剑杆织机关键机构的虚拟开发

　　一、前言

　　自60年代以来,随着计算机技术的发展,国际上计算机辅助技术如CAD、CAE、CAPP、CAM、CAT、VR、VM等的应用程度日益提高、范围日益扩大。从60年代到70年代末,计算机图形学产生了CAD技术。

　　从70年代末到80年代,特征造型及参数化造型技术发展起来,CAD从2维发展到3维,各类CAE技术迅速发展,CAM、CAPP等也取得了很大进展,进一步可实现各种CAX软件之间的产品数据交换的标准,如PDES、STEP逐步产生出来。

　　90年代初,人们从波音777飞机的开发中总结提出了虚拟产品开发（VPD）和虚拟制造（VM）的概念,即在计算机上实现产品设计、开发以及制造的本质过程,采用计算机仿真与虚拟现实技术,预估产品功能、性能及可加工性等,使得产品设计、开发、制造技术从传统的方法发展到一个崭新的阶段。

　　高速度、高精度、轻重量、高效能、低噪音、自动化、智能化已成为现代机械的重要标志和发展方向。

　　根据纺织工业“九五”计划和2010年远景目标,我国织机无梭化率将以每年1%的速度递增。因此,我国纺织机械面临着急需进行产品结构调整,逐步实现从有梭到无梭的转变。从1997年开始,我们以清华大学国家CIMS中心为技术依托,开展基于数字样机的虚拟产品开发技术的研究与应用,开发出了高档的无梭织机———剑杆织机。

　　剑杆织机的结构由五个基本的部分组成:开口机构、引纬机构、打纬机构、卷取机构和送经机构,五大运动系统中,引纬和打纬两个系统中有许多高速运行部件,其中引纬机构的作用是将纬纱引入梭口,使之能与经纱交织组成织物,打纬机构的作用是将引入梭口的纬纱推向织口。

　　高速剑杆织机引纬和打纬机构是决定织物质量的关键,对运动学和动力学特性有很高的要求,因此对送纬剑头、接纬剑头、钢筘运动规律的分析,以及对它们之间配合关系的分析、优化,对于探索剑杆织机的机理、提高设计水平有着至关重要的意义。本文以剑杆织机的引纬机构和打纬机构运动学和动力学分析,介绍VPD技术的应用。

　　二、运动学分析

　　1.逆向设计

　　VPD是基于数字样机的技术。参照现有的剑杆织机物理样机,采用逆向设计方法,首先,将形状简单、精度要求不高的零件用传统方法测绘,并转换为三维CAD模型;然而,形状复杂、精度要求高的零件,仅采用三坐标测量机进行测绘是不够的,必须将测绘获得的数据进行处理、分析,才能用于三维CAD设计模型的建立。

　　2.运动学建模

　　剑杆织机的引纬机构和打纬机构进行运动学动力学分析是采用ADAMS软件进行。利用CAD软件（本文采用PROPE）和ADAMS的接口（PROPE与ADAMS的接口软件是MECHANISMPPRO）,直接从产

　　品的CAD设计模型,添加一定的相关信息,转换成ADAMS运动学、动力学分析模型。由于产品的设计模型是在PROPE中生成,相关信息的添加也是在PROPE的环境中进行的,所以能够充分利用产品的各种特征信息,使得建模变得非常容易,并且能够保证各工程分析环节所建模型数据的一致性。但MECHANISMPPRO毕竟是ADAMS的简化版本,要构造复杂的模型,需要在建模工具ADAMSPVIEW下

　　进行详细建模。

　　为了便于分析,提高分析效率,需要在PROPE实体模型中把不相关的机构和零部件尽量删去。例如,考虑到滚子的作用主要是减小摩擦,在进行运动学和动力学分析时,我们将滚子和滚轮座作为一体,在它与凸轮之间定义凸轮副。个别特别复杂的零件结构做适当的简化。将简化模型在PROPE中建好后,在ADAMSPPRO环境中定义刚体,一般将没有相对运动的零件定义为一个刚体,例如:打纬部件整个定义为一个刚体,凸轮箱以及轴承盖等定义为一个刚体。然后通过接口将PROPE模型的外形、定义的约束和质量特性,直接传入ADAMSPVIEW中进行详细建模,如定义约束、驱动（600rPs）、测量器等。由于物理零件都是有弹性的,考虑到受力问题,往往用若干个同样的运动副实现某种运动约束,而在ADAMS中的零件均以刚体对待,完全照搬势必造成过约束。因此我们将这若干个运动副简化为一个运动副进行分析。

