“MRSK31124”型经编机伺服驱动成圈装置机械结构设计 机械制造及自动化毕业论文.doc

“mrsk31/1/24”型经编机伺服驱动成圈装置机械结构设计序言一、研究的意义、目的随着中国作为世界纺织品主要生产基地的建立，中国也就成为了世界经编机使用的主要市场，德国是世界上生产经编机的主要国家，生产的经编机械产品有60%以上出口到中国。近几年，国内经编机生产得到较大发展，但主要是靠模仿、测绘国外产品为主，没有形成自我研发能力和具有自主知识产权的技术及产品。而外国公司一般都对自己的产品进行了专利保护，因此，国内厂家常因为仿制而侵犯专利权。另一方面，由于不能掌握机器的核心内容，只是外在尺寸和形貌的仿制，所以，仿制的经编机的性能与国外同类产品有较大差距，价格只有国外同类产品的一半。仿制的经编机中的成圈装置，连杆部分通过测绘得到结构尺寸，共轭凸轮则依靠靠模加工，而对于内外缘共轭凸轮靠模加工很难保证加工精度，影响了成圈装置的速度及整机的速度。经编机编织过程中，成圈是形成织物组织的重要过程之一。实现成圈动作的机构称之为成圈机构。在成圈机构中，具体完成成圈过程的动作执行件称为槽针和针芯，因此，将成圈机构称为槽针针芯运动机构，通过改造改变了原有一些机构。使其自动化增强。提高了其效率。增强了原有功能。现在采用伺服电机来代替凸轮机构。凸轮机构的运动现由plc编程来实现其运动轨迹。增强了机器的实用性。如果产品改变，不需要重新设计凸轮，只要改变其plc的控制程序就可以实现。二、研究内容及解决问题经编机的成圈动作要求在主轴转动的若干位置上，槽针针尖到达指定位置以实现钩纱动作。在分析和设计中，先根据这种对应位置关系拟订出槽针针尖到达的一系列工艺到达点，并对各点相应主轴转角进行了分配。进一步将工艺到达点拟合成光滑的轨迹曲线，离散化后进行采样。成圈过程中，还需针芯针尖和槽针针尖进行配合，具体表现为针芯针尖与槽针针尖之间有一定的位移要求。所以，分析了在主轴不同位置位移要求的具体变化情况，定出了起具体的变化曲线，并离散采样。 为满足槽针针尖运动轨迹和槽针针尖与针芯针尖之间相对运动位移，分析了实现机构的结构组成和特点，即三自由度平面多连杆机构可以满足槽针针芯的运动要求，机构通过三个伺服电机实现运动输入。槽针针尖的轨迹位置主要由槽针摆动机构和槽针上下运动机构确定，相应有槽针摆动伺服电机和槽针上下运动伺服电机两个运动输入。槽针针尖与针芯针尖之间相对运动位移主要由针芯运动机构实现，相应也有针尖运动伺服电机实现起运动输入。通过对机构进行逆解分析，解出了槽针针尖轨迹坐标和槽针摆动，槽针上下运动机构摆动从动件摆角之间的关系，槽针针尖与针芯针尖之间相对运动位移与针芯运动机构摆动从动件摆角之间的关系。通过对机构进行正解分析。解出了槽针摆动，槽针上下运动机构摆动从动件摆角与槽针针尖轨迹坐标的关系。针芯运动机构摆动从动件摆角与槽针针尖与针芯针尖之间相对运动位移的关系。然后用三个伺服电机来实现这三种运动。第一章 新型机构的分析1.1 背景技术经编机编织织物过程中，成圈是形成织物组织的重要过程之一，实现成圈动作的机构称之为成圈机构，具体完成成圈过程的动作执行件称为槽针和针芯。根据工艺要求，槽针针尖需实现钩纱，钩纱结束后，由针芯针尖将槽针针尖钩槽闭合以实现脱纱。在一个运动周期中，槽针针尖的运动为一定形状的封闭平面曲线（图1），针芯针尖和槽针针尖之间沿槽针床方向的相对位移按照一定规律变化，从而满足闭合和分开状态。本文中将实现槽针针尖运动轨迹的机构称为槽针运动机构，称实现针芯针尖和槽针针尖之间相对运动位移的机构为针芯运动机构，槽针运动机构和针芯运动机构组合在一起构成了槽针针芯运动机构。