（机械设计及理论专业论文）剑杆织机新型引纬机构的设计与分析研究.pdf

东南大学硕十学位论文 摘要 剑杆织机新型引纬机构的设计与分析研究 机械设计及理论刘志海指导教师钱瑞明教授 引纬机构是纺织工业上剑杆织机的关键部件，引纬机构的结构形式、运动精度以及平稳性直接 影响织机的速度、效率以及织物的质量。国内目前应用较广泛的剑杆织机采用共轭凸轮式的引纬机 构。对于剑秆织机引纬机构的研究尚需进一步深入。 本文主要根据纺织机械工业对织机的技术改造要求，针对现有剑杆织机引纬机构的性能不足之 处，在了解剑杆织机的工作原理，并对引纬机构进行运动学和动力学分析的基础上，提出一种新型 引纬机构的设计方案。并从工程应用出发，从运动学、优化设计、动力学几个方面对引纬机构进行 研究。 针对一种由凸轮、连杆、齿轮组合而成的新型剑杆织机引纬机构，以实现具有高速特性的剑杆 修止梯形加速度运动规律为目标，从运动学角度对其进行分析和设计，获得整个机构的运动尺寸和 共轭凸轮实际轮廓曲线参数。 根据技术改造要求，在运动学分析的基础上，建立凸轮线型优化设计模型，以凸轮机构的基圆 半径尺寸为优化参数，以机构的压力角、曲率半径要求等为约束条件，对新型机构的各部分尺寸进 行优化，并取得了较理想的结果，优化设计的结果明显好于初始设计。 本文还从动力学角度对引纬机构进行分析，运用等效刚度、等效质量的原则，建立机构的动力 学模型经简化成二自由度系统，并且用数学式进行了描述。 关键词：盒轩织机、引纬机构、共轭凸轮、运动学、动力学、优化设计 查堕奎堂堡主堂堡篓苎 a b s t r a c t d e s i g n a n d a n a l y s i s o fn e ww e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s m i nr a p i e rl o o m z h i h a il i u t h ew e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mi sak e yp a r to ft h er a p i e rl o o mi nw e a v ei n d u s t r y ，t h ew e f ti n s e r t s p e e d 、e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f t h e t e x t i l ea r ee f f e c t e db yi t ss t r u c t u r ef o r m 、i t s p r e c i s i o no f m o v e m e n t a n d i t ss m o o t ho f m o v e m e n t a c c u r a c y a tp r e s e n t ，ac o n j u g a t ec a m w e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mi sw i d e l yu s e di n d o m e s t i ct e x t i l em a c h i n e ，h o w e v e lt h e t h e o r yo f t h e w e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mn e e dt ob er e s e a r c h e d a c c o r d i n g t o t h e d e m a n d o f t e x t i l e m a c h i n e f a c t o r y a n e wd e s i g ns c h e m e w h i c ha i m s 葡t h e p r o b l e m s i no l ds t y l er a p i e rl o o mt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi sp u tf o r w a r d b a s e do nk n o w i n gt h er a p i e rl o o m w o r k i n g t h e o r y , a n dt h em e c h a n i s mw a sa n a l y z e dk i n e m a t i c a n y 、d y n a m i c a l l y a i m e da tr e a l i z i n gt h em o d i f i e dt r a p e z o i d a la c c e l e r a t i o nm o t i o nr u l eo fr a p i e r ，an e ww e f t i n s e r t i o n m e c h a n i s mi nr a p i e rl o o mi sa n a l y z e da n dd e s i g n e dk