（机械工程专业论文）高速簇绒机传动系统的设计与分析.pdf

中文摘要 摘要 illlilllli l l l l li i l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l ii i l y 2 15 2 7 3 1 随着经济的发展，人们对各类中高档地毯产品的需求日益增加，作为簇绒地 毯机械的主要部件，高性能的织针成圈机构是地毯机正常工作的必要保证。我国 的地毯产业属于新兴产业，地毯装备全部依赖进口，这严重制约了我国地毯产业 的发展。因此，我国急需对高速簇绒地毯机传动系统设计方面进行研究。在分析 研究现今簇绒机簇绒机构运动特点和不足的基础上，本课题提出一种利用非圆内 啮合齿轮传动机构传统簇绒机成圈机构改进设计，以实现成圈钩非简谐的运动方 式，从而达到提高簇绒机的簇绒速度和精度的目的。 本文主要采用了逆向工程设计理论及对比的方式，对传统簇绒样机成圈机构 进行了结构分析，并通过仿真软件得出传统簇绒机的运动特性；针对该运动特性 不足之处提出了改进设计新方案。针对新方案中运用的普通齿轮机构、非圆内啮 合齿轮传动机构分别进行了设计。通过齿轮与齿条的啮合求出圆柱直齿轮的齿廓 曲线，并采用v b 软件进行参数化编程及建模。对非圆内齿轮共轭啮合理论进行推 导，由范成法、齿轮刀具与非圆齿轮的啮合原理，应用v b 软件分别对非圆外齿轮 和非圆内齿轮进行参数化编程及建模。利用s o l i d w o r k sm o t i o n 软件，对非圆内啮 合齿轮传动机构的仿真分析结果与m a t l a b 编程的分析结果进行了对比，得到非 圆内啮合齿轮传动机构的运动特性。设计出了齿轮箱，建立了新方案簇绒机的虚 拟实验样机，对簇绒机新方案进行了装配和仿真分析，并与传统簇绒机的传动分 析结果进行了对比，得出新方案的运动特性。 本文为簇绒机传动机构的改进提供了一定的依据。同时通过非圆内齿轮传动 机构的理论推导和仿真分析，推广了非圆内齿轮传动机构的运用范围，具有重要 的理论意义及实用价值。 关键词：簇绒机，成圈机构，非圆内啮合齿轮传动机构，非简谐运动，v b 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a st t l ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , p e o p l e sd e m a n do nav a r i e t yo fm i d d l e h i g h c l a s sc a r p e t si n c r e a s e s t h eh i g h p e r f o r m a n c ek n i t t i n gi nc i r c l em e c h a n i s m ，a st h em a i n c o m p o n e n to ft u f t i n gc a r p e tm a c h i n e r y , i st h en e c e s s a r y g u a r a n t e e f o rt h es o u n d o p e r a t i o no fc a r p e tm a c h i n e t h ec a r p e ti n d u s t r yi sa ne m e r g i n gi n d u s t r yi no u rc o u n t r y , a n dt h er e q u e s t e de q u i p m e n t sa r ed e p e n d e n to ni m p o r t ，w h i c hr e s t r i c t ss e r i o u s l yi t s d e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，r e s e a r c h e so nt h ed e s i g no fd r i v el i n es y s t e mo fh i g hs p e e d t u f t i n gc a r p e tm a c h i n ea r eu r g e n t t h i sp a p e r o n t h eb a s i so fa n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n g o nt h em e r i t sa n dd e m e r i t so fc u r r e n tt u f t i n gm e c h a n i s mo ft u f t i n gm a c h i n e ，p u t s f o r w a r dam e t h o do fu s i n gt h ed r i v em e c h a n i s mo fi n n e rn o n c i r c u l a rm e s h i n gg e a r st o i m p r o v et h ek n i t t i n gs y s t e m o ft r