机械毕业设计（论文）-非圆齿轮行星轮系引纬机构的反求设计与仿真分析【全套图纸UG三维】

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 题题 目目 非圆齿轮行星轮系引纬机构的反求设计与非圆齿轮行星轮系引纬机构的反求设计与 仿真分析仿真分析 学学 院院 机械与自动控制学院机械与自动控制学院 专业班级专业班级 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 09（4）班）班 姓姓 名名 学学 号号 指导教师指导教师 陈建能陈建能 系系 主主 任任 学院院长学院院长 浙浙 江江 理理 工工 大大 学学 机械与自动控制学院机械与自动控制学院 毕业设计诚信声明 我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果 均已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完 成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出 现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日 浙江理工大学本科毕业论文 i 摘要 剑杆织机的引纬机构，是剑杆织机的核心机构之一，其运动性能如何将在 很大程度上决定着整台织机的性能与档次。所以，一种结构设计合理的剑杆引 纬机构能够改善剑杆织机的工作效率与所生产产品的质量，提高经济效益。本 文提出了一种新型的剑杆引纬机构，即非圆齿轮行星轮系剑杆引纬机构。 本文中分析了剑杆织机的引纬工艺要求，得到了剑杆织机引纬时主轴转过不 同角度的时候剑杆应该有的位移、速度以及加速度。并以此为依据设定了剑杆 的加速度运动曲线为一等腰梯形的形状的曲线，经过进一步计算后得到了剑杆 的运动学模型。本文设计的非圆齿轮行星轮系剑杆引纬机构的作用是将主轴的 匀速转动转换成剑杆的有规律的往复运动，根据这一模型的传动规律建立运动 学分析模型，结合其中非圆齿轮的特性得到节曲线方程。再基于Visual Basic 6.0 这个平台编写引纬机构反求设计与仿真软件，利用该软件可以反求出机构中各 个参数的值，之后根据仿真的结果调整机构参数，最终得到符合引纬规律的合 理的参数，证明本文设计的引纬机构是合理可行的。 关键词：非圆齿轮；引纬机构；反求；剑杆织机 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 浙江理工大学本科毕业论文 ii Abstract The weft insertion mechanism is one of the key mechanism of the rapier loom. Its athletic performance has a lot of impact about the rapier rooms performance and its level. So, a weft insertion mechanism of the rapier rooms with reasonable structure can improve a lot of working efficiency, the quality of the product of the rapier rooms and the economic benefit. This paper comes up with a new weft insertion mechanism, named the planetary non-circular gears trains weft insertion mechanism. Some research about the technological requirements of the rapier loom has been done in this paper. The displacement, velocity and acceleration of the rapier was obtained when the spindle has different angle. And the motion curve of acceleration of the rapier has been designed as a isosceles trapezoid curve based on the research. Then the kinematics model of the rapier was worked out. The planetary non-circular gears trains weft insertion mechanism is used to change the uniform