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摘要： 针对传统落纱机存在的效率低、易损伤纱管等缺点，本文设计了一种新型自动落纱机。主气缸驱动由串联式组合机构组成的拔管机构实现拔管功能，在载荷一定的情况下，自动落纱机所需主气缸驱动力的大小与主动摇杆尺寸以及主气缸的安装位置有关。在保证拔管过程不变和不发生干涉的条件下，基于机械系统动力学自动分析，建立参数化模型，并进行优化仿真分析，得到自动落纱机主气缸驱动力最小时主动摇杆尺寸和主氣缸的安装位置参数，将优化后的模型重新建模，并导入ADAMS，与原模型仿真数据进行对比。优化结果表明，优化后新的落纱机模型与原模型相比，气缸驱动力的变化趋势类似，运动过程和所实现的功能不变，证明新的结构参数满足设计要求，但优化后的落纱机主气缸驱动力最大值由1 34064 N减小到92768 N，减小了3080%，有效提高了落纱机传力性能，优化效果显著。该研究在一定程度上节约了能源。
关键词： 自动落纱机； 拔管机构； 参数化建模； ADAMS； 优化设计
中图分类号： TS103.2文献标识码： A
通常情况下，传统的电动落纱机采用预松盘和落纱盘落纱。预松盘和落纱盘与水平面有一定的倾斜角，在落纱过程中会产生拔取纱管的垂直分力和额外的水平分力[1]，水平分力会对锭子造成一定的撞击，损伤纱管，这是纺制高品质纱线存在的比较严重的问题之一[2]。针对上述问题，天津宏大纺织机械厂、湘潭纺织机械公司等都先后推出了自己的自动落纱机，但由于存在成本高、程序繁琐、拔管效率低等缺点，没有得到很好的推广。本文设计了一种新型自动落纱机。采用料夹夹持纱管顶部，且从垂直于龙筋顶面位置开始拔管的方式，拔管机构由摇块机构和双摇杆机构按串联式组合方式组成，拔管过程中连杆可在导向轴中自由移动，使锭子在水平方向受力很小，不会损伤锭子。拔管过程中，料夹不接触纱线，纱线也不会受损[3]。每次可以拔取3个纱管，提高了拔管效率。在保证拔管过程不变和一定的机构尺寸条件下，为实现自动落纱机主气缸驱动力最小，对模型进行一定的简化处理，并利用ADAMS建立其参数化模型，对自动落纱机拔管机构初始参数进行更改，优化仿真分析，得出最小的主气缸驱动力以及最优的主动摇杆尺寸和主气缸安装位置参数。根据新的参数在SolidWorks中重新建模，并导入机械系统动力学自动分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）中仿真，与优化前模型的仿真结果进行对比，得到了自动落纱机最优的尺寸参数。该研究对纺制高品质纱线具有重要意义。
1参数化设计理论基础及参数化模型的创建
自动落纱机总体方案设计二维图如图1所示。拔管机构主要包括双摇杆机构和摇块机构。自动落纱机主气缸在工作过程中，所需主气缸驱动力的大小随载荷的变化而变化，在载荷确定的情况下，所需主气缸驱动力与双摇杆机构主动摇杆的尺寸和主气缸的位置有关。因此，将主动摇杆的尺寸和气缸位置作为参数变量，对主气缸力进行分析。ADAMS参数化建模对模型的几何形状没有要求，可以对真实机构进行必要的简化[4]。
1.1参数化设计及优化方法
ADAMS提供了强大的参数化建模功能[5]。建模时可将参数变量设置为可变变量，仿真分析时，只要改变可变变量的值，就能方便地得到新的虚拟样机模型，将所研究的性能参数设置为目标函数，ADAMS系统循环迭代，让设计参数在一定范围内变化，使目标函数的值最大或最小化，获得使产品性能最佳时的各项参数。ADAMS/View提供的建模方法[6]如下：
1）参数化点坐标。对模型参数化建模，使用点坐标建立虚拟样机，可以通过对点坐标值的修改，与参数化点相关联的对象就会自动更新。
2）设置设计变量。参数化建模时将研究部分设置为设计变量，通过改变设计变量值，可方便修改与变量相关的模型。
3）运动方程的参数化。参数化运动方程可以使研究的模型按预定的轨迹进行运动。
4）参数表达式法。这是对模型进行参数化最常用，也是最基础的方法之一[7]。当模型相对复杂，不能轻易描述对象间的联系时，使用参数化表达式是一种重要的方法[8]。
1.2参数化模型的创建
将SolidWorks等建模软件中的模型直接导入ADAMS中，由于模型不能修改参数，因此对自动落纱机的主
动摇杆以及主气缸采用参数化建模的方法。
本文主要采用参数化点坐标的建模方法。参数化点的确立主要有2个原则[3]：一是所建立的参数化点能够确定模型的位置和方向[3]；二是根据点可创建模型可视化几何实体[3]。