a d i t i o n a l t u f t i n gm a c h i n e ，a n d t or e a l i z et h e a n h 黝o i l i cm o d eo fm o t i o no fk n i t t i n gh o o ka n df i n a l l yt oa c h i e v e t h eg o a lo f e n h a n c i n gt h et u f t i n gs p e e da n dp r e c i s i o no ft u f t i n gm a c h i n e b yw a y o fr e v e r s ee n g i n e e r i n gd e s i g nt h e o r ya n dc o n t r a c t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e s t r u c t u r eo ft h ek n i t t i n gs y s t e mo ft r a d i t i o n a lt u f t i n gm a c h i n e ，a n dg e t st h em o t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o n a lt u f t i n gm a c h i n et om a k ep r o g r a m m i n ga n a l y s i s i ta l s o b r i n g su pi m p r o v e m e n tp r o p o s a l sa f t e rs u m m a r i z i n gt h ep r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，t w o m e c h a n i s m si nw h i c h ，o r d i n a r yg e a rm e c h a n i s ma n dv i c ed r i v em e c h a n i s mo fi n n e r n o n - c i r c u l a rm e s h i n gg e a r , a r es e p a r a t e l yd e s i g n e di nt h em e a n t i m e a i m i n ga to r d i n a r y g e a rm e c h a n i s m ，i tw o r k so u tt h et o o t h c u r v eo ft h i sm e c h a n i s mb yu s i n gt h er a c ka n d g e a rm e s h i n gt h e o r y , w h i c h i st h e np a r a m e t r i c a l l yp r o g r a m m e da n dm o d e l e db y v b a i m i n ga tv i c ed r i v em e c h a n i s mo fi n n e rn o n c i r c u l a rm e s h i n gg e a r ，t h i sp a p e r a d o p t sg e n e r a t i o nm e t h o d t h r o u g h t h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o no fo u t e rn o n - c i r c u l a rg e a r a n di n n e rn o n c i r c u l a rg e a rt h a tc o n j u g a t et h ef o r m e r , a n da c c o r d i n gt ot h eg e a rc u t t e r a n dn o n c i r c u l a rm e s h i n gt h e o r y , v bm a k e st h ep a r a m e t r i cp r o g r a m m i n ga n dm o d e l i n g o ft h et w o t h e nt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i m u l a t i o na n a l y s i so fv i c ed r i v e m e c h a n i s mo fi n n e rn o n c i r c u l a rm e s h i n gg e a rb ys o l i d w o r k sm o t i o ns o f t w a r ea n dt h e t h e o r yp r o g r a m m a b l ea n a l y s i sb ym a t l a bw o r k so