（机械制造及其自动化专业论文）包装机模块化参数化设计方法研究.pdf

包装机模块化参数化设计方法研究 r e s e a r c ho nm o d u l a ra n dp a r a m e t r i c d e s i g nm e t h o d o fp a c k a g i n gm a c h i n e 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：王利民 指导教师：陈永亮副教授 天津大学机械学院 二零零八年八月 中文摘要 全自动塑杯灌装封口机是一个生产塑料杯装饮料的设备，它可自动完成落 杯、灌装、打印、封口、裁切、放膜、收膜、计数等工序。产品的模块化设计通 过对不同模块的组合实现了以有限的资源生产出更可能多的产品品种。本文基于 c a d c a e 技术，研究了全自动塑杯灌装封口机的模块化设计、参数化及其结构 分析计算技术。本论文研究的主要内容如下： 1 在模块化设计的理论基础上，通过产品结构和功能分析对全自动塑杯灌 装封口机进行模块划分和再次组合。 2 将模块化设计与参数化设计技术相结合，在s o l i d w o r k s 中利用方程式驱 动对全自动塑杯灌装封口机各模块及整机进行参数化建模。 3 利用s o l i d w o r k s 中的c o s m o s 有限元分析插件，对全自动塑杯灌装封口 机机体模块、灌装装置模块进行有限元分析，针对有限元分析的结果，提出相应 的改进措施。 在本论文中将模块化设计与参数化技术及有限元分析计算技术相接合，这种 接合方法不仅能有效地提高全自动塑杯灌装封口机的标准化，通用化程度，缩短 其设计周期，降低其测试成本，而且还有利于实现多品种生产，能以相对较低的 成本，快速满足市场多变的需要。为企业快速响应用户需求、有效减轻设计工作 量，缩短产品开发周期及降低测试成本提供了有效的解决方案。 关键词：全自动塑杯灌装封e l 机模块化设计参数化设计有限元分析 a b s t r a c t a u t o m a t i cp l a s t i cc u p sf i l l i n ga n ds e a l i n gm a c h i n ei sak i n do fp r o d u c t i o n e q u i p m e n tt h a tf i l l sap l a s t i cc u pw i t hb e v e r a g e ，i tc a na u t o - c o m p l e t ew i t hc u p s ，f i l l i n g ， p r i n t i n g ，s e a l i n g ，t h ec r o pa n dl e tf i l m , o rf i l m , c o u n t i n gp r o c e s s e s m o d u l a rd e s i g n h a sa c h i e v e dt ot h i sk i n do fd e s i g nt h a tc a np r o d u c em o r el i k e l yv a r i e t i e so fp r o d u c t s b yl i m i t e dr e s o u r c e st h r o u g hac o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tm o d u l e s ，b a s e do nt h ec a d c a et e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h em o d u l a rd e s i g n ，p a r a m e t r i ca n ds t r u c t u r e a n a l y s i sc o m p u t a t i o nt e c h n o l o g yo fa u t o m a t i cp l a s t i cc u p sf i l l i n ga n ds e a l i n gm a c h i n e t h em a i np o i n t so ft h ep a p e ra r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h et h e o r yo fm o d u l a rd e s i g n , t h i sp a p e rc a r d e do u tt h em o d u l e d i v i s i o na n dt h er e c o m b i n eo fa u t o m a t i cp l a s t i cc u p sf i l l i n ga n ds e a l i n gm a c h i n e t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp r o d u c ts t r u c t u r ea n df u n c t i o n 2 t h i sp a p e rc o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so ft