基于ADAMS和ANSYS的空間四桿引緯機構優化研究*

周凱紅，張學謙，郭玉田

(桂林理工大學 機械與控制工程學院，廣西 桂林 541006)

0 引 言

劍桿織機作為常用的一種紡織機械，由于具有可靠性好、轉速快、效能高和適應性強等特點被廣泛應用到紡織工業中[1]。引緯機構作為劍桿織機中的重要組成之一，其運動的平穩性和運動精度直接決定了織機性能的可靠性和織物的質量，故眾多學者紛紛對引緯機構的優化設計進行了探究。

竺志超等[2]針對空間六桿組合的引緯機構，首次提出采用遺傳算法對其進行了優化設計，最終證明了利用該算法對引緯機構進行優化是可行的；陳建能等[3]提出了一種改進的遺傳算法，對一種新型引緯機構進行了復雜約束下的多目標優化，優化結果滿足要求；唐朝飛等[4]對空間連桿引緯機構建立了虛擬樣機模型，針對質量和剛度進行了結構優化，提高了碳纖維引緯的質量；周香琴等[5]考慮各構件主軸等效轉動慣量的變化規律，提出減小其中占比較大的構件的質量和轉動慣量，并采取了織機實物樣機加以測試驗證，最終結果表明，優化方案對減輕織機振動、提高織機車速有明顯的效果。

本研究提出利用ADAMS參數化建模和ADAMS-ANSYS聯合剛柔耦合分析的方法，從機構運動參數和提高結構剛度兩方面對空間四桿引緯機構進行優化設計，為該機構的進一步分析和優化提供理論基礎。

1 引緯機構運動學分析及仿真驗證

空間四桿引緯機構簡圖如圖1所示。

圖1 空間四桿引緯機構簡圖0—箱體；1—曲柄；2—叉形連桿；3—十字擺軸；4—連桿；5—扇形齒輪；6—傳動齒輪；7—劍輪；8—劍帶

圖1中，電機的輸出運動在A處輸入到引緯機構系統，帶動曲柄1做整周轉動，從而帶動叉形連桿2做復雜空間運動，十字擺軸3在箱體0的約束和叉形連桿2的帶動下往復擺動，即空間4R機構的輸出運動；通過平面四桿機構OEFG，帶動扇形齒輪5做往復擺動；扇形齒輪5上設有一滑槽，連桿4的F端可以在滑槽中移動，從而間接地改變鉸接點F、G之間的距離，達到調節劍帶動程的目的；經過傳動齒輪6和劍輪7的運動放大，運動傳遞到劍帶8上，劍帶8做往復直線運動，實現引緯。

1.1 運動學建模

首先分析空間4R機構部分，為建立輸出轉角θ0和輸入轉角θ1的關系。假想將桿件2拆離，結合空間機構學知識，采用方向余弦矩陣法[6]，可得到關系式如下：

(0,0,1)[C23][C30][C01](0,0,1)T=cosα12

(1)

式中：C01，C23，C30—坐標系變換矩陣；α12—Z1與Z2的夾角。

將其代入坐標系變換矩陣，經化簡整理可得：

(2)

式中：α01—Z0與Z1的夾角。

分析圖1中的幾何關系可得：

θ4=θ0-αCOE

(3)

式中：αCOE—十字擺軸中CO和OE的夾角；θ4—OE與固定坐標系Y軸正方向的夾角。

在圖1所示的固定坐標系OXYZ中，根據幾何關系可得：

(4)

式中：LOE，LEF，LFG，LOG—鉸接點O與E，E與F，F與G，O與G間的距離，mm；θ5—EF與固定坐標系Y軸正方向的夾角；θ6—扇形齒輪的轉角。

將式(4)化簡，可得到θ6和θ4的關系式為：

(5)

根據實際裝配方案和運動連續性，式(5)中取負號；根據扇形齒輪、傳動齒輪、劍輪和劍帶的裝配關系，可得出劍帶的位移方程為：

(6)