u tt h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f v i c ed r i v em e c h a n i s mo fi n n e rn o n - c i r c u l a rm e s h i n gg e a r a n dt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ea s s e m b l i n ga n ds i m u l a t i o na n a l y s i so ft h e m o d i f i c a t i o np l a no fo v e r a l lt u f t i n gm a c h i n ea n dd r i v ea n a l y s i so ft r a d i t i o n a lt u f t i n g m a c h i n ew o r k so u tt h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i e so ft h em o d i f i c a t i o np l a n t h i sp a p e r , i i i 重庆大学硕士学位论文 o f f e r sc e r t a i nr e f e r e n c e st ot h ei m p r o v e m e n to fd r i v em e c h a n i s mo ft r a d i t i o n a lt u f t i n g m a c h i n ea n de x t e n d st h e a p p l i c a t i o nr a n g eo fv i c e d r i v em e c h a n i s mo fi n n e r n o n 。c i r c u l a rm e s h i n gg e a rt h r o u g ht h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n ds i m u l a t i o na n a l y s i so f i t ，w h i c hi so fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：t u f t i n gm a c h i n e ，k n i t t i n gi nc i r c l em e c h a n i s m ，v i c ed r i v em e c h a n i s mo f i n n e rn o n c i r c u l a rg e a r , a n h a r m o n i cm o d eo f m o t i o n ，v b i v 1 绪论 1 绪论 1 1 簇绒地毯 簇绒是通过针的往复机械运动将绒头材料纱线穿过粗织而形成具有绒头的特 殊织物的一种纺织工艺，这种特殊织物即称之为簇绒织物。簇绒织物目前已广泛 应用于人造毛皮、地毯、毛毯、飞机和汽车装饰布、床罩等各方面。特别是在地 毯制造业中，由于它的低价格和高生产率的优势，正在迅速取代其它方法 i - 2 l 。 1 2 研究背景 我国的地毯产业属于新兴产业，虽然近几年地毯产量不断增加，但在世界市 场占有率仍然较小，产品档次也偏低。造成这种情况的主要原因在于我国的地毯 装备全部依赖进口，而且不是国外先进机型。买来的产品也没有厂家愿意对地毯 装备进行系统的分析。即使有自主生产的厂家，他们也受限于机械本身的设计条 件，不能实现高速高精度的设计与生产。 机构运动学分析不论是设计新的机械，还是了解现有机械的性能都是十分必 要的。因此对在地毯装备产业仍然处于萌芽阶段的我国来说，在对原有簇绒机械 传动机构进行运动学分析的基础上，提出更加有效地方法，吸收、消化原有技术， 并在原有基础上再创新，摆脱全部依赖进口的命运是十分重要的。因此为了提高 我国簇绒地毯技术水平，降低地毯簇绒的生产成本，实现高速高精度的生产出簇 绒产品，提高簇绒生产企业的核心竞争力，本文研究一种新型的簇绒机成圈机构 传动系统，在总结前人的研究基础上，采用了非圆内啮合齿轮传动机构、普通齿 轮传动机构以及四杆机构等，旨在提高生产质量，为提升我国地毯装备技术水平 出一份力。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 簇绒技术发展及研究现状 国外早在十五世纪起，英国和欧洲其他地区开始使用一种简易的小地毯，是 将碎布或纱线手工栽入底布中，该工艺方法是现代簇绒地毯制造工艺的基础。十 九世纪末，美国佐治亚的埃斯特女士用威尔士移民带去的上述方法发明了具有毛 圈结构的新型床罩。二十世纪十年代该床罩的小作坊遍布美国南方各州。二十世 纪三十年代少数较具规模的作坊开始用旧缝纫机改进后代替手工栽绒 3 1 。簇绒技 术虽然已有几百年的历史，但现代化簇绒技术的真正形成是在二十世纪四十年代 以后。在二十世纪四十年代美国出现了第一台宽幅排针簇绒机，这大大提高了生 重庆大学硕士学位论文 产效率，在美国形成了最早的簇绒地毯工业 3 1 。