i n e m a t i c a l l y , w h i c hi sac o m b i n a t i o no f c a m ，l i n k a g e a n dg e a rt r a i n t h ek i n e m a t i cd i m e n s i o n so ft h em e c h a n i s ma n dt h ec o n j u g a t ec a m p r o f i l e sa l eo b t a i n e d t h r o u g h n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h e o p t i m a ld e s i g nt h e o r y i si n t r o d u c e d b r i e f l y b a s e d o nt h ek i n e m a t i c a n a l y s i s o fan e w w e f t - i n s e r t i o nm e c h a n i s mi n r a p i e rl o o m ，t h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo fg e o m e t r i c a lc a m si s p r e s e n t e d o p t i m i z a t i o nm o d e lt a k e st h ed i m e n s i o no fc a m a st h eo p t i m a lp a r a m e t e r , a n di s s u b j e c tt oc o m p r e s s i o n a n g l ea n dc u r v er a d i u sa n do t h e rl i m i t a t i o n s ，s og o o dr e s u l ti sg o t ， t h ew e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mi sa n a l y z e dd y n a m i c a l l y , t h e d y n a m i cm o d e lo f m e c h a n i s mi sp r e s e n t e d ， a n ds o m e d y n a m i c a lr u l e si sg i v e n k e yw o r d s ：r a p i e rl o o m ，w e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s m ，c o n j u g a t ec a m ，k i n e m a t i c s ，a y n a m i e s ， o p t i m a ld e s i g n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 主i 盘：遗日期：业2 2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盖瞌诲一导师签名： 沈帆期：o 帜；2 ，l 茎二童堕堡一 1 1 课题背景以及研究意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 纺织行业是一个传统的产业，是社会利经济发展的重要支柱。随着我国经济的持续发展和加入 w t o 国外的一些纺织企业进入中国市场，纺织行业的竞争日益激烈。虽然国内纺织企业发展比较 迅速，从单纯的引进和吸收晷外的机型到改造和自主开发，但是与国外的先进织机相比仍有很久差 距。因此，加强技术改造和创新，以及加强先进的机械设计和先进机械制造技术的研究和应用已经 到了很紧迫的地步。 在这种背景下，旨在促进纺织企业发展，提高纺织企业的竞争能力，本课题吸收并改进剑杆织 机的一种新机型。研究了这种剑杆织机新型引纬机构的结构和工作原理，并在此基础上从运动学角 度分析、优化设计、动力学分析还重点分析了凸轮机构设计理论，探索一个剑杆织机引纬机构改 型的可行性方案。 1 1 2 研究意义 目前，国内纺织行业织造厂引进国外织机增加，由于引进织机价格昂贵，在一定程度上制约了 该行业的发展。早期进口的大部分设备己经陈1 月，甚至瘫痪，存在着生产率低、故障率高等缺陷， 因此对织机的改造势在必行。 随着纺织业的发展，为了提高产品的竞争力在提高织机的转速的同时，同时又提高织机的效 率弃n 质量。剑秆织机主要是解决引纬方法的设计，包括刚性、柔性及可伸缩式的引纬方式。努力提 高织机的产量及运转性能、提高织造教率及产品质量是机器制造商为参与世界竞争的奋斗目标。引 纬机构是剑杆织机中的关键部件。它的运动性能直接决定了织机的质量和效率。 在本课题中，织机的引纬机构采用的共轭凸轮式引纬机构，它主要由共轭凸轮机构、连杆机构、 齿轮机构组成，其中直接影响整个机构性能韵是共轭凸轮机构。