基于ADAMS 的压印机虚拟模型运动仿真研究

刘嘉昊 石禹鹏 于龙腾 李嘉铮 袁嘉伟

（无锡职业技术学院 机械技术学院，无锡 214121）

压印机是一种印刷机[1]。现代印刷机一般是将所需的文字或图像用墨涂敷于印版，再直接或间接印在纸张或其他承载物上。而压印机是在滚筒上制出凹凸不平的图案或文字，在压力的作用下使纸张或者承载物发生塑性变形，从而压印出各种图案或文字。

相较于普通印刷机，压印出的物品会呈现出立体感和艺术感，且不使用油墨，而是通过压印机的压力使图像凸显出来。虽然压印机对纸张或者承载物的质量要求较高，但是工作环境会比印刷机适用范围更加广泛，如高温环境和潮湿环境。此外，在防油图层、钢铁制品等普通印刷机无法印出所需要求制品的情况下，压印机也可以拥有良好的使用效果。

1 压印机的组成结构及模型建立

1.1 压印机的组成

在不影响压印机工作状态、效率和性能的前提下，将相对无关的零件视为一体。钢制压印机零部件由底座、左右侧板、上盖板、凹凸滚筒、大小齿轮、涨紧套压盘以及挡板简化组成，其中各个零部件通过螺栓、螺母和螺钉等连接件固定和连接[2]。

底座用来承载压印机左右侧板，是压印机的地基。左右侧板用来固定凹凸轮，使其能够在左右侧板之间旋转工作。它的上方用上盖板连接左右侧板，使 其固定。

凹凸滚筒在工作时，为使其能够印出所需效果，需要两个滚筒之间保持相同的旋转速度。齿轮传动能够保证瞬时传动比稳定、传递运动稳定可靠、结构紧密等。为了使两个凹凸滚筒之间能够有相同的旋转速度、稳定的工作效率，这里选择齿轮连接。为了使凹凸滚筒和齿轮之间没有相对运动，需要用涨紧套压盘将二者连接固定。

压印机的输入段也选择齿轮连接来传动凹凸滚筒的齿轮，并用挡板来固定主动轮。当需要改变压印机的输出功率时，只需改变主动轮的输入功率即可。

1.2 压印机模型建立

使用NX 建立压印机所需要的各个零部件，包括底座、左右侧板、上盖板、凹凸滚筒、大小齿轮、涨紧套压盘以及挡板组。

通过约束使所有配件装配起来：底座添加固定约束，左右侧板通过接触约束装配在底座凹槽处，上盖板使用接触约束在左右侧板，凹凸滚筒通过同心接触和平行接触固定在左右侧板中间，齿轮和涨紧套压盘使用同心接触在凹凸滚筒上。实物与效果如图1 所示。

2 ADAMS 运动仿真设置

2.1 ADAMS 仿真压印机介绍

使用NX 建好压印机模型后将文件使用Para solid 格式导出，导入到ADAMS 软件，方便后续的运动副约束设置和仿真，并省略螺栓、螺母及螺钉等连接件来简化压印机。通过运动副约束压印机零部件的相对运动，添加驱动使压印机模型运动起来，达到最终想要的效果。通过使用ADAMS 来模拟压印机的运动仿真[3]，从齿轮转动速度和主动轮输入速度方面分析压印机运动。

2.2 ADAMS 工作环境设置

使用ADAMS[4]仿真压印机运动方式时要设置好重力及方向、模型单位及坐标系选择等工作环境。重力方向选择垂直与工作格栅的Z 轴负方向；将工作格栅设置为矩形，格栅大小为750 mm×500 mm，格栅间隔为25 mm×25 mm；模型单位选择MMKS；模型装配坐标系与ADAMS 坐标系一致。

2.3 压印机运动副设置与驱动设置

为了能使压印机能够稳定正确地按照设想工作方式运作，需要设置相关约束和运动副来确保压印机正常工作。压印机的主要工作原理为凹凸两滚筒之间以相同大小的角速度和相反的运动方向运作，使得凹凸两滚筒以稳定的速度来压印所需要的物品。

（1）创建固定副：底座与大地固定在一起，左右侧板和顶盖使用两个物体一个位置的构建方式固定在底座上，凹凸滚轮、涨紧套压盘和大齿轮使用两个物体一个位置固定在一起。

（2）创建旋转副：凹凸滚轮、涨紧套压盘和大齿轮整体在右侧板孔中心创建一个旋转副，小齿轮在挡板上创建一个旋转副。

（3）创建力：在两个大齿轮和小齿轮相互之间创建特殊力——创建接触。

（4）创建运动副驱动：在小齿轮上创建一个转动驱动，并且选择小齿轮的旋转副，方向选择旋转，类型选择速度，函数设置为500 d×time、1 000 d。

3 ADAMS 运动仿真分析

压印机工作时是电机带动主动轮，使主动轮带动从动轮，从动轮和涨紧套压盘及凹凸滚筒连接，从动轮和凹凸滚筒一起转动。为了使压印机打印更加立体和稳定，主动轮的动能要稳定，从动轮之间的受力要稳定，凹凸滚筒之间的运动速度一致方向相反，不能出现速度不一致的状况。压印机主动轮带动从动轮运动，从动轮通过涨紧套压盘连接滚筒进行旋转运动。所以，压印机运动大致可分为匀速旋转运动和变速旋转运动两种，进而对主动轮的速度和加速度进行分析[5]。因为压印机工作部位是滚筒，从动轮与滚筒具有相同的转速，所以对两个滚筒进行分析即可。

3.1 压印机变速运动分析

主动轮的驱动函数设置为500 d×time，类型为加速度，仿真时间设置为3 s，仿真步数为500，开始仿真运动。

主动轮在0 ～3 s 内做加速运动，角速度应该逐渐加快，图像经过零点斜向上，如图2 所示。主动轮输出的动能会随着时间的增加而增大，图像呈向上的抛物线状，如图3 所示。

主动轮带动从动轮，从动轮与涨紧套压盘和滚筒连接，从动轮的旋转角速度与滚筒一致，在工作时滚筒时输出端，所以观察滚筒的运动状态即可。在0 ～3 s 旋转速度会逐渐增加，滚筒的压印受力面运动速度会越来越快，滚筒的运动轨迹也会越来越快，如图4 和图5 所示。

在压印机做加速运动时，连接两个滚筒的从动轮受力也会逐渐增加。从0 s 开始逐渐加速运动，随着时间的增加，主动轮提供的动能逐渐增大，旋转速度也渐渐变大，两个从动轮之间受到的转矩也开始变大，如图6 所示。

3.2 压印机匀速运动分析

主动轮的驱动函数设置为1 000 d，类型为速度，仿真时间设置为3 s，仿真步数为500，开始仿真运动。

压印机匀速运动时，主动轮输入功率一定，输出的动能一定，所以从动轮带动滚筒运动速度也一定。凹凸滚筒的运动轨迹也会呈现出周期性，如图7 和 图8 所示。

4 结语

本文分析了压印机和常规印刷机的优劣势，介绍了压印机的结构组成。利用NX 软件将简化后的压印机进行建模和处理，使用Para solid 格式导入ADAMS。在ADAMS 中先进行相关工作环境设置，并对压印机3D 模型进行运动副的约束，使其能够按照需求仿真运动。之后进入后处理阶段，分别对凹凸滚筒在加速运动和匀速运动状态下的运动轨迹进行分析，对主动轮在加速运动状态下角速度的变化和动能变化进行分析，可为类似的压印机的凹凸滚筒和主动轮在工作状态下的运动情况提供参考。