一、前言
自60年代以來,隨著計算機技術的發展,國際上計算機輔助技術如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,計算機圖形學產生了CAD技術。
從70年代末到80年代,特征造型及參數化造型技術發展起來,CAD從2維發展到3維,各類CAE技術迅速發展,CAM、CAPP等也取得了很大進展,進一步可實現各種CAX軟件之間的產品數據交換的標準,如PDES、STEP逐步產生出來。
90年代初,人們從波音777飛機的開發中總結提出了虛擬產品開發(VPD)和虛擬制造(VM)的概念,即在計算機上實現產品設計、開發以及制造的本質過程,采用計算機仿真與虛擬現實技術,預估產品功能、性能及可加工性等,使得產品設計、開發、制造技術從傳統的方法發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、智能化已成為現代機械的重要標志和發展方向。
根據紡織工業“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品結構調整,逐步實現從有梭到無梭的轉變。從1997年開始,我們以清華大學國家CIMS中心為技術依托,開展基于數字樣機的虛擬產品開發技術的研究與應用,開發出了高檔的無梭織機———劍桿織機。
劍桿織機的結構由五個基本的部分組成:開口機構、引緯機構、打緯機構、卷取機構和送經機構,五大運動系統中,引緯和打緯兩個系統中有許多高速運行部件,其中引緯機構的作用是將緯紗引入梭口,使之能與經紗交織組成織物,打緯機構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是決定織物質量的關鍵,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、鋼筘運動規律的分析,以及對它們之間配合關系的分析、優化,對于探索劍桿織機的機理、提高設計水平有著至關重要的意義。本文以劍桿織機的引緯機構和打緯機構運動學和動力學分析,介紹VPD技術的應用。
二、運動學分析
1.逆向設計
VPD是基于數字樣機的技術。參照現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方法測繪,并轉換為三維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據進行處理、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和打緯機構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
品的CAD設計模型,添加一定的相關信息,轉換成ADAMS運動學、動力學分析模型。由于產品的設計模型是在PROPE中生成,相關信息的添加也是在PROPE的環境中進行的,所以能夠充分利用產品的各種特征信息,使得建模變得非常容易,并且能夠保證各工程分析環節所建模型數據的一致性。但MECHANISMPPRO畢竟是ADAMS的簡化版本,要構造復雜的模型,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的機構和零部件盡量刪去。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構做適當的簡化。將簡化模型在PROPE中建好后,在ADAMSPPRO環境中定義剛體,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、定義的約束和質量特性,直接傳入ADAMSPVIEW中進行詳細建模,如定義約束、驅動(600rPs)、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
通過定義適當的啟動時刻和終止時刻以及步長,或定義周期和運算次數來仿真運算。經分析運算可知機構如何運轉以及每一點、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)。
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