自动落纱机在整个运动过程中，拔管瞬间所需要的驱动力最大，因此主要分析自动落纱机在拔管时所需驱动力，对复杂的落纱机进行简化处理。落纱机简化示意图如图2所示。
对自动落纱机的主动摇杆以及主气缸具体建模过程如下：
1）启动ADAMS/View，设置操作环境。依次设置经典界面；设置背景为白色，取消渐进显示；设置单位为mm，设置工作栅栏size=600，spacing=20，设置图标大小为20，检查重力设置，选择存储目录。
2）创建设计点。设计点分布图如图3所示。以O点为坐标原点建模，将落纱机气缸水平方向的坐标（即E点横坐标）设置为变量（DV_1），竖直方向的坐标（即E点纵坐标）设置为变量（DV_2），落纱机主动摇杆夹角设置为变量（DV_AOB），落纱机主动摇杆转轴与气缸杆连接点的长度设置为变量（DV_OB）。各设计点的坐标值和设计变量如表1所示。
3）创建主动摇杆、主气缸杆、主气缸等。自动落纱机拔管机构模型如图4所示。利用已生成的点分别创建各构件，并添加固定支架，根据各构件之间的运动关系，添加运动副，在主气缸处添加驱动，从而完成该机构参数化模型的创建。 2ADAMS仿真及结果分析
自动落纱机拔管机构各设计变量的初始值及变化范围如表2所示。
对落纱机拔管机构进行优化。设置目标函数为Maximum of MOTION_1_MEA_1，即气缸驱动力的最大值；设置优化目标为Maximum of MOTION_1_MEA_1，即气缸驱动力的最小值；参数变量为（DV_1）、（DV_2）、（DV_OB）、（DV_AOB）。各变量的迭代次数曲线如图5所示，落纱机主气缸驱动力变化图如图6所示。
由图5和图6可以看出，经过7次迭代运算之后，ADAMS找到最优解，并自动生成一个新的样机模型，目标函数Maximum of MOTION_1_MEA_1的值减小到92768 N左右，可以看出优化效果显著。
考虑到机构尺寸的限制和机构不影响正常运行，在给定范围内，对四个变量依次取最优解分别为（DV_1）=2406；（DV_2）=-3655；（DV_AOB）=160°；（DV_OB）=100 mm。根据新的尺寸，利用SolidWorks重新建模，将模型导入ADAMS中进行仿真，得到主气缸力并与优化前模型的主气缸力进行对比。
3ADAMS仿真验证
将装配后新的落纱机模型用Parasolid文件导入ADAMS中，导入ADAMS中的落纱机模型如图7所示。优化前落纱机主气缸驱动力如图8所示。对导入模型的各构件依次更改名字、添加材料属性及约束和驱动，仿真得到优化后主气缸驱动力，优化后落纱机主气缸驱动力如图9所示。
比较图8和图9可以看出，优化后新的落纱机模型与原模型相比，气缸驱动力的变化趋势类似，运动过程和所实现的功能不变，证明新的结构参数满足设计要求，但优化后的落纱机主气缸驱动力最大值由1 34064 N减小到92768 N，减小了3080%，有效提高了落纱机传力性能，优化效果显著，这也在一定程度上节约了能源。
4结束语
针对传统落纱机存在的弊端设计了一种新型的自动落纱机，为了进一步提高自动落纱机传力性能，对其拔管机构进行优化。总结了ADAMS参数化建模的一般方法，基于此方法建立了落纱机拔管机构的参数化模型，进行了仿真分析，得到了新的模型参数。根据所得的最优解在SolidWorks中建立新的模型，导入ADAMS中进行仿真，仿真结果表明驱动力下降效果显著，传力性能得到了较大提升，拔管机构的参数化设计取得了很好的设计效果。该方法具有一定的使用价值。另外，该课题也存在很大的提升空间，例如进一步增加自动落纱机一次性拔管数量，拔管过程进一步优化等。
参考文献：
[1]张继忠， 张钊. 一种落纱机自动拔管装置： 中国， CN102912496B [P]. 20121112.
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[3]刘晋霞， 胡仁喜， 康士廷. ADAMS 2012虚拟样机从入门到精通[M]. 2版. 北京： 机械工业出版社， 2013.
[4]李增刚. Adams 入门详解与实例[M]. 2版. 北京： 国防工业出版社， 2014.
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[6]詹飞， 张明德， 张卫青， 等. 基于ADAMS的航发精锻叶片边缘砂带磨削机构的优化设计[J]. 组合机床与自动化加工技术， 2015（2）： 1720.
