，划 分的标准很多。模块系列进一步进行扩展可以派生出横向和纵向模块系列两大 类。它们共同组成了模块化产品系列。 ( 3 ) 模块的创建 模块的创建主要是指模板模块的创建，模块的创建是模块化设计的具体的实 现形式，其主要包括模块结构的可行性分析、模块结构设计方案和制造过程等。 随着c a d 技术的发展，模块创建的方法越来越完善，为创建工作提供了便利。 模块的创建没有特定的时间限制，它在广义模块化设计的过程中，根据实际的需 要进行。模块的创建是广义模块化系统运行的保证，因此整个系统运行的好坏将 取决于模块创建的质量。 与传统的模块化设计接口相比较，广义模块化设计的模块接口是参数化的拓 扑结构。因为广义模块化的模块接口就是由模块结构的拓扑关系来描述的。广义 模块的联接方式有三种：单向联接、双向联接和多向联接。其具体的形式如图 1 - 4 所示。 第一章绪论 ( a ) 单向连接( b ) 双向连接( c ) 多向连接 ( d ) 多向连接 图1 - 4 模块的连接方式 从图中可以看出，单向联接和双向联接相对来说比较简单，它们模块只有一 个或两个联接界面，而且与其他模块的组合也比较简单，单向联接只可能处于模 块联接树的末端，双向联接的最多也只能和两个模块相连。而多向联接比较复杂， 它可以与多个模块组合构成空间体。 尽管广义模块的接口的联接方式不一，但是模块接口的表达可由公式( 1 2 ) 表 示 m i = ( s m ，d m )( 1 2 ) m i 表示模块接口的信息集合；s m 表示模块接口源模块的信息集合；d m 表 示目标模块的信息集合。上述信息集合主要包括三个内容：模块的拓扑结构、信 息编码和定义参数。它们在m i , s m , d m 中是一一对应的关系。 5 模块化设计在机械行业的应用 模块化设计对产品的开发创新具有重大的意义，其理论思想已经在很多行业 中被广泛采用，并且取得了良好的效果。比如华为、三一重工和海尔等大型企业 将模块化应用到实际的生产管理中，有效的提高了企业的效率。对于机械行业， 模块化设计并不陌生，早在7 0 年代，我国已经将模块化技术应用到机床的设计， 并取得了一定的成绩，因此模块化在机床领域的应用相对来说比较成熟。随着模 块化理论的完善，模块化设计在机械行业的应用范围也越来越广，如广义模块化 原理在液压机上的应用f 1 9 ，成功的将广义模块化原理应用到液压机的设计中，有 效的提高了液压机的整体性能；文酬2 0 】对粗砂机进行了模块化设计，实现了锭数 变化时基于广义模块的粗纱机模块和粗纱机产品的定制。 总的来说，模块化设计在机械行业应用广泛，但在包装机械领域，模块化的 应用却很少，这是由于包装机械自身的结构特点决定的。本文主要的研究内容之 一就是将模块化设计应用到特定的包装机械中，来研究包装机械模块化方法和应 用。 第一章绪论 1 2 包装韧械结构优化及国内外研究现状 1 2 1 机械结构优化研究方法 1 模态分析方法 模态分析有三种方法：实验模态分析方法、解析模态分析方法和实验一解析混 合模态分析方法。实验模态分析方法是借助模态测试仪器( 如b k 2 511 l m s ) 对 产品结构进行模态分析。在产品的测试阶段，可以通过实验模态分析方法对产品 结构进行分析，来检测产品的结构在实际应用中的性能，以此为依据对产品的结 构性能进行初步的评估。该方法可以有效地检测到产品结构的设计缺陷，因而对 产品性能的改善提供了依据。相对于实验模态分析，解析模态分析应用空间比较 广，尤其在计算机技术( 如c a e ) 和计算方法( 如f e m ) 快速发展今天，该方 法可以快速对具有复杂结构的产品进行模态分析。解析模态分析的原理是根据产 品结构的几何模型，用解析法计算产品的模态来获得产品的动态性能。