英文原文由Davide Marini EnginSoft著。

自動包裝機最重要的特征是容量，因為這是機器的競爭優勢所在。Opem的設計師一直在尋找一個既不增加成本、擴大尺寸和降低效率，又可以提高機器容量的新方案。

本項目關注重點是生產咖啡膠囊的機器。主要目標是在不影響機器結構和尺寸的情況下將容量提高25%。該機器的操作可以分為兩個主要方面：

所分析的機件分為四個單元：切割焊接單元、給膜器單元、膠囊傳送帶單元、結構框架單元。

• 切割焊接單元

切割焊接單元（圖1）將密封膜切割成圓形，并將其運輸和密封在膠囊的頂部。為了執行這些操作，該部分的組件由兩個電動機驅動。電機施加的運動通過一系列四連桿機構和曲柄機構傳遞，因此電機的運動和末端執行器的運動之間呈非線性關系。

圖1 切割焊接單元              圖 2 給膜器單元

• 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。薄膜的移動由幾個電機控制，施加適度張力，并正確地對齊薄膜。在進行切割操作時，薄膜孔的排料對減少廢料量非常重要。

圖 3 排料案例：

右邊的方案可通過橫向平移薄膜獲得，明顯減少廢料。

Opem的設計具有曲柄機構，能平移整個給膜器單元，形成更完整的排料孔，從而減少廢料（圖3）。

目前的研究集中在橫向移動部分，因為OPEM先進的薄膜設計已是廣為人知，因此沒有進一步的研究必要。

圖4 膠囊傳送帶單元

• 膠囊傳送帶單元

膠囊傳送帶單元（圖4）用于移動膠囊。空膠囊自動裝載在機器的一端。在傳送帶開始循環運動時，膠囊隨之向前移動，直到它們到達機器的另一端后被卸載。膠囊支架固定在兩個鏈條組件上，組件由數百個鏈節、支撐導軌和四個鏈輪組成。一個電動機直接連接到四個鏈輪中的兩個，并在每個循環開始時旋轉它們，推進鏈條機構。

圖 5 結構框架單元

• 結構框架單元

最后分析的是結構框架單元（圖5），主要由橫梁組成，支撐著所有其他的組件。

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

1. 使用EnginSoft內部開發的程序生成一組初始運行規律
2. 將生成的運動規律應用于RecurDyn模型中，對虛擬電機進行控制，并在動態條件下進行了各個單元仿真
3. 測量發動機的扭矩、位置、速度和末端執行器的加速度

以最小化電機扭矩和末端執行器加速度為目標，對運動規律進行優化。同時，以末端執行器的期望位置為約束條件，監測電機的角速度，并將其與規定的閾值水平進行比較。

圖6 改進的梯形運行規律

由于電動機直接連接到控制膠囊位置的鏈輪，因此傳送帶優化十分簡單。電機和終端執行器的加速度(即膠囊)可以通過選擇一種可以最小化二者之一的加速度的運動定律，同時達到最小化(電機和末端執行器之間的運動關系在鏈動力學和傳遞誤差忽略不計情況下，是線性的且等于傳動比)。最終采用改進的梯形運動規律來控制電機，因為與其他運動規律(擺線、多項式等)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行器的位置、速度和加速度曲線

由于四連桿機構和曲柄機構導致電機和末端執行器之間呈非線性關系，切割焊接單元和給膜器單元的優化過程就更加復雜。因此，不可能只研究電機和末端執行器其中一個，達到它們的加速度同時最小化。在這些條件下，本段開頭所報告的迭代方法對于優化末端執行器和電機的運行規律至關重要。

采用常規梯形曲線加載，通過迭代調整加速/等速/減速間隔的長度，得到最優運行規律。圖7顯示了切割焊接末端執行器的位移、速度和加速度：黑線為末端執行器的加速度最小時曲線，紅線為電機的加速度最小時曲線，綠線是優化的結果曲線。

• 切割焊接單元

切割焊接單元最初是用剛體構成的多體模型表示。該模型計算時間小于20秒，適用于優化過程。然后利用該模型優化兩臺電動機的運行規律，驗證了它們的同步性。（電機同步性對于執行精確的薄膜切割，避免與其他組件的碰撞來說是非常重要的）。

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

一旦優化過程完成，切割焊接的幾個組件就從剛性體轉化為柔性體（圖8），重復模擬計算動態條件下作用在構件上的應力，結果沒有發現任何結構問題。這表明優化的運行規律能夠根據需要提高機器的性能，最大限度地減少內部載荷的變化。同時，這一結果也證明了OPEM所設計機器的魯棒性。

從一開始就考慮了薄膜的柔性特征，確保運行規律的修改不會影響其動力學和最終位置。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動期間的大位移。（Full Flex技術將物體的全剛度矩陣轉移到RecurDyn求解器中，即在求解過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）。

一旦優化過程完成，組件的側板從剛性轉換為柔性（圖9)，計算作用在這些部件上的應力，并評估它們的柔性是否會在運動結束時引起薄膜不必要的橫向振動。

圖10 框架變形的 放大視圖

圖11 von-Mises應力云圖

其次，優化過程使運行規律可以滿足要求，并且不引發結構問題。EnginSoft和Opem工程師的交流著重在一些可以進一步減輕設備重量的領域，以實現未來更好的性能。

本研究通過優化膠囊機組件的運行規律，成功將膠囊機的容量提高了25%。

優化過程基于Recurdyn多體軟件迭代完成。這些模型可用于正確確定機器主要部件的尺寸，并驗證其在新的運規律下的動態行為，獲得作用在框架上的載荷，隨后用于結構驗證。