基于ADAMS的自動落紗機拔管機構參數(shù)化設計

鞏健　張繼忠

摘要： 針對傳統(tǒng)落紗機存在的效率低、易損傷紗管等缺點，本文設計了一種新型自動落紗機。主氣缸驅動由串聯(lián)式組合機構組成的拔管機構實現(xiàn)拔管功能，在載荷一定的情況下，自動落紗機所需主氣缸驅動力的大小與主動搖桿尺寸以及主氣缸的安裝位置有關。在保證拔管過程不變和不發(fā)生干涉的條件下，基于機械系統(tǒng)動力學自動分析，建立參數(shù)化模型，并進行優(yōu)化仿真分析，得到自動落紗機主氣缸驅動力最小時主動搖桿尺寸和主氣缸的安裝位置參數(shù)，將優(yōu)化后的模型重新建模，并導入ADAMS，與原模型仿真數(shù)據(jù)進行對比。優(yōu)化結果表明，優(yōu)化后新的落紗機模型與原模型相比，氣缸驅動力的變化趨勢類似，運動過程和所實現(xiàn)的功能不變，證明新的結構參數(shù)滿足設計要求，但優(yōu)化后的落紗機主氣缸驅動力最大值由1 34064 N減小到92768 N，減小了3080%，有效提高了落紗機傳力性能，優(yōu)化效果顯著。該研究在一定程度上節(jié)約了能源。

關鍵詞： 自動落紗機； 拔管機構； 參數(shù)化建模； ADAMS； 優(yōu)化設計

中圖分類號： TS103.2文獻標識碼： A

通常情況下，傳統(tǒng)的電動落紗機采用預松盤和落紗盤落紗。預松盤和落紗盤與水平面有一定的傾斜角，在落紗過程中會產(chǎn)生拔取紗管的垂直分力和額外的水平分力[1]，水平分力會對錠子造成一定的撞擊，損傷紗管，這是紡制高品質紗線存在的比較嚴重的問題之一[2]。針對上述問題，天津宏大紡織機械廠、湘潭紡織機械公司等都先后推出了自己的自動落紗機，但由于存在成本高、程序繁瑣、拔管效率低等缺點，沒有得到很好的推廣。本文設計了一種新型自動落紗機。采用料夾夾持紗管頂部，且從垂直于龍筋頂面位置開始拔管的方式，拔管機構由搖塊機構和雙搖桿機構按串聯(lián)式組合方式組成，拔管過程中連桿可在導向軸中自由移動，使錠子在水平方向受力很小，不會損傷錠子。拔管過程中，料夾不接觸紗線，紗線也不會受損[3]。每次可以拔取3個紗管，提高了拔管效率。在保證拔管過程不變和一定的機構尺寸條件下，為實現(xiàn)自動落紗機主氣缸驅動力最小，對模型進行一定的簡化處理，并利用ADAMS建立其參數(shù)化模型，對自動落紗機拔管機構初始參數(shù)進行更改，優(yōu)化仿真分析，得出最小的主氣缸驅動力以及最優(yōu)的主動搖桿尺寸和主氣缸安裝位置參數(shù)。根據(jù)新的參數(shù)在SolidWorks中重新建模，并導入機械系統(tǒng)動力學自動分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）中仿真，與優(yōu)化前模型的仿真結果進行對比，得到了自動落紗機最優(yōu)的尺寸參數(shù)。該研究對紡制高品質紗線具有重要意義。

1參數(shù)化設計理論基礎及參數(shù)化模型的創(chuàng)建

自動落紗機總體方案設計二維圖如圖1所示。拔管機構主要包括雙搖桿機構和搖塊機構。自動落紗機主氣缸在工作過程中，所需主氣缸驅動力的大小隨載荷的變化而變化，在載荷確定的情況下，所需主氣缸驅動力與雙搖桿機構主動搖桿的尺寸和主氣缸的位置有關。因此，將主動搖桿的尺寸和氣缸位置作為參數(shù)變量，對主氣缸力進行分析。ADAMS參數(shù)化建模對模型的幾何形狀沒有要求，可以對真實機構進行必要的簡化[4]。

1.1參數(shù)化設計及優(yōu)化方法

ADAMS提供了強大的參數(shù)化建模功能[5]。建模時可將參數(shù)變量設置為可變變量，仿真分析時，只要改變可變變量的值，就能方便地得到新的虛擬樣機模型，將所研究的性能參數(shù)設置為目標函數(shù)，ADAMS系統(tǒng)循環(huán)迭代，讓設計參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，使目標函數(shù)的值最大或最小化，獲得使產(chǎn)品性能最佳時的各項參數(shù)。ADAMS/View提供的建模方法[6]如下：

1）參數(shù)化點坐標。對模型參數(shù)化建模，使用點坐標建立虛擬樣機，可以通過對點坐標值的修改，與參數(shù)化點相關聯(lián)的對象就會自動更新。

2）設置設計變量。參數(shù)化建模時將研究部分設置為設計變量，通過改變設計變量值，可方便修改與變量相關的模型。

3）運動方程的參數(shù)化。參數(shù)化運動方程可以使研究的模型按預定的軌跡進行運動。

4）參數(shù)表達式法。這是對模型進行參數(shù)化最常用，也是最基礎的方法之一[7]。當模型相對復雜，不能輕易描述對象間的聯(lián)系時，使用參數(shù)化表達式是一種重要的方法[8]。

