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东华大学硕士论文摘要 地毯簇绒装备横动提花机构研究与设计 摘要 实现地毯簇绒装备的横动提花，极大丰富了地毯的花形，对于地毯簇绒 技术的发展有着重要的意义和广阔的应用前景。 地毯簇绒装备的横动提花是通过推动针排的横向移动实现的，而针排的 横向移动，可以用凸轮机构的传动实现。本文研究了机械凸轮横动和电子凸 轮横动两种横动提花的方法，讨论了机械凸轮横动提花系统传动机构的设计 和等径凸轮轮廓曲线自动生成软件的设计，以及以p m a c 运动控制器为控 制核心、工业控制机为系统支撑、富士伺服电机为驱动的电子凸轮横动提花 系统的设计。 ( 1 ) 通过对地毯簇绒装备横动提花原理的分析，对地毯簇绒装备横动提 花两种方法进行了总体设计。 ( 2 ) 机械凸轮横动提花系统采用链轮机构减速器一等径凸轮针排的传动 机构。根据花形对横动的要求分析，用数学解析法建立了等径凸轮的数学模 型，设计了等径凸轮轮廓曲线自动生成软件，该软件具有通过输入模拟花形， 自动生成等径凸轮轮廓曲线的功能。 ( 3 ) 根据电子凸轮实现横动提花的原理和横动提花的控制要求，完成了电 子凸轮横动提花系统中伺服电机、滚珠丝杠副和运动控制器的选型计算，分 析了电子凸轮横动提花系统的硬件组成，并设计了系统的控制软件，对 p m a c 运动控制器和电子凸轮横动提花系统的调试方法进行了说明。通过系 统调试测得的数据，证明了本系统的稳定性和可行性。 关键词：横动提花；等径凸轮；电子凸轮；p m a c 运动控制器；伺服控制 d e s i g na n d r e s e a r c h0 fc a r p e tt u f t i n gm a c h i n e p a t t e r nt r a n s v e r s em e c h a n i s m a b s t r a c t t h er e a l i z a t i o no ft h ep a t t e r n t r a n s v e r s eo fc a r p e tt u 士t l n g m a c h i n ew i l le n r i c hc a r p e tp a t t e r n s ，a n dt h e s et e c h n o l o g i e sh a v ea v e r yi m p o r t a n tm e a n i n g o fc a r p e tt u f j 七i n gt e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n tl n t h el o n g1 1 l na n dw i l lh a v ea ne x c e l l e n tp r o s p e c t p a t t e ml a t e r a n yo fc a 印e tt u f t i n gm a c h i n ew a sr e a l i z e db yd r i v e n n e e d l eb a rs h i f t i n gm e a n s m o r e o v e r t h es h i f t i n go f n e e d l eb a rc o u l d r e a l i z eb vc a md r i v e nm e c h a n i s m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， t h e m e c h a n i c a lc a mt r a n s v e r s em e t h o da n dt h ee l e c t r o n i cc a m t r a n s v e r s e m e t h o dw e r er e s e a r c h e d a n dh a v ead i s c u s s i o no nt h ed e s i g no ft h e t r a n s m i s s i o ns t m c t u r eo fm e c h a n i c a lc a mp a t t e r nt r a n s v e r s es y s t e ma s w e l la st h ed e s i g no fe q u a ld i a m e t e rc a mo u t l i n e c u r v ea u t o m a t l c c r e a t e ds o f t w a r e f u r t h e r m o r e ，f i n i s h e dt h ed e s i g no ft h ee l e c t r o n i c p a t t e r nc o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i c hi s a sp m a cm o t i o nc o n t r o l l e ra s t h ec