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　一、前言
     自 60 年代以來 ,隨著計算機技術的發展 ,國際上計算機輔助技術如 CAD、CAE、CAPP、CAM、CAT、VR、VM 等的應用程度日益提高、范圍日益擴大。從60 年代到 70 年代末 ,計算機圖形學產生了 CAD 技術。
     從 70 年代末到 80 年代 ,特征造型及參數化造型技術發展起來 ,CAD 從 2 維發展到 3 維 ,各類 CAE技術迅速發展 ,CAM、CAPP 等也取得了很大進展 ,進一步可實現各種 CAX 軟件之間的產品數據交換的標準 ,如 PDES、STEP 逐步產生出來。
     90 年代初 ,人們從波音 777 飛機的開發中總結提出了虛擬產品開發(VPD)和虛擬制造(VM) 的概念 ,即在計算機上實現產品設計、開發以及制造的本質過程 ,采用計算機仿真與虛擬現實技術 ,預估產品功能、性能及可加工性等 ,使得產品設計、開發、制造技術從傳統的方法發展到一個嶄新的階段。
     高速度、高精度、輕重量、高效能、低噪音、自動化、智能化已成為現代機械的重要標志和發展方向。
     根據紡織工業“九五”計劃和 2010 年遠景目標 ,我國織機無梭化率將以每年 1 % 的速度遞增。因此 ,我國紡織機械面臨著急需進行產品結構調整 ,逐步實現從有梭到無梭的轉變。從 1997 年開始 ,我們以清華大學國家 CIMS 中心為技術依托 ,開展基于數字樣機的虛擬產品開發技術的研究與應用 ,開發出了高檔的無梭織機 ———劍桿織機。
     劍桿織機的結構由五個基本的部分組成 :開口機構、引緯機構、打緯機構、卷取機構和送經機構 ,五大運動系統中 ,引緯和打緯兩個系統中有許多高速運行部件 ,其中引緯機構的作用是將緯紗引入梭口 ,使之能與經紗交織組成織物 ,打緯機構的作用是將引入梭口的緯紗推向織口。
     高速劍桿織機引緯和打緯機構是決定織物質量的關鍵 ,對運動學和動力學特性有很高的要求 ,因此對送緯劍頭、接緯劍頭、鋼筘運動規律的分析 ,以及對它們之間配合關系的分析、優化 ,對于探索劍桿織機的機理、提高設計水平有著至關重要的意義。本文以劍桿織機的引緯機構和打緯機構運動學和動力學分析 ,介紹 VPD 技術的應用。

　　二、運動學分析
       1.逆向設計
        VPD 是基于數字樣機的技術。參照現有的劍桿織機物理樣機 ,采用逆向設計方法 ,首先 ,將形狀簡單、精度要求不高的零件用傳統方法測繪 ,并轉換為三維 CAD 模型 ; 然而 ,形狀復雜、精度要求高的零件 ,僅采用三坐標測量機進行測繪是不夠的 ,必須將測繪獲得的數據進行處理、分析 , 才能用于三維CAD 設計模型的建立。

       2. 運動學建模
        劍桿織機的引緯機構和打緯機構進行運動學動力學分析是采用 ADAMS 軟件進行。利用 CAD 軟件(本文采用 PROPE) 和 ADAMS 的接口 (PROPE 與ADAMS 的接口軟件是 MECHANISMPPRO) ,直接從產
品的 CAD 設計模型 ,添加一定的相關信息 ,轉換成ADAMS 運動學、動力學分析模型。由于產品的設計模型是在 PROPE 中生成 ,相關信息的添加也是在 PROPE 的環境中進行的 ,所以能夠充分利用產品的各種特征信息 ,使得建模變得非常容易 ,并且能夠保證各工程分析環節所建模型數據的一致性。但 MECHANISMPPRO 畢竟是 ADAMS 的簡化版本 ,要構造復雜的模型 ,需要在建模工具 ADAMSPVIEW 下
進行詳細建模。
        為了便于分析 ,提高分析效率 ,需要在 PROPE實體模型中把不相關的機構和零部件盡量刪去。例如 ,考慮到滾子的作用主要是減小摩擦 ,在進行運動學和動力學分析時 ,我們將滾子和滾輪座作為一體 ,在它與凸輪之間定義凸輪副。個別特別復雜的零件結構做適當的簡化。將簡化模型在 PROPE 中建好后 ,在 ADAMSPPRO環境中定義剛體 ,一般將沒有相對運動的零件定義為一個剛體 ,例如 :打緯部件整個定義為一個剛體 ,凸輪箱以及軸承蓋等定義為一個剛體。然后通過接口將 PROPE 模型的外形、定義的約束和質量特性 ,直接傳入 ADAMSPVIEW 中進行詳細建模 ,如定義約束、驅動(600 rPs) 、測量器等。由于物理零件都是有彈性的 ,考慮到受力問題 ,往往用若干個同樣的運動副實現某種運動約束 ,而在ADAMS 中的零件均以剛體對待 ,完全照搬勢必造成過約束。因此我們將這若干個運動副簡化為一個運動副進行分析。
        3. 運動學分析
          通過定義適當的啟動時刻和終止時刻以及步長 ,或定義周期和運算次數來仿真運算。經分析運算可知機構如何運轉以及每一點、每一時刻的位置、速度和加速度。進行運動學分析后 ,得到引緯和打緯的位移、速度曲線(如圖 2) 。

