1、第圆8卷第4期圆园园9年8月天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕允陨晕孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦哉晕陨灾耘砸杂陨栽再Vol.28 No.4August 2009基于ADAMS的特种纤维梳理机剥取装置运动学和动力学仿真韩晓琴1，2，杨建成1，2，王磊1，2，李磊1，2，刘妍1，2，丛良超1，2（1.天津工业大学机械电子学院，天津 300160；2.天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300160）摘要：为研究特种纤维的梳理工艺，需研制一台特种纤维梳理机，该机主要由喂入、梳理、剥取、卷绕4部分机构组成，其中剥取机构的运动学、动力学性能要求较高，需进行实体仿真和理论分析. 本文基于
2、CAD/CAE集成环境，运用Pro/E软件进行特种纤维梳理机剥取装置的三维实体造型，并将其导入动力学分析软件ADAMS中建立分析模型，以一种方便快捷的方法完成特种纤维梳理机剥取机构的运动学和动力学分析. 仿真结果表明：该剥取装置运动学、动力学性能较好，能满足工艺要求.关键词：特种纤维梳理机；剥取装置；ADAMS；Mechanism/Pro接口模块；运动学；动力学中图分类号：TS103.112 文献标识码：A 文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园园9）园4原园园30原园3Kinematicsanddynamicssimulationofstrippinginstitutionofspecialfi
3、bercardingmachinebasedonADAMSHANXiao-qin1，2，YANGJian-cheng1，2，WANGLei1，2，LILei1，2，LIUYan1，2，CONGLiang-chao1，2（1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering ，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300160，China；2.Tian原jinKeylaboratoryofAdvancedMechatronicsEquipmentTechnology，TianjinPolytechnicUniversity，T
4、ianjin300160，China）Abstract：Tostudythespecialfibercardingprocess，aspecialfibercardingmachineshouldbedeveloped，whichiscomposedoffourparts，suchasfeedingdevice，cardingequipment，strippinginstitution，andwindingdevice.Thestrippingmachinerequireshigherkinematicsanddynamicsperformance，andneedsphysicalsimula
5、tionandtheoreticalanalysis.BasedonCAD/CAEintegratedenvironmentandtheuseofPro/Esoftware，thethree-dimensionalsolidmodelingofstrippinginstitutionissetup，andthenitisimportedintodynamicanalysissoftwareADAMStobuildtheanalysismodel，whichcompletesthekinematicsanddynamicsanalysisaboutthestrippinginstitutiono
6、fspecialfibercardingmachineinaconvenientway.Thesimulationresultsshowthatthestrippingdevicehasgoodkinematicsanddynamicsperformance，canmeetthetechnologicalrequirements.Keywords：specialfibercardingmachine；strippinginstitution；ADAMS；Mechanism/Prointerfacemodule；kinemat原ics；dynamics收稿日期：2009-05-28 作者简介：韩
