钱志鹏,孟 婥,孙以泽,叶志彪

(东华大学 机械工程学院，上海 201620)

某织机中织枪运动装置的动力学分析

钱志鹏,孟 婥,孙以泽,叶志彪

(东华大学 机械工程学院，上海 201620)

基于多色提花簇绒地毯织机织造过程中，织枪需准确地运动到指定位置后进行簇绒织造的要求，设计了龙门式机械手结构的运动装置，并在ANSYS中建立有限元模型，对所设计的运动装置进行静力学、模态和谐响应分析.针对实际工况，利用ADAMS软件进行刚柔耦合多体动力学分析，指出该运动装置动力学响应对织机织造精度的影响.结果表明：运动装置的振动、变形都满足许用要求，设计可靠、机构运动平稳且不会发生共振；织枪部分需增加平衡质量块以提高织机织造精度.

织枪； 运动装置； 可靠性分析； 机械手； 联合仿真

一般的簇绒地毯织机针排不移动，通过底布移动形成一定针距的绒头[1]，但这种织造方式的纱线颜色和图案均受到限制.采用横动错花技术织造提花簇绒地毯时，针排相对底布横向移动形成花型.错花技术通过机械凸轮或电子凸轮实现小范围的横向移动.本文提及的多色提花簇绒地毯织机采用织枪移动、底布不动的织造方式，这种织造方式可实现任意多种纱线、不同颜色和图案的织造.

由于织枪运动需要设计平面随动系统，该随动系统采用龙门式多轴机械手带动织枪移动实现簇绒织造. 在本文中，以龙门式多轴机械手为研究对象，建立了机构动力学模型，在ANSYS中分析机械手的动力学特性[2-4]，再利用ADAMS进行刚柔耦合多体动力学分析，验证织造系统的可靠性.

1 龙门式多轴机械手机构设计

1.1 设计要求

所织造的簇绒地毯毯面最大尺寸为600 mm×900 mm，织枪动作要求如下.

(1) 织枪运动示意图如图1所示，圆点表示织点位置.织枪根据织造要求在平面内任意两相连点间作单向间歇运动.

(2) 机械手上的织枪还需完成簇绒织造，即织枪的簇绒针作上下简谐运动. 多轴机械手的功能是实现织枪在任意两个相连簇绒织点间的运动，并保证位置准确、动作可靠、运动平稳.

1.2 机构设计

由于织枪是在平面内移动， 可以采用比较成熟的一体式龙门多轴机械手，但由于投入成本和后期维护费用高等原因，将大大降低产品竞争力.另一种方案是采购专用导轨，再利用滚珠丝杠机构或带轮机构与之配合，但专门导轨成本依然很高，且其质量偏大带来问题，因此，该方案依然不是最佳.

图1 织点位置示意图Fig.1 Schematic plot of tufting point

如图2所示为本文设计的龙门式多轴机械手，该机构设计以两根导向轴作为导轨，同步带轮作为传动机构，可节约成本、减少质量、降低惯性对机构运动的影响.

图2 龙门式多轴机械手Fig.2 Gantry manipulator

1.3 参数确定

为方便有限元分析，确定如表1所示的参数.

表1 有限元分析前处理模块参数Table 1 The pretreatment parameters of finite element analysis

默认相邻两个绒圈间距h为6 mm，簇绒速度n为1 000针/min.在簇绒针刺入底布时，织枪需运动到指定位置并保持静止状态.簇绒针每个周期需要40%的时间刺入底布中，即织枪需要在60%的时间内完成移动，将这段运动设定为先匀加速后匀减速.

2 多轴机械手的有限元分析

上述多色提花簇绒地毯织机的工作原理决定了机械手的工位时刻变化.为此选择机械手最薄弱的工位作为分析模型，即图2所示织枪位于中心位置时的工位.

2.1 机械手线性静力学分析

为便于计算，对机械手几何模型适当简化，忽略伺服电机及传动系统对本体结构的影响，去除螺纹孔等细小特征.采用3D8节点结构实体单元和3D10节点四面体单元[5]对机械手进行网格划分.划分网格前先对体单元进行黏接运算(glue)的布尔操作.区别于并运算(add)，黏接运算可以保留各个体单元的属性，实体相连并能保留黏接的边界[3].

