（机械设计及理论专业论文）精梳机主运动的方案设计及三维仿真研究.pdf

精梳机主运动的方案设计及三维仿真研究 摘要 本文对精梳机主运动中的钳板机构及其钳板轴传动机构进行了 新的方案设计。 首先，文章对精梳机的发展现状、工艺及主运动机构进行了研究， 分析得出限制精梳机梳理质量及车速的主要原因。 接着，根据分析结果，结合机械运动方案设计原理，通过考察钳 板机构在精梳过程中的功能并按功能分解原理，对精梳机的钳板机构 进行了创新设计，即将原来的下钳板按其功能进行分解，形成固定的 下钳板、运动的轻薄的托板及衬垫，使得钳板运动组件的重量大大降 低。随之，对钳板机构及其驱动机构进行创新设计，即通过采用机械 创新设计原理再生运动链法设计出符合新原理方案的钳板机构( 六杆 机构) ；在机构选型过程中，成功运用c a t i a 和a d a m s 进行初步运 动仿真与辅助分析进行筛选；接着对新的机构运用系统工程评价法进 行了评价选优，得出新的运动方案。 然后，对以上的方案进行尺度综合，主要分为钳板机构的优化设 计、加压弹簧设计和共轭凸轮设计。钳板机构的优化设计是轨迹再现 类型的，即希望托板前沿的轨迹与现有精梳机下钳板唇口的轨迹相 同，约束条件为一系列防干涉及运动学与动力学性能条件；在加压弹 簧设计中对弹簧必要的参数进行了选择、计算，并校核了弹簧的疲劳 强度和防止共振；共轭凸轮设计中对凸轮的基本尺寸进行了优化设 i 计，并根据工艺要求和该机构的速度类型选择了五次多项式的运动规 律设计了凸轮轮廓。 最后根据运动尺寸在c a t i a 中建立装配模型，并进行运动仿真， 检验其干涉情况及运动特性，再将该模型导入a d a m s 作动力学分 析，完成了精梳机主运动方案的创新设计。 关键词：精梳机，钳板机构，方案设计，再生链运动法，优化设计， 三维仿真 i i t h es c h e m ed e s i g n o fm a i nm o t i o nf o rc o m b i n gm a c h i n e a n di t s3 ds i m u l a t i o nr e s e a r c h a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h en i p p e ra n di t sd r i v em e c h a n i s mo nc o m b i n g m a c h i n e f i r s t l y , t h ep a p e rc o n c l u d e ss e v e r a lk e yf a c t o r st h a tr e s t r i c tt h e q u a l i t ya n ds p e e do fc o m b i n ga f t e rs t u d y i n gt h ed e v e l o p m e n to fc o m b i n g m a c h i n e ，i t sf u n c t i o na n di t sm a i nm e c h a n i s m s s e c o n d l y , t h i sp a p e rr e d e s i g n st h en i p p e ru n i ta c c o r d i n gt ot h ea b o v e c o n c l u s i o n ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm e c h a n i c a ls c h e m ea n dc o m b i n g f u n c t i o n t h ek i n e t i cl o w e rn i p p e ru n i ti sd i v i d e di n t ot h r e es e g m e n t s c o m p r i s i n gal o w e rn i p p e rw h i c hi sf i x e do nf r a m e ，ab e dp l a t ea n dap a d w h i c ha r eb o t hf i x e do nt h en i p p e ru n i t t h eb e n e f i to fa l lt h e s ec h a l , g e s i st h a ti t g r e a t l y r e d u c e st h et o t a lm a s so ft h e n i p p e rm o v e m e n t s u b a s s e m b l y m e a n w h i l et h en i p p e rm e c h a n i s ms h o u l db er e d e s i g n e dt o m e e tw i t ht h en e wp r i n c i p l eo ft h em e c h a n i s m a n dt h i sp a p e ra p p l i e st h e d e s i g nm e t h o dc a l l e dr e g e n e r a t i o nm o t i o nc h a i nt od i s c o v e rt h i sk i n do f n e wm e c h a n i s m d u r i n gt h ep r o c e s so fc h