基于SolidWorks的一種新型平壓平模切機的結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要本說明書對平壓平模切機的機械結(jié)構(gòu)和運動數(shù)據(jù)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真模擬。各種對平壓平模切機的研究和設(shè)計逐漸成為了熱門的研究課題，而實現(xiàn)平壓平模切機的升降和壓緊這兩個主要工作情況的機構(gòu)是整個裝置的重要部分也是關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，因此研究一種平穩(wěn)和高效運行的平壓平模切機是一項重要工作，。本次設(shè)計將對平壓平模切機實現(xiàn)功能進(jìn)行理論研究和對已有的技術(shù)參考，通過分析平壓平模機的運動特性和結(jié)合機械原理知識，我設(shè)計了由曲柄滑塊機構(gòu)和雙導(dǎo)軌機構(gòu)以及以曲軸為結(jié)構(gòu)的主軸組成的一種新型平壓平模切機。其裝置的基本運行過程為主軸通過推動水平滑塊從而使垂直滑塊和平臺實現(xiàn)保證水平的運動。該平壓平模切機由四個基本元素組成，動力裝置，傳動裝置，雙導(dǎo)桿機構(gòu)，曲柄滑塊機構(gòu)。本次設(shè)計采用SolidWorks進(jìn)行三維建模和運動仿真，以及通過SW的應(yīng)力仿真插件Simulation有限元分析工具來重點分析主軸的受力情況，尋找在一定扭矩下主軸所能承受的合適應(yīng)力，并在該應(yīng)力下進(jìn)行主軸的疲勞分析，檢測設(shè)計的機構(gòu)是否能夠滿足要求。經(jīng)過理論設(shè)計和CAD/CAE軟件的分析，最終設(shè)計出來的平壓平模切機結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)模切的功能，其各部件參數(shù)也滿足模切的工作要求，該模切機可以為新型模切機的研發(fā)提供參考，帶動相關(guān)行業(yè)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和更新。關(guān)鍵詞：平壓平模切機升降壓緊雙導(dǎo)軌機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)應(yīng)力仿真目錄第一章緒論 11.1課題研究意義 11.2國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 21.3研究內(nèi)容 2第二章模切機方案的設(shè)計 32.1模切機的工作原理 32.2模切機的方案確定 42.2.1計算原理圖的自由度 52.2.2對曲柄滑塊機構(gòu)的相關(guān)要求 52.3壓緊力計算 52.5本章總結(jié) 6第三章模切機結(jié)構(gòu)設(shè)計 73.1SolidWorks軟件介紹 73.2模切機實體建模 73.2.1零件和部件建模 83.2.2模切機裝置總圖 103.3運動仿真分析 113.4運動仿真結(jié)果 133.5本章總結(jié) 15第四章主軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析 164.1達(dá)索SolidWorksSimulation軟件介紹 164.2主軸的應(yīng)力分析準(zhǔn)備 164.3主軸的有限元分析 174.3.1分析步驟 174.3.2網(wǎng)格劃分 194.3.4疲勞分析 214.4模切機的爆炸圖 244.5本章總結(jié) 25第五章總結(jié) 26參考文獻(xiàn) 27第一章緒論1.1課題研究意義近年來包裝印刷業(yè)得到快速發(fā)展，對于印刷品的質(zhì)量要求也愈來愈高，模切機作為一種重要的印制產(chǎn)品和表面整飾壓印設(shè)備得受到了包裝印刷廠家的重視。在模切機產(chǎn)業(yè)中，平壓平模切機是使用率最高的一種模切機，平壓平模切機在各種場合都可以用于模切的場合，因此，對平壓平模切機的研究具有重要意義，這能夠推動壓模產(chǎn)業(yè)的升級和促進(jìn)印刷品的市場提升[1]。在過去的幾年里，模切機的制造和設(shè)計過程中存在著許多問題和不足。