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1.  引言

包裝機(jī)械目前廣泛應(yīng)用于食品、日用品等行業(yè)，用于包裝固體、液體以及顆粒等^[1]。目前有很多關(guān)于包裝機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究：文獻(xiàn)^[2]等對(duì)包裝機(jī)軸承進(jìn)行了ANSYS分析，設(shè)計(jì)空心軸承避免彎曲且提高了包裝效率，利用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)合理可靠；文獻(xiàn)^[3]建立了包裝機(jī)有限元模型，模擬包裝動(dòng)作得到最優(yōu)折疊位置和旋轉(zhuǎn)點(diǎn)；文獻(xiàn)^[4]測(cè)試了配料包裝機(jī)的動(dòng)態(tài)性能并且進(jìn)行ANSYS分析，獲得了配料包裝機(jī)模態(tài)參數(shù)；文獻(xiàn)^[5]利用ANSYS對(duì)包裝機(jī)的縱封輥和橫切刀片分別進(jìn)行了熱分析和力分析，給出了袋成型包裝機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)；文獻(xiàn)^[6]通過(guò)控制凸輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角和壓力角，實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)機(jī)械手的精確停歇。雖然針對(duì)包裝機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較多，但針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的研究十分缺少，其設(shè)計(jì)工作基本依靠經(jīng)驗(yàn)完成，缺乏深入的研究，強(qiáng)度計(jì)算保守，因此對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化十分必要。

Creo是某公司在Pro/Engineer系列產(chǎn)品的升級(jí)版新三維設(shè)計(jì)軟件，集成了CAD/CAM/CAE技術(shù)并具有強(qiáng)大的三維造型、分析以及優(yōu)化功能，能夠在給定載荷和約束的情況下，通過(guò)迭代計(jì)算得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)^[7]。因此，針對(duì)使用L型封口器的自動(dòng)包裝機(jī)封口機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)臂，采用Creo的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，使整機(jī)輕量化，為液體自動(dòng)包裝機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供借鑒與參考。

2. 轉(zhuǎn)動(dòng)臂靜態(tài)分析

包裝機(jī)封口機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1所示。工作時(shí)，凸輪3在主軸5的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)連桿4帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂2往復(fù)擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)L型熱封板1的往復(fù)開(kāi)合，完成封口動(dòng)作。由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)臂2是封口機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，其極限工況時(shí)的受力情況應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注。為100MPa，因此轉(zhuǎn)動(dòng)臂的許用應(yīng)力［σ］為10MPa，許用撓度為0.04mm。因此當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)臂所受最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，最大變形遠(yuǎn)低于許用撓度，模型尺寸存在改進(jìn)空間。

3. 轉(zhuǎn)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)尺寸靈敏度分析

靈敏度分析是研究當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂模型的某一尺寸或參數(shù)在指定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)模型所受應(yīng)力、變形的影響，包括局部靈敏度分析和全局靈敏度分析^[10]。將轉(zhuǎn)動(dòng)臂厚度d、端部寬度d、前部寬度d設(shè)為變量進(jìn)行局部靈敏度分析，如圖3所示。系統(tǒng)根據(jù)模型尺寸初始值大小給出局部靈敏度分析的參數(shù)變化范圍，如表1所示。

1. 1. 參數(shù)設(shè)置

圖1封口機(jī)構(gòu)

Fig.1SealingMechanism

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)特征，簡(jiǎn)化不影響優(yōu)化結(jié)果的倒角和倒圓，利用CreoParametric創(chuàng)建轉(zhuǎn)動(dòng)臂三維模型。

1. 1. 1. 材料定義

轉(zhuǎn)動(dòng)臂材料為灰鑄鐵HT100-3，在Creo/Mechanica材料庫(kù)中選擇與其性能相當(dāng)?shù)呐铺?hào)為FENODR的材料，定義轉(zhuǎn)動(dòng)臂模型材料屬性。

1. 1. 2. 約束定義

轉(zhuǎn)動(dòng)臂y方向上5個(gè)螺紋孔用于連接和固定，不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定為全部約束。轉(zhuǎn)動(dòng)臂z方向的螺紋孔用于安裝旋轉(zhuǎn)軸，以實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)，故設(shè)定為繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由^[8]。

1. 1. 3. 載荷定義

轉(zhuǎn)動(dòng)臂工作時(shí)的受力分析，如圖2所示。所受的載荷主要有以下幾種：（1）前部載荷：轉(zhuǎn)動(dòng)臂前部側(cè)面與L型熱封板連接，承受載荷主要來(lái)自熱封時(shí)的反作用力，經(jīng)計(jì)算約157.73N，故轉(zhuǎn)動(dòng)臂所受側(cè)面載荷F₁為158N。（2）尾部載荷：轉(zhuǎn)動(dòng)臂尾部側(cè)面與端部連接塊連接，用以傳遞凸輪的作用力。由于分析的是上轉(zhuǎn)動(dòng)臂，故該載荷在y-z平面，y方向?yàn)?/span>462.87N，z方向?yàn)?/span>260.52N，近似取F₂為463N、F₃為261N。