h em o d u l a rd e s i g nw i t ht h ea d v a n t a g e s o fp a r a m e t r i cd e s i g n , a n dc a r d e do u tt h ep a r a m e t r i cm o d e l i n gf o re v e r ym o d u l ea n d t h ef u l lm a c h i n eo ft h ea u t o m a t i cp l a s t i cc u p sf d l i n ga n ds e a l i n gm a c h i n eb yu s i n g f o r m u l ad r i v ei nt h es o l i d w o r k s 3 b yu s i n gt h ec o s m o s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp l u g i nu n i ti ns o l i d w o r k s ，t h i s p a p e rc a r r i e do u tt h ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h eb o d yo ft h ea u t o m a t i cp l a s t i cc u p s f i l l i n ga n ds e a l i n gm a c h i n ea n dt h em o d u l eo ft h ef i l l i n gd e v i c e ，a l s op r o p o s e dt h e c o r r e s p o n d i n gc o r r e c t i v em e a s u r eb a s e d o nt h er e s u l t s t h i sp a p e rc o m b i n e dt h em o d u l a rd e s i g nw i t hp a r a m e t r i cd e s i g na n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，s u c hc o m b i n a t i o nn o to n l yc a ni m p r o v ea u t o m a t i cp l a s t i cc u p s f i l l i n ga n ds e a l i n gm a c h i n es t a n d a r d i z a t i o n , u n i v e r s a ll e v e l ，s h o r t e n i n gi t sd e s i g n c y c l e ，r e d u c e si t st e s tc o s lb u ta l s o i sa d v a n t a g e o u si nr e a l i z e st h em u l t i - v a r i e t y p r o d u c t i o ni nar e l a t i v e l yl o wc o s lf a s tt om e e tc h a n g i n gm a r k e tn e e d s a l s o ，p r o v i d e a l le f f e c t i v es o l u t i o nf o re n t e r p r i s e st or e s p o n dq u i c k l yt ob u s i n e s su s e r s d e m a n d ， e f f e c t i v e l yr e d u c et h ew o r k l o a dd e s i g n ，s h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l ea n d r e d u c et h et e s tc o s t k e yw o r d s ：a u t o m a t i cp l a s t i cc u p sf i l l i n ga n ds e a l i n gm a c h i n e m o d u l a rd e s i g np a r a m e t r i cd e s i g nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂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。 学位论文作者签名：硎影 签字醌 dg 年g 月j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：硎影 签字日期： d 脾朗j 7 日 导师签名： 签字日期： 名叫 彳酞占 享年 g v c o 第一章绪论 第一章，绪论 为使企业在激烈的市场竞争中处于有利地位，必须增强产品的创新能力、缩 短设计周期和提高用户化程度；同时又要降低成本，保证质量及良好的售后服务， 传统的产品设计方法已无法满足这些要求，定制化的产品将成为来未市场的主要 发展趋势。