基于计算机仿真技术的织机打纬机构设计

田建学，张 珏，屈晓渊，张俊霞

(1.榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林 719000;2.榆林学院能源工程学院，陕西榆林 719000)

随着计算机与信息技术的飞速发展，计算机仿真技术在智能交通、航空航天、生物、通信等领域得到了广泛的应用和研究。利用计算机仿真技术设计机械机构，提高了产品设计的精度并且缩短了产品开发周期。计算机仿真技术就是利用计算机上的一些仿真软件来帮助设计者进行机械设计。相对于传统的实验、测绘，计算机仿真技术节省了设计者大量精力的同时，也提高了工作效率。利用计算机设计时，便于设计者随时修改一些部件的尺寸，同时还可以对整个机构或者机器进行仿真，这样获得的产品质量更高，产品的设计更加合理［1］。

在机械行业中，计算机仿真技术主要是通过利用二维绘图软件(AutoCAD)和三维绘图软件(Pro/E，UG，SolidWorks等)建立虚拟样机模型，通过数据转换接口将模型导入到动力学仿真分析软件(ADAMS)和有限元分析软件(ANSYS)进行仿真分析和优化设计虚拟样机模型，使最后得到的虚拟样机能够达到生产的要求［2］。

本文主要是利用计算机仿真技术设计喷气织机中打纬机构，使得打纬机构能够满足织机织造时的生产要求。织机中打纬机构的主要作用就是将纱线推至织口，使得织物的织造过程有序地进行［3］。首先在动力学分析软件ADAMS中建立了参数化的打纬机构功能型模型，通过优化设计最后得到符合织造要求的四连杆打纬机构。根据优化得到的数据，再在Pro/E中建立织机打纬机构的虚拟样机模型。最后通过数据转换接口将虚拟样机模型导入到ADAMS中进行动力学仿真分析，并对机架进行了有限元分析。利用计算机仿真技术设计的织机打纬机构，为设计者设计机械机构或机器提供了参考。

1 打纬机构的设计

1.1 打纬机构的工作原理

目前来说，打纬机构主要有凸轮打纬机构和四连杆打纬机构这两种，四连杆打纬机构的应用较为广泛。四连杆打纬机构实际上就是曲柄摇杆机构。本文设计的喷气织机上的打纬机构就采用了四连杆打纬机构，并且采用两套四连杆机构分为左右轴在两侧对称布置。下面介绍一侧的打纬机构的设计，另一侧的打纬机构与其完全相同。

在ADAMS中建立了四连杆打纬机构的功能型模型，如图1所示，曲柄作整周运转，带动连杆作摆动，驱动摇杆摆动，由摇杆带动钢筘作往复运动，这样就实现了织造过程中的打纬运动。在建立四连杆打纬机构的功能型模型时，通过利用ADAMS中参数化点坐标的方法，进行四连杆打纬机构的参数化建模。通过优化设计实现了喷气织机打纬机构的较好运动规律，从而得到优化后各杆件的尺寸［4］。

1.2 打纬机构的三维模型

根据上述优化后的结构尺寸，利用Pro/E强大的三维建模功能建立了打纬机构。在Pro/E中先建立各个部件的三维模型，最后将这些零件装配起来。在模型装配时，对零件装配的先后顺序要作周密的考虑，并且要保证两侧连杆和摇杆的初始相位一致，同时要将钢筘装配到极限位置，这样便于仿真。

图1 四连杆打纬机构的参数化模型Fig.1 Parameter model of four-bar beating up mechanism

图2是在pro/E中建立的四连杆打纬机构的三维模型，曲轴和摇轴的两端通过轴承与左右墙板联接。整个打纬机构的动力源由曲轴1输入，然后分开两条路线传输:一是1-2-3-4;二是通过主轴8穿到机构对称的另一侧。最后将动力传到摇轴上，再由摇轴带动钢筘实现往复摆动，使得钢筘将纬纱推至织口，这就完成了打纬动作［5］。