式中：d5—扇形齒輪分度圓直徑，mm；d6—傳動齒輪分度圓直徑，mm；d7—劍輪分度圓直徑，mm。劍帶位移對時間求導即可得到劍帶的速度v和加速度a。

1.2 運動學仿真驗證分析

筆者利用UG對引緯機構的各構件進行了三維建模，并根據圖1中各構件的位置關系，對所建零件模型進行了虛擬裝配，利用測量功能對裝配體進行了參數測量。

各構件運動幾何參數如表1所示。

表1 各構件運動幾何參數

筆者應用MATLAB軟件[7]并結合理論分析，得出劍帶運動函數關系式。假設曲柄轉動速度為400 r/min，曲柄旋轉一周為一個周期；根據表1中測得運動幾何參數，求得劍帶一個運動周期內的運動規律曲線，并將結果與ADAMS仿真結果進行對比。

劍帶運動規律理論與仿真對比曲線如圖2所示。

圖2 劍帶運動規律理論與仿真對比曲線

分析圖2可知：理論計算與軟件仿真的結果基本一致，驗證了理論分析的正確性。該結果為進一步優化分析提供了有效依據。

2 基于運動平穩性的剛體動力學優化

對于高速運轉的引緯機構，劍帶運動的平穩性是衡量其動力學性能的重要指標，而動力學性能主要體現在其加速度的變化規律。加速度過大會使構件慣性力增大，從而使沖擊力增大，給織機帶來振動、磨損、斷緯等負面影響。所以在滿足引緯要求的前提下，應盡量減小劍帶的最大加速度。

2.1 優化模型建立

根據引緯機構運動學分析并結合實際，選取設計變量為：

X={x1,x2,x3}={α01,α12,LFG}

(7)

將劍帶加速度最大值最小化設為優化目標，用公式表示為：

F(x)=|amax|→min

(8)

同時，不可過于追求單方面性能的好壞，而忽視對其他條件的影響，對于引緯機構其他的一些運動學性能和尺寸要求也應該滿足，故設置約束條件為：

(1)劍帶最大動程要求：

smax≥1 500 mm

(9)

(2)空間4R機構曲柄存在條件：

α01≤α12

(10)

(3)雙搖桿機構桿長條件：

LFG+LOG≥LOE+LEF

(11)

2.2 ADAMS優化實驗及結果分析

在ADAMS中，筆者忽略各個構件的幾何外形，通過建立可參數化的point點，將各構件用簡單的連桿代替，建立引緯機構的參數化模型。

在進行優化設計之前，首先設置設計變量。其中，LFG的長度是由鉸接點F的位置決定的，為方便分析，此處將其對應設計變量改為連桿EF與Y軸正方向的夾角。

設計變量與取值范圍如表2所示。

表2 設計變量與取值范圍

將關鍵設計點point_B、point_C、point_F的坐標值參數化，用設計變量來表示；然后對劍帶的加速度進行測量，將其仿真過程中的最大值設為優化分析的目標函數OBJECTIVE_1；根據上文分析的約束條件，分別設置對應的約束方程OPT_CONSTRAINT_1/2/3；運行ADAMS中的Design Evaluation Tools功能，設置目標為目標函數最小化，選擇設計變量和約束條件，選擇OPTDES-GRG優化算法，運行優化命令。

優化結果對比如表3所示。

表3 優化結果對比

從表3中可以看出，對3個變量同時進行優化，經過迭代計算可以得到一組最佳運動參數。

優化目標劍帶加速度的最大值，從優化前的1.71e+06 mm/s2降到了1.099 9e+06 mm/s2。與此同時，劍帶位移的最大值由之前的1 914 mm減小到了1 500 mm。

優化前后對比曲線如圖3所示。

圖3 優化前后對比曲線

分析圖3可知：在滿足劍帶動程大于或等于1 500 mm的條件下，劍帶加速度的最大值減小了約35.7%，劍帶的運動平穩性得到了顯著提升；加速度運動曲線更加趨向于等腰梯形，在紗緯交接時加速度變化更加平緩，很好地實現了平穩接緯[8]。

3 基于運動精度要求的結構優化

針對劍桿織機在高速運轉條件下工作，部分構件柔性變形較大，嚴重影響了劍帶的運動精度，對引緯機構進行全剛體動力學分析不足以反映機構的真實工況，故筆者提出運用ADAMS和ANSYS聯合仿真的方法[9,10]，對劍桿織機引緯機構進行剛柔耦合仿真分析。