（3）自身重力：轉(zhuǎn)動(dòng)臂重力載荷G。

Fig.3ParametersSetting

表1局部靈敏度分析參數(shù)

Tab.1LocalSensitivityAnalysisParameter

分析參數(shù)/mm 初始值 最小值 最大值

d₁ 40.0 39.6 40.4

d₂ 30.0 29.7 30.3

d₃ 20.0 19.8 20.2

3.1局部靈敏度分析

使用分析菜單下“敏感度分析研究”工具，“研究類(lèi)型”選擇“局部靈敏度”，分析基礎(chǔ)選擇前述的靜態(tài)分析，即“Analysis1

（Static）”，添加設(shè)計(jì)變量，開(kāi)始運(yùn)行。

得到三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的局部靈敏度分析曲線(xiàn)，如圖4所示。從圖4（a）、圖4（b）可看出，應(yīng)力、變形的變化曲線(xiàn)斜率均＞0，而圖4（c）中應(yīng)力、變形均不隨參數(shù)變化而變化，說(shuō)明應(yīng)力和變形對(duì)于厚度d₁、端部寬度d₂的變化較為敏感，而對(duì)前部寬度d₃的變化敏感度為0。因此選取轉(zhuǎn)動(dòng)臂厚度、端部寬度作為設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行全局靈敏度分析。

2.2分析計(jì)算

在CreoSimulation模塊下建立靜態(tài)分析“Analysis1（Static）”，將之前所定義的約束與載荷自動(dòng)匹配到對(duì)話(huà)框中的載荷與約束集欄內(nèi)，收斂方式為“單通道自適應(yīng)性”，設(shè)定繪制柵格為4，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，同時(shí)在“顯示研究狀態(tài)”中查看當(dāng)前分析研究日志，查看有限元分析結(jié)果可知臂運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)最大應(yīng)力為1.25MPa，最大變形是4.335×10^-5mm。=根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)臂材料查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9439-2010^[9]可知，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)至少為10，伸長(zhǎng)率至少為0.2%，強(qiáng)度極限=4.1建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

由靜態(tài)分析可知，轉(zhuǎn)動(dòng)臂中間部分以及前端部分對(duì)所受應(yīng)力的影響最小，因此在這兩個(gè)部分開(kāi)設(shè)凹槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。俯視圖方向分別做長(zhǎng)l1=50mm、寬d4=15mm和長(zhǎng)l2=170mm、寬d5=15mm的凹槽，如圖6（a）所示。正視圖方向分別做長(zhǎng)l3=50mm、寬d6=10mm和長(zhǎng)l4=170mm、寬d7=15mm的凹槽，如圖6（b）所示。修改后的模型，如圖6（c）所示。

圖4局部靈敏度分析曲線(xiàn)

Fig.4LocalSensitivityAnalysisCurve

1. 2. 全局靈敏度分析

根據(jù)端部連接塊和L型封口器尺寸可知轉(zhuǎn)動(dòng)臂厚度d1應(yīng)在

（35～45）mm之間；根據(jù)封口機(jī)構(gòu)的安裝尺寸可知端部寬度d2應(yīng)限制在（25～35）mm之間，因此設(shè)計(jì)參數(shù)d1和d2的全部變化范圍，如表2所示。使用分析菜單下“敏感度分析研究”工具“，研究類(lèi)型”選擇“全局靈敏度”，分析基礎(chǔ)仍然是“Analysis1（Static）”，選定d₁、d₂為變量，確定運(yùn)行.得出全局靈敏度分析曲線(xiàn)，如圖5所示。結(jié)果表明，隨著d₁、d₂增加，轉(zhuǎn)動(dòng)臂應(yīng)力和變形均呈下降趨勢(shì)，變量在全部取值范圍內(nèi)對(duì)模型存在影響，因此以這兩個(gè)參數(shù)為約

束條件之一進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由轉(zhuǎn)動(dòng)臂連接件的尺寸確定d₁、d₂的變化范圍，進(jìn)而確定參

數(shù)d₄、d₅、d₆、d₇的變化范圍，而凹槽長(zhǎng)度l₁、l₂受轉(zhuǎn)動(dòng)臂中間部分固有尺寸的限制，凹槽長(zhǎng)度l、l受到轉(zhuǎn)動(dòng)臂前端部分螺栓位置的限