图2 四连杆打纬机构Fig.2 Four-bar beating-up mechanism

2 打纬机构的仿真分析

2.1 运动学仿真分析

本次设计的打纬机构工况转速为600r/min，其中所有部件都可以看作是刚性的，左右两侧对称的四连杆打纬机构的运动是同步的，所以这里只对一侧的打纬机构进行分析。为分析方便，建立了简化示意图，如图3所示。

图3中线段AB，BC和CD为简化后的曲轴、牵手和摇杆。设定曲轴沿逆时针方向转动，以曲轴轴承中心为坐标原点建立坐标系。由图4可得机构的矢量方程分别在X轴和Y轴上投影，得到位移方程

图3 打纬机构简化示意图Fig.3 Simplified diagram of beating-up mechanism

将式(1)对时间求一阶导数，得到速度和加速度的方程组如下:

上述方程组中，θ1，θ2，θ3分别表示曲柄、牵手、摇杆与 X 轴正向的夹角，ω1，ω2，ω3分别表示曲柄、牵手、摇杆的角速度，α1，α2，α3分别表示曲柄、牵手、摇杆的角加速度［5］。下面就利用ADAMS对打纬机构筘座的位移、速度、加速度进行仿真分析。将在Pro/E中建立的三维模型通过数据转换接口导入ADAMS中，添加约束和参数设置后进行仿真［6］。

在ADAMS软件中对筘座仿真时将织机主轴速度设为600r/min，仿真时间设置为2s，正好打纬运动完两个周期。筘座的位移、速度和加速度仿真结果如图4所示。

由图4可以看出，所设计的四连杆打纬机构具有良好的运动规律和动力学特性，在打纬运动开始时，筘座的速度为零，正加速度为2000 mm/s2，符合喷气织机打纬的要求。通过在Adams/PostProcessor中对其位移曲线的测量计算得到了该织机的打纬动程为70 mm，符合织物织造的要求。从图中看到速度和加速度曲线呈波浪形变化，且起伏较为平稳，这样可以减小筘座的振动。打纬时，当钢筘摆至后死心位置时，在梭口中间开始引纬;当钢筘摆至前死心位置时，筘槽把纬纱推至织口［7］。

图4 筘座的运动规律曲线Fig.4 The motion curve of the sley

2.2 运动学仿真分析

喷气织机打纬机构在运转过程中会产生惯性载荷，主要包括惯性力和惯性力矩。这样会对织机的机架产生冲击力，同时机架还承受着偏心力，这就使得机器在运作时会产生振动和噪声，通过改善墙板上的冲击载荷来提高织机的抗振性。为研究高速织机的振动问题，下面就对墙板上受到的冲击载荷和主轴电机的输入力矩进行仿真分析，结果如图5和6所示。

图5 不同主轴转速对墙板的冲击力Fig.5 Impact force of different spindle speeds on wall panels

从图5中可以清楚地看出，随着主轴转速增高，对左右墙板的冲击力也在不断地增加，其中当转速达到1 200 r/min时，左墙板受到的冲击力高达1.241 1×105N。这样当冲击力达到一定程度，整个机架就会发生强烈的振动，同时随着主轴转速的提高，电机的输入力矩也在增大，使得传动系统的负载在逐渐地增加，严重影响了织机的正常工作，甚至会破坏整个织机的整体性［8］。

图6 不同主轴转速下伺服电机输入力矩Fig.6 Input torque of servo motor with different spindle speeds

3 墙板的有限元分析

鉴于墙板受到一定程度的冲击力，对其进行有限元分析是很有必要的。ANSYS/Workbench是一款分析功能强大的软件，它可将在Pro/E中建立的墙板无缝连接模型加载至该软件中进行分析计算。

