（机械设计及理论专业论文）空间四连杆引纬机构优化及动力学仿真.pdf

摘要 引纬机构是织机最主要的部件之一，引纬机构性能的好坏直接影响到织机档次和织造 质量。而目前我国剑杆织机、尤其是引纬机构等关键部件的设计和制造，与国外先进技术 相比仍然有很大差距，因此综合研究引纬机构各项性能，对提高国产织机自主创新能力和 竞争力而言，显得尤为重要。 本文基于国内高性能剑杆织机的发展较为落后的现状，通过运用理论分析和虚拟样机 检验的方法，对空间四连杆引纬机构进行了运动学和动力学的分析及优化。主要工作和成 果可以概括如下： 1 ) 构建了空间四连杆引纬机构各部分的运动学数学模型，编制了m a t l a b 程序对其 进行运动仿真，得出运动特性曲线，并在此基础上分析探讨了剑杆织机空间四连杆引纬机 构连杆和摇杆变化对其运动学特性的影响，定量分析了曲柄长度变化对引纬机构运动特性 的改变，得出可以通过改变曲柄长度调节本套机构使其满足剑头行程调节需要的结论。 2 ) 全面分析了空间四连杆引纬机构各参数间的关系，指出所有参数在机构调整和机 构设计中所起的作用。在众多参数中提出了可优化参数，定义纬纱交接区间，对剑头加速 度曲线建立了目标函数，采用遗传算法对可优化参数进行优化，并运用m a t l a b 编制了 辅助分析软件，取得了较好的优化结果。 3 ) 通过牛顿矢量力学的方法和达朗贝尔原理建立了空间四连杆引纬机构各个部分动 力学理论方程，同时使用p r o e 软件建立机构三维模型，并通过a d a m s 软件进行动力学 仿真。 4 ) 分析了该引纬机构对与机架相连的运动副的受力状况。对该引纬机构震动力完全 平衡进行了探索性的分析，通过比较各与机架相连运动副处受力状况，提出了平衡指标， 并通过尝试改变相关机构质心位置，对空间四连杆引纬机构进行了震动力平衡的探索，得 出了可以考虑改变十字轴的形状，使其质心向公共坐标系x 轴和z 轴正方向偏移，或者考 虑在这两个方向上加配重：对于扇齿轮而言，机构设计时应尽量保持其现有质心位置，对 于必须要有偏心要求的场合，可以考虑将其质心向x 轴正向或z 轴负向偏移；对于剑轮而 言，由于其为回转构件，应使其质心位置尽量保持在回转中心，以减少回转时产生的惯性 力和惯性力矩等结论。 关键词：引纬机构；空间四连杆：运动学优化：动力学仿真；震动力 i o p t i m i z a t i o na n dd y n a m i cs i m u l a t i o no f s p a t i a lf o u r - b a rl i n k a g ew e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s m a b s t r a c t w e f ti n s e r t i n gm e c h a n i s mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fw e a v i n gm a c h i n e t h e p e r f o r m a n c eo f w e f ti n s e r t i o ns y s t e m sw i l ld i r e c t l yi n f l u e n c et h el o o mc l a s sa n dw e a v i n gq u a l i t y h o w e v e r t h e r ea r es t i l ls o m eb i gg a p so nd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fg r i p p e rl o o mc o m p a r e d w i t ht h ef o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi nt h ec o r ep a r t ss u c h 髂w e f ti n s e r t i o n m e c h a n i s m s ot h ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho fv a r i o u sp e r f o r m a n c eo fw e f ti n s e r t i o na p p e a r s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sa r t i c l eu s e st h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dv i r t u a lp r o t o t y p et e s tt oa n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fs p a c ef o u rb a rl i n k a g em e c h a n i s m ， w h i c hc a nb ei