一般经编机上使用的槽针运动机构如图1-1所示，其中，是一平面五连杆机构，共有五个低副（四个转动副和一个移动副），机构自由度为2，连杆26上的一点c为槽针针尖，形成钩纱要求的运动轨迹，一般又称构件26为槽针床，称构件13为导向摆臂。机构需有两个运动输入才能使输出运动确定，一般由构件13和23输入运动（往复摆动）。构件13的运动又由四杆机构实现，构件23的运动由四杆机构实现，而构件11和21的摆动又由绕主轴点回转的两个凸轮分别实现（图中未画出凸轮）。实现导向摆臂的运动又称为槽针床的摆动，实现构件26上q点的运动又称为槽针床的上下运动。设计机构时，由要求的槽针针尖c点的轨迹点坐标(x,y)，求解五杆机构的逆解，即构件13和23相应的摆角，进一步由机构求出构件11的摆角，由机构求出构件21的摆角，由构件11和21的摆角再设计出两个凸轮的廓线。图1-1 槽针运动机构简图一般经编机上使用的针芯运动机构如下图1-2所示，其中，为一具有三自由度的平面六连杆机构，针芯针尖z为构件36上的一点，又称构件36为针芯床。机构中的构件13和26分别为槽针运动机构中的导向摆臂和槽针床，其运动已确定。机构的另一个运动输入是由构件33的摆动实现，而构件33的摆动又由平面四杆机构实现。构件31的摆动由绕主轴点回转的凸轮实现（图中未画出凸轮）。实现构件36上e点的运动又称为针芯床运动。设计机构时，由要求的针芯针尖z点相对槽针针尖c点的相对运动位移要求，求解六杆机构的逆解，即构件33的摆角，进一步由机构求出构件31的摆角，由构件31的摆角再设计出凸轮的廓线。图1-2 针芯运动机构简图上述槽针针芯运动机构，槽针床的摆动、槽针床的上下运动和针芯床的运动需分别由三组不同的四杆机构和凸轮机构驱动，运动链比较长，所使用的机构数量多，分析设计复杂。在机器上，槽针床和针芯床有一定的幅宽，所以，在多点由多组相同而且相互平行的机构同时驱动槽针床和针芯床运动。每组槽针针芯运动机构有三种不同的凸轮，使用共轭凸轮就有六片，所以，在经编机的主轴上装满多片凸轮，轴向位置非常紧，为了在主轴上节省轴向空间，一般经编机上使用了内外缘共轭凸轮，而内外缘共轭凸轮的制造要求较高。为满足不同织物组织要求，需更换槽针摆动凸轮、槽针上下运动凸轮和针芯运动凸轮，也即一组凸轮只能产生一种槽针针芯运动轨迹和针芯针尖与槽针针尖之间的相对运动位移变化规律，机器的柔性差，另外，共轭凸轮的制造和安装要求都较高，成本。1.2 方案的提出及其实施方式本课题的目的是对经编机槽针针芯运动机构进行改进设计，以克服已有机构上述存在的问题。在图1-1中去除两个四杆机构和，以及两个相应绕点回转的凸轮机构，构件13和23的运动改为直接由电机驱动，并由计算机控制其摆角，如图1-2-1所示。由于平面五连杆机构的自由度为2，两个运动输入由构件13和23实现，因此，连杆26上的槽针针尖c点的运动轨迹确定。在图1-2中去除四杆机构及相应绕点回转的凸轮机构，构件33的运动改为直接由电机驱动，并由计算机控制其摆角，如图1-2-1所示。由于为一具有三自由度的平面六连杆机构，构件13和26分别为槽针运动机构中的导向摆臂和槽针床，其运动已由槽针运动机构确定，因此，只需再有构件33的一个运动输入，机构的运动即确定，也即可确定构件36（针芯床）上针芯针尖z点相对槽针针尖c点的相对位移。根据上述构思，本课题的具体方案如下：实施方案机构简图如图1-2-1所示，为了方便结构上实现，将构件23和33的两个摆动点选在和位置，两点可以不重合，其相对点的位置可以任意选取。上述、和点，具体表现在机器上的结构为一直轴，直轴的长度与槽针床或针芯床的幅宽相当，三根轴互相平行，在每根轴的一端由步进电机或伺服电机通过联轴器相联直接驱动轴运动，或通过齿轮传动，或同步齿形带传动由步进电机或伺服电机驱动轴运动，每个电机的转动角度及它们之间的相位关系根据由运动要求解得的逆解确定。