首先在Engineering Data中选用墙板的材料为灰铸铁，其参数设置为:密度7 200 kg/m3;弹性模量为110GPa;PR泊松比为0.28。接下来进行网格的划分，网格划分的好坏直接影响计算结果，划分网格的数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算量也增大。墙板的实体模型简单而且没有较多的限制，在此采用了自由划分网格的方法对其进行划分，划分结果如图7所示。

从图7中可以看出，网格划分后得到的单元全部为三角形。这样的单元便于后面的计算并且计算精度也较高。

由于打纬机构在运动过程中，左墙板承受的冲击载荷较大，因此，本文只对左墙板进行有限元分析，将墙板的底座与地面固定，选取在ADAMS中仿真时运动平稳后的冲击力数据，当转速为600，800和1 200 r/min时，机构运动平稳后测得曲轴对墙板的冲击力分别为1.053 2×105N，1.165 9×105N和1.241 1×105N，摇轴对墙板的冲击力分别为8.291 8×104N，9.002 5×104N和1.200 0×105N。将这些冲击力数据加载到曲轴与墙板连接的孔上以及摇轴与墙板连接的孔上，同时选取等效应力、等效应变和总变形来查看墙板的变形情况，如图8所示。

图7 墙板的有限元模型Fig.7 Finite element model of wall panels

由图6中的振型可以看出，在主轴转速较低时，喷气织机具有较好的动力学特性。但随着织机主轴转速的提高，墙板受到的冲击力也越来越大，墙板的变形也越来越严重。当主轴的转速为600，800和1 200 r/min时，总变形为1.028 8mm，2.838 8mm和5.702 3mm。当转速达到1 200 r/min时，墙板已发生了明显的变形。

喷气织机的转速还可以提高，甚至可以达到2 000r/min，这样打纬惯性力对整个机架将会产生强烈的冲击力。为了适应织机高速低振的要求，设计者在设计时必须考虑到织机在高速运作时的动平衡问题。

4 结语

本文利用计算机仿真技术设计的喷气织机的打纬机构，能够满足织机织造的要求，同时也为织机的其他机构的设计提出了一种新的设计方法。基于计算机仿真技术设计的喷气织机的打纬机构具有较好的运动规律和动力学特性，并且能够达到织造的要求。该设计方法不仅可以用在纺织行业，也可用在航天航空行业、汽车行业和船舶行业等，特别是一些尖端科学领域。

图8 不同主轴转速条件下墙板的等效应力、等效应变及总变形Fig.8 Equivalent stress and strain and total deformation of wall under different spindle speeds

［1］ QIAN Yong-ming，YAN Hong-xia.Design of Electronic Weft-Insertion System for Three-Dimensional Loom［J］.Journal of Donghua University(Eng.Ed)，2015(3):466-469.

［2］ 唐学梅，巫世晶，朱伟林，等.高速剑杆织机打纬机构运动精度可靠性分析与计算［J］.天津工业大学学报，2015(1):78-83.

［3］ 高顺成.中国纺织业对国民经济发展的贡献研究［J］.纺织学报，2014(7):145-151.

［4］ HELLESLAND J.Evaluation of effective length formulas and applications in system instablility analysisi［J］.Engineering Structures，2012，45:405-420.

［5］ CLELIK H I，TOPALBEKIROGLU M.Kinematic analysis and synthesis of the beat up mechanism for handmade carpet looms［J］.The Journal of The Textile Institute，2010，101(10):882-889.

［6］ WALDRON K J，KINZEL G L，KINZEL G.Kinematic，dynamics，and design of machinery，2edition［M］.New York:Wiley，1999.

［7］ UICKER J J，PENNOCK G R，SHIGLEY J E.Theory of machines and mechanisms［M］.Oxford:Oxford U-niversity Press，2011.

［8］ 杨周，张义民.基于四阶矩技术的连杆的可靠性灵敏度设计［J］.中国工程机械学报，2011，9(2):139-144.