黏接运算之后，两接触实体结合面的单元划分一致，相连实体的单元划分会影响自身单元的划分，在划分网格时，必须对需扫略划分的实体单元优先操作.机械手的基座通过螺栓与机架相连，可以通过在基座螺栓孔处施加x轴、y轴和z轴3个方向自由度的约束，模拟基座地脚螺栓的约束.由于基座区域不是主变形区域，为了简化操作，可以直接在基座与机架的接触面上施加全部约束.

添加完约束后，在织枪滑块上取中间位置节点处的x轴、y轴和z轴3个方向分别施加100 N的静态力，求解后得到各自的变形位移云图. 其x轴、y轴和z轴方向上受力变形分布图如图3所示.

(a) x轴方向

(b) y轴方向

(c)z轴方向

图3x轴、y轴和z轴方向上受力的位移云图

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

由图3可知，x轴、y轴和z轴3个方向上，该机构上最大位移节点的位移分别为0.240 0、0.420 0和0.075 6 mm，则该机构在y轴方向上受力时刚度最差，但都小于1 mm，对机械手的运动精度影响不大.

2.2 机械手模态有限元分析

模态分析在工程中应用广泛，主要目的是了解结构的共振区域，为结构设计提供指导[6].由于机械手作周期性运动，需要对整体机构进行模态分析.

共振多由低阶固有频率引起，对机构进行模态分析通常不需计算所有固有频率和振型.采用Block Lanczos模态提取法对多轴机械手进行模态分析，得到如表2所示的机构前6阶固有频率，对应的各阶振型云图如图4所示.

表2 机械手前6阶固有频率

Table 2 First six order natural frequency of the gantry manipulator

模态123456固有频率/Hz4760737793168

由图4(a)可知，工作频率f=16.67 Hz处在低频区且相对第一阶固有频率47 Hz差距较大，因此可认为不会产生共振.由于织机的织造速度将进一步提升，模态分析对机构优化设计具有指导作用，可通过增加传动轴导轨的刚度来提高机械手的固有频率.

2.3 机械手谐响应分析

由机械手的动作分析可知，织枪作间歇运动，簇绒针作类似简谐运动.机械手做平面运动产生的惯性力和簇绒针刺穿底布所受的载荷都属于周期循环

(a) 1阶 (b) 2阶

(c) 3阶 (d) 4阶

(e) 5阶 (f) 6阶图4 6阶固有频率的振型图Fig.4 Mode shape of the sixth order natural frequency

载荷.周期循环载荷会导致结构的周期循环响应，而谐响应分析就是分析这种周期循环响应的方法.

根据机械手的实际工况，在织枪工作点位置y轴方向施加100 N、(0～100)Hz的正弦激励，求解得织枪所在位置处节点在y轴方向振幅随频率的变化特性，如图5所示.当外载荷的频率接近机械手的第一阶固有频率47 Hz时，织枪位置处y轴方向的位移幅值达到峰值，47 Hz下的振幅云图如图6所示.

图5 织枪位置出节点振幅频率曲线 Fig.5 Amplitude versus frequency curve of the node on the tufting gun

图6 47 Hz简谐激励下机械手节点的位移云图 Fig.6 Displacement nephogram caused by 47 Hz harmonic excitation

由图6可以看出，最大位移点的位置是织枪的位置，最大位移幅值为14 mm，这样的振幅对滑块的运动精度影响很大.

目前织机的工作频率约为16.67 Hz，远小于第一阶固有频率.在工作频率下机械手节点的位移云图如图7所示，y轴方向的最大变形为0.079 3 mm，对织机影响甚微.

图7 16.67 Hz工作频率下机械手节点的位移云图 Fig.7 Displacement nephogram caused by 16.67 Hz harmonic excitation

同样在x轴和z轴方向施加100 N、 (0～100) Hz的正弦激励，得出工作频率变形量和静态力作用变形量都为微米级，说明就当前工作要求而言，该设计合理、可靠.