鑒于此，本課題充分利用了如下設(shè)計方法，即：這種采用可靠性設(shè)計的現(xiàn)代設(shè)計方法，有助于研究一種新型模切機構(gòu)來取代傳統(tǒng)的雙肘機構(gòu)，對新型機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到增加模切機機械性能參數(shù)的技術(shù)要求。1.2國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r據(jù)國家統(tǒng)計:表1.12002-2005國內(nèi)模切機進(jìn)出口數(shù)據(jù)年份進(jìn)口成型設(shè)備（臺）出口成型設(shè)備（臺）額度（萬元）20024617652529.12003455106626028200421325651715.1200510546951205.6上表反映了我國模切機進(jìn)口減少，出口增加。1.3研究內(nèi)容從模切機發(fā)展的情況來看，傳統(tǒng)模切機在結(jié)構(gòu)和功能上都單一笨重。本課題提出一種符合當(dāng)前模切工作的新型動平臺驅(qū)動機構(gòu)，該機構(gòu)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的曲柄雙肘桿機構(gòu)，本課題也是在前人對于模切機動平臺傳動系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上所做的探索。本課題主要針對動平臺傳動系統(tǒng)的研究方向包括：（1）從模切工藝出發(fā)，分析了模切機的設(shè)計結(jié)構(gòu)，提出一種新型的平壓平模切機動平臺傳動系統(tǒng)，本文設(shè)計的機構(gòu)是基于曲柄搖桿機構(gòu)和雙導(dǎo)軌機構(gòu)的模切機，在給定限制尺寸，以及結(jié)合模切機在高速重載的工作情況，通過結(jié)構(gòu)特征，確定主軸半徑的初值以及主軸到連桿軸的距離[15]。（2）基于Solidworks三維建模軟件設(shè)計出主軸、導(dǎo)軌、連桿等的三維模型，并根據(jù)設(shè)計的動平臺傳動系統(tǒng)來確定各部件的幾何尺寸，對各零部件進(jìn)行組裝配合，得到模切機的裝配體。之后利用Simulation有限元分析軟件，對曲柄搖桿機構(gòu)中的推桿和連桿、雙導(dǎo)軌機構(gòu)的垂直導(dǎo)軌和水平導(dǎo)軌以及動平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。（3）最后結(jié)合前面所做的工作，對設(shè)計的新型曲柄搖桿機構(gòu)驅(qū)動動平臺的模切機進(jìn)行主軸振動測試，然后對設(shè)計的新型機構(gòu)進(jìn)行SolidworksMotion仿真與SolidWorksSimulation仿真，通過與傳統(tǒng)的曲柄雙肘桿機構(gòu)的仿真分析結(jié)果進(jìn)行一系列對比，可以對曲柄搖桿機構(gòu)驅(qū)動的動平臺和主軸振動做一個預(yù)測。第二章模切機方案的設(shè)計2.1模切機的工作原理模切機的基本原理為：通過電機帶動飛輪轉(zhuǎn)動，飛輪將動力傳動給主軸，主軸先對一個曲柄滑塊機構(gòu)進(jìn)行傳動，在通過一個雙導(dǎo)桿機構(gòu)使動平臺能夠在垂直方向上下移動。該裝置中的雙導(dǎo)軌機構(gòu)具有水平方向自由度和垂直方向自由度的兩個導(dǎo)軌及其配合的滑塊組成，水平滑塊在水平導(dǎo)軌中左右移動，水平滑塊通過一個連桿將自身的位移量傳遞給具有垂直方向自由度的垂直滑塊，垂直滑塊獲得具有一定速度和一定位移量的垂直方向運動，帶動與之連接的水平動平臺，水平動平臺由此實現(xiàn)垂直方向的移動，平壓平模切機的工作將由此進(jìn)行[2]。本次設(shè)計的模切機的作用就是主軸通過推動水平滑塊從而使垂直滑塊和平臺實現(xiàn)保證水平的運動。模切機有五個基礎(chǔ)部件組成：原動機裝置，運動傳動裝置，雙導(dǎo)桿機構(gòu)，曲柄搖桿機構(gòu)，動靜平臺部位。2.2模切機的方案確定根據(jù)收集相關(guān)資料信息，對模切機進(jìn)行了深入的了解和分析。模切機主軸曲柄搖桿機構(gòu)和雙導(dǎo)桿機構(gòu)是模切機的關(guān)鍵運動部件,將動力由電機驅(qū)動齒輪傳動傳遞給主軸[16],然后通過曲柄滑塊機構(gòu),其中主軸連接驅(qū)動雙導(dǎo)桿機構(gòu)，使動平臺能上下運動和靜平臺配合，完成模切工作。其原理圖如下所示。