它可以在 设计阶段就能发现产品结构可能会出现的缺陷，因而可以对产品结构进行反复优 化，直到达到目的为止，这样可以大大地节省了产品的生产成本，因而该方法在 机械设计领域得到了广泛的应用。但是，在实际的机械结构中，往往会出现大量 的支撑面和结合面，机构的动态性能在很大程度上取决于这些面，而这些面的信 息还没有完全的收录到模态分析的数据库中，比如，机床9 0 以上的阻尼和5 5 的动柔度来自结合面【2 1 】。对于机床等复杂机构，建立完全准确的动态模型是不可 能的，因此解析模态分析还不能够完成对其大型复杂机构的动态分析。鉴于上述 两种模态分析方法的优缺点，提出了实验解析混合模态分析方法。这种混合方 法就是结合两种方法的长处，来对产品结构进行分析。现在常用的一种方法是： 首先建立产品结构的有限元模型，然后在对产品进行实验模态分析，根据分析的 结果对有限元模型进行修正，最后根据现有的动力学模型来预测修改后的结构模 型的性能【2 2 1 。 2 模态综合技术 模态综合技术【2 3 】的主要研究对象是具有复杂结构的大型机械，如大型发电 机、液压机和大型生产线等。它利用先进的信号处理设备和前沿的计算机技术， 结合有限元分析方法和实验模态分析方法，来分析机械结构的振动受力情况。模 态综合技术是研究结构动态性能的主要发展方向。 4 0 年代中期，模态综合技术的思想初步被应用，但是并没有形成明确的概念， 只是在一些分析工作中简单的提及到。直到6 0 年代，模块坐标和模块综合的概 念才被首次确立，这些概念是在当时的科学技术条件下提出的，虽然它具有很大 第一章绪论 的局限性，但它同时也是现代模块综合技术的基础。随着研究产品结构的复杂程 度的提高，对这项技术要求也从原来简单的连杆机构分析到大型复杂结构分析。 传统的模态综合技术已经不能满足产品分析的要求，为了适应产品结构分析的需 要，许多学者在对传统的模态综合技术研究的基础上对其进行了发展和改造，以 来适用产品结构分析，主要是振动分析，并且取得了一定的成就，其中包括模态 综合超单元法，随着计算机技术的发展，该方法在工程实践中应用范围越来越广。 到目前为止，工程实践中应用最广泛的方法有两种：自由界面模态综合法和固定 界面模态综合法。 3 机构平衡技术 机构平衡技术的研究对象主要是针对具有回转运动机构的机械，特别是一些 受周期性变化惯性力作用的机械，因为这类机械的损坏的原因往往不是因为外载 荷的作用，而是由于机构本身的在运动状态下产生的惯性作用力造成的。在惯性 力的作用下，机械机构的会产生疲劳，振动甚至共振等现象。例如，包装生产线 中的机械手运动过程中产生强惯性力，就会造成生产线产生受迫运动，结果引起 包装生产线工作质量降低，影响工作效率，甚至会引起生产线结构的破坏。目前， 最简单有效的机构平衡方法是配重法【2 4 】。配重法在机械平衡中很早就得到了应 用，其理论随着相关技术的发展也逐步提高，如“线性无关向量法” 2 5 1 。只在机 构中添加配重可以平衡机构中的惯性力，但是如果想要完全平衡机构的惯性力 矩，还需要添加其它的构件【26 l 。如在生产线中机械臂机构中添加杆件，就可以达 到消除机械臂的惯性力矩的作用。对于平面机构而言，机构平衡的方法已形成了 比较完善的理论体系，平衡问题可以得到有效的解决。而空间机构形式多样，结 构复杂，平衡方法还有待完善。现在机构平衡的主要研究方向为多项动力指标综 合改善方面【2 7 1 。 4 有限元技术 有限元技术是随着计算机技术的发展而进入工业实用化的【2 8 1 。它是一种数值 模拟技术，是应用科学计算方法和计算机技术来解决数学物理问题。一般有限元 技术相对应的方法是有限单元法，其基本思想是将问题的求解域划分为一系列的 单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部的待求值可由单元节点值通过选定的函 数关系插值求得。