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

基于Recurdyn多体软件迭代，本研究通过优化胶囊机组件的运行规律，成功提高胶囊机容量。

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：

• 静止操作

• 移动操作

胶囊的灌装和封口都是“静止操作”。在这些操作中，胶囊必须在规定的时间内保持静止。胶囊机器的向前移动，密封膜的进料、切割和运输，都是“移动操作”。本项目研究过程不涉及静止操作。

分析单元

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。

优化运动规律

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：