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英文原文由 Davide Marini EnginSoft 著。

本項(xiàng)目關(guān)注重點(diǎn)是生產(chǎn)咖啡膠囊的機(jī)器。主要目標(biāo)是在不影響機(jī)器結(jié)構(gòu)和尺寸的情況下將容量提高25%。該機(jī)器的操作可以分為兩個(gè)主要方面：

分析單元

所分析的機(jī)件分為四個(gè)單元：

切割焊接單元（圖1）將密封膜切割成圓形，并將其運(yùn)輸和密封在膠囊的頂部。為了執(zhí)行這些操作，該部分的組件由兩個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)施加的運(yùn)動(dòng)通過(guò)一系列四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄機(jī)構(gòu)傳遞，因此電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)之間呈非線性關(guān)系。

圖1 切割焊接單元

圖 2 給膜器單元

給膜器單元（圖2）主要提供將要切割和密封的薄膜。薄膜的移動(dòng)由幾個(gè)電機(jī)控制，施加適度張力，并正確地對(duì)齊薄膜。在進(jìn)行切割操作時(shí)，薄膜孔的排料對(duì)減少?gòu)U料量非常重要。

圖 3 排料案例：

右邊的方案可通過(guò)橫向平移薄膜獲得，明顯減少?gòu)U料。

Opem的設(shè)計(jì)具有曲柄機(jī)構(gòu)，能平移整個(gè)給膜器單元，形成更完整的排料孔，從而減少?gòu)U料（圖3）。

目前的研究集中在橫向移動(dòng)部分，因?yàn)镺PEM先進(jìn)的薄膜設(shè)計(jì)已是廣為人知，因此沒(méi)有進(jìn)一步的研究必要。

圖4 膠囊傳送帶單元

膠囊傳送帶單元（圖4）用于移動(dòng)膠囊。空膠囊自動(dòng)裝載在機(jī)器的一端。在傳送帶開始循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，膠囊隨之向前移動(dòng)，直到它們到達(dá)機(jī)器的另一端后被卸載。膠囊支架固定在兩個(gè)鏈條組件上，組件由數(shù)百個(gè)鏈節(jié)、支撐導(dǎo)軌和四個(gè)鏈輪組成。一個(gè)電動(dòng)機(jī)直接連接到四個(gè)鏈輪中的兩個(gè)，并在每個(gè)循環(huán)開始時(shí)旋轉(zhuǎn)它們，推進(jìn)鏈條機(jī)構(gòu)。

圖 5 結(jié)構(gòu)框架單元

最后分析的是結(jié)構(gòu)框架單元（圖5），主要由橫梁組成，支撐著所有其他的組件。

優(yōu)化運(yùn)動(dòng)規(guī)律

該部分的核心目的是優(yōu)化和驗(yàn)證控制切割焊接單元，給膜器單元和膠囊傳送帶單元的運(yùn)行規(guī)律。使用如下迭代方法完成：

以最小化電機(jī)扭矩和末端執(zhí)行器加速度為目標(biāo)，對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，以末端執(zhí)行器的期望位置為約束條件，監(jiān)測(cè)電機(jī)的角速度，并將其與規(guī)定的閾值水平進(jìn)行比較。

圖6 改進(jìn)的梯形運(yùn)行規(guī)律

由于電動(dòng)機(jī)直接連接到控制膠囊位置的鏈輪，因此傳送帶優(yōu)化十分簡(jiǎn)單。電機(jī)和終端執(zhí)行器的加速度(即膠囊)可以通過(guò)選擇一種可以最小化二者之一的加速度的運(yùn)動(dòng)定律，同時(shí)達(dá)到最小化(電機(jī)和末端執(zhí)行器之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系在鏈動(dòng)力學(xué)和傳遞誤差忽略不計(jì)情況下，是線性的且等于傳動(dòng)比)。最終采用改進(jìn)的梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)控制電機(jī)，因?yàn)榕c其他運(yùn)動(dòng)規(guī)律(擺線、多項(xiàng)式等)相比，該輪廓線保證了最小加速度值(圖6)。