随着美国的发展，欧洲国家也相 继加大了对簇绒地毯工业的发展。在二十世纪六七十年代，地毯生产是西欧国家 纺织工业中增长最快的部门，地毯生产急增，主要是由于簇绒地毯生产的增加， 当时比较出名的专门簇绒机制造企业有英国津格尔科勃勒公司，埃勒利松公司【4 】。 如今国外的美国t u f l c o 公司、c m c 公司、英国c o b b l e 公司以及日本山口产业株 式会社等主导了世界簇绒地毯技术的先进水平，它们在技术上各有长处。c o b b l e 公司为老牌簇绒机制造商，技术较为全面。它的簇绒机均以主机s t 9 1 为基础，其 他各种机型多数以此为基础进行组合，簇绒机机架采用整体铸造的方式。该公司 有一种叫c o l o r t e c h 的专利技术，是一种独特的簇绒控制技术，该机器通常以割绒 机为基础，结合单针控制，滑动针床和底基布间歇式喂入进行簇绒，可织出6 种 颜色的地毯图案【5 】。c m c 公司发展了罗拉多绒高提花技术，该厂商簇绒机主机突 出的特点为主轴与针驱动之间采用同步带传动，主轴为一根通轴。t u f t c o 公司为美 国主要地毯编织技术提供商，它的优势在于能够根据市场需求为客户提供整套地 毯技术解决方案。该公司的簇绒机采用经过动平衡实验的高速驱动机构，采用了 良好的供油润滑系统，保证机器在高速运转过程中能充分润滑。其机架采用焊接 后进行加工。日本山f l 产业株式会社虽然起步比欧美的企业晚，但价格比欧美企 业生产的具有类似功能的机器便宜得多 5 。这些国外厂商的簇绒机技术都经过长 期的演化，目前正往高速化、数字化和信息化方面发展 s - g 。 我国过去没有机制地毯，在二十世纪八十年代后期才开始有机制地毯出现。 一些先行企业从国外引进多条配套的生产线，这便形成了国内机制地毯生产的起 步。如今我国的簇绒机大多数还是从国外引进，主要集中在美国t u f l c o 公司和英 国c o b b l e 公司的产品，也有采用c m c 公司和日本山口产业株式会社的设备。其 中毛圈簇绒机，普通割绒簇绒机较多，提花簇绒机以单向或双向机械凸轮移动针 床较多，设备相对较为落后。许多地毯厂家结合自己的情况，对簇绒机进行了许 多改造，促进了簇绒地毯技术在我国的发展。比较有代表的是郑少i 1 华德地毯厂【5 】。 而国内生产簇绒机整机的企业不多，比较好的分别有宁波天龙机械有限公司，漳 州村越簇绒机械有限公司，广东梦都美有限公司以及特思特机械制造有限公司。 其中的佼佼者宁波天龙机械有限公司也仅仅只有十九年的历史。由于自主研发技 术起步较晚，投入也较少，加上国外企业对技术的垄断，这使得我国的簇绒技术 与国外著名厂家的差距比较大。2 0 0 9 年东华大学与浙江东方星月地毯产业有限公 司等地毯厂家进行联合，结合机电一体化技术对簇绒技术进行大量的研究，开发 了数字化地毯簇绒系列成套装备，取得了较大的成功，填补了国内高档地毯装备 产业的空白【9 】。虽然我国在簇绒技术上取得了一定的成果，但远远赶不上国外高 速化、数字化和信息化的时代潮流，需要我们相关部i - j j j h 大研究力度。 2 1 绪论 1 3 2 簇绒机成圈机构传动系统的研究现状 国外c o b b l e 公司在成圈系统中采用了独特的成圈附件，控制原理与全幅宽控 制喂纱提花附件相同，可单独控制每一只钩子。日本山口产业株式会社则在成圈 系统平割平圈技术方面有其自身的特点，只带平割平圈附件的机器可以织出机器 全幅宽上任意变化的圈绒割绒组合地毯图案，也可以织出类似m i l l il c l 机器织出 的小图案。该机器可生产纯毛圈、纯割绒、平割平圈3 种地毯【5 】。通过长期的努 力，国外在簇绒机传动系统方面正朝着控制速度高速化、编织图案复杂化的方向 发展。 国内主要在2 0 0 6 年以后才有相关的文章出现。做得比较好的有东华大学，它 们将研究的新技术应用到d h t - 2 0 0 地毯簇绒机的研制开发实践中。东华大学在原 始的简谐式成圈机构运动的基础上，提出了成圈机构的非简谐时间配合方式，其 具体的措施是将成圈钩传动机构进行改进，根据曲柄摇杆机构的特性，通过选用 适合长度的曲柄和连杆，使机构运转时能在摇杆上得到一段近似的停歇段，根据 四套四杆机构串联可以使从动件在极限位置有较长的停顿时间，以满足簇绒针和 成圈钩的实际配合。簇绒针和成圈钩的运动相位可以通过调节受同一主轴驱动的 簇绒针执行机构的驱动曲柄和成圈钩的驱动曲柄之间的安装相位角实现【1 0 1 。 太原理工大学对簇绒机械传动系统整体进行了分析，其中采用了凸轮机构作 为变速运动的构件，四连杆机构作为传动构件。并通过成圈机构行程大小设计相 应的凸轮，最后对整体传动系统进行仿真分析，并对传动机构尺寸进行优化 1 l - n 】。 而且东华大学也提到过在成圈机构中使用凸轮机构作为变速运动构件的方案【i o 】。 1 3 3 非圆内啮合齿轮的研究现状 非圆内啮合齿轮则属于非圆齿轮里面的一种，但有其自身的特点。国外对非 圆齿轮研究发展经历了三个阶段：二十世纪初到二十世纪六十年代，由于机械 制造业的发展，为了实现变速比传动，人们提出了非圆齿轮。前苏联机械专家 - j i j i t b h h 的非圆齿轮反映了当时该领域的世界最高水平，同时日本也取得了 初步的发展。