o n t r o lc o r e ，s u p p o r t e db yi n d u s t r i a lc o m p u t e r ，a n db a s e do nf u j i s e r v om o t o ra st h ed r i v e r ( 1 )t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h ep a t t e r nt r a n s v e r s et h e o r yo ft h e c a r p e tt u f t i n gm a c h i n e ，d e s i g nt h eg e n e r a ls c h e m eo ft h et w ot y p e p a t t e r nt r a n s v e r s em e t h o d s ( 2 )t h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m so ft h em e c h a n i c a lc a mp a t t e r n t r a n s v e r s es y s t e ma d o p tc h a i nw h e e lt or e d u c e rt oe q u a ld l a m e t e rc a m t on e e d l eb a rm e a n s t h e nb a s i st h ea n a l y s i so fs h i f t i n gr e q u e s to f c a r p e tp a t t e r n s ，u s em a t h e m a t i cm e t h o ds e tu pt h em a t h e m a t i cm o d e l o fe q u a ld i a m e t e rc a m d e s i g nt h ee q u a ld i a m e t e rc a mo u t l i n ec u r v e a u t o m a t i cc r e a t e ds o f t w a r eb a s i s t h i sm a t h e m a t i cm o d e l t h i s s o f t w a r ep o s s e s st h ef u n c t i o no fa u t o m a t i cc r e a t ee q u a ld l a m e t e rc a m i i 东华大学硕七论文absll认ct o u t l i n ec u r y eb a s i st h ei n p u tp a t t e m s ( 3 )f i n i s ht h es e l e c t i o nc a l c u l a t i o no fs e r y om o t o r ，b a l lb e a r i n gs c r e w a n dm o t i o nc o n t r o l l e ro fe l e c t r o n i cp a t t e mt r a n s v e r s es y s t e mb a s i so n t h er e s e a r c ht h et h e o r yo fu s ee l e c t r o n i cc a mr e a l i z ep a t t e r nl a t e r a l l y a n dt h ec o n t r o lr e q u e s t m e a n w h i l e ，h a v ea na n a l y s i so ft h eh a r d w a r e c o m p o n e n t so ft h ee l e c t r o n i cc a mp a t t e r nt r a n s v e r s es y s t e ma n d d e s ig nt h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r eo ft h es y s t e m 1 1 1 u s t r a t e dt h e d e b u g g i n gm e t h o do fp m a cm o t i o nc o n t r o u e ra n de l e c t r o n i cc a m p a t t e r nt r a n s v e r s es y s t e m g e tt h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n gd a t ao ft h e s y s t e m ，a n dt h i sd a t ap r o v e st h es t a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h es y s t e m ( m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y k e yw o r d s ：p a t t e r nt r a n s v e r s e ，e q u a ld i a m e t e rc a m ，e l e c t r o n i cc a m ， p m a cm o t i o nc o n t r o l l e rc a r d ， s e r v oc o n t r o l i i i 东华大学硕士学位论文 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确 注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 加。丞年弓 日 东华大学硕士学位论文 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密因 学位论文作者躲p 芝冬 日期：纱，3 年；月7 日 东华大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 随着世界经济的发展，人们消费水平的不断提高，促进了簇绒地毯消费 量的快速增长。为满足市场的需求，我国部分厂家从上世纪8 0 年代初开始 从国外进口一些地毯簇绒装备，但不难发现我国引进的都是一些早期的产 品，大部分只能实现简单的纵向提花，提花方式单一，并且其主要功能还是 由简单的机构装置实现。而当今国外的大型公司已经不仅实现了提花机构的 横动，还设计出了凸轮轮廓曲线的自动生成软件和电子控制的提花系统。而 这些在我国的簇绒装备技术领域中还属于空白【1 7 1 。因此，为了打破国外企 业的产业垄断，就需要自主研制出核心的新技术和新产品。本课题是在国内 现有的技术条件下，对地毯簇绒装备的改造和创新，本课题的实现，将有助 于提高国内地毯簇绒技术水平，对于地毯簇绒技术的发展有着重要的意义和 广阔的应用前景。 实现地毯簇绒装备的横动提花，可以极大丰富地毯的花形，使地毯的提 花变得更加灵活多变。其中，机械凸轮横动提花系统的设计，可以实现用等 径凸轮传动完成针排的横动提花；对等径凸轮机构的软件设计管理，不仅可 以更加方便地设计凸轮，而且还极大提高了凸轮的精度；实现电子凸轮的横 动提花系统不仅可以简化地毯簇绒装备的机械结构，实现对各种花形的提花 控制，更为重要的是实现了柔性化生产，降低了成本，大大丰富了花形。应 用这些技术，在设计凸轮时可以减少繁琐的计算，只要根据提花规律，运用 等径凸轮数学模型，利用软件自动生成所需的凸轮轮廓；或者对伺服电机进 行相应的驱动控制，再经由滚珠丝杠的精密传动，从而使得针排按照设计图 案的要求进行横动，这在很大程度上将降低簇绒地毯的生产成本和提高簇绒 地毯的图案多样性，使得市场竞争力极大增强，增加经济效益。 东华大学硕士论文 第一章绪论 从世界簇绒地毯使用的急剧上升趋势，以及我国这几年的地毯产业的蓬 勃发展，不难看出，簇绒地毯的发展势不可挡，如何在市场竞争中立于不败 之地，技术的革新就势在必行。随着簇绒地毯图案的复杂程度不断增加，针 排的横动规律也会越来越复杂，同时要求的精度和相应特性也会越来越高。 因此，具有软件化管理和伺服控制的横动提花装备必将会成为一种趋势，而 就世界范围来说，这些技术在一些大型簇绒机械公司已经成熟，例如美国 t u f t c o 公司【1 1 ，但是在我国尚属空白，所以这些技术的成功和推广前景非常 好。 1 2 国内外横动机构的研究现状 在国外簇绒地毯工业中已经发展起来有两种横动提花技术：底布横动技 术和针排横动技术。底布横动技术是指在提花过程中，通过横动机构推动底 布运动，使底布与针排形成一定的偏移量，从而可以织出有曲线型花纹图案； 针排横动技术是指针排在进行纵向提花的同时完成针排的横向移动进行提 花，以在地毯上形成曲线花纹的风格，这种提花方式大大丰富了地毯的花形， 并且实现许多复杂花形的提花。 在上世纪7 0 年代，国外一些大型地毯簇绒装备生产企业就已经研发出 了能够实现底布横动的提花机构，图1 1 所示为美国t u r c o 公司研制的一种 底布横动提花系统【2 1 。 图1 1 底布横动提花系统图 该系统通过一个带有特性曲线的凸轮机构推动从动滚子运动，同时带动 整个横动架在导轨上横向移动，通过横动架的横动进而推动卷布刺辊运动， 2 东华大学硕士论文第一章绪论 从而带动底布横动，实现横动提花。但这种横动机构由于受到底部运动的局 限性，只能织出非常简单的花形提花性能不稳定，精度差，因此并没有在 市场上得到广泛推广。 到了上世纪9 0 年代，随着簇绒地毯产业的进一步发展，人们对地毯花 形的要求越来越高，原来的圈割绒技术和底布横动技术完全无法满足市场的 需求，部分公司又提出了通过推动针排实现横向提花的构想，通过实现针排 的横动，编织出更加复杂、多样的地毯花形。 对于针捧横动提花技术，就针梁而言，应用当中的有如下几种3 。4 q ： ( 1 ) 单针梁单针排在早期的簇绒工业中，锯齿形和正弦曲线形这些简单 的图案都是使用两色或多色的纱线筒架按顺序由凸轮驱动针梁来完成的，如 图l 一2 ( a ) 所示。 ( 2 ) 单针梁式交错型针排各种各样的图案花纹效果可以利用交错型针 排来实现。如图1 2 ( b ) 所示。 ( 3 ) 双针梁双针排如果交错型针床用双针床替换下来，即使做简单的变 换顺序的运动，也能织出精巧得多的图案。显然，如果针床能够做每次不止 步的横向运动，此时针床能够独立运动、一起移动、单向移动或反向移动， 所能织做的花纹图案的范围无疑会大大增加。如图l 一2 ( c ) 所示。 a 单针粱单针排b 单针粱式交错型针排c 双针粱双针排 图l 一2 针排横动提花效果 在针排横动提花技术的控制方式上，同样栗用的是凸轮机构实现的。图 1 3 所示为国外部分厂家所采用的一种以机械凸轮为驱动的横动提花机构 q 耋：銮：苎圭兰兰兰= 耋誊兰 图1 3 国外机械凸轮横动提花机构 该横动机构的主要传动方式为，通过一个带有特性曲线的等径凸轮的运 动，推动左右两个从动滚子，从而带同整个横动架在导轨上运动，再由横动 架带动推杆推动针排实现横向运动。 机械横动机构具有成本低、工作可靠、控制方式简单等特点，所以一直 受到广大簇绒地毯生产企业的青睐。但是，随着科技的发展和进步，特别是 机电一体化、电机技术、电子控制、液压传动等高新技术日新月异地变化， 以及人们对高效率、高档次产品的追求，在纺织领域，特别是经编机领域相 继出现了以下几种电子横移机构【5 】。 e l 型电子横移机构；e l 型电子横移机构不是通过主轴传动运行，而是 应用了新型的伺服电机驱动，并由计算机实现控制。最初，e l 型横移机构 应用的是旋转伺服电机加上滚珠螺旋传动机构，通过滚珠螺旋传动机构把伺 服电机的旋转运动转换成直线运动，从而推动梳栉的横移。目前，随着直线 电机技术的发展，已将此机构中的旋转伺服电机加上滚珠螺旋传动机构改 为由新型的直线伺服电机驱动。直线电机可以直接得到直线运动，实现了零 传动，且可以直接驱动梳栉。这种驱动方式用于多梳经编机的地梳和贾卡梳 的驱动，其机构图如图l - 4 所示。 鹫 梳栉2 一针床3 推丰f4 一球形螺杆5 直线f 乜机6 - 导纱梳弹簧 图1 _ 4e l 型电子横移机构 尹 柬华大学硕士论文第一章绪论 e l s 型电子横移机构：e l s 型电子横移机构应用了电液伺服控翻系统。 电液伺服控制系统由指令元件、检测元件、比较元件、伺服放大器、电液伺 服阀、液压执行元件等组成。b l s 型电子梳栉横移机构原理如下：作为指令 元件的工控机按花形要求发出指令，通过伺服放大器的信号放大，驱动直线 电机控制电液伺服润，直线电机根据控制信号分别开启、关闭相应的电液伺 服阀，电液伺服阀控制进入液压油缸( 即液压执行元件) 的油流量，从而使 液压油缸的活塞杆运动，再通过连杆驱动梳栉横向移动。其机构图如图1 5 所示。 卜_ 生匮西 一花形输入终端工控微机 直线电机和液压阁 测量装置 液压油缸 梳栉 图1 5e l s 型电子横移机构 基于d s p 的电子横移系统：该系统结构设计以d s p 控制为核心，以直 线电机为执行机构的一个三相同步直线电机控制系统。采用双闭环空间矢量 控制达到伺服系统高精度、高速度、高响应的要求【“。 虽然这些电子横移机构目前只是在经编机上得到应用，但这些应用成果 为以后在地毯簇绒装备中实现电子横动提花系统提供了很好的理论基础和 实践经验。 我国的地毯簇绒技术发展相对比较晚，直到上世纪8 0 年代才有部分厂 家从国外引进一些地毯簇绒装备，其中以圈绒簇绒机和普通割绒簇缄机居 多，提花方式都只是单向提花，而且这些装备大多数是当时国外淘汰的产品， 技术相对落后。而且，国内专职生产地毯簇绒装备整机的企业不多，目前比 较出名的两家分别是威海的特思特机械制造有限公司和浙江的天龙公司。由 于自主研发簇绒控制技术起步比发达国家晚一些，投入相对也少，使得我国 东华大学硕士论文 第一章绪论 的簇绒控制技术与国外著名厂家的相比还存在不小的差距【8 1 。 总之，目前国内具有自主知识产权的簇绒机控制技术发展还比较落后， 为提高我国的簇绒控制技术水平，相关的企业、科研院所必须加大在其上面 的开发投入力度。 1 3 课题研究的主要内容 本课题来源于上海市科委专利再创新专项课题( 0 4 d z 5 2 0 2 3 ) 。通过对 地毯簇绒装备的基本结构和提花工艺流程分析，以及对地毯簇绒装备横动提 花原理的研究，开发设计了两种横动提花系统，即机械凸轮横动提花系统和 电子凸轮横动提花系统。 论文的主要内容如下： ( 1 ) 通过对地毯簇绒装备提花原理的研究，提出了实现地毯簇绒装备横 动提花两种方法的总体方案。 ( 2 ) 介绍了机械凸轮横动提花系统的传动原理和机构组成，并设计了机 械凸轮横动提花系统的传动机构。建立了等径凸轮的数学模型，设计了等径 凸轮轮廓曲线自动生成软件。 ( 3 ) 设计了电子凸轮横动提花系统，包括电子凸轮横动提花系统的硬件 设计和控制系统软件设计，对电子凸轮横动提花系统进行了安装调试。 6 东华大学硕十论文第二章地毯簇绒装备横动提花系统总体方案设计 第二章地毯簇绒装备横动提花系统总体方案设计 2 1 簇绒地毯成圈原理 簇绒地毯提花过程指纱线在簇绒针和成圈钩的协调运动下形成一个毯 面绒头的过程，簇绒针和成圈钩在空间以交错方式排列，其位置示意图如图 2 1 所示。