圖7 切割和焊接單元末端執(zhí)行器的位置、速度和加速度曲線

由于四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄機(jī)構(gòu)導(dǎo)致電機(jī)和末端執(zhí)行器之間呈非線性關(guān)系，切割焊接單元和給膜器單元的優(yōu)化過(guò)程就更加復(fù)雜。因此，不可能只研究電機(jī)和末端執(zhí)行器其中一個(gè)，達(dá)到它們的加速度同時(shí)最小化。在這些條件下，本段開頭所報(bào)告的迭代方法對(duì)于優(yōu)化末端執(zhí)行器和電機(jī)的運(yùn)行規(guī)律至關(guān)重要。

采用常規(guī)梯形曲線加載，通過(guò)迭代調(diào)整加速/等速/減速間隔的長(zhǎng)度，得到最優(yōu)運(yùn)行規(guī)律。圖7顯示了切割焊接末端執(zhí)行器的位移、速度和加速度：黑線為末端執(zhí)行器的加速度最小時(shí)曲線，紅線為電機(jī)的加速度最小時(shí)曲線，綠線是優(yōu)化的結(jié)果曲線。

建模

切割焊接單元最初是用剛體構(gòu)成的多體模型表示。該模型計(jì)算時(shí)間小于20秒，適用于優(yōu)化過(guò)程。然后利用該模型優(yōu)化兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，驗(yàn)證了它們的同步性。（電機(jī)同步性對(duì)于執(zhí)行精確的薄膜切割，避免與其他組件的碰撞來(lái)說(shuō)是非常重要的）。

圖 8 包含柔性體的切割焊接單元的RecurDyn 模型

圖9 包含柔性體的密封膜傳輸器單元的RecurDyn模型

一旦優(yōu)化過(guò)程完成，切割焊接的幾個(gè)組件就從剛性體轉(zhuǎn)化為柔性體（圖8），重復(fù)模擬計(jì)算動(dòng)態(tài)條件下作用在構(gòu)件上的應(yīng)力，結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)問(wèn)題。這表明優(yōu)化的運(yùn)行規(guī)律能夠根據(jù)需要提高機(jī)器的性能，最大限度地減少內(nèi)部載荷的變化。同時(shí)，這一結(jié)果也證明了OPEM所設(shè)計(jì)機(jī)器的魯棒性。

從一開始就考慮了薄膜的柔性特征，確保運(yùn)行規(guī)律的修改不會(huì)影響其動(dòng)力學(xué)和最終位置。薄膜是用Recurdyn專有的Full Flex方法建模的，正確地表示薄膜在橫向運(yùn)動(dòng)期間的大位移。（Full Flex技術(shù)將物體的全剛度矩陣轉(zhuǎn)移到RecurDyn求解器中，即在求解過(guò)程中考慮柔性體的所有自由度，從而正確地考慮非線性，如：大撓度、非線性材料和柔性表面上的接觸）。

一旦優(yōu)化過(guò)程完成，組件的側(cè)板從剛性轉(zhuǎn)換為柔性（圖9)，計(jì)算作用在這些部件上的應(yīng)力，并評(píng)估它們的柔性是否會(huì)在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)引起薄膜不必要的橫向振動(dòng)。

圖10 框架變形的 放大視圖

圖11 von-Mises應(yīng)力云圖

其次，優(yōu)化過(guò)程使運(yùn)行規(guī)律可以滿足要求，并且不引發(fā)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。EnginSoft和Opem工程師的交流著重在一些可以進(jìn)一步減輕設(shè)備重量的領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)更好的性能。

總結(jié)

優(yōu)化過(guò)程基于Recurdyn多體軟件迭代完成。這些模型可用于正確確定機(jī)器主要部件的尺寸，并驗(yàn)證其在新的運(yùn)規(guī)律下的動(dòng)態(tài)行為，獲得作用在框架上的載荷，隨后用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。