　　3.运动学分析

　　通过定义适当的启动时刻和终止时刻以及步长,或定义周期和运算次数来仿真运算。经分析运算可知机构如何运转以及每一点、每一时刻的位置、速度和加速度。进行运动学分析后,得到引纬和打纬的位移、速度曲线（如图2）。

　　由速度曲线可知,接纬剑头的速度首先穿过零线。也就是,接纬剑头往回走时,而送纬剑头速度方向还未改变,他们有一段的同向运动,且有瞬时的等速运动。由位移曲线可知,此时两剑头有所交叉纬纱的交接在此时进行。这样就能保证纬纱一直往前走,使纬纱受力均匀。

　　三、动力学分析

　　1.动力学建模

　　因为作动力学分析消耗的系统资源较大,而织机机构本身左右对称,所以我们只分析一半机构以减低系统的开销。由剑头和钢筘的往复运动,决定了该机构也必然是作往复运动。而该机构运转速度快、精度高所以其构件的弹性和运动副的间隙成为动力学分析的主要问题。该机构由两对共轭凸轮副、四连杆和三级放大的齿轮箱以及剑轮组成。机构比较复杂我们重点选择共轭凸轮副作为我们的研究对象。

　　在共轭凸轮副的设计和加工中公差配合是一难题。如果间隙太大,势必造成猛力的碰撞;使运动失真,噪音和振动加剧;从而寿命减少。若配合太紧会造成预应力加大,磨损加剧。如何平衡此配合成为动力学研究的一大课题。

　　在运动学分析中,共轭凸轮副的凸轮和滚子均是一个刚体,所以只能定义一个凸轮副,如果另一个凸轮和滚子也定义了凸轮副势必造成过约束。因为实际情况中,有弹性和间隙存在。而运动分析中的凸轮副两曲线必须始终相切。

　　我们将运动学模型中的凸轮副去掉,在每对凸轮副上定义碰撞副,碰撞副是根据碰撞速度及相碰撞的两物体的材料弹性系数来决定嵌入深度和碰撞力。实际的滚子是一滚柱轴承,所以其材料特性要通过有限元分析获得。这样构造的模型没有过约束存在,而且存在一个自由度,成为典型的动力学模型。

　　在钢筘打到最大位置时,用ADAMSPVIEW中的STEP函数加上800kg的打纬力。

　　2.动力学分析

　　图4给出了在某一工况下打纬滚轮座上定义的碰撞副中两滚子的受力和打纬力关系图。经过分析可知:

　　（1）由于该共轭凸轮模型原设计思路就是有一点过盈,所以没有脱开的现象,整个周期中碰撞力均未出现大的波动。且预应力不大。

　　（2）观测碰撞力的峰值,为打纬滚轮座的有限元分析提供边界条件。

　　通过分析打纬滚轮座、引纬滚轮座和其他轴承的受力可知:

　　①打纬滚轮座的力并不比接纬滚轮座的受力大多少,基本相当。使我们走出了过去认为打纬滚轮座的受力大的误区。

　　②因为该机构比较复杂,用传统方法计算机构的等价惯量,几乎是不可能的事。通过分析驱动轴的扭矩,可准确地确定电机的功率。

　　③通过观测凸轮箱接地的受力状况,知道其对机架的摆动力和摆动力矩。从而为机架的改进设计提供支持。

　　3.动力学优化

　　在动力学分析的基础上,与有限元分析结合,可进一步减少运动构件的重量,减少了惯性力,提高运动构件的动力学性能。同时,通过改变四连杆的形式,进行机构动力平衡,从而使剑杆织机的机构的摆动力、摆动力矩和运动副反力大大降低。通过调整共轭凸轮副的配合,使预紧力降低到最低,同时又不会产生间隙。

　　四、结论

　　基于数字模型的虚拟产品开发技术已经成为用信息技术改造传统产品开发技术的研究热点,也是下一代制造的重要内容。我们在开发高档剑杆织机的过程中进行了初步探索,利用ADAMS构造了高档剑杆织机引纬、打纬机构的运动学、动力学模型,并进行了分析、优化,解决了过去用传统手段不可能解决的问题,取得了成功,使我们新产品开发上了新的水平。