基于Solidworks的氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置的建模與仿真分析

謝沖沖 李瑩

摘? 要： 借助Solidworks軟件，來(lái)設(shè)計(jì)模擬氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置的結(jié)構(gòu)，對(duì)部件進(jìn)行三維建模和模型裝配，并利用Solidworks Simulation插件對(duì)上膠網(wǎng)版進(jìn)行受力分析，以及Motion插件對(duì)整個(gè)氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出數(shù)據(jù)以及仿真結(jié)果有助于我們分析氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠機(jī)構(gòu)的可行性，其中有限元分析計(jì)算，使我們對(duì)所設(shè)計(jì)方案能夠更好地進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞： 上膠裝置;Solidworks;建模;仿真

中圖分類(lèi)號(hào)： TP391? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.033

本文著錄格式：謝沖沖，李瑩. 基于Solidworks的氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置的建模與仿真分析[J]. 軟件，2019，40（10）：147151

Modeling and Simulation Analysis of Gluing Device For

Pneumatic Screen Plate Based on Solidworks

XIE Chong-chong， LI Ying

（Kunming University of Technology， Kunming 650504）

【Abstract】： With the help of Solidworks software， the structure of the gluing device for the simulation pneumatic screen plate is designed， the components are modeled and assembled in three dimensions， and the stress analysis of the gluing screen plate is carried out by using the Solidworks Simulation plug-in， and the motion simulation of the gluing mechanism for the whole pneumatic screen plate is carried out by the Motion plug-in. The simulation results are helpful for us to analyze the feasibility of the gluing mechanism of pneumatic screen plate. The finite element analysis and calculation make us better evaluate the design scheme.

【Key words】： Gluing device; Solidworks; Modeling; Simulation

0? 引言

煙包企業(yè)裱盒生產(chǎn)車(chē)間，煙標(biāo)外皮殼與內(nèi)盒需要流體膠進(jìn)行粘合，外皮殼與內(nèi)盒的粘合作為裱盒制作工藝的重要工序之一，其粘合速度一定程度上決定整體裱盒加工生產(chǎn)的效率。目前外皮殼與內(nèi)盒的粘合加工生產(chǎn)多采用手工絲網(wǎng)版刷膠，整個(gè)加工制作的生產(chǎn)效率過(guò)緩，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，其中該粘合工序的生產(chǎn)作為重要的工藝組成部分，是影響生產(chǎn)效率的重要因素之一。

因此，我們利用Solidworks設(shè)計(jì)一臺(tái)氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置，將三維建模用于設(shè)計(jì)的前期方案設(shè)計(jì)階段，然后對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)設(shè)計(jì)出的機(jī)構(gòu)進(jìn)

行仿真分析，并對(duì)絲網(wǎng)版進(jìn)行受力分析，確定刮板的施力和刮膠速度，對(duì)整體裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和可操作性。利用Solidworks對(duì)相關(guān)的裱盒粘合工序生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和指導(dǎo)。

1? 氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置的三維建模

1.1? 工作原理分析

氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置的主要工作原理是將煙標(biāo)外皮殼放置在上膠裝置的工作臺(tái)上，由絲網(wǎng)版壓制在外殼上，使用刮板施壓將流體膠通過(guò)絲網(wǎng)版上的網(wǎng)孔刷涂在外皮殼上的特定位置，上膠的尺寸與內(nèi)盒底部（或內(nèi)盒底部與側(cè)邊框）尺寸一致，人工絲網(wǎng)版上膠是人工使用刮板在絲網(wǎng)版上施力刮膠來(lái)進(jìn)行上膠，由于人工上膠主觀因素較大，刮膠速度和施力方面會(huì)受工作時(shí)長(zhǎng)等因素影響，會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)外殼不同區(qū)域的上膠量不同，同時(shí)還會(huì)存在外皮殼整體的上膠量過(guò)大或過(guò)小等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致外皮殼與內(nèi)盒粘合邊緣有溢膠或粘合不牢的現(xiàn)象。如下圖1所示為外皮殼上膠位置圖，圖中紅色區(qū)域?yàn)樯夏z位置。

1.2? 整體設(shè)備部件構(gòu)建

根據(jù)手工絲網(wǎng)版上膠的工作原理，利用Solid works構(gòu)建上膠裝置的三維模型，所設(shè)計(jì)的上膠裝置主要包括氣壓缸、絲網(wǎng)版、刮板、工作臺(tái)等部件。其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源由電源帶動(dòng)氣壓缸工作提供，氣壓缸Ⅰ可以帶動(dòng)絲網(wǎng)版平壓在放置有外皮殼的工作臺(tái)上，氣壓缸Ⅲ驅(qū)動(dòng)刮板對(duì)絲網(wǎng)版施壓，氣壓缸Ⅱ驅(qū)動(dòng)刮板在絲網(wǎng)版上進(jìn)行刮膠，從而完成上膠過(guò)程。

