基于Pro／ENGINEER的自动络筒捻接机构的虚拟装配

第25卷第5期 2006年10月 天津工业大学学报 F Y 5 00于新华，史明华，肖 放，李斌 (天津工业大学机械电子学院，天津3001) 摘要：分析了自动络筒机捻接机构的传动原理，对其主要零件进行了三维建模，规划了该机构的装配序列，利用 此基础上进行了捻接机构装配模型分析和动态仿真这种方 法能及早发现设计缺陷，降低产品开发成本，缩短产品上市时间 关键词：捻接机构；传动原理；三维建模；虚拟装配；运动仿真 中图分类号：103321；献标识码：A 文章编号：1671024X(2006)05of inI 001，he of is D of he of is is or is of is of is D 拟装配(A)是虚拟产品开发 的核心技术之一，是指利用计算机工具，而不需产品或 者支持过程的物理实现，通过分析、预建模、可视化等 进行或者辅助进行装配 j下简称 )支持虚拟产品开发过程，融产品设计、装配、分 析、仿真和制造于一体，具有参数驱动、单一数据库、特 征建模等特点，支持自顶向下(产品开发 模式基于自动络筒机捻接机构的运动关系比较复杂， 笔者利用进行了捻接机构的虚拟装配和运动仿 真，分析了装配中的干涉情况以及机构运动过程中的 位移、速度和加速度情况 1捻接机构传动原理 络筒机是将纱线从容量较小的细纱管经清纱和调 整张力后络成一定形状的容量较大的筒子的设备 在络纱的过程中，由于张力不均或纱线条干不匀等原 因会出现断纱传统络筒机都是采用手工或打结器来 进行纱线接头，其接头直径大，效率低自动络筒机采 用捻接机构来进行纱线自动捻接，提高了捻接质量和 效率，减少了停机时间 捻接机构通过大小吸嘴分别吸住筒子和管纱的断 头，并将两个断头引入到捻接槽中通过捻接器把两个 叠合在一起的纱线相互捻接而构成一个无结的接头 捻接机构传动原理如图1所示其工作过程如下：当出 现断纱时，大齿轮、小吸嘴传动凸轮、大吸嘴传动凸轮 和导气阀控制凸轮同轴回转；导气阀控制凸轮通过连 杆机构打开气路开关；小吸嘴传动凸轮回转使得小吸 嘴传动齿轮运动，从而使小吸嘴吸住管纱断头并将其 送入捻接槽中；大吸嘴传动凸轮回转使得大吸嘴传动 齿轮运动，从而使大吸嘴吸住筒子纱断头并将其送入 捻接槽中，此时空气捻接器工作，完成捻接 从图1可以看出，要顺利完成纱线自动捻接，必须 保证各传动凸轮轮廓尺寸准确，相互问的起始相位角 收稿日期：20060427 基金项目：天津市教委“十五”投资科技创新基金资助项目(200404) 作者简介：肖新华(1978一)，男，湖南省桂阳县人，硕士研究生；史明华(1944一)，女，上海市人，教授，导师 维普资讯 1 of 理，从而合理控制大小吸嘴的运动规律并及时打开 气路在建立捻接机构零件三维模型的基础上进行虚 拟装配和运动仿真，能够检验装配的干涉情况以及各 构件尺寸和相对位置关系是否合理 可以得到齿轮的第一个齿槽通过绕齿轮中心轴旋转 阵列，就可完成齿轮的参数化建模当齿数、模数或其 他参数变化时，只需输入参数值就能快速驱动模型派 生出相应的齿轮，而不用重复建模 (3)凸轮类零件的建模 凸轮既是传动元件，又是控制元件，它可以控制机 构的运动规律凸轮建模最关键的是保证凸轮轮廓尺 寸的精确和光滑过渡建模时首先根据末端执行机构 的运动规律，推导出轮廓尺寸，然后建立轮廓曲线，通 过曲线形成曲面，最后再建立孔、键槽等其他辅助 特征 (4)管道类零件的建模 由于大小吸嘴采用气流来吸附纱线断头，因此捻 接机构的许多零件都是空间管道这类零件可以利用 提供的管道命令进行建模首先建立管道中心 