三維編織機運動仿真分析及其軌道優化設計

劉宜勝, 徐海亮, 吳震宇， 袁嫣紅

(浙江理工大學 機械與自動控制學院, 浙江 杭州 310018)

三維編織機運動仿真分析及其軌道優化設計

劉宜勝, 徐海亮, 吳震宇， 袁嫣紅

(浙江理工大學 機械與自動控制學院, 浙江 杭州 310018)

為研究旋轉式三維編織機攜紗器在零部件編織過程中的運動情況，以便對攜紗器的運動和接觸進行分析，了解其對編織后的復合材料性能的影響，通過分析建立攜紗器運動的理論公式，利用MatLab軟件繪制攜紗器的理論運動曲線，并在SolidWorks中建立三維編織機簡化后的虛擬樣機分析模型，應用ADAMS軟件進行運動和動力學仿真。對比理論與仿真的曲線發現,攜紗器在過渡階段出現尖點，存在較大的加速度，產生接觸沖擊，對編織的效果造成不良影響，進而進行攜紗器運動軌道的優化設計。通過導入虛擬樣機軟件仿真后發現，優化后的攜紗器速度曲線過渡平緩，圓滑，無尖點，且過渡處加速度小，從而減小了沖擊，降低了磨損率。

旋轉式三維編織機； 攜紗器； 動力學； 優化設計

編織技術具有悠久歷史[1]，可以說是古老文明中最早的紡織工藝。三維編織技術則是一種通過沿織物成型方向取向的多根紗線按照一定的規律傾斜交叉，使紗線相互交織在一起的工藝。以三維編織技術為核心的三維編織機可編織包括圓形、方形規則和異形三維織物等在內的多種不同形狀的織物。編織后的織物具有整體結構不分層、沿編織方向截面可不斷變化、復雜的結構構件一次成型等特點，具有耐沖擊、抗分層和抗蠕變等性能，在生物組織材料、汽車、風力發電的風葉、航空航天等技術領域得到了廣泛的應用[2-3]。例如三維編織技術可用來對骨修復材料進行編織，緩解植骨術存在的骨來源有限且易出現創傷等方面的問題。這種編織后的復合材料為骨組織修復提供了良好的結構以及力學性能，且其有可設計性，以及良好的生物相容性[4]。

三維編織機的質量決定了所編織的復合材料的強度、剛度等性能。在此之前，國內外的研究人員對編織機攜紗器的編織紗路徑、編織后的復合材料力學性能等方面進行了一定的研究[5-8]，得到了編織時編織紗線沿復合材料的路徑分布，編織后復合材料的拉伸、卷曲、斷裂等性能，但其研究也有一定的缺陷，動力學方面研究主要集中于五朔節花柱編織機的動力學研究[9]。對于本文中所提旋轉式三維編織機攜紗器運動，即速度/加速度等方面的研究幾乎為零。

本文以旋轉式三維編織機的攜紗器為主要研究對象，通過SolidWorks和ADAMS軟件進行建模和仿真，得到攜紗器沿著軌道運動過程中的各種數據曲線，并與理論分析得到的MatLab曲線進行比較。通過對曲線的分析研究進行軌道的優化設計，減小接觸沖擊，降低了磨損率，提高了經濟效益。

1 旋轉式三維編織機的理論分析

旋轉式三維編織機主要由軌道盤、機架、角導輪、攜紗器、齒輪、電動機等組成，其三維編織簡圖如圖1所示。旋轉式三維編織機的工作原理為：電動機安裝在機架上，軌道盤上的角導輪與齒輪相互連接，攜紗器與角導輪和軌道盤相接觸。當需要對芯軸進行編織時，電動機轉動并帶動相互嚙合的齒輪轉動，使與齒輪相連的軌道盤上的角導輪相互轉動。角導輪轉動，通過接觸帶動攜紗器按照規定的8字形軌道進行運動，使攜紗器上紗線形成經緯紗，與軸紗相互交織，完成對芯軸的編織[2]。

圖1 三維編織簡圖Fig.1 Diagram of three-dimensional braiding

通過圖2所示的編織軌道圖，對旋轉式三維編織機的攜紗器在8字形軌道內從BB1開始，經EE1、FF1，向DD1的逆時針方向的運動進行理論分析。旋轉式三維編織機攜紗器的運動分為2個階段，即圓周運動階段和直線過渡階段。