rotation of the spindle to reciprocating motion of rapier. According to the transmission rule of the planetary non-circular gears trains weft insertion mechanism the kinematics analytical model was finished. Combining with the character of non-circular gear its pitch curve was obtained. Meanwhile a reverse design and kinematic simulation software was compiled based on Visual Basic 6.0. The parameters of mechanism can be obtained by the software. Then these parameters were adjusted based on the result of simulation. The reasonable parameters which fit the law of weft insertion will be obtained at last, which proved that this weft insertion mechanism was reasonable and can be used. Keywords: Non-circular Gear; Weft Insertion Mechanism; Reverse Solution; Rapier Loom 浙江理工大学本科毕业论文 iii 目 录 第 1 章绪论1 1.1 课题的研究背景与意义1 1.2 国内外剑杆引纬机构的研究现状及发展趋势2 1.2.1 剑杆引纬机构的简介2 1.2.2 国内外剑杆引纬机构的研究状况及发展趋势2 1.3 非圆齿轮的发展及研究情况5 1.3.1 非圆齿轮的介绍5 1.3.2 非圆齿轮的研究状况5 1.4 本设计的主要内容6 第 2 章非圆齿轮行星轮系引纬机构运动分析模型的建立8 2.1 剑杆织机的引纬工艺要求8 2.2 剑头的理想运动学曲线方程的建立.9 2.2.1 剑头理想运动曲线的构造9 2.2.2 剑头运动学曲线方程的建立10 2.3 非圆齿轮行星轮系引纬机构的模型简介13 2.4 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求模型的建立15 2.4.1 反求设计思想的简介15 2.4.2 非圆齿轮行星轮系放大轮系的运动模型的建立15 2.4.3 第一级非圆齿轮行星轮系运动模型的建立17 2.4.4 第二级非圆齿轮行星轮系运动模型的建立18 第 3 章非圆齿轮行星轮系引纬机构反求设计与运动仿真软件的设计.20 3.1 计算机辅助设计的简单介绍20 3.2 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求设计与仿真软件的介绍20 3.2.1 引纬机构反求设计软件的开发思路20 3.2.2 引纬机构反求程序的关键性思想20 3.2.3 引纬机构参数的设定22 3.2.4 引纬机构反求软件的界面介绍23 3.2.5 引纬机构反求软件各个控件的介绍24 3.2.6 引纬机构反求软件的功能特点28 第 4 章 引纬机构三维模型的建立与仿真29 第 5 章 总结33 参考文献.34 浙江理工大学本科毕业论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题的研究背景与意义 纺织是人类社会最古老的一个生产部门，它与我们的生活息息相关。随着 农业的发展和手工编结技术的提高，纺织技术出现并发展起来。随着工业技术 的提高，织机以其纺织速度快、产品质量高等优点逐渐取代原始纺织手段开始 迅速发展起来。 我国已成为全球第一纺织大国，现有生产能力为 1.1 亿纺纱锭，加工全球 纺织纤维总量的 42%48%，生产的服装占全球服装产量的近二分之一，供应纺 织品、服装占全球贸易量的二分之一1。但我国却非纺织机械的生产大国，而 是纺织机械的进口大国，织造行业对进口设备的依赖度比较大。据统计，我国 纺织机械在 2011 年上半年的进出口累计总额为 38.56 亿美元，同比增长 44.89，其中纺织机械进口 28.00 亿美元，同比增长 48.482。我国的织机 行业经过几十年的发展，目前已具有一定的生产规模和生产能力3，但是与世 界先进水平仍有较大的差距，因此纺织机械技术装备的研究和发展对提升我国 纺织工业的总体水平和竞争力具有切实的意义4。而引纬机构就是其中一项关 键的研究内容。 引纬方式分为有梭引纬和无梭引纬，其中无梭引纬可分为喷水引纬、剑杆 引纬、喷气引纬和片梭引纬四种5。