圖2.1模切機的機械原理圖本課題設(shè)計的平壓平模切機不同以往的平壓平模切機，整體結(jié)合轉(zhuǎn)動傳動轉(zhuǎn)化為平動傳動。主軸部分采用類似汽車曲軸類型，能夠?qū)㈦妱訖C傳來的轉(zhuǎn)動力矩轉(zhuǎn)變?yōu)閷ν廨敵龅呐ぞ?，這種扭矩能夠根據(jù)需求只需要改變主軸參數(shù)便可與實際運行工況適配[10]?，F(xiàn)有的主切傳動機構(gòu)為液壓傳動和雙肘桿機構(gòu)結(jié)合、齒輪傳動與共軛凸輪機構(gòu)結(jié)合等方式。而本設(shè)計的平壓平模切機采用的齒輪傳動和曲軸機構(gòu)作為主切機構(gòu)可以輸出較大扭矩和平穩(wěn)運行[17]。2.2.1計算原理圖的自由度自由度在機械設(shè)計過程有著重要意義，通過所設(shè)計的模切機原理圖，可以得到，該機構(gòu)有五個固定端作為固定約束，由于動平臺作為上下移動的構(gòu)件，因此可以得到各個構(gòu)件組成的機構(gòu)所得的自由度為1，即構(gòu)件動平臺只能保持水平地進(jìn)行上下運動（壓緊和松降），表現(xiàn)為這種運動形式時該自由度為1，由此公式和原理圖可得可知，該機構(gòu)為對稱分布，自由度分析可以對其中一邊進(jìn)行計算。裝置原理圖中的左側(cè)活動構(gòu)件為5，低副構(gòu)件數(shù)為7，高副構(gòu)件數(shù)為0。故根據(jù)公式：F=3n?2PL?PH其中n=5，PL=7，PH=0，解得F=1，故可以得知，本次設(shè)計的原理圖能滿足設(shè)計要求和需求，因此開始準(zhǔn)備對該原理圖的推進(jìn)和設(shè)計。2.2.2對曲柄滑塊機構(gòu)的相關(guān)要求由于該平壓平模切機工作情況進(jìn)行分析，曲柄滑塊機構(gòu)機構(gòu)的作用為將曲軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樗交瑝K的平動，其裝配精度應(yīng)該達(dá)到±0.15mm，曲軸的線速度要求能夠使動平臺工作時達(dá)到9000張/小時[18]。為了實現(xiàn)動平臺上下位移量即升程為19mm，曲軸中連桿軸頸到曲軸軸頸的距離設(shè)為80mm。2.3壓緊力計算因為采用的動平臺的升程為19mm，故查的資料可得出以45號鋼作為材料的動平臺與靜平臺之間的壓緊力公式[10]：Q=公式式中K安全系數(shù)，F(xiàn)為慣性力，r和R分別是主軸半徑和連桿軸頸到曲軸軸頸的距離，f是夾具與工件的表面摩擦系數(shù)。因為動平臺與靜平臺是面接觸，因此軸的安全系數(shù)通過綜合考慮K可以取2.5，K=(1-3.5)[21]，因此可得到以下參數(shù)表2.1壓緊力計算參數(shù)KfF(N)R(mm)r(mm)2.50.52096.447080帶入公式解得動平臺的壓緊力為Q=4962.14N。靜平臺動平臺靜平臺動平臺圖2.2動平臺與靜平臺壓緊示意圖2.5本章總結(jié)本次設(shè)計的平壓平模切機裝置方案采用的曲軸作為動力裝置，曲柄滑塊機構(gòu)和雙導(dǎo)軌機構(gòu)作為傳力機構(gòu)，壓緊構(gòu)件為45號鋼材料動平臺。本章采用了是對升程為20mm的動平臺與靜平臺的壓緊計算。計算慣性力和壓緊力的合適相關(guān)公式是通過查找文獻(xiàn)和資料去獲得的。進(jìn)行運動仿真分析和應(yīng)力分析是為了驗證計算的正確性以及夾緊裝置的可行性，保證各部件的可靠性。該設(shè)計出來的夾緊裝置方案，可以解釋基本機構(gòu)和其工作原理，它的優(yōu)點在于原動機裝置為全支撐曲軸，其優(yōu)點為可以提供較大扭矩和減輕主軸承的載荷，傳動機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)和雙導(dǎo)軌機構(gòu)可以形成增壓模切機構(gòu)，機構(gòu)中的運動副主要為面接觸，為低副，低副的設(shè)置可以使得壓強小以及耐載荷沖擊小，利用飛輪的機構(gòu)傳動，能較好降低系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣性力，因此該裝置的承載能力是比其他模切機的更好的。第三章模切機結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1SolidWorks軟件介紹設(shè)計樹下拉菜單欄工具欄按鈕區(qū)視圖工具達(dá)索公司旗下的SolidWorks是一個具有許多插件的強大軟件。