因此，需要对凸轮机构加以研究， 发挥凸轮机构良好的工作稳定性能，提高引纬机构的效率、性能和产品质量。 共轭凸轮机构是两组完整的凸轮机构，两类构件相互刚性连接，分别控制同一从动件运动规律 中的推程利回程，其中刚性连接的两个凸轮称为共轭凸轮。菇轭凸轮的轮廓曲线是根据剑杆的运动 特性和动作配合要求，并考虑连杆和凸轮传动函数关系米设计的。 凸轮是许多机械设备中的关键零部件，具有机构紧凑、性能可靠等诸多优点。在包装机械、纺 织机械、缝纫机械、轻工机械、食品机械、数控机床、半自动机槭等应用十分普遍。它们在实现间 歇运动、分度运动、较大运动升程要求或其它任意复杂反复循环运动要求等方面具有很强的适应性。 凸轮机构和齿轮机构一样是一种常用机构因为是高副机构，所咀它们的承载能力不如低副的 连杆机构。但一般而言，齿轮机构、链传动等只能实现简单的运动转换。对于复杂的运动，设计者 通常在凸轮机构和连杆机构之间作出选择。如果在行程中有停留或者等速运动的区间，用连杆机构 是难以实现的，而凸轮机构几乎可以实现任意复杂的运动形式，而且它具有结构简单、体积小这两 个显著的优点。 凸轮机构的研究在2 0 世纪开始受到重视。其研究历史从经验设计2 4 优化设计，从单纯运动学分 析到动力学研究，从手工测绘加工到计算机辅助殴计制造。其中，计算机技术的发展对凸轮机构的 研究起到巨大的推动作用，例如从早期的凸轮轮廓线数值方法的求解计算到现在的辅助设计 c a d c a m 。 东南大学硕士学位论文 在凸轮机构中，凸轮是最关键和最重要的零件。凸轮的设计和制造一直是国内外学者的研究对 象。目前，国内的凸轮设计和制造技术水平与国外相比还有一定的差距，国内企业一般还没有自己 真正设计意义上的凸轮产品，通常是通过反复测绘反求而进行制造，不知道其机理。因此制造出来 的凸轮产品性能较差。而国外相关文献少，而且鲜有实质内容，关键技术掌握在一些专业的凸轮制 造厂家和科研机构手中，无法通过技术引进来提高我国的设计与制造水平。为了改变这种状况，应 该重视凸轮设计与制造理论，凸轮c a d c a m 技术的研究、应用与推广。凸轮c a d c a m 技术的应 用、推广将大大提高凸轮设计与制造的效率、质量，缩短凸轮研制的周期，降低凸轮零配件的成本。 近些年来，由于各种电、液、气控制技术的发展，在有些定位机构和分度机构中采用伺服电 机和它的控制系统取代了凸轮机构。控制系统不存在机械磨损，有着良好的可调节性，尤其适合需 要频繁地重复定位的场合和需要柔性生产的场合。例如目前自动控制系统中的“凸轮开关”己经普遍 被“电子开关”所代替，以数控机床取代应用凸轮分配轴的自动机床。 然而，必须清楚地看到控制系统完全取代凸轮机构也是绝对不可能的。其主要原因有三个：r 1 ) 控制系统也存在弱点，由于其反馈回路总是伴随着一个时间因素，因此，它的稳定性限制了其在高 速、重载的工况下的应用。而凸轮机构的突出优势在于其良好的高速稳定性，随着制造技术的发展， 凸轮机构的加工精度有了很高的提高。同时由于新材料的采用以及新的结构型式的发明，使得凸轮 机构在高速、高精度的传动与分度运动中重新获得了生命力。例如内燃机阀门凸轮机构的转速已达 到1 0 0 0 0 r p m ，用自动机械的弧面分度凸轮机构的转速也以达2 0 0 0 r p m 。( 2 ) 经济原因，伺服电机和它 的控制系统的成本要远远高于一般的凸轮机构的成本，故而只有一些成本比较高的凸轮机构才有被 取代的意义。( 3 ) 空间的考虑，无论把伺服电机如何处理，电机的体积还是比较大，前面提过正是因 为凸轮机构的结构简单、体积小，尤其是平面凸轮和阎结在凸轮轴上的凸轮，在许多场合不可替代。 其中关键一点是凸轮机构工作可靠性高。 随着技术和生产的发展，凸轮机构的应用也越来越多。因此，不断深入研究凸轮机构的各种性 能仍是机构学者的任务之一。 本课题中剑杆织机新型引纬机构由如下几部分组成：共轭凸轮机构、空间五连杆r r s s r 机构、 平面四连杆机构、齿轮机构。该机构的提山及其研究的目的在于，通过合理的设计，获得较好的工 作性能，以取代现有剑杆织机引纬机构，实现剑杆复杂的运动规律，并能在满足整机运动学特性、 动力学特性的条件下，希望提高织机转速，保证织机的引纬效率，提高织机的工作平稳性和可靠性。 本文设计重点在共轭凸轮机构，通过对引纬机构进行运动学分析、优化设计、动力学分析，希 望能剖析引纬机构，探索一个剑杆织机引纬机构改型的可行性方案。 1 2 剑杆织机引纬机构 纺织行业是传统的产业，随着国家经济和社会的发展，要求设计出高效的引纬机构，提高织机 的工作性能。到2 0 世纪8 0 年代初国内对织机的引纬机构的研究才受到重视。 引纬机构的设计研究和开发涉及到很多方面。引纬机构主要由机构学中主要基本机构组成，常 包括有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。机构学中凸轮机构、连杆机构以及自动控制系统中电、 液、气控制技术等基础学科理论的研究发展，为引纬机构多种多样的结构形式和工作原理、以及获 得良好的工作性能提供了有力的支持。 引纬机构的运动学主要涉及组成机构的运动规律以及其基本特征。