线曲线和关键控制点，然后定义管道外径和壁厚，选取 管道经过的控制点并设置折弯半径即可完成建模 2捻接机构主要零件的三维建模 3捻接机构的虚拟装配 在零件建模前，首先要对零件结构进行分析，将复 杂的零件结构分解成所能建立的基本特征要 素，理清特征之间的相互关系，选用合理的顺序进行建 模虽然不同的建模顺序可以构造相同的模型结构，但 不同方法构造出来的模型却具有不同的稳定性、可修 改性和可驱动性通常零件越复杂，其稳定性与可修改 性就越差，在技术可能的情况下，应尽量简化实体特征 结构捻接机构的主要零件可分为四大类：箱体类、齿 轮类、凸轮类和管道类 (1)箱体类零件的建模 箱体类零件结构比较复杂，建模顺序尤其重要如 果建模顺序不合理，后续对模型进行修改就可能导致 再生失败同时箱体一般是安装其他零件的基准，因此 安装基准的尺寸精度和相互位置精度要求很高在进 行初步分析后，进入零件模块，选择合适的坐标 系，然后运用拉伸、旋转和扫描等命令可得到箱体初步 的三维模型再利用倒角、倒圆角等建立辅助特征，即 可完成箱体的建模 (2)齿轮类零件的建模 齿轮的齿廓以渐开线居多在齿轮建模之前，首先 需要确立齿轮的基本参数，如齿数、模数、压力角、齿顶 高系数、顶隙系数和齿宽等然后建立齿轮各尺寸与参 数之间的关系式，通过关系式生成齿廓曲线将齿廓曲 线沿特定平面进行镜像，并利用齿廓曲线切削实体就 在环境下进行虚拟装配就是在零件三维建 模的基础上，以一定的顺序对零部件进行定位并建立 装配约束的过程 31装配序列规划 装配序列规划是在各种几何约束条件及工艺约束 条件的制约下，求解出满足各种约束条件的合理装配 顺序装配序列是装配规划最基本的信息，产品中零件 之间的几何关系、物理结构及功能决定了产品的装配 顺序装配有向图是描述零部件装配顺序的有效方 式 ，它采用顶点和有向边来表达零部件的装配顺 序根据捻接机构的功能及结构特点，可将捻接机构分 成大吸嘴组件、小吸嘴组件以及凸轮组件来进行装配， 然后再将这些组件与其他零件一同安装到箱体上，其 装配序列可用图2来表达 32捻接机构虚拟装配过程 基于装配的联接方式可分为约束与连接两 种类型 ，是现实零部件装配关系在虚拟环境中的具 体体现约束用来定位相对静止的零件之间的位置关 系，可分成匹配、对齐、插入、坐标系、相切、曲线上点、 曲面上点、曲面上边以及角度等类型连接表示相对运 动零件之间的运动关系，可分成刚性、销钉、滑块、圆 柱、平面、球、焊接、轴承以及衬套等类型利用这些约 束和连接类型可以有效地完成虚拟装配 产品设计是自顶向下、逐步求精的过程而装配则 维普资讯 ，等：基于自下而上的功能实现过程虚拟装配也遵循这一原 图2捻接机构装配有向图 of 根据图2所示装配序列，在装配环境下，首 先利用各种约束和连接类型完成大吸嘴组件、小吸嘴 组件以及凸轮组件的装配凸轮组件装配时，应特别注 意各凸轮相对初始角度的定位如果初始角度不合理 将不能保证大吸嘴、小吸嘴和导气阀协调运动 组件装配完成后，即可进行捻接机构的总体装配 首先将箱体固定在坐标系中，然后利用元件放置命令 将各组件装入箱体中，最后再装配组件之间的传动元 件，完成捻接机构的装配如图3 图3捻接机构虚拟装配模型 of 装配模型分析与运动仿真 机构的质量、体积、重心位置、体积干涉和零部件间隙 等属性对于不符合设计要求的属性，能检测出 来，从而使设计者有针对性地进行零件修改修改后的 零件能动态反映到装配模型中，保证了设计的一致性 运动仿真是在虚拟装配模型的基础上，利用构)模块，使机构模拟实际工 况运动捻接机构运动仿真过程如下：定义驱动电 机，选凸轮轴为电机主轴，设定电机运动函数；定义 