鞏健　張繼忠

摘要： 針對(duì)傳統(tǒng)落紗機(jī)存在的效率低、易損傷紗管等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)落紗機(jī)。主氣缸驅(qū)動(dòng)由串聯(lián)式組合機(jī)構(gòu)組成的拔管機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拔管功能，在載荷一定的情況下，自動(dòng)落紗機(jī)所需主氣缸驅(qū)動(dòng)力的大小與主動(dòng)搖桿尺寸以及主氣缸的安裝位置有關(guān)。在保證拔管過(guò)程不變和不發(fā)生干涉的條件下，基于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，建立參數(shù)化模型，并進(jìn)行優(yōu)化仿真分析，得到自動(dòng)落紗機(jī)主氣缸驅(qū)動(dòng)力最小時(shí)主動(dòng)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(dǎo)入ADAMS，與原模型仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。優(yōu)化結(jié)果表明，優(yōu)化后新的落紗機(jī)模型與原模型相比，氣缸驅(qū)動(dòng)力的變化趨勢(shì)類似，運(yùn)動(dòng)過(guò)程和所實(shí)現(xiàn)的功能不變，證明新的結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，但優(yōu)化后的落紗機(jī)主氣缸驅(qū)動(dòng)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(jī)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(guān)鍵詞： 自動(dòng)落紗機(jī)； 拔管機(jī)構(gòu)； 參數(shù)化建模； ADAMS； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TS103.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

通常情況下，傳統(tǒng)的電動(dòng)落紗機(jī)采用預(yù)松盤(pán)和落紗盤(pán)落紗。預(yù)松盤(pán)和落紗盤(pán)與水平面有一定的傾斜角，在落紗過(guò)程中會(huì)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(huì)對(duì)錠子造成一定的撞擊，損傷紗管，這是紡制高品質(zhì)紗線存在的比較嚴(yán)重的問(wèn)題之一[2]。針對(duì)上述問(wèn)題，天津宏大紡織機(jī)械廠、湘潭紡織機(jī)械公司等都先后推出了自己的自動(dòng)落紗機(jī)，但由于存在成本高、程序繁瑣、拔管效率低等缺點(diǎn)，沒(méi)有得到很好的推廣。本文設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)落紗機(jī)。采用料夾夾持紗管頂部，且從垂直于龍筋頂面位置開(kāi)始拔管的方式，拔管機(jī)構(gòu)由搖塊機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)按串聯(lián)式組合方式組成，拔管過(guò)程中連桿可在導(dǎo)向軸中自由移動(dòng)，使錠子在水平方向受力很小，不會(huì)損傷錠子。拔管過(guò)程中，料夾不接觸紗線，紗線也不會(huì)受損[3]。每次可以拔取3個(gè)紗管，提高了拔管效率。在保證拔管過(guò)程不變和一定的機(jī)構(gòu)尺寸條件下，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)落紗機(jī)主氣缸驅(qū)動(dòng)力最小，對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，并利用ADAMS建立其參數(shù)化模型，對(duì)自動(dòng)落紗機(jī)拔管機(jī)構(gòu)初始參數(shù)進(jìn)行更改，優(yōu)化仿真分析，得出最小的主氣缸驅(qū)動(dòng)力以及最優(yōu)的主動(dòng)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(dǎo)入機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）中仿真，與優(yōu)化前模型的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了自動(dòng)落紗機(jī)最優(yōu)的尺寸參數(shù)。該研究對(duì)紡制高品質(zhì)紗線具有重要意義。

1參數(shù)化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及參數(shù)化模型的創(chuàng)建

自動(dòng)落紗機(jī)總體方案設(shè)計(jì)二維圖如圖1所示。拔管機(jī)構(gòu)主要包括雙搖桿機(jī)構(gòu)和搖塊機(jī)構(gòu)。自動(dòng)落紗機(jī)主氣缸在工作過(guò)程中，所需主氣缸驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)力與雙搖桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)搖桿的尺寸和主氣缸的位置有關(guān)。因此，將主動(dòng)搖桿的尺寸和氣缸位置作為參數(shù)變量，對(duì)主氣缸力進(jìn)行分析。ADAMS參數(shù)化建模對(duì)模型的幾何形狀沒(méi)有要求，可以對(duì)真實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化[4]。

1.1參數(shù)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法

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

1）參數(shù)化點(diǎn)坐標(biāo)。對(duì)模型參數(shù)化建模，使用點(diǎn)坐標(biāo)建立虛擬樣機(jī)，可以通過(guò)對(duì)點(diǎn)坐標(biāo)值的修改，與參數(shù)化點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的對(duì)象就會(huì)自動(dòng)更新。

2）設(shè)置設(shè)計(jì)變量。參數(shù)化建模時(shí)將研究部分設(shè)置為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)變量值，可方便修改與變量相關(guān)的模型。

3）運(yùn)動(dòng)方程的參數(shù)化。參數(shù)化運(yùn)動(dòng)方程可以使研究的模型按預(yù)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