簇绒地毯的毯面绒头基本上有三种结构即：圈绒、割绒和圈割绒。 在横动提花机构中，成圈形式一般以圈绒为主，其形成过程如下所述。 簇绒针 成圈钩 图2 - 1 簇绒针和成圈钩位置不意图 当簇绒针引入绒纱后开始下降，如图2 2 ( a ) 所示，与此同时底布前行， 而成圈钩从原绒圈中向左退出。当簇绒针继续下降到最低位置时，如图2 2 ( b ) 所示，此时成圈钩紧靠簇绒针而向右移动，并准备钩住将形成的新绒 圈。成圈钩为一薄钢片，形状象倒置的曲棍球棒，长大约4 i n 。钩尖所指的 方向与底布运走的方向相同。当簇绒针退出底布时，如图2 2 ( c ) ，此时成 圈钩在底布下方已握持一个新绒圈了。当簇绒再次下降时，成圈钩随即往左 退后，与此同时底布却向前进行，这样使第一个绒圈脱离了成圈钩。完成了 一次成圈形成的过程，在簇绒时，常将绒纱的喂入长度调节得小于底布与成 圈钩的距离，促使形成的绒圈会自动缩回l 1 6 i n 左右，这样能使底布背面的 针脚有拉紧的效果。簇绒速度一般掌握在6 5 0 1 5 0 0 个簇绒循环左右【1 0 1 1 1 。 7 东华大学硕士论立第二章地毽簇缄装蔷横动提花系统总体方案设计 ( a )( b ) 1 - 簇绒针；2 一缄纱；3 + 底布：4 成圈钩 图2 2 圈绒成圈过程示意图 2 2 横动提花原理及横动提花的作用 c ) 地毯簇绒装备的横动提花，是指针排在横向移动一个位移后，再通过纵 向的提花运动形成一个成圈的过程，针排的横移距离即为花形中所要求的横 动距离。在横动提花的过程中，针排不仅要完成横向运动，还必须完成纵向 的成圈运动。为了避免在横动提花过程中发生簇绒针与底布或成圈钩碰撞， 横动过程必须在簇绒针纵向运动到底布之前完成，因此这里规定针排在完成 一个成圈后，剐从底布退出如图2 2 ( c ) 位置时，开始执行横向运动，以给 针排的横动保留一定的余度，避免事故发生。当针排横动到花形要求的最大 横动距离后，将以同样的横动原理执行反方向的横动运动，由此针排在执行 完一个花形周期后能重新回到起始位置j 。 以图2 3 所示的花形图为例，在s 。一晶段，针排不横动，只完成一个成圈 运动，此时图2 1 中针排上的a 针与成圈钩a 。相配合完成成圈运动；当针a 运动到图2 1 ( c ) 位置时，针排开始横动，并在下次a 针到达图2 - l ( a ) 位 置之前完成横动一针，此时针a 移动到针b 位置，与成圈钩b 相配合完成成 圈运动，即完成s 是段花形：j ：j ，段，针排将执行一个反方向的横向移动， 此时针a 将从新回到初始位置，成圈钩a 相配合完成个成圈运动；s ，一j 。段 没有横动，针a 继续与成圈钩a 。相配台完成一个成圈过程；在乩一s 。段，针a 东华大学硕士论文第二章地毯簇绒装备横动提花系统总体方案设计 将反方向横动至针c 位置，与成圈钩c ，配合完成一个成圈过程；屯一氏段， 此时针a 又将返回到初始位置，与成圈钩a 配合，完成最后一个成圈过程。 l 匠。 椒l 臀l 鄹 i l i 图2 - 3 花形图 实现针排向左或向右移动一个针距，或者多个针距，或者相邻两针中间 的距离，就可以实现折线形、阶梯形、波浪形花纹的提花，或者这些图案的 变化、混合花形的提花，而这些花形在原有的地毯簇绒装备上是很难实现的， 因此实现地毯簇绒装备的横动提花极大的丰富了地毯的花形，使地毯的提花 变得更加灵活多变，增强了产品的市场竞争力，增加经济效益。 2 3 地毯簇绒装备横动提花系统总体设计 地毯簇绒装备的横动提花是通过实现针排的横向移动而完成的，不同的 横动方法可以完成不同花形的提花。本文中讨论的横动提花控制方式包括机 械凸轮横动和电子凸轮横动两种。 2 3 1 机械凸轮横动提花系统的总体设计 机械凸轮横动提花系统中针排的横动，主要是通过等径凸轮机构的传动 实现的。凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的高副机构。因其可以实现 许多复杂精确的运动要求，且机构简单紧凑而被广泛应用在各种自动化机 械、仪表和自动控制装置中。 本文讨论的机械凸轮横动提花系统结构简图如图2 4 所示，本系统的主 动件包括减速器、等径凸轮、输出轴和凸轮法兰，从动件包括移动架、左右 滚动轴承和推杆等。 9 肺 一一 一 誊查耋兰圭：i ! 兰釜塑茎差茎耋堡至薹：竺：詈兰生 t 推轩2 底座架3 张蘩链轮4 横动链轮5 主轴6 滑扳7 凸轮祛兰8 滚 动轴承9 针排座l o 端面法兰l l 凸轮座1 2 凸轮l3 减速器输 轴1 4 蜗 杆链轮1 5 减速器1 6 减速器输出轴1 7 回字型横动架 图2 4 机械凸轮横动提花系统简图 本横动系统的主动力来自带动主轴的电机，主轴电机在带动主轴5 转动 的同时，带动安装在主轴上的横动链轮4 转动，同时主轴上的横动链轮通过 张紧链轮3 与减速器输入轴1 3 上的蜗杆链轮1 4 相连接从而将动力传入到 减速器15 ，通过减速器的输出轴1 6 、凸轮法兰7 将动力传递给凸轮1 2 ，使 等径凸轮随输出轴旋转，作回转运动 5 ”。