D型打结器动作功能分析研究论文

内蒙古农业大学硕士学位论文D型打结器动作功能分析研究姓名：黄伟申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：张志毅20090501摘 要打结器是牧草收获机械方草捆打捆机的核心部件，其结构较复杂，设计制造困难，我国目前主要从国外进口，这严重制约着我国牧草机械的发展。深入研究打结器的工作原理与制造工艺，对开发、制造我国的打结器具有重要的理论意义和实用价值。论文对D型打结器主要构件及其功能进行了细致分析，设计、制造了“打结器动作分析实验台”；结器动作分析实验台"为平台，对打结器主要机构所完成的动作及功能进行实验分析；利用ProE软件对打结装置进行机构的运动模拟仿真；计算出打结器各个机构工作所需的自由度；结合软件虚拟仿真做出各主要构件的运动轨迹；通过对打结系统中各执行机构(构件)实际工作相位的测量得出单个机构(构件)的直角坐标运动循环图；经过ProE软件仿真验证设计后，用机械运动循环图表现出打结器在运动循环过程中各个动作的协调配合关系。通过反复实验，明确了打结器各零、部件的动作功能、动作顺序及运动轨迹：绘制出打结器的运动循环图。为我国自主设计、生产打结器提供了理论基础，也为今后研发机电一体化式打结器提供了一些参数依据。关键词：打结器：牧草收获机械；运动轨迹：ProEngineer基金项目：中央级公益性科研院所基奉科研业务费专项资金(中固农业科学院毕原研究所)资助项目Resea rch on Action and Efficien cy of DeeringKnotterAbsractKnotter is core component of binding machine of square bundle which is belong tothe forage harvesting machineItsstructure is complex，and itsdesign and manufactureis difficultAt present，it is mostly imported from abroad in our country,SO it is seriouslyrestricted development of binding machine in our countryStudying on the Principle andmanufacturing process of knotter has significance in theory and practical value todevelopment and manufacturing of knotter in our cunttryThis paper analyses carefully on main members and function of Dtype knotter anddesigning and manufacturing the action analysis experiment table of knotterLet actionanalysis experiment table of knotter as platform，This test analyses action and functionwhich is completed by main mechanism of knotterMaking simulation to the action ofmechanism of knot device and calculating the degree of freedom that is needed by eachorganization of knotterThis paper make traj ectory of ever main actuator based on virtualSimulation software，and it is concluded rectangular coordinates motion cycle chart ofsingle mechanism by measuring the practical working phase of every actuator(component)in kont systemBase the designing of simulation verification on the Pro。Esoftware，it is expression relationship of coordination and combining with ever action bymechanical movement cycle chartThis paper described action function，action sequence and trajectory of knotteh anddraw out the motion cycle chart of knotterIt will provide theoretical basis forindependent design and production，and also provide some parameter base fordevelopment of electromechanical integration knotterKey words：Knotter；Grass harvesting machine；A cHon Trajectory,"ProEngineerDi rected by：ProfZHANG ZhiYiApp I i cant for Master degree：HUANG We i(machinerydesign and theory)(College ofEcology and EnvironmentInner Mongolia Agricultural UniversityHuhhot 010019china)内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意申请学位论论文作者签名：实之处，本人承担一切相关责任 日期：趟：笸导师指导研究生学位论文的承诺沙，本人承诺：我的研究生二翌、】堑 所呈交的学位论文是在我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处罚处理并承担相应导师连带责任。指导教师签名：主之盏复 日 期：兰竺乏：兰：鱼内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密内容除外)，采用影印、缩印或其他手论文作者签名：垄：垡 指导教师签名：日 期：型箬堑：垒内蒙古农业大学硕士学位论文 11引言11研究背景我国经过20多年的改革开放国民经济已进入一个平稳、持续、快速发展的时期。随着综合国力逐步增强和经济建设的步伐不断加快，农业产业结构正逐步得到优化调整，畜牧业将成为农业产业化建设中一项重要内容。