n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 ) f o u n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l so fe v e r yp a r t so f t h em e c h a n i s mb ya n a l y t i c a l ，e m u l a t e d a n do b t a i n e dk i n e m a t i c sc u r v et h r o u g hm a t l a bp r o g r a m m i n g d i s c u s s e di n f l u e n c eo f m o v e m e n tl a wc a u s e db yt h el e n g t hc h a n g eo fc o n n e c t i n gr o da n dj o i n t e da r m ，r o t a t es p e e da n d t h el e n g t ho fc r a n ki sa l s os t u d i e d c r a n k sa d j u s t a b l es c o p ei sc a l c u l m e d 。o b t a i nt h e c o n c l u s i o n t h a ti ti sf e a s i b l et os a t i s f yr a p i e r sm o v i n gr e q u i r e m e n tb ya d j u s t i n gt h el e n g t ho fc r a n k 2 ) m u i t i a n a l y s i sh a sb e e nm a d eb e t w e e ne v e r yp a r a m e t e ro ff o u r - b a rl i n k a g ew e f ti n s e r t i o n m e c h a n i s m ，w h i c ht e l l st h ee f f e c to ft h e mi na d j u s t i n ga n dd e s i g n o p t i m i z a b l ep a r a m e t e r sh a v e b e e nf o u n d a n da na p p r o p r i a t eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v ef u n c t i o no fg r i p p e rh e a da c c e l e r a t i o n c u r v eh a sb e e ne s t a b l i s h e d i t sa l s om a d et h eo p t i m i z a t i o nb yg e n e t i ca l g o r i t h m a na u x i l i a r y a n a l y s i ss o f t w a r eh a sc o m p i l e db ym a t l a b ，w h i c ha c h i e v e dg o o do p t i m i z e dr e s u l t 3 ) e s t a b l i s h e dd y n a m i c sm a t h e m a t i cm o d e l so fe v e r yp a r t so ft h em e c h a n i s mb yt h em e t h o d o fv e c t o rm e c h a n i c sa n dd a l e m b e r t sp r i n c i p l e 3 dm o d e lh a sb e e ns e tu pb yp r o e t h e c o r r e c t n e s so f t h e o r e t i c a lm o d e lh a sb e e nc h e c k e db ya d a m s 4 ) a n a l y z e dt h es t r e s ss t a t eo fp a i r sc o n n e c t e dw i t hr a c k s o m ee x p l o r a t o r yr e s e a r c ha b o u t t h ec o m p l e t eb a l a n c eo fs h o c k i n gf o r c eh a sb e e nm a d e b yc o m p a r ew i t ht h es h o c k i n gf o r c eo f t h ev e r yp a i r s ，s o m eb a l a n c ei n d e xh a sb e e np u tf o r w a r d t h ee x p l o r a t o r