自 1963 年汉诺威国际纺织机械展览会首次 展出了商业性剑杆织机以来，随着新材料和新技术的广泛应用，这种织机的工 艺性能日趋完善。80 年代末，剑杆织机进入了全盛时期。用剑杆织机加工织物 的范围，从中厚织物发展到轻薄织物，从服装面料发展到装饰和产业用织物， 由单层织物发展到毛圈及双层起绒织物，从狭幅发展到 4.6m 的阔幅，由低速发 展到高速。现今剑杆织机的最高入纬量已突破 1100m/min，纬纱的选色从单色 发展到最多达 16 色(德国 Dornier 剑杆织机)。这是其他几种无梭织机不可比拟 的6。 剑杆织机它是利用往复移动的剑状杆将检口外因定筒子上的纬纱引入梭口， 与有梭织机相比，它的入纬串高，织物质量优，机器噪声低，劳动生产率高。 浙江理工大学本科毕业论文 2 剑杆织机引纬过程纬纱始终受到剑头的积极控制，可适应强捻纬纱的织造，不 会出现纬纱的退捻和纬缩疵点。剑杆引纬具有极强的多色纬纱织造功能，能十 分方便地进行多色任意换纬，并且选纬(换色)运动对织机速度不产生任何影响， 在装饰织物加工、毛织物加工和棉型色织物等加工中都得到了广泛使用7。 1.2 国内外剑杆引纬机构的研究现状及发展趋势 1.2.1 剑杆引纬机构的简介 剑杆引纬机构是剑杆织机的五大核心机构之一，它将纬纱引入梭口，形成 织物所需的纹理。能保证引纬失误少，可靠性高，可以实现对许多引纬比较困 难的纱线进行引纬，其制织品种的适应性极其广泛，同时剑杆织机的门幅宽， 因此剑杆织机成为应用最广泛的一种无梭织机。现代织机在适应高速、高效的 同时，对引纬机构的性能要求越来越高，引纬机构的好坏直接决定整机性能的 优劣8。正因为剑杆引纬机构在剑杆织机中的重要作用，国内外许多纺织领域 内的学者都对其进行了研究，并取得了许多的成果。 1.2.2 国内外剑杆引纬机构的研究状况及发展趋势 目前，在国内外市场上出售的剑杆织机引纬机构主要有以下几种： 共轭凸轮引纬机构，如图 1-1 所示，该引纬机构有一个自由度，由共轭凸 轮、连杆机构和轮系组成。共轭凸轮 1 使刚性角形杆 H1AH2作往复摆动，摆杆 AB 和杆 H1AH2刚性连接，通过四连杆机构 ABCD 驱动与摇杆 CD 刚性连接的圆柱 齿轮 2 作往复摆动。最后经过定轴轮系 Z1、Z2、Z3和剑轮 3 的放大，使与剑轮 啮合的剑带 4 获得往复直线运动。这类机构很容易满足引纬要求的运动规律， 其剑头运动规律在理论上可按照任意曲线要求来设计9。该机构的性能取决于 共轭凸轮的设计，但凸轮廓线加工精度要求相当高，制造难度大，如存在误差 就易产生磨损冲击和振动加剧，影响正常的织造。 浙江理工大学本科毕业论文 3 图图 1-11-1 共轭凸轮引纬机构共轭凸轮引纬机构 变螺距螺旋传动引纬机构，如图 1-2 所示，主轴带动曲柄 AB，经过连杆 BC 使滑块型螺母 C 产生往复运动，螺母 C 与螺杆 1 形成螺纹副，带动螺杆转动， 从而带动螺杆轴上的剑轮 2 传剑。这类机构结构简单，传动链短，结构紧凑， 交接条件好，但传动效率低，而且变螺距螺旋副的加工也很困难8。 图图 1-21-2 变螺距螺旋传动引纬机构变螺距螺旋传动引纬机构 差动轮系连杆机构传动的引纬机构，如图 1-3 所示。周转轮系的轴心 O 为 筘座脚 CO 的摆动中心，AO1B 杆的转动经连杆分别传递给杆 DO 和筘座脚。DO 的 角速度 w1即为周转轮系内齿轮 1 的角速度，CO 的角速度 w2为周转轮系转臂的 角速度。在 w1和 w2作用下，中心轮 2 以合成速度 w3作往复摆动，通过圆锥齿 轮系(4、5、6 和 7)带动传剑轮 88。该机构能很好的改善交接纬时纬纱张力变 化大或纬纱松弛导致交接失误的现象，但是传动路线长、结构过于复杂。 浙江理工大学本科毕业论文 4 图图 1-31-3 差动轮系连杆机构传动引纬机构差动轮系连杆机构传动引纬机构 空间四连杆引纬机构，如图 1-4 所示，2 为织机主轴，由曲柄 1、叉杆 3 和 摇杆 4 组成的球面曲柄摇杆机构，通过连杆 5 带动扇齿轮 6，驱动剑轮 7。但其 引纬运动规律设计灵活性不如平面六连杆送纬、四连杆接纬机构8。 图图 1-41-4 空间四杆引纬机构空间四杆引纬机构 电子引纬机构，如图 1-5 所示，这类引纬机构是机械电子技术结合的产物， 是伴随着电子技术和控制技术的发展而提出的一种新的引纬方法。这类机构核 心技术是伺服电机的控制10。另外，与此相似的还有一种电磁控制11机构。 这类引纬方法的优点在于机构结构简单，能最大程度消除机械部件转动惯量带 来的不良影响。通过改变引纬控制器中数据，可实现剑杆织机引纬运动规律的 可选择性，满足和提高织机对不同纬纱的适织性能，进一步增强织造多品种织 物的能力，提高织机的自动化水平8。不过这类机构对电子技术的要求较高， 目前，该技术还没有获得普遍的推广和使用，尚处于实验改进阶段。 浙江理工大学本科毕业论文 5 图图 1-51-5 电子引纬机构电子引纬机构 随着技术的不断革新，机械和电子的联系越来越紧密。