运用多体仿真提高咖啡胶囊机的容量和性能——优化机体部件运行规律实现改进

英文原文由Davide Marini EnginSoft著。

自动包装机最重要的特征是容量，因为这是机器的竞争优势所在。Opem的设计师一直在寻找一个既不增加成本、扩大尺寸和降低效率，又可以提高机器容量的新方案。

本项目关注重点是生产咖啡胶囊的机器。主要目标是在不影响机器结构和尺寸的情况下将容量提高25%。该机器的操作可以分为两个主要方面：

所分析的机件分为四个单元：切割焊接单元、给膜器单元、胶囊传送带单元、结构框架单元。

• 切割焊接单元

切割焊接单元（图1）将密封膜切割成圆形，并将其运输和密封在胶囊的顶部。为了执行这些操作，该部分的组件由两个电动机驱动。电机施加的运动通过一系列四连杆机构和曲柄机构传递，因此电机的运动和末端执行器的运动之间呈非线性关系。

图1 切割焊接单元              图 2 给膜器单元

• 给膜器单元

给膜器单元（图2）主要提供将要切割和密封的薄膜。薄膜的移动由几个电机控制，施加适度张力，并正确地对齐薄膜。在进行切割操作时，薄膜孔的排料对减少废料量非常重要。

图 3 排料案例：

右边的方案可通过横向平移薄膜获得，明显减少废料。

Opem的设计具有曲柄机构，能平移整个给膜器单元，形成更完整的排料孔，从而减少废料（图3）。

目前的研究集中在横向移动部分，因为OPEM先进的薄膜设计已是广为人知，因此没有进一步的研究必要。

图4 胶囊传送带单元

• 胶囊传送带单元

胶囊传送带单元（图4）用于移动胶囊。空胶囊自动装载在机器的一端。在传送带开始循环运动时，胶囊随之向前移动，直到它们到达机器的另一端后被卸载。胶囊支架固定在两个链条组件上，组件由数百个链节、支撑导轨和四个链轮组成。一个电动机直接连接到四个链轮中的两个，并在每个循环开始时旋转它们，推进链条机构。

图 5 结构框架单元

• 结构框架单元

最后分析的是结构框架单元（图5），主要由横梁组成，支撑着所有其他的组件。

该部分的核心目的是优化和验证控制切割焊接单元，给膜器单元和胶囊传送带单元的运行规律。使用如下迭代方法完成：

1. 使用EnginSoft内部开发的程序生成一组初始运行规律
2. 将生成的运动规律应用于RecurDyn模型中，对虚拟电机进行控制，并在动态条件下进行了各个单元仿真
3. 测量发动机的扭矩、位置、速度和末端执行器的加速度

以最小化电机扭矩和末端执行器加速度为目标，对运动规律进行优化。同时，以末端执行器的期望位置为约束条件，监测电机的角速度，并将其与规定的阈值水平进行比较。

图6 改进的梯形运行规律

由于电动机直接连接到控制胶囊位置的链轮，因此传送带优化十分简单。电机和终端执行器的加速度(即胶囊)可以通过选择一种可以最小化二者之一的加速度的运动定律，同时达到最小化(电机和末端执行器之间的运动关系在链动力学和传递误差忽略不计情况下，是线性的且等于传动比)。最终采用改进的梯形运动规律来控制电机，因为与其他运动规律(摆线、多项式等)相比，该轮廓线保证了最小加速度值(图6)。

图7 切割和焊接单元末端执行器的位置、速度和加速度曲线

由于四连杆机构和曲柄机构导致电机和末端执行器之间呈非线性关系，切割焊接单元和给膜器单元的优化过程就更加复杂。因此，不可能只研究电机和末端执行器其中一个，达到它们的加速度同时最小化。在这些条件下，本段开头所报告的迭代方法对于优化末端执行器和电机的运行规律至关重要。

采用常规梯形曲线加载，通过迭代调整加速/等速/减速间隔的长度，得到最优运行规律。图7显示了切割焊接末端执行器的位移、速度和加速度：黑线为末端执行器的加速度最小时曲线，红线为电机的加速度最小时曲线，绿线是优化的结果曲线。

• 切割焊接单元

切割焊接单元最初是用刚体构成的多体模型表示。该模型计算时间小于20秒，适用于优化过程。然后利用该模型优化两台电动机的运行规律，验证了它们的同步性。（电机同步性对于执行精确的薄膜切割，避免与其他组件的碰撞来说是非常重要的）。

图 8 包含柔性体的切割焊接单元的RecurDyn 模型

图9 包含柔性体的密封膜传输器单元的RecurDyn模型

一旦优化过程完成，切割焊接的几个组件就从刚性体转化为柔性体（图8），重复模拟计算动态条件下作用在构件上的应力，结果没有发现任何结构问题。这表明优化的运行规律能够根据需要提高机器的性能，最大限度地减少内部载荷的变化。同时，这一结果也证明了OPEM所设计机器的鲁棒性。

从一开始就考虑了薄膜的柔性特征，确保运行规律的修改不会影响其动力学和最终位置。薄膜是用Recurdyn专有的Full Flex方法建模的，正确地表示薄膜在横向运动期间的大位移。（Full Flex技术将物体的全刚度矩阵转移到RecurDyn求解器中，即在求解过程中考虑柔性体的所有自由度，从而正确地考虑非线性，如：大挠度、非线性材料和柔性表面上的接触）。

一旦优化过程完成，组件的侧板从刚性转换为柔性（图9)，计算作用在这些部件上的应力，并评估它们的柔性是否会在运动结束时引起薄膜不必要的横向振动。

图10 框架变形的 放大视图

图11 von-Mises应力云图

其次，优化过程使运行规律可以满足要求，并且不引发结构问题。EnginSoft和Opem工程师的交流着重在一些可以进一步减轻设备重量的领域，以实现未来更好的性能。

本研究通过优化胶囊机组件的运行规律，成功将胶囊机的容量提高了25%。

优化过程基于Recurdyn多体软件迭代完成。这些模型可用于正确确定机器主要部件的尺寸，并验证其在新的运规律下的动态行为，获得作用在框架上的载荷，随后用于结构验证。