有限元法的计算思路如图1 5 所示： 图 - 5 有限元分析思路图 第一章绪论 相对应的有限元方法的一般的分析步骤为：首先将需要研究的产品离散化， 根据产品自身的特性选取合适的位移模式，然后运用变分原理来计算推到产品自 身的刚度矩阵，由得出的刚度矩阵与相对应的参数相结合推出整个产品的数学表 达式，即整个连续体的代数方程。最后求解代数方程式，得出位移矢量，进而计 算出节点的应力和应变。 在实际工程中，机械机构除了受到静载荷作用外，还要受到动载荷的作用， 结构动力学主要是研究动载荷对结构的影响。通常根据动载荷的类型不同，结构 动力学可以分为模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析四大类。结构动 力学通用的方程如式( 1 3 ) 所示： m i i + c “4 - k p = f ( t )( 1 - 3 ) 其中m 为结构质量矩阵；c 为结构阻尼矩阵：k 为结构刚度矩阵；f ( t ) 为随 时间变化的载荷参数；i l 为节点位移矢量：l ：l 为节点速度矢量：讧为节点加速度矢 量。不同的分析类型可由上式表示，只是形式稍微不同而已。 随着计算机技术特别是c a e 技术的发展，有限元分析软件的功能越来越完 善，借助有限元软件工具，复杂产品的动态设计和分析也变得简单。比如a n s y s 软件提供了虚拟样机设计法，使企业减少了制造物理样机的过程，产品的结构分 析贯穿与整个产品的开发过程。在设计产品的机械结构时，可以直接利用有限元 软件进行建模，然后对模型进行静、动态特性分析，根据分析结果再对模型优化， 直到满意为止。 5 结构动态优化技术 结构动态优化设计的理论基础是最优化数学方法。它是以结构的固有频率、 振型或某个范围内动力响应大小作为目标函数或约束条件，通过优化设计达到要 求的设计目的，最终提高结构性能。与模态综合方法相似，结构动态优化设计方 法的应用也必须结合实验模态分析方法和有限元方法。结构动态优化设计的主要 内容为：首先建立一个切合实际的结构动力模型；利用实验模态分析方法和有限 元理论对结构模型进行动态分析；最后选择根据分析的结构选择合理的设计算法 和循环过程。其流程如图1 - 6 所示： 第一章绪论 图1 - 6 动态设计优化流程图 在过去结构优化动态分析过程中，往往会出现两个问题：一是结构模型的优 化目标通常是设计变量的高次非线性函数，因而会影响模型分析的灵敏度，给求 解带来了困难；二是机构优化分析会花费大量的时间和精力。但是现在计算机技 术的发展迅速，上述工作都可以在计算机上完成。结构的动态优化分析在生产中 的应用更加广泛并取得了很多研究成果。文献【2 9 研究了具有基频或频率禁区约束 的结构优化研究。有的学者在此基础上，探讨了振型节点和频率为约束的结构优 化的问题【3 。以上这些研究为丰富和发展了动力优化研究原理和内容。 以上各种机械优化研究方法已经成功的应用到机械领域的许多实例中，对于 包装机械来说，上述方法只是简单运用到其零件的设计和优化，如推料机构、售 货机的送出机构，对模块化的包装机械模块的分析比较少。本文将利用机构优化 方法对包装机模块进行设计优化。 1 2 2 包装机械技术及其研究现状 1 包装机械工业现状 包装机械技术发展大体分为四个阶段：简单机械化、初级机械化、自动包装 生产线和高度自动化生产线。到目前为止，国外的包装工业现在已经形成了完整 的体系，是机械制造的一个重要分支。其中，美国是世界上包装机械发展历史比 较悠久的国家，包装机械的品种和产量均居世界第一位。 近年来在国内外巨大包装市场的促进及国外先进技术的影响下，发展速度很 快，局部技术水平有了明显的提高。