基于ADAMS的特种纤维梳理机剥取装置运动学和动力学仿真
第 圆8 卷第4期
圆园园9 年 8 月
天津工业大学学报
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Vol.28 No.4
August 2009
基于 ADAMS 的特种纤维梳理机剥取装置
运动学和动力学仿真
韩晓琴 1，2，杨建成 1，2，王磊1，2，李磊1，2，刘妍1，2，丛良超 1，2
（1. 天津工业大学机械电子学院，天津 300160；2. 天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300160）
摘要：为研究特种纤维的梳理工艺，需研制一台特种纤维梳理机，该机主要由喂入、梳理、剥取、卷绕 4 部分机构组
成，其中剥取机构的运动学、动力学性能要求较高，需进行实体仿真和理论分析. 本文基于 CAD/CAE 集成环
境，运用 Pro/E 软件进行特种纤维梳理机剥取装置的三维实体造型，并将其导入动力学分析软件 ADAMS 中
建立分析模型，以一种方便快捷的方法完成特种纤维梳理机剥取机构的运动学和动力学分析. 仿真结果表
明：该剥取装置运动学、动力学性能较好，能满足工艺要求.
关键词：特种纤维梳理机；剥取装置；ADAMS；Mechanism/Pro 接口模块；运动学；动力学
中图分类号：TS103.112 文献标识码：A 文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园园9）园4原园园30原园3
Kinematicsanddynamicssimulationofstrippinginstitutionofspecial
fibercardingmachinebasedonADAMS
HANXiao-qin1，2，YANGJian-cheng1，2，WANGLei1，2，LILei1，2，LIUYan1，2，CONGLiang-chao1，2
（1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering ，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300160，China；2.Tian原
jinKeylaboratoryofAdvancedMechatronicsEquipmentTechnology，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300160，
China）
Abstract：Tostudythespecialfibercardingprocess，aspecialfibercardingmachineshouldbedeveloped，whichis
composedoffourparts，suchasfeedingdevice，cardingequipment，strippinginstitution，andwinding
device.Thestrippingmachinerequireshigherkinematicsanddynamicsperformance，andneedsphysical
simulationandtheoreticalanalysis.BasedonCAD/CAEintegratedenvironmentandtheuseofPro/Esoftware，
thethree-dimensionalsolidmodelingofstrippinginstitutionissetup，andthenitisimportedintodynamic
analysissoftwareADAMStobuildtheanalysismodel，whichcompletesthekinematicsanddynamicsanalysis
aboutthestrippinginstitutionofspecialfibercardingmachineinaconvenientway.Thesimulationresults
showthatthestrippingdevicehasgoodkinematicsanddynamicsperformance，canmeetthetechnological
requirements.
Keywords：specialfibercardingmachine；strippinginstitution；ADAMS；Mechanism/Prointerfacemodule；kinemat原
ics；dynamics
收稿日期：2009-05-28 作者简介：韩晓琴（ 1981—），女，硕士研究生；杨建成（ 1962—），男，教授，导师.E-mail：yjcg@yahoo.cn
近年来，特种纤维的应用日益广泛[1-2]，急需研制
一台特种纤维梳理机，用于复合材料和无纺布等纤维
网的小样研究. 本文中特种纤维梳理机的剥取装置采
用摆动斩刀机构，斩刀在剥离纤维层时，既不能乱剥，
也不能剥破，还需要保证连续均匀地输出[3]，所以对特
种纤维梳理机剥取装置进行运动学和动力学分析，并
在此基础上对其运动规律进行优化是很有必要的[4].
要对一种复杂的机械系统进行比较精确的动力学仿
真，比较流行的解决方案是用专业的 CAD 软件和专业
的 CAE 软件进行联合建模，即先用专业的 CAD 软件
精确建立复杂机械系统各零部件的三维实体图和机
构装配图，而后转化到专业的 CAE 软件下，添加驱动
第 4 期
力和约束副，最终形成系统的虚拟样机，并在虚拟样
机上进行仿真研究. 本文采用美国 PTC 公司的 Pro/E
进行特种纤维梳理机剥取机构的三维建模，并利用美
国 MSC 公司的 ADAMS 进行运动学和动力学仿真[5].