ys t u d i e sh a v eb e e n l i c a r r i e do u tb yc h a n g i n gt h ec e n t e ro fm a s s sp o s i t i o no fr e l a t e dp a r t s s o m ec o r r e s p o n d i n g c o n c l u s i o n sa r ea c h i e v e da sf o l l o w s ：l ti sc o n s i d e r a b l et om o v et h ec e n t e ro fm a s so fc r o s sa x i st o t h ep o s i t i v ed i r e c t i o no fxa x l ea n dza x l e f o rs e c t o rg e a r ，i t sb e t t e rt om a i n t a i nt h es t a t u s ，o r c o n s i d e r a b l et om o v et h eb a r y c e n t e ro fi tt ot h ep o s i t i v ed i r e c t i o no fxa x l eo rt h en e g a t i v e d i r e c t i o no fza x l ew h e ni t i sn e c e s s a r y w h e ni tc o m e st or a p i e rw h e e l ，i t sb e r e rt ok e e pt h e c e n t r o i dp o s i t i o ni nt h er o t a t i o nc e n t e r k e y w o r d ：w e ri n s e r t i n gm e c h a n i s m ，s p a c ef o u rb a rl i n k a g e ，k i n e m a t i c so p t i m u m ， d y n a m i c ss i m u l a t i o n ，s h o c k i n gf o r c e i i i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着市场经济的不断发展，人民生活水平的稳步提高，人们对生活质量的要求也日益 增高，对衣料、服饰的要求也越来越高，而服装的发展离不开布料、织物的质量。2 0 0 6 年 我国规模以上纺织企业的数量已经达到3 9 4 万户，及至2 0 0 9 年，全国规模以上纺织企业 人均产值已经达到3 3 万元人，同比上一年增长8 9 ，而新产品产值累计增长1 2 ，高出 我国工业水平一倍n 2 1 。据中国纺织工业协会统计中心最新数据显示，2 0 1 1 年l - 4 月我国 规模以上纺织企业工业总产值为1 5 3 4 3 3 5 亿元，同比增长3 0 5 4 ：产销率为9 7 6 7 ，环 比略减0 0 1 个百分点。从工业总产值的完成情况也可以看出纺织行业梯度转移正在进行， 纺织工业已经成为国民经济的传统支柱产业和重要的民生产业，在繁荣市场、扩大就业、 增加人民收入等方面发挥了很大的作用n 3 。 图1 1 显示的是2 0 1 1 年1 4 月纺织各子行业工业总产值所占的比例，可见纺机、棉纺、 毛纺等相关产业在纺织行业中继续占有重要地位，因此为了提高织造的效率和产品的性 能，对织机关键部件的研究显得尤为重要。 2 0 1 l 鼙l 月善子行业工量量产值薪占犯靠 隔 印象 $ 毂据来源：中国纺织工业协会筑计中心 图1 12 0 1 1 年1 4 月各子行业工业总产值所占比例 引纬机构是织机的关键部件之一，它与最大引纬角度、入纬率水平、扣幅、引纬运动 平稳性等参数密切相关，直接影响到织机档次和织造质量。织布生产历史悠久，共经历了 原始手工织布、手工急切织布、普通机器织造、自动织机织造和无梭织机织造五个阶段。 对于有两个世纪发展的无梭织造技术，其真正成熟是从上世纪5 0 年代开始的。从2 0 世纪 浙江理工大学硕士学位论文 5 0 年代起，捷克发明了喷气、喷水织机，美国发明了挠型剑杆织机，瑞士发明了片梭织机， 并逐步走向完善。到7 0 年代，片梭织机曾成为织机之王推广应用到世界各地，由于它经 济指标的全面提高而赢得了广泛的信誉，但片梭织机结构复杂，制造精度和造价都很高， 限制了它的发展。到上世纪8 0 年代，由于不锈钢材、碳纤维复合材料以及现代喷射技术 等方面的发展，喷水、喷气及剑杆织机的发展超过了片梭织机。到8 0 年代末，出现了如 s o m e ts u p e re x c e l ，s m i tf a s t ，p i c a n o lg a m m a 等新一代的剑杆织机，入纬率达到了 10 0 0 m m i n 以上，能够进行4 至8 色换纬。其广泛适应性使其他类型的织机很少能与之媲 美。因此，目前世界各织机织造厂都重视发展这类织机，预料它将成为未来的传统无梭织 机b 1 。 