当等径凸轮作回转运动时，根据凸 轮轨迹曲线规律，推动左右滚动轴承8 在水平方向作往复移动，通过从动部 件的机构连接，促使推杆1 带动针排座9 作往复运动，使安装在针排座的簇 绒针排作横向运动，簇出所需地毯花纹。 2 3 2 电子凸轮横动提花系统的总体设计 电子凸轮由控制系统和传动机构组合而成，是一种创造性的构思，是一 种在没有机械凸轮存在的情况f ，由伺服电机输出凸轮运动规律的机构。它 包括控制系统的建立和控制程序的编制【l ”。通过运动控制，可根据要求改变 输出的动作及运动性能，所以电子i “】轮可吏现不同花形的横动提花。 本文所提出的电子凸轮横动提花系统主要是由工业计算机、运动控制 器、伺服电机、滚珠丝杠和导轨滑块机构组成的控制、驱动系统。其传动结 末华大学硕士论文第二章地毽壤缄装蔷横动提花系统息体方案设计 构模型图如图2 - 5 所示。 l 图2 5 电子凸轮传动结构模型图 电机通过连轴器与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠两端用滚动轴承支撑，横动 推杆固定在滑块上，滑块与导轨之间用直线轴承连接。通过上位机编制的控 制界面，将控制程序输入到运动控制卡，然后经过运动控制卡编译后，控制 伺服电机运动。伺服电机通过滚珠丝杠将转动转化为滑块的位移量，最后 通过滑块的移动，带动针排完成横动。通过上位机向运动控制乍载八不同的 运动控制程序，即可实现对不同花形的提花。因此，电子凸轮比机械凸轮具 有更广泛的提花空间，而且极大简化地毯簇绒装备的机械结构，使提花更加 方便、多样，而且易于控制。 2 4 本章小结 ( 1 ) 介绍了簇绒地毯的成圈原理，并根据簇绒地毯成圈原理，分析了地 毯簇绒装备横动提花的基本原理。 ( 2 ) 根据横动提花的基本原理提出了地毯簇绒装备两种横动提花的方 法，即机械凸轮横动提花和电子凸轮横动提花。 ( 3 ) 阐述了机械凸轮横动提花系统和电子凸轮横动提花系统的总体设 计。 毫 瞵 末华大学磺士论文第三章基于机械凸轮的横动提花系统设计 第三章基于机械凸轮的横动提花系统设计 3 1 机械凸轮横动提花系统传动机构设计 机械凸轮横动提花系统分为导向件、等径凸轮、横动架部件和针捧横动 机构，其中等径凸轮的设计将在下一节进行详细说明。 导向件包括凸轮滑板结合件、直线导轨、凸轮法兰、滚动轴承、横动推 杆等部件，其结构模型圈如图3 ，1 所示。凸轮安装在凸轮法兰上，通过推动 左右滚动轴承进而带动整个滑板横动。导向件用于将凸轮的动力传递给横动 推杆，进而推动针排实现横动，在横动的时候，整个滑板机构需要在横动架 上左右做直线运动，因此滑板与横动架之问选择直线导轨传动。 图3 1 导向件结构模型圈 横动架包括底座架、减速器箱体、支架、链轮等部件，其结构模型图如 图3 2 所示。主轴的动力通过链轮机构传递至减速器输入轴，再通过减速器 按一定的减速比从输入轴输出，带动凸轮运动。整个传动机构中，主轴与凸 轮应该保持准确的速比，即主轴的速率尺比上凸轮速率足应等于凸轮转动一 圈所能完成的花型周期数l 与单个花型的针数2 的乘积，即日：足= 2 。 假设横动链轮的直径为，蜗杆链轮的直径为，减速器的减速比为由 此可得到如下等式：r ，马= t b ，= m 2 ，根据等式选择减速器的减速比。 本系统选取等直径的链轮，即= 吒，由此得减速器减速比= i 2 。 图3 2 横动架结构模型幽 针排横动机构主要包括导轨、滑块、直线轴承、针排、推杆等部件，由 于针排在横动过程中还必须完成纵向的成圈运动，为了使这两个运动能很好 的协调，所以选用了导轨一滑块机构的传动方式，其结构模型图如图3 3 所示。 圈3 3 针排横动机构结构模型国 滑块l 与滑块2 与针排紧固连接，横动推杆与横动滑块紧固连接，针排 东华大学硕士论文 第三章基于机械凸轮的横动提花系统设计 推杆与滑块3 连接，导轨通过滑块l 、滑块2 、滑块3 固定，针排的纵向提 花运动由针排推杆带动，而横动的力由横动推杆传递。当进行横动提花时， 凸轮机构推动横动推杆横动，进而通过横动滑块和导杆推动滑块1 、滑块2 和导轨横动，由于滑块3 并不与针排接触，因此，针排便在滑块l 、滑块2 和导轨的带动下实现横动，而此时针排同时也通过提花推杆带动进行纵向运 动，从而完成横动提花。由于针排必须在导轨的带动下，相对于滑块3 作快 速的横向移动，因此，滑块3 与导轨之间选择直线轴承连接。 3 2 等径凸轮数学模型的建立 凸轮机构的设计方法分图解法和解析法。采用图解法设计凸轮机构时， 由于选取的等分数有限、精度低，故加工出的凸轮的廓线精度比较低，从动 件的运动规律不明确，可能导致凸轮机构磨损加快、寿命短。采用解析法设 计凸轮廓线时，不仅计算结果精确，而且简便易行。 3 2 1 滚子直动从动件平面凸轮运动方程的建立 ( 1 ) 从动件运动方程的建立 用解析法设计凸轮廓线，首先需要建立从动件运动规律的解析式。常用 运动规律包括基本运动规律及其改进型运动规律，而基本运动规律又分为两 大类：一类是三角函数，另一类是多项式。对于本系统中的从动件，由于是 在非常短的时间内完成一个很小的位移量，因此选用三角函数类运动规律即 可达到横动提花的要求。 三角函数类基本运动规律包括简谐运动( 余弦加速度) 规律和正弦加速 度运动规律两种。