3 刚柔耦合多体动力学分析

机械装备的振动特性是衡量其性能的重要指标，织机的振动特性会影响机械手的运动精度，进而导致织造精度降低.利用ADAMS软件对系统进行柔体仿真，常用方法有两种：一种是利用有限元分析软件得到构件的有限元模态分析模型， 生成MNF中性文件导入ADAMS中，就可以融入机械手模型进行柔体仿真；另一种是直接利用软件环境的ADAMS/AutoFlex模块建立柔体构件，组合成多柔体系统进行柔体仿真[7].

本文采用第一种方法，利用ADAMS 与ANSYS 以及其他三维建模软件间的接口，完成它们之间的联合并在ADAMS中进行刚柔耦合多体动力学仿真[8].如果要从ANSYS的ADAMS接口输出ADAMS所需的模型信息，则需要指定所采用的单位制[9].在刚柔耦合多体动力学分析中，单位协同机制不容忽视.这里在ANSYS和ADAMS分析时都采用统一的单位制kg-m-s (MKS).

由第2节有限元分析可知，主要变形区域为导向轴，所以将导向轴创建为柔性体，其他部件为刚体，构成刚柔耦合模型.首先，建立外部节点和刚性区域使ADAMS中刚性体与柔性体之间能够添加约束或力，根据实际工况，给每个导向轴添加3个外部节点及其刚性区域，如图8所示.然后，通过ANSYS中adams.mac宏命令获得ADAMS软件所需的模态中性文件，模态中性文件(*.MNF)中包含了柔性体的质量、质心、转动惯量、频率、振型及对载荷的参与因子等信息[10].最后，在ADAMS软件中建立刚性体模型，读入模态中性文件，指定部件间的连结方式，施加固定副、移动副和驱动进行系统运动仿真.

图8 导向轴的外部节点和刚性区域Fig.8 External nodes and rigid regions of the guide shaft

在柔性体上施加约束和作用力时，可以直接加在柔性体节点上的运动副有旋转副、固定副、球副、万象节副，其他运动副和运动激励不能直接加在柔性体节点上，所以模型中滑块与导向轴之间的移动副无法创建.为了仿真出指定的工况，3个滑块和底座都采用固定副与柔性导向轴上的各个节点相连，并在底座和ground之间创建移动副，使机构的整体移动模拟出较为接近的受力情况，基于此建立的ADAMS刚柔耦合模型如图9所示.

图9 ADAMS刚柔耦合模型Fig.9 Rigid-flexible coupling model on ADAMS

对机构进行x轴方向刚柔耦合多体动力学仿真，得到针尖运动情况如图10所示，其与刚体运动理论值间的误差如图11所示.

图10 针尖运动曲线Fig.10 Motion curve of the needle point

由图10和11可知，多轴机器人在工作负载下整体变形量较小，但针尖的运动误差最大值为2 mm，对织造精度的影响不可忽略.考虑到是由于质心位置导致机械手扭转造成的误差， 可通过在织

图11 针尖端点运动误差Fig.11 Kinematic error of the needle point

枪上方增加质量块调整质心位置，从而达到设计优化的目的.

4 结 语

本文利用ANSYS对多轴机械手进行了静态与动态分析，利用ANSYS 与ADAMS 柔性体联合仿真方法对多色提花织机的龙门式机械手机构进行了刚柔耦合多体动力学分析，得出以下结论：

(1) 应用ANSYS和ADAMS软件可较精确地分析机械手的动力特性，为改进机械手受力状况和结构优化设计提供理论依据；

(2) 无论是静态还是动态，机械手的振动变形都满足许用要求，设计可靠、机构运动平稳，不会发生共振；

(3) 织枪部分需增加平衡质量块来提高织机织造精度.

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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

国家自然科学基金资助项目(51375084)；教育部博士点基金资助项目(20130075110002)

钱志鹏(1990—)，男，江苏东台人，硕士研究生，研究方向为簇绒地毯机械.E-mail: jsqianzhipeng@163.com 孟 婥(联系人)，女，教授，E-mail: mz@dhu.edu.cn

TH 114

A