o o s i n gt h em e c h a n i s m ，t h i s p a p e rm a n a g e st om a k eg o o du s eo fc a t i aa n da d a m sf o ri n i t i a l i l l d e s i g na n da n a l y s i s a f t e ra l la b o v ea r ef i n i s h e d ，t h i sp a p e rc h o o s e so n e o ft h eb e s tt h r o u g ht h ee s t i m a t eo fs y s t e me n g i n e e r i n ga s s e s s m e n t t h i r d l y , i to p t i m i z e st h en i p p e rm e c h a n i s ma n dr e d e s i g n st h es p r i n g a n dc o n j u g a t ec a m t h eo p t i m i z a t i o no ft h en i p p e rm e c h a n i s mi n v o l v e s t h er e s t r u c t u r eo ft r a c e i tm e a n st h a tt h et r a c ea l o n gw h i c ht h ef r o n t b o r d e ro ft h eb e dp l a t eg o e ss h o u l db ea st h es a m ea st h a to ft h ec u r r e n t c o m b i n gm a c h i n e sa sp o s s i b l ea si tc a n t h e r ea r em a n yr e s t r i c t i o n si n t h e o p t i m i z a t i o n i n cl u d i n gt h e a n t i i n t e r f e r e n c e ，q u a l i f i c a t i o n s f o r k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sc a p a b i l i t y t h ep a r a m e t e r so ft h es p r i n ga r e c a r e f u l l yd e s i g n e dt os a t i s f ya l lt h er e a lr e q u i r e m e n t s ，a n dt h es p r i n gi s c h e c k e dw i t ht h ef a t i g u e i n t e n s i t ya n dr e s o n a n tv i b r a t i o n s t h eb a s i c d i m e n s i o no ft h ec a mi sa l s oo p t i m i z e d d u r i n gt h ec o n j u g a t ec a md e s i g n ， t h e 5 - d e g r e ep o l y n o m i a lm o t i o ni sc h o s e na c c o r d i n gt ot h ec o m b i n g f u n c t i o na n dt h es p e e dt y p eo ft h ec a m l a s t l y , t h ea s s e m b l ym o d e lo ft h es c h e m ei se s t a b l i s h e di nc a t i at o b em a d ea na n a l y s i so fb o t hk i n e m a t i c sa n di n t e r t e r e n c e ，t h e nt h ec a t i a m o d e li s t r a n s p o r t e d i n t oa d a m sa n ds o m e d y n a m i ca n a l y s i s i s a c h i e v e d ，t h es c h e m ed e s i g no ft h ec o m b i n gm a c h i n ei sf i n i s h e d k e yw o r d sc o m b i n gm a c h i n e ，n i p p e rm e c h a n i s m ，s c h e m ed e s i g n ， r e g e n e r a t i o nm o t i o nc h a i n ，o p t i m u md e s i g n ， 3ds i m u l a t i o n 附件一： 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：右 建 日期：，洲r 年，月io 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全j ，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e i j 件和l u 了版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本学位沦文的令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j i l ：编奉学侮论虹 保密d 杓：2 年解密后适用奉版权书。 