中国纺织行业起步较晚，自主研发能力较弱，只能生产中低档的无梭织机。而高速织 机一般都需要从国外引进，虽然最近几十年，国内纺织企业发展较为迅速，己从最早的单 纯引进、吸收国外机型，发展到已经具备适当改造和自主开发的程度，但是与国外同档次 先进织机各项性能相比，差距仍相当明显；织机的设计制造、尤其是引纬机构等关键部件 的设计和制造，也仍然有很大差距。而且就制造业的整体水平而言，国产纺织机械企业还 存在着规模较小、技术含量低、无自主知识产权、只能为其他国家的相关先进企业做o e m 等问题。由于西方技术垄断和贸易壁垒，引进织机价格通常较为昂贵，对国内纺织行业的 发展有很不利的因素。目前中国纺机市场上，国产织机数量占8 0 ，但销售额所占比例不 足5 0 ，毛利只有1 5 h 1 。 因此，综合研究引纬机构运动学和动力学特性，对提高国产织机自主创新能力和竞争 力而言，显得尤为重要。 1 2 剑杆织机引纬机构国内外研究现状 1 2 1 剑头持纬方式 剑头持纬方式分夹持式和叉入式。夹持式应用最广，一般为双剑引纬，引纬动作靠送 纬剑和接纬剑共同完成，它又可分为积极式引纬和消极式引纬两种。叉入式引纬则多见于 早期出现的低速织机。 图1 2 为夹持式双剑引纬过程，图1 3 为送纬和接纬剑头。 浙江理工大学硕士学位论文 图1 2 夹持式双剑引纬过程 图1 3 送纬和接纬剑头 剑头借助刚性杆状结构或挠性带状结构进行传输。前者叫刚性剑杆，后者习惯上叫挠 性剑杆。 刚性剑杆的优点：不需导剑构件，剑头体积小，剑头和剑杆消耗少，保养维修方便。 对于绒类双梭口织物，刚性剑杆是唯一的箭头传输方式。不足之处：织机占地面积大，筘 幅一般不超过2 m 。无完整的筘幅系列，引纬系统惯性较大，不适应高速。 挠性剑杆占地面积小，其中钢带传输是早期产品，钢带和剑头是不可拆焊接件，故剑 头和剑带需同时更换，且钢带耐磨性差，难以在无润滑的条件下运行，如使用润滑油脂， 则将导致增加油污织物的机会，筘幅又在2 m 以内，织机速度也较低。 1 2 2 引纬方式 一般来说，剑杆引纬方式有两种：非分离筘座和分离筘座引纬。 浙江理工大学硕士学位论文 非分离筘座的剑头随筘座的往复摆动作复合空间运动，该引纬机构具有绕轴线转动和 沿引纬方向移动两个自由度，由于其需要将剑头等机构固结在筘座上，会增加筘座的重量 和惯性力，同时剑头运动的平稳性也会受到很大影响，因此不利于织机高速运转。 分离筘座的引纬机构剑头不随筘座运动，当剑杆进行引纬动作时，筘座完全静止，因 此它是只具有沿引纬方向移动的一个自由度的机构，不但结构简单，而且筘座重量大为减 轻，同时由于在进剑时筘座静止，织机震动较小，剑头运行的平稳性增强，有利于提高织 机织造速度。 发展趋势表明，转速在5 0 0 r m i n 以上的剑杆织机，大多采用分离筘座引纬，本文所研 究的空间四连杆引纬机构亦采用分离筘座引纬。 1 2 3 引纬机构的分类 剑杆织机按照剑带的材质，一般可分为刚性、柔性及可伸缩式引纬。主要产品是服装 用面料，由于剑杆织机具有较强的织造灵活性，更换花色花型较其它引纬方式更为方便， 因此多用于多色引纬，可以同时生产多种花样、不同图案的产品。同时剑杆引纬方式属于 积极驱动，故能完成许多比较困难的引纬。 刚性剑杆织机引纬系统的最大优点是积极将纬纱传递到织口中心而不需要任何引导 装置，刚性剑杆织机占地面积小，主要是筘幅宽度有一定的限度。 柔性剑杆织机引纬系统的适应性强，应用范围广，引纬率显著增加，筘幅宽达4 6 0 c m 。 剑杆织机由三个主运动机构和两个副运动机构组成：开口机构、引纬机构、打纬机构、 卷取机构和送经机构。在五大运动系统中，引纬和打纬系统均为转速较高的场合，因此对 运动学和动力学特性有着较高的要求。引纬机构是在经纬交织过程中，实现将纬纱引入梭 口使之能与经纱交织组成织物的机构，因此引纬机构在决定织物质量上起了很关键的作 用，它的运动性能直接决定了织机的质量和效率。高速度、高精度、轻重量、高效能、自 动化、智能化已成为现代机槭制造业的重要标志和发展方向。要满足现代机械的要求，提 高机器的动态性能和工作质量，关键是要解决好机械系统的运动学和动力学问题，所以我 们选取剑杆织机的引纬机构进行研究设计和动力学分析。 分离拓座式引纬机构常见类型有三种，如图1 4 图1 6 所示：变螺距式、共轭凸轮式 和空间连杆式睁川。 4 浙江理工大学硕士学位论文 圈 图i 4 变螺距式引纬机构 图1 5 共轭凸轮式引纬机构图1 6 空间连杆式引纬机构 空间连杆机构是由空间机构部分、平面四连杆部分和运动放大部分组成，机构全部通 过普通铰链联接，控制从动件实现织机所需的往复运动规律叫引。在各类新型剑杆织机中， 以空间四连杆作为引纬方式的织机占有很大的比重，并且呈现出上升的趋势，国际上知名 的纺机公司诸如p i c a n o l 、s m i t 、s u l z e r 等均有类似的织机。空间连杆式引纬机构的优点是： 设计巧妙，结构简单，传动线路较短，运转速度较快，剑带与钢筘间无摩擦，品质适应性 强，特别适合重型织物的织造；各个铰接处均可采用滚动轴承，能实现较高的转速，转动 轻巧，制造加工方便，纬向通路合理，经久耐用，综合性能优良；同时维修和日常维护方 便，参数调整简便。