其在农业经济中的比重越来越大，加之随着西部大开发战略的实施，草原建设、草原改良、退耕还草、生态恢复建设蓬勃兴起，由此形成的牧草产业将成为集生态、经济和社会效益于一体的新型综合性产业，国家也投入了大量的资金发展我国的牧草产业。一个国家的畜产品人均消费量在很大程度上反映了该国人民生活水平的高低，从长远的观点看，畜产品人均消费量的多少将会影响到整个民族的身体素质。而影响畜牧业发展的一个主要因素就是饲草、饲料资源的生产和供给。近年来随着畜牧业的发展，我国的饲草饲料产业已取得了很大发展，饲草作为主要的、传统的能量饲料，其生产和供给有举足轻重的地位。为了使饲草商品能顺畅地流通，解决其体积庞大，贮藏和运输不便是关键的一个环节。在饲草等纤维物料的商品化生产过程中，首先遇到的问题是这些物料松敝，容积密度小，收集、运输困难，运输时亏屯现象严重。而且这些物料无论储存还是运输，都占用很大的空间，使储、运成本增加。所以根据实际需要，把饲草打成高密度的草捆后再储存或运输，是降低饲草成本的重要工艺步骤。据中国农业大学成套设备所的实验统计，饲草打捆后平均密度可以增大10倍左右，相应的储存空间只需打捆前的1lo，而运输成本可降低70左右。可见饲草打捆的商业效益是十分显著的。方草捆打捆机正是为了适应饲草商品化生产的需要才逐渐被研制丌发出来的【l】。为了保证牧草压成草捆后的密度均匀，防止草捆变得松散，无论是高密度方嘻捆打捆机，还是低密度方草捆打捆机上都有一个核心机构打结器。打结器主要是将方草捆自动打结，以便于装卸、运输、储存等。是打捆机最重要的运动机构，也是控制打捆效果的关键之处。12研究的意义121牧草产业概述国际上通常按一个国家农牧业用地和草业用地的比例关系及人均占有的粮食量，将国家分为草地型、粮食型和草粮混合型等三种类型，用以指导其农牧业的发展。一般认为：草地面积占农牧业总面积的30以上，入均占有粮食少于500kg的国家为草地型：国家。我国虽然人均草地面积不足世界平均面积的一半，但草地面积却是农业用地面积的3倍，所以我国应属于草地型国家。我国的粮食资源还是偏紧，为了解决l：；亿人口的吃饭问题，充分、合理、科学地利用我国的草地资源，大力发展饲草产业直该成为我国发展的一项战略目标和任务。发展饲草产业，其经济效益十分显著。仃资料显示，如果饲草的产值为l，将饲草用于畜牧业，产旺增加为32 D型打结器动作功能分析研究倍，其后的肉、奶、皮毛加工产值可达到10倍。这是一个十分庞大的连锁工业，而饲草业则是基础。有人统计后推算，到2010年，我国的饲草产业产值可以达到2000亿元，那么相关的连锁行业的总产值可达20000亿元，将在我国的经济和社会生活中起显著作用。综上所述，我们不难看出，发展我国的牧草产业，不仅可以满足我国畜牧业发展的需要，也可成为国民经济的重要组成部分【11。所以发挥牧草产业在陆地生态系统中的巨大作用，运用先进的科学技术，合理利用水资源，实现生态效益、社会效益和经济效益的“三效"统一，是牧草产业发展的必由之路【2l。122牧草收获机械化的意义中国草原辽阔，草资源丰富，但草原畜牧业仍然没有摆脱靠天养畜的落后状况。由于牧草收获机械化水平低， 不能及时有效地收获并贮存足够的牧草供应牧畜越冬。据统计，中国每年机械化收获的牧草不足可收贮牧草的i10， 还有大量的牧草不能收回，致使草原畜牧业抵御自然灾害的能力十分脆弱【3】。1978年， 十二国农机展览会在中国召开， 一些国外知名企业如约翰迪尔、纽荷兰、克拉斯公司等都展出了先进的农业机械， 其中相当一部分展品是牧草机械， 其先进的产品和技术给中国的农机行业尤其是牧机行业带来相当大的震动。在接下来的几年中，国内各省区的研究院所和企业相继开展测绘和研学， 开发出一批牧草机械， 如切割压扁机，割草机、回转搂草机、方捆和圆捆打捆机等， 掀起了发展牧业机械的高潮。随着中国西部大开发战略的实施和生念环境保护政策的落实，促进了生态保护和恢复草原， 促进了草原改良、退耕还草、沙漠整治等工作， 荐加上人们对各种畜产品需要量急剧增加， 这必将推动和加快牧草机械的发展， 促进草业机械化水平的提高， 从而使牧草产业成为集生态、经济和社会效益于一体的新型综合性产业。但从市场需求看，我国的畜牧业仍处于起步阶段，基础还很薄弱，畜牧业的产值只占到大农业总产值的30。目前，我国已经充分认识到发展畜牧业的重要性，到2010年， 畜牧业的产值占农业总产值的比例将达到40， 畜牧业的发展，草业是基础，而发展草业，饲草机械是基础，因此，近几年内饲草机械仍会大踏步地发展。一些国际专业饲草机械生产企业仍在以各种方式进入中国市场也充分说明了这一点，他们实施的是长期战略目标，牧草机械的市场将长期存在，而且还将有很大的提升空间14J。123打结器研究的目的和意义国外的牧草机械有技术含量高、工作效率高、作业质量好、故障少、耗油小和机动性好等优势【51。而我国在牧草打捆机的研究上还和发达国家存在很大差距，国内目前的打捆机无论在数量上还是在质量上都远不能满足畜牧业发展的需要。在解决饲料产业化问题上，打捆机是非常重要的工艺设备，提高国产打捆机的质量，无内蒙古农业大学硕士学位论文 3疑会对饲料业的发展起到革命性作用，因此对打捆机性能方面的研究开发意义重大。目前，国内市场上未见性价比较好的国产产品，而进口产品价格都比较高，不适合国内的消费水平。所以，开发性能良好、自动化程度高且价格适中的国产打捆机将是我国饲草商品生产的关键设备之一，对促进饲草产业化进程会起到举足轻重的作用flJ。但由于其核心部件打结器结构较复杂，设计制造困难(目前主要从国外进口)，造成方捆打捆机制造成本高，价格也较高，严重制约着我国牧草收获。打结器成了解决方捆打捆机制造成本的瓶颈问题【6】。13牧草方捆机的国内外研究现状131国外研究现状国外牧草机械已有100多年的发展历史【7】，1870年美国人迪得里克(Dederic)研制出人类历史上的第一台机械式固定牧草压捆机，这种牧草压捆机被进一步改进完善后，在欧美一些国家得到了广泛的应用。N20世纪30一40年代，田间捡拾压捆机被研制成功，至JJ50-60年代，阳间捡拾压捆机在欧美一些国家的牧草收获中得到普及，当时美国拥有捡拾压捆机约70万台；法国当时拥有捡拾压捆机约42万台。从近年来的文献和相关资料报道看，欧美等发达国家的牧草压捆设备生产技术更成熟，结构参数更合理。国际著名的农机生产商像纽荷兰(New Holland)公司(如图1)、约翰迪尔(John Deere)等公司的打捆机都已成系列生产，这些设备无论在机械结构、动力配套、液压系统还是控制系统设计方面都处理的很成功，一些新的设计理念、最新科研成果的应用在这些机械上都有体现。这里拖拉机动力输出轴驱动的压捆机是最便宜的，也是最适用的，但需要性能优良的拖拉机，以维持一个恒定的速度【8】91。在控制系统方面，单片机、可编程控制器(PLC)、工业控制机控带JJ(IPC)等自动控制手段都得到了应用，使得大部分国外进口机械的人机对话界面很友好，工作起来安全可靠，这也是机械工业发展的一大趋势，但也往往是我们在消化吸收进口机器常常忽略的部分，这正是影响我国机械工业进步的主要因素【I】。132国内研究现状国内饲草打捆机方面的研究报道不多，只有饲草打捆机的生产或改进方面的报道。