很多引纬机构设计都是着重 从其组成机构的运动规律特征入手。根据引纬机构的从动件或执行件运动规律的曲线求解出引纬机 构的基本尺寸，引纬机构的基本尺寸包括凸轮、连杆、齿轮等的运动学参数。这是引纬机构设计比 较困难的课题。 近年来，随着计算机技术和优化设计方法的发展和应用，引纬的优化殴计也达到了一个新的水 平。过去只能对引纬机构某个技术参数进行优选，现在，采用优化方法能对引纬机构中凸轮一从动 件按运动学和动力学进行多个参数优化设计。 一2 一 第一章绪论 随着纺织业向高速度、高效率、高质量方向的发展，现有剑杆织机引纬系统在动态性能方面的 不足日显突出。织机引纬机构动力学研究内容也从最初的以运动规律动力学分析为主发展到现在以 综合考虑机械振动、噪声等动力学方面的特征为主。 引纬机构的c a d c a m 技术已经取得了初步的成果。凸轮机构有多种机构组成，种类多，用 a d a m s 软件对剑杆双机的关键部件做运动学、动力学分析，以便掌握原样机的设计机理，来解决 一系列物理样机无法解决的难题。 综上，引纬机构的设计研究和开发涉及到很多领域，如系统工程和机构学、优化设计方法、金 属工艺学、计算机c a d c a m 、计算机控制工程等，正是这些领域的发展才推动了织机引纬机构的 发展，才使得引纬机构结构形式多样，向着高速，高稳定性的工作性能发展，从而促进织机工作效 率和质量，使之普遍适用于纺织工业发展要求。 1 2 1 织机的结构简介 织机种类繁多，下面简单介绍一种重型宽幅织机【1 1 ，织物的形成过程如图1 - 1 。 s 一经纱 4 _ 一综框 1 一纵轴2 一导辊 5 一钢筘 胸梁 圈1 1 织物的形成过程 3 后梁 7 一织物 经纱s 经过从织轴i 引出，绕过后梁3 ，并穿过综框4 上的综眼，综框作上下运动，使穿过综 眼的经沙分成两层，形成梭1 3 ，以便剑杆( 引纬器) 穿过梭道，将纬纱引入梭口。由钢筘5 引入的 纬纱打入梭口，使经纱和纬纱交织成织物，然后经过胸梁6 、卷布辊、导布辊，最后将织物卷在卷 布辊上。 重型宽幅织机按功能分可分解为以下几个机构： 开口机构按织物的组织要求，将经纱上下分开，形成梭e 1 引纬机构一用剑杆( 引纬器) 将纬纱引入梭口 打纬机构一将引入梭1 3 的纬纱推向织e 1 卷曲机构一将织物引入织口。卷到卷布辊上 送经机构从织轴上均匀地送出经纱，以满足交织的要求 织机各主要机构工作配合- 就是开口机构、引纬机构、打纬机构、卷曲机构、送经机构的工作 时问配合，其中最重要工艺参数是开口机构和引纬机构的时间配合。 3 一 东南人学硕士学位论文 1 2 2 剑杆织机分类 当前，国内纺织企业应用最多的织机类型主要是剑杆、片梭与喷气织机三种。作为应用最广泛 的织机，它们具有各自优势和问题。 片梭织机投资大，回收期长，由丁外部市场环境的不确定性，投资风险也相应增加，但由于其 经济寿命长，产品适麻性强，故可通过开发高档织物与特种织物以缩短投资回收期，利用其后期赢 利能力强的特点争取较长时期内稳定赢利。喷气织机耗电大，需增加空压机设备以及厂房的投入， 需要增加投资，但转速高，效率相对稳定，可以产量优势争取较快的投资回报。剑杆织机投资较少， 但其废边及零配件消耗大。由于在品种翻改方面比其它两种机型的织机费用少，周期短，故特别适 合小批量、多花色的产品。 综上，剑杆织机能更灵活地适应市场的变化与发展现代纺织品要求，使用更好的原料，达到更 高的质量，有更多的花色品神，更小的批量等。冈此在国内纺织行业，剑抒织机应用范围之广、数 量之多是其它类型的无梭织机不能相比的，近几年来其数量的增加远远大于其它无梭织机。 1 2 3 共轭凸轮式引纬机构 剑杆织机的引纬系统由起初的众多种型式逐步演变为两种类型：一类为连杆式引纬机构。一般 组成为：空间四连杆机构+ 平面四连杆机构+ 轮系动程放大机构：一类为共轭凸轮式引纬机构，一 般组成为：共轭凸轮机构+ 连杆机构+ 轮系动程放大机构。共轭凸轮式与连杆式的比较如f 口l ： ( 1 ) 运动规律方面：共轭凸轮传动的织机最大优点是可对剑杆运动规律按要求进行选择，故 可以通过合理设计共轭凸轮外形曲线以实现比较合理的剑杆运动规律。例如，在保证剑杆有效动程 的前提下，选择修正梯形加速度运动规律以减少最大速度和最大加速度值。 ( 2 ) 运动平稳方面： 连杆式制造比较简单，但由于其剑头嵌纬时速度较高，纬纱张力较大， 已纬纱交接时加速度较大，使纬纱交接时冲击较大，易造成交接失误，已交接时纬纱张力较大，因 而纬纱断头率相对较高，当织机速度进一步提高时，困难较大。 ( 3 ) 3 n _ t 要求方面：凸轮引纬系统加工制造难度较大，轮系动程放大机构传动级数较多，传 动链较长，为保证高速引纬时运动的平稳性，则要求较高的制造精度，但其嵌纬时速度较低。 1 3 凸轮机构的分类和发展概况 引纬机构是剑杆织机中的关键部件，对于共轭凸轮式引纬机构，它的运动性能直接决定了织机 的质量和效率。直接对整个机构工作性能产生最重要影响的是共轭凸轮机构。因此，需要对凸轮机 构加以研究。 1 3 1 凸轮机构的发展概况 1 9 世纪末，随着资本工业化的发展，要求设计出高效的自动机构，以改善飞机、汽车的内燃机 配气机构的工作性能。