電腦針織橫機作為一種高科技機電一體化產品，不僅能夠實現毛衫生產的自動化控制，還可極大程度地提高毛衫產品的檔次與技術附加值。
成圈機構是電腦橫機最重要的機構之一，它應用了高精度選針技術、三功位編織技術以及伺服控制技術，在高速編織時其運動的穩定性至關重要，因此，如何減少運動沖擊，提高編織速度和穩定性等問題成為成圈機件的動力學研究重點。由于成圈機件之間的運動屬于復雜的非線性問題，采用一般的圖解法和解析法很難解決此類問題，且設計耗時多，開發周期長，成本高，制約了電腦橫機技術水平的提高。本文通過對電腦橫機成圈機構和原理深入分析，運用NX/Motion分析技術對電腦橫機成圈機構進行了瞬態動力學分析，探尋電腦橫機的機構設計與優化方法，以提高其整機性能。
1 成圈機構組成及成圈工藝分析
1.1 成圈機構的系統組成
電腦橫機主要由喂紗機構、成圈機構、針床橫移機構、牽拉機構、密度調節機構、傳動機構、控制系統等組成。電腦橫機成圈機構的結構如圖1所示。
圖1 成圈三角系統結構
機頭前后各有2個三角系統，每個成圈三角系統都可以單獨成圈。成圈三角系統結構如圖1所示。圖中帶陰影部分的三角為活絡三角，它們由程序進行自動控制，其他均為固定三角。
1.2 成圈機構的成圈工藝
成圈機構是電腦橫機的關鍵編織機構，采用電子控制技術對導針片進行選針，從而控制織針運動。織針通過選針上升到不同編織高度，在各三角的精密配合下進行各種編織。電腦橫機成圈工藝包括：起針→退圈→墊紗→套圈→彎紗→脫圈→成圈，走針軌跡和關鍵工藝點見圖2。
圖2 電腦橫機成圈關鍵工藝點
以筒口線（圖2中K-K線）為基準，根據織針尺寸參數和電腦橫機的工藝要求，可計算得到主要工藝點參數，見表1。
表1 電腦橫機主要工藝點參數
2 成圈機構的瞬態動力學分析
根據織針的運動性質，可以把針桿看成1個等截面均勻的直桿，如圖3所示。假設針桿長為l，它的兩端y=0和y=l處經受某種方式的約束，考慮圖3所示的織針針釬為等截面均勻直桿，應力是均勻分布的，應力波沿針釬縱向進行均勻傳遞，圖中A-A、B-B為任意截面的2個截面，截面所受到的應力為
式中A為針桿的截面積。
圖3 等截面均勻的理想直桿
假定：1）變形前的平截面在變形過程中始終保持平面；2）除了沿截面上恒為均勻分布的軸向應力σy外，其它應力分量均為0。
在這些假定下，簡化運動方程得到針桿的動力學平衡方程
式中：Y為y方向的剛體力；Uy為針桿的軸向位移；p為針桿的材料密度。式(1)可從圖3中考慮微元段的動量守恒，得到運動方程。軸向應力σy=Py/A（Py為針桿的軸向力）。引用胡克定律：
式中：ε為軸向應變：E為彈性模量。則式(2)變為
式中：
通常稱其為針桿的波速。在剛體力為常數pQ的情況下，得到縱向自由振動的控制方程式
定義其通解的形式為：Uy=Y(y)T(t)。此處Y(y)稱為主函數或正規函數，它定義了振動的模態，代入式(4)得
式中k為某一常數。式(5)的解為：
式(6)中的常數A和B與初始條件相關，C和D由針桿端的約束條件確定。假定兩端邊界條件為：
若初始條件為Uy(y，0)=φ(y)，Uy(l)(y，0)=φl(y)，則得到針桿的縱向振動方程：
式中，
通過針桿的瞬態動力學分析，可知織針在振動過程中遵循一種非線性多變量的運動規律。這種運動規律會給成圈機構的動力學求解帶來很大困難，需要尋找一種更為高效便捷的模型求解方法，以實現成圈機構的優化設計。
3 成圈機構NX/Motion建模仿真
3.1 成圈機構的NX建模
NX軟件是一套集CAD/CAM/CAE技術于一體的計算機輔助軟件。NX CAD/CAM/CAE系統提供了一個基于過程的產品設計環境，使產品開發從建模、裝配、仿真到加工真正實現數據的無縫集成，從而優化了產品的設計與制造。
因此，針對電腦橫機成圈機構的建模，本文采用NX軟件進行設計、裝配和仿真。圖4示出成圈機構仿真實體模型。
圖4 成圈機構仿真實體模型
3.2 NX/Motion仿真
在進行成圈機構編織過程仿真分析時，NX/Motion直接在NX內進行運動模擬，可對任何二維或三維的機構進行復雜的運動學/動力分析、有限元分析和設計仿真，對運動機構進行大量的裝配分析和運動合理性分析工作，如干涉檢查、軌跡包絡等。允許同時控制最多5個運動副，可以分析反作用力，系統的位移、速度和加速度，反作用力可以輸入到FEA中，它是一個綜合的機構運動元素庫，可設置運動副、載荷力和定義三角的輪廓。NX/Motion嵌入了機構動力學公司的ADAMS/Kinematics解算器，它可作為ADAMS/Solver的完全動力學解算器，實現輸入文件的創建。
3.3 成圈編織仿真過程分析
由于前后針床成圈運動情況相同，左右2個機頭系統同時成圈，所以本文只分析單個系統的成圈過程，設定上述的結構參數，成圈仿真過程如圖5所示。
圖5 成圈仿真過程圖