　　     由速度曲線可知 ,接緯劍頭的速度首先穿過零線。也就是 ,接緯劍頭往回走時 ,而送緯劍頭速度方向還未改變 ,他們有一段的同向運動 ,且有瞬時的等速運動。由位移曲線可知 ,此時兩劍頭有所交叉緯紗的交接在此時進行。這樣就能保證緯紗一直往前走 ,使緯紗受力均勻。

　　三、動力學分析
        1.動力學建模
          因為作動力學分析消耗的系統資源較大 ,而織機機構本身左右對稱 ,所以我們只分析一半機構以減低系統的開銷。由劍頭和鋼筘的往復運動 ,決定了該機構也必然是作往復運動。而該機構運轉速度快、精度高所以其構件的彈性和運動副的間隙成為動力學分析的主要問題。該機構由兩對共軛凸輪副、四連桿和三級放大的齒輪箱以及劍輪組成。機構比較復雜 我們重點選擇共軛凸輪副作為我們的研究對象。
          在共軛凸輪副的設計和加工中公差配合是一難題。如果間隙太大 ,勢必造成猛力的碰撞 ;使運動失真 ,噪音和振動加劇 ;從而壽命減少。若配合太緊 會造成預應力加大 ,磨損加劇。如何平衡此配合成為動力學研究的一大課題。
          在運動學分析中 ,共軛凸輪副的凸輪和滾子均是一個剛體 ,所以只能定義一個凸輪副 ,如果另一個凸輪和滾子也定義了凸輪副勢必造成過約束。因為實際情況中 ,有彈性和間隙存在。而運動分析中的凸輪副兩曲線必須始終相切。
          我們將運動學模型中的凸輪副去掉 ,在每對凸輪副上定義碰撞副 ,碰撞副是根據碰撞速度及相碰撞的兩物體的材料彈性系數來決定嵌入深度和碰撞力。實際的滾子是一滾柱軸承 ,所以其材料特性要通過有限元分析獲得。這樣構造的模型沒有過約束存在 ,而且存在一個自由度 ,成為典型的動力學模型。
          在鋼筘打到最大位置時 ,用 ADAMSPVIEW 中的STEP 函數加上 800 kg 的打緯力。
        2.動力學分析
         圖 4 給出了在某一工況下打緯滾輪座上定義的碰撞副中兩滾子的受力和打緯力關系圖。經過分析可知 :
    (1) 由于該共軛凸輪模型原設計思路就是有一點過盈 ,所以沒有脫開的現象 ,整個周期中碰撞力均未出現大的波動。且預應力不大。
    (2)觀測碰撞力的峰值 ,為打緯滾輪座的有限元分析提供邊界條件。

        通過分析打緯滾輪座、引緯滾輪座和其他軸承的受力可知 :
        ①打緯滾輪座的力并不比接緯滾輪座的受力大多少 ,基本相當。使我們走出了過去認為打緯滾輪座的受力大的誤區。
        ②因為該機構比較復雜 ,用傳統方法計算機構的等價慣量 ,幾乎是不可能的事。通過分析驅動軸的扭矩 ,可準確地確定電機的功率。
        ③通過觀測凸輪箱接地的受力狀況 ,知道其對機架的擺動力和擺動力矩。從而為機架的改進設計提供支持。
     3.動力學優化
        在動力學分析的基礎上 ,與有限元分析結合 ,可進一步減少運動構件的重量 ,減少了慣性力 ,提高運動構件的動力學性能。同時 ,通過改變四連桿的形式 ,進行機構動力平衡 ,從而使劍桿織機的機構的擺動力、擺動力矩和運動副反力大大降低。通過調整共軛凸輪副的配合 ,使預緊力降低到最低 ,同時又不會產生間隙。

　　四、結論
      基于數字模型的虛擬產品開發技術已經成為用信息技術改造傳統產品開發技術的研究熱點 ,也是下一代制造的重要內容。我們在開發高檔劍桿織機的過程中進行了初步探索 ,利用ADAMS 構造了高檔劍桿織機引緯、打緯機構的運動學、動力學模型 ,并進行了分析、優化 ,解決了過去用傳統手段不可能解決的問題 ,取得