二十世纪六十年代到二十世纪八十年代由于非圆齿轮的设计计算 复杂和加工制造水平的限制，限制了非圆齿轮的应用。二十世纪八十年代到现 在，随着计算机技术的迅猛发展，非圆齿轮的研究取得了长足的进步。香取英男、 山崎隆、太田浩等日本学者在利用数控技术加工非圆齿轮方面取得了突出的成果， 使得非圆齿轮的加工难的问题得以解决【1 3 1 。日本学者研究开发了非圆齿轮 c a d c a m 系统，实现了从设计到加工的自动化。随后又研制了用数控插齿机加工 非圆齿轮的c a d c a m 系统，解决了内凹非圆齿轮加工这个难题。德国、法国、 加拿大、美国等国的学者在非圆齿轮的研究方面也取得了一些成果。2 0 0 9 年9 月 剑桥大学出版社出版，f a t d o rl l i t v i n 等编注的 n o n c i r c u l a rg e a r sd e s i g na n d 重庆大学硕士学位论文 g e n e r a t i o n ) ) 体现了现在国外在该领域水平的较高水平，该书里有一节对非圆内啮 合齿轮的理论有过一点初步介绍，在非圆内啮合齿轮方面处在世界领先的地位【1 4 】。 国内则起步较晚，1 9 7 3 年李福生等人出版的非圆齿轮是我国最早对非圆 齿轮的论述。1 9 8 1 年李福生等人编著了非圆齿轮与特种齿轮传动设计，进一步 推动了非圆齿轮的发展。1 9 9 6 年，吴序堂和王贵海合作编著了非圆齿轮及非匀 速比传动一书，系统地论述了非圆齿轮及非匀速比传动的基本理论及近期研究 状况【1 5 一”。刘生林和田立俭对非圆齿轮节曲线设计进行了研究；徐晓俊从非圆齿 轮节曲线设计、非圆齿轮加工方法、非圆齿轮测量方法等对非圆齿轮进行了研究； 黄文浩从计算机辅助设计角度对非圆齿轮进行了研究；李建生从非圆齿轮运用和 非圆齿轮数控加工等角度对非圆齿轮进行了研究。我国非圆齿轮传动技术与世界 先进水平的差距逐步缩小。不过国内对非圆内啮合齿轮方面的研究还比较少 1 8 - 2 2 】。 1 4 课题的综合论述以及研究意义 连杆机构，凸轮机构在纺织机械中被大量用于完成开口、引纬和打纬等主要 运动。成圈机构是簇绒机传动系统的主要运动，目前基本采用连杆机构作为驱动 簇绒针和成圈钩运动的执行机构【2 1 。簇绒地毯的加工方法：通过成圈运动，即簇 绒针上下往复运动和成圈钩往复摆动之间的配合，将绒线植入底布，以形成植绒 地毯【l0 1 。生产圈绒地毯时，当簇绒针向下降到最低位置时，位于底布下方的成圈 钩紧靠着针旁移动，钩住纱线。当簇绒针退出底布时，成圈钩在底伟下方握持纱 线而形成一个绒圈。当簇绒针再次下降时，成圈钩即退后让路。这个后退运动与 底布的前进运动一样，使第一个簇绒圈脱离成圈钩。簇绒针降到最低点时，成圈 钩再次向前移动，钩住纱线，又形成一个新的绒圈 2 1 。由于簇绒执行机构的性能 关系到地毯的质量，不管采用何种机构作为簇绒机执行机构，它必须满足： 能够实现运动设计要求； 簇绒针和成圈钩要有合理的、精确地运动时间配合 1 0 1 。 针对这两点要求，现在有两种主流设计方式。一是国内东华大学针对当前簇 绒机传动系统的简谐配合方式很难保证钩纱时刻一致，影响毯面质量这一缺陷， 提出了簇绒机传动系统的非简谐配合方式。改进了原有的执行机构，采用一根主 轴的方式。利用多套四杆机构串联可以使从动件在极限位置有较长的停顿时间的 特性，针对成圈钩机构设计一套由四组四连杆串联的多杆机构，以满足簇绒针和 成圈钩的实际配合。改进后成圈钩在运动过程中，在左右极限位置处都有明显的 减速，有利于保持纱线张力稳定，保证毯面绒高一致性【1 0 】。二是国外提出将簇绒 针执行机构的运动和成圈钩执行机构的运动相互独立【2 3 】。这样可以改变簇绒机构 的运动方式，采用非简谐运动，可使簇绒针或成圈钩在某一时刻处于停顿或缓慢 4 1 绪论 运动，从而控制勾纱时刻。其中采用了纺织机械中普遍采用的共轭凸轮驱动方式， 依据平面机构中高机构和低机构之间的转换，根据成圈机构的运动路径得出凸轮 的运动规律，然后设计凸轮 10 1 。太原理工大学也基本采用了该办法设计了簇绒机 传动系统】。 而作为衡量簇绒机机器性能的一个重要技术指标，簇绒速度和精度的提高是 以后簇绒技术发展的一个方向。在非简谐运动作为簇绒机构运动的大前提下，不 论是四组四连杆连杆机构还是凸轮机构，它们都不能满足高速高精度簇绒的目标， 这限制了簇绒机械的发展。所以要想实现高速高精度簇绒则必须对原有的传动系 统进行改进。 因此，课题作者综合国内外在簇绒机传动系统方面研究的基础上 2 4 - 3 3 】，在满 足传动系统能够实现运动设计要求的基础上对原有的传动系统进行改进。采用将 簇绒针执行机构的运动和成圈钩执行机构的运动相互独立的思想，针对上述两种 利用凸轮或者四组连杆机构实现非简谐运动的方案，选用非圆内啮合齿轮传动机 构与普通齿轮机构的组合取代了凸轮机构，或者利用非圆内啮合齿轮传动机构与 普通齿轮机构的组合将连杆机构的数量由四组减少到两组，克服掉由于连杆机构 过多而导致的速度、精度不高的缺陷，在实现非简谐运动的同时也实现高速高精 度的运动。 