模块化设计通过产品结构、设计过程的重组，以大规模生产的成本实 现了用户化产品的批量化生产及大规模生产条件下的个性化，使产品在品种与成 本、性能之间找到最佳平衡剧1 | 。 随着现代科技的迅猛发展，模块化设计已成为工程产品设计的主要发展趋势 之一，并被视为实现产品多样化的主要途径及并行工程、大规模定制等领域设计 的基本方、法【1 1 。本课题以全自动塑杯灌装封1 ：3 机为研究对象，基于c a d c a e 技 术，研究了全自动塑杯灌装封口机的模块化设计、参数化及其结构分析计算技术。 1 1 我国包装机械发展综述 1 1 1 我国包装机械产品与发达国家的差距 我国包装机械产品与国外先进水平相比，在产品结构和技术水平方面仍存在 较大差距。主要表现在：产品单机多、成套流水线少；通用机型多、特殊要求机 型少；结构简单、技术含量低的产品多，高技术附加值、高生产率的产品少；主 机多、辅机少，配套性差。而发达国家无论是技术简单还是高技术附加值的产品 均较为齐全，产品系列依市场需求而派生，配套性强。这使得我国的包装机械产品 在开发、性能、质量、可靠性、价格和服务等方面与进口产品相比，在竞争中处 于劣势，抵挡不了进口产品的大量涌入。进出口比例相差太大，且出口的大多是低 档次、低附加值或劳动密集型产品，而进口产品都是大型成套设备和高技术含量 的产品【2 1 。 1 1 2 改进措施 要提高我国的包装机械水平，就要加速包装机械工业的技术进步，重点发展 和利用机电一体化、热管、基础配套、设计、模块化技术和制造技术等先进技术， 并借鉴国外的成功经验建立技术创新的运行机制，开发出 新、奇、特 的包装 设备，并调整出口产品结构，开拓国际市场。其中加强包装机械的成套化是提高我 第一章绪论 国包装机械水平的主要对策。作为包装机械成套设备，尽管各自应用领域不同， 表现形式千差万别，种类和规格举不胜举，但从某种意义上讲，任何包装成套设备 之间都存在不同程度的共性，它们所实现的主要功能归纳起来不外乎：由自动包 装机完成基本工艺过程，由各种辅助装置完成输送、储存等辅助过程，并由自动控 制系统实现各种对整套设备的控制。系统中不同功能单元分工明确，各负其责。 因此，包装机械成套系统比较适宜于用模块化思想来设计开发【2 】。本论文以全自 动塑杯灌装封口机这种包装机作为研究对象，基于c a d c a e 技术，研究了全自 动塑杯灌装封口机的模块化设计、参数化及其结构分析计算技术。 1 2 模块化设计概述及相关研究现状 1 2 1 模块化设计的基本概念和特点 为开发具有多种功能的不同产品，不必对每种产品施以单独设计，而是精心 设计出多种模块，将其经过不同方式的组合来构成不同产品，以解决产品品种、 规格以及设计制造周期、成本之间的矛盾，这就是模块化设计的含义。模块化设 计和产品标准化设计、系列化设计密功相关，即所谓的“三化”。“三化”互相影 响、互相制约，通常合在一起作为评定产品质量优劣的重要指标。目前，模块化 设计的思想已经渗透到许多领域，例如机床，包装机械，家电，计算机等等。在 每个领域，模块及模块化设计都有其特定的含义【3 】。本文指的是全自动塑杯灌装 封口机模块化设计。 模块：一组具有同一功能和接合要素( 指联接部位的形状、尺寸、联接件间 的配合或啮合等) ，但性能、规格或结构不同却能互换的单元。在模块化设计中， 也用到了大量的标准件，但模块一般指标准件之外，仍需被设计而又可以用于不 同的组合，从而形成具有不同功能的设备的单元【4 j 。 模块化设计( m o d u l a rd e s i g n ) ：是2 0 世纪8 0 年代形成的一种现代设计方法， 它是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能 分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同 的产品，以满足市场的不同需求的一种设计和制造方法p j 。 模块化设计有以下特点p j ： 1 产品适应性好。由于产品是由实现不同功能的各模块组成，故可针对不 同设计要求和新技术的发展，及时组装或重新设计个别模块，使产品在结构上和 性能上有更高的柔性； 2 可缩短设计和试制周期。针对用户的要求，无需做整机设计，只需设计 或更换个别模块即可，从而大大缩短了设计和试制周期，适合小批量、多品种、 2 第一章绪论 多功能机器的制造生产； 3 产品性能稳定可靠，维修方便。由于一些部件标准化程度高，有利于先 进加工制造技术的应用，使产品具有良好的性能和较高的可靠性，提高了产品质 量。而且，由于其通用化程度高，也给维修带来极大方便。 4 降低了成本。模块化设计后可使大多数零部件由单个、小批量生产变为 批量生产，有利于降低成本。 模块化设计就单个部件来说仍是以传统机械设计方法为基础的，而从总体上 来说则对传统机械设计方法的进一步发展和完善。 1 2 2 模块化设计的国内外研究现状及发展趋势 1 国内外研究现状 模块化的概念和模块化制造的思想都来源于人们长期的生产实践。最初是在 机床制造业，德国于1 9 3 0 年首先提出了“模块化构造”( m o d u l a rc o n s t r u c t i o n ) 的设计方法。由于用这种方法设计制造的机床具有很好的经济效益，因而采用模 块化构造在世界得到迅速发展。