某織機中織槍運動裝置的動力學分析

錢志鵬,孟 婥,孫以澤,葉志彪

(東華大學 機械工程學院，上海 201620)

某織機中織槍運動裝置的動力學分析

錢志鵬,孟 婥,孫以澤,葉志彪

(東華大學 機械工程學院，上海 201620)

基于多色提花簇絨地毯織機織造過程中，織槍需準確地運動到指定位置后進行簇絨織造的要求，設(shè)計了龍門式機械手結(jié)構(gòu)的運動裝置，并在ANSYS中建立有限元模型，對所設(shè)計的運動裝置進行靜力學、模態(tài)和諧響應分析.針對實際工況，利用ADAMS軟件進行剛?cè)狁詈隙囿w動力學分析，指出該運動裝置動力學響應對織機織造精度的影響.結(jié)果表明：運動裝置的振動、變形都滿足許用要求，設(shè)計可靠、機構(gòu)運動平穩(wěn)且不會發(fā)生共振；織槍部分需增加平衡質(zhì)量塊以提高織機織造精度.

織槍； 運動裝置； 可靠性分析； 機械手； 聯(lián)合仿真

一般的簇絨地毯織機針排不移動，通過底布移動形成一定針距的絨頭[1]，但這種織造方式的紗線顏色和圖案均受到限制.采用橫動錯花技術(shù)織造提花簇絨地毯時，針排相對底布橫向移動形成花型.錯花技術(shù)通過機械凸輪或電子凸輪實現(xiàn)小范圍的橫向移動.本文提及的多色提花簇絨地毯織機采用織槍移動、底布不動的織造方式，這種織造方式可實現(xiàn)任意多種紗線、不同顏色和圖案的織造.

由于織槍運動需要設(shè)計平面隨動系統(tǒng)，該隨動系統(tǒng)采用龍門式多軸機械手帶動織槍移動實現(xiàn)簇絨織造. 在本文中，以龍門式多軸機械手為研究對象，建立了機構(gòu)動力學模型，在ANSYS中分析機械手的動力學特性[2-4]，再利用ADAMS進行剛?cè)狁詈隙囿w動力學分析，驗證織造系統(tǒng)的可靠性.

1 龍門式多軸機械手機構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

所織造的簇絨地毯毯面最大尺寸為600 mm×900 mm，織槍動作要求如下.

(1) 織槍運動示意圖如圖1所示，圓點表示織點位置.織槍根據(jù)織造要求在平面內(nèi)任意兩相連點間作單向間歇運動.

(2) 機械手上的織槍還需完成簇絨織造，即織槍的簇絨針作上下簡諧運動. 多軸機械手的功能是實現(xiàn)織槍在任意兩個相連簇絨織點間的運動，并保證位置準確、動作可靠、運動平穩(wěn).

1.2 機構(gòu)設(shè)計

由于織槍是在平面內(nèi)移動， 可以采用比較成熟的一體式龍門多軸機械手，但由于投入成本和后期維護費用高等原因，將大大降低產(chǎn)品競爭力.另一種方案是采購專用導軌，再利用滾珠絲杠機構(gòu)或帶輪機構(gòu)與之配合，但專門導軌成本依然很高，且其質(zhì)量偏大帶來問題，因此，該方案依然不是最佳.

圖1 織點位置示意圖Fig.1 Schematic plot of tufting point

如圖2所示為本文設(shè)計的龍門式多軸機械手，該機構(gòu)設(shè)計以兩根導向軸作為導軌，同步帶輪作為傳動機構(gòu)，可節(jié)約成本、減少質(zhì)量、降低慣性對機構(gòu)運動的影響.

圖2 龍門式多軸機械手Fig.2 Gantry manipulator

1.3 參數(shù)確定

為方便有限元分析，確定如表1所示的參數(shù).

表1 有限元分析前處理模塊參數(shù)Table 1 The pretreatment parameters of finite element analysis

默認相鄰兩個絨圈間距h為6 mm，簇絨速度n為1 000針/min.在簇絨針刺入底布時，織槍需運動到指定位置并保持靜止狀態(tài).簇絨針每個周期需要40%的時間刺入底布中，即織槍需要在60%的時間內(nèi)完成移動，將這段運動設(shè)定為先勻加速后勻減速.

2 多軸機械手的有限元分析

上述多色提花簇絨地毯織機的工作原理決定了機械手的工位時刻變化.為此選擇機械手最薄弱的工位作為分析模型，即圖2所示織槍位于中心位置時的工位.

2.1 機械手線性靜力學分析

為便于計算，對機械手幾何模型適當簡化，忽略伺服電機及傳動系統(tǒng)對本體結(jié)構(gòu)的影響，去除螺紋孔等細小特征.采用3D8節(jié)點結(jié)構(gòu)實體單元和3D10節(jié)點四面體單元[5]對機械手進行網(wǎng)格劃分.劃分網(wǎng)格前先對體單元進行黏接運算(glue)的布爾操作.區(qū)別于并運算(add)，黏接運算可以保留各個體單元的屬性，實體相連并能保留黏接的邊界[3].