引纬机构以后的发 展也可能会逐渐的与微电子相结合，使我们对引纬运动的控制能够更加随心所 欲。 1.3 非圆齿轮的发展及研究情况 1.3.1 非圆齿轮的介绍 非圆齿轮是一种特殊的齿轮，与圆齿轮的不同之处在于其节曲线形状不规 则。在圆柱齿轮的传动过程中，其传动比为一固定常数，从动轮和主动轮的转 角呈线性关系；而对于非圆齿轮，其传动比为非特定的函数，从动轮和主动轮 的转角关系是非线性的。一对互相啮合的非圆齿轮，当主动轮作匀速转动时， 从动轮便作一定规律的变角速运动，非圆齿轮可使工作机构具有变速运动，能 协调工作机构的循环周期，利用非圆齿轮机构与连杆机构串联组合，能获得等 速或所需的运动规律12。而要实现剑杆的往复运动需要多个齿轮组成非圆齿轮 行星轮系才能实现。由于非圆齿轮的特性，当输入轴以匀角速度朝一个方向连 续转动时，通过非圆齿轮轮系，输出轴的回转方向和转速都可能改变，因而有 可能设计出输出轴作连续单向转动的、间歇转动的以及往复摆动的机构。非圆 齿轮节曲线可以是任意不规则的形状，目前研究较多的节曲线主要有椭圆及其 变阶形式、卵形、对数螺线形和傅里叶曲线等形状。非圆齿轮已经在机械工业 等学科得到了较大范围的应用，常见于如自动化仪表、农业机械、机床等行业 13。 浙江理工大学本科毕业论文 6 1.3.2 非圆齿轮的研究状况 2O 世纪 40 年代开始，由于当时机械制工业的发展，对传动机构的要求愈 来愈多样化、复杂化，已有的齿轮传动或其它传动机构很难满足需要。为了实 现变传动比传动，人们突破了传统圆齿轮的局限而发明了非圆齿轮14。但是由 于一些问题的限制，以致影响了它的应用15。例如如何表达非圆齿轮节曲线的 方法，在得到非圆齿轮节曲线的离散数据后需要对其进行拟合，但是非圆齿轮 节曲线的拟合对曲线拟合方法有很高的要求，拟合得到的节曲线需满足非圆齿 轮实际的保凸性、压力角等要求。另外非圆齿轮的加工也不简单。由于非圆齿 轮节曲线的不规则性，其齿廓难以用传统的齿轮加工方法加工生成。虽然数控 机床的发展降低了非圆齿轮加工的难度，但是编制数控加工代码仍太繁杂，已 开发的数控技术模块对非圆齿轮的加工通用性不高。 但是非圆齿轮与连杆机构、凸轮机构相比，具有较大的优越性尤其是它适 用于高速旋转机构和能实现连续的单向循环运动。所以，人们在加工非圆齿轮 方面动了不少脑筋。CAD 和程序语言开发软件等计算机技术的应用10；加工设 备的智能化、参数化以及高精度化11，机械制造行业也在朝着开发智能化、参 数化的数控设备这一趋势发展12；线切割、粉末冶金和快速成型等新型非圆齿 轮生产技术在非圆齿轮加工中的应用，使得非圆齿轮的加工问题已得到了很好 的解决13。 1.4 本设计的主要内容 本次毕业设计中研究的主要内容包括： 1）了解、掌握剑杆织机引纬工艺要求 清楚剑杆织机引纬时，主轴转过不同角度的时候剑头应该有的位移、速度 以及加速度。 2）建立剑头的理想运动学曲线方程 根据最符合剑杆织机织造的原则，得到剑杆的理想运动学曲线方程。 3）由给定的非圆齿轮行星轮系引纬机构的传动原理，建立运动学分析模型 根据非圆齿轮的特性建立传动模型，将主轴的匀速转动转换成期望达到的 浙江理工大学本科毕业论文 7 剑杆的往复运动。 4）编写运动分析、仿真软件，进行参数反求。 根据得到的理想的运动学曲线方程，利用 MATLAB 编写运动分析、仿真软件， 反求出机构中各个参数的值。 5）根据最佳参数，进行结构设计。 根据得到的参数和建立的运动模型，对结果进行仿真分析，并由仿真结果 对参数进行适当的调整。 浙江理工大学本科毕业论文 8 第 2 章 非圆齿轮行星轮系引纬机构运动分析模型的建立 引纬机构用于将织机主轴的匀速回转运动转换为引纬剑头的变速往复直线 运动，本章在满足剑杆引纬机构的工艺特性要求的基础上，设定了理想的引纬 剑头运动规律，建立了该新型引纬机构的运动学反求模型，并根据引纬剑头的 运动规律和已知的机构参数反求得到了非圆齿轮的节曲线方程。 2.1 剑杆织机的引纬工艺要求 引纬机构最终要应用在剑杆织机中，所以它必须满足剑杆织机的引纬工艺 要求。典型的剑杆运动规律有下列特征：在剑杆向梭口内运动起始处，送纬剑 和接纬剑运动缓慢，而且送纬剑更慢，这有利于送纬剑能在较短的距离内正确 夹持住纬纱。在梭口中央交接时，送纬剑和接纬剑运动也缓慢，有利和缓交接， 降低纬纱张力2。且交接时需满足一定的纬纱交接冲程要求，一般理论交接冲 程取 10mm。 所以我们能得到剑杆引纬的一系列特点：剑头在梭口内停留时间较长，占 主抽转角 200240，甚至更长些；剑头进出梭口的时间可调范围小，剑头 进入梭口约在 6090间，出梭口约在 280一 310间，空程可使剑头迟 进、早出梭口，常见的剑杆织机引纬机构工作圆图如图 2-1 所示。为了满足剑 杆运动规律，需要调整的主要引纬参数有剑头初始位置、剑头动程、纬纱交接 配合、剪纬、释放纬纱和剑头运动的配合6。 