根据三角函数运动规律各自的特点可以看出，将简谐运动 规律用于“升降升 型运动，从动件的加速度曲线在其起始和终止位置为 连续曲线，无柔性冲击，有利于保持从动件的高速运动；而将正弦加速度运 动规律运用于“停升停 型运动中，从动件在起始和终止位置的加速度无 突变，即无柔性冲击，有利于运转平稳【1 5 1 。 根据对三角函数运动规律的分析，得到简谐运动规律和正弦加速度运动 1 4 东华大学硕士论文第三章基于机械凸轮的横动提花系统设计 规律的位移方程式如表3 1 所示。 表3 1 三角函数运动规律方程式 三角函数运动规律从动件位移s备注 简谐运动 j = 弘c o s 纠 五从动件的动程； 九一与办相应的凸轮转角； 一凸轮的角位移；正弦加速度运动 尚l 丸咖万叫九j ( 2 ) 平面凸轮轮廓曲线方程的建立 如图3 4 所示为滚子直动从动件平面凸轮推程过程，凸轮轴心a 偏于从 动件导路的右侧，凸轮顺时针方向回转角，推动从动件向上位移s 。过该 凸轮的廓线与滚子的切点c 作公法线，它与从动件速度v 的夹角a 为压 力角。又过凸轮轴心a 作v 的垂线与交于p 点，该点即为从动件与凸 轮的相对速度瞬心。 图3 - 4 滚子直动从动件平面凸轮推程 在凸轮上建立坐标系卿，x 轴沿其小半径，将x 轴按一缈方向回转9 0 度得y 轴。又在从动件上建立相应的坐标系毛巩。此时，根据图3 4 中的三 角关系，可以得到b 点坐标( ，y b ) 的方程式为： x 曰2 三二二羔c 。s 矽+ sc 。s ( 一 3 1 = e2 + s ；s i n + js i n ( 一i 少)i 东华大学硕士论文第三章基于机械凸轮的横动提花系统设计 上式为该凸轮理论廓线的直角坐标参数方程。又c 点在坐标系石i 助i 中的坐标为：屯2 - 二尺c o s 口，经过坐标变化得该凸轮实际廓线的直角坐 y = 嶷s l n 口 标参数方程式： 式中：口：a r c t 锄盟( 也是压力角公式) ，杪：咖三 s o + ss n 3 2 在从动件回程的过程中，可通过与上述类似的方法得到与推程时完全一 致的方程，这表明方程式3 2 对于推程和回程都是适用的【1 5 4 引。应该指出， 在实际生产中这类凸轮机构是多种多样的，为了便于设计者直接应用凸轮实 际廓线方程式，对照这类凸轮机构的各种情况进行数学推演，并在此基础上 加以归纳，引入符号系数m 和，重写式3 2 如下： t = 堋c o s ( 炉旷+ 垡啷舛姗s ( 妒叫 3 3 艺= 一掀s i i l ( 矽一少一+ p 2 + s i i l 矽+ s s i l l ( 一少)l 式中： s l n e n e 口= 砸c t 龇，= 棚c t a i l 一 当凸轮廓线外侧与滚子相切时m = l ；当凸轮廓线内侧与滚子相切时m = 1 。凸轮上f 点的速度方向与从动件推程方向一致时，= l ；相反时， 1 6 ； 嘶摇 叫 叻 叫 旷删嘶 琅 觚 = f 一 东华大学硕士论文第三章基于机械凸轮的横动提花系统设计 3 2 2 等径凸轮数学模型的建立 x 图3 5 等径凸轮 根据图3 5 所示等径凸轮的特点，针对式3 3 有：p = d ，s d = ，d ，m = j ， = d ，从而可得等径凸轮实际轮廓曲线参数方程【1 4 j ： 式中：口：a r c t a n 旦 + j 3 4 等径的条件为： ，：扛丽雨+ 缸而石河丽 = 2 + s ( 缈) + s ( 缈+ 万) 堇2 + j j l 3 5 其中： x 口( 伊) = ( r o + s ) c o s 缈| 3 6 ( 缈) = ( + s ) s i n 伊j 根据实际情况选择合适的从动件运动规律，并由表3 1 中的方程式计算 出相应的s 和s ，代入式3 4 和式3 6 ，即可求得随p 变化的等径凸轮理论廓 线和实际廓线上各点的坐标值，连接各点即可得到等径凸轮的廓线曲线。 本系统中的等径凸轮机构，还必须根据花形的特点来决定等径凸轮的廓 1 7 缈 一叫s) + 占+ ( 、，+ 口) 一 口 二r 一 叫 氓觚 = 一 x l 东华大学硕士论文第三章基于机械凸轮的横动提花系统设计 线。也就是说，必须根据花形来确定一个等径凸轮转动一圈所能完成的花形 周期数以及主轴与凸轮的转速比。由横动提花的原理可以看出，为了避免针 排在横动过程中与针梳发生碰撞，必须对凸轮各个行程和花形周期的角度进 行分配。这里假设等径凸轮转动一圈所能完成的花形周期为m ，单个花形 的针数为2 ，即等径凸轮转动一圈所完成的刺针数= l 2 。又主轴每 转动一圈完成一次刺针，由此可得到主轴与凸轮的平均速比： ，= ：1 = m 2 ：1 这也就是意味着凸轮转动一圈主轴必须转动圈。为了使凸轮能满足平均速 比的要求，必须对等径凸轮上完成一个花形所转过的角度3 6 0 。l 进行行程 与停歇程角度的分配。比如针在毯面上对应主轴转过的角度是1 6 0 。，对应与 凸轮上动程转过的角度为1 6 0 。，为了留有一定的余量，根据经验取动程的 角度为( 1 4 0 。一1 6 0 。) ，( 取整数) 。对于从动件位移曲线上的任一点( 最，儿) ， 可由下式3 7 计算求得【1 6 4 5 1 。将这些坐标按所选运动规律进行光滑处理后， 就可以得到从动件的运动曲线。 