黏接運算之后，兩接觸實體結(jié)合面的單元劃分一致，相連實體的單元劃分會影響自身單元的劃分，在劃分網(wǎng)格時，必須對需掃略劃分的實體單元優(yōu)先操作.機械手的基座通過螺栓與機架相連，可以通過在基座螺栓孔處施加x軸、y軸和z軸3個方向自由度的約束，模擬基座地腳螺栓的約束.由于基座區(qū)域不是主變形區(qū)域，為了簡化操作，可以直接在基座與機架的接觸面上施加全部約束.

添加完約束后，在織槍滑塊上取中間位置節(jié)點處的x軸、y軸和z軸3個方向分別施加100 N的靜態(tài)力，求解后得到各自的變形位移云圖. 其x軸、y軸和z軸方向上受力變形分布圖如圖3所示.

(a) x軸方向

(b) y軸方向

(c)z軸方向

圖3x軸、y軸和z軸方向上受力的位移云圖

Fig.3 Displacement caused by the force applied on thex，yandzaxis direction

由圖3可知，x軸、y軸和z軸3個方向上，該機構(gòu)上最大位移節(jié)點的位移分別為0.240 0、0.420 0和0.075 6 mm，則該機構(gòu)在y軸方向上受力時剛度最差，但都小于1 mm，對機械手的運動精度影響不大.

2.2 機械手模態(tài)有限元分析

模態(tài)分析在工程中應用廣泛，主要目的是了解結(jié)構(gòu)的共振區(qū)域，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導[6].由于機械手作周期性運動，需要對整體機構(gòu)進行模態(tài)分析.

共振多由低階固有頻率引起，對機構(gòu)進行模態(tài)分析通常不需計算所有固有頻率和振型.采用Block Lanczos模態(tài)提取法對多軸機械手進行模態(tài)分析，得到如表2所示的機構(gòu)前6階固有頻率，對應的各階振型云圖如圖4所示.

表2 機械手前6階固有頻率

Table 2 First six order natural frequency of the gantry manipulator

模態(tài)123456固有頻率/Hz4760737793168

由圖4(a)可知，工作頻率f=16.67 Hz處在低頻區(qū)且相對第一階固有頻率47 Hz差距較大，因此可認為不會產(chǎn)生共振.由于織機的織造速度將進一步提升，模態(tài)分析對機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有指導作用，可通過增加傳動軸導軌的剛度來提高機械手的固有頻率.

2.3 機械手諧響應分析

由機械手的動作分析可知，織槍作間歇運動，簇絨針作類似簡諧運動.機械手做平面運動產(chǎn)生的慣性力和簇絨針刺穿底布所受的載荷都屬于周期循環(huán)

(a) 1階 (b) 2階

(c) 3階 (d) 4階

(e) 5階 (f) 6階圖4 6階固有頻率的振型圖Fig.4 Mode shape of the sixth order natural frequency

載荷.周期循環(huán)載荷會導致結(jié)構(gòu)的周期循環(huán)響應，而諧響應分析就是分析這種周期循環(huán)響應的方法.

根據(jù)機械手的實際工況，在織槍工作點位置y軸方向施加100 N、(0～100)Hz的正弦激勵，求解得織槍所在位置處節(jié)點在y軸方向振幅隨頻率的變化特性，如圖5所示.當外載荷的頻率接近機械手的第一階固有頻率47 Hz時，織槍位置處y軸方向的位移幅值達到峰值，47 Hz下的振幅云圖如圖6所示.

圖5 織槍位置出節(jié)點振幅頻率曲線 Fig.5 Amplitude versus frequency curve of the node on the tufting gun

圖6 47 Hz簡諧激勵下機械手節(jié)點的位移云圖 Fig.6 Displacement nephogram caused by 47 Hz harmonic excitation

由圖6可以看出，最大位移點的位置是織槍的位置，最大位移幅值為14 mm，這樣的振幅對滑塊的運動精度影響很大.

目前織機的工作頻率約為16.67 Hz，遠小于第一階固有頻率.在工作頻率下機械手節(jié)點的位移云圖如圖7所示，y軸方向的最大變形為0.079 3 mm，對織機影響甚微.

圖7 16.67 Hz工作頻率下機械手節(jié)點的位移云圖 Fig.7 Displacement nephogram caused by 16.67 Hz harmonic excitation

同樣在x軸和z軸方向施加100 N、 (0～100) Hz的正弦激勵，得出工作頻率變形量和靜態(tài)力作用變形量都為微米級，說明就當前工作要求而言，該設(shè)計合理、可靠.

3 剛?cè)狁詈隙囿w動力學分析

機械裝備的振動特性是衡量其性能的重要指標，織機的振動特性會影響機械手的運動精度，進而導致織造精度降低.利用ADAMS軟件對系統(tǒng)進行柔體仿真，常用方法有兩種：一種是利用有限元分析軟件得到構(gòu)件的有限元模態(tài)分析模型， 生成MNF中性文件導入ADAMS中，就可以融入機械手模型進行柔體仿真；另一種是直接利用軟件環(huán)境的ADAMS/AutoFlex模塊建立柔體構(gòu)件，組合成多柔體系統(tǒng)進行柔體仿真[7].