浙江理工大学本科毕业论文 9 图图 2-12-1 剑杆织机引纬机构工作圆图剑杆织机引纬机构工作圆图 2.2 剑头的理想运动学曲线方程的建立 2.2.1 剑头理想运动曲线的构造 剑杆织机剑头运动规律的优化可以使引纬运动更加平稳,改善纬纱的受力状 况,提高入纬率,适应高速织机的要求,大大改善织机的织造性能。常用的剑头运 动规律有正弦加速度规律、梯形加速度规律和修正梯形加速度规律等。已有的 一些计算表明,在动程和运动时间相同的条件下,正弦加速度规律的加速度峰值 比修正梯形加速度规律的加速度峰值大 45%,速度峰值大 4%。结合剑杆织机剑头 的运动规律要求，在目前常用的剑头运动规律中,修正梯形加速度运动规律是最 优越的。修正梯形加速度运动规律是指引纬加速度曲线的形状类似于梯形,在梯 形的转折处用多项式曲线光滑过渡。过渡曲线设计是修正梯形加速度运动规律 的重点和难点。 目前有很多种研究剑杆运动规律曲线的方法，例如直接假设位移曲线方程, 然后根据各曲线段的位移、速度、加速度关系以及曲线的连续、光滑条件,找出 各段曲线的边界条件,列出方程组依次求解出位移、速度、加速度曲线方程。虽 然该种设计方法能很好地满足剑头的运动要求,但其优化变量有 11 个之多,计算 量较大；或者采用 5 次多项式来设计加速度的过渡曲线,这种方法满足了高速剑 杆织机对加速度、跃度无突变的要求,剑头的运动也很平稳,冲击较小,是一种较 为优越的运动规律,但随着多项式次数的增加,引纬机构精度要求提高,零件加工 难度加大,成本增高,机构对误差的敏感性也相应提高。因此本设计根据修正梯 浙江理工大学本科毕业论文 10 形加速度剑头运动规律，在现有的成果之上采用三次埃尔米特插值多项式构造 4 段过渡曲线20，构造了理想的引纬机构加速度运动规律曲线。再根据得到的 加速度运动曲线规律分别进行一次和两次积分求得引纬机构的速度运动规律曲 线和位移运动规律曲线。 引纬机构加速度运动规律曲线如图 2-2 所示 图图 2-22-2 引纬机构加速度运动规律曲线引纬机构加速度运动规律曲线 2.2.2 剑头运动学曲线方程的建立 1、加速度方程的建立 以下是一些参数的设定 ：引纬工艺参数，主轴转角，由引纬工艺条件决定； 、：对应剑头运动过程中主轴的转角，为已知量； 1 2 3 剑头加速度，由织机所需的筘幅决定筘幅；S h最大正向加速度值，根据剑杆动程要求确定； 加速度初始值，为应变量。 x h 由引纬机构加速度运动规律曲线可知，当在区间时 1 0,) 设 23 10123 ( )faaaa 由边界条件： 100 2 1123 23 110112131 2 1112131 (0) (0)230 () ()230 fah faaa faaaahh faaa 得，所以 00 00123 23 11 3()2() ,0, hhhh ah aaa 浙江理工大学本科毕业论文 11 （2-1 23 00 0 23 11 3()2() ( ) hhhh Sh ） 当在区间时 12 ,) 易知： （2-( )Sh 2） 当在区间时 23 ,) 设 23 20123 ( )faaaa 由边界条件：，得 22 22 23 23 () ()0 () ()0 x fh f fh f 32 2232323 0123 3333 32323232 (3)()6()3()()2() , ()()()() xxxx hhhhhhhh ahaaa 故 （2-3） 32 23 2232323 3333 32323232 (3)()6()3()()2() ( ) ()()()() xxxx hhhhhhhh Sh 当在区间时 3 , 易知：（2-4）( ) x Sh 为了利于纬纱的交接，也便于织机的调试，剑头进足开始退剑时的() 速度，因此在内，函数与轴所围成的正负面积之和必须为0v 0,( )f 零，即。因此可得等式 12 0AA 13 2 12123 0 ( )d()( )d()0 x fhfh 即： 032 1213 ()() ()()0 22 x x hhhh hh 得： （2-5） 1231 0 23 () 2 x hh h 由于这一段的曲线与这一段的曲线关于对称，所 ,2 0, 浙江理工大学本科毕业论文 12 以加速度方程为： （2-6） 23 00 011 23 11 1221 32 2 2232323 333 323232 3 23 3 32 3()2() 0,)2,2 ,)2,2) (3)()6()3()() ()()() 2() ,)2 () xxx x hhhh h h hhhhhh Sh hh 32 33 ,2) ,2) x h 2、速度方程的建立 设织机主轴角速度为，即，对加速度曲线进行积分即可得到速度曲 A 线，即，整理可得段的速度曲线方程如下： T2 00 1 ddSS tS 0, 34 000 1 23 11 011 12 32 012232212 3 32 2233 232232 3 32 ()() 0,) 2 ()() ,) 2 ()()(3)()()() 2() 