達(dá)索SW憑借其強大的3D繪圖功能，簡單的操作和技術(shù)創(chuàng)新[16]，成為當(dāng)今社會最好的3DCAD解決方案之一。擁有眾多的功能可以協(xié)助用戶在設(shè)計和繪制時對比不同的設(shè)計方案，因此可以減少用戶在設(shè)計中出現(xiàn)問題和錯誤，這非常有利于提高用戶設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量和效率。繪圖容易簡便與仿真分析易操作是它的強大功能所在，因此非常適合本次設(shè)計需要采用的機械設(shè)計軟件。在建模過程中它能夠使設(shè)計的產(chǎn)品便捷改動和額外編輯，使得在設(shè)計各種零部件，到裝配設(shè)計時都十分容易完成，達(dá)索SW更是可以直接通過繪制的實體建模進(jìn)行工程圖繪制，極大的節(jié)省了用戶的設(shè)計時間。本次設(shè)計的實體建模和運動仿真分析部分均設(shè)計樹下拉菜單欄工具欄按鈕區(qū)視圖工具圖3.1達(dá)索SW2020工作界面3.2模切機實體建模繪制本次設(shè)計的新型平壓平模切機三維模型，利用達(dá)索SW的零件繪制功能。點擊新建文件并選擇“零件”，等待一會后將進(jìn)入零件設(shè)計界面，選擇基于作圖的草圖基準(zhǔn)面，如：前視基準(zhǔn)面、右視基準(zhǔn)面、上視基準(zhǔn)面。進(jìn)入該草圖基準(zhǔn)面后，根據(jù)設(shè)計要求和實現(xiàn)的功能進(jìn)行對應(yīng)的草圖繪制，最后通過一系列的特征拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)等命令繪制得到一個部件的模型圖。達(dá)索SW建模與UG、Pro/E等機械設(shè)計軟件十分類似，但是在界面和功能上比其他軟件更加友好。3.2.1零件和部件建模圖3.2是由達(dá)索SW建模而成的主軸。由下圖可以看出，模切機主軸部分主要有連桿軸頸、曲軸軸頸和曲柄三部分組成，連桿軸頸以及曲軸軸頸為關(guān)鍵部件，其相互間距離對輸出扭矩影響最大。當(dāng)飛輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)時，連桿軸頸以及曲軸軸頸構(gòu)成增扭矩機構(gòu)，能幫助和提供動平臺升降時的壓緊力。主軸制造加工時，所用材料為球墨鑄鐵，該種材料主要用于汽車主軸類，是一種應(yīng)用廣泛的高強度鑄鐵，能夠應(yīng)對復(fù)雜的受力環(huán)境，是材料強度、材料韌性、材料耐磨性能都較高的制造加工金屬[22]。曲軸軸頸曲柄曲軸軸頸曲柄連桿軸頸圖3.2主軸零件圖圖3.3是由軸承、軸瓦、連桿主體和連桿套頭組成的連桿構(gòu)件，作為曲柄滑塊機構(gòu)中連接曲軸連桿軸頸和水平滑塊的傳動裝置，能夠?qū)⒅鬏S轉(zhuǎn)動量轉(zhuǎn)化為滑塊的線性位移量。本次設(shè)計采用汽車發(fā)動機氣缸連桿類似的結(jié)構(gòu)，故上下皆有一個連桿套頭進(jìn)行裝配。兩邊分別以軸承連接和軸瓦連接，軸瓦的連接部分是與曲軸的連桿軸頸相互連接，該連接通過加注潤滑油來使連桿與曲軸不直接接觸，減少了兩個部位的摩擦力。該種設(shè)計能夠使連桿部分分散主軸傳動過來的載荷分布，當(dāng)外部載荷所需的慣性力大于連桿與主軸接觸間的極限摩擦力時，連桿與主軸表明不會產(chǎn)生顯著的相對滑動，但預(yù)留了微小的滑動位移量，能夠在過載時避免機器過載而損壞機器。軸承連接軸瓦連接軸承連接軸瓦連接圖3.3連桿裝置圖3.4為雙導(dǎo)軌機構(gòu)裝置，雙導(dǎo)軌機構(gòu)中分別有水平導(dǎo)軌以及垂直導(dǎo)軌，水平滑塊連同垂直滑塊是由一個普通連桿在其中進(jìn)行連接，在導(dǎo)軌處需要加注潤滑油使之平動時摩擦力變小，機構(gòu)中的垂直導(dǎo)軌通過螺絲與動平臺連接固定，使動平臺達(dá)到升降的效果。該雙導(dǎo)軌機構(gòu)裝置能夠使動平臺在升降過程中保持水平，使在模切工作時平壓的受力均勻。水平導(dǎo)軌垂直導(dǎo)軌水平導(dǎo)軌垂直導(dǎo)軌圖3.4雙導(dǎo)軌機構(gòu)底座和主軸通過主軸軸承與軸承座進(jìn)行連接，兩側(cè)軸承座在裝配時有兩邊開始，最終將主軸定位與機器中間位置。主軸軸端部分設(shè)計了軸肩和鍵槽，軸肩為定位主軸和軸承座的距離，能夠減少軸承座的接觸應(yīng)力，軸端部分設(shè)計了鍵槽，通過與飛輪的裝配使之能夠與電動機連接，飛輪將扭矩和轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)遞給動平臺。