目前，我国包装机械行业拥有一批开发能力 较强的骨干企业，他们既能满足国内市场的需要，又能参与国际市场竞争的包装 机械产品。但是相对于国外，我国的包装机械的总体水平和生产能力低，发达国 第一章绪论 家已将很多高新技术成熟的应用于包装机械，在包装机械的产品质量和外观我 们也存在很大的差距。 2 包装机械的设计、仿真和优化技术研究 现代工业生产中，主要包括原料处理、中间加工和产品包装，其中产品包装 因包装的作用而成为非常重要的环节。包装机械是使产品包装实现机械化、自动 化的根本保证，它为包装工业提供先进的技术装备，在现代工业生产中起着重要 的作用。包装机械属于专门的生产设备，在一些加工和成型过程中，依据产品的 不同需要完成很多特定的环节，部件的设计和优化时必须考虑到重要的环节，而 包装机构须根据物品的大小、形状和位置完成各种动作，以及提供动力等。因而， 包装机械优化设计既具有普通机械优化设计的共性，有保持着自身独特之处，从 而构成了其优化设计的特点。 由于包装机械具有以上特点，在以往对包装机械进行分析的中大多数只是针 对包装机械的某一个零件设计优化。如文献【3 1 】利用有限元分析软件a n s y s 为开 发平台，以g t 4 8 2 型自动真空封罐机的传动系统为研究对象，对其中的零件进 行了有限元分析和优化设计。文献【3 2 】针对药品包装封口机的直线输出构件进行优 化设计，减小其速度波动来提高药品的包装质量。而文献【3 3 】研究了包装机械中四 杆机构的建模技术和优化设计，以来提高设计质量和效率。 由于上述只是分析包装机械的零件，很少人系统地分析包装机械产品的结构 和优化问题，所以本文以后包生产线为例，用模块化的方法对其进行模块划分， 然后以模块为研究对象，对其进行优化设计，进而提高包装机械产品的总体性能。 1 3 本文主要研究的内容 本文以实际工厂生产线上的包装机械为研究对象，运用模块化理论对其进行 模块划分，然后利用有限元分析软件a n s y s 对模块的机械结构进行动、静态分 析，最后运用动态分析软件a d a m s 仿真优化。 本文的主要内容如下： 1 首先介绍模块化思想的发展概况以及其原理在机械行业的应用，然后以 机静、动态设计分析理论和机械的仿真优化理论为基础，针对包装机械的结构特 征，提出课题的出发点和研究意义。 2 分析了包装机械发展的现状以及存在的问题以及模块化原理在工业中的 应用，结合计算机设计和分析仿真技术，提出模块化原理和设计仿真技术在包装 机械应用的基本思想及基本步骤。 1 2 第一章绪论 3 在对包装机械的结构和功能进行分析的基础上，利用广义模块化设计原 理和方法对包装机械进行规划，并以开箱机为例详细介绍其功能的分解及其模块 的详细划分，然后对特征建模知识进行总结，在结合柔性模块的建模原则、模型 框架以及建模特征等知识的前提下，利用p r o e 软件对包装机各个模块进行建模。 4 基于有限元结构参数化原理和虚拟样机技术，利用a n s y s 和a d a m s 对完成划分建模的包装机械的各个模块进行分析，其中主要包括静态、动态和仿 真分析三个方面。并在上述设计分析的基础上，对模块进行优化设计。 第二章基于柔性模块的包装机械广义模块化设计原理与方法 第二章基于柔性模块的包装机械广义模块化设计原理与方法 利用模块化设计方法可以明显地简化产品实现过程、减少产品开发成本和缩 短生产制造周期，是一种有效的工程设计方法。目前，广义模块化设计原理和技 术虽然已在机械、建筑、电力等行业中得到广泛的应用，但是在包装机械上应用 甚少，为此，本章主要介绍柔性的广义模块化在包装机械上的应用。 2 1 广义模块化设计原理与方法 2 1 1 广义模块化设计原理 广义模块化设计原理是以传统模块化设计基本原理为基础，引入参数化设计 和变量化分析方法。