日本通产省在1 9 7 7 年开始研制柔性加工单元 ( f m c ) ，明确地引进了模块化构造的概念：按不同功能制造模块，其独立性很强， 模块化的功能单元可独立运转，整个控制系统是有上述模块组成的多级系统。到 本世纪5 0 年代，欧美一些国家正式提出“模块化设计”概念，把模块化设计提 到理论高度来研究。目前，模块化设计的思想已渗透到许多领域，例如机床、减 速器、家电、计算机等等。在机械制造方面，随着三维几何模型技术的发展，参 数化设计技术的日趋完善，模块化设计作为一种现代设计方法在国外制造业中迅 速发展，是近年来发达国家普遍采用的一种先进设计方法。 在国外，u l f i e c h 认为产品模块化与设计过程的两个特点紧密相关：一是设计 中功能域与物理结构域之间的映射或相似程度影响模块化的程度。二是产品物理 结构间相互影响程度的最小化。这两点指出，在产品功能分解树与结构分解树之 间建立合理映射并保证结构树组成元素之间的相互影响最小是模块化设计的基 本要求。基于这一观点，u l r i e c h 定义了三种模块化类型：部件互换模块化、部件 共享模块化和总线模块化，这三种方式描述了模块化产品中模块的基本组合方 式。这些不同的模块组合方式，则是形成不同类型产品系列的基础1 5 。 s h i n n o h 从分析机床结构入手提出了分级模块化的概念和设想，并指出了完 善模块化设计理论与方法应研究和解决的四个原则和问题( 分析原则、标准化原 则、结合原则和适应原则) 。据此，分级模块设计系统可以通过低级模块的组合 最大限度地满足用户需求【6 】。然而随着模块数目的增多，模块的管理成本和接口 成本也将大幅上升，因此，分级模块化在实际应用时将是非常困难的。 第一章绪论 j e f f e r e y 等认为模块化产品结构是构建产品族的有效方法，并提出了一种共 享通用模块的产品族设计方法。该方法通过功能分解，得到产品族的功能分解图， 引入启发式模块划分规则，实现从功能结构图向产品模块的映射，并通过对模块 矩阵的定性分析进行模块聚类，确定出具有通用和共性的功能模块，作为产品的 平台【7 1 。 近年来，国内各行业专家学者也在模块化设计方面作了很多研究和探讨。9 0 年代初，童时中等人从多方面分析了模块化理论，对模块、模块化的概念进行了 研究，提出了模块化设计的总体流程 8 】。天津大学机械学院的侯亮等人研究了广 义模块化设计理论，并成功的用此理论对液压机进行了模块化设计【9 】。西安理工 大学的谢小平等人提出了基于g t 的模块化设计思路，并应用于西议集团的1 5 1 l 系列产品中，改变了传统的重新设计模式，有效地缩减了设计时间【l0 1 。北京理工 大学的杜陶钧等讨论了模块化设计中模块划分的分级、层次特性，分析了模块划 分的三个层次，即用户层、功能层、结构层，在此基础上提出了分级模块层次划 分的方法，讨论了功能元独立的条件，建立了功能相关度的四种类型，应用相关 度聚合划分了功能模块，并对划分的结果进行了评价。该方法可以应用于对复杂 系统的模块划分【1 1 】。武汉理工大学的张松林研究了减速器模块划分的方法，并提 出了程序模块化设计方法和功能模块化设计方法l l2 | 。 但是由于较先进的参数化设计软件都是从国外引进，所以模块化设计也落后 于国外发达国家很多，尽管如此，国内各制造行业在模块化设计方法也取得了一 定的成果。尤其是在标准件参数化设计方面。对于非标准件，由于其自身有较标 准件相对独立的结构，导致参数化设计难度也较大，所以在非标准件的参数化模 块化设计技术方面还处于不成熟阶段。 2 发展趋势 模块化设计在设计思想上是对传统设计的一种创新，早期模块化设计多采用 手工操作管理，缺乏现代化的设计和管理手段，不能充分发挥模块化设计的优越 性。随着计算机应用技术向各行各业的渗透及以计算机辅助设计为主体的现化设 计技术的发展，模块化设计从设计手段上已有了极大的不同，形成了以计算机为 工具、以模块化设计为目标的各种学科交叉融合的新型技术领域，如计算机辅助 模块化设计、模糊模块化设计、智能模块化设计、优化模块化设计等等，这些手 段反过来又促进了模块化设计思想的发展。例如，早期的模块化设计主要追求功 能的实现，现在则要求模块化产品生命周期全过程多目标的权衡、分配及综合决 策，如开发周期短，易于回收、装配、维修，产品报废后某些模块仍可再利用， 模块可以升级、重新设置等。综合起来，现代模块化设计呈现以下几种趋势： ( 1 ) 各种数学方法( 模糊数学、优化等) 引入模块化设计各个环节，如模块 4 第一章绪论 的划分、结构设计、模块评价、结构参数优化等。 ( 2 ) 不同层次计算机软件平台的渗透，如二维绘图、实体造型、特征建模、 概念设计、曲面设计、装配模拟等软件均可用于模块化设计之中。 ( 3 ) 数据库技术及成组技术的应用。产品系列型谱确定之后，在系列功能 模块设计时，采用数据库技术及成组技术，首先对一系列模块的功能、结构特征、 方位、接合面的形状、形式、尺寸、精度、特性、定位方式进行分类编码，以模 块为基本单元进行设计，存储在模块数据库中。具体设计某个产品时，首先据功 能及结构要求形成编码，据编码在数据库中查询，若查出满足要求的模块，则进 行组合，联接；否则，则调出功能和结构相似的模块进行修改。组合联接好之后， 与相应的图形库连接，形成整机。分类编码识别从技术上容易实现一些，另有一 些研究者正在研究更为直观的图形识别。 ( 4 ) 模块化产品建模技术。与产品建模技术同步，模块化产品模型有其自 身的特点。