7、晓琴（1981），女，硕士研究生；杨建成（1962），男，教授，导师.E-mail：近年来，特种纤维的应用日益广泛1-2，急需研制一台特种纤维梳理机，用于复合材料和无纺布等纤维网的小样研究.本文中特种纤维梳理机的剥取装置采用摆动斩刀机构，斩刀在剥离纤维层时，既不能乱剥，也不能剥破，还需要保证连续均匀地输出3，所以对特种纤维梳理机剥取装置进行运动学和动力学分析，并在此基础上对其运动规律进行优化是很有必要的4.要对一种复杂的机械系统进行比较精确的动力学仿真，比较流行的解决方案是用专业的CAD软件和专业的CAE软件进行联合建模，即先用专业的CAD软件精确建立复杂机械系统各零部件的三维实体图和机构装配
8、图，而后转化到专业的CAE软件下，添加驱动第4期力和约束副，最终形成系统的虚拟样机，并在虚拟样机上进行仿真研究.本文采用美国PTC 公司的Pro/E进行特种纤维梳理机剥取机构的三维建模，并利用美国MSC公司的ADAMS进行运动学和动力学仿真5.1 Pro/E下三维模型的建立Pro/E对于传统机械设计工作来说，具有相当大的帮助作用，因为Pro/E中的参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，并具有实质上的物理意义.例如可以运用系统参数，如体积、表面积、重心、三维坐标等，或用户自行设计流程需求所定义的用户定义参数，如密度、厚度等具有实际设计意义的物理量或字符串加入设计构思中，来 表达设计思想.这项参数式
9、设计的功能不但改变了设计的概念，并且将设计的便捷性推进了一大步.一般机械产品设计都要首先采用自上而下的方法，即从总装图开始，然后分拆部件，最后再进行零件的具体设计.本文在现有实际模型的基础上，采用自下而上的方法进行产品建模，即从零件开始，几个零件构成一个部件，几个部件构成一个上级部件，逐级往上递推，最后形成产品总装.（1）建立零件模型.零件模型用于模拟实际零件，它由零件几何模型和零件属性构成.零件几何模型主要基于三维参数化建模技术，用于模拟零件实际外形；零件属性则包括零件名称、材料、密度等.（2）建立部件模型.部件模型用于模拟实际部件，它由部件几何模型和部件属性构成.部件几何模型通过引用一系列
10、下级零部件模型组装而成，它首先描述一个部件与下级零部件间的装配从属关系，同时记录其下级零部件间的装配定位关系；部件属性则包括部件名称和其他附加属性.（3）建立产品装配模型.位于产品多级装配树最上端的部件模型就是产品模型（总装模型）.它模拟了实际产品总装.图1为Pro/E环境下建立的特种纤维梳理机剥取装置的三维实体造型.2 分析模型的建立三维实体装配模型建好后，就需要建立所需的运动学、动力学分析模型，所以要把Pro/E环境下的三维造型导入ADAMS进行分析研究.三维建模软件与动态仿真软件之间的接口技术是通过充分利用MSC公司开发的 Mechanism/Pro 专用接口模块实现的.通过设置这一接口
11、，ADAMS的一些简单的运动学分析功能可嵌入到Pro/E环境下.这样，在Pro/E环境下可直接定义设计模型的部分约束和其他一些相关信息，建立起简单的运动学分析模型.二者采用无缝联接的方式，不需要退出Pro/E应用环境，就可以将装配完毕的总装图根据其运动关系定义为机械系统模型，进行系统的运动学或动力学仿真，并进行干涉检查、确定构件相互运动关系、计算约束副的作用反力等6；使用该模块还可以在Pro/E中定义和施加约束后，将模型传送到ADAMS/View中，以便进行全面的动力学分析.使用Mechanism/Pro模块一般遵循的步骤为：淤创建或打开装配模型. 于定义刚体构件.根据设计意图，将装配模型中没
12、有相对运动的零件定义为刚体，同时指定一个刚体为机架，作为其他刚体运动的参考标准 7. 盂创建约束副.在各零件之间建立运动约束，即建立运动副，ADAMS中提供了固定副、移动副、铰链副、平面副、柱面副、球面副、齿轮副和高副等各种种类齐全的运动副，设计者可根据工件工作的实际情况添加. 榆添加驱动.在模型的约束副上添加运动学驱动.运动学驱动以时间函数的形式确定刚体之间进行平动或转动的运动方程. 虞应用载荷和弹性连接器.根据模型所受载荷的情况在不同刚体的两点之间施加力和力矩，也可以使用弹性连接器在两个刚体之间添加弹性力和阻尼力.在ADAMS中，弹簧的处理可以把它看作是一个弹簧约束副，弹簧连接的两部件间可
