虚拟制造技术在四套色印花机开发中的应用研究

套色印花机是玻璃器皿深加工的主要设备之一，其作用是将热塑性的釉料印刷在玻璃器皿上，然后送入玻璃烤花窑烤花固化，获得用户所要求的图案、花纹，以达到装饰和增值的目的。该设备主要适合于在水杯、高脚杯、啤酒杯等产品上印花，可大大提高产品的艺术价值和附加值。

印花机主要由传动机构、间隙式运转机构、吸杯卸杯机构、配气装置、刮板机构、托杯机构、印花网板往复机构、定位机构等组成，由于其性能要求高、运动自由度多、结构复杂、技术含量高，使得其实现和设计工作较为复杂。用传统设计方法要对运动类机构进行设计，特别是空间运动机构设计是非常困难的，甚至是不可能的。而采用虚拟设计等现代设计方法，空间机构设计不但可以实现，而且非常直观、容易且易于修改，设计人员的智慧和创新能力可以得到充分的发挥和展现，甚至设计方法和思路都可以随之而创新。

本文运用Pro/ENGINEER软件对玻璃器皿四套色印花机进行了零件设计、部件装配以及运动学和动力学分析。

1 印花机的工作过程

四套色印花机由4个印花工位和两个上、下杯工位组成，此时该工作头位于1工位（见图1）。

工作头随转盘一起在槽轮的带动下作间歇式转动，工作头转过60°就至2工位，转盘停止转动，下降的刮刀施加一定的压力刮网板，使网板上的釉料透过网眼开始印花，网板水平移动一个行程，杯子转动一周，完成第1套色的印花；转盘继续转动60°带动工作头至3工位，转盘停止转动，网板刮刀工作进行第2套色的印花，同理在4、5工位完成剩下的两种套色的印花；在6工位机械手卸下成品，并将其放入输送机上传送至烤花窑进行下一道工序——烤花固化处理，最终得到用户所需要的产品。

2 四套色印花机的虚拟装配设计

虚拟装配(Virtual Assemblies)是在计算机上建立起如同真实样机的直观可视化的数字模型，即虚拟样机，然后在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查，以评估产品的可装配性和可制造性，通过统一的产品数据管理，实现产品3D设计过程与产品零部件制造、装配过程的高度统一，这样便可以方便地发现设计上的错误，从而将其消除掉，提高了设计效率，并降低修正错误的费用。

采用自下而上的装配方法，首先对组成装配体的各子零件进行三维建模，然后由零件生成子装配，最后由子装配构件成最后的总成。将所有零部件按要求装配成功后，对装配体进行静态干涉检查，运用干涉分析（Analysis Interference）模块对所有装配组件进行分析，若出现干涉，则及时修改。

3 印花机传动机构的运动仿真

传动机构是印花机最复杂、最关键的部件，其精度直接决定了印花机的性能。若运动精度较低，将影响整个设备的同步性，导致在玻璃器皿上印制的花纹不清楚，影响产品质量和美观。因此对传动机构进行了深入分析与研究，采用了自下而上的建模方法。

首先，利用Pro/ENGINEER野火版3.0的高级建模功能完成玻璃器皿四套色印花机传动机构零部件的设计与建模，如图2所示，包括蜗轮轴、三瓣支架、连杆、拉杆、滑块（网板），然后再利用其装配功能将这些零件装配在一起。

1-拨销 2-蜗轮轴 3-导向槽 4-摆动座 5-连杆 6-工作头转盘 7-工作头 8-阿板滑座 9-网板拉杆
10-摆杆 11-传力轴 12-摆杆 13-拉杆 14-摆杆架 15-旋转套 16-槽轮
图2 传动机构的装配模型

完成装配后，定义机构的运动副，形成一个完全约束（自由度为零）的精确的传动机构。最后利用Pro/ENGINEER的Pro/MECHANICA功能模块进行分析研究，得到了网板移动的位移、速度、加速度曲线图，如图3所示。

图3 同板运动分析曲线

4 槽轮机构的运动学分析

印花机工作台转盘的间歇运动由槽轮机构来实现。普通槽轮机构是一种典型的间歇运动机构，常用于某些自动机械中，以实现分度转位和间歇步进运动。它具有结构简单、外形尺寸小、制造容易、工作可靠、机械效率较高等优点。

另一方面，普通槽轮机构存在一个固有的最大缺点：槽轮机构的拨销为圆柱形，在拨动槽轮转动过程中，拨销与槽轮的槽为线接触，属于高副机构，当印花机的工位数较多时，工作台质量较大，转动时惯性力较大，产生较大的冲击和振动，因此接触应力很大，从而导致拨销和槽轮在工作过程中磨损较严重，使其精度和使用寿命大大降低。

利用高副低代的原理，对普通槽轮机构进行了改进设计，提出了低副槽轮机构的方案（如图4所示），即将拨销的形状进行了改变，拨销中部为一矩形，两端由圆弧组成，从而使拨销与槽轮的接触由线接触变为面接触，摩擦副也由高副变为低副。同时为保证拨销在人、退槽时不干涉，对槽轮口部进行了修正，还增加了导向槽。

图4 槽轮机构

为了研究这种新型槽轮机构的性能，利用传统的解析法难以得到接触力和工作位置之间的关系，对其强度校核和磨损寿命分析也只能凭经验得出，难以达到理想的设计效果。本文利用虚拟制造技术对这种新型槽轮机构的运动学和动力学性能进行深入研究，其角位移变化如图5示。

图5 槽轮角位移曲线图

5 槽轮机构的动力学分析

图6为槽轮静载荷应力分析的结果云图，其中4个视图分别为从槽轮正、反面不同角度看到的应力分布情况以及应力集中部位局部放大图。从图中可以清楚地看出槽轮所受应力的变化趋势，在静载荷作用下，应力最大值为8.80MPa，对应的位置为槽轮的凹槽受最大径向力作用一侧的角部，此处容易发生应力集中。另外，在最大径向力作用一侧的齿根处以及凹槽的边缘和底部应力较大，应力值在5.104～7.920MPa之间；槽轮其余部位所受应力较小，最小值仅为0.88MPa。

6 结论

(1)将虚拟制造技术应用到印花机的设计开发中，突破了传统二维设计的局限性，充分发挥了设计人员的设计意图，产品的开发时间可大大缩短，提高了产品设计质量，为我们在激烈的市场竞争中赢得了优势，也为其它玻璃机械（如压机、烘口机等）的开发提供了一套行之有效的方法。

(2)通过高副低代，使拨销与槽轮之间的接触力大大降低，有效提高了槽轮机构的使用寿命和运行的平稳性。样机调试过程中也证明了这一点，玻璃器皿印花机的转盘工作非常平稳。