目前研究的建模技术有三维实体建模、特征建模、基于s t e p 的建模 等。 ( 5 ) 人工智能的渗透。模块的划分、创建、组合、评价过程，除用到数值 计算和数据处理外，更重要的是大量设计知识、经验和推理的综合运用。 1 3 参数化设计概述 1 3 1 参数化定义 所谓参数化是指对零件上各种特征加以约束形式，各个特征的几何形状与尺 寸大小用变量来表示，如果定义某个特征的变量发生了改变，则零件的这个特征 的几何形状或尺寸大小将随着参数的改变而改变。 1 3 2 参数化c a d 技术的主要特点 参数化c a d 技术是由编程者预选设置一些几何图形约束，然后供设计者在 造型时使用，与一个几何形体相关联的所有尺寸参数可以用来产生其它几何形 体。其主要技术特点是：基于几何特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数 据相关。 基于几何特征：将某些具有代表性的平面几何形体定义为特征，并将其所有 尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构 造。 全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状 的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点( 全约束) ，不能漏注尺寸( 欠约束) 第一章绪论 和多注尺寸( 过约束) 。 尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。 全数据相关：尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全部更 新。采用这种技术的优点在于它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形体均 以尺寸的形式而控制。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实 现形状上的改变。 尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已无法生 存。尺寸驱动在道理上容易理解，尤其对于那些习惯看图纸、以尺寸来描述零件 的设计者是十分适宜的。 1 3 3 参数化c a d 与模块化结合的意义 1 参数化c a d 对模块化的意义 传统的模块化设计是在进行产品功能分析的基础上，将产品的总功能分解为 若干层次较低的、可互换的、独立的基础单元模块，然后根据用户的具体设计要 求，通过对功能模块的选择与综合，进而设计出具有不同系列、不同性能、不同 用途的各种新产品。但随着市场的不断发展，各种不同的用户提出的要求都不尽 相同，对于同一产品而言，虽然结构相似，但是尺寸大小都各有差异。那为了满 足各种不同用户的要求，就要求把原有的基础单元模块变“活 变“异。为此， 需要将参数化添加到模块化中，对模块本身的结构进行参数化和变量化，使其随 着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改，同时参数化中的配合关系 将使模块的接口问题得以更好的解决。所以将参数化技术应用到模块化设计中来 已经成为一种新的技术发展趋势【l 4 j 。 2 模块化对参数化c a d 的意义 一般来说，通用的c a d 绘图软件，只能提供基本绘图功能，直接用于产品 设计其效率往往不如手工绘图。所以，当通用c a d 软件用于产品设计时，一般 应进行艰苦细致的二次开发工作，而二次开发的主要内容则是根据c a d 对象特 点建立通用结构图形库。产品设计时主要任务则是：调用通用图形在屏幕上进行 联接、组合、修改、补充【】4 l 。事实上，这种设计模式与模块化设计的思路是完全 一致的。如果通用结构图形库中，不仅有各种绘图要素符号、标准件、常用外购 件、通用零件，而且还有通用部件( 模块) 图形库，就可以用“块命令调入部件 图，插入到图中的任何位置进行组合。这个图块可以重复利用，也可以进行修改， 从而大大提高了c a d 的效率。因而可以说，模块化是c a d 的基础，或者可以 说，没有模块化，即使是运用了c a d 的手段，效率仍然比较低【l4 1 。 6 第一章绪论 1 4 有限元分析概述 1 4 1 有限元分析的概念 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的问题 代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组 成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的 满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是 近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准 确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效 的工程分析手段l l 引。 1 4 2c o s m o s 简介 c o s m o s 是s r a c ( s t r u c t u r a lr e s e a r c h a n a l y s i sc o r p o r a t i o n ) 推出的一套 强大的有限元分析软件。