13、以通过定义弹簧约束副来实现. 愚传送模型.所完成的分析模型如图2所示.完成模型后，可以将模型传送到ADAMS/Solver中直接进行动力学求解，也可以将模型传送到ADAMS/View中，进一步添加更复杂的约束副或驱动，图1 特种纤维梳理机剥取机构的三维实体造型Fig.1 3Dsolidmodelofstrippinginstitutionofspecialtyfibercardingmachine图2 特种纤维梳理机剥取装置分析模型Fig.2 Analysismodelofstrippinginstitutionofspecialtyfibercardingmachine韩晓琴袁等院基于ADA
14、MS的特种纤维梳理机剥取装置运动学和动力学仿真 31 第28卷天津工业大学学报再使用ADAMS/Solver进行动力学仿真分析.3 特种纤维梳理机剥取机构的运动学分析图3为特种纤维梳理机斩刀剥取装置机构简图.其中杆AB为曲柄，是该机构的输入；A 代表曲柄轴；BC杆为连杆；CD杆为摇杆；DE代表摆杆轴；E点为斩刀剥取点.整个机构由左支座和右支座来支撑，固定在机架上.当曲柄轴旋转时，斩刀绕其回转中心D点往复摆动.分析模型建立好后，就可以对其进行分析.其中曲柄轴的输入转速为955.44r/min，不考虑回转不均匀效应，即角速度棕 =955.44 伊仔衣60=50.267（rad/s），角加速度 着
15、=0（rad/s2）图4中曲线分别为曲柄轴旋转时，斩刀对应的转角、角速度、角加速度曲线.从图4中可以看出斩刀的位移始终为周期性摆动，转角大小合适，可实现特种纤维网的连续均匀剥取，角速度与角加速度也周期性变化，运动过程平稳.4 特种纤维梳理机剥取装置的动力学分析为了适应高速要求，减小斩刀摆动的惯性力和惯性力矩、减轻机器的振动，需要优化特种纤维梳理机剥取装置的尺寸8，减轻该组件的质量.本文对支座对斩刀组件的约束反力进行求解，用以对斩刀机构进行优化分析，以改善其结构.支座对斩刀组件的约束反力主要考虑来自D点的约束反力.图5为该约束副在全局坐标系下斩刀对支座反力沿各坐标轴方向的分力，从图5中可以看出斩
16、刀受力变化平缓均匀，振动较小，可投入实际生产.5 结 论（1）运用ADAMS进行运动学动力学分析，是一种高效准确的分析方法.通过巧妙运用Mechanism/Pro模块，只用很少时间，就可以完成特种纤维梳理机剥取机构的建模、运动学和动力学分析，省去了耗时、繁琐的编程工作，该方法为特种纤维的梳理工艺奠定了良好的实验基础.（2）仿真结果表明，该小型特种纤维梳理机的剥取机构运动学、动力学性能良好，工作平稳，能满足工艺要求.参考文献：1 罗蒙川.竹纤维在棉纺设备上的可纺性探讨 J.四川纺织科技，2000（6）：6-8.2 吴吉昌，吴木荣.针刺无纺布生产自动化集成实践J.江苏纺织，2007（3）：56-6
17、0.3 王章捷.粗纺梳毛机的改进设计 J. 设计计算，2007（5）：59-60.4 李 龙，宋万民.进口小梳毛机斩刀性能分析J.纺织器材，1992（1）：10-11.5 汪 亮，侯祥明，张立祥.基于ADAMS的EBH-120掘进机截割头受力动态仿真J.煤矿机械，2009，30（4）：31-32.6 吴化勇，徐秀花.基于ADAMS的球轴承受力分析J.轴承，2009（2）：1-4.7 张喜妮，王生泽.基于CAD/CAE集成环境快速实现精梳机钳板机构的运动学和动力学仿真 J.纺织机械，2004（6）：40-43.8 LEEMEM，OCKENDONH.Thetransferoffibresinthe
18、cardingmachineJ.JournalofEngineeringMathematics，2006，54：261-171.图3 特种纤维梳理机剥取装置机构简图Fig.3 DiagramofstrippinginstitutionofspecialtyfibercardingmachineABDEC图4 斩刀随时间变化的转角、角速度和角加速度曲线Fig.4 Time-varyingangle，angularvelocityandangularaccelerationcurvesofchoppingknife2.5伊1052.0伊1051.5伊1051.0伊1050.5伊1050.0 0.01时间/s-1.45-1.5-1.55-1.6250.0200.0150.0100.050.00.00.00750.0050.00250.0图5 D处沿各坐标轴方向的约束反力Fig.5 Bindingreactionsalongcoordinatesin D2.0伊1091.5伊1091.0伊1090.5伊1090.0-0.5伊109-1.0伊109-1.5伊109时间/s0.0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010x轴y轴z轴渍着 棕32