1 Pro/E 下三维模型的建立
Pro/E 对于传统机械设计工作来说，具有相当大的
帮助作用，因为 Pro/E 中的参数不只代表设计对象的外
观相关尺寸，并具有实质上的物理意义. 例如可以运用
系统参数，如体积、表面积、重心、三维坐标等，或用户
自行设计流程需求所定义的用户定义参数，如密度、厚
度 等 具 有 实 际设计意义的物理量或字符串加入设计构
思中，来 表达设计思想. 这项参数式设计的功能不但改
变了设计的概念，并且将设计的便捷性推进了一大步.
一般机械产品设计都要首先采用自上而下的方
法，即从总装图开始，然后分拆部件，最后再进行零件
的具体设计. 本文在现有实际模型的基础上，采用自
下而上的方法进行产品建模，即从零件开始，几个零
件构成一个部件，几个部件构成一个上级部件，逐级
往上递推，最后形成产品总装.
（1）建立零件模型. 零件模型用于模拟实际零件，
它由零件几何模型和零件属性构成. 零件几何模型主
要基于三维参数化建模技术，用于模拟零件实际外
形；零件属性则包括零件名称、材料、密度等.
（2）建立部件模型. 部件模型用于模拟实际部件，
它由部件几何模型和部件属性构成. 部件几何模型通
过引用一系列下级零部件模型组装而成，它首先描述
一个部件与下级零部件间的装配从属关系，同时记录
其下级零部件间的装配定位关系；部件属性则包括部
件名称和其他附加属性.
（3）建立产品装配模型. 位于产品多级装配树最
上端的部件模型就是产品模型（总装模型）. 它模拟了
实际产品总装. 图 1 为 Pro/E 环境下建立的特种纤维
梳理机剥取装置的三维实体造型.
2 分析模型的建立
三维实体装配模型建好后，就需要建立所需的运
动学、动力学分析模型，所以要把 Pro/E 环境下的三维
造型导入 ADAMS 进行分析研究. 三维建模软件与动
态仿真软件之间的接口技术是通过充分利用 MSC 公
司开发的 Mechanism/Pro 专用接口模块实现的. 通过
设置这一接口，ADAMS 的一些简单的运动学分析功
能可嵌入到 Pro/E 环境下. 这样，在 Pro/E 环境下可直
接定义设计模型的部分约束和其他一些相关信息，建
立起简单的运动学分析模型. 二者采用无缝联接的方
式，不需要退出 Pro/E 应用环境，就可以将装配完毕的
总装图根据其运动关系定义为机械系统模型，进行系
统的运动学或动力学仿真，并进行干涉检查、确定构
件相互运动关系、计 算 约束副的作用反力等[6]；使用该
模块还可以在 Pro/E 中定义和施加约束后，将模型传
送到 ADAMS/View 中，以便进行全面的动力学分析.
使用 Mechanism/Pro 模块一般遵循的步骤为：淤
创建或打开装配模型. 于定义刚体构件. 根据设计意
图，将装配模型中没有相对运动的零件定义为刚体，同
时指定一个刚体为机架，作为其他刚体运动的参考标
准 [7]. 盂创建约束副. 在各零件之间建立运动约束，即
建立运动副，ADAMS 中提供了固定副、移动副、铰链
副、平面副、柱面副、球面副、齿轮副和高副等各种种类
齐全的运动副，设计者可根据工件工作的实际情况添
加. 榆添加驱动. 在模型的约束副上添加运动学驱动.