由于整个槽针床和针芯床有一定的幅宽，需由若干组完全相同且平行的机构驱动（即图1-2-1所示的驱动机构），每组机构中的三个运动输入，即图1-2-1中构件13、23和33的摆动分别由上述三根轴的摆动实现，因此，在直轴上的不同位置固结有若干个完全相同的摆杆13，有几组驱动机构，就有几个摆杆13，但是，它们的运动完全与直轴的摆动相同。同样，直轴和直轴上的摆杆23和13也完全相同。图1-2-1 实施方案机构简图图1-2-1中，构件23和25之间的联结转动副的初始位置可以在点的左侧，也可以在点的右侧，同样，构件33和35之间的联结转动副的初始位置可以在点的左侧，也可以在点的右侧。本课题的特点在于：1，机构运动链较短，整个机构结构简单，与已有的结构相比，少用三个四杆机构和三个内外缘共轭凸轮机构。在已有的经编机结构中，都有一结构较大的油箱，主轴即置于其中，主轴上安装有多片内外缘共轭凸轮。本实用新型设计的机构不需要该油箱结构，使得机器的整机结构大为简化。2，整个机构中的运动副全为平面低副，没有高副，避免使用共轭凸轮，所以，加工制造简便，降低了制造成本。3，由于机构运动链较短，使得分析设计更加简便。4，具有较好的柔性。已有的机器中，当工艺参数或工艺要求改变时，要求槽针针尖的轨迹形状及针芯针尖与槽针针尖之间的相对位移也要改变，一般通过更换三个输入运动的凸轮来达到这种要求，显然，一种运动要求参数就必须对应一组凸轮。在实际应用中，就必须根据不同的要求，准备好多组凸轮，需要时停机更换凸轮。这样就使整机的效率较低，柔性差。本实用新型设计的方案，当运动要求改变时，只要改变控制程序，使三只电机按照要求的位置角度进行运动，就可适应，显然，这样的方法适应性更强，效率更高。具体实施方式图1-2-1中、和点直轴及其上摆杆13、23和33的结构，电机驱动直轴的结构实施方式如图1-2-2所示。直轴与其上摆动件的联结以及电机驱动，、和点三根轴的结构方式都相同，所以，图1-2-2中只画出了其中的一根轴的结构关系。图1-2-2中1为伺服电机或步进电机，2 为联轴器，3为主动同步带轮，4为同步带，5为从动同步带轮，6为直轴，7，8，9，为完全相同的摆杆，并与直轴固结一起运动，图1-2-2中a-a剖视图表示了一种固结方式，也可以通过键联结等其它轴上周向固定的方式使其与直轴一起运动。图1-2-2中电机驱动直轴的运动是通过同步带传动实现的，也可以通过齿轮传动或电机直接通过联轴器与直轴相联的方式驱动其运动。 图1-2-2实施结构图第二章 机构的整体分析2.1 机构的结构分析图2-1-1该经编机槽针针芯运动机构，包括槽针床（26）、针芯床（36）、导向摆臂（13）、槽针床摆臂（23）、针芯床摆臂（33）；由导向摆臂（13）带动槽针床（26）摆动，槽针床摆臂（23）通过槽针床连杆（25）带动槽针床（26）上下运动，针芯床摆臂（33）通过针芯床连杆（35）带动针芯床（36）运动；所述导向摆臂（13）与槽针床（26）之间是移动副形式连接，所述槽针床（26）与针芯床（36）之间是移动副形式连接；所述槽针床摆臂（23）与槽针床连杆（25）间、槽针床连杆（25）与槽针床（26）间、针芯床摆臂（33）与针芯床连杆（35）之间、针芯床连杆（35）与针芯床（36）之间是转动副形式连接；其特征在于：所述导向摆臂（13）、槽针床摆臂（23）、针芯床摆臂（33）分别固定在三根直轴（d0、c02、c03）上，三直轴（d0、c0、）各由电机驱动装置驱动。由于整个槽针床和针芯床有一定的幅宽，需由若干完全相同且平行的单元机构，图3所示的是单元机构，由此在直轴上固结有若干个完全相同的导向摆臂13，在直轴上固结有若干个完全相同的槽针床摆臂23，在直轴上固结有若干个完全相同的针芯床摆臂33。