大吸嘴传动凸轮、小吸嘴传动凸轮和导气阀控制凸轮 与相关滚子配合的凸轮副；定义大吸嘴传动齿轮副 和小吸嘴传动齿轮副；为使机构运转平稳，还需要定 义弹簧连接；模拟机构运动过程，测量分析构件的运 动情况，如大吸嘴运动情况如图4 图4大吸嘴运动曲线分析 of 过机构运动仿真，可以分析机构运动过程中的 完成捻接机构虚拟装配后，需要对其装配模型进 体积干涉、位移、速度和加速度情况，从而为机构结构 行分析，包括静态分析和运动仿真分析 优化提供依据 静态分析主要是在机构没有运动的情况下，分析 (下转第30页) 维普资讯 ，并采用线性平滑滤波消除图像中 的部分噪声，采用该空域滤波模板进行处理的中心思 想是通过模板中心点及其相邻像素的运算而去除 突变 增强操作后的图像，利用迭代方法确定最佳阈值， 并以此阈值将图像分割为黑白二值图像它基于逼近 的思想，基本算法如下： 求出图像的最大灰度值和最小灰度值，分别记 为初始阈值为： ：(2； 根据阈值 将图像分割为前景和背景，分别 求出两者的平均灰度值 求出阈值=(z。+2； 如果k，所得即为阈值，否则转迭代 计算 对此二值图像连续进行3次腐蚀膨胀运算，消除 目标图像区域内的孤立噪声点，此图像记作A，再用一 个55大小的结构元素到图像C， 则图像边界为A 经过纤维图像的预处理，系统提取图像中的鳞片 长度、纤维图像细度等特征，并存人纤维特征数据库 在得到鳞片长度和纤维细度两个特征后，将鳞片 长度除以纤维细度得到长径比和纤维细度作为识别依 据；然后采用羊绒 纤维和羊毛纤维为例，假定羊绒和羊毛出现的概率是 相等的，即各为50，假定细度和长径比服从正态分 布，则对于细度，羊绒服从N(145，6)，羊毛服从N (20，7)；对于长径比，羊绒服从N(105，1)，羊毛服从 N(115，1) 这样可以建立一个特征空间 为( ， )其中， 对应细度；X 对应长径比其 类空间为Y=1，2其中，1代表羊绒；2代表羊毛然 后比较Y=1 I 1，2和Y=2 I X ： ，X = 的大小，如果P P ，则判定为羊绒， 否则为羊毛 4结束语 本文提出了一种基于该系统的硬件平台在I 系统开发板上实现，采用电子显微镜或装置进行图像采集，对纤维图像进行增强、二值化， 并用数学形态学方法提取边缘，再提取纤维细度和鳞 片长度等特征，最后采用别该系统计算简单、运算速度快，具有较高的应用 价值 参考文献： 1周剑平，封举富，孙宝海电镜羊绒毛图像自动识别方法 研究J中国图像图形学报，2001，6A(10)：979983 2入式系统设计M骆丽，译北京：北 京航空航天大学出版社，2004 3 任爱锋，初秀琴，常存，等基于M西安：西安电子工业大学出版社，2004 4 王龙，汪天富，郑昌琼基于灰度直方图均衡的超声医 学图像增强方法J四川大学学报(工程科学版)， 2002，34(1)：105108 5 孙忠林，李盛阳数学形态学在细胞分离中的应用J山 东科技大学学报(自然科学版)，21304，23(1)：2831 6，in an on 991，13：583585 (上接第27页) 5结束语 本文分析了自动络筒机捻接机构的传动原理，应 用软件进行了捻接机构主要零件的三维建模， 规划了该机构的装配序列，并在环境下完成了 虚拟装配最后对装配模型进行了静态分析和运动仿 真，从而在设计阶段就能够发现装配中可能存在的问 题这是面向装配设计( 有效尝试虚拟装配技术从根本上改变了传统的产品 设计、制造模式应用虚拟装配技术，人们可以在制造 产品前对其可装配性和使用性能等进行分析，使得许 多需要在样机试制后才能发现的问题得以提前发现， 从而实现最优化