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　一、前言
     自 60 年代以來 ,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展 ,國際上計算機輔助技術(shù)如 CAD、CAE、CAPP、CAM、CAT、VR、VM 等的應用程度日益提高、范圍日益擴大。從60 年代到 70 年代末 ,計算機圖形學產(chǎn)生了 CAD 技術(shù)。
     從 70 年代末到 80 年代 ,特征造型及參數(shù)化造型技術(shù)發(fā)展起來 ,CAD 從 2 維發(fā)展到 3 維 ,各類 CAE技術(shù)迅速發(fā)展 ,CAM、CAPP 等也取得了很大進展 ,進一步可實現(xiàn)各種 CAX 軟件之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的標準 ,如 PDES、STEP 逐步產(chǎn)生出來。
     90 年代初 ,人們從波音 777 飛機的開發(fā)中總結(jié)提出了虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD)和虛擬制造(VM) 的概念 ,即在計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品設計、開發(fā)以及制造的本質(zhì)過程 ,采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù) ,預估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等 ,使得產(chǎn)品設計、開發(fā)、制造技術(shù)從傳統(tǒng)的方法發(fā)展到一個嶄新的階段。
     高速度、高精度、輕重量、高效能、低噪音、自動化、智能化已成為現(xiàn)代機械的重要標志和發(fā)展方向。
     根據(jù)紡織工業(yè)“九五”計劃和 2010 年遠景目標 ,我國織機無梭化率將以每年 1 % 的速度遞增。因此 ,我國紡織機械面臨著急需進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整 ,逐步實現(xiàn)從有梭到無梭的轉(zhuǎn)變。從 1997 年開始 ,我們以清華大學國家 CIMS 中心為技術(shù)依托 ,開展基于數(shù)字樣機的虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的研究與應用 ,開發(fā)出了高檔的無梭織機 ———劍桿織機。
     劍桿織機的結(jié)構(gòu)由五個基本的部分組成 :開口機構(gòu)、引緯機構(gòu)、打緯機構(gòu)、卷取機構(gòu)和送經(jīng)機構(gòu) ,五大運動系統(tǒng)中 ,引緯和打緯兩個系統(tǒng)中有許多高速運行部件 ,其中引緯機構(gòu)的作用是將緯紗引入梭口 ,使之能與經(jīng)紗交織組成織物 ,打緯機構(gòu)的作用是將引入梭口的緯紗推向織口。
     高速劍桿織機引緯和打緯機構(gòu)是決定織物質(zhì)量的關(guān)鍵 ,對運動學和動力學特性有很高的要求 ,因此對送緯劍頭、接緯劍頭、鋼筘運動規(guī)律的分析 ,以及對它們之間配合關(guān)系的分析、優(yōu)化 ,對于探索劍桿織機的機理、提高設計水平有著至關(guān)重要的意義。本文以劍桿織機的引緯機構(gòu)和打緯機構(gòu)運動學和動力學分析 ,介紹 VPD 技術(shù)的應用。

　　二、運動學分析
       1.逆向設計
        VPD 是基于數(shù)字樣機的技術(shù)。參照現(xiàn)有的劍桿織機物理樣機 ,采用逆向設計方法 ,首先 ,將形狀簡單、精度要求不高的零件用傳統(tǒng)方法測繪 ,并轉(zhuǎn)換為三維 CAD 模型 ; 然而 ,形狀復雜、精度要求高的零件 ,僅采用三坐標測量機進行測繪是不夠的 ,必須將測繪獲得的數(shù)據(jù)進行處理、分析 , 才能用于三維CAD 設計模型的建立。

       2. 運動學建模
        劍桿織機的引緯機構(gòu)和打緯機構(gòu)進行運動學動力學分析是采用 ADAMS 軟件進行。利用 CAD 軟件(本文采用 PROPE) 和 ADAMS 的接口 (PROPE 與ADAMS 的接口軟件是 MECHANISMPPRO) ,直接從產(chǎn)
品的 CAD 設計模型 ,添加一定的相關(guān)信息 ,轉(zhuǎn)換成ADAMS 運動學、動力學分析模型。由于產(chǎn)品的設計模型是在 PROPE 中生成 ,相關(guān)信息的添加也是在 PROPE 的環(huán)境中進行的 ,所以能夠充分利用產(chǎn)品的各種特征信息 ,使得建模變得非常容易 ,并且能夠保證各工程分析環(huán)節(jié)所建模型數(shù)據(jù)的一致性。但 MECHANISMPPRO 畢竟是 ADAMS 的簡化版本 ,要構(gòu)造復雜的模型 ,需要在建模工具 ADAMSPVIEW 下
進行詳細建模。
        為了便于分析 ,提高分析效率 ,需要在 PROPE實體模型中把不相關(guān)的機構(gòu)和零部件盡量刪去。例如 ,考慮到滾子的作用主要是減小摩擦 ,在進行運動學和動力學分析時 ,我們將滾子和滾輪座作為一體 ,在它與凸輪之間定義凸輪副。個別特別復雜的零件結(jié)構(gòu)做適當?shù)暮喕�。將簡化模型�?PROPE 中建好后 ,在 ADAMSPPRO環(huán)境中定義剛體 ,一般將沒有相對運動的零件定義為一個剛體 ,例如 :打緯部件整個定義為一個剛體 ,凸輪箱以及軸承蓋等定義為一個剛體。然后通過接口將 PROPE 模型的外形、定義的約束和質(zhì)量特性 ,直接傳入 ADAMSPVIEW 中進行詳細建模 ,如定義約束、驅(qū)動(600 rPs) 、測量器等。由于物理零件都是有彈性的 ,考慮到受力問題 ,往往用若干個同樣的運動副實現(xiàn)某種運動約束 ,而在ADAMS 中的零件均以剛體對待 ,完全照搬勢必造成過約束。因此我們將這若干個運動副簡化為一個運動副進行分析。
        3. 運動學分析
          通過定義適當?shù)膯�動時刻和終止時刻以及步長 ,或定義周期和運算次數(shù)來仿真運算。經(jīng)分析運算可知機構(gòu)如何運轉(zhuǎn)以及每一點、每一時刻的位置、速度和加速度。進行運動學分析后 ,得到引緯和打緯的位移、速度曲線(如圖 2) 。