每根直轴上的摆臂结构完全相同，由于一根直轴由一个电机驱动，使得固结其上的若干个摆臂同时摆动2.2 机构的运动分析槽针和针芯运动要求分析经编机编织织物过程中，成圈是形成织物组织的重要过程之一。实现成圈动作的机构称之为成圈机构。在成圈机构中，具体完成成圈过程的动作执行件称为槽针和针芯，因此，本文中，又特别将成圈机构称为槽针针芯运动机构。根据经编工艺要求，在主轴一个运动周期内，槽针针尖应到达骨干指定位置（一般为20个位置点左右，这些点称为关键点），而且这些位置与主轴的转角相对应。将这些位置点用ug软件中的“曲线生成”功能拟合成光滑曲线。根据工艺要求，在主轴不同转角位置，针芯针尖与槽针针尖之间沿摆动导向臂直线方向有相对位移要求，将这些位移点之间用直线相连接，即生成了相对位移曲线。轨迹曲线与相对位移曲线的离散化及采样。对槽针运动轨迹曲线，由曲线上的关键点将其分成骨干段，每段曲线都对应有一段主轴转角，如果主轴一周360度按0.2度进行等分，则每段曲线对应主轴转角也按0.2度进行等分，从而得到该段曲线应进行等分的点数，也即对该段曲线进行了等长离散化，将离散化后得到的点采样，即得到了该段曲线离散化后各点的坐标值，这部分工作用autocad软件完成。最后，再将每段曲线离散化后的点坐标拼接在一起，就可以得到整个轨迹曲线离散化后的坐标值。为保证槽针针芯托臂摆角的精度，一般设计时，考虑主轴360度按0.2度进行等分，即轨迹曲线离散化后有1800个不同的点。相对位移曲线由于是由一段段直线构成，所以，可直接按对应主轴转角0.2度进行离散化采样，显然，也有1800个不同的值。 槽针针尖要求轨迹 在槽针针芯运动机构中，当主轴转一周时，槽针针尖和针芯针尖配合完成一个动作周期。在一个动作周期中，槽针针尖需经过若干关键位置以实现预定的钩纱动作要求。下图坐标中的轨迹就是一个运动周期内槽针需到达的点的位置，称之为工艺要求到达点，这些点是根据氨纶、花梳、地梳和贾卡的排列位置以及相应工艺要求确定的，现在相对于点的工艺要求点已给定，无需对工艺要求点再进行详细分析。图中为坐标原点（是电机驱动控制槽针托臂和针芯托臂的输入轴点），点是槽针摆臂输入轴点，水平方向为y轴，垂直方向为x轴，建立图示直角坐标系，槽针针尖要求的各工艺要求到达点轨迹如图所示。2.2.1 槽针机构的正解分析图2-2-1图中：为=150 为=200 为=146为=172.5 为=193.12为=72如图2-3所示在机构中加以分析可得 矢量方程式中 模为150， 幅角 =102 200 =？ 146 =104 s （-90）将其以复数形式展开得：（2-1）令 即： 两式相加得：因此可求出s（其槽针正解分析程序见附录）4.c点坐标的正解分析如图2-2-3所示以点为坐标原点，垂直方向和水平方向分别为x，y轴图2-2-3 假设c点相对于点坐标分别为，c点相对于点的幅角为r 则可得矢量方程：将其以复数形式展开得：再将上面所述所得的s代入得： 由此可以得出当处于状态下 c点的坐标为（259.464，181.377）2.2.2 针芯机构的正解分析如图2-2-1所示过e点做qu的垂线，垂足为m 在机构中分析 可得矢量方程：式中： 将其以复数形式展开得：（2-2）令：其针芯结构正解分析程序见附录1关于h的正解分析针芯针尖与槽针针尖配合实现脱圈动作，针芯针尖将一直处于槽针针尖的里面，在一定位置针芯针尖与槽针针尖闭合以实现脱圈，其余时间，针芯针尖与槽针针尖分离。对针芯针尖的具体动作要求是，随槽针一起摆动，在不同时刻（摆角位置），针芯针尖与槽针针尖有一定的相对位置要求，即图2-2中c点与针芯针尖z点之间的相对位移h图2-2-2在图2-2-2中， 利用图2-2-2可得出以下关系2.2.3 槽针针芯机构的逆解分析关于根据图2-2-4所示可得矢量方程： 图2-2-4将其以复数形式展开得：（2-3）式中消去s得的方程在上式中，令方程左边的值为，设其精度为c，则满足的值，即为所求的解，求得的值有多解，结合图2-2-4中的相位选择某一值满足c点坐标要求的解，而后进一步将所求的值代入上面（2-3）即可求得同理，将所求出的代如上述的式（2-1）和式（2-2）即可求出关于逆解分析的程序见附录2参考文献1. 