當(dāng)完成初步結(jié)構(gòu)分析后，即可利用Solidworks進(jìn)行三維模型的建立，在草圖中繪制二維平面輪廓，通過(guò)拉伸命令，形成初步的模型，然后通過(guò)各種Solidworks命令即可初步構(gòu)建模型。每個(gè)零件都用Solidworks進(jìn)行構(gòu)建，設(shè)置好各自尺寸，即完成建模，如上圖2所示的裝置。在Solidworks中，通常用的零件構(gòu)建功能就是草圖繪制，拉伸，切除，打孔，倒圓，有的零件可以直接從零件庫(kù)里選取標(biāo)準(zhǔn)件，通過(guò)改變標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)即可得到自己所需的零件，這種建模效率更高，得到的零件更為標(biāo)準(zhǔn)。

1.3? 整體裝配

將所有的零件繪制完畢后，通過(guò)Solidworks新建裝配體功能，將零件導(dǎo)入裝配體，按各零件之間的配合關(guān)系進(jìn)行裝配，通過(guò)各零部件的裝配形成一個(gè)完整的三維裝配結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)視圖，可以觀察整個(gè)裝配體的構(gòu)造、配合關(guān)系。打開(kāi)Solidworks軟件，新建裝配體，命名為氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置。按設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將氣壓缸、絲網(wǎng)版、刮板、工作臺(tái)等利用配合命令重合、平行、垂直、同軸心建立約束關(guān)系。裝配完成后再次檢驗(yàn)裝配約束關(guān)系是否正確，在Solidworks配合關(guān)系一欄，看配合是否出現(xiàn)紅色或者黃色。若出現(xiàn)則表示某一零件相應(yīng)尺寸、配合關(guān)系不合理導(dǎo)致裝配缺陷或者錯(cuò)誤。并且在裝配關(guān)系中，可以單獨(dú)選中某個(gè)需要從新設(shè)計(jì)的零件，點(diǎn)擊該零件進(jìn)行修改然后保存，同樣在這個(gè)裝配體中，該零件也會(huì)在裝配體中從新構(gòu)建，檢查裝配體關(guān)系，其他配合約束關(guān)系不會(huì)受到影響。

1.4? 干涉檢查

在利用Solidworks構(gòu)建三維模型時(shí)由于直觀、配合、設(shè)計(jì)、計(jì)算等因素，各零部件之間會(huì)出現(xiàn)干涉狀況，通過(guò)Solidworks中的評(píng)估下的干涉檢查命令來(lái)對(duì)裝配體進(jìn)行檢查，通過(guò)干涉功能。進(jìn)入干涉檢查時(shí)，單擊計(jì)算命令，這樣就可以對(duì)整個(gè)裝配體進(jìn)行干涉檢驗(yàn)。若存在干涉情況，則裝配體中干涉零件會(huì)顯示為紅色，這樣就需要回零件里進(jìn)行相應(yīng)修改。

利用干涉檢查，將整個(gè)模型存在的干涉排除，這樣就能避免在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，各軸、孔等配合不精準(zhǔn)，需要反復(fù)打磨加工來(lái)滿(mǎn)足安裝精度，減少了人力、物力不必要的浪費(fèi)。同時(shí)也為下一步正確的分析數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)仿真提供必要先決條件。這樣能夠避免各部件之間產(chǎn)生干涉，相互阻擋摩擦，或者各部件之間卡死不能運(yùn)轉(zhuǎn)等情況。

2? 對(duì)氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置進(jìn)行受力分析與仿真

2.1? 絲網(wǎng)版受力分析

在Solidworks中，Solidworks Simulation可以預(yù)測(cè)零件在承載下性能如何，并可以檢測(cè)在設(shè)計(jì)周期可能出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)給絲網(wǎng)版添加應(yīng)用載荷和夾具，并選定材料。對(duì)絲網(wǎng)版進(jìn)行受力分析，可以查看結(jié)果。所有這些信息都包括在Simulations算例中。大部分分析問(wèn)題要求有綜合性分析產(chǎn)品，在最終通過(guò)設(shè)計(jì)之前進(jìn)行精確且完整的實(shí)時(shí)模擬。使用強(qiáng)大且全面的Solidworks Simulations能夠具有高效的評(píng)估性能、提高質(zhì)量和推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新。

此次構(gòu)建的模型主要用于模擬絲網(wǎng)版的結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)。使用Solidworks中的Simuation功能來(lái)分析絲網(wǎng)版的剛度和受力情況，以確保絲網(wǎng)版能均勻且定量上膠，保證外皮殼的上膠量。通過(guò)分析能夠確定絲網(wǎng)版在受刮板載荷力的作用下，流體膠的通過(guò)量。利用受力分析可以解決設(shè)計(jì)過(guò)程諸多不確定性和數(shù)據(jù)不足的特點(diǎn)。