我国在20世纪70年代末期，从美国、法国和当时的西德等国引进了检拾压捆机，在牧草收获中采用捡拾压捆工艺，与此同时开始自行研制捡拾压捆机，并于80年代初研制成功，并在吉林、江苏和内蒙古等地投入生产和使用，但后来逐渐退出使用。近几年，随着市场对高密度草捆和农作物秸秆捆需要量的增加，国内的一些科研院所和高校丌始研制高密度的牧草和秸秆打捆机，主要有机械式和液压式。我国牧草打捆机起步较晚，有关打捆机结构、液压系统以及配套动力等方面的研究报道都很少，很多问题有待在生产实践中发现和解决。由于目f讨国内打拥机的市场还不是很4 D型打结器动作功能分析研究大，所以在生产时基本上是从结构上仿制，而涉及到理论计算方面的内容则往往被忽略。随着畜牧业的发展，饲草、饲料打捆机的市场需求量会越来越多，而对其性能等方面的要求也会越来越高，所以我们在打捆机的研究方面要有所提高，使国产打捆机在性能上尽快达到国际先进水平¨】。在农业部948项目的支柱下，中国农业科学院草原研究所机械室已经将方草捆打捆机的主机设计制造出来并已通过农业部农机鉴定总站牧机鉴定站的技术鉴定，现己进入市场(如图2)，但是作为关键部件的打结器还得从国外购买。固1女草打机(目外)FigInc b Jndingm“Mnc of squat bundle Covc rseas)图2女草捆打捆机(目内)F。g 2 The hjnding machlne ofqIIam bundle(domeslic)1 4打结器的国内外研究现状1 4 1国外研究现状II前国外打结嚣的技术相对比较成熟产品是WelgerAP一530打结器和凯斯854打结器WelgerAP一530夹绳器和打结嘴不是同轴的，央绳器采用锥形结构，并且可以通过弹簧调节夹绳压力。由于靠调节弹簧压力压住捆绳，扣结嘴在绕绳则可达到适当橙绳的日的，减少打结嘴绕绳时的压力，使打结嘴磨损减少、寿命延长。但因央绳时磨损面是锥面，磨损面积太，且兴绳时受力不是对称分布，最终导致央绳机构总体磨损严重，使用寿命相对较短、更换频繁。凯斯8545夹绳器采用盘形凹槽结构，打结嘴和央绳器同轴转动。其优点是打结时捆绳两端同步向上拉，打结后捆绳回弹很少，有效提高了草捆密度，同时因打结嘴和央绳器同轴转动磨损基本同步进行，磨损前后两部件工作时绕绳和打结的精准性得到保证。但因扣结时捆绳回弹很少，使打结嘴上的受力在绕绳时逐渐增加，导致打结嘴磨损严重，使用寿命短：夹绳结构采用盘形凹槽形式，对于绳子的粗细适应性降低，太细则央持不牢，太粗则无法进入兴绳器凹榴|I“。现在国际上较为流行的打结器是由德国ARSSPE公司生产的D型打结器。内蒙古农业大学硕士学位论文 5142国内研究现状1998年草原研究所研制的C型打结器由于当时技术手段落后，虽然使用了三坐标测量仪，但是图纸绘制用CAD-维图纸，翻模制造，可靠性差，另#bc型打结器要求装配精度高，维护复杂，不便于推广。我国目前没有生产打结器的厂家，有几家生产捡拾压捆机的企业，但打结器均为进口。我国唯一批量生产过打结器的宝昌牧机厂，就是由于工艺落后，各零件的制造精度达不到要求，打结器不能正常工作，而致使整机可靠性极差，使捡拾压捆机的生产陷入困境。15课题研究的主要内容1)对德国ARSSPE公司进口的D型打结器所有部件进行测量得出立体模型；2)将立体模型导)kproE对其进行虚拟装配仿真，分析打结器各个执行机构在完成总功能中的作用和次序；3)研制实验台，使其能够模拟野外作业，为研究打结器提供更为清晰直观的平厶口：4)通过实验台的实际运行找出各机构的配合关系，得出准确、协调的打结动作，做出运动循环图。16本章小结主要介绍了课题的研究背景，分析了国内外研究现状及目前研究的不足。阐述了论文研究的主要内容。6 D型打结器动作功能分析研究2“打结器动作分析实验台"的研制21实验台研制的目的打结器是捡拾压捆机的核心部件结构较复杂，设计制造困难，捡拾压捆机将置于地面上的散状牧草压制成长方形草捆，打结器将方草捆自动打结，以便于装卸、运输、储存等。打结器可在06-07S内可完成送绳、夹绳、绕绳、抓绳、割绳、回位、脱扣等动作，这些动作由构成打结器的凸轮盘、齿轮等机构来实现完成，此套机构的准确性、协调性、可靠性，保证了99的成捆率【lI】。为此对打结器动作功能的研究引起了我们的重视，以往的研究大多数是在田间进行，这样局限性大，而且不方便观察，使深入研究受到限制。通过建造实验台，使实验台具有放慢打结动作、指示各机构运动相位、对自主生产零部件进行配套质检等功能。为打结器深入研究创造更为便利的基础条件【12l【13】。22实验台动力部分的确定一般对打结器主轴扭矩的确定，没有定量的计算公式，往往是相关资料上提供的数值，根据资料打结器主轴的扭矩取T=220Nm 根据馘只：旦：200Nm x90rmin：189七形， =一=一=IV阿 9550 9550式中：R一打结器主轴传递的功率，单位为kW：T一打结器主轴所受扭矩，单位为NITI；11一打结器主轴转速，单位为rmin。 取齿轮传动效率(包括轴承效率在内)7=097，则P：生：!：12垦竺：194 kWT1 O·97P即为电机所需的额定功率，为满足实验台的工作需要，选择电机为减速电动机，其功率为22kw，调速范围O-1500rmin。其额定转速玎。=1440rmin。23实验台传动系统方案的设计实验台传动系统方案的设计，应遵循如下原则：(1)为了以后能够对我们自主生产出来的打结器进行更方便的检验与校币，在原有两个打结器的基础上再加上一个易拆卸的打结器：(2)能够很清楚明确的展示出个打结器各个机构的运动状态；(3)把传动过程中的误差降到最低，使其能更精确的得到我们所需要的打结器的数据；(4)可调整打结器主轴转速研究打结器各个零件打结动作。根据实际需要共设计了四套方案，并最终通过对比分析得出一套最合理的方案。内蒙古农业大学硕士学位论文 7方案一：图3方案1中的传动途径Fig3 The transmission wa、s in the ffist schemeA自方案1共有两条传动路径第一条：模拟打结器正常工作的状态，我们选用功率为22kw，1500radn的普通电动机，经过链轮型过载保护器或经过过载保护联轴器将动力传递给减速器，动力经过传动比为l：8的蜗轮蜗杆减速器与梅花形弹性联轴器连接将动力传递给传动轴，传动轴经过孽擦离合器带动小齿轮1转动，小齿轮1(z=25)与大齿轮(z-50)啮合将动力传递给主动轴。主轴转动带动打结器凸轮盘转动以实现打结动作的完成。在这里运动循环图指示盘上的指针是时刻保持与凸轮盘同步转动的，在指示盘上标有刻度，这就使我们比较直观的了解到打结器每个零件将会在凸轮盘旋转到什么位置时开始运动或者停止运动。传动比计算： f-丝=互：三乜 ZI 8n他：1440：180，min三芝2万刮一mn穰 Z：塑：90，irli- mill。_2 ，8 D型打结器动作功能分析研究其中：Z2一减速器蜗杆头数；ZI一减速器蜗轮齿数通过传动比的计算，该传动路线可以达到主动轴要求的转速，能够进行对打结器的正常模拟与检验。第二条：将打结器的打结动作分解，我们选用的是扭矩大于20NM的步进电机，通过步进电机专用的带扭力限制的梅花联轴器将动力传递给传动轴，传动轴经过摩擦离合器带动小齿轮1转动，小齿轮l(Z=25)与大齿轮(Z=50)啮合将动力传递给主动轴。方案二：黄抛一 纠k。