虚拟样机技术在印刷机械设计中的应用

      随着全球经济的一体化，印刷机械产品市场的竞争日益激烈。为了提高市场竞争力，必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成本。在这种需求下，以虚拟样机技术为代表的计算机技术不断发展，是一种新的现代化设计手段。运用虚拟设计的方法，可以在产品设计初期，设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低新产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。本文以印刷机械的具体设计为实例，说明虚拟样机技术在印刷机械设计领域中的应用。
　　在传统的印刷机械设计工作过程中，都是由工程师先根据机器功能改进的需要，进行理论选型，然后计算结果，画出机械零件图、部件图和装配图，再交给车间进行试制。待样品出来以后，对样品进行运转测试，把测试到的实际结果与设计前的理论构想进行比对，寻找差异产生的原因，再重新进行设计上的修改，直到样品满足改进的需要。这种设计过程，需要的周期长，样品试制费用高，往往不能满足市场对新机器换代及时性的要求，带来了人力物力的巨大浪费。因此，有必要利用现代的设计手段，即虚拟样机技术，来改善印刷机械的设计方法。
　　什么是虚拟样机技术呢？机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。因此，该技术一出现，立即受到了工业发达国家、有关科研机构和大学、公司的极大重视，许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效益。根据国际权威人士对机械工程领域产品性能实验和研究开发手段的统计和预测，传统的机械系统实物实验研究方法，将在很大程度上会被迅速发展起来的计算机数字化仿真技术取代。虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和力学分析，以确定系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。

　　本文以具体的设备研发为例，探讨虚拟样机这一先进技术在实际工程和实际工作中的应用，来探讨虚拟样机技术在印刷机械设计时使用的步骤及方法。
　　众所周知，模切机是包装印刷工业中重要的印后表面装饰加工设备。经过模切加工后的印品可大幅度提高档次，在提高产品包装附加值方面起着重要的作用。自动平压模切机通常如图一所示，由送纸部分、模切烫金部分、清废部分、收纸堆垛部分组成。
　　当前，国外自动模切机的工作速度普遍在7500张/小时～9000张/小时。与此相比较，我国生产的自动平压模切机的工作速度较低，一般最高只有5500张/小时～7500张/小时。从模切精度上来讲，国外自动平压模切机的模切精度通常可以控制在0.10mm左右，而国产自动平压模切机的模切精度在0.15mm ～0.20mm范围内，只有少量机型能够达到0.1mm的模切精度。并且国产自动平压模切机的工作速度较高时，模切精度将大幅度下降，严重影响了印品的模切质量。
　　作者经过对国内现有模切机，包括国外的一些模切机进行认真研究后发现，模切机提速后，制约模切精度的一个很重要的因素是纸张定位的时间不足。我们对此来加以分析，国内外的模切机的纸张定位和传送机构的原理基本相同。
　　定位和传送机构的工作过程是：大链轮带动链条（分成长度相等的段）向模压方向做周期性的间歇运动。当前一段链条携带的纸张处于模压状态的时候，后一段链条也到达了取纸点（A点）。此时，大链轮和链条都是静止的。这时，摆动板上摆呈水平状态，纸张沿着摆动板传送过来，并由固定在摆动板上的规矩装置完成定位，然后交接给链条上的咬纸牙。交接完成后，摆动板下摆。当前一段链条携带的纸张完成了模压工作，在大链轮的带动下继续向前运动的时候，新取得纸张的链条将随之运动并到达模压位置，循环复始。
　　从某一段链条到达A点，开始静止取纸，再到其开始离开A点，所用的时间一般只占一个循环的2/5。这2/5的时间包含了纸张的定位时间。并且，这2/5的时间不是全部用来纸张定位的。为了不发生机构的干涉，链条到达A点以后，摆动板才可以上摆；摆动板又必须在链条离开A点继续前进之前下摆，再加上规矩等的稳定时间，真正用于纸张定位的时间一般不到这2/5时间的一半。可以看出，纸张定位时间原本就很紧张，而随着机器速度的不断提高，纸张定位的绝对时间越来越短。毫无疑问，定位时间的不足，将对模切精度带来很大的损害。
　　为此，提出了一种改进方法，得到一个新的纸张定位和传送机构，将大大提高纸张的定位时间。如图三所示。
　　新机构舍弃掉原来的摆动板，安装一个递纸吸嘴。纸张在B点完成定位后，交接给递纸吸嘴；递纸吸嘴做水平运动，交接给取纸链条，然后下摆返回。气流的控制以及