非圆内啮合齿轮传动机构作为一种比较复杂的传动方式，它与凸轮机构相比， 最显著的特点是综合了圆形齿轮和凸轮机构的特点，具有结构牢靠、紧凑，传动 平稳、运动精度高、方便地实现按一定规律的变速传动和再现函数、容易实现高 速重载传动等特点。非圆内啮合齿轮传动结合了普通非圆齿轮与圆柱内齿轮的优 点，在实现变传动比的运动条件下，提高了传动效率，增加了传动的速度与精度， 提高了使用的寿命，极大的减少了成本。为实现高速簇绒提供了必要保障。由于 设计与加工非圆内啮合齿轮传动机构比较困难，一直未能得到广泛的运用。加上 国内对非圆内啮合齿轮齿廓部分以及齿根过度曲线部分研究较少，对于非圆内啮 合齿轮啮合传动的c a d 系统程序包的开发也研究较少 3 4 - 5 4 。因此研究非圆内啮合 齿轮传动在高速簇绒机传动系统中的应用，这对地毯机械实用生产有着较大意义， 同时也拓展了非圆齿轮的应用。 1 5 研究目的和内容 1 5 1 研究目的 本课题涉及的簇绒机传动机构的设计研究，通过非圆内齿轮啮合传动系统与连 杆机构的组合取代传统的单一连杆机构，也克服了在实现非简谐运动时原有的凸 轮连杆机构或者多组连杆机构不能实现高速高进度的缺陷，同时对改进后的机构 重庆大学硕士学位论文 进行运动学分析，通过对与传统簇绒机传动机构运动学的对比分析，以达到满足 簇绒技术工艺要求，提高生产精度的目的。 1 5 2 研究内容 本课题主要研究内容有： 研究原有簇绒机传动系统，通过对成圈机构中簇绒针机构以及成圈钩机构 的分析，得出原有传动系统的运动特性。 在满足原有传动特性的基础上，提出改进传动系统的方案。 对主要零部件的设计。首先通过非圆内啮合齿轮传动机构的阶数确定普通 圆柱齿轮机构的传动比，并设计出普通圆柱齿轮。 其次研究非圆内啮合齿轮传动的啮合原理，非圆内啮合齿轮机构是一个非 圆外齿轮和一个非圆内齿轮相啮合的传动。分别对非圆外齿轮和非圆内齿轮进行 设计。第一步建立非圆外齿轮的数学模型，利用v b 软件对s o l i d w o r k s 进行二次 开发，编制程序来模拟齿轮型刀具和非圆齿坯的相对运动，以实现非圆外齿轮的 自动建模和加工过程的仿真。第二步通过传动比函数建立非圆内齿轮的数学模型， 运用v b 二次开发编程实现建模，并完善非圆内啮合齿轮机构c a d 系统程序包软 件的开发。第三步分析非圆内啮合齿轮机构压力角、重合度、运动学以及固有频 率等参数，总结该齿轮机构的特性。第四步在s o l i d w o r k sm o t i o n 模块下进行对非 圆内啮合齿轮的装配，并在s o l i d w o r k sm o t i o n 模块里对非圆内啮合齿轮机构进行 有限元分析。 设计出齿轮系统的传动齿轮箱，建立虚拟实验样机，并通过s o l i d w o r k s 软 件将各零部件按新方案进行装配，建模生成簇绒传动系统模型。通过s o l i d w o r k s m o t i o n 对簇绒针和成圈钩进行运动分析，得出成圈机构的运动特性。并与修改前 成圈机构运动特性进行对比分析，总结修改后成圈机构运动特性。 1 6 本章小结 本章介绍了簇绒地毯的特性及应用，总结了簇绒机传动技术以及非圆内啮合 齿轮的发展历史及国内外研究现状，分析了簇绒机成圈机构传动技术研究目前存 在的问题，阐述了本课题的研究目的和意义，确定了本课题的研究内容。 2 簇绒成圈原理及创新设计 2 1 簇绒工艺流程 2 簇绒成圈原理及创新设计 图2 1 簇绒工艺简图 f i g u r e2 1t u f t i n gt e c h n o l o g ys k e t c h 图2 1 所示的是簇绒工艺简图，纱线3 从绒线筒子1 上取得纱线，通过输纱管 2 后，在喂纱罗拉4 的控制下，经过导纱张紧装置5 穿过簇绒针7 的针孔，簇绒针 7 固定在针床6 上，在偏心轮8 的作用下作往复运动。当穿有纱线3 的簇绒针7 刺 穿底布1 5 后，与成圈钩1 3 和摆动机构1 2 的共同作用下形成绒头。随着底布1 5 的向前输送运动和簇绒针7 的上下往复运动以及成圈钩1 3 的左右摇摆运动便形成 了簇绒运动，并生成了地毯1 1 。最后地毯1 1 通过压板9 以及卷布刺辊1 0 进行卷 辊和运输。 在整个簇绒过程中，簇绒针做往复直线运动，成圈钩作往复摆动，以“送纱 勾纱脱纱”的循环动作使绒纱在底基布背面形成绒圈。 绒圈的高度是指底基布背面到毯面绒头顶部的距离，而底基布是行走在梳状 托板1 4 上，因此调整托板高度就可以实现对绒高的调整。同时，绒高的调整还必 须有绒纱喂给长度变动的配合，喂纱量的变化是通过加快或减慢喂纱罗拉4 的速 度来解决的【1 1 】。 2 2 成圈运动 簇绒过程中最为重要的部分就是成圈运动，它直接决定了地毯毯面的精度和 7 重庆大学硕士学位论文 品质。 嘲 强 铀 图2 2 簇绒针和成圈钩的成圈运动 f i g u r e2 2t h el o o p i n go ft u f t i n gn e e d l ea n dk n i t t i n gh o o k 图2 2 所示的是成圈运动示意图。其中1 为簇绒针，2 为纱线，3 为底布，4 为成圈钩。在整个成圈运动过中，主要可以分为三个运动过程，即图2 2 ( a ) 所示的 成圈钩回退时，图2 2 ( b ) 所示的簇绒针穿过底布时，以及图2 2 ( c ) 所示的成圈钩勾 住纱线时。 