圖2 編織軌道圖Fig.2 Orbital diagram of braiding

在圓周運動階段，即BE、FD段，攜紗器的運動理論公式為

v=r1w

(1)

a=an=r1w2

(2)

在直線過渡階段，即EF段，攜紗器的運動理論公式為

(3)

(4)

由式(4)可得攜紗器的加速度為

式中：r1為圓形軌道的半徑,其值為53mm。w為角導輪的轉動角速度，其值為πrad/s；φ2-φ1=wt，其中φ1已知；an為向心加速度；aτ為切向加速度。在過渡階段的時間t可由s與t的積分關系式求出，其中s已知。

將得到的公式導入MatLab中，通過軟件的編程進行理論曲線的繪制，結果如圖3所示。

圖3 攜紗器理論運動曲線圖Fig.3 Theoretical motion curve of yarn carrier.(a)Theoretical velocity curve;(b)Theoretical acceleration curve

由圖3(a)可看出：攜紗器的理論速度在圓周運動階段不變，約為0.166 5m/s,方向變化；在過渡階段，速度成凹形，先上升后下降，最大值約為0.192m/s；存在周期性，周期約為2s。圖3(b)示出加速度理論曲線，與速度理論曲線類似，圓周運動階段加速度為0.523m/s2，過渡階段曲線呈現凹形,最大值約為0.59m/s2。

2 旋轉式三維編織機建模及仿真

通過SolidWorks軟件建立旋轉式三維編織機簡化后的編織機構三維模型，將簡化后的編織機構三維模型另存為X_T格式，然后啟動ADAMS軟件,導入X_T格式文件，其虛擬樣機模型如圖4所示。給構件添加運動副和接觸等，設置仿真的各種參數，然后進行仿真。構件間的約束如表1所示。對于仿真出現穿透等方面的問題，參照文獻[10-14]，調整模型和仿真的參數，進行運動仿真。仿真的時間為6 s,積分器選擇為WSTIFF，積分格式為I3，積分誤差為0.001，最大迭代為25階。

圖4 三維編織機虛擬樣機模型Fig.4 Virtual prototype model of three dimensional braiding machine

構件1構件2約束軌道盤大地FixedJoint角導輪大地RevoluteJoint角導輪相鄰角導輪Gear角導輪攜紗器Contact1軌道盤攜紗器Contact2

當電動機的轉速為30 r/min時，即角導輪轉動的角速度為π rad/s,r1=53mm時，攜紗器的虛擬樣機動力學仿真曲線如圖5所示。

圖5 攜紗器虛擬樣機運動曲線Fig.5 Virtual prototype motion curve of yarn carrier. (a) Simulation speed curve;(b)Simulation acceleration curve;(c)Simulation position curve;(d) Simulation contact force curve of yarn carrier and track

通過圖5(a)、(b)與圖3(a)、(b)的對比可看出，速度曲線仿真與理論吻合度高，圓周階段速度約為0.166m/s,速度峰值范圍約為0.191～0.193m/s。攜紗器的運動周期為2s,故運行1周的時間為24s。攜紗器加速度理論與仿真在過渡階段相差較大，主要因為攜紗器與角導輪、軌道盤是剛體接觸，攜紗器運動時存在接觸碰撞，使攜紗器的加速度在軌道的過渡階段出現劇烈波動，在圓周運動階段類似，近似為0.524m/s2。從圖5(c)可看出，攜紗器的位置呈現類似正余弦曲線的周期性變化。如圖5(d)所示，攜紗器與軌道的接觸力在過渡階段由于接觸碰撞出現較大的波動，出現了尖點，圓周運動階段則近似為一定值。

3 旋轉式三維編織機軌道優化設計

通過仿真與理論對比可看出，攜紗器的速度曲線在過渡階段呈現凹形的變化，出現了速度尖點，且加速度也較大，此時會產生較大的接觸碰撞，產生沖擊，長時間運行會對軌道盤和攜紗器產生劇烈的磨損，導致運行不平穩，影響編織的效果，增加經濟成本，降低企業的效益[15]，因此，需要對攜紗器過渡階段的軌道進行優化，消除攜紗器運動的速度尖點。在過渡階段，優化前和優化后的軌道如圖6所示。