到2 0 世纪初，凸轮机构的研究才受到重视。 2 0 世纪二十年代，人们研究凸轮的简单几何形状和运动，以满足对从动件运动规律简单的位移 要求，凸轮机构的设计完全依赖经验和几何机构。三十年代，f d f u r m a n 写了一本系统介绍凸轮 设计的著作t 当时的研究工作主要集中在低速凸轮机构，而且主要分析的是运动规律。到了四十年 代，内燃机转速增加，出现故障增多，人们开始对配气凸轮机构的振动进行深入研究，并从经验设 计过渡到有理论根据的运动学和动力学分析。四十年代末，j a h r o n e s 3 等人已经注意到从动件 的刚度对凸轮机构动力学响应有明显的影响。五十年代初，d b m i t c h e l l 最先对凸轮机构进行实 验研究a 后来不少学者采用多种仪器，如高速摄影机、加速度分析仪和动态应变仪等，对高速凸轮 的动力学响应进行测量，并获得了许多重要成果。 一4 一 第一章绪论 随着计算机的发展，凸轮机构的c a d c a m 获得巨大成功，凸轮机构的研究经历了从经验设 计到优化设计，从单纯的运动分析到动力学研究，从手i j j n _ t _ 型j 计算机辅助制造等发展阶段。有关 凸轮的著作相继涌现，代表性的有美籍华人f a n y c h e n 于1 9 8 2 年所著的( m e c h a n i c sa n dd e s i g no f c a mm e c h a n i s m s 【4 1 ，日本的牧野洋于1 9 8 0 年所著的自动机械机构学，中国的彭国勋，肖正扬 于1 9 9 0 年合著的自动机械的凸轮机构设计1 5j 。 凸轮机构的运动学首先介绍各种类型的从动件运动规律以及其基本特征，几乎所有的有关凸轮 机构设计理论基础的凸轮专著都是着重从凸轮从动件的运动规律特征详细介绍。早期的专著只是介 绍了适合低速运动而且动力性能比较差的等速运动、抛物线曲线和正弦曲线。六十年代以后，科学 技术的发展，各种适合中速和高速的凸轮机构的运动曲线相继提出，基本上满足对中、高速凸轮机 构的运动要求。高速凸轮机构多采用多项式运动规律，许多专著对此有深入的研究。以后，许多学 者对凸轮运动样条曲线进行深入的研究。 根据凸轮机构的从动件或执行件运动规律的曲线求解出凸轮机构的基本尺寸，凸轮机构的基本 尺寸包括凸轮的基因半径、凸轮轮廓曲线、从动件的尺寸等。这是凸轮机构设计比较1 1 8 l 难的课题。 凸轮机构动力学是现在凸轮机构学中比较活跃的领域。其研究内容也从最初的以设计优良的运 动规律为主发展到现在以综合考虑振动、噪声等动力学方面的特征为主。在凸轮机构动力学前沿 的若干问题1 6 1 ( 肖正杨，熊第森，机械科学与技术，1 9 9 4 ) 文章中，从多体动力学、弹性接触力 学及概率分析方法等方面介绍了凸轮机构动力学的研究动向。 近年来，随着计算机技术和优化设计方法的发展和应用，凸轮的优化设计也达到了一个新的水 平。过去只能对凸轮的压力角和凸轮的基倒半径优选个别参数，现在，采用优化方法能对凸轮一从 动件按运动学和动力学进行多参数优化设计。凸轮的优化问题有待进一步探讨，简单和适用的程序 还有待开发。 凸轮的c a d c a m 技术已经取得了初步的成果。但由于凸轮机构不是标准机构，种类多，应用 广，加之许多已有的知识不能公式化，所以应用普通的c a d c a m 系统，有时效果并不很理想。因 此，需要研究智能的专家系统。设计者利用计算机终端，只要输入凸轮的原始数据，就可以在总体 上设计出最优的凸轮机构。然后将结果传入到数控机床，进行自适应控制，加工出高精度的凸轮。 综上，凸轮机构的设计研究和开发涉及到很多学科，例如系统工程和机构学、优化设计方法、 材料学、摩擦学、金属工艺学、计算机c a d c a m 、计算机控制工程等，正是这些学科的发展才推 动了凸轮机构的发展，才使得凸轮机构广泛应用于自动机械。 1 3 2 凸轮机构的分类 图1 2 共轭凸轮机构 凸轮机构一般由凸轮、从动件、机絮三个部分组成。凸轮的种类多种多样。按凸轮几何形状分 类可以分为平面凸轮和空间凸轮。平面凸轮的运动平面与从动件的运动平面相互平行或重合。平面 凸轮的廓面能展开成直纹面，可以简单的用二维平面的廓线表示。平面凸轮可以分为盘形凸轮、移 动凸轮、圆弧凸轮。共轭凸轮由两个平面摆动滚子凸轮机构组成，如图1 - 2 。 一5 一 东南大学硕士学位论文 空间凸轮是相对与平面凸轮而言，它的廓线是不可展开的曲面。空间凸轮可以分为圆柱凸轮、 端面凸轮、球面凸轮、弧面分度凸轮。空间凸轮的从动件滚子可以为圆柱滚子从动件、圆锥滚子从 动件等。圆桂滚子从动件应用较广泛。 1 4 论文主要工作和内容安排 本论文从工程应用出发，驮运动学、优化设计、动力学几个方面对剑杆织机的引纬机构进行研 究。主要内容安排如下： 第二章讨论共轭凸轮机构的设计问题。基于包络线理论，根据从动件运动规律对凸轮做初步设 计，求出共轭凸轮机构的基本尺寸，确定共轭凸轮最小基圆半径、摆杆长以及共轭凸轮的轮廓曲线。 第三章针对一种由凸轮、连杆、齿轮组合而成的新型剑杆织机引纬机构，以实现剑杆修正梯形 加速度运动规律为目标，从运动学角度对其进行分析和设计，以获得整个机构的运动尺寸和共轭凸 轮实际轮廓曲线参数。 