由于機器在運轉(zhuǎn)時，存在持續(xù)轉(zhuǎn)動的速度波動問題，這種速度波動在一般情況下具有隨機性、不規(guī)則性，并且沒有一定的周期，因此被稱為非周期速度波動。在機器運行時，這種速度波動是可以利用飛輪來進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)主軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，我們決定平衡輸入功和輸出功。軸承配合飛輪配合軸承配合飛輪配合圖3.5軸承座支撐構(gòu)件動平臺和靜平臺二為模切構(gòu)件的關(guān)鍵零件，幫助動力裝置雙導(dǎo)軌機構(gòu)傳力到動平臺中。而連接板二一段固定在機架，另一端連接液壓缸和連接板二，從而當(dāng)連桿機構(gòu)獲得力時，連接板一和連接板二構(gòu)成增力機構(gòu)，減少系統(tǒng)壓力。靜平臺動平臺靜平臺動平臺圖3.6動平臺與靜平臺3.2.2模切機裝置總圖這是本次設(shè)計的平壓平模切機裝置的裝配圖。有電機作為原動機裝置，曲柄滑塊機構(gòu)在該裝置中主要作用是傳動功能，兩個連桿裝置是作為傳力構(gòu)件，主軸（曲軸）作為動力裝置。由圖中可以看出主軸獲得電機施加的扭矩，通過軸徑推動連桿，形成推力機構(gòu)，提高力矩。平臺傳動部位平臺傳動部位圖3.7平壓平模切機裝配體示意圖靜平臺靜平臺動平臺軸承座飛輪電機導(dǎo)軌圖3.8平壓平模切機裝配體軸測示意圖3.3運動仿真分析本次采用的分析軟件是達(dá)索SolidWorks的Motion。達(dá)索SolidWorksMotion是一種基于物理場的運動設(shè)計分析插件。首先打開由達(dá)索SolidWorks建立模切機裝置的裝配體模型。打開裝配體，然后選擇插件，點擊Motion選項打開Motion插件，下拉ChangetotheMotionStudy切換運動算例模式為Motion模式，其工作界面如圖3.9所示。設(shè)計完成后，進(jìn)行設(shè)定馬達(dá)的作用表面，這是為整個裝配體設(shè)置動力來源的一步。圖3.9Motion工作界面如圖3.10所示，選擇主軸圓柱面，該面作用在馬達(dá)，并選擇馬達(dá)運動的速度，設(shè)定好速度的大小，然后根據(jù)實際運功情況設(shè)置馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的方向，由此改變速度的大小和方向。之后點擊馬達(dá)按鈕隔壁的接觸按鈕，設(shè)定零部件之間的接觸條件。圖3.10馬達(dá)的作用面機構(gòu)中所有部件具有重量，在運動過程中受重力影響會使動平臺運動時的受力情況和加速度情況產(chǎn)生變化。為了使模擬仿真運動更加真實，詳細(xì)觀測到各部件的運動情況和受力情況，本次模擬運動仿真將在改裝配件下設(shè)置了Y方向的重力（即引力）。如圖3.11所示。圖3.11重力設(shè)置3.4運動仿真結(jié)果通過達(dá)索SolidWorks軟件的Motion運動仿真分析獲得以下的仿真結(jié)果。結(jié)果分別為動平臺的加速度，速度和Y方向線位移的結(jié)果圖解。如圖3.12所示，能夠得出本次設(shè)計平壓平模切機的動平臺速度在以兩個不同頻率的正弦波擬合而成，速度變化平穩(wěn)，且呈現(xiàn)周期性變化，最大值為±11mm/s。圖3.12速度變化圖由圖3.13中，可以得到動平臺在升降過程中升程為19mm，線位移變化符合正弦函數(shù)變化，在升降交換過程中速度最快。圖3.13線位移變化圖由圖3.14中可知，在動平臺加速度最大值的時候，同時也是動平臺受到反作用力最大值的時候，此時的數(shù)據(jù)可以得到有限元分析的最大載荷值。圖3.14加速度變化圖圖3.15線位移、速度和加速度通過分析運動仿真的結(jié)果圖解，選取各物理量的最大值作為本次仿真的極限狀態(tài)，將這些極限狀態(tài)物理量與動靜平臺壓緊裝置進(jìn)行結(jié)合，得到的數(shù)值可以作為后續(xù)應(yīng)力仿真的負(fù)荷條件，進(jìn)而確保該設(shè)計能否符合實際的工作需求和安全要求。3.5本章總結(jié)利用達(dá)索SolidWorks進(jìn)行三維建模和運動仿真分析來獲得模切機壓緊裝置運動仿真的可行性和可用性是本次設(shè)計的主要步驟。