圖6 優化前后的軌道簡圖Fig.6 Diagram of track before(a) and after(b) optimization

由圖6可見，優化前后，圓周部分軌道保持不變。在過渡處，直線軌道部分優化為二次樣條曲線，該曲線近似為2段圓弧。在O點建立局部坐標系,過渡處圓弧軌道數學表達式如式(5)、(6)所示。

EE1至CC1段，軌道數學表達式為

(5)

CC1至FF1段，軌道數學表達式為

(6)

軌道PP1至NN1段以及NN1至AA1段關于圓周軌道的中心線，即BO對稱，故這里不作表達。

將優化后的旋轉式三維編織機的編織機構三維模型導入ADAMS軟件中，設置仿真的參數，進行動力學仿真分析，得到優化后的速度、加速度、位置曲線，結果如圖7所示。

圖7 優化后的攜紗器虛擬樣機運動曲線Fig.7 Optimized virtual prototype motion curve of yarn carrier.(a) Simulation speed curve;(b) Simulation acceleration curve; (c) Simulation position curve

從優化后的曲線可看出，攜紗器的速度曲線在圓周運動階段，速度與優化前相比幾乎不變。在過渡階段呈現凸形的變化，類似正余弦曲線，速度的峰值減小4%，近似為0.184 m/s，過渡階段過渡平穩，消除了速度尖點，避免了過大的接觸碰撞，減少了磨損。加速度在過渡階段由于接觸碰撞會出現不規則的跳動，但峰值減小，而在圓周運動階段則變化較小，近似為一定值，其值為0.524 m/s2。攜紗器的位置曲線整體變化不大，仍近似為正余弦曲線。

4 結束語

本文以旋轉式三維編織機的攜紗器為主要研究對象，通過軟件建模與虛擬樣機機構運動仿真得到攜紗器的仿真曲線，并且通過與理論分析得到的曲線進行比較發現，其存在一定的不足，進而進行軌道的優化設計。通過分析研究，得出以下結論。

1)通過理論與仿真的速度，加速度曲線對比可看出，理論與仿真的速度曲線基本吻合，攜紗器在圓周運動階段，速度大小不變，方向變化，速度大小約為0.166 5 m/s。在過渡階段，速度曲線為凹形，先增大后減小，曲線呈現對稱分布，最大值約為0.192 m/s。仿真加速度曲線在過渡階段由于接觸沖擊而呈現不規則的變化，圓周階段近似不變，約為0.524 m/s2。攜紗器的位置曲線近似正余弦曲線的變化。攜紗器與軌道接觸力曲線在過渡階段由于存在剛性接觸而呈現不規則跳動，出現尖點。圓周階段近似為一定值。

2)通過研究可得出，當角導輪的轉速為π rad/s時，攜紗器的運行周期近似為2 s。運行1周的時間為24 s。

3)軌道優化后，消除了速度尖點，速度曲線在過渡階段呈現類似正余弦的變化，速度峰值減小4%，速度過渡平緩，且優化后的加速度峰值減小。降低了零部件的磨損率，間接提高了經濟效益。

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Motion simulation analysis and track optimal design for three-dimensional braiding machine

LIU Yisheng, XU Hailiang, WU Zhenyu, YUAN Yanhong

(Faculty of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China)

This study intends to research the movement of the yarn carrier of a rotary three-dimensional braiding machine in the braiding process of the parts so as to analyze the motion and contact of the yarn carrier, and to understand the impact on the performance of the braided composites. To establish the theoretical formula of carrier by analyzing, using MatLab software to draw the movement theory curve of the yarn carrier, and to establish the virtual prototype analysis model of the three-dimension braiding machine simplified, and the kinematics and dynamics simulation was applied on it with the software of ADAMS. Comparison between theory and simulation curve shows that a sharp point appears in the transition phase of the carrier, and hence a large acceleration exists, which results in contact impact effect to the weaving. The optimal design of trajectory for the yarn carrier is then carried ou a bad. Through the simulation by introducing virtual prototype software, it is shown that optimized speed curve is slow and smooth in transition without a tip point, and the acceleration at the transition is small, therefore it reduces the impact and wear rate.

rotary three-dimensional braiding machine; yarn carrier; dynamics; optimal design

10.13475/j.fzxb.20160404606

2016-04-15

2016-12-20

浙江省公益技術研究國際合作項目(2016C34008)

劉宜勝(1979—)，男，副教授，博士。主要研究方向為智能紡織裝備。E-mail：lysleo@zstu.edu.cn。

TH 113.2; TS 183.13

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