本文采用第一種方法，利用ADAMS 與ANSYS 以及其他三維建模軟件間的接口，完成它們之間的聯(lián)合并在ADAMS中進行剛?cè)狁詈隙囿w動力學仿真[8].如果要從ANSYS的ADAMS接口輸出ADAMS所需的模型信息，則需要指定所采用的單位制[9].在剛?cè)狁詈隙囿w動力學分析中，單位協(xié)同機制不容忽視.這里在ANSYS和ADAMS分析時都采用統(tǒng)一的單位制kg-m-s (MKS).

由第2節(jié)有限元分析可知，主要變形區(qū)域為導向軸，所以將導向軸創(chuàng)建為柔性體，其他部件為剛體，構(gòu)成剛?cè)狁詈夏Ｐ?首先，建立外部節(jié)點和剛性區(qū)域使ADAMS中剛性體與柔性體之間能夠添加約束或力，根據(jù)實際工況，給每個導向軸添加3個外部節(jié)點及其剛性區(qū)域，如圖8所示.然后，通過ANSYS中adams.mac宏命令獲得ADAMS軟件所需的模態(tài)中性文件，模態(tài)中性文件(*.MNF)中包含了柔性體的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量、頻率、振型及對載荷的參與因子等信息[10].最后，在ADAMS軟件中建立剛性體模型，讀入模態(tài)中性文件，指定部件間的連結(jié)方式，施加固定副、移動副和驅(qū)動進行系統(tǒng)運動仿真.

圖8 導向軸的外部節(jié)點和剛性區(qū)域Fig.8 External nodes and rigid regions of the guide shaft

在柔性體上施加約束和作用力時，可以直接加在柔性體節(jié)點上的運動副有旋轉(zhuǎn)副、固定副、球副、萬象節(jié)副，其他運動副和運動激勵不能直接加在柔性體節(jié)點上，所以模型中滑塊與導向軸之間的移動副無法創(chuàng)建.為了仿真出指定的工況，3個滑塊和底座都采用固定副與柔性導向軸上的各個節(jié)點相連，并在底座和ground之間創(chuàng)建移動副，使機構(gòu)的整體移動模擬出較為接近的受力情況，基于此建立的ADAMS剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D9所示.

圖9 ADAMS剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.9 Rigid-flexible coupling model on ADAMS

對機構(gòu)進行x軸方向剛?cè)狁詈隙囿w動力學仿真，得到針尖運動情況如圖10所示，其與剛體運動理論值間的誤差如圖11所示.

圖10 針尖運動曲線Fig.10 Motion curve of the needle point

由圖10和11可知，多軸機器人在工作負載下整體變形量較小，但針尖的運動誤差最大值為2 mm，對織造精度的影響不可忽略.考慮到是由于質(zhì)心位置導致機械手扭轉(zhuǎn)造成的誤差， 可通過在織

圖11 針尖端點運動誤差Fig.11 Kinematic error of the needle point

槍上方增加質(zhì)量塊調(diào)整質(zhì)心位置，從而達到設(shè)計優(yōu)化的目的.

4 結(jié) 語

本文利用ANSYS對多軸機械手進行了靜態(tài)與動態(tài)分析，利用ANSYS 與ADAMS 柔性體聯(lián)合仿真方法對多色提花織機的龍門式機械手機構(gòu)進行了剛?cè)狁詈隙囿w動力學分析，得出以下結(jié)論：

(1) 應用ANSYS和ADAMS軟件可較精確地分析機械手的動力特性，為改進機械手受力狀況和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)；

(2) 無論是靜態(tài)還是動態(tài)，機械手的振動變形都滿足許用要求，設(shè)計可靠、機構(gòu)運動平穩(wěn)，不會發(fā)生共振；

(3) 織槍部分需增加平衡質(zhì)量塊來提高織機織造精度.

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Dynamics Analysis of a Motion Device Used for the Tufting Gun

QIANZhi-peng，MENGZhuo，SUNYi-ze，YEZhi-biao

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620， China)

The tufting gun of tufting carpet machine has to guarantee the precision of the movement and complete the action of tufting in producing a carpet, so gantry manipulator is designed based on it. Finite element model is set up in ANSYS, and then the properties of statics, modal and harmonic response of gantry manipulator are analyzed. According to the actual working condition, the ADAMS software is used for rigid-flex multibody dynamic analysis and the effect to the machining accuracy of the manipulator dynamics response is concluded. The results show that deformation of the manipulator is acceptable. The design of mechanism is reliable and its motion is stable as well. No resonance can be occurred on the manipulator. The tufting gun still need to add a balance mass block to improve the tufting quality of the tufting machine.

tufting gun; motion device; reliability analysis; manipulator; joint simulation

16710444 (2016)060875-06

20151026

國家自然科學基金資助項目(51375084)；教育部博士點基金資助項目(20130075110002)

錢志鵬(1990—)，男，江蘇東臺人，碩士研究生，研究方向為簇絨地毯機械.E-mail: jsqianzhipeng@163.com 孟 婥(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: mz@dhu.edu.cn

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