s r a c 位于美国加州的洛杉矶，从1 9 8 2 年成立至今， s r a c 一直至力于有限元c a e 技术的研究和发展。早期的有限元技术高高在上， 只有一些国家的部门如宇航，军事部门可以使用，而此后的一些有限元分析软件 也都存在界面不友好、难学难用的缺点，且要求的设备昂贵。虽然用的范围大了 一些，但也都是集中在大学和一些研究机构，只有少数专业人员才能有机会接触， 普通的工程师可望而不可及。然而自c o s m o s 出现后，有限元分析的大门终于 向普通工程师敞开了，把高高在上的有限元技术平民化，它易学易用，简洁直观， 能够在普通的p c 机上运行，不需要专业的有限元经验。普通的工程师都可以进 行工程分析，迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短设计周期，降低测试成本， 提高产品质量，加大利润空间【l6 1 。 1 4 3 有限元分析作用 1 增加设计功能，减少设计成本； 2 缩短设计和分析的循环周期； 3 增加产品和工程的可靠性： 4 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 5 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 6 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费： 7 进行机械事故分析，查找事故原因。 第章绪论 1 4 4 有限元分析的应用场合 1 检验一个已存在的零件 当检验一个已存在的零件或装配体时，模型的几何形状已经确定变化的只是 有限元分析的参数象：分析选项、负荷和边界条件、网格尺寸等。 2 进行一个新的设计 当进行一个新的设计时，您想要拿出一个优化的设计以满足预期的工作环境 和特殊需求。当为满足特定需求进行优化设计时，你也许需要扩展专题的概念， 专题将包括：模型几何形状的变化。这些变化只是通过s o l i d w o r k s 对一些特征 的参数进行调整。 1 5 开发工具简介 s o l i d w b r k s 是一门专门从事开发三维机械设计的软件，1 9 9 3 年p t c 公司的 技术副总裁与c v 公司的副总裁成立s o l i d w o r k s 公司，并于1 9 9 5 年成功推出了 s o l i d w o r k s 软件，引起世界相关领域的一片赞叹。在开发、运作产品不到1 0 年 的时间里，s o l i d w o r k s 己在全球总计发行了2 5 多万套软件，目前，s o l i d w o r k s 已成为全球装机量最大、最好用的软件【1 7 d 9 】。 s o l i d w o r k s 软件是w m d o w s 原创软件的典型代表，是在总结和继承了大型 机械c a d 软件的基础上、在w m d o w s 环境下实现的第一个机械c a d 软件。 s o l i d w o r k s 软件是面向产品级的机械设计工具，它全面采用非全约束的特征建模 技术，为设计师提供了极强的设计灵活性。其设计过程的全相关性，使设计师可 以在设计过程中的任何阶段修改设计，同时牵动相关部分的改变。s o l i d w o r k s 完 整的机械设计软件包括了设计师必备的设计工具：零件设计、装配体设计、工程 制 t 2 0 2 1 1 。 1 6 本课题研究的意义、目的、关键技术 1 6 1 本课题研究的意义 本课题研究的意义在于改变传统的全自动塑杯灌装封口机这种包装机械产 产品的设计方式，提高企业的经济效益及其在市场上的竞争力。传统的塑杯灌装 封口机设计是面向某具体产品，从零件设计入手，逐步完成整机设计，除少量 标准件外，几乎是全新的，生产上及技术上的继承性很差，且新产品设计周期长， 工艺装备及生产准备工作量大，生产线也需作较大的调整。随着我国饮料、乳品、 啤酒市场的迅速发展，对灌装封口机的需求量越来越大，且对质量提出了更高的 第一章绪论 要求，若仍采用传统的单一产品设计方法是远不能满足市场多样化的需求，不能 适应激烈的市场竞争，也很难提高产品的综合技术经济效益及保证产品质量。为 了解决这些问题，可采用模块化设计。 1 6 2 本课题研究的目的 本课题研究的目的是基于c a d c a e 技术，将模块化设计、参数化及其结构 分析计算技术用于全自动塑杯灌装封口机，实现全自动塑杯灌装封口机的快速设 计，缩短其设计及测试周期，提高企业效率。 1 6 3 本课题研究的关键技术 1 在模块化设计的理论基础上，通过产品结构和功能分析对全自动塑杯灌 装封口机进行模块划分和再次组合。 2 将模块化设计与参数化设计技术相结合，利用s o l i d w o r k s 的方程式驱动 参数化设计方法，对全自动塑杯灌装封口机各模块及整机进行参数化建模，从而 提高其设计效率。 3 利用s o l i d w o r k s 中的c o s m o s 有限元分析插件，对全自动塑杯灌装封口 机的机体模块和灌装装置模块进行有限元分析，并针对有限元分析的结果，提出 相应的改进措施，从而减少其设计成本、缩短其开发周期。 1 7 本论文的主要内容 全文内容编排如下： 第一章 阐述了我国包装机械产品与发达国家的差距及相应的改进措施，从 而引入了模块化设计这个论题，接着阐述了与本论题有关的理论技术，模块化设 计概述，参数化设计概述，有限元分析概述。 