当成圈机构运动到图2 2 ( a ) 所示时，底布向前运动，成圈钩放开绒纱，从上一 个绒圈中向右退出，簇绒针向上止点运动；当成圈机构运动到图2 2 ( b ) 所示时，簇 绒针带绒纱穿过底布，向下止点运动，而此时成圈钩向左移动，将勾住形成一个 新绒圈；当成圈机构运动到图2 2 ( c ) 所示时，簇绒针退出底布，成圈钩在底布下方 已勾住一新绒圈。 根据上述地毯簇绒工艺，可以得到以下的关键点： 当簇绒针穿过底布向下运动到一定的位置时，成圈钩要能勾住纱线，并且 在适当的时候能顺利放开纱线，便于绒圈的形成。 要保证在每一个成圈运动勾放纱线的时刻均一致，这样能保证地毯上的每 一个绒圈高度基本一致。 因此簇绒针和成圈钩在时间上的协调就是簇绒执行机构的时间配合。而该部 分的是否高速高精度的完成直接决定了毯面质量的高低。 2 3 成圈机构分析 如图2 3 所示，传统簇绒地毯样机成圈机构分为两部分，一部分是簇绒针，一 部分是由成圈钩。这两部分均由一套平面杆组机构组成。下面分别对两套杆组机 构进行分析。 2 簇绒成圈原理及创新设计 图2 3 成圈机构示意图及结构示意简图 f i g u r e2 3k n i t t i n gm e c h a n i s ms k e t c ha n ds t r u c t u r es k e t c h 由图2 3 所示为地毯簇绒机传统的成圈运动执行机构图以及结构示意简图，其 中结构示意简图中实线部分为簇绒针执行机构；虚线部分为成圈钩执行机构；两 个曲柄作为主动构件，随主轴0 1 作回转运动，且具有一定相位差，从而驱动簇绒 针与成圈钩运动。 2 3 1 簇绒针机构分析 簇绒针机构是由1 ，2 ，3 ，机架组成的四杆机构和4 ，5 ，6 ，机架组成的平面 滑块机构的结合。如图2 4 所示。 图2 4 簇绒针整体示意图 f i g u r e2 4t h ew h o l ed i a g r a mo fk n i t t i n gn e e d l e 对四杆机构分析 平面四杆机构如图2 5 所示： 9 重庆大学硕士学位论文 图2 5 簇绒针中的平面四杆机构及其机构简图 f i g u r e2 5t h ef o u r - b a rm e c h a n i s mo fk n i t t i n gn e e d l ea n di t sm e c h a n i s ms k e t c h 由图2 5 可知，厶= 1 9 m m ，厶= 1 7 8 m m ，l 3 = 1 2 3 8 m m ，t x = 2 1 0 m m ，t y = 7 8 m m 。0 1 作为整个系统的转动中心，当轴d 1 匀速转动时，假设其初始角速度为国，轴d 1 的 角位移为口，铰链a 的角位移为0 ，轴d 2 的角位移为卢。则根据机构简图不难得到 下列式子： t = 厶c o s ( 2 n - a ) + l 2c o s ( 2 万一目) + l 3c o s ( 一j r ) l l = 一l 1s i n ( 2 z r 一口) 一l 2s i n ( 2 n 一0 ) + l 3s i n ( p 一万) i 、 其中：厶、厶、三，簇绒针机构中连杆的长度； t 、l 轴d l 和轴d 2 在平面坐标轴上相差的距离 口、0 、分别为轴q 、铰链a 以及轴q 的角位移 对( 2 1 ) 时间求导： - l 2 c 0 2s i n 0 + l 3 c 0 3 咖= c o l l8 i 帜 ( 2 2 ) 一l 2 0 9 2c o s o + l 3 c 0 3c o s f l = c o l lc o s o ! j 、 其中：织连杆2 的角速度， 双摇杆3 的角速度 对( 2 2 ) 时间求导： 一三2 口2s i n 0 + l 炳s i n f l = 0 9 2 厶c o s c t + c 0 2 2 厶c o s 9 一o j 3 2 ，3c o s pl ( 2 3 ) 一厶吒c o s 0 + l 3 a 3 c o s f l = 一缈2 l ls i n o t 一哆2 厶s i n o + c 0 3 2 厶s i n j 其中：日，一奎杆2 的角加速度， a ，摇杆3 的角加速度。 对滑块机构分析 滑块机构如图2 6 所示 1 0 冷 狰、亨， 。、 旦、 心爱悭 2 簇绒成圈原理及创新设计 图2 6 簇绒针中的滑块机构 f i g u r e2 6t h es l i d e rm e c h a n i s mo fk n i t t i n gn e e d l e 由图2 6 可知，l 4 = 9 7 m m ，l 5 = 1 2 0 1 m m ，h ，= 9 0 m m ，h 。- - 9 1 6 m m 。其中上一套 平面四杆机构同轴的d ：作为该曲柄滑块机构的转动中心，设轴d 2 的角位移为y ， 两者在安装时的相位角度关系为7 = f l + 1 7 1 5 。，角速度和角加速度与上一套四杆机 构中的角速度织和角加速度a ，相同。