缺点是：与凸轮引纬机构相比，剑头运动规律不够理想，织机幅宽不 大，一般小于2 1 8 m 。 1 2 4 空间连杆式引纬机构及相关领域的研究现状 在空间四连杆引纬机构中，空间机构是最关键和最重要的部分。空间机构的分析和优 化一直是国内外学者的研究对象。目前，国内对空间机构的分析和研究深度与国外相比还 有一定的差距，很大程度还是停留在研究国外高档剑杆织机结构参数基础上，缺乏自主创 新。其中文献【1 4 】通过无缝集成的方法，用e x c e l 与s o l i d w o r k s 建立零件族。基于e x c e l 与三维软件的映射关系，直接导入e x c e l 数值，从而控制零件的生成以实现参数化建模。 但由于该方法不能满足当前盛行的优化与自动建模思想，建模参数不能动态改变，因此只 5 浙江理工大学硕士学位论文 在早期流行。文献【1 5 】提出了三位一体，即动力学分析、有限元分析、参数化建模合为一 体的思想，这种方法能很好的满足先进参数设计趋势，是非常具有发展前景的，但是文章 只是进行了定性的分析，说明此种方法是可行的，却没有定量的举出相应的算例加以证明。 空间机构构型多变，演化形式众多，研究起来较为复杂，同时研究空间机构的文献，大多 是针对比较典型的r s s r 空间四杆机构、r s s r r 空间五连杆机构等进行，对空间四杆机构 的另一种形式r c c c 机构以及它的特殊形式球面4 r 机构研究的不多，研究它在剑杆织机 引纬机构上的具体应用的文献则是更少。文献 1 6 1 简要阐述了首末两轴垂直交叉的r s s r 机构向首末两轴垂直交叉的4 r 机构的转化，列出了其转化条件。文献 1 7 1 第十章阐述了如 何将r c c c 空间四杆机构转化为4 个转动副轴线汇交于一点的球面4 r 机构，并分析了其 在万向联轴节上的典型应用。文献 1 8 1 虽然对4 r 机构做了动力学的简单分析，却未考虑构 件的质量，即忽略了机构自身的惯性力和惯性力矩在运动过程中对机构动力学特性的影 响，因此这种方法具有自身局限性，只能在质量不大或者运行速度不高的场合使用。 对引纬动力学规律的研究还体现在考虑间隙、弹性假设和震动力平衡等方面。一般情 况下，采用碰撞铰模型、连续接触模型和动量平衡法，描述间隙副的运动过程，是国内外 研究含间隙机构动态特性的普遍方法n 蚴1 。连续接触模型是将间隙等价于长度等于间隙半 径的轻质杆，认为该杆与副元素铰接，同时对副元素接触表面作出刚性假设，从而将含间 隙机构转化为无间隙多杆多自由度系统。对于碰撞铰模型，通常采用非线性阻尼、弹簧 接触力等模拟接触表面的动力学特性乜引，但该模型也有局限性，主要阻尼力在接触开始和 恢复阶段是变化的，开始时的非零阻尼力很可能在恢复阶段出现负的接触力和阻尼力之 和，在碰撞速度较高时此类碰撞铰模型误差更加明显。而以经典碰撞理论为基础的动量平 衡法则认为碰撞是瞬间的动作。对于副元素碰撞后速度的变化，此法是采用恢复系数来计 算的，计算效率较高。然而实际应用中，恢复系数通常是经验所得，合理的恢复系数很难 确定，同时也不能确定碰撞载荷的大小。对于机构震动力平衡的研究，常见的是采用配重 法，该方法在机构的所有平衡方法中，是最简单而且有效的乜5 】。与之相同原理的还有质量 静代换方法陋6 1 ，它也是解决机构震动力平衡的有效方法。对于一些特殊机构，可以采用在 该机构上附加其它机构或杆组的方法，也能取得很好的平衡效果他7 1 。而近代机构震动力平 衡理论和方法的基础“线性无关向量法”，有着较长的发展历史，也是被实践证明了 的最有效的平衡方法1 ，它完善地解决了从平面到空间的各种形式的震动力完全平衡问 题，因此占有重要地位堙机圳。 6 浙江理工大学硕士学位论文 1 3 空间连杆式引纬机构的发展与存在的问题 1 3 1 空间连杆式引纬机构的发展状况 从上世纪八十年代起，空间连杆机构便已经被用于剑杆织机引纬系统上，比较典型的 有比利时p i e a n o 公司生产的g t m 系列剑杆织机，同一时期瑞士s u l z e r - r u t i 公司推出的 f 2 0 0 1 型剑杆织机，以及之后意大利s m i t 公司生产的f a s t 系列剑杆织机。 与传统无梭引纬方式相比，空间机构在剑杆织机引纬系统的应用上存在着巨大的发展 潜力和研究价值。例如比利时p i c a n o l 公司在上世纪九十年代推出的g a m m a 系列剑杆织机， 采用的是空间四连杆机构引纬。由于采用了空间机构引纬，该系列织机在维持较高引纬率 ( 可达1 3 0 0 米分) 的同时，亦能降低纬纱张力，并使其保持在较低水平，同时织机筘幅 宽度也能维持在1 9 0 0 3 8 0 0 m m 的较高水平。意大利s m i t 公司与瑞士s u l z e r 公司合并后， 也注重空间连杆式引纬系统的生产和研发，例如其推出的g 6 3 0 0 型剑杆织机，也是采用空 问连杆式引纬系统，入纬率可以达到1 5 4 0 米分，工作幅宽为1 7 0 0 3 6 0 0 m m ，最高速度可 达6 0 0 转分。 图1 7y j 2 0 0 3 型挠性剑杆织机 y j 2 0 0 3 型挠性剑杆织机是近几年我国参考国外机型，并结合我国国情开发的新一代产 品。