第二章通过产品结构和功能分析，对全自动塑杯灌装封口机进行模块划分 和再次组合。 第三章将模块化设计与参数化设计技术相结合，利用s o l i d w o r k s 方程式 驱动参数化设计方法，对全自动塑杯灌装封口机各模块及整机进行参数化建模。 第四章阐述了利用s o l i d w o r k s 中的c o s m o s 有限元分析插件，对全自动 塑杯灌装封口机机体模块和灌装装置模块进行有限元分析，并针对有限元分析的 结果，提出相应的改进措施。 第五章本文的结论和展望。 9 第二章全自动塑杯灌装封口机功能分析与模块划分 第二章全自动塑杯灌装封口机功能分析与模块划分 本章首先介绍了模块化设计的方法、步骤、关键技术，接着介绍了全自动塑 杯灌装封口机的结构，功能以及工作流程，在此基础上，按功能对全自动塑杯灌 装封口机进行了模块的划分。 2 1 模块化设计的方法、步骤及关键技术 2 1 1 已有产品的模块化设计方法 已有产品的模块化设计主要是根据产品设计经验，总结产品变化规律既而对 产品总功能进行分解，然后再根据模块划分主要考虑的是产品生命周期的哪个阶 段来重新计算相关度、聚集成块。不同的产品设计者对产品进行模块划分时，往 往会根据特定的意图从不同的角度进行考虑，由于考虑问题的侧重点不同，会得 到不同的模块划分方案。尽管设计者进行模块划分的意图是千差万别的，但从产 品生命周期的角度来看，这些不同的划分角度都是针对生命周期中一个或几个特 定阶段的。因此，可以根据模块划分所面向的产品生命周期中的具体阶段，把模 块划分分为面向设计的模块划分、面向制造的模块划分、面向装配的模块划分： 1 面向设计的模块划分主要目的是为了方便新产品的设计工作，加快新产 品的开发速度。在进行模块划分时应重点考虑产品功能方面的问题，尽量把可能 发生变化的功能需求所对应的部分独立出来，把关系密切的功能需求所对应的部 分划分到同一模块中，从而获得模块在功能上的相对独立性。这样当用户需求发 生变化时，只影响到产品的某个局部，设计者可以只对这个局部进行改进或重新 设计而不必改变产品的其它部分。这样，可以最大限度地利用以往的设计结果， 加快新产品的开发速度。 2 面向制造的模块划分主要目的是为了方便产品的加工，便于加工过程的 调整。在进行模块划分时，应尽可能地把在加工中关系密切的部分划分到同一模 块中，以便当一个模块的加工方式或过程发生变化时不会影响到其它模块的加 工。这里所提到的加工关系密切的部分通常是指那些便于一组独立制造、要使用 一项专门技术、要在同一时间加工的产品组成部分。 3 面向装配的模块划分主要目的是为了方便产品的装配，使装配过程尽量 1 0 第二章全自动塑杯灌装封口机功能分析与模块划分 简单。因为在装配的过程中，模块化产品要体现的优势主要是使操作者能够快速 方便地装卸产品的相关部分，而接口的简易程度和产品的装卸方便程度是直接相 关的，所以要尽量把产品中那些经常被装卸的部分作为模块独立出来，并使这些 模块具有尽可能简易的接口，从而方便模块的装配或更换。 2 1 2 模块化设计的步骤 模块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程，需 要根据市场调研结果对整个系列进行模块化设计，本质上是系列产品研制过程， 如图2 1 所示。第二个层次为单个产品的模块化设计，需要根据用户的具体要求 对模块进行选择和组合，并加以必要的设计计算和校核计算，本质上是选择及组 合过程，如图2 2 所示。总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤， 但比后者更复杂，花费更高，要每个零部件都能实现更多的部分功能【4 l 。 1 - 市场调查与分析 市场调查与分析模块化设计成功的前提。必须注意市场对同类产品的需求 量、市场对同类产品基型和各种变型的需求比例，分析来自用户的要求，分析模 块化设计的可行性等。对市场需求量很少而又需要付出很大的设计与制造花费的 产品，不应在模块化系统设计的总功能之中。 2 进行产品功能分析，拟定产品系列型谱 合理确定模块化设计所覆盖的产品种类和规格，种类和规格过多，虽对市场 应变能力强，有利于占领市场，但设计难度大，工作量大；反之，则对市场应变 能力减弱，但设计容易，易于提高产品性能和针对性。 3 确定参数范围和主参数 产品参数有尺寸参数、运动参数和动力参数( 功率、转矩、电压等) ，须合理 确定，过高过宽造成浪费，过低过窄不能满足要求。另外，参数数值大小和数值 在参数范围内的分布也很重要，最大、最小值应依使用要求而定。主参数是表示 产品主要性能、规格大小的参数，参数数值的分布一般用等比或等差数列 4 】。 4 确定模块化设计类型，划分模块 只有少数方案用到的特殊功能，可由非模块实现：若干部分功能相结合，可 由一个模块实现( 对于调整功能尤其如此) 。 第二章全自动塑杯灌装封口机功能分析与模块划分 市场调查与分析 1 r 进行产品功能分析 1r 拟定产品系列型谱 1r l 确定参数范围及主要参数 1r 划分模块 1r 模块结构设计 1r 形成模块库 1r 编写技术文件 图2 - 1 模块化系列产品研制过程 划分模块 1r 模块结构设计 1r 划分模块 i ir 划分模块 1r 划分模块 图2 2 模块化产品设计过程 5 模块结构设计，形成模块库 由于模块要具有多种可能的组合方式，因此设计时要考虑到一个模块的较多 接合部位，应做到加工合理、装配合理：应尽量采用标准化的结构；尽量用多工 位组合机床同时加工，否则模块的加工成本将非常可观；还应保证模块寿命相当， 维修及更换方便。 