铰链b 的角位移为r ，则不难得到下列关系式： 岛捌州 q 4 ， 其中：厶、三，簇绒针机构中连杆的长度； 以、日，轴q 和滑块在平面坐标轴上相差的距离 ，、r 分别为轴0 2 以及铰链b 的角位移 对( 2 4 ) 式时间求导： v 6 ，+ l 5 ( 0 5s i n k = ，- l 4 ( 0 3s i n y ( 2 5 ) 一l 5 ( 0 5c o s k2 - 4 ( 0 3c o s yj 其中：v 。滑块速度， 纸连杆5 的角速度。 对( 2 5 ) 式对时间求导 a 6 + l s a 5s i n t r = - a 3 厶s 访厂一厶鸭2c 。s 厂一三5 鸭2c 。s 盯l ( 2 - 6 ) 一l 5 a 5c o s k = a 3 l 4c o s ) 一厶鸭s i n y l 5 织2s i nj r j 其中：a ；滑块加速度， a ；连杆5 的角加速度 2 3 2 成圈钩机构分析 成圈钩机构是由1 ，2 ，3 ，机架组成的平面四杆机构和4 ，5 ，6 ，机架组成的 平面四杆机构的结合。如图2 7 所示。 重庆大学硕士学位论文 1 ，一勺 。疋二7 0 1 。 5 7、i ，7、：一 。吒 nj o 。晕3 、j 3椭一、： o 森 图2 7 成圈钩简图 f i g u r e2 7k n i t t i n gh o o ks k e t c h 对第一套四杆机构分析 第一套四杆机构如图2 8 图2 8 第一套四杆机构示意图 f i g u r e2 8t h ef i r s tf o u r - b a rm e c h a n i s ms k e t c h 由图2 8 可知，l 1 = 2 2 m m ，l ，= 8 1 8 9 m m ，l 1 = 1 8 5 7 m m ，t = 1 0 m m ，t 。 q 作为整个系统的转动中心，当轴q 匀速转动时，假设其初始角速度为o = 国8 ，1 5 轴m m d ， 的角位移为o r ，铰链a 的角位移为臼，转轴d ，的角位移为。 由图2 7 ，对构件1 ，2 ，3 ，机架组成的四杆机构进行分析。不难得到等式同 公式( 2 1 ) 。对( 2 1 ) 时间求导，得到连杆2 的角速度鹞和摇杆3 角速度他的公式同 公式( 2 2 ) 。对( 2 2 ) 时间求导，得到连杆2 的角加速度a ，和摇杆3 的角加速度a ， 2 簇绒成圈原理及创新设计 方程同公式( 2 3 ) 。 对第二套四杆机构分析 第二套四杆机构如图2 9 图2 9 成圈钩第二套四杆机构示意图 f i g u r e2 9t h es e c o n df o u r - b a rm e c h a n i s ms k e t c ho f k n i t t i n gh o o k 由图2 9 可知，l 4 = 6 0 m m ，l 5 = 2 8 0 m m ，l 6 = 1 4 0 m m ，t ，= 3 0 0 m m ，l = 3 0 m m ，由上 一套平面四杆机构同轴的0 ，作为该曲柄滑块机构的转动中心，设轴q 的角位移为 咒两者在安装时的相位角度关系为兄：，+ 7 6 2 0 ，角速度和角加速度与上一套四杆 机构中的角速度鸭和角加速度a ，相同。铰链c 的角位移为7 7 ，转轴0 4 的角位移为 。则不难得到下列关系式： t = l 4c o s ( 2 7 r - 2 ) + 三5c o s ( 2 7 r - 7 7 ) + 三6c o s 一万) i ( 2 7 ) l = 一l 4s i n ( 2 7 r a ) 一l 5s i n ( 2 ，r r ) + l 6s i n ( g 一7 ) i 、7 其中：三。、厶、厶成圈钩中连杆的长度； 、l 轴d 3 和轴d 4 在平面坐标轴上相差的距离 兄、r 、分别为轴d 3 、铰链c 以及轴q 的角位移 对( 2 7 ) 时间求导： 一三5 国5s i i l 7 + l 6 0 ) 6s i n 2 国3 三4s i l l 名 ( 2 8 ) 一l 5 国5c o s 刁+ l 6 缈6c o s f l = 国3 l 4c o s aj 、7 其中：c o 。、t 0 6 连杆5 和6 的角速度 对( 2 8 ) 时间求导： - l , a , s i n r i + l 6 a 6s i n 胪q 厶嫡以坳乜4c o s 彳+ c 0 5 2 l , c o s t 吨气6c o 掣l ( 2 9 ) 三5 a 5c o s 叩一三6 口6c o s f l = 一口3 l 4c o s 2 + 彩2 l 4s i n 2 + 皑l 5s i n l 7 一吡2 l 6s i n f lj 其中：a 。、0 6 连杆5 和6 的角加速度 重庆大学硕士学位论文 2 4 齿轮机构传动系统设计 2 4 1 非圆内啮合齿轮传动机构介绍 非圆内啮合齿轮传动机构作为一种比较复杂的传动方式，它是由一个非圆外 齿轮和一个非圆内齿轮两个部分组成，通过一定的传动比关系实现传动。非圆内 啮合齿轮传动结合了普通非圆齿轮与圆柱内齿轮的优点。与普通非圆齿轮相比它 具有以下优点： 非圆内啮合齿轮传动机构尺寸更小，结构紧凑。 非圆内啮合齿轮传动的两齿轮回转方向相同，相对角速度减小，使齿廓间 的相对滑动速度小于外啮合齿廓间的相对速度，减小了传动的磨损，使用的寿命 也更长。 非圆内啮合齿轮