其引纬传动采用空间球面四连杆机构带动传剑轮作往复回转，以此实现送纬接纬。 1 3 2 存在的问题 在各种新型纺机中，剑杆织机得到了较为广泛的应用，它经过几十年的发展，已经在 工作平稳性、可靠性方面得到了不断的完善。随着社会的发展为了进一步提高织机的工 7 浙江理工大学硕士学位论文 作效率，适应纺织工业发展的需要，对剑杆织机转速也进一步提高，也暴露出功能上的不 足。主要表现为：首先，国产中档纺织机械不能保证所生产产品的质量，产品很容易产生 稀密路等瑕疵，也容易出现横档现象：其次，钢带在织机运行过程中需要润滑，这必然导 致润滑油污染布面；第三，国产中档织机的速度较低，普遍均在2 1 0 转每分钟左右，最高 也只能达到2 3 0 转每分钟；第四，随着织机转速的提高，其工作平稳性和稳定性受到很大 影响。对于国产高档织机而言，这些问题暴露得则更加明显。 由于存在这些不足，国内剑杆织机的发展受到了很大限制。国产纺织机械企业一般规 模都较小，技术含量低，很多产品还停留在仿造国外先进机型的程度上，没有自主知识产 权，只能为其他国家的相关先进企业做o e m ，利润很低。因此1 9 9 8 年以后，国产织机的 销量逐步下降，尤其是在中国加入w t o 以后，外商垄断先进技术，发达国家增加贸易保 护壁垒，民族工业受到很大冲击，国民经济也受到了一定程度的影响。因此随着剑杆织机 转速的提高，若想要发展民族自主创新品牌，则必须对纺织机械关键部位深入研究，如何 保证织机的工作平稳性、可靠性已经是一个迫切需要解决的问题。 1 4 本文主要研究内容 在本课题中，研究的引纬机构采用的空间四连杆的方式引纬，它主要由空间机构、平 面四连杆机构、轮系动程放大机构组成，其中由于空间机构最为复杂，对整个机构的性能 影响很大。因此，本文主要针对空问机构和平面四连杆机构进行专门的研究，同时也对运 动放大部分进行了定量的分析探讨，希望能使其能最大限度发挥良好的工作稳定性能，从 而提高引纬机构的效率、性能和产品质量。 本文主要研究内容如下： 1 ) 空间四连杆引纬机构运动规律分析。 构建了空间四连杆引纬机构各部分的运动学数学模型，编制了m a t l a b 程序对其进 行运动仿真，在此基础上分析探讨了剑杆织机空间四连杆引纬机构参数变化对其运动学特 性的影响，同时定量分析了转速和曲柄长度变化对引纬机构运动规律的影响。 2 ) 空间四连杆引纬机构参数分析及优化。 全面分析了空间四连杆引纬机构各参数间的关系，在众多参数中提出了可优化参数， 定义纬纱交接区间，建立了杆长变化对引纬规律影响的目标函数，采用遗传算法对可优化 参数进行多目标加权评价，并运用m a t l a b 编制了辅助分析软件，分析优化了该引纬机 8 浙江理工大学硕士学位论文 构参数。 3 ) 空间四连杆引纬机构动力学仿真分析。 建立了空间四连杆引纬机构各部分的动力学数学方程，并使用p r o e 软件建立机构三 维模型，在a d a m s 软件中进行了仿真。 4 ) 探索空间四连杆引纬机构震动力的平衡问题。 通过a d a m s 软件分析了该引纬机构对与机架相连的运动副的受力状况。对该引纬机 构震动力完全平衡进行了探索性的分析，并尝试通过改变相关机构质心位置，探索空间四 连杆引纬机构的震动力平衡问题。 9 浙江理工大学硕士学位论文 第二章空间四连杆引纬机构运动学分析 本章采用代数解析方法，在构建空问四连杆引纬机构各部分运动学数学模型的基础 上，编制了m a t l a b 程序，对其进行运动仿真，定量分析了连杆长度、摇杆长度、曲柄 长度和转速变化对剑杆织机空间四连杆引纬机构运动规律的影响，并重点探讨了曲柄长度 变化对引纬机构运动规律的影响，得出了相应结论。其中运动学分析计算得出的一些参数 将为后续章节的动力学分析打下基础。 2 1 常见引纬方式及机构分析方法 引纬机构是剑杆织机的五大核心机构之一，功能上可以实现经纬交织时纬纱梭口的引 入，从而交织成所需的织物纹理。剑杆织机有非常广泛的品种适应性，配合电子提花机或 者电子多臂机，则更能发挥其在色织上的优势，因此剑杆织机通常被用来织造图案复杂、 色彩多变的高档宽幅织物，应用广泛。剑头在引纬过程中，始终积极控制着纬纱，因此对 于有剑头牵引的剑杆织机而言，其引纬失误少，入纬率和可靠性较高，因此可以实现纱线 各种方式的引纬。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， 引纬机构设计的好坏直接决定了整机性能的优劣】。常用的剑杆织机引纬方式大致可以分 为差动轮系连杆引纬、变螺距螺旋传动引纬、电子引纬、共轭凸轮引纬和空间四杆引纬五 种。 对某一机构而言，构件不都在同一平面内作平面平行运动，则称之为空问机构，或者 可以表述为：机构中至少有一构件不在相互平行的平面上运动，或至少有一构件能在三维 空间中运动的机构。与平面机构相比，空间连杆机构在实现构件的空间运动方面具有构件 数少、结构简单等优点，而且可实现平面机构不可能实现的某些运动，因此被广泛的应 用于各种机构中，空间四杆引纬机构便是其中一例，因此对其进行运动分析具有很重要的 价值和意义。 传统的分析方法主要有解析法和图解法。