3()()()()() ()( x xx hhhhh hhh hhhhhh S hhhh 44 2 23 33 3232 0132123 3 ()() ,) )2 () ()(2) , 2 x x hh hhh （2-7） 由于速度曲线关于点呈中心对称，所以段的速度曲线表达(,0)(,2 式可以表示为： ( )(2)SS 3、位移方程的确立 接着再对速度曲线进行积分，得到位移曲线，即，整 T2 00 1 ddSS tS 理后可得段的位移曲线方程如下：0, 浙江理工大学本科毕业论文 13 2 45 000 1 22223 11 222 01010111 12 2222 22 010120212212 22222 ()() 0,) 2410 3()()()() ,) 22022 3()()()()()() 20222 ( hhhhh hhhhhh hhhhhhhh h S 3223322 223223222 22323 3232 443554 232222 23 2323 3232 2 010122 22 ()(3)()()(23) 22()() ()()(34)()(45) ,) 4()10() 3()() 202 xx xx hhhh hhhh hhhhh 2 03212132 222 2322332 3222332233223 22323 3232 443554 2332233223 23 32 ()()()() 22 ()()(3)()()(23) 22()() ()()(34)()(45) 4()10 xx xx hhh hhhhh hhhh 23 32 013321323 3 2 () ()()()()() , 2 x hhh （2- 8） 由于位移曲线关于这一轴对称，所以这一段的位移曲线方(,2 程可以表示为：。( )(2)SS 2.3 非圆齿轮行星轮系引纬机构的模型简介 在本设计中我们采用非圆齿轮行星轮系这一引纬机构，该剑杆织机引纬机 构的机构简图如图 2-3 所示 浙江理工大学本科毕业论文 14 1行星架 2织机主轴 3主动非圆太阳轮 4从动非圆太阳轮轴 5行星轴 6从动非圆行星轮 7主动非圆行星轮 8从动非圆太阳轮 9大圆柱齿轮 10小圆柱齿轮 11小圆柱齿轮轴 12大圆锥齿轮 13小圆锥齿轮 14小圆锥齿轮轴 15剑轮 图图 2-3 非圆齿轮行星轮系引纬机构简图非圆齿轮行星轮系引纬机构简图 该机构的行星架 1 由织机主轴 2 驱动，主动非圆太阳齿轮 3 活套在从动非 圆太阳轮轴 4 上，主动非圆太阳齿轮 3 固定不动。位于行星架 1 两侧的行星轴 5 由行星架 1 驱动，两根行星轴 5 上分别固结有从动非圆行星齿轮 6 和主动非 圆行星齿轮 7，主动非圆太阳齿轮 3 和两个从动非圆行星齿轮 6 啮合，从动非 圆太阳齿轮 8 和两个主动非圆行星齿轮 7 啮合，从动非圆太阳轮轴 4 上固定有 大圆柱齿轮 9，大圆柱齿轮 9 和装在小圆柱齿轮轴 11 一端的小圆柱齿轮 10 啮 合。小圆柱齿轮轴 11 的另一端固定有大圆锥齿轮 12，大圆锥齿轮 12 和装在小 圆锥齿轮轴 14 一端的小圆锥齿轮 13 啮合。小圆锥齿轮轴 14 的另一端固定有剑 轮 15。剑轮 15 与剑带相互啮合，通过控制剑轮 15 的运动规律来使得剑头按预 定设计的规律来进行运动。 在理论上来说只要设计出合适的非圆齿轮节曲线，就可以得到任意运动规 律的剑杆运动曲线。该机构与其它类型的引纬机构相比，结构紧凑，传动链短， 传动效率高，能够适应更多的设计需求，具有更高的设计灵活性。 浙江理工大学本科毕业论文 15 2.4 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求模型的建立 2.4.1 反求设计思想的简介 反求工程这一术语起源于 20 世纪 60 年代，但从工程的广泛性对它进行研究,从 反求的科学性进行深化还是从 20 世纪 90 年代初刚刚开始。反求工程类似于反 向推理,属于逆向思维体系。它以社会方法学为指导，以现代设计理论，方法， 技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验，知识和创新思维，对已有的 产品或想要达到的结果进行解剖，分析，重构和再创造,在工程设计领域,它具 有独特的内涵,可以说它是对设计的设计21。 反求技术是测量技术，数据处理技术，图形处理技术和加工技术相结合的一 门结合性技术。随着计算机技术的飞速发展和上述技术的逐渐成熟,近年来在新 产品设计开发中愈来愈多的得到应用，因为在产品开发过程中需要以设计的结 果作为设计依据参考模型或作为最终验证依据时尤其需要应用该项技术。 