堕瞧嚣 夺鸯杞搋，舭运对样黜矬 ”一一 t i lI(L R R 蹩打 一J U U 。厂、 A鼍 划主甘轴善 吨麓 ，L_。厂鲁 X 一 霸一_ 一 凹。暾 一 苫t五囊兽葺一 ”一妪毒图4方案2中的传动途径Fig4 The transmission、vays in the second scheme方案2有两条传动路径第一条：模拟打结器正常工作的状态，我们选用功率为22kw，1500radn的普通电动机，经过链轮型过载保护器或经过过载保护联轴器将动力传递给减速器，动力经过传动比为l：8的蜗轮蜗杆减速器与梅花形弹性联轴器连接将动力传递给传动轴，传动轴经过摩擦离合器带动小齿轮l转动，小齿轮l(z=25)与大齿轮(z=50)啮合将动力传递给主动轴。主轴转动带动打结器凸轮盘转动以实现打结动作的完成。在这里运动循坏图指示盘上的指针是时刻保持与凸轮盘同步转动的，在知识盘上标有角度，这就使我们比较直观的了解到打结器每个零件将会在凸轮盘旋转到什么位黄时丌始运动或者停止运动。传动比计算：内蒙古农业大学硕士学位论文 9f=盟：互：三乜 ZI 8n佑：1440：180rminn传5 T 2 r肌nnt：生 口刀传 么大：180：90，I11 Uml·n= ，I其中：Z2一减速器蜗杆头数；Z广一减速器蜗轮齿数通过传动比的计算，该传动路线可以达到主动轴要求的转速，能够进行对打结器的正常模拟与检验。第二条：将打结器的打结动作分解，我们选用的是扭矩大于20NM的步进电机，通过步进电机专用的带扭力限制的梅花联轴器将动力传递给传动轴，传动轴带动小齿轮2转动，齿轮2(z=16)大齿轮(z=50)啮合将动力传递给主动轴。方案三：。llp1till一一一rf 一，、 _-7C 斗爿汹舂、一 小番轮棚j榭 同 同PLC 打 _J U n U董 结 |主琦I 、大青羲图5方案3中的传动途径Fi璺5 The transmission ways in the third scheme方案3两条传动路径第一条：模拟打结器正常工作的状态，我们选用功率为22kw，1500radn的普通电动机，经过变频器对其变频，将电机转速调到我们所需要的速度经过梅花形弹性联轴器将动力传递到传动轴上。传动轴经过摩擦离合器带动小齿轮l转动，小齿轮2(Z=16)大齿轮(Z=50)啮合将动力传递给主动轴。主轴转动带动打结器凸轮盘转动以实现打结动作的完成。在这里传感器的作用是对打结器的零件进T-I皿14控，10 D型打结器动作功能分析研究将结果转化为电子信号反映到电子屏上，加上传感器的好处是使我们更加精确并且直观的了解到打结器每个零件将会在凸轮盘旋转到什么位置时丌始运动或者停止运动。一该传动路线可以达到主动轴要求的转速，能够进行对打结器的正常模拟与分步运动。第二条：将打结器的打结动作分解，我们选用的是扭矩大于20NM的步进电机，通过步进电机专用的带扭力限制的梅花联轴器将动力传递给传动轴，传动轴经过摩擦离合器带动小齿轮2转动，齿轮2(Z=16)大齿轮(Z=50)啮合将动力传递给主动轴。以上三个方案中离合器起到的作用是保证两条传动路线独立运动。方案四：图6方案4中的传动途径Fig6 The transmission ways in the fourth scheme方案4有一条传动路径模拟打结器正常工作的状态，为满足实验台的工作需要，选择电机为1：5变频减速电动机，其功率为22kw，经电机调速后频率50Hz时的转速为300nmin。变频器所具有功能是：1)可按我们所需要对电机转速进行调整；2)具有点动功能，可以便于我们观察打结器打结动作的起始点；3)带有时间计数器，可以根据我们的需要对不同速度下的打结时间及每个部件完成动作的时间有一个精确地记录。电机经过梅花形弹性联轴器将动力传递到传动轴1上，传动轴l带动小齿轮转动，小齿轮(Z=16)与大齿轮(Z=50)啮合将动力传递给主动轴。主轴转动带动打结器凸轮盘转动以实现打结动作的完成。在这里打结器主轴上还装有一套链轮，它将带动传动轴2与主轴做等速转动，这就可以使固定在传动轴2上的指针是时刻保持与凸轮内蒙古农业大学硕士学位论文 11盘同步转动的，运动循环图指示盘固定在底板上，盘上标有角度，这就使我们比较直观的了解到打结器每个零件将会在凸轮盘旋转到什么位置时丌始运动或者停止运动。我们对以上四种传递方案按1)机械功能的实现质量；2)机械的工作性能：3)机械的动力性能；4)机械结构的合理性：5)机械的经济型进行了评价【I 41，最后选定方案四为打结器实验台设计制造的最佳方案。24运动循环图指示盘部分的设计运动循环图指示盘的作用是使我们更清晰、直观的观察到打结器的每个零部件在凸轮盘做360。的旋转过程中到从什么位置时开始运动到停止运动。为得到相对精确地试验数据做好硬件的基础。本方案中我们设计一套链轮传动以确保指示盘指针同打结器主轴保持同步转动。241链轮的设计(1)选择链轮齿数Zl、Z2由于这套链轮的传动为等速传动传动比为l，所以选用两个等大的链轮，而且链轮的齿数过少会导致：a)传动的不均匀性和动载荷增大：b)链条进入和推出啮合时，链节间的相对转角增大，使铰链的磨损加剧；c)使链传动的圆周力增大，从而加速了链条和链轮的损坏。基于以上条件，选取Zl=Z：=35。(2)计算功率Pca由机械设计表9-9查得工作情况系数K。=l，故匕=K爿尸=l x lkW=lkW式中：Pca-计算功率，单位为kW；P一传递的功率，单位为kW；K。一工作情况系数。(3)确定链条链节数Lp初定中心距aI=40p，则链节数为印=等+半+昙(警)2=半+半+击(等)2节=95节(4)确定链条的节距P12 D型打结器动作功能分析研究能出雩麓。9弱-i0查得小链轮齿数系数K：=(吾)=(蓄)1。=193 由机械设计表 查得小链轮齿数系数 =I三l =I÷三l =丘=t,100)n26=tloo)026-o99选删；枷机械东鼢墨1俐#链“ 选取单排链，由机械设计表9一l查得多排链p 1只圭_二旦_=二一kW=053kW”KzK，Kp 193×099×1式中：P。一在特定条件下，单排链所能传递的功率：Pca一链传动的计算功率；K：一小链轮齿数系数；K。一链长系数；。K，一多排链系数。根据小链轮转速n=90rmin及功率eo=O53kW，由机械设计图9一13选链号为06B单排链。同时也证实原估计链工作在额定功率曲线顶点左侧是正确的。再由机械设计表9-1查得链节距P=9525mm。(5)确定链长L及中心距a三二j立：95x9525：o905，z1000 1000扣郴，警)+=半(95半)+ 卜中,6117E减少量zla=fo002O004)a=(o0020004)x 28575mm=(O57151143)ram实际中心距a=口-zaa=28575一(O571 5一1143)mm=2846072851 785mm内蒙古农业大学硕士学位论文 13取口-=285mm为了避免在链条的垂度过大时产生啮合不良和链条的震动现象；同时也为了增加链轮与链条的啮合包角：对链传动要实行张紧，本次设计采用调整中心距的方法来控制张紧程度【1 51。242指示盘装置的设计将设计出的链轮利用传动轴2通过轴承、轴承座将其配合安装在打结装置底板上，传动轴2的轴端我们用螺栓固定一个可调节旋转角度的指针，使其保持与传动轴2同速转动。