[7]谢珣， 史景钊， 李保谦， 等. 基于ADAMS的摆环机构运动仿真及优化设计[J]. 农机化研究， 2015（6）： 6769.
[8]洪吉超， 张铁柱， 崔保让， 等. 基于ADAMS的滚动轴承参数化建模与动力学仿真[J]. 青岛大学学报： 工程技术版， 2014， 29（2）： 7074.
[9]贾军政. 智能落纱机拔纱与插管机构的设计及动力学分析[D]. 北京： 中国地质大学， 2014.
[10]韩伟. 浅谈对智能型落纱小车的几点认识[J]. 科技与创新， 2014（8）： 4243.
[11]胡伟， 许勇， 张善平. 基于ADAMS的六足机器人腿机构优化设计与仿真[J]. 机械制造， 2014， 52（10）： 1114.
[12]戚伟岸， 李小宁， 涂炜. 基于ADAMS的砂轮磨齿机加工过程的动力学分析及仿真[J]. 机械制造与自动化， 2013， 42（3）： 104106.
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[19]蒲明辉， 苏飞， 李凯， 等. 基于ADAMS的后装式压缩垃圾车卸料机构优化设计[J]. 机械设计与制造， 2011（7）： 218220.
[20]郑可昌. 关于开发细纱机自动小车落纱机的探讨[J]. 纺织机械， 2010（4）： 38.
关键词： 自动落纱机； 拔管机构； 参数化建模； ADAMS； 优化设计
中图分类号： TS103.2文献标识码： A
通常情况下，传统的电动落纱机采用预松盘和落纱盘落纱。预松盘和落纱盘与水平面有一定的倾斜角，在落纱过程中会产生拔取纱管的垂直分力和额外的水平分力[1]，水平分力会对锭子造成一定的撞击，损伤纱管，这是纺制高品质纱线存在的比较严重的问题之一[2]。针对上述问题，天津宏大纺织机械厂、湘潭纺织机械公司等都先后推出了自己的自动落纱机，但由于存在成本高、程序繁琐、拔管效率低等缺点，没有得到很好的推广。本文设计了一种新型自动落纱机。采用料夹夹持纱管顶部，且从垂直于龙筋顶面位置开始拔管的方式，拔管机构由摇块机构和双摇杆机构按串联式组合方式组成，拔管过程中连杆可在导向轴中自由移动，使锭子在水平方向受力很小，不会损伤锭子。拔管过程中，料夹不接触纱线，纱线也不会受损[3]。每次可以拔取3个纱管，提高了拔管效率。在保证拔管过程不变和一定的机构尺寸条件下，为实现自动落纱机主气缸驱动力最小，对模型进行一定的简化处理，并利用ADAMS建立其参数化模型，对自动落纱机拔管机构初始参数进行更改，优化仿真分析，得出最小的主气缸驱动力以及最优的主动摇杆尺寸和主气缸安装位置参数。根据新的参数在SolidWorks中重新建模，并导入机械系统动力学自动分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）中仿真，与优化前模型的仿真结果进行对比，得到了自动落纱机最优的尺寸参数。该研究对纺制高品质纱线具有重要意义。
1参数化设计理论基础及参数化模型的创建
自动落纱机总体方案设计二维图如图1所示。拔管机构主要包括双摇杆机构和摇块机构。自动落纱机主气缸在工作过程中，所需主气缸驱动力的大小随载荷的变化而变化，在载荷确定的情况下，所需主气缸驱动力与双摇杆机构主动摇杆的尺寸和主气缸的位置有关。因此，将主动摇杆的尺寸和气缸位置作为参数变量，对主气缸力进行分析。ADAMS参数化建模对模型的几何形状没有要求，可以对真实机构进行必要的简化[4]。
1.1参数化设计及优化方法
ADAMS提供了强大的参数化建模功能[5]。建模时可将参数变量设置为可变变量，仿真分析时，只要改变可变变量的值，就能方便地得到新的虚拟样机模型，将所研究的性能参数设置为目标函数，ADAMS系统循环迭代，让设计参数在一定范围内变化，使目标函数的值最大或最小化，获得使产品性能最佳时的各项参数。ADAMS/View提供的建模方法[6]如下：
1）参数化点坐标。对模型参数化建模，使用点坐标建立虚拟样机，可以通过对点坐标值的修改，与参数化点相关联的对象就会自动更新。
2）设置设计变量。参数化建模时将研究部分设置为设计变量，通过改变设计变量值，可方便修改与变量相关的模型。
3）运动方程的参数化。参数化运动方程可以使研究的模型按预定的轨迹进行运动。
4）参数表达式法。这是对模型进行参数化最常用，也是最基础的方法之一[7]。当模型相对复杂，不能轻易描述对象间的联系时，使用参数化表达式是一种重要的方法[8]。