2.4.2 非圆齿轮行星轮系放大轮系的运动模型的建立 非圆齿轮行星轮系引纬机构的行程放大轮系部分如图 2-4 所示 9大圆柱齿轮 10小圆柱齿轮 11小圆柱齿轮轴 12大圆锥齿轮 13小圆锥齿轮 14小圆锥齿轮轴 15剑轮 图图 2-4 非圆齿轮行星轮系引纬机构放大轮系非圆齿轮行星轮系引纬机构放大轮系 主轴的转动传递到从动非圆太阳齿轮 8 之后，由齿轮 8 通过从动非圆太阳 浙江理工大学本科毕业论文 16 轮轴 4 传递到大圆柱齿轮 9，再传递到与之相啮合的小圆柱齿轮 10，然后通过 小圆柱齿轮轴 11 传递到大圆锥齿轮 12，再传递到与之相啮合的小圆锥齿轮 13，最后通过小圆锥齿轮轴 14 传递给剑轮。在 2.2.2 中我们已经知道剑轮连接 的剑杆剑头的加速度，速度，位移等运动规律，可以根据运动的传递路径反向 求得从动非圆太阳齿轮 8 的运动规律。 非圆齿轮行星轮系引纬机构所需的相关参数如表 2-1 所示 表 2-1 符号符号表示的含义表示的含义符号符号表示的含义表示的含义 a椭圆齿轮 3、6 的长半轴b椭圆齿轮 3、6 的短半轴 c椭圆齿轮 3、6 的焦距k椭圆齿轮 3、6 的偏心率 w织机主轴的角速度n织机主轴的转速 1 织机主轴的角位移 3 主动椭圆太阳齿轮 3 的角位移 6 从动椭圆行星齿轮 6 的角位移 7 主动非圆行星齿轮 7 的角位移 8 从动非圆太阳齿轮 8 的角位移 9 大圆柱齿轮 9 的角位移 10 小圆柱齿轮 10 的角位移 12 大圆锥齿轮 12 的角位移 13 小圆锥齿轮 13 的角位移 15 剑轮 15 的角位移 9 z 大圆柱齿轮 9 的齿数 10 z 小圆柱齿轮 10 的齿数 12 z 大圆锥齿轮 12 的齿数 13 z 小圆锥齿轮 13 的齿数 r剑轮 15 的半径S剑头的位移 S 剑头的速度 S 剑头的加速度 max S 剑头加速度的最大值 zong i 齿轮 9、10、12、13 组成的行程放大 轮系的总传动比 3 r 主动椭圆齿轮 3 的向径 6 r 从动椭圆齿轮 6 的向径 7 r 主动非圆齿轮 7 的向径 8 r 从动非圆齿轮 8 的向径 由剑头的位移，速度，加速度，以及剑轮的半径，可以求得剑轮 15 的角位 移，角速度，角加速度，如下列式子所示 浙江理工大学本科毕业论文 17 15 15 15 / / / s r s r s r 根据设定的放大轮系的各个齿轮半径可以得到行程放大轮系的总传动比 912 1013 zong zz i zz 从而可以求得大圆柱齿轮 9 的角位移，角速度和角加速度，因为从动非圆 太阳轮 8 与大圆柱齿轮 9 是同轴传动的，所以可得 （2- 8915 8915 8915 / / / zong zong zong i i i 9） 2.4.3 第一级非圆齿轮行星轮系运动模型的建立 本设计的非圆齿轮行星轮系引纬机构总共包含有两级的非圆齿轮轮系，第 一级是由椭圆齿轮行星轮系构成。如图 2-5 所示 图图 2-52-5 椭圆齿轮行星轮系示意图椭圆齿轮行星轮系示意图 图中椭圆齿轮 3 固定不动，椭圆齿轮 6 与齿轮 3 通过行星架 1 相连接，两个齿 轮的轴心,分别为对应椭圆的的焦点，行星架 1 围绕着椭圆齿轮 3 以的 3 O 6 Ow 角速度在运动，椭圆齿轮 6 在行星架 1 的带动下，一边围绕着轴心 6 做自转运 动，一边围绕着椭圆齿轮 3 做公转运动，点为两个齿轮在运动过程中的啮合p 点。当行星架 1 转过角度时，由于椭圆齿轮 3 是固定不动的，所以齿轮 3 相 1 浙江理工大学本科毕业论文 18 对于行星架 1 转过角度，与此同时椭圆齿轮 6 相对于行星架转过角度。 1 3 1 6 根据椭圆本身的特性可以得到 （2- 21 33 /(cos)rbac 10） （2- 21 66 /(cos)rbac 11） 由于两齿轮的轴心都是对应齿轮的焦点所以他们的中心距为，因此在传动的2a 过程当中 （2- 36 2rra 12） 由（2-9） 、 （2-10） 、 （2-11）三式可得 （2- 12 1 3 6 212 3 (cos) cos (22cos) acba aacb cc 13） 由式（2-13）可以得到和的关系如下 1 6 1 3 （2- 1 1 3 3 6 6 r r 14） 2.4.4 第二级非圆齿轮行星轮系运动模型的建立 非圆齿轮副是用来传递非匀速传动比的，其节曲线就是一对互相啮合的齿 轮在其啮合过程中实现无滑动地纯滚动的共扼曲线，一般不为圆。设计非圆齿 轮主要由两个关键因素，首先是确定非圆齿轮副的节曲线，这也是最关键的一 步。其次是确定非圆齿轮其它的几何参数。 在实际设计中，通常有三种方式来计算节曲线，即：给定非圆齿轮传动比 函数和中心距；给定再现函数和中心距；给定主动非圆齿轮的节曲线方程和中 心距。本文采用的是第一种方案。 