运动循环图指示盘与传动轴2同轴安装，并固定在打结装置底板上。这样就能清楚的看到打结器各部件的运动相位。25打结器主轴结构的改进设计出于试验角度考虑，在原有两个打结器的基础上还要在外侧加上一个易拆卸的打结器，并且将原来带动穿针摆动的曲柄连杆机构调整到主轴的另外一侧。经过改进之后打结器主轴增加了长度，为了使加工容易，选用轴的外形为光轴。为了提高轴的耐磨性和抗疲劳强度，在这里主轴的材料选用比较常用的40Cr。251拟定主轴上零件的装配方案。 iZ8 上1璺 128 32!墨8。曼8Q一垒6，j66 图7打结器主轴的结构与装配Fig7 The structure and assembly of knotter spindle14 D型打结器动作功能分析研究如图7所示，打结器主轴的装配方案是：右端轴承、轴承座、套筒l、离合器、大齿轮套、大齿轮、套筒2、小凸轮盘、架体、套筒3、大凸轮盘、架体、套筒4、左端轴承、轴承座、链轮、套筒5、大凸轮盘、架体、轴端固定片依次从轴的右端向左安装，轴的右端悬臂部分从左向右依次安装草捆长度控制凸轮和曲柄。252零件的轴向定位1)轴承的选择，因轴承同时受有径向力和轴向力的作用所以主轴的轴承选用带顶丝外球面球轴承。由标准机械零件手册查得代号GB3882-87带顶丝外球面球轴承；2)主轴上各零件之间的定位由于主轴的转速不高，所以选用套筒定位，因为套筒定位结构简单，定位可靠，不许在轴上开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度。本次设计为了使套筒的质量降低，套筒材料选用尼龙。固定在最右端的曲柄用弹性圆柱销对其进行轴向定位。在主轴的最左端用一个固定片拧紧在主轴上对打结器架体进行轴向定位；3)根据零件轴向定位的的要求确定轴左端加长部分的长度，链轮的宽度为30mm；大凸轮盘的宽度为76mm；根据整体装配及与穿针配合要求，在链轮和大凸轮盘之间加一个宽度为261mm的套筒对大凸轮盘进行轴向定位；架体的宽度为102mm；所以主轴左端加长的长度取L右=2345mm。右端加长部分的长度由曲柄的宽度决定，曲柄的宽度为52mm：根据连杆与穿针架配合要求，取主轴左端加长长度L E=60mm。至此，初步确定打结器主轴的总长度取L=952mm。253零件的周向定位1)凸轮盘、链轮、离合器、曲柄均采用平键连接。由手册查得凸轮盘平键截面bx h=lOmmX 8mm (GBT10951979)， 离合器和曲柄平键截面b×h=12ram×8mm(GBT1095一1979)；键槽用键槽铣刀加工，长均为38mm；链轮平键截面b×h=lOmm×8ram(GBT10951979)；键槽长为20mm蚓。2)大齿轮套、草捆长度控制凸轮采用弹性圆柱销进行周向定位，孔径为d=8mm。经过强度校核，该轴满足所需的扭转强度和刚度要求。得出轴的零件图，如图8所示。内蒙古农业大学硕士学位论丈 153芏冒5 o RL38 20292-30，210目8打结*主轴零件圈FIR 8The par drauIll2 ofhmtH spindle2 6“打结器动作分析实验台”的试制及其工作原理2 6 1绘制全部0AD图纸并利用ProEngl Re6r虚拟装配囊100 P。一、213 59 11该电囤9¨镕器实验台虚拟装配FIg 9The virtualmbly of experimenttable of knotterFF ·j+t?伊16 D型打结器动作功能分析研究通过以上对打结器实验台的理论分析和设计计算，利用相似设计法和结构优化设计法，绘制全部的零、部件图及装配图，并在实际试制生产之前对其进行ProEngi neer虚拟装配通过三维模型判断装配模型之fBJ有无干涉，并对其进行运动分析、结构件的运动干涉检查以及机构运动的动画仿真，在正式生产前对打结器实验台各个机构的运动特性有了更清晰的认识，对装配过程中图纸出现的问题进行进一步的修改，最后进行样机的试制生产。2 6 2样机的试制匾10打结器实验台F41 0Thc cxpcnmcnttnlc ofknollc r样机的试制生产在中国农业科学院草原研究所的牧草机械中试车间进行。全程跟踪雅务对在试制生产过程中图纸出现的一系列问题给予修改，使得试制生产能够顺利完成。2 6 3“打结器动作分析实验台”的工作原理打结器实验台的工作原理为：。作动力柬源于功率为2 2kW的减速电机，经过梅花形弹性联轴器将动力传递到传动轴上，传动轴带动小齿轮转动小齿轮(z=16)内蒙古农业大学硕士学位论文 1 7与大齿轮(z=50)啮合将动力传递给打结器主轴。主轴转动带动主轴上连接的机构丌始工作，这些机构的运动是一个并联的配合协调运动。打结器主轴并不是不停的做匀速的转动，它是由方草捆打捆机的长度控制器来控制做间歇的匀速转动。控制穿针的启动和打结器主轴旋转起止时间的部件是一个固定在主轴上的离合器，当草捆达到我们所需的长度时，长度控制器将会使离合器处于张开状态，使大齿轮与主轴连接带动主轴旋转一周。穿针机构和主轴之利用曲柄连接主轴转动带动曲柄与其保持同步转动，通过连杆带动穿针架及穿针做往返摆动，以完成送绳动作。打结器凸轮盘与主轴也保持同步转动以实现打结动作的完成。在这里打结器主轴上还装有一套链轮，他将带动传动轴2与主轴做等速转动，这就可以使固定在传动轴2上的指针是时刻保持与凸轮盘同步转动的，运动循环图指示盘固定在底板上，盘上标有角度，这就使我们比较直观的了解到打结器每个零件将会在凸轮盘旋转到什么位置时开始运动或者停止运矽】。27本章小结1)在机械结构上，按照方草捆打捆机设计的原有参数，给出了整机的传动方案；2)重点设计了打结器主轴及运动循环图指示盘装置，并确定了动力和方案；3)样机调试和试验结果表明，本机设计合理，总体性能良好，完全实现了设计目标中的全部要求；4)此外，本章还对打结器实验台的主要结构和工作原理进行了简要分析。18 D型打结器动作功能分析研究3打结器各构件实验分析及数据处理31实验目的画出打结器中各个执行机构的直角坐标系式运动循环图，表示出构件运动参数的变化关系，找出各工作机构的最佳时序，提高打结器的准确性、协调性、可靠性，保证了成捆率达到99以上，降低功率的消耗。为制造出中国自己的D型打结器提供一定的理论依据。32实验方法利用打结器实验台，模拟整机作业环境并在其基础上放慢打结速度，对每个重要运动件的工作相位进行测定，测定在无捆绳状态下进行，打结器主轴上装着的一套链轮将带动传动轴与主轴做等速转动，这就可以使固定在传动轴上的指针是时刻保持与凸轮盘同步转动的，运动循环图指示盘固定在底板上，盘上标有刻度，使我们比较直观的了解到打结器每个零件将会在凸轮盘旋转到什么位置时开始运动或者停止运动。试验重复三次，取算术平均值。得到最佳相位组合f17】f18】。33实验设备表1实验仪器TabI The experiment instrument袭2夹绳盘锥齿轮实验方案及实验数据Tab2 The experiment scheme and data of rope gripper plate cone gears34各构件的实验分析及数据处理内蒙古农业大学硕士学位论文 19341夹绳盘锥齿轮通过表2可以看出，央绳盘锥齿轮在凸轮盘旋转到150。