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，目前有很多公司設(shè)計(jì)研發(fā)出了多款受力分析軟件，比如PKPM、staad、anisys以及各種三維建模軟件自帶的受力分析插件。這些軟件核心原理基本相同，采用化整為零方法，即將各自建立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分成很多小塊，每一小塊受不同載荷。最后將每一個(gè)相關(guān)的受力小塊單元進(jìn)行疊加，受力分析由一個(gè)單元變成一個(gè)整體，這樣就可以分析在受載荷情況下的變形、受力情況等靜力學(xué)特性，并計(jì)算出整個(gè)三維模型的特性，稱(chēng)為有限元分析計(jì)算。由于實(shí)際有限元分析受力單元多，分布面廣，且重疊性突出的特點(diǎn)，都借助于相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助軟件分析為工程設(shè)計(jì)者提供了便利，減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作量，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度。在這些受力分析軟件中Solidworks Simulation操作界面簡(jiǎn)單，使用方便，性能突出。

為對(duì)模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算，對(duì)實(shí)體模型網(wǎng)格化，網(wǎng)格劃分大的小和屬性參數(shù)對(duì)最終有限元分析結(jié)果的精度有很大的影響。在使用Solidworks Simulations進(jìn)行受力分析時(shí)，需要進(jìn)行6個(gè)步驟操作，分別是夾具、載荷、材料、運(yùn)行、結(jié)果。①添加夾具：應(yīng)用夾具以阻止零件在應(yīng)用載荷時(shí)移動(dòng)。②載荷：添加壓力或者添加力。③材料：對(duì)三維模型應(yīng)用材料。④運(yùn)行：使用默認(rèn)設(shè)置求解或者調(diào)整設(shè)置求解。⑤結(jié)果：顯示vonMises應(yīng)力，顯示位移，顯示應(yīng)變。

對(duì)絲網(wǎng)版進(jìn)行受力分析時(shí)，先添加夾具，將絲網(wǎng)版邊框固定，然后在受力的絲網(wǎng)版區(qū)域施加受力大小和受力方向，選擇PET材料，并應(yīng)用進(jìn)行運(yùn)行模擬，這時(shí)候出現(xiàn)動(dòng)畫(huà)模擬，停止動(dòng)畫(huà)，顯示運(yùn)行結(jié)果。首先顯示vonMises應(yīng)力，然后顯示位移，最后顯示應(yīng)變。如下圖7、8所示，綠色箭頭表示兩端添加夾具示意，紫紅色箭頭表示絲網(wǎng)版壓力示意。如下圖9所示，應(yīng)用PET材料。如下圖10所示，為vonMises應(yīng)力圖。如下圖11所示，為位移顯示。如下圖12所示，為應(yīng)變。

由圖10可知，該絲網(wǎng)版靜應(yīng)變變形比例為1.95907e+08N/m^2。由圖11所示，該絲網(wǎng)版由邊框到中間位置位移量逐漸增大，到一定位置之后位移量趨于一致。綜上所示，研究分析結(jié)果與絲網(wǎng)版實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)相符合，這進(jìn)一步驗(yàn)證了借助Solidworks輔助設(shè)計(jì)的可行性，得出了有效的數(shù)據(jù)和信息。

上處僅是為使用PET材料絲網(wǎng)版的受力分析，絲網(wǎng)版邊框選為鋁合金材料，因以上受力分析只是對(duì)絲網(wǎng)版的受力分析，目的是根據(jù)絲網(wǎng)版的受力來(lái)測(cè)定不同刮板壓力下對(duì)于外皮殼的上膠量，從而根據(jù)上膠量選擇最佳壓力（上膠量過(guò)小會(huì)導(dǎo)致外皮殼與內(nèi)盒粘合牢度不夠，上膠量過(guò)大會(huì)產(chǎn)生溢膠現(xiàn)象），從而選擇氣壓缸驅(qū)動(dòng)刮板對(duì)絲網(wǎng)版的壓力，不需要考慮絲網(wǎng)版下部工作臺(tái)對(duì)刮板壓力的承應(yīng)力。