1.2參數(shù)化模型的創(chuàng)建

將SolidWorks等建模軟件中的模型直接導入ADAMS中，由于模型不能修改參數(shù)，因此對自動落紗機的主

動搖桿以及主氣缸采用參數(shù)化建模的方法。

本文主要采用參數(shù)化點坐標的建模方法。參數(shù)化點的確立主要有2個原則[3]：一是所建立的參數(shù)化點能夠確定模型的位置和方向[3]；二是根據(jù)點可創(chuàng)建模型可視化幾何實體[3]。

自動落紗機在整個運動過程中，拔管瞬間所需要的驅動力最大，因此主要分析自動落紗機在拔管時所需驅動力，對復雜的落紗機進行簡化處理。落紗機簡化示意圖如圖2所示。

對自動落紗機的主動搖桿以及主氣缸具體建模過程如下：

1）啟動ADAMS/View，設置操作環(huán)境。依次設置經(jīng)典界面；設置背景為白色，取消漸進顯示；設置單位為mm，設置工作柵欄size=600，spacing=20，設置圖標大小為20，檢查重力設置，選擇存儲目錄。

2）創(chuàng)建設計點。設計點分布圖如圖3所示。以O點為坐標原點建模，將落紗機氣缸水平方向的坐標（即E點橫坐標）設置為變量（DV_1），豎直方向的坐標（即E點縱坐標）設置為變量（DV_2），落紗機主動搖桿夾角設置為變量（DV_AOB），落紗機主動搖桿轉軸與氣缸桿連接點的長度設置為變量（DV_OB）。各設計點的坐標值和設計變量如表1所示。

3）創(chuàng)建主動搖桿、主氣缸桿、主氣缸等。自動落紗機拔管機構模型如圖4所示。利用已生成的點分別創(chuàng)建各構件，并添加固定支架，根據(jù)各構件之間的運動關系，添加運動副，在主氣缸處添加驅動，從而完成該機構參數(shù)化模型的創(chuàng)建。

2ADAMS仿真及結果分析

自動落紗機拔管機構各設計變量的初始值及變化范圍如表2所示。

對落紗機拔管機構進行優(yōu)化。設置目標函數(shù)為Maximum of MOTION_1_MEA_1，即氣缸驅動力的最大值；設置優(yōu)化目標為Maximum of MOTION_1_MEA_1，即氣缸驅動力的最小值；參數(shù)變量為（DV_1）、（DV_2）、（DV_OB）、（DV_AOB）。各變量的迭代次數(shù)曲線如圖5所示，落紗機主氣缸驅動力變化圖如圖6所示。

由圖5和圖6可以看出，經(jīng)過7次迭代運算之后，ADAMS找到最優(yōu)解，并自動生成一個新的樣機模型，目標函數(shù)Maximum of MOTION_1_MEA_1的值減小到92768 N左右，可以看出優(yōu)化效果顯著。

考慮到機構尺寸的限制和機構不影響正常運行，在給定范圍內(nèi)，對四個變量依次取最優(yōu)解分別為（DV_1）=2406；（DV_2）=-3655；（DV_AOB）=160°；（DV_OB）=100 mm。根據(jù)新的尺寸，利用SolidWorks重新建模，將模型導入ADAMS中進行仿真，得到主氣缸力并與優(yōu)化前模型的主氣缸力進行對比。

3ADAMS仿真驗證

將裝配后新的落紗機模型用Parasolid文件導入ADAMS中，導入ADAMS中的落紗機模型如圖7所示。優(yōu)化前落紗機主氣缸驅動力如圖8所示。對導入模型的各構件依次更改名字、添加材料屬性及約束和驅動，仿真得到優(yōu)化后主氣缸驅動力，優(yōu)化后落紗機主氣缸驅動力如圖9所示。

比較圖8和圖9可以看出，優(yōu)化后新的落紗機模型與原模型相比，氣缸驅動力的變化趨勢類似，運動過程和所實現(xiàn)的功能不變，證明新的結構參數(shù)滿足設計要求，但優(yōu)化后的落紗機主氣缸驅動力最大值由1 34064 N減小到92768 N，減小了3080%，有效提高了落紗機傳力性能，優(yōu)化效果顯著，這也在一定程度上節(jié)約了能源。

4結束語

針對傳統(tǒng)落紗機存在的弊端設計了一種新型的自動落紗機，為了進一步提高自動落紗機傳力性能，對其拔管機構進行優(yōu)化。總結了ADAMS參數(shù)化建模的一般方法，基于此方法建立了落紗機拔管機構的參數(shù)化模型，進行了仿真分析，得到了新的模型參數(shù)。根據(jù)所得的最優(yōu)解在SolidWorks中建立新的模型，導入ADAMS中進行仿真，仿真結果表明驅動力下降效果顯著，傳力性能得到了較大提升，拔管機構的參數(shù)化設計取得了很好的設計效果。該方法具有一定的使用價值。另外，該課題也存在很大的提升空間，例如進一步增加自動落紗機一次性拔管數(shù)量，拔管過程進一步優(yōu)化等。

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