4）參數(shù)表達(dá)式法。這是對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化最常用，也是最基礎(chǔ)的方法之一[7]。當(dāng)模型相對(duì)復(fù)雜，不能輕易描述對(duì)象間的聯(lián)系時(shí)，使用參數(shù)化表達(dá)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(dǎo)入ADAMS中，由于模型不能修改參數(shù)，因此對(duì)自動(dòng)落紗機(jī)的主

動(dòng)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(diǎn)坐標(biāo)的建模方法。參數(shù)化點(diǎn)的確立主要有2個(gè)原則[3]：一是所建立的參數(shù)化點(diǎn)能夠確定模型的位置和方向[3]；二是根據(jù)點(diǎn)可創(chuàng)建模型可視化幾何實(shí)體[3]。

自動(dòng)落紗機(jī)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，拔管瞬間所需要的驅(qū)動(dòng)力最大，因此主要分析自動(dòng)落紗機(jī)在拔管時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力，對(duì)復(fù)雜的落紗機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。落紗機(jī)簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示。

對(duì)自動(dòng)落紗機(jī)的主動(dòng)搖桿以及主氣缸具體建模過(guò)程如下：

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

2）創(chuàng)建設(shè)計(jì)點(diǎn)。設(shè)計(jì)點(diǎn)分布圖如圖3所示。以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建模，將落紗機(jī)氣缸水平方向的坐標(biāo)（即E點(diǎn)橫坐標(biāo)）設(shè)置為變量（DV_1），豎直方向的坐標(biāo)（即E點(diǎn)縱坐標(biāo)）設(shè)置為變量（DV_2），落紗機(jī)主動(dòng)搖桿夾角設(shè)置為變量（DV_AOB），落紗機(jī)主動(dòng)搖桿轉(zhuǎn)軸與氣缸桿連接點(diǎn)的長(zhǎng)度設(shè)置為變量（DV_OB）。各設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)值和設(shè)計(jì)變量如表1所示。

3）創(chuàng)建主動(dòng)搖桿、主氣缸桿、主氣缸等。自動(dòng)落紗機(jī)拔管機(jī)構(gòu)模型如圖4所示。利用已生成的點(diǎn)分別創(chuàng)建各構(gòu)件，并添加固定支架，根據(jù)各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，添加運(yùn)動(dòng)副，在主氣缸處添加驅(qū)動(dòng)，從而完成該機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型的創(chuàng)建。

2ADAMS仿真及結(jié)果分析

自動(dòng)落紗機(jī)拔管機(jī)構(gòu)各設(shè)計(jì)變量的初始值及變化范圍如表2所示。

對(duì)落紗機(jī)拔管機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)置目標(biāo)函數(shù)為Maximum of MOTION_1_MEA_1，即氣缸驅(qū)動(dòng)力的最大值；設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為Maximum of MOTION_1_MEA_1，即氣缸驅(qū)動(dòng)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(jī)主氣缸驅(qū)動(dòng)力變化圖如圖6所示。

由圖5和圖6可以看出，經(jīng)過(guò)7次迭代運(yùn)算之后，ADAMS找到最優(yōu)解，并自動(dòng)生成一個(gè)新的樣機(jī)模型，目標(biāo)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(jī)構(gòu)尺寸的限制和機(jī)構(gòu)不影響正常運(yùn)行，在給定范圍內(nèi)，對(duì)四個(gè)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(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真，得到主氣缸力并與優(yōu)化前模型的主氣缸力進(jìn)行對(duì)比。

3ADAMS仿真驗(yàn)證

將裝配后新的落紗機(jī)模型用Parasolid文件導(dǎo)入ADAMS中，導(dǎo)入ADAMS中的落紗機(jī)模型如圖7所示。優(yōu)化前落紗機(jī)主氣缸驅(qū)動(dòng)力如圖8所示。對(duì)導(dǎo)入模型的各構(gòu)件依次更改名字、添加材料屬性及約束和驅(qū)動(dòng)，仿真得到優(yōu)化后主氣缸驅(qū)動(dòng)力，優(yōu)化后落紗機(jī)主氣缸驅(qū)動(dòng)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(jī)模型與原模型相比，氣缸驅(qū)動(dòng)力的變化趨勢(shì)類似，運(yùn)動(dòng)過(guò)程和所實(shí)現(xiàn)的功能不變，證明新的結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，但優(yōu)化后的落紗機(jī)主氣缸驅(qū)動(dòng)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(jī)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(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)落紗機(jī)存在的弊端設(shè)計(jì)了一種新型的自動(dòng)落紗機(jī)，為了進(jìn)一步提高自動(dòng)落紗機(jī)傳力性能，對(duì)其拔管機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化?？偨Y(jié)了ADAMS參數(shù)化建模的一般方法，基于此方法建立了落紗機(jī)拔管機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，進(jìn)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(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)力下降效果顯著，傳力性能得到了較大提升，拔管機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)取得了很好的設(shè)計(jì)效果。該方法具有一定的使用價(jià)值。另外，該課題也存在很大的提升空間，例如進(jìn)一步增加自動(dòng)落紗機(jī)一次性拔管數(shù)量，拔管過(guò)程進(jìn)一步優(yōu)化等。

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