由第一级椭圆齿轮行星轮系的运动模型可以知道，当主动椭圆齿轮 3 相对 浙江理工大学本科毕业论文 19 于行星架转过角度时，从动椭圆齿轮 6 相对于行星架转过角度，此时第一 1 3 1 6 级相互啮合的椭圆齿轮的向径分别为和，此瞬时传动比为 3 r 6 r （2- 1 1 36 36 1 63 r i r 15） 这个时刻从动非圆齿轮 8 和主动非圆齿轮 7 的啮合向径为，那么可得 8 r 7 r （2- 111 1 88673 83 111 37386 r r i r r 16）假设从动非圆太阳轮 8 与行星架之间的传动比为 1 8 81 1 d i d 而由于椭圆齿轮 3 是固定不动的，所以，那么可以得到 3 0 （2- 1 1 881818 8381 1 33111 ()()() 11 ()()() dddd ii dddd 17） 有机构可知主轴与行星轴的中心距为 （2- 3678 2rrrra 18） 由（2-14） 、 （2-15） 、 （2-16） 、 （2-17）四式可得 81 7 81 36 1 2 1 1 i ra i i 87 2rar 由设计的机构的传动关系可得 11 761 1 36 1 i 1 881 综上所述，可以得到非圆齿轮 7 的节曲线方程为 浙江理工大学本科毕业论文 20 （2- 81 7 81 36 11 761 1 36 1 2 1 1 1 i ra i i i 19） 非圆齿轮 8 的节曲线方程为 （2- 87 1 881 2rar 20） 第 3 章 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求设计与运动仿真软 件的设计 3.1 计算机辅助设计的简单介绍 计算机辅助设计一般是指通过向计算机输入设计资料，由计算机自动地编 制程序，优化设计方案，得到产品或零件图的过程。计算机辅助分析是综合计 算机技术、应用数学和模拟理论而发展起来的，现今被广泛应用于机械设计等 领域，已成为产品设计、研究和分析复杂应用问题的重要工具。本设计需要得 到最终机构的运行数据，以此来分析各参数间的相关性。而 Visual Basic 6.0 有 着较强的数据分析能力以及强大的人机交互功能，所以本文将以 Visual Basic 6.0 为设计平台，对非圆齿轮行星轮系引纬机构进行反求设计，并对机构进行运 动仿真分析。 3.2 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求设计与仿真软件的介绍 3.2.1 引纬机构反求设计软件的开发思路 根据第 2 章中建立的非圆齿轮行星轮系引纬机构的运动分析模型编写计算 浙江理工大学本科毕业论文 21 程序，根据引纬工艺的要求输入合理的参数得出机构的运动模型以及运动轨迹， 并反求出节圆曲线的各个离散数据为三维模型仿真做好准备。 3.2.2 引纬机构反求程序的关键性思想 根据第 2 章建立的非圆齿轮行星轮系引纬机构的运动学反求模型，编写反 求计算的程序框图，如表 2-2 所示。其中为最大正向加速度，为比例系数，h 1 c 为织机主轴的转速，为引纬运动规律曲线的角度参数，分别对应n 1 x 2 x 3 x 于图 2-2 中的角度参数，； 为椭圆齿轮的长半轴， 为椭圆齿轮的 1 2 3 ak 偏心率， 为传剑轮的半径，为接纬提前角，分别为第一级传动r 3 z 6 z 36 m 中心椭圆齿轮和行星椭圆齿轮的齿数和模数， 分别为第二级传动 8 z 7 z 78 m 中心非圆齿轮和行星非圆齿轮的齿数和模数，为纬纱交接冲程，为仿真速 i j d s 度调节参数。 表 3-1 Read ， h 1 cn 1 x 2 x 3 x For =0 to 360 1 ， 01 hc h 1231 0 23 () 2 x xxx hx h h xx 2 60 n w 0,2x 引纬剑头运动规律方程，详见第 2 章式(2-6)， （2-7)， （2-8） Read ，akr 3 z 6 z 36 m 7 z 8 z 78 m i j d s 推导从动非圆太阳轮 8 的运动规律方程，见式(2-9) 推导第一级椭圆齿轮传动比函数， 2 3 1 3 (cos) b r ac 2 6 1 6 (cos) b r ac 6 36 3 r i r 第二级非圆齿轮传动比函数， 1 1 881 8381 1 331 () 1 () dd ii dd 1 1 63 78 1 833681 1 (1) i i iii 由传动比函数和已知中心距，详见式（2-19） 7 1 78 2 1 a r i 11 761 1 36 1 i 浙江理工大学本科毕业论文 22 根据几何关系得到，详见式（2-21） 7 x 7 y ，详见式（2-20） 87 2rar 1 881 ， 1 888 cosxr 1 888 sinyr 第二级非圆齿轮行星轮系机构示意图如图 3-1 所示 图图 3-13-1 第二级非圆齿轮行星轮系机构示意图第二级非圆齿轮行星轮系机构示意图 ，分别为中心齿轮 8 和行星齿轮 7 的轴心, 为两齿轮的啮合点，垂 8 O 7 OAAF 直于轴，为行星齿轮 7 的第 条向径，所以 B 点的坐标即为（，） ，x 7 O Bi 8 x 8 y 其中,，为选取的第 条向径所对应的非圆齿轮 1 877 O O D 1 83 AO F 7 BO Ci 7 相对于行星架 1 的角度，设位。假设的坐标为（，） ，在得到