图解法是最重要的方法和工具之一，通过简 洁直观的作图，可以使复杂、抽象的问题变得简单、具体化。但是虽然图解法简单直观， 却存在作图精确度较低、尺寸不精确、效率相对低下的缺点。在要求研发周期短、产品高 精度、高可靠性的今天，这些缺点很大程度上限制了其应用范围和发展空间；解析法是指 浙江理工大学硕士学位论文 用解析式表示函数的方法。解析法计算精准，但计算量较大眦1 。但是随着计算机以及计算 机辅助技术的发展，特别是m a t l a b 等一些专业软件的使用，大量繁琐计算得以简化， 因此也为解析法的发展铺平了道路l 川。 2 2 空间引纬机构分析 图2 1 是空间四连杆引纬机构的运动简图。 9 冀 图2 1 空间四连杆引纬机构运动简图 2 2 1 结构分析 空间四连杆引纬机构可以分为三个部分：空间机构、平面四连杆机构和运动放大系统， 其本质上是一套由空间曲柄摇杆机构、平面四连杆机构和齿轮机构等基本机构组成的串联 式组合机构。如图1 所示，其中l 为曲柄，倒长度为厶；2 为叉形架；3 为摆臂，b c 长 度为厶；此三部分构成空间机构部分。b c 杆亦为平面四连杆机构的驱动构件。杆4 为连 杆，长度为厶；构件6 为扇形齿轮，可简化为d e 杆，杆长为厶，长度可调，传统方法是 通过调节厶来改变织机动程。c 和e 均为固定铰链。此四部分构成平面四连杆机构部分。 浙江理工大学硕士学位论文 构件6 为扇形齿轮，构件7 为小齿轮，构件8 为剑带盘，构件9 为剑带，此四部分构成运 动放大系统。 2 2 2 运动原理分析 与常用的r s s r 空间曲柄摇杆机构不同，该空间机构为r c c c 空间四杆机构的一种特 殊形式球面4 r 机构，其设计独特，采用先进的四相绞轴技术，用不易磨损的铰链副 代替了易磨损的球副，能够省略一组换向机构，保证了传动构件的运动准确性和机构耐用 性抽钉。同时空间四连杆机构还具有传动链短，机械刚度好，易保证系统织造精度，加速度 峰值较低，能很好地减少纬纱断头率等优点。 串联式组合机构的特点就是前一级子机构的的输入构件是下一级子机构的输入构件， 本文研究的空间四连杆引纬机构就属于这种情况。如图2 1 所示，曲柄1 在垂直于纸面的 平面内作匀速圆周转动，带动叉形架2 做空间运动。叉形架2 空间运动形式比较复杂，它 可以看作是两种摆动的叠加，即在平行于纸面的平面内做往复运动，此往复运动即为平面 四连杆机构的输入运动，以及绕3 杆的摆动。此时叉形架2 的空间运动已经转变为b c 杆 的往复摆动，从而带动平面四杆机构作往复运动。通过轮系放大机构，最终转化为剑带的 往复直线运动。曲柄l 位于最下位置和最上位置，为该机构的两个极限位置。其运动传递 方式和顺序如图2 2 所示。 平面四连杆。 机构 ，一 运动放大系统 原动机输入卜搠j - 2 肭- 3 卜 6 ( 5 ) - 7 8 3 - 4 - 5 佑) ， 图2 2 运动传递方式 2 3 引纬机构运动数学模型的建立 本节将通过代数解析的方法分别建立空间四连杆引纬机构空间部分、平面四连杆部分 和运动放大系统三个主要部分的数学模型，作为后续参数赋值、编程计算、运动学分析以 及仿真建模的依据。 首先对公式中的相关符号做简要说明，见表2 1 。 浙江理工大学硕士学位论文 表2 1 引纬机构相关符号说明 符号说明 z o x 平面内以z 轴为始边o a 杆角位移 a b 杆与x 轴的角位移 a b 杆与y 轴的角位移 a b 杆与z 轴的角位移 y o z 平面内以y 轴为始边c b 杆角位移 y o z 平面内以j ，轴为始边d e 杆角位移 b e 连线与y 轴的角位移 y 轮直径 石构件的杆长( 其中厶= k ) 2 3 1 空间机构数学模型 图2 3 空间机构运动简图 ( 1 ) 建立所需位移方程 如图2 3 所示，侧杆在z o x 平面内转动，b c 杆在y o z 平面内摆动。通过矢量方程 o a + a b = o c + c b 可得 y y f 工 嚯 r 4 厶 浙江理工大学硕士学位论文 由图可知 2 一( 1 ) 争旭，怪蓑法 h 2 ， 按照图示位置为初始位置，则有x a = l l s i n a , y 2 ( 3 ) l 一一工1 c o o ， c o s 2 锡，+ c o s 2 ，+ c o s 2 ：= 1 2 ( 4 ) i c o s t z 2 ，= 一厶= 4 由2 - ( 2 ) 式可得 c o s ，= ( + l ，c o s ，) 厶= 4 2 - ( 5 ) l c o s ：= ( l 3s i n 晓3 ，一乃) 厶= 4 联立2 - ( 4 ) 、2 一( 5 ) ， # + y d + z + 鹭一置= 2 厶0 虿i i 2s i n ( ，+ 咖，其中c 。s 缈= 乃= i i 西 令彳：x + y 2 - + f ：； + ；4 ：一- l l ， 2 厶露+ z 化简可得么= 蔓二簋 磐 2 ( 6 ) 2 l b c o y c 2 + z 二 贝4s i n ( 。+ 伊) = a 妒角在( 妄万，2 z c ) 内变化，正弦值可求得妒角的唯一解。 由此求得角位移。除了公式推导，还可利用m a t l a b 差分函数，求得相应的角速 度和角加速度。 