運動仿真的結(jié)果表明了本次設(shè)計的平壓平模切機符合理論設(shè)計，并且建模時各個零件均可行。利用達(dá)索SolidWorks的分析來獲取動靜平臺壓緊裝置中出現(xiàn)的受力情況和物理參數(shù)，如加速度、速度、線位移和反作用力等物理量，來獲取裝置的極限狀態(tài)。通過這次運動仿真分析，能較為準(zhǔn)確地確保本課題設(shè)計的平壓平模切機的設(shè)計需求和安全要求。在此過程中，對達(dá)索SolidWorks的使用和運用，能夠幫助我學(xué)習(xí)和了解設(shè)計機械產(chǎn)品的過程和步驟，加深了對本次設(shè)計的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)。第四章主軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析4.1達(dá)索SolidWorksSimulation軟件介紹圖4.1裝配體在達(dá)索SolidWorksSimulation界面中4.2主軸的應(yīng)力分析準(zhǔn)備在進(jìn)行一個應(yīng)力仿真分析前，需要選擇好各種零件的材料以及確定好各個零件的數(shù)量，然后添加模型，確定邊界條件和載荷。如圖4.2所示可以清晰知道各個零件的部署和位置關(guān)系，各個零部件所處位置也能較為清晰的反映出來。表4.1裝置零部件的材料屬性序號零件名稱材料名稱抗拉強度MPa彈性模量GPa泊松比備注1主軸鑄造合金鋼3901950.27無2底座45#5902100.45無3動平臺45#5902100.45無4靜平臺45#5902100.45無5連桿45#5902100.45無6水平導(dǎo)軌45#5902100.45無7垂直導(dǎo)軌45#5902100.45無8水平滑塊45#5902100.45無9垂直滑塊45#5902100.45無10M6螺栓45#5902100.45無11M12螺栓45#5902100.45無根據(jù)前面的運動仿真分析可以得到模切機的主軸在運行時兩端軸端的極限狀態(tài)力的大小為F=2096.44/2=1048.22N。根據(jù)這個力作為主軸的載荷條件來進(jìn)行應(yīng)力分析。4.3主軸的有限元分析4.3.1分析步驟雙擊電腦桌面上的達(dá)索SolidWorks，選擇Simulation插件，在操作命令區(qū)選找到新建算例，然后選擇靜應(yīng)力分析?？梢钥吹饺鐖D4.2所示界工作界面。由于需要詳細(xì)觀察到軸的應(yīng)力分布，因此不需要使用2D簡化。圖4.2達(dá)索SolidWorksSimulation的工作界面本次設(shè)計采用的材料是球墨鑄鐵屬于鑄造合金鋼[23]，因此在設(shè)置主軸材料屬性時，打開材料屬性窗口，在合金材質(zhì)欄下找到鑄造合金鋼，點擊應(yīng)用選項，主軸材料設(shè)置好，這將可以為下一步運算提供初始的材料屬性參數(shù)。圖4.3達(dá)索SolidWorks材料庫界面如圖4.4所示的界面。為了將主軸的兩端軸端進(jìn)行應(yīng)力分析，需要將主軸進(jìn)行夾取固定，在Simulation設(shè)計樹下選擇夾具，右擊鼠標(biāo)添加夾具，選擇主軸中間的圓柱面進(jìn)行夾取固定。固定該軸面可以觀察出軸端兩端在施加扭矩時應(yīng)力的分布。圖4.4對主軸進(jìn)行固定幾何體設(shè)置如圖所示，對主軸兩端的軸端施加大小為1048.22N的扭矩，方向為逆時針。圖4.5對主軸進(jìn)行固定幾何體設(shè)置4.3.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分作為仿真前處理的最后一項任務(wù)，這一步能夠?qū)⑷S的幾何模型轉(zhuǎn)化成有限元模型，即將一個完整的模型進(jìn)行離散化。這種利用有限元模型從整體性分析到局部性分析[24]，能夠在運算中更加精準(zhǔn)地分析所研究的零件。網(wǎng)格的粗細(xì)對于仿真的精度影響特別大，為了保證精度和快速得到仿真數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖4.6所示，設(shè)置了較為良好的網(wǎng)格，網(wǎng)格分布較為均勻，可以在精度為±0.1%的基礎(chǔ)上得到所需要的仿真數(shù)據(jù)。圖4.6對主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分設(shè)置圖4.7主軸網(wǎng)格劃分結(jié)果網(wǎng)格劃分完成之后，寫一步就是進(jìn)行對模型的數(shù)值求解。