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一、前言

自60年代以來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,國(guó)際上計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)如CAD、CAE、CAPP、CAM、CAT、VR、VM等的應(yīng)用程度日益提高、范圍日益擴(kuò)大。從60年代到70年代末,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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(lái),CAD從2維發(fā)展到3維,各類(lèi)CAE技術(shù)迅速發(fā)展,CAM、CAPP等也取得了很大進(jìn)展,進(jìn)一步可實(shí)現(xiàn)各種CAX軟件之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn),如PDES、STEP逐步產(chǎn)生出來(lái)。

90年代初,人們從波音777飛機(jī)的開(kāi)發(fā)中總結(jié)提出了虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)(VPD)和虛擬制造(VM)的概念,即在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)以及制造的本質(zhì)過(guò)程,采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等,使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造技術(shù)從傳統(tǒng)的方法發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段。

高速度、高精度、輕重量、高效能、低噪音、自動(dòng)化、智能化已成為現(xiàn)代機(jī)械的重要標(biāo)志和發(fā)展方向。

根據(jù)紡織工業(yè)“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo),我國(guó)織機(jī)無(wú)梭化率將以每年1%的速度遞增。因此,我國(guó)紡織機(jī)械面臨著急需進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,逐步實(shí)現(xiàn)從有梭到無(wú)梭的轉(zhuǎn)變。從1997年開(kāi)始,我們以清華大學(xué)國(guó)家CIMS中心為技術(shù)依托,開(kāi)展基于數(shù)字樣機(jī)的虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究與應(yīng)用,開(kāi)發(fā)出了高檔的無(wú)梭織機(jī)———劍桿織機(jī)。

劍桿織機(jī)的結(jié)構(gòu)由五個(gè)基本的部分組成:開(kāi)口機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu)、卷取機(jī)構(gòu)和送經(jīng)機(jī)構(gòu),五大運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中,引緯和打緯兩個(gè)系統(tǒng)中有許多高速運(yùn)行部件,其中引緯機(jī)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(jī)構(gòu)的作用是將引入梭口的緯紗推向織口。

高速劍桿織機(jī)引緯和打緯機(jī)構(gòu)是決定織物質(zhì)量的關(guān)鍵,對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性有很高的要求,因此對(duì)送緯劍頭、接緯劍頭、鋼筘運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析,以及對(duì)它們之間配合關(guān)系的分析、優(yōu)化,對(duì)于探索劍桿織機(jī)的機(jī)理、提高設(shè)計(jì)水平有著至關(guān)重要的意義。本文以劍桿織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)和打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,介紹VPD技術(shù)的應(yīng)用。

二、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.逆向設(shè)計(jì)

VPD是基于數(shù)字樣機(jī)的技術(shù)。參照現(xiàn)有的劍桿織機(jī)物理樣機(jī),采用逆向設(shè)計(jì)方法,首先,將形狀簡(jiǎn)單、精度要求不高的零件用傳統(tǒng)方法測(cè)繪,并轉(zhuǎn)換為三維CAD模型;然而,形狀復(fù)雜、精度要求高的零件,僅采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)繪是不夠的,必須將測(cè)繪獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析,才能用于三維CAD設(shè)計(jì)模型的建立。

2.運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

劍桿織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)和打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析是采用ADAMS軟件進(jìn)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(shè)計(jì)模型,添加一定的相關(guān)信息,轉(zhuǎn)換成ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析模型。由于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(jìn)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(jiǎn)化版本,要構(gòu)造復(fù)雜的模型,需要在建模工具ADAMSPVIEW下

進(jìn)行詳細(xì)建模。

為了便于分析,提高分析效率,需要在PROPE實(shí)體模型中把不相關(guān)的機(jī)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析時(shí),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(gè)別特別復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。將簡(jiǎn)化模型在PROPE中建好后,在ADAMSPPRO環(huán)境中定義剛體,一般將沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件定義為一個(gè)剛體,例如:打緯部件整個(gè)定義為一個(gè)剛體,凸輪箱以及軸承蓋等定義為一個(gè)剛體。然后通過(guò)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(jìn)行詳細(xì)建模,如定義約束、驅(qū)動(dòng)(600rPs)、測(cè)量器等。由于物理零件都是有彈性的,考慮到受力問(wèn)題,往往用若干個(gè)同樣的運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)動(dòng)約束,而在ADAMS中的零件均以剛體對(duì)待,完全照搬勢(shì)必造成過(guò)約束。因此我們將這若干個(gè)運(yùn)動(dòng)副簡(jiǎn)化為一個(gè)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行分析。

3.運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

通過(guò)定義適當(dāng)?shù)膯?dòng)時(shí)刻和終止時(shí)刻以及步長(zhǎng),或定義周期和運(yùn)算次數(shù)來(lái)仿真運(yùn)算。經(jīng)分析運(yùn)算可知機(jī)構(gòu)如何運(yùn)轉(zhuǎn)以及每一點(diǎn)、每一時(shí)刻的位置、速度和加速度。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析后,得到引緯和打緯的位移、速度曲線(如圖2)。