同样沿用上述空间机构坐标系，可得儿、： y b = y ，c + 厶0 8 x 2 ( 7 ) l 2 岛。s i l l 吗， 若假设杆件质量均匀，每个构件的质心均位于杆件中心，则可得： 鸭 咖 厶厶 + j 二 宅虼 = = = 咖咖砌 螂 瞄 哪 厶厶易 + + + 硝虼乃 ，i-i(1-il 浙江理工大学硕士学位论文 曲柄o a 质心位移为 连杆a b 质心位移为 摇杆c b 质心位移为 l 五2 s i n ， 咒= 0 厶 气2 c o s t z i ， 屯= 而+ 鲁c o s ， l y 2 2 j 2c o s j ， z 2 = 乃+ 等c 。s ： 2 - ( 8 ) 2 - ( 9 ) 玛= 0 乃：冬c o s ，+ y c 2 ( 1 0 ) 乃2 亏洒+ 2 。( 1 0 厶 z 32 s m ，1 ( 2 ) 建立所需速度方程 由式2 - ( 1 ) 对时间t 求导，得 l 屯一啦。岛s i n t 9 2 ，= 0 幺y 厶s i nc z 2 j ，一吃，厶s i n a 3 ，= o 2 - ( 1 1 ) 【一幺：厶s i n a 2 ：= 吃，厶c o s a 3 ， 由方程2 - ( 1 1 ) 第1 个式子得 在2 ，= ：c a l 2s i na 么2 - ( 1 2 ) 由式2 - ( 4 ) 对时间f 求导，整理得 如。s i n 吃。+ 啦，s i n 哆，+ 啦：s i n ：= 0 2 - ( 1 3 ) 将式2 - ( 11 ) - - 与2 - ( 1 3 ) 联立，是四个未知数对应四个独立一阶线性方程，即可解得嘞， 幺，啦：和岛，。同理，对其他位移表达式求一阶导数即可得相应的速度方程，但由于后 续动力学分析计算使用不到，为避免公式冗繁，在此不一一列出。 ( 3 ) 建立所需加速度方程 由式2 - ( 1 1 ) 再对时间t 求导，得 l 艺一幺，厶s i n a 2 ，一度乞厶c o s a 2 ，= 0 吃y 厶s i n o f 2 y + 磅岛c o s 口2 y 一弦，z 3 s i nc r 3 ，一嚷l 3 c o s a 3 ，= 0 2 - ( 1 4 ) l 乞一嘞：如s i n a 2 ：一皖乞c o s 口2 ：= 弦，厶c o s t r 3 ，一最厶s i n a 3 ， 由式2 - ( 1 3 ) ：d 王再对时间t 求导，可得 眩s i i l 吆+ 馥c o s o ；+ 略咖+ 商0 0 s + 噬如吃+ 磋c o s c 乞= 0 2 - ( 1 5 ) 将式2 - ( 1 4 ) 与式2 ( 1 5 ) 联立，同样为四个未知数对应四个独立一阶线性方程，即可求 得吃。、吃，、必。和弦弘。 对式2 ( 8 ) 求二阶导，得曲柄洌质心加速度 对式2 ( 3 ) 求二阶导，得曲柄上彳点加速度 对式2 ( 9 ) 求二阶导，可得连杆a b 质，i , i i i i 度 艺= 屯一鲁必，s i n ，一冬砝c 。s ， ：。- = - 争t l 2 - - z ，s i n y 一冬西刍c 。s ， ： j ，s l n y 一号口矗c o s ， 乞= 乞一鲁嚷：s i n 吃：一每在乏c 。s ： 对式2 - ( 1 0 ) 求二阶导，即可得摇杆c b 质心加速度为 蔫= 0 只= 一鲁魄= s i n ，一l 2 3 d ，2 ，c o s ， 乏= 鲁弦，c o s ，一鲁商s ；n 鸭， 2 - ( 1 6 ) 2 - ( 1 7 ) 2 - ( 1 8 ) 2 - ( 1 9 ) ， m 倪 口 厶一2 厶一2 一 o 一 = = = 墨 乃 乙 ， b 嘶 洫 s o 2 砂 2 眇 口 口 厶 厶 一 o 一 = = = 。：儿。乃 浙江理工大学硕士学位论文 2 3 2 平面四连杆机构数学模型 图2 4 平面四连秆机构运动简图 ( 1 ) 建立所需位移方程 研究平面四杆机构时沿用之前的坐标系，它与前述空间机构部分通过。传递运动关 系。设h e 连线与x 轴的夹角为，则在新的坐标系下，有： 妇2 + ? s 呜， 2 - ( 2 0 ) 【z h2 z c + ks i l l 。 设h e 连线与y 轴的夹角为，则 t a np = 心h z e ) ( y h y e 、) 2 - ( 2 1 ) 根据余弦公式，有 0 0 s ( 一历= 睡+ 魄一赡) 2 + 纯一锄) 2 一z 2 ，叫。2 厶托i 瓦了瓦葡】- 4 2 - ( 2 2 ) 联立2 - ( 2 1 ) 、2 - ( 2 2 ) ，可先求得出，再求得，从而求得相应的角速度和角加速度。 y d 2y e + l 5 c o s a 5 1 2y h + l 4 s a x 【z d = + 厶s i n ，2 钿+ 厶s i n x 通过上式得到，t 锄，= ( z d z 片) l ( y o - y x ) 从而可以通过反正弦函数求得，。 c h 杆质心坐标： 乃= 等c o s ， z 3 = 等s i n 呜， 1 7 2 一( 2 3 ) 2 - ( 2 4 ) 2 - ( 2 5 ) 浙江理工大学硕士学位论文 h d 杆质心坐标： 对十瑶杆