运动学驱动以时间函数的形式确定刚体之间进行平动
或转动的运动方程. 虞应用载荷和弹性连接器. 根据模
型所受载荷的情况在不同刚体的两点之间施加力和力
矩，也可以使用弹性连接器在两个刚体之间添加弹性
力和阻尼力. 在 ADAMS 中，弹簧的处理可以把它看作
是一个弹簧约束副，弹簧连接的两部件间可以通过定
义弹簧约束副来实现. 愚传送模型. 所完成的分析模型
如图 2 所示. 完成模型后，可以将模型传送到 ADAMS/
Solver 中直接进行动力学求解，也可以将模型传送到
ADAMS/View 中，进一步添加更复杂的约束副或驱动，
图 1 特种纤维梳理机剥取机构的三维实体造型
Fig.1 3Dsolidmodelofstrippinginstitutionof
specialtyfibercardingmachine
图 2 特种纤维梳理机剥取装置分析模型
Fig.2 Analysismodelofstrippinginstitutionof
specialtyfibercardingmachine
韩晓琴袁等院 基于 ADAMS 的特种纤维梳理机剥取装置运动学和动力学仿真 31— —
第 28 卷天津工业大学学报
再使用ADAMS/Solver 进行动力学仿真分析.
3 特种纤维梳理机剥取机构的运动学分析
图 3 为特种纤维梳理机斩刀剥取装置机构简图.
其中杆 AB 为曲柄，是该机构的输入；A 代表曲柄轴；
BC 杆为连杆；CD 杆为摇杆；DE 代表摆杆轴；E 点为斩
刀剥取点. 整个机构由左支座和右支座来支撑，固定
在机架上. 当曲柄轴旋转时，斩刀绕其回转中心 D 点
往复摆动.
分析模型建立好后，就可以对其进行分析. 其中
曲柄轴的输入转速为 955.44r/min，不考虑回转不均匀
效应，即角速度 棕 =955.44 伊仔衣60=50.267（rad/s），
角 加 速 度 着 =0（rad/s2）
图 4 中曲线分别为曲柄轴旋转时，斩刀对应的转
角、角速度、角加速度曲线.
从图 4 中可以看出斩刀的位移始终为周期性摆
动，转角大小合适，可实现特种纤维网的连续均匀剥
取，角速度与角加速度也周期性变化，运动过程平稳.
4 特种纤维梳理机剥取装置的动力学分析
为了适应高速要求，减小斩刀摆动的惯性力和惯
性力矩、减轻机器的振动，需要优化特种纤维梳理机
剥取装置的尺寸[8]，减轻该组件的质量. 本文对支座对
斩刀组件的约束反力进行求解，用以对斩刀机构进行
优化分析，以改善其结构. 支座对斩刀组件的约束反
力主要考虑来自 D 点的约束反力. 图 5 为该约束副在
全局坐标系下斩刀对支座反力沿各坐标轴方向的分
力，从图 5 中可以看出斩刀受力变化平缓均匀，振动
较小，可投入实际生产.
5 结 论
（1）运用 ADAMS 进行运动学动力学分析，是一
种高效准确的分析方法. 通过巧妙运用 Mechanism/Pro
模块，只用很少时间，就可以完成特种纤维梳理机剥
取机构的建模、运动学和动力学分析，省去了耗时、繁
琐的编程工作，该方法为特种纤维的梳理工艺奠定了
良好的实验基础.
（2）仿真结果表明，该小型特种纤维梳理机的剥
取机构运动学、动力学性能良好，工 作 平 稳 ，能 满足工
艺要求.
参考文献：
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图 3 特种纤维梳理机剥取装置机构简图
Fig.3 Diagramofstrippinginstitutionof
specialtyfibercardingmachine
A
B
D
E
C
图 4 斩刀随时间变化的转角、角速度和角加速度曲线
Fig.4 Time-varyingangle，angularvelocityandangular
accelerationcurvesofchoppingknife
2.5伊105
2.0伊105
1.5伊105
1.0伊105
0.5伊105
0.0
0.01
时间 /s
-1.45
-1.5
-1.55
-1.6
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
0.00750.0050.00250.0
图 5 D 处沿各坐标轴方向的约束反力
Fig.5 Bindingreactionsalongcoordinatesin D
2.0伊109
1.5伊109
1.0伊109
0.5伊109
0.0
-0.5伊109
-1.0伊109
-1.5伊109
时间 /s
0.0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
x 轴
y 轴
z 轴
渍着 棕
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