时开始进入啮合状态，芷凸轮盘旋转到2260的时候退出啮合状态。完成自身3600的旋转。综合以上数据做出夹绳盘锥齿轮的直角坐标式运动循环图，如图11中6表示凸轮盘的转角；Q表示艇绳盘锥齿轮间歇转动的转角。如哥o；f如镧蒙争36030024018012060。O 图1 1 夹绳盘锥齿轮的直角坐标式运动循环图Fig1 1 The rectangular coordinates motion cycle chart of rope gnpper pate cone gears3·42打结嘴锥齿轮表3打结嘴锥齿轮及打结嘴实验方案及实验数据Tab3 The experiment scheme and data of twine knower hook cone gears通过表3可以看出，打结嘴锥齿轮在凸轮盘旋转到172。时开始进入啮合状态，在凸轮盘旋转到235。的时候退出啮合状念。完成自身3600的旋转。在打结嘴锥齿轮带动打结嘴转动的过程中，打结嘴上的卡爪在凸轮盘转到179。的时候由于受到重力和架体上凸轮导向装置的作用张丌准备抓取穿针送上柬的捆绳，在凸轮盘旋转到20 D型打结器动作功能分析研究214。时卡爪上的滚轮受到架体上固定的上颚压力作用开始闭合，凸轮盘旋转到235。时打结嘴锥齿轮停止转动同时卡爪也完全闭合这时卡爪受到的压紧力最大，在这个过程中捆绳被逐渐压紧以实现绳结。综合以上数掘做出打结嘴锥齿轮的直角坐标式运动循环图，如图12中6表示凸轮盘的转角；p表示打结嘴锥齿轮间歇转动的转角。343刀架I； Ioo、on一、 - 一40。 80。120。 172。 2：35。280。320。360。5凸轮盘转角图1 2打结嘴锥齿轮的直角坐标式运动循环图Fig12 The rectangular coordinates motion cycle chart oftwine"knotter hook cone gear表4刀架实验方案及实验数据Tab4 The experiment scheme and data of tool holder通过表4可以看出，刀架在凸轮盘旋转到2120时受到凸轮盘内侧凸轮的作用开始退绳运动，在凸轮盘旋转到263。时刀架移动到最大幅度，经过测量刀架移动的最大幅度为762mm；在凸轮盘旋转到340。的时候刀架与内凸轮导向装置的配合结束。综合以上数据做出刀架的直角坐标式运动循环图，如图13中6表示凸轮盘的转角；s表示刀架往返移动的位移。口ccoo、-，0O0O0o(加如旷(332Ul66f如甘如岍龆嫂蚺畿啦_L唧d)内蒙古农业大学硕士学位论文含量。黎：!墨媒疑344拨绳盘图13刀架的直角坐标式运动循环图Fig1 3 The rectangular coordinates motion cycle chart of tool holder表5拨绳盘实验方案及实验数据Tab5 The experiment scheme and data of 100l holder rope driving plate通过表5可以看出，拨绳盘在凸轮盘旋转到810时受到凸轮盘外侧的凸轮导向装置作用开始运动，在凸轮盘旋转到188。时拨绳盘摆动到最大幅度，经过测量拨绳盘自身最大摆动幅度为138。；在凸轮盘旋转到233。的时候与凸轮导向装置的配合结束。在整个凸轮配合过程中，受到固定在拨绳盘连杆上的弹簧拉紧作用，拨绳盘才能与凸轮导向装置紧密配合，并在配合结束后迅速回位。综合以上数据做出拨绳盘的直角坐标式运动循环图，如图14，图中6表示凸轮盘的转角；p表示拨绳盘间歇转动的转角。踟柏暑：如m0D型打结器动作功能分析研究辩360意300廿240蒙1809-12060。345穿针机构0Io m- j j。- 。 40。81。120。 188。225。280 3$20。360。6凸轮盘转角图14拨绳盘的直角坐标式运动循环图Fig1 4 The rectangular coordinates motion cycle chart of tool hplder表6 穿针机构实验方案及实验数据Tab6 The experiment scheme and data of thread needle mechanism由表6可以看出穿针机构的运动与主轴和凸轮盘同步，在主轴旋转到177。的时候穿针到达最高点，也就是摆动到了最大i隔度，经过实际测量穿针摆动的最大角度为103。与虚拟仿真中测量的角度相差一度，原因是由于曲柄在主轴上的起始位置避过了穿针机构的极限位置3。，所以导致穿针摆动角度较虚拟仿真减小l。利用秒表计时我们可以清楚的看出，穿针机构往返摆动的进给和回退的时间有一定的差异，存在急回运动。综合以上数据做出穿针机构的直角坐标式运动循环图，如图15，图中6表示主轴的转角；(p表示穿针摆动的角度。内蒙古农业大学硕士学位论文腰360尝300奄240眯2 180对卜洳120争60。OI1：；一_ ? j40 o 80。120 o 177。 。 240。280。320。：360。6凸轮盘转角图1 5穿针机构的直角坐标式运动循环图Fig1 4 The rectangular coordinates motion cycle chart of thread needle mechanism35本章小结通过对打结器各部件运动起始相位的实验测量，对各个执行构件进行三次实验，取得算数平均值，得出最佳相位下的各个部件的直角坐标运动循环图。24 D型打结器动作功能分析研究4打结器主要部件功能及ProEngineet-仿真4 1打结器的主要部件及功能D型打结器是一种结构复杂、传动灵活、工作协调性好、完全依靠机械传动实现其功能的机构，它模仿人手打结的动作进行运动设计，实现机械式的自动打结，以提高牧草机械的收获率。打结器上的关键零件均为精铸零件，关键零件局部或全部进行了热处理。图16是D型打结器的立体图。l自轮?*作3“结嘴冉轮4悦绳*j¨站嘴6*皿：鞋*螭轮B螺旋蜗杆9扼蝇盅m*蛇圈1 6 n镕8*目目Fig I 6The asmbly chart ofknotter4 1 1打结器机架打结器架体2是整个打结部件的支撑体，是构成打结器非常关键的零件，上面有5个空闻异面轴。这5个空间异面轴之削有严格的位置精度要求，5个空间异面轴的角度精确地表达了蜗杆轴孔、刀架轴轴孔、打结嘴驱动齿轮轴轴孔和2个夹绳器驱动齿轮轴孔之间的空间位嚣关系， 另外机架上有控带=J-JT结嘴丌合的复杂曲面，它精确地控制了打结嘴的张丌和闭合，以及张丌角的大小，从而控制缠蝇、打结和脱扣等过程。所有这些因素都是影响打结性能的关键，架体在加工制造时要保证各个轴孔的准确的位置，在装配后爿能够完成精确的传动，因此加工比较困难¨w口”。内蒙古农业大学硕士学位论文FlI 8Cam plate图1 9夹缝盘Fig 9 Rope g rippcr Datc26 D型打结器动作功能分析研究4 1 3打结器夹绳盘央绳盘6采用盘形凹槽形式，对于绳子的粗细适应性不高，太细则央持不牢太赧则无法进入夹绳器凹槽，捆绳粗细不均或强度不够都可能影响到打捆的成功率。41 4打结器打结嘴打结嘴5是打结器常见的易损部件，主要原因是由于打结嘴没有脱绳导引机构缓冲捆绳直接把拉力加在打结嘴上【8I。