2.2? 運(yùn)動(dòng)仿真

借助Solidworks Motion工具仿真，通過(guò)三維模型的動(dòng)態(tài)展示從而直觀地反映氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置的運(yùn)行情況，整個(gè)設(shè)備使用氣壓缸驅(qū)動(dòng)，最終絲網(wǎng)版在刮板的壓力作用下，將流體膠轉(zhuǎn)移到外皮殼上。通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真可以檢測(cè)當(dāng)前各部件的運(yùn)動(dòng)性能，從各結(jié)構(gòu)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分析出其結(jié)構(gòu)的合理性，并檢測(cè)出該設(shè)計(jì)方案的可行性，也有助于檢驗(yàn)各零件之間的配合情況，從而依據(jù)仿真結(jié)果來(lái)優(yōu)化完善絲氣動(dòng)網(wǎng)版上膠裝置的設(shè)計(jì)。

在Solidworks中對(duì)絲網(wǎng)版上膠裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，首先打開(kāi)運(yùn)動(dòng)算例，在插件選項(xiàng)中添加Solidworks Motion插件，選擇Motion分析，拖動(dòng)裝配體鍵碼，根據(jù)需要確定時(shí)長(zhǎng)，由于該氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置是通過(guò)氣壓缸來(lái)帶動(dòng)，通過(guò)添加氣缸，確定距離配合、設(shè)定行程、最大最小尺寸，選取刮板作為平移零件，并選定移動(dòng)方向，確定移速，并確認(rèn)保存，添加刮板與絲網(wǎng)版的接觸，使用接觸組，并填寫(xiě)參數(shù)確認(rèn)保存，添加壓力，進(jìn)行仿真。

在Solidworks Motion分析中，可以方便調(diào)整模型的運(yùn)動(dòng)速度，使設(shè)計(jì)者能夠直觀的觀察模型運(yùn)動(dòng)的完整情況，可以確定裝配過(guò)程中各約束是否正確，是否產(chǎn)生干擾，是否聯(lián)動(dòng)，并可以通過(guò)設(shè)定時(shí)長(zhǎng)以及任意選擇時(shí)間點(diǎn)來(lái)觀察某一時(shí)刻模型的狀態(tài)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)模擬仿真分析，所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿(mǎn)足外皮殼上膠實(shí)際目標(biāo)。

3? 結(jié)論

本文通過(guò)Solidworks軟件進(jìn)行零件構(gòu)建，然后利用Solidworks對(duì)零件進(jìn)行裝配形成完整的裝配體，并進(jìn)行了干涉檢查。利用Solidworks Simulations對(duì)氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置中重要構(gòu)件絲網(wǎng)版進(jìn)行了受力分析，保證了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料的合理性。而且通過(guò)Solidworks Motion對(duì)整個(gè)氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，確定該裝置能夠在外皮殼上均勻定

量上膠，符合設(shè)計(jì)需要。通過(guò)利用Solidworks設(shè)計(jì)氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置的三維模型，直觀的展示了氣動(dòng)絲網(wǎng)版上膠裝置的外部構(gòu)造和各部件之間的配合關(guān)系，驗(yàn)證了該裝置傳動(dòng)的合理性以及各部件配合的協(xié)調(diào)性。通過(guò)Solidworks軟件加快了設(shè)計(jì)的進(jìn)度，節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間，保證了設(shè)計(jì)的可靠性，驗(yàn)證了方案的可行性和正確性。

參考文獻(xiàn)

[1]黃博才. 基于機(jī)器視覺(jué)定位的高速絲印機(jī)控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 華南理工大學(xué)， 2012.

[2]劉陽(yáng)君. 全自動(dòng)多色絲網(wǎng)印刷機(jī)數(shù)字樣機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 華中科技大學(xué)， 2008.

[3]王希靖， 李向國(guó)， 崔錦鋒. 絲網(wǎng)鏤印技術(shù)制備鎳扣陰極板絕緣層的固化工藝[J]. 有色金屬， 2011（2）： 135-138.

[4]王國(guó)義. 鎳扣極板印刷前處理自動(dòng)線[D]. 蘭州理工大學(xué)， 2009.

[5]李陽(yáng)， 溫月芳， 楊永崗. 環(huán)氧樹(shù)脂上漿劑對(duì)PAN基碳纖維性能的影響[J]. 合成纖維工業(yè)， 2009（2）： 4-6.

[6]楊洋， 李惠軍. 碳纖織物的設(shè)計(jì)及織造實(shí)踐[J]. 上海紡織科技， 2009（7）： 45-46.

[7]王素霞. 影響糊盒牢度的因素及質(zhì)量控制與檢測(cè)[J]. 今日印刷， 2005（7）： 74-76.

[8]單婧， 方細(xì)玲， 趙文平. 煙用包裝膠的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 中國(guó)膠粘劑， 2011（6）： 57-60.

[9]楊永國(guó)， 權(quán)建林. 上膠機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的研制[J]. 西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 1993， 13（1）： 43-48.

[10]張仁英. 高張力絲網(wǎng)版與印刷圖象質(zhì)量[J]. 絲網(wǎng)印刷. 1996（1）.