數(shù)值求解部分在結(jié)構(gòu)樹中運行此算例分支進(jìn)行。在點擊運算此算例后，得到了此次仿真分析的三個結(jié)構(gòu)，分別為：表4.1達(dá)索SW仿真結(jié)果類型應(yīng)力圖示（VonMises）位移圖示（合位移）應(yīng)變圖示（等量）在應(yīng)力結(jié)果中，由圖4.8所示，可以得到在主軸兩邊軸端扭矩為1048.22N時主軸的應(yīng)力分布情況，計算得到主軸所受屈服力為：2.413*108N。而主軸在該應(yīng)力下變形比例為177995。圖4.10主軸應(yīng)力分布圖4.11主軸應(yīng)變載荷分布4.3.4疲勞分析靜應(yīng)力分析結(jié)果可作為疲勞分析的基礎(chǔ)。疲勞分析中，我們假定物體在運行時經(jīng)常處于不斷加載和卸載工作載荷的過程，這種工況會導(dǎo)致機器即使承受在允許范圍內(nèi)的應(yīng)力，它也會被損壞。疲勞強度是在一定周期內(nèi)發(fā)生疲勞失效時的應(yīng)力。這種疲勞分析是基于應(yīng)力-壽命(S-N)疲勞分析[25]。對給定的疲勞曲線，選擇ASME基碳鋼曲線。如圖所示，給定應(yīng)力的交變頻率為1000。圖4.12主軸疲勞分析的N-S曲線設(shè)置圖4.13添加疲勞分析事件 由圖4-13所示，在扭矩施加下，以頻率1000的疲勞條件下，在主軸的連桿軸頸處較容易出現(xiàn)疲勞，但在該處的疲勞損壞百分比最大為316.6%，滿足設(shè)計要求。圖4.13主軸疲勞分析的損壞結(jié)果圖 經(jīng)過頻率為1000的疲勞條件下，主軸的生命周期在500200h左右，其他載荷（屈服力）的影響較小。脈動壓力引起的vonMises應(yīng)力變化大約是201Mpa。圖4.14主軸疲勞分析的生命周期分布同樣，進(jìn)行主軸部件的靜應(yīng)力和疲勞分析后，以同樣方式對其他各部件進(jìn)行對應(yīng)的應(yīng)力仿真，根據(jù)仿真計算可知：各零件最大應(yīng)力見下邊。表4-2各零件仿真應(yīng)力結(jié)果序號零件名稱材料強度MPa仿真最大應(yīng)力MPa最大應(yīng)變正確性備注1主軸390110.23%0.050符合要求2底座590123.90%0.005符合要求3動平臺5905.1222%0.003311符合要求4靜平臺5909.1399%0.004253符合要求5連桿5908.1396%0.007522符合要求6水平導(dǎo)軌5900.5325--符合要求7垂直導(dǎo)軌5902.993--符合要求8水平滑塊5901.6794--符合要求4.4模切機的爆炸圖對于在機械設(shè)計過程中，可以通過展示裝置的爆炸圖，方便地看出各個零件位置以及更清晰地了解裝配關(guān)系。圖4.15是模型的整體爆炸圖。圖4.15平壓平模切機的爆炸圖圖4.16是壓緊裝置的爆炸圖，從圖中可以看出底座，軸承套，雙導(dǎo)軌機構(gòu)，曲柄滑塊機構(gòu)等的位置關(guān)系，可以清楚了解各個部件的裝配。圖4.16平壓平模切機的部分爆炸圖4.5本章總結(jié)本章的設(shè)計內(nèi)容主要為使用達(dá)索SolidWorks的Simulation插件進(jìn)行仿真分析，獲得動平臺的極限狀態(tài)并作為振動載荷或者邊界條件，由此分析關(guān)鍵零件或者裝配體在極限狀態(tài)下，能否運行在應(yīng)力條件滿足下的可靠性[26]。由本次設(shè)計的Simulation分析可知，所有主要裝置均能滿足設(shè)計要求。通過這一次使用達(dá)索SolidWorksSimulation，能夠讓我加深對零件運動性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的了解。達(dá)索SWSimulation的主要操作流程為打開達(dá)索SolidWorks軟件，點擊Simulation按鈕，雙擊新建算例并選擇進(jìn)行靜力分析，開始運算之前首先定義和設(shè)置模型的材料屬性，包括密度、泊松比等。然后根據(jù)計算精度要求和時間來劃分網(wǎng)格，對幾何模型進(jìn)行了有限元模型的轉(zhuǎn)化，最后添加約束或者載荷等條件得到所需結(jié)果的類型、求解和獲得相關(guān)分析。第五章總結(jié)本次課題設(shè)計內(nèi)容為：對平壓平模切機的主要機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和分析。