曹清林 著. 对称轨迹机构. 北京：机械工业出版社. 20032. 窦万锋，齐维浩，杨先海. 平面连杆曲线特征参数提取自相关变换法. 机械科学与技术. vol 14，no. 5，1995，31353. 楮金奎，曹惟庆. 用快速付立叶变换进行再现平面四杆机构连杆曲线的综合. 机械工程学报. vol 29，no. 5，1993，1171224. 曹清林.经编机槽针针芯运动机构.实用新型专利.20065. 曹清林.经编机槽针运动机构.实用新型专利.20066.蒋高明.现代经编技术进展.20067.夏金国. 槽针型高速经编机成圈机构的动力学分析. 中国纺织大学硕士学位论文.19978.王敏其.双针床经编机的成圈机构.实用新型专利.20049.王巍.机械制图.高等教育出版社.2003附录1正解槽针private sub command1_click()pi = 3.1415926 / 180jiao101 = 102 * pi: jiao102 = jiao101iao301 = 104 * pi: jiao302 = jiao301l1 = 150: l2 = 200: l3 = 146open f:mhms.txt for output as #1for jiao1 = jiao101 to jiao102 step 0.1for jiao3 = jiao301 to jiao302 step 0.1d1 = 72 + l3 * cos(jiao3) - l1 * cos(jiao1)d2 = l3 * sin(jiao3) - l1 * sin(jiao1)a = 1: b = 2 * (d1 * sin(jiao3) - d2 * cos(jiao3): c = d1 2 + d2 2 - l2 2s = (-b + sqr(b 2 - 4 * a * c) / (2 * a)write #1, snextnextclose #1正解针芯private sub command1_click()pi = 3.1415926 / 180jiao401 = 114 * pi: jiao402 = jiao401jiao301 = 104 * pi: jiao302 = jiao301l4 = 172.5: l5 = 193.12: l3 = 146open f:mhms1.txt for output as #1for jiao4 = jiao401 to jiao402 step 0.1for jiao3 = jiao301 to jiao302 step 0.1d1 = 72 + l3 * cos(jiao3) + 12 * cos(jiao3) - l4 * cos(jiao4)d2 = l3 * sin(jiao3) + 12 * sin(jiao3) - l4 * sin(jiao4) a = 1: b = 2 * (d1 * sin(jiao3) - d2 * cos(jiao3): c = d1 2 + d2 2 - l5 2 s1 = (-b + sqr(b 2 - 4 * a * c) / (2 * a)write #1, s1next next close #1附录2逆解程序private sub command1_click()dim n as integer n = 1800 dim pi as single