首先，将传统模块化理论划分好的一个系列产品按照功能并 结合其特点重新进行划分，利用参数化和变量化方法将划分模块构造成广义模 块，再通过广义模块的组合来实现产品的快速设计 3 4 1 。广义模块化设计原理是在 不断地发展中的，其主要体现在模块的发展上，模板模块和实例模块细分了广义 模块，把模块分成了模板和实例两种类型，它们共同组成的产品模块系统丰富了 原有模块化系统。柔性模块使广义模块化理论发展得到进一步的提升。本章就是 利用广义模块化理论与方法对后包生产线上的包装机械进行柔性模块的划分。柔 性模块，就是参数化模块。将模块结构的某些特征进行参数化处理，得到一组具 有典型结构的模块模型，就形成柔性模块，它具有典型的接口特征、固定的结构 拓扑关系和功能。 2 1 2 广义模块化结构设计的层次划分 产品族是一系列产品的组合，这系列产品具有相似的结构模块。产品族一般 由模块化结构组成，如图2 - 1 所示，模块化的产品族是由一系列的柔性模块g m i 组成，根据柔性模块自身的结构特点，柔性模块可以进一步划分许多柔性子模块 g m i i ，而这些子模块可由一定数量的虚拟模块v m i 和元结构u s i 组成。 1 4 第二章基于柔性模块的包装机械广义模块化设计原理与方法 图2 1 产品模块化层次划分 按照图2 - 1 的层次划分，每一层的模块或结构都可以构建相应的集， 如图中所示产品集、柔性模块集、柔性子模块集、虚拟模块集和元结构集。 根据划分层次的高低，除元结构外，模块模型在模块化的系统设计中都是 参数化模型。根据设计需要完成定制后，各个参数化模块都会变成实例。 2 1 3 广义模块化系统韵构建过程 广义模块化系统的构建一般采用自顶向下的规划方法。其构建的一般 步骤如下： ( 1 ) 广义产品集的构建 将有可能发展为一个产品族的产品归纳到一个产品矩阵中，如公式 ( 2 - 1 ) 所示。 p o = 尸l l p 2 1 1 尸m 1 鼻2 p 2 2 i p m 2 尸l 。 p 2 ， p m h ( 2 - 1 ) 在公式( 2 1 ) 中，矩阵中的每一行表示一种基型产品而衍生出来的变型 产品，它们的主参数和动力参数是一样的，但在具体的结构上会有不同， 比如，某些特征的有无和特征参数的差异，从而在某些功能、结构上得以 体现：每一列代表不同规格的基型产品，它们的主参数和动力参数是不同 的，区别主要体现在结构形式。 然后假定上述产品矩阵由广义化产品模型生成 第二章基于柔性模块的包装机械广义模块化设计原理与方法 g m p f ： = g m p l l g m p 2 l g m p m l g m p t 2 g m p 2 2 g m p , h 2 ( 2 - 2 ) g 坶表示一个广义产品集，其中第一列为基型产品集。 ( 2 ) 产品功能模块的创建 按照功能的不同对基型模块进行分解，将会得到一个产品功能模块集， 如公式( 2 3 ) 。 f m 印 = f m l i f m 2 1 f m j 1 f m l 2 f m 2 2 f m j 2 f m l p f m 2 p f m 妒 ( 2 3 ) ( 3 ) 基型产品结构模块的创建 对于一种特定的功能可以由不同的结构来实现，因而基型模块的是依据 结构功能的不同而划分的。式( 2 - 4 ) 为基型产品的矩阵，可以看出，一种 功能模块可以根据具体的设计要求构建出很多结构模块。 g s m _ g s m i ig s m l 2 g s m l g s m 2 1g s m 2 2 。- g s m 2 k ： g s m t lg s m t 2 。 g s m t k ( 2 4 ) 在基型结构模块矩阵中，每一行代表一种基型产品，它是由行中的各个模块 联接而成，模块之间的联接是通过参数化接口来完成的：每一列代表实现同一种 功能的不同的结构模