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)。
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