当脱绳器和打结嘴之间的间隙调节不适当或由于传动部件磨损定位不准时，脱绳器会直接与打结嘴接触，也造成打结嘴损坏。目20打结嘴 囤21脱蝇器Fig 2I R09e st rippe r4 1 5打结器脱绳器脱绳器4也是形状比较复杂的精铸零件，其作用是强制打结嘴上成结后的捆绳脱离打结嘴，割绳刀片安装在脱绳器上以实现割绳。4 2 ProEngimr简介proEngineer软件是由美国参数技术公司(PTC)于!o世纪80年代中后期开发的全新的三维机械设计软件，广泛地应用于航空、汽车、船舶、兵器、机械工业、模具、工业设计、信息家电、通讯电子等3c产业。目前，发布的ProEngineer包括工业设计(CAID)模块、机械设计(CAD)模块、功能仿真(CAE)模块、制造(CAM)模块、数据管理(PDM)模块、数据交换(GeometryTranslator)模块等。功能应用包括实体与曲面设计、零件组装、二维工程图制作、管路设计、异种格式文件处理、机构仿真与有限元分析等CAE技术、钣金设计、模具设计、电缆设计、机械加工、逆向工程、同步工程、电路设计等，尤其建模造型、零件装配功能领先。这些模块不仅可用于对产品进行几何设计，在零件未制造出来之前观看和评价零件的几何外形，而且可以对零件进行受力分析以及运动仿真、运动干内蒙古农业大学硕士学位论文 。27涉检查。因此，使用该软件可以及时地发现设计中存在的问题，以排除产品故障，改进产品设计，从而缩短产品设计周期，降低设计成本【2¨。43利用ProEngineer中的Mechanism对打结装置进行机构的运动模拟仿真用ProEngineer建立的三维模型不仅可以判断装配模型之间有无干涉，而且提供了各种运动分析，便于进行打结器的运动干涉检查以及机构的运动仿真，使我们能够在虚拟状态下验证测得的打结器各个部件的起始、终止相位准确与否。在正式生产前对打结机构运动特性有更清晰地认识。压捆机的工作部件中，打结器各机构之间的配合运动能否成功运行是非常关键的，如果发生干涉将直接损坏工作部件而导致打结器陷于瘫痪状态。(1)以connections方式建立打结器各零部件的组装。Mechanism提供了8种连接形式，和普通装配的“约束-Constraint"不同的是，运动件的装配要根据零件运动的实际情况保留某些所需的自由度；本设计中，凸轮盘与两个锥齿轮为间歇齿轮连接；凸轮盘内侧凸轮与脱绳器滚轮为凸轮连接；蜗轮蜗杆连接为齿轮连接；(2)补足相关的运动配合条件。组装时，可以完全使用连接-Connection设定，或者搭配约束qonstraint条件，也就是Mate(匹配)、Align(对齐)、Insert(插入)等，设定完成模型；(3)设定初始位置。一般而言，若不设定机构的初始位置，Mechanism会以屏幕上目前的位置作为初始位置。本设计中，我们将打结器架体按照实际安装位黄设置好后，凸轮盘外侧齿中间平面与垂直平面的夹角为12。；(4)加入驱动条件。驱动就是机构的动力源，和电动机一样能够产生旋转及平行的动力，如马达，可以使用参数进行控制。在本设计中，凸轮盘与打结嘴锥齿轮为齿轮间歇运动，传动比为l：7125，凸轮盘与央绳盘锥齿轮也为齿轮间歇运动，传动比l：475，它与脱绳器滚轮为凸轮连接，蜗轮蜗杆连接为齿轮连接，其传动比为l：4，根据以上打结机构运动的特点，为实现打结装置的间歇运动我们加入三个驱动器，都为匀速运动，即凸轮盘：l-90rmin：打结嘴锥齿轮：u 2=64125rmin：央绳盘锥齿轮：u 3=4275rmin。并根据所测得的两个锥齿轮的开始、停止的相位来设定驱动器的起始、终止时间：(5)设定分析条件并仿真。可在此过程设定进行总体干涉检查，从而发现设计的机构运动过程中存在的问题，以便于尽早解决；(6)播放分析结果。系统将丌始计算，当播放器出现并加以播放后，干涉的部分会以红色显示，如图22所示。本设计中各零部件运动相位经过细微调整后没有出现干涉，从而表明本设计没有运动问趔22。251。D型打结器动作功能分析研究j” ，。 一 I圉22打镕器的运自仿真Fig_22Themoron slmuation ofknor4 4打结装置各部分瞬时相互关系第一阶段时，伸出的穿针将绳子放到打结嘴的表面上，并把它送至央绳器。此时央绳器是不动的，因此捆绳未被夹住。第一m段图23打结过程Fig 23 Thccss ofkqot第=m&内蒙古农业大学硕士学位论文 29第二阶段时，此时夹绳器圆盘部分旋转l，8周，把打捆针送来的捆绳夹在其侧面和卡子之削，并沿其旋转方向向下移动被卡住的捆绳。打结嘴旋转34周后，其上形成绳圈，打结嚣滚轮正好到达架体凸轮导向装簧，驱使打结嘴张开，准备抓取双股扣绳。第三阶段时，打结嘴闭合咬住捆绳，穿针回位并把捆绳放到刚好转到上面的夹生盘的缺口内，作为下一次打结前绳头。铡 乏*=mR目24"镕darlgH n|o proccss ofknot筇四阶段时，在打结嘴咬住捆绳后捆绳同时割断。这时脱蝇器还继续运动，而后脱下。堆后在后续压缩物的推动F成两个绳头一样长的死绳结【261。脱绳器开始运动，脱绳器上的割刀把两胶用弧形导绳楷口把钳嘴上的绳圈推向尖音|j打结嘴中还咬着的双股绳头也脱出，即打4 5本章小结本章对D型打结器主要部件的功能进行了描述，并利用proE软件对测绘出的原厂的打结器各元件进行虚拟装配，并对其打结装置进行机构的运动模拟仿真及验证。把打结器复杂的打结动作总结为四个打结阶段，为罔内设计制造D型打结器及扣结器后续改进作丁前期理论基础工作。30 D型打结器动作功能分析研究5打结器主要机构的动作功能实验分析及运动轨迹模拟仿真51实验目的搞清楚每个打结动作完成所需要的机构，以及各零件的运动轨迹，画出各机构运动简图，为打结器重要零件的制造及以后的各种实验打下基础。52实验方法由于我们之前已经对打结器装置进行了ProEngineer运动模拟仿真，对其每个机构的运动有了初步的了解，所以该实验中我们将打结器装配时采用了各个传动路线分别安装实验的方法，使我们清晰的观察到打结器每个部件的运动过程，计算出主要机构的工作自由度。实验中我们无法捕捉及测量的每个部件的运动轨迹，利用ProEngineer的虚拟仿真补充表示出来。53实验内容计算分析及轨迹仿真531夹绳机构经过对夹绳机构的单独安装及对打结器实验台上的运行，可以清楚地观察到该机构由凸轮盘内排的七个变位齿和夹绳盘锥齿轮啮合，夹绳盘锥齿轮再带动和它连接在同一轴上的螺旋齿蜗杆转动，蜗杆再将动力传递给螺旋齿蜗轮，蜗轮转动带动夹绳盘与之同速转动，将穿针传递过来的绳头牢牢夹住。通过这个传动过程可以得出夹绳盘运动分支运动构件有活动件凸轮盘、夹绳盘锥齿轮和螺旋蜗杆构成一个活动构件；螺旋涡轮和夹绳盘构成一个活动构件；活动构件拨杆；活动构件压绳器，即阿=5， 运动低副数量鼻=5，运动高副R=4，虚约束数为O，局部自由度O。根据平面运动的机构自由度的运动公式：F=3n-(2P。+只一p 7)一F得式中：玎一运动机构中活动构件的数量：只一运动机构中低副的数量；只一运动机构中高副的数量：P一虚约束：F局部自由度。压绳器分支的自由度：只=3x 5一(2x 5+40)一0=l由以上央绳机构运动的自由度计算分析得出压绳器分支的自由度为l，说明这个分支的运动只要有1个原动力，就能保证有确定的运动，凸轮盘就是这个分支运动的原动件。