在設(shè)計之前，通過查閱模切機的資料和近年來的文獻(xiàn)可得，模切機有五個基礎(chǔ)部件組成：原動機裝置，運動傳動裝置，雙導(dǎo)桿機構(gòu)，曲柄搖桿機構(gòu)，動靜平臺部位。本次設(shè)計主要采用的曲軸作為原動機裝置，連桿機構(gòu)、雙導(dǎo)軌機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)作為實現(xiàn)動平臺運動的組合機構(gòu)。并在厚度為20mm的動平臺下主要通過壓緊仿真來計算壓緊力，根據(jù)仿真分析出來的壓緊力得到模型的極限狀態(tài)，最后通過有限元分析來驗證該機構(gòu)是否可行。通過達(dá)索SW這款機械設(shè)計軟件進(jìn)行三維模型，并得到平壓平模切機各部件的三維模型，根據(jù)各機構(gòu)組成進(jìn)行零部件裝配，對裝配完成的模型進(jìn)行達(dá)索SWMotion的運動仿真分析，模擬平壓平模切機在工作下的運動效果和受力參數(shù)情況。將仿真結(jié)果與預(yù)期設(shè)計進(jìn)行對比，可以得到，該設(shè)計的平壓平模切機各運動參數(shù)符合要求，設(shè)計能夠被用于加工和生產(chǎn)。通過達(dá)索SWSimulation主要進(jìn)行了對裝置中重要的部件“主軸”進(jìn)行了靜應(yīng)力分析和疲勞分析。通過分析仿真出來的數(shù)據(jù)和云圖，觀測到主軸在哪些部位更加容易損壞，并在這些部位進(jìn)行了優(yōu)化，使本次設(shè)計的平壓平模切機不僅能夠進(jìn)行加工生產(chǎn)，還能在工作中保持性能，提高該設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)孫萬杰,王儀明,施向東,等.平壓平模切機模切力在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國印刷與包裝研究,2014(02):36-42..謝繼光,鄒慧君.自動平壓平模切機雙肘桿機構(gòu)動態(tài)分析[J].機械設(shè)計與研究,2005,21(3):75-77.秦志成,齊元勝,李昱,趙濤春.模切機墻板變形分析及優(yōu)化.北京：北京印刷學(xué)院,2005.23(04):25-28薛超志.平壓平模切機模切壓力系統(tǒng)研究［D］.北京:北京印刷學(xué)院，2012張玲,陸敏恂,周愛國,諸峻,葛彥樺.基于ANSYS的自動模切機主機墻板的應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化.上海：同濟(jì)大學(xué)，2006王芳,鄭新.模切機傳紙機構(gòu)驅(qū)動凸輪參數(shù)化設(shè)計.西安：西安工業(yè)大學(xué),2011.29(01):34-35李學(xué)斌.一款復(fù)合模切機控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計.上海：上海旭恒精工機械制造有限公司，2020丁毅，張波，曾珊琪.模切機工作臺運動特征分析及實現(xiàn)[J].機械設(shè)計與制造，2011（7）：197-198.呂芳梅.一種新型模切機間歇機構(gòu)的設(shè)計與運動學(xué).上海:上理工大學(xué)，2020.41（13）：204-209.吳同喜,仲梁維,黃一晴,等.基于ADAMS模切機新型間歇機構(gòu)的性能分析[J].包裝工程,2012,33(7):85—91.薛超志.平壓平模切機模切壓力系統(tǒng)研究.北京:北京印刷學(xué)院.2011王繼國,王金鵬.一種全自動平壓模切機:,CN211137420U[P].2020.吳艷芬.常見模切機及其工作原理.安徽：合肥中德印刷培訓(xùn)中心，2004魯楠,蔡吉飛,張陽.模切機動平臺驅(qū)動機構(gòu)的分析研究[J].《北京印刷學(xué)院學(xué)報》,2018:6-9.小棟,梁中華,王學(xué)理,等.臥式全自動平壓平模切壓痕機及其模切方法:,CN105538409B[P].2018.郭寧寧,位士博.綜述平壓平模切機動平臺傳動系統(tǒng)[J].綠色包裝,2016:45-48.韓雪,王佳琪,魯楠.一種新型平壓平模切機的動平臺驅(qū)動機構(gòu)[J].山東工業(yè)技術(shù),2017:45-45.吳瑞利.Smart700人機