　　新机构与原机构不同之处是：原来的纸张定位是受制于链条传动系统的，必须等到取纸链条到达A点以后摆动板才能上摆到水平状态，然后纸张过来，开始定位。而改进后纸张的定位是相对独立的，它可以在取纸链条还没有到达A点以前就开始纸张的定位，并在取纸链条离开A点以前交接给它就可以了。这样纸张定位的时间就大大延长了。
      对递纸系统的每一个循环来说，除了递纸吸嘴的送纸和返回以外，其余的时间都可以用来进行纸张的定位。很明显，改进以后，纸张定位时间即使是在提速的情况下，也要比原机构在低速情况下还要长一些。
　　在明确设计方案以后，根据模切机的工艺要求，进行机构选型，通过分析比较确定了以凸轮——连杆机构为初步的设计方案。选择修正梯形加速度规律为从动件运动规律，确定机构参数，进行设计计算，采用SOLIDWORKS软件实体建模。因为篇幅的关系，这里就不一一介绍推算的依据，以及详细的过程了。根据机械设计的基本方法，求出理论模型是比较容易实现的。
　　现在问题的关键是，对于设计出来的产品，能否满足要求？不同于传统的设计方法，不需要急着去车间根据图纸加工零件，而是采用新的方法，即利用虚拟样机技术，来检验所设计出来的样品，是否满足使用的需要。在这里，我们需要使用ADAMS软件。ADAMS软件是美国MDI公司开发的一种机械系统动力学仿真分析软件，可用于预测机械系统的性能，运动范围，碰撞检测，峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库、创建完全参数化的机械系统几何模型，对虚拟样机系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。
　　在ADAMS的界面下，可以直接进行几何建模，ADAMS有丰富的几何建模工具集。如果运用其它的专用建模工具，在建立模型以后再导入到ADAMS，要方便得多。因此，我们把设计图纸由SOLIDWORKS建模以后，导入到ADAMS，并依次完成下面的工作，就可以用ADAMS进行模拟和检验了。

　　①添加约束，比如铰接副，圆柱副等等；
　　②设定机构的物理性质，比如材料等；
　　③进行仿真计算分析，设定输出方式等。
　　把新设计的模切机递纸牙机构导入到ADAMS后，根据ADAMS进行机构的运动学、动力学和弹性动力学分析，直接获取所设计产品的实际性能。这里以机构的弹性动力学分析过程为例，说明具体应用的方法。
　　模切机的发展趋势是机器速度不断提高，而机器重量趋于减轻。因此，在机构设计中，应该考虑到随着机器重量的减轻，构件的柔度加大，柔性构件在外力和惯性力作用下就会产生变形，从而会使机构真实的运动与预期的运动间产生误差。而随着速度的提高，惯性力急剧增大，这一问题也就越突出。所以，必须对所设计的新机构进行弹性动力学分析，以检验机构在高速情况下是否能满足精度要求。
　　第一步：考虑到连杆受力比较大，也是连接机构上下两部分的重要零件，它的柔性变化对机构的精度会有很大的影响，因此考虑把连杆柔性体化（机器转速选定为9000转/小时）。
　　第二步：把柔性体装入机构，代替原来的刚性体零件，其它部分保持不变，重新进行装配，对机构进行运动仿真，输出递纸牙的位移曲线。
　　第三步：和替换前的递纸牙的位移曲线进行比较运算，把两者随时间的差异变化曲线输出来。
　　从结果可以看出，即使是在高速的情况下（9000转/小时），机构的误差也在很小的范围，最大为0.01mm，远远小于机器0.10mm误差的要求，满足设计要求。
　　如上所述，本文对印刷机械中的模切机进行结构创新性设计，在设计出理论数据后，没有按照传统的方法去试制样品，而是采用了基于虚拟样机分析软件ADAMS，来进行机构的运动学、动力学和弹性动力学分析，结果表明所设计的机构满足设计要求。这样，大大简化了设计流程，缩短了设计周期，对印刷机械的设计工作带来了极大的便捷。因此，在印刷机械设计工作中，熟练掌握虚拟样机技术的应用是新技术对广大工程师的迫切要求。