相較于劍帶的位移和速度，構件的柔性變形對劍帶加速度的影響最大[11]。現筆者將各個構件柔性化，分別建立剛柔耦合模型，通過仿真得到各構件柔性化時劍帶加速度的誤差曲線，對誤差最大的相應構件進行結構優化設計。

3.1 剛柔耦合模型的建立

筆者將要柔性化的構件從UG中導出為x_t格式文件，將生成的文件導入到ANSYS中，密度設為7 801 kg/m3，彈性模量設置為207 GPa，泊松比為0.29，采用SOLID185和MASS21對其進行網格劃分；在與其他構件連接處建立剛性區域，以便在ADAMS中添加運動副；抽取剛性區域的前6階模態，最后導出mnf中性文件；在ADAMS中利用生成的柔性體替換掉相應剛性部件，重新定義運動副，最終得到剛柔耦合仿真模型。

3.2 剛柔耦合動力學仿真分析

在ADAMS中，對剛柔耦合模型施加驅動，電機轉速同樣設為400 r/min，仿真時間為0.15 s。根據引緯機構實際工作情況，劍帶是帶動劍頭做往復運動的，故在劍帶端點處施加一個豎直向下的集中載荷，載荷大小根據劍頭的質量而定，此處設為4 N。

筆者依次對各構件柔性化時的剛柔耦合模型進行仿真，其中扇形齒輪、傳動齒輪、劍輪和劍帶的柔性化帶來的劍帶加速度誤差相對較小，此處不做討論。

仿真得到各構件柔性化時劍帶加速度誤差曲線如圖4所示。

圖4 各構件柔性化時劍帶加速度誤差曲線

分析圖4可知：每個構件的柔性化都會對劍帶的運動精度產生影響，從而影響紗緯交接的穩定性和準確性；其中，連桿的柔性化對劍帶加速度的影響最為顯著，故需要以連桿為例，對其進行結構優化。

3.3 結構優化實驗及結果分析

針對連桿柔性化對劍帶運動精度的影響，筆者提出通過增加連桿的截面尺寸以提高其結構剛度，減小其柔性變形對劍帶加速度的影響；每次將連桿的寬度和厚度增加10 mm，分兩次對連桿進行結構優化[12-13]。

連桿優化前后參數對比如表4所示。

表4 連桿優化前后參數對比

筆者將優化后的連桿重新導入ANSYS中作柔性化處理，然后在ADAMS中進行剛柔耦合仿真分析。分析圖4(d)可知，主軸轉角在[0°,90°]之間時，誤差相對較大。為更清晰地對比優化前后的誤差，此處只展示主軸轉角在區間[0°,90°]內的優化前后的劍帶加速度誤差的對比分析。

連桿優化前后劍帶加速度誤差對比曲線如圖5所示。

圖5 連桿優化前后劍帶加速度誤差對比曲線

由圖5可以看出：增加連桿的截面尺寸，劍帶運動誤差相應減小，截面尺寸越大，劍帶加速度誤差就越??；由此證明了優化方法的有效性和可行性。

4 結束語

劍桿織機引緯機構的動力學性能是保證織機整體性能可靠性和織物質量的關鍵，筆者針對空間四桿引緯機構的運動平穩性和運動精度，從兩個方面對其進行了優化設計：

(1)以減小劍帶最大加速度為目標，利用ADAMS參數化建模進行優化分析，最終得到了一組最佳運動參數，并且優化后的劍帶最大加速度降低了35.7%，曲線形狀更趨向于等腰梯形，劍帶運動平穩性得到了提升；

(2)考慮劍桿織機引緯機構構件的柔性變形，對引緯機構進行剛柔耦合仿真分析。通過對連桿進行結構優化，增加構件結構剛度以減小其柔性變形對劍帶運動精度的影響，優化后的劍帶加速度誤差明顯減小。

優化結果表明，劍帶的運動平穩性得到提高，其由于構件柔性變形產生的運動誤差明顯降低，劍帶運動精度得到提高，引緯機構的動力學性能得到了明顯改善。該結果為該機構的進一步分析和優化提供了理論基礎。

但是對于此方法與引入優化算法的優化效果對比還有待于將來做進一步的研究。