高速多色膠印機多科學綜合優(yōu)化設計.pdf

1、膠印機是印刷行業(yè)廣泛使用的一種體積龐大、結構復雜、運動精密的紙制印刷品生產設備。隨著人們對印刷效率和品質要求的不斷提高，高速、多色和高精度成為現(xiàn)代膠印機發(fā)展的潮流。目前，國際先進的高速高精度多色膠印機其最高印刷速度普遍達15000r/h以上，而我國同類產品的印刷速度難以突破12000r/h。國產膠印機與國外產品的差距表現(xiàn)在高速印刷條件下整機穩(wěn)定性差、可靠性低等方面。有鑒于此，基于現(xiàn)代機械設計方法研制動態(tài)性能良好的國產高速高精度多色膠印機

2、具有重大的理論意義和工程應用價值。
　　在印刷機械設計相關領域，國內外學者開展了廣泛而深入的研究，但研究中存在著印刷機建模、分析和優(yōu)化缺乏系統(tǒng)性、全面性和綜合性等不足。為解決上述問題，本文在江蘇省科技成果轉化專項資金項目的資助下，針對某型單張紙高速高精度四色膠印機(以下簡稱“膠印機”)的數(shù)字化建模、數(shù)字化分析、數(shù)字化集成和數(shù)字化優(yōu)化進行了系統(tǒng)研究。研究過程中，通過綜合運用數(shù)字化設計方法、多學科理論知識、多種關鍵技術和多領域工具軟件

3、，探索出一套適合膠印機復雜產品數(shù)字化設計的先進的、完整的、實用的解決方案，從而在數(shù)字化環(huán)境下膠印機的整機建模、性能分析、優(yōu)化流程集成和結構機構優(yōu)化方面作出了創(chuàng)造性貢獻。概括起來，本文的研究內容及取得的主要成果如下：
　　(1)膠印機整機三維CAD建模與參數(shù)化。建立了精確的、規(guī)范的、層次化的膠印機整機全系統(tǒng)三維CAD模型。規(guī)范了零件尺寸參數(shù)命名方式，利用線性矩陣方程描述了參數(shù)驅動機理?；贑AD軟件二次開發(fā)技術和面向對象程序設計技術

4、，開發(fā)了通用的膠印機參數(shù)化建模系列程序，并將其應用于膠印機關鍵零部件的參數(shù)化設計。
　　(2)膠印機整機虛擬樣機建模與仿真。建立了膠印機單色組整機虛擬樣機模型，通過對虛擬樣機進行高速印刷條件下的虛擬試驗，明確了膠印機振動的主要來源以及激振力的時域、頻率特征。視墻板為柔性體，視其他零部件為剛體，建立了膠印機印刷部分剛柔耦合虛擬樣機模型，通過對模型的仿真驗證了墻板強度的可靠性。
　　(3)膠印機有限元建模與分析。提出了膠印機有限

5、元建模中模型要素的處理方法，包括CAD模型的簡化、螺栓連接和軸承連接的等效處理等。綜合運用多種有限元建模技術建立了膠印機單色組整機和整機機架的有限元模型，進行了相應的靜力分析、模態(tài)分析和頻率響應分析，找到了結構需要優(yōu)化的薄弱環(huán)節(jié)。建立了橡膠層與剛性印刷滾筒三維接觸有限元模型，并對模型進行了剛柔接觸非線性分析。通過對分析結果進行最小二乘法函數(shù)擬合，得到了橡膠層表面印刷壓力分布數(shù)學模型。
　　(4)膠印機多軟件集成優(yōu)化平臺的構建。開發(fā)

6、了模塊化有限元建模流程模板，實現(xiàn)了膠印機有限元建模過程的自動化?；谲浖杉夹g對多種異構CAD軟件、CAE軟件、自編程序、模板進行集成，建立起統(tǒng)一的膠印機數(shù)字化集成優(yōu)化平臺，實現(xiàn)了CAD、CAE以及設計優(yōu)化全過程的集成化和自動化。
　　(5)膠印機壓印滾筒和機架結構的優(yōu)化?；谧兠芏确▽河L筒內部筋板結構進行了靜力學拓撲優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結果設計了筋板形狀，所設計的滾筒能夠滿足高速印刷時撓度較小的要求?；谧兠芏确▽δz印機機架結構

7、進行了動力學拓撲優(yōu)化，獲得了機架結構材料最佳分布方案。在此基礎上，基于優(yōu)化平臺對墻板筋板尺寸參數(shù)進行了動態(tài)靈敏度分析和多目標優(yōu)化，獲得了重量較輕且動態(tài)性能良好的機架結構設計方案。
　　(6)膠印機串墨機構和開閉牙凸輪機構的優(yōu)化。運用矩陣變換法分析了串墨機構運動規(guī)律。以4個串墨輥串墨運動初始相位為因素進行了試驗設計，優(yōu)選出了一組可以基本消除串墨機構不平衡慣性力的串墨初始相位搭配方案。選取對稱簡諧梯形加速度運動規(guī)律設計開閉牙凸輪從動件

8、運動曲線，開發(fā)了相應的運動曲線設計軟件。根據(jù)達朗貝爾原理建立了開閉牙凸輪從動件單自由度扭轉振動模型及相應的數(shù)值仿真模型，求得了從動件的振動響應。以開閉牙凸輪從動件主振動和殘余振動最小化為目標完成了從動件運動曲線的多目標設計優(yōu)化，得到了運行學和動力學性能良好的運動曲線。以新運動曲線為基礎，通過逆向運動學仿真求得了連續(xù)、光滑的凸輪實際輪廓曲線。
　　(7)改進型膠印機振動測試。利用振動測試系統(tǒng)采集了改進型膠印機若干部位的振動加速度。基