　　     由速度曲線可知 ,接緯劍頭的速度首先穿過零線。也就是 ,接緯劍頭往回走時 ,而送緯劍頭速度方向還未改變 ,他們有一段的同向運動 ,且有瞬時的等速運動。由位移曲線可知 ,此時兩劍頭有所交叉緯紗的交接在此時進行。這樣就能保證緯紗一直往前走 ,使緯紗受力均勻。

　　三、動力學分析
        1.動力學建模
          因為作動力學分析消耗的系統(tǒng)資源較大 ,而織機機構(gòu)本身左右對稱 ,所以我們只分析一半機構(gòu)以減低系統(tǒng)的開銷。由劍頭和鋼筘的往復運動 ,決定了該機構(gòu)也必然是作往復運動。而該機構(gòu)運轉(zhuǎn)速度快、精度高所以其構(gòu)件的彈性和運動副的間隙成為動力學分析的主要問題。該機構(gòu)由兩對共軛凸輪副、四連桿和三級放大的齒輪箱以及劍輪組成。機構(gòu)比較復雜 我們重點選擇共軛凸輪副作為我們的研究對象。
          在共軛凸輪副的設計和加工中公差配合是一難題。如果間隙太大 ,勢必造成猛力的碰撞 ;使運動失真 ,噪音和振動加劇 ;從而壽命減少。若配合太緊 會造成預應力加大 ,磨損加劇。如何平衡此配合成為動力學研究的一大課題。
          在運動學分析中 ,共軛凸輪副的凸輪和滾子均是一個剛體 ,所以只能定義一個凸輪副 ,如果另一個凸輪和滾子也定義了凸輪副勢必造成過約束。因為實際情況中 ,有彈性和間隙存在。而運動分析中的凸輪副兩曲線必須始終相切。
          我們將運動學模型中的凸輪副去掉 ,在每對凸輪副上定義碰撞副 ,碰撞副是根據(jù)碰撞速度及相碰撞的兩物體的材料彈性系數(shù)來決定嵌入深度和碰撞力。實際的滾子是一滾柱軸承 ,所以其材料特性要通過有限元分析獲得。這樣構(gòu)造的模型沒有過約束存在 ,而且存在一個自由度 ,成為典型的動力學模型。
          在鋼筘打到最大位置時 ,用 ADAMSPVIEW 中的STEP 函數(shù)加上 800 kg 的打緯力。
        2.動力學分析
         圖 4 給出了在某一工況下打緯滾輪座上定義的碰撞副中兩滾子的受力和打緯力關(guān)系圖。經(jīng)過分析可知 :
    (1) 由于該共軛凸輪模型原設計思路就是有一點過盈 ,所以沒有脫開的現(xiàn)象 ,整個周期中碰撞力均未出現(xiàn)大的波動。且預應力不大。
    (2)觀測碰撞力的峰值 ,為打緯滾輪座的有限元分析提供邊界條件。

        通過分析打緯滾輪座、引緯滾輪座和其他軸承的受力可知 :
        ①打緯滾輪座的力并不比接緯滾輪座的受力大多少 ,基本相當。使我們走出了過去認為打緯滾輪座的受力大的誤區(qū)。
        ②因為該機構(gòu)比較復雜 ,用傳統(tǒng)方法計算機構(gòu)的等價慣量 ,幾乎是不可能的事。通過分析驅(qū)動軸的扭矩 ,可準確地確定電機的功率。
        ③通過觀測凸輪箱接地的受力狀況 ,知道其對機架的擺動力和擺動力矩。從而為機架的改進設計提供支持。
     3.動力學優(yōu)化
        在動力學分析的基礎上 ,與有限元分析結(jié)合 ,可進一步減少運動構(gòu)件的重量 ,減少了慣性力 ,提高運動構(gòu)件的動力學性能。同時 ,通過改變四連桿的形式 ,進行機構(gòu)動力平衡 ,從而使劍桿織機的機構(gòu)的擺動力、擺動力矩和運動副反力大大降低。通過調(diào)整共軛凸輪副的配合 ,使預緊力降低到最低 ,同時又不會產(chǎn)生間隙。

　　四、結(jié)論
      基于數(shù)字模型的虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)已經(jīng)成為用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的研究熱點 ,也是下一代制造的重要內(nèi)容。我們在開發(fā)高檔劍桿織機的過程中進行了初步探索 ,利用ADAMS 構(gòu)造了高檔劍桿織機引緯、打緯機構(gòu)的運動學、動力學模型 ,并進行了分析、優(yōu)化 ,解決了過去用傳統(tǒng)手段不可能解決的問題 ,取得