内蒙古农业大学硕士学位论文目25夹绳机构中各个部件的动轨迹F。g 25The acI】ontr自ectoo。FRo”g1pp。rmcchism通过ProEngineer虚拟仿真做出的该传动路线在夹绳盘锥齿轮旋转360。时机构中其他部件的运动轨迹及旋转的角度如图25所示：在夹绳器锥齿轮和蜗杆旋转360。后，与其配合蜗轮及和蜗轮同步转动的夹绳盘仅仅旋转了一个较短的弧线，经过建面测量得出蜗轮和夹绳盘旋转的角度为90。，如图26所示。 Z目E=日目olf、 髓：”孽1蚓誉i曩黪零露曩4 1孓?i ，鳅拶。I二瀚。羞t ，圉26对夹绳盘旋转角度的w量Fig 26ThemcasurTmmlatIangle of o gflppcr plate5 3 2打结机构经过对打结机构的单独安装及在打结器实验台上的运行，司以清楚地观察到政机构由凸轮盘上外排上的七个不全齿和打结嘴锥齿轮啮合，带动带动与其同轴的打32 D型打结器动作功能分析研究结嘴转动，同时打结器滚轮正好到达架体凸轮导向装置，驱使打结嘴实现丌合运动，以完成绕绳、咬绳等打结动作。通过这个传动过程可以得出打结嘴分支的活动构件有活动构件凸轮盘；打结嘴锥齿轮和打结嘴构成一个活动构件；活动构件卡爪；活动构件卡爪滚轮；活动构件上颚。即珂-5， 运动低副数量只=5，运动高副只，=2，虚约束数为1，局部自由度0。根据平面运动的机构自由度的运动公式：F=3n一(2只+RP)一F得打结嘴分支的自由度：E=3x 5一(2×5+2-o)一l=2由以上打结机构运动的自由度计算分析得出打结嘴自由度为2，说明必须有两个原动力来保证该支运动有确定运动，一个原动力来自凸轮盘，另外一个来自于打捆绳的拉力。533脱绳机构经过对打结机构的单独安装及在打结器实验台上的运行，可以清楚地观察到该机构由是由脱绳器沿着凸轮盘内侧的凸轮轮廓转动，另一端安装有割绳刀，将打结嘴打结好的绳结割断，同时还将留在打结嘴上的绳头退下。经过实际运行试验，发现脱绳机构脱绳槽和打结嘴表面的配合要求相当紧密，如果缝隙太大将会导致脱绳不完全，捆绳在还有一部分绕在打结嘴表面时被移动的草捆强行拽下，使打结嘴表面磨损加剧甚至断裂。通过这个传动过程可以得出脱绳分支有活动构件有活动构件凸轮盘、活动构件脱绳器，活动构件脱绳器滚轮，即刀=3， 运动低副数量只=3，运动高副只=1，虚约束数为l，局部自由度O。根据平面运动的机构自由度的运动公式：F=3n-(2P。+鼻，一P 7)-F得刀架分支的自由度：E=3×3一(2×3+lO)-1=l由以上脱绳机构运动的自由度计算分析得出脱绳分支的自由度为1，说明这个分支的运动只要有1个原动力，就能保证有确定的运动，凸轮盘就是这个分支运动的原动件。通过ProEngineer虚拟仿真做出打结和脱绳两条传动路线在凸轮盘旋转360。时机构中其他部件的运动轨迹及刀架的移动距离。内蒙古农业大学硕士学位论文凹27打镕绳机树中a*的E功鞋*Fig 27 The actiont咖ectory oflwinchnH h。ok andmpe stripper如图27所示，在打结器锥齿轮和蜗杆旋转360。后，与其配合的打结嘴也旋转了360。，而刀架在凸轮盘旋转360。后也是只移动了一个较短的弧线。经过测量得出刀架的移动距离为76 2nm1，如图28所示目2B对月架移§离的量F19 28Thecnl wit*d T spacement oftool holder通过以上分析可以看出，这三条传动路芝不是孤立的，而是相互关联的，打结器的运动是f|j隙式的协调运动，每一个动作型须和其他动作汕调进行，否则就容易出现诸如捆绳术端没有绳结、捆绳在打结嘴上绳捆被撕断、绳结后的绳圈断裂等现象127-321。通过以上分析得出出凸轮盘驰动的打结器部件的机构运动简图，如图29所示。D型打结器动作功能分析研究l上颚2架体3脱绳器4脱绳器滚轮5凸轮盘6夹绳盘锥齿轮7拨杆压簧8拨杆9螺旋出蜗杆10蝶旋齿蜗轮1l上颚压簧12夹绳盘13压绳器14打结嘴齿轮15卡爪16打结嘴17卡爪滚轮图29打结器机构运动简图Fig29 The action chart of knotter534穿针机构BCC2图30穿针机构简图Fig30 The action chart ofthread needle mechanism穿针机构在打结器完成打结的过程中也起到了很大的作用，穿针送线时间及送内蒙古农业大学硕士学位论文 35线到位程度要求也非常严格，该杌构是山打结器主轴直接带动固定在主轴上的曲柄，曲柄再通过连杆带动穿针架做往返的摆动。在这里连丰T的长度是可以调节的，连杆的长短直接影响到穿针架在摆动角度一定的前提下穿针上升的最高位置。如图30所示，穿针装置为曲柄摇杆机构，曲柄AB为原动件与打结器主轴连接，摇杆CD即穿针架，图上所示为两个极限位置CID和C2D。口为摇杆的最大摆角，即穿针摆动的最大幅度：0为极位夹角：经过实际测量0=1 c。该机构由于存在极位夹角，所以具有急回运动的特性，为了表明急回运动的急回程度，用反正行程速比系数K来衡量，即K：!塑：塑：型：坐：1 ol；1180一0 1801 179式中0极位夹角由计算结果可知，由于0=1 c，K=1 01可判定机构有急回作用，不过由于K值接近于I，所以急回运动眭质不是很显著。通过ProEngiIeer虚拟仿真做出穿针机构传动路线在打结器主轴旋转360。时穿针的运动轨迹及最大摆动幅度。少圈31 穿针镕自自勺t自轨迹韧始位置自i高位置Ftg3)n目niectomy andposition ofthmad n。c41cchanism粉=一=，生h得=式正公据根7一36 D型打结器动作功能分析研究如图3l所示，穿针在打结器主轴旋转360。后，在图上所示的弧线范围内做了一个往返的摆动，实现了送绳动作，经过测量得出穿针摆动的最大幅度为1044，如图32所示。图32对穿针#自角度¨量Fig 32111asurnlwhbning gIc ofth read Fieediemecha|lIsm5 4本章小结本章通过实验台试验与虚拟仿真实验相结合，计算出打结装置各个机构完成动作所需的自由度和穿针装置急回运动性质的判定：做出了完成打结动作时各机构中主要部件的运动轨迹。内蒙吉农业大学硕士学位论文 376打结器运动循环图的建立61运动循环图建立的目的 ，打结器机构的组成是由凸轮盘开始产分支后续机构的并联组合。而且各个分支机构在动作的先后次序和轨迹配合上都有着严格的要求。打结器的运动是间隙式的协调运动，每一个动作必须和其他动作协调进行，经过试验分析得出上述因素中任何一项不符合要求，都会使打结器主要部件磨损严重或损坏，影响顺利打捆或致使打捆率低。所以，为了使打结器更经久耐用；自主生产地打结器各部件互换性更高；便于以后在机电一体化领域中实现控制打结器各个部件配合协调运动。我们应当将打结系统的各执行机构(构件)经过运动协调设计后，用机械运动循环图把打结器在一个运动循环中各个动作的协调配合关系表示出来。62运动循环图的建立由于打结器打结过程中凸轮盘是一个主要执行构件，所以我们将凸轮盘的工作起始点作为基准来表示其他各执行机构相对于凸轮盘动作的先后顺序。0270图33打结器运动循环图Fig33 The motion cycle chart of knotter90