1.2参数化模型的创建
将SolidWorks等建模软件中的模型直接导入ADAMS中，由于模型不能修改参数，因此对自动落纱机的主
动摇杆以及主气缸采用参数化建模的方法。
本文主要采用参数化点坐标的建模方法。参数化点的确立主要有2个原则[3]：一是所建立的参数化点能够确定模型的位置和方向[3]；二是根据点可创建模型可视化几何实体[3]。
自动落纱机在整个运动过程中，拔管瞬间所需要的驱动力最大，因此主要分析自动落纱机在拔管时所需驱动力，对复杂的落纱机进行简化处理。落纱机简化示意图如图2所示。
对自动落纱机的主动摇杆以及主气缸具体建模过程如下：
1）启动ADAMS/View，设置操作环境。依次设置经典界面；设置背景为白色，取消渐进显示；设置单位为mm，设置工作栅栏size=600，spacing=20，设置图标大小为20，检查重力设置，选择存储目录。
2）创建设计点。设计点分布图如图3所示。以O点为坐标原点建模，将落纱机气缸水平方向的坐标（即E点横坐标）设置为变量（DV_1），竖直方向的坐标（即E点纵坐标）设置为变量（DV_2），落纱机主动摇杆夹角设置为变量（DV_AOB），落纱机主动摇杆转轴与气缸杆连接点的长度设置为变量（DV_OB）。各设计点的坐标值和设计变量如表1所示。
3）创建主动摇杆、主气缸杆、主气缸等。自动落纱机拔管机构模型如图4所示。利用已生成的点分别创建各构件，并添加固定支架，根据各构件之间的运动关系，添加运动副，在主气缸处添加驱动，从而完成该机构参数化模型的创建。 2ADAMS仿真及结果分析
自动落纱机拔管机构各设计变量的初始值及变化范围如表2所示。
对落纱机拔管机构进行优化。设置目标函数为Maximum of MOTION_1_MEA_1，即气缸驱动力的最大值；设置优化目标为Maximum of MOTION_1_MEA_1，即气缸驱动力的最小值；参数变量为（DV_1）、（DV_2）、（DV_OB）、（DV_AOB）。各变量的迭代次数曲线如图5所示，落纱机主气缸驱动力变化图如图6所示。
由图5和图6可以看出，经过7次迭代运算之后，ADAMS找到最优解，并自动生成一个新的样机模型，目标函数Maximum of MOTION_1_MEA_1的值减小到92768 N左右，可以看出优化效果显著。
考虑到机构尺寸的限制和机构不影响正常运行，在给定范围内，对四个变量依次取最优解分别为（DV_1）=2406；（DV_2）=-3655；（DV_AOB）=160°；（DV_OB）=100 mm。根据新的尺寸，利用SolidWorks重新建模，将模型导入ADAMS中进行仿真，得到主气缸力并与优化前模型的主气缸力进行对比。
3ADAMS仿真验证
将装配后新的落纱机模型用Parasolid文件导入ADAMS中，导入ADAMS中的落纱机模型如图7所示。优化前落纱机主气缸驱动力如图8所示。对导入模型的各构件依次更改名字、添加材料属性及约束和驱动，仿真得到优化后主气缸驱动力，优化后落纱机主气缸驱动力如图9所示。
比较图8和图9可以看出，优化后新的落纱机模型与原模型相比，气缸驱动力的变化趋势类似，运动过程和所实现的功能不变，证明新的结构参数满足设计要求，但优化后的落纱机主气缸驱动力最大值由1 34064 N减小到92768 N，减小了3080%，有效提高了落纱机传力性能，优化效果显著，这也在一定程度上节约了能源。
4结束语
针对传统落纱机存在的弊端设计了一种新型的自动落纱机，为了进一步提高自动落纱机传力性能，对其拔管机构进行优化。总结了ADAMS参数化建模的一般方法，基于此方法建立了落纱机拔管机构的参数化模型，进行了仿真分析，得到了新的模型参数。根据所得的最优解在SolidWorks中建立新的模型，导入ADAMS中进行仿真，仿真结果表明驱动力下降效果显著，传力性能得到了较大提升，拔管机构的参数化设计取得了很好的设计效果。该方法具有一定的使用价值。另外，该课题也存在很大的提升空间，例如进一步增加自动落纱机一次性拔管数量，拔管过程进一步优化等。
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[8]洪吉超， 张铁柱， 崔保让， 等. 基于ADAMS的滚动轴承参数化建模与动力学仿真[J]. 青岛大学学报： 工程技术版， 2014， 29（2）： 7074.
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