第四章在运动分析的基础上t 建立凸轮线型优化设计模型，以凸轮机构基圆半径为优化参数， 以凸轮的压力角、曲率半径等为约束条件进行优化。 第五章从动力学角度，建立机构的动力学模型，经简化成二自由度系统，并且用数学式进行描 述。 一6 一 第二章共轭凸轮机构的设计 第二章共轭凸轮机构的设计 2 1 凸轮轮廓的设计方法 关于凸轮轮廓线的设计，大多数凸轮著作都有论述k 。1 ”。凸轮是凸轮机构中最重要和最关键的零 件。凸轮轮廓线的设计又是凸轮设计中的难点和重点。凸轮廓面是在凸轮结构形式、凸轮从动件的 运动规律、机构基本参数确定后完成的。凸轮的轮廓线设计通常有三种方法：作图法、展开法和解 析法。 2 1 1 设计方法的种类 ( 1 ) 作图法 在早期的凸轮机构研究中，由于凸轮种类简单和辅助分析工具的落厉，凸轮廓面设计多采用图 解法。图解法利用图形绘制和分析来进行凸轮廓面设计的一种近似方法，如平面凸轮的反转法，这 类方法直观性强，易于理解，但精确度较差，效率低，很难精确地得到压力角和曲率半径等设计参 数，因此只能适合于低速等要求较低场合下的凸轮设计。 ( 2 ) 展开法 展开法主要针对圆柱凸轮、圆锥凸轮等可以展开或近似展开的凸轮，将凸轮沿某一圆柱或圆锥 面( 一般取基圆柱或基圆锥面) 展开，在按平面凸轮进行解析。由于将空间问题转化为平面问题来 处理，存在不可避免的方法误差。对于直动从动件凸轮机构，该方法仍有其合理性，但对于摆动从 动什凸轮机构，由于凸轮轮廓曲线是不可展开展开法存在很大的误差。 ( 3 ) 解析法 解析法利用各种数学工具对凸轮机构进行解析研究，具有精确描述轮廓曲面的可能性，解析法 在与计算机应用紧密结合的条件下得到深入研究，计算机技术的快速发展和计算成本的迅速下降给 复杂凸轮的理论精确设计奠定了坚实的基础，促使研究人员寻找理论上精确的嘏析解，并在计算机 上迅速完成设计实现成为可能。目前，针对各种各样的凸轮机构，人们寻求相应的解析解决方法 这些解决方法源于几何学、微分几何学、矢量代数、函数逼近论等学科。 2 1 2 凸轮廓面的综合和分析 随着现代机械向高速度、高精度、高稳定性方向发展，对机械产品的设计与制造要求也越来越 高，图解法和展开法已经不能适应凸轮现代设计的需要，而解析法有了用武之地。凸轮廓面的设计 包括廓面综合和分析两个方面。 在机构型式中。从动件运动规律、机构基本参数设计完成后，设计出能实现选定运动规律的凸 轮轮廓，称为凸轮廓面的综合。它是凸轮运动学分析中比较困难的个研究课题。在解析法中，微 分几何的包络理论( t h e o r yo f e n v e l o p e ) 和共轭曲面理论( g e o m e t r yo f c o n j u g a t es u r f a c e s ) 被逐渐 普遍采用。等距曲线面理论( t h e o r yo fo f f s e t c u r v e s s u r f a c e s ) 也在一定范围内采用。 在设计出能实现预定运动规律的凸轮轮廓之后，需要进行凸轮轮廓几何性质的分析，称为凸轮 廓面的分析。廓面的分析是凸轮轮廓加工和检测的基础。曲率是共轭凸轮的重要特征，它对共轭曲 线的啮合性能、接触应力影响很大。因此，平面凸轮廓线的几何指标一般用曲率或是曲率半径来描 述。 东南大学硕士学位论文 在凸轮廓面综合解析法中，普遍采片j 了微分几何的包络理论、共轭曲面理论等。下面简单介绍 用于滚子摆杆从动什凸轮廓面设计的包络理论。 2 2 摆动滚子从动件凸轮廓面设计 凸轮基本尺寸的确定是凸轮设计的一个重要问题。力封闭和沟槽凸轮的轴心许用区域的确定， 可以用图解法( 可用计算机代替人工绘图) 和解析法来完成1 15 ”l ，这些方法都比较完善。这两种凸 轮求最小基倒半径的闽题，也已经得到了解次。 文献摆动从动件共轭凸轮轴心许用区的确定l j q ( 孙寿文，张一同，李瑰贤2 0 0 0机械 一r 程学报) 提出对摆动从动件共轭凸轮按许用压力角确定凸轮轴心许用区域进行了分析，给出了摆 动从动件共轭凸轮等值最小基圆半径的计算方法。由于提出的理论适合于简单的摆杆从动件运动规 律，对于复杂运动规律的摆动从动件执行件( 例如本论文中。凸轮从动件执行件是凸轮摆杆从动件、 空间连杆机构、齿轮机构、剑杆，而修止梯形加速度运动规律是剑杆的运动规律，而不是凸轮摆杆 从动件的运动规律) ，这种方法由于需要求解非线形方程组，在本论文中无法应用。因此，仍可以用 研究平面凸轮基本尺寸的一般方法求解1 6 l 。 2 2 1 限制凸轮轴心位置的界限包络线 对于摆动滚子从动件平面凸轮，凸轮机构设计在从动件运动规律选定后，要对凸轮轴心允许区 域进行分析。 图2 - 1凸轮轴心许用区域分析 图2 - l a 所示为滚子摆动从动件凸轮机构在推程中的某一个位置。过滚子中心e 作凸轮廓线的法 线n n ，它与连心线b a 的延长线交于p 点，该点即为从动件与凸轮的相对速度瞬心，故有： 扛，a p = q b p - 又过轴心a 作n n 的平行线爿d l ，与b e 交于日。