幺孚竿一 半 ( 半) ， l 办咯( 间歇程) 胪k 跏； 行程) 。 3 一 其中，j l 为单次横动距离；s 为从动件位移，按表3 一l 公式计算；七= o ， 1 ，2 。 以图3 6 所示花形为例，完成该花形一个周期共需要8 个成圈运动，其 中包括1 2 ，3 4 段带有横动过程的成圈运动和5 6 ，7 8 段带反方向横动过 程的成圈运动。假定凸轮转动一圈完成花形的提花个数l = 1 ，即可得到速 比，= 8 ，根据经验估算凸轮的动程角度为2 0 。根据以上分析取从动件动 程为正弦加速度运动，得出的一个花形周期对应的从动件位移运动曲线如图 3 7 所示，横轴表示为凸轮与主轴的角度位移。由图可以看出，曲线上的两 个停歇程刚好对应分布在前半部分和后半部分的相同的位置，因此只有取奇 数个这样的曲线时，才能满足等径凸轮上凸出的部分和凹下去的部分对径分 东华大学硕士论文第三章基于机械凸轮的横动提花系统设计 布【9 1 。 吃二 t l 一 i l8 底布 l 横动距离 图3 6 花形图 1 4 4 01 8 0 0 2 0 0 02 1 6 02 5 2 0 2 7 2 0 1 8 02 2 5 2 5 02 7 02 1 53 柏 角位移( 。) 图3 7 从动件位移图 由于凸轮与滚子间的接触应力对凸轮和滚子的寿命有很大影响，一般凸 轮和滚子间的接触应力随着各自的半径的增大而变小，故凸轮及滚子的半径 不能过小，所以在滚子半径大于凸轮上的最小曲率半径的情况下一般取磙子 半径= ( o 1 o 5 ) ，其中为凸轮的基圆半径。 由以上对等径凸轮数学模型建立的过程分析可知，每一个等径凸轮只能 实现与之对应花形的提花，对于不同的花形，必须设计并加工出不同的等径 凸轮，这样就使得设计工作变得非常繁琐。因此开发参数化管理的设计软件 具有重要意义。 3 3 等径凸轮软件的设计 3 3 1 等径凸轮软件的功能 等径凸轮软件设计的功能是将凸轮的尺寸和特征转化为设计条件的参 数，将这些参数通过建立的数学模型公式的计算，完成等径凸轮的曲线的绘 1 9 制。实现程序的参数化设计，首先要设计参数的输入界面，友好的用户界面 能大大提高软件的使用性能【1 7 1 引。 3 3 2 软件总体结构设计 如图3 8 为等径凸轮软件的结构图，其包括四个模块：花形输入和分析 模块、凸轮参数输入模块、从动件位移曲线绘制模块和凸轮轮廓曲线绘制模 块。 图3 8 等径凸轮软件结构图 花形输入和分析模块主要是完成对花形针数、横动距离、针距等参数的 输入，花形网格的生成和花形模拟输入以及位置的捕捉。对于不同的花形， 这些参数会不同，这一模块主要是完成了对不同花形的管理和分析。凸轮参 数输入模块包括凸轮单周期提花个数、等径凸轮与主轴速比、基圆和滚子直 径等参数的输入。从动件位移曲线绘制模块为根据建立的等径凸轮运动曲线 方程以及输入的花形和凸轮的参数，计算出从动件运动过程中各点的坐标值 并通过编程语言绘制出从动件运动曲线的过程。凸轮廓线曲线绘制模块通过 输入的花形参数、凸轮参数，根据建立的等径凸轮轮廓曲线方程计算出凸轮 廓线各点的坐标值，并通过编程语言的绘图函数完成凸轮轮廓曲线的绘制。 等径凸轮软件的程序设计流程图如图3 9 所示，程序算法流程图如图 3 1 0 所示。启动软件后，首先将进入花形输入模块，通过输入花形相关的参 数，生成花形输入网格，并用鼠标完成花形模拟输入；当完成花形输入后， 软件将对输入的模拟花形进行分析，并根据输入的相关参数值，计算并自动 绘制从动件的位移转角曲线；完成从动件位移转角曲线绘制后，软件便根 2 0 东华大学硕士论文第三章基于机械凸轮的横动提花系统设计 据建立的等径凸轮数学模型公式，以及对模拟花形的分析，自动计算出等径 凸轮理论和实际各点的坐标值，连接各点坐标，即可完成等径凸轮轮廓曲线 的绘制；当完成凸轮轮廓曲线绘制后，可以输出等径凸轮各点坐标的数据， 根据输出的数据，完成等径凸轮的设计。 图3 9 等径凸轮软件程序设计流程图 2 1 东华大学硕士论文 第三章基于机械凸轮的横动提花系统设计 生成网格 启动 如螂以) 们伽 事件 将花型各点坐标存i 入数组彳加哆 l 龋 彻奎 7 n 丫一 y = ，： 、= = = ： 1，1 画圆弧段 i 画突起段 画凹下去段 绘制廓线，输出各 点坐标 图3 1 0 等径凸轮软件程序算法流程图 东华大学硕士论文第三章基于机械口轮的横动提花系统设计 3 3 3 软件的可视化对话框设计 本软件采用d e l p h l 语言设计对话框界面，共有4 个基本对话窗口，即花 形图形分析窗口、从动件位移图窗口、凸轮轮廓曲线绘制窗口、凸轮各点坐 标输出窗口。每个窗口包含相对应的参数输入与图形绘制功能。 如图3 1 1 为花形图形分析窗l j ，当输入参数后，点击匕竺剽按钮，窗口 左边h a z p l 控件便会根据输入的单个花形针数自动生成相同数量的n 一形 式的网格( n 为单个花形针数) ，此网格作为模拟花形的输入。 图3 一l l 地毯花形输入窗口 当生成花形输入网格后，启动鼠标的 和“s e d o w ”事什4 ”，记录鼠标在 网格内点下的点的坐标，并存入相应数组；根据定义的位置捕捉函数，捕捉 与鼠标点下的点