第二章全自动塑杯灌装封e l 机功能分析与模块划分 6 编写技术文件 由于模块化设计建立的模块常不直接与产品联系，因此必须注意其技术文件 的编制，才能将不同功能的模块有机联系起来，指导制造、检查和使用。 技术文件主要包括以下内容： ( 1 ) 编制模块组合与配置各产品的关系表。其中应包括全系列的模块种类 及各产品使用的模块种类和数量。 ( 2 ) 编制所有产品的模块组和模块目录表，标明各产品和模块组的组成。 ( 3 ) 编制系列通用的制造与验收条件、合格证明书及装箱单。 ( 4 ) 编制模块式的使用说明，以适应不同产品、不同模块的需要。 2 1 3 模块化设计的关键技术 1 模块标准化 它是指模块结构标准化，尤其是模块接口标准化。模块化设计所依赖的是模 块的组合，即联接或啮合，又称为接口。显然，为了保证不同功能模块的组合和 相同功能模块的互换，模块应具有可组合性和可互换性两个特征，而这两个特征 主要体现在接口上，必须提高其标准化、通用化、规格化的程度。例如，具有相 同功能、不同性能的单元一定要具有相同的安装基面和相同的安装尺寸，才能保 证模块的有效组合。在计算机行业中，由于采用了标准的总线结构，来自不同国 家和地区厂家的模块均能组成计算机系统并协调工作，使这些厂家可以集中精 力，大量生产某些特定的模块，并不断进行精心改进和研究，促使计算机技术达 到空前的发展。相比之下，机械行业针对模块化设计所做的标准化工作就逊色一 些。机械产品中模块化设计仅应用于为数不多的机床行业【4 】。 2 模块的划分 模块化设计的原则是力求以尽可能少的模块组成尽可能多的产品，并在满足 要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应尽 量简单、规范，模块间的联系尽可能简单。因此，如何科学地、有节制地划分模 块，是模块化设计中很具有艺术性的一项工作，既要照顾制造管理方便，具有较 大的灵活性，避免组合时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、 变型产品的辐射【4 】。划分的好坏直接影响到模块系列设计的成功与否。总的说来， 划分前必须对系统进行仔细的、系统的功能分析和结构分析，并要注意以下各点： ( 1 ) 模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性。 ( 2 ) 保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性。 ( 3 ) 模块间的接合要素要便于联接与分离。 第二二章垒自动塑杯琏装封口机功能丹析与模块划丹 c 4 ) 模块的划分不能影响系统的主要功能 2 2 全自动塑杯灌装封口机模块划分 2 2 1 市场调查 通过调查，目前对于全自动塑杯灌装封口机的设计主要存在以下几个问题： j 对全自动塑杯灌装封口机进行变形设计时，设计制图工作量大、重复率 高。 2 全自动塑杯灌装封口机分类管理团碓，标准化工作差，绘图的“髓意性” 强。 3 设计资源难以共享，前辈工程师的经验不能得到很好的继承。 针对以上存在的问题，本论文在前而理论分析的基础上，开展全自动塑杯灌 装封口机的模块化设计，目的在于支持全自动塑杯灌装封口机的变形设计提高 设计效率；同时也为全自动塑杯灌装封口机的标准化系列工作打下基础，进而使 设计资源得以共享。 2 2 2 产品介绍、结构及功靛分析 产品介绍 图2 - 3 垒自动塑杯灌装封口机 本论文所研究的全自动塑杯灌装封口机【2 2 | 适用于咀广口杯作容器的各种奶 制品、饮料等灌装口。该机器设计新颖结构紧凑，可自动完成灌装、封口、日 期打印、裁切、收放膜盈计数等功能。并可根据您的特殊需要，进行定做。主要 技术参数如下： 第二章全自动塑杯灌装封c i 机功能分析与模块划分 表2 1 全自动塑杯灌装封口机的主要参数 型号 f m 1 2 0 8 b 产量7 2 0 0c u p h 功率1 0 5 k w 电压 2 2 0 v5 0 h z 外型尺寸 5 3 2 9 8 5 0 17 8 3 m m 重量 1 7 0 0 k g 薄膜宽度 1 9 0 m m 灌装量15 0 - 2 0 0 m l c u p 2 结构介绍 本论文所研究的对象“全自动塑杯灌装封口机”可自动完成落杯、灌装、打 印、封口、裁切、放膜、收膜、计数等工序，实现生产过程全自动化。 该机器由九大部件组成，如图2 - 4 所示，机体、动力及传动机构、落杯机构、 灌装部分、封口裁切部分、放收膜部分，日期打印装置、吸杯机构、电气控制部 分。 图中，1 一右侧机体 5 一减速器带轮 9 一分度器 1 3 一吸盘 图2 4 全自动塑杯灌装机结构简图 2 一左侧机体 6 一减速器 1 0 - - 主动轴 1 4 一下臂 1 5 3 一电动机 7 一减速器链轮 l l 一杯托板链轮 1 5 - - 上臂 4 一电动机带轮 8 一主动轴链轮 1 2 - - 皮带盘 1 6 - - 活塞缸 第二章全自动塑杯灌装封口机功能分析与模块划分 1 7 - - 活塞杆 2 1 一切刀 2 5 一封口装置 2 9 - - 灌装桶 3 3 一灌