按平行线截割定理得： d ，e = b e 而a p = ，昙= j 等叫 ( 2 1 ) 设该机构在图示位置，压力角口= 口】，即传动角，= 州。设计凸轮机构时，假使凸轮轴心选在直 线d l d 的左下方，那么可得， 门，即口 口】，这是不可以的。 ，图2 - 1 b 所示粤摆动从动件凸轮机构回程的某个位置。因q 与异向，故应在b e 的延长线上 取d 2 e = 猡7 。叉过岛点做与岛g 夹角为纠的直线d 2 d 。显然，如凸轮轴心彳位于直线岛d 上，则 2 p 1 ，如a 位于d 2 d 的右下方，则， 州，即口 口 ；如a 位于岛d 的左方，则， 陋j ， 这也是不允许的a 一8 墨三雯茎竺苎丝塑塑竺堡生 上面我们仅讨论了从动件在推程和回程中各一个位置。为了使凸轮机构在所有位_ 萱均满足 口s d 】；即，2 ( 州，按上述可确定d i 和d 2 的一系列位置，然后过这些点各作与摆杆船夹角为【y 的 两组直线。此时，两组直线各自的包络线才是限制凸轮轴心位置的界限。 2 2 2 平面曲线族的包络线 平面曲线旅芷、的方程为： f ( x ，y ，) = 0 ( 2 2 ) 式中，为参变量。式2 2 表示的一组曲线的公共切线为该曲线族的包络线。按此条件，包络线 如和曲线族墨中的每一曲线切于相切点( 称为特征点) ，如图2 - 2 所示。 、? 乏一二羔= ；= _ 二 、，一。 图2 - 2 包络线k 2 和包络线k 该点的坐标由曲线族的参变量确定，所以包络线上点的坐标可看作的函数： x = 盖( 力y = y ( ( 2 3 ) 上式即为包络线局的参数方程。 因包络线上的每一点属于旅中的某曲线故将式2 3 代入式2 2 得到关t f 的恒等式 f o 时) 疗= 石+ a r c t a u ( r x )( 当x o 且r o 时) 式中p 为凸轮的实际轮廓极径，口为极角。 3 4 编程运算与结果 经计算得主、回凸轮实际轮廓线如图3 - 6 所示，其中主凸轮的最大、 和7 4 m m ；回凸轮的最大、最小半径分别为1 5 4 1 m m 和7 4 1 9 5 m m ；主、 上述数据均能满足现有剑杆织机的结构布局要求。 ( a ) 主凸轮轮廓 ( 3 2 8 ) 晟小半径分别为1 2 8 9 r a m 回凸轮的安装角为8 7 7 4 。 、 、f f 欠 ( b ) 回凸轮轮廓 图3 - 6 主、回凸轮实际轮廓 表3 1主凸轮和回凸轮轮廓的主要的技术参数 凸轮主轴转速 2 0 0 r r a i n 主回凸轮的安装角8 7 7 0 剑杆箭头最大动程 1 1 m 主凸轮的最大压力角3 4 9 5 。 剑头运动的v 。 2 6 4 m s回凸轮的最大压力角3 5 。 剑头运动的口。 7 7 4 2 7 9 m s 2 主凸轮的最大半径 1 2 8 9 m m 主凸轮的最小半径 7 4 m m 主凸轮的摆杆长 1 2 6 r a m 回凸轮的最大半径 1 5 4 ，1 m m 回凸轮的摆杆长 1 8 0 r a m 回凸轮的最小半径 7 4 1 9 5 r a m 一2 8 表3 2主凸轮和回凸轮轮廓的极坐标值 摆杆转角 主凸轮 回凸轮 ( o )向径( m )向径角( o )向径( m ) 向径角( 。) o0 0 7 4 00 1 5 4 1 1 5 0 1 00 0 7 4 0 8 4 1 02 2o 1 5 3 9 8 5 9 9 0 1 7 8 2 00 0 7 4 3 3 3 2 0 4 9 0 70 1 5 3 5 9 9 1 9 7 7 1 7 3 0o 0 7 4 7 3 93 0 8 0 3 5 o 1 5 2 9 7 22 9 6 1 2 6 4 00 0 7 5 2 8 9 4 1 1 4 8 20 15 2 1 1 9 3 9 4 2 8 1 5 00 0 7 5 9 7 3 5 1 5 1 3o 1 5 1 0 6 3 4 9 2 2 3 2 6 00 0 7 6 7 7 36 1 8 8 4 7 0 1 4 9 8 3 l5 9 0 0 4 7 00 0 7 7 6 6 77 2 2 4 9 80 1 4 8 4 5 8 6 8 7 7 7 9 8 00 0 7 9 1 7 88 3 3 1 1 8 0 1 4 6 3 1 57 8 1 2 3 6 9 00 0 8 3 0 79 5 3 7 9 2o 1 4 1 0 4 78 6 5 8 9 9 1 0 00 0 8 9 8 6 21 0 7 8 7 6o 1 3 2 4 1 2 9 4 0 6 0 4 1 1 00 0 9 9 5 2 21 2 0 3 3 lo 1 2 1 5 1 8 1 0 0 2 9 9 1 2 0o 1 1 0 6 0 91 3 1 8 6 9o 1 0 9 6 0 31 0 6 2 3 4 1 3 00 1 1 9 2 3 41 4 1 7 5 30 0 9 7 2 8 21 1 4 0 3 8 1 4 0o 1 2 4 2 8 81 5 0 7 5 50 0 8 6 9 8 1 2 4 0 4 3 1 5 0o 1 2 7 0 7 71 5 9 5 7 70 0 7 9 6 2 1 3 5 9 1 9 1 6 00 1 2 