用Markers功能按鈕選擇挺針片下針踵模型上與三角接觸的節點，再用trace跟蹤功能繪制節點隨時間變化的位移、速度、加速度曲線，所得曲線即為成圈時挺針片和織針在y方向上的位移、速度、加速度變化曲線，如圖6所示。
舌針的位移變化曲線如圖6(a)所示，水平軸為時間，圖中所示位移最高點和起針最高點分別為22.35mm和12.49mm，與理論設計值基本相符，圖中的軌跡顯示導針片的運動軌跡，表明挺針片片踵在三角作用下嚴格按照三角預定的軌道運行。當機頭三角運行速度為1.2m/s時，針踵垂直方向上的速度、加速度變化見圖6(b)、(c)。挺針片先與起針三角作用，從而引起速度的較大變動，加速度也相應地產生很大變動，由于挺針片始終受到針槽阻力作用，做減速運動，逐漸進入平穩區，加速度也逐漸趨于0。由于織針針踵貼附在三角表面滑行，三角表面的光滑度不一樣，所以速度在很小的范圍內波動，圖6(b)、(c)中0.002～0.010s時間段的速度和加速度變化曲線很清楚地表明這點。設機頭的最大速度為1.2m/s，起針三角角度為53°，理論上導針片在縱向的速度為vtanθ=1.6m/s，圖6(b)曲線所示的速度值與理論分析值基本相符。
隨著機頭的繼續運動，導針片片踵運動至起針三角最高點，之后由于挺針片在針槽中達到受力平衡，垂直方向上速度減為0，加速度也相應的趨于0，導針片與挺針三角相碰撞。由圖可知，碰撞瞬間導針片受到挺針三角沖擊力的大小不低于第1次與起針三角的沖擊力。由于三角為直線三角，針踵在起針點碰撞三角，沖擊力必然較大，而挺針三角是以圓弧面起始的，接觸碰撞時，三角對針踵的沖擊力與起針時差不多，說明挺針三角過渡段的圓弧設計不夠合理，產生了較大的沖擊力，影響了機器高速運動的穩定性與可靠性。導針片繼續沿著挺針三角上升，垂直方向上的速度、加速度逐漸趨于穩定。
當挺針片沿著三角針道繼續運行，接著與彎紗三角相碰撞，如圖6(b)、(c)所示，接觸瞬間速度、加速度明顯改變，說明存在較大的沖擊力，然后又慢慢進入平穩區。其他階段的沖擊基本合理，針踵與其他三角沖擊瞬間達到的速度和貼附在三角表面運動的速度基本符合運動規律。
圖6 織針y方向運動變化曲線
3.4 織針最大受力分析
上述模型分析初速度定義時，成圈模型取機頭在X方向上速度為1.2m/s。由織針加速度變化曲線可知機頭在不同速度條件下，三角對針踵的沖擊力不同。所以在機頭速度為0.2～1.2m/s時，得到垂直方向導針片針踵最大受力情況，見圖7所示。
圖7 不同速度條件下針踵垂直方向最大受力
從圖中可看出，當機速處于0.2m/s至1.0m/s時，針踵垂直方向上的最大受力呈緩慢的線性增長趨勢。但當機速大于1.0m/s時，針踵垂直方向上的最大沖擊力值有很大變化，因此，針踵與三角間的沖擊力大小成為制約機速提高的關鍵因素。
4 實驗過程與結果分析
通過采用高速攝影的實驗方法，記錄下電腦橫機成圈機件在編織過程中的實際位移情況，可以獲取導針片與織針的運動參數，以驗證NX/Motion的電腦橫機成圈機構建模與仿真研究的正確性。
實驗儀器選用日本PHOTRON公司的SUPER 100K型高速攝影機。高速攝影過程中，機頭處于無編織往復運動狀態，實驗過程如圖8所示。
圖8 電腦橫機織針動態高速攝像
將圖像處理后得到的實驗數據導入MatLab中，通過MatLab的Ployfit函數曲線擬合得到成圈機件的各運動曲線，如圖9所示。
圖9示出實驗得出的成圈運動位移曲線擬合圖，從圖中可以看出織針最大位移發生在0.038s處，為0.0226m。其位移、速度以及加速度變化規律與NX運動仿真結果基本一致，說明NX/Motion的分析結果是準確的，可采用NX/Motion仿真分析軟件進行電腦橫機成圈機構各部件的設計與優化。
圖9 成圈運動曲線擬合結果
5 結論
1)根據電腦橫機成圈機構的工藝研究，運用彈性動力學分析成圈機件之間的瞬態運動，得到三角對導針片垂直方向上的沖擊力Pv隨時間t的變化方程，Pv值的大小表明了織針沿三角運動的穩定性。
2)運用NX/Motion的分析軟件模擬成圈機構三角與導針片的瞬態受力狀況，得出成圈過程中導針片的位移、速度以及加速度的變化曲線。
3)由NX/Motion的分析結果得到織針最大位移為37.14mm，發生在0.039s處，由速度、加速度曲線得出，起始階段的瞬態沖擊力較大，隨后趨于穩定，第2次瞬態受力發生在0.025s處，然后逐漸趨于穩定。
4)通過高速攝像實驗得出織針成圈過程中位移、速度以及加速度變化曲線，與NX/Motion分析的導針片位移、速度以及加速度變化曲線一致，驗證了NX/Motion分析結果的準確性，為電腦橫機的設計與優化提供了理論分析方法。
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://m.hanmeixuan.com/
本文標題：基于NX/Motion的電腦橫機成圈機構建模與仿真
本文網址：http://m.hanmeixuan.com/html/solutions/14019312918.html
相關文章