8 4 4 61 6 8 3 8 50 0 7 5 3 4 31 4 9 4 5 1 7 00 1 2 8 9 1 51 7 7 6 9 90 0 7 4 1 9 5 1 6 1 9 6 9 1 8 0o 1 2 8 8 7 51 8 7 0 1 40 0 7 4 5 1 61 7 4 5 5 5 1 9 00 1 2 7 9 1 21 9 5 8 1 10 0 7 7 8 1 41 8 8 3 2 3 2 0 00 1 2 5 5 6 12 0 4 5 1 70 0 8 4 0 4 92 0 0 6 2 6 2 1 0o 1 2 1 0 8 92 1 3 0 5 30 0 9 3 0 52 1 1 4 7 8 2 2 0o 1 1 3 1 9 52 2 1 6 7 10 1 0 4 5 7 62 2 1 0 7 5 2 3 0 o 1 0 2 3 8 22 3 1 0 0 6 o 1 1 7 0 1 62 3 0 0 2 8 2 4 00 0 9 2 5 8 82 4 0 7 6 2o 1 2 8 4 4 92 3 9 4 7 1 2 5 00 0 8 5 6 2 62 5 0 6 2 6o 1 3 7 2 7 82 4 9 4 0 7 2 6 0o 0 8 1 6 0 52 6 0 7 9 60 1 4 2 6 4 82 5 9 3 7 2 2 7 00 0 7 9 9 9 12 7 0 9 3 70 1 4 4 9 1 32 6 9 3 4 8 2 8 00 0 7 8 9 4 72 8 0 5 9 90 1 4 6 5 1 42 7 9 5 3 8 2 9 00 0 7 7 9 2 52 9 0 2 9 80 1 4 8 0 82 8 9 7 0 9 3 0 00 0 7 6 9 6 33 0 0 0 50 1 4 9 5 5 42 9 9 8 5 2 3 1 00 0 7 6 0 9 93 0 9 8 6 60 1 5 0 8 8 23 0 9 9 6 5 3 2 00 0 7 5 3 63 1 9 7 5 10 1 5 2 0 1 73 2 0 ，0 4 4 3 3 00 0 7 4 7 73 2 9 7 0 90 1 5 2 9 2 53 3 0 0 8 7 3 4 00 0 7 4 3 4 33 3 9 7 3 90 1 5 3 5 8 53 4 0 0 9 3 3 5 00 0 7 4 0 8 53 4 9 ，8 3 80 1 5 3 9 8 33 5 0 0 6 4 3 6 00 0 7 43 6 00 1 5 4 1 1 53 6 0 共轭凸轮主、同凸轮的的基圆半径都在 o 0 9 0 ，0 1 0 0 m 范围内，而且主、同凸轮的轮廓线实际 极径是随凸轮主轴转角增大而有规律的变化，凸轮主轴转角在0 。一1 7 0 。范围内，主凸轮的实际极径 从( 1 0 7 4 m 依次递增到o 1 2 9 9 1 5 m ，而回凸轮实际极径从o 1 5 4 1 1 5 m 依次递减到o 0 7 4 1 9 5 m ，凸轮主 轴转角在1 7 0 。3 6 0 。范围内，主凸轮的实际极径从0 1 2 8 9 1 5 m 依次递减回到o 0 7 4 m ，而回凸轮实际 一2 9 东南大学硕士学位论文 极径从o 0 7 4 1 9 5 m 依次递增到o 1 5 4 1 1 5 m 。 附：凸轮从动件设计流程图。 幽3 - 6 凸轮- 从动件设计流程图 一3 0 机以聃得路织，雠所蒯 一一蛳臁一 撒腓拾绷觖 一荆一一 的的按曲直成律儆廓丽而规翔轮实 一一一一一 组一迈洲实究轮度呲轮踞 一一一一一 杆形判共步黼跚酬秩砂 轮修川尺的吖驰惦鲳球 结 一一一一 孙 啪撕嘶蝴 辎 扩上鹰蚧瑚 笙堕兰! ! 堑堡垫! ! 笙垫塑堕垡垡望生 一 第四章剑杆织机引纬机构的优化设计 4 1 机械优化设计简介 4 1 1 优化设计简介 对于凸轮机构设计，过去常用的方法有图解法，直角坐标解析法和复数极坐标矢量法等。用这 些方法设计时设计者通常凭理论判断和经验，选择所使用的凸轮类型、从动件运动规律以及设计参 数，然后进行设计和必要的校核。当发现所选类型或参数不当时，则重新选择或调整参数以修改设 计。一般情况下，设计者总是遵循“设计一评价一修改”的顺序，在设计中重复这一过程t 直到获得 满足设计要求或最优的设计方案为止。事实上，这种方法不仅使设计者花费火量精力和时间去进行 重复和复杂的工作，而且所得到的结果往往只是满足设计要求的可行性方案，而不是最优方案。 随着电子计算机技术的进步，在工程设计理论和方法方面开拓了许多新领域，优化设计便是其 中的一种。在工程设计中，优化设计是将设计问题转化为最优化问题，利用数学规划的方法，借助 于计算机的高速运算和逻辑判断功能，从满足设计要求的一切可行方案中，按照预定的目标，自动 搜索最优的方案。近年来，优化设计方法及其应用的发展极为迅速，已经广泛的应用于许多行业， 取得了巨大的经济效益，但是还面临着许多问题需要解决。例如，机械产品中的零件、部件的通用 化和标准化，最优参数的制定，整机优化设计模型及方法的研究。机械优化设计离散变量优化方法 的研究，在计算机辅助设计中优化方法的应用，机械设计中多