本学位沦艾穰丁 ，1 i f 泶常口。 学位沦文作青爷名： 秀 盎 指导教师签名： 珈埒 羽删年抄7 r 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 精梳机的任务 精梳机是纺纱升档的必需产品，随着人民生活水平的逐渐提高及加入 w t o 给我们带来的巨大的出口机遇，精梳机的发展前景是广阔的。 精梳需达到的工艺指标如下： ( 1 ) 精梳条乌斯特条干c v 值在3 8 以下： ( 2 ) 精梳落棉含短绒率在7 0 以上； ( 3 ) 精梳条含短绒率在8 以下： ( 4 ) 精梳后棉结清除率不低于1 7 ，相对生条杂质清除率5 0 以上； ( 5 ) 精梳条机台内重量不匀率在0 6 以下，机台间重量不匀率在 0 9 以下。 1 2 精梳机发展现状 ( 1 ) 国产精梳机发展及现状 从1 9 5 8 年上海国棉二厂仿制第一台精梳机以来，经过4 0 多年的发展， 我国精梳机的研制取得了巨大成就，速度由原来的1 0 0 多钳次分提高到现 在的3 5 0 钳次分。但是由于我国精梳机的机型繁多、品种不一，精梳机的 工艺速度水平与纺纱质量水平差别很大。目前按精梳机的工艺速度可分为 四个层次：第一层次是工艺速度在3 0 0 钳次分以上的高效能精梳机，如 f a 2 6 6 型、f 1 2 6 8 及c j 4 0 型精梳机；第二层次是工艺速度在2 0 0 - - 3 0 0 钳 次分的精梳机，如f a 2 6 1 型等；第三层次是工艺速度在1 6 0 - 1 9 0 钳次 分的精梳机，如f a 2 5l 型等：第四层次是工艺速度在1 2 0 l5 5 钳次分的 精梳机，如a 2 0 1 各个系列，其中以a 2 0 l 系列最多，约为7 2 0 0 台，占了 近一半，由此也可以看出，国内的精梳机市场有很大发展空间。 ( 2 ) 国外精梳机发展及现状 在国外，精梳机最早发明于18 4 6 年，钳板为固定式，以发明者海尔曼 硕士学位论文 第一章绪论 的名字命名。1 9 0 0 年英国的纳斯米史将其钳板改成前后摆动式。国外精梳 机经历了较长时间的缓慢发展时期，到2 0 世纪七八十年代，随着世界科 学技术的飞速发展，带来了精梳机和精梳投术快速发展的新阶段。国外著 名的精梳机生产厂家有瑞士立达公司和意大利马佐里公司。2 0 世纪7 0 年 代以来，瑞士立达公司相继推出了e 7 2 ( 2 5 0 钳次分) 、e 7 4 、e 7 5 、e 7 6 、 e 6 0 、e 6 0 h 、e 6 1 、e 6 2 ( 3 5 0 钳次分) 等一系列高性能精梳机。意大利马 佐里公司自上世纪6 0 年代以来也相继推出了c 8 、p 1 、p 2 、p x l 、p x 2 ( 3 5 0 钳次分) 1 - 8 , 5 0 5 3 】。 1 3p x 2 型精梳机的主要技术特征【1 1 】 本课题的研究是基于当今广泛采用的精梳技术，可以国外先进精梳机 为参照，根据实际条件，这里以p x 2 型精梳机为参照，因此先对该机型主 要技术特征作简要介绍，其主运动机构的特点将在下面的章节中陆续作介 绍。 p x 2 型精梳机是由意大利马佐里公司研究开发的，上海纺机总厂于 l9 9 3 年与马佐里公司签约共同生产该机型，其最高工艺速度为3 5 0 钳次 分，仍是世界上高速精梳机之一。主要技术规格如表l l ： 表l lp x 2 型精梳机主要技术特征 项目技术规格项目技术规格 输入小卷数8 给棉长度( m m ) 4 5 7 - 5 8 9 输出棉条根数l 有效输出长度( m m ) 3 2 2 5 工艺速度 ( 钳次分) 3 5 0 小卷宽度( m m )2 6 7 ，3 0 0 ，3 0 5 牵伸形式四上五下 小卷定量( g m ) 5 0 - - 7 0 牵伸倍数 8 3 7 1 5 8 l 小卷最大直径( m m )6 0 0 牵伸加压型式 气动加压 小卷重量( k g ) 2 5 落棉率( ) 5 2 5 输出棉条定量( g s m ) 1 8 2 4 给棉方式 前进、后退 产量( k g 台h ) 4 0 m 位论i第章绪论 1 4 精梳机主运动机构简介 141 精梳机的主运动之钳板机构【1 h 2 】 精梳机的性能主要由主运动机构的优良决定，主运动机构主要包括 分离罗拉传动机构、钳板机构、喂给机构构等。其中又数钳扳机构最为 复杂，最重要，钳板机构性能的优劣直接决定了精梳质量的好坏与精梳 速度的高低，因此本课题研究主要集中在对钳扳机构上，以下是对主运 动机构中的钳扳机构的简要介绍。图1 1 为p x 2 型精梳机的钳板机构 图。 k 麓呐 围l l p x 2l ，精梳机的钳扳机构 如上图所示，精梳机钳板机构由上下钳板、钳板摆动机构和钳板轴传 动机构等组成，其作用是咬台棉层供锡林梳理，并将锡林梳理过的须丛送 到分离钳口进行结合分离，同时通过钳板摆轴传动给棉罗拉、顶梳和尘笼 等机构运动( 锡林未画上) 。 根据下钳板的摆动中心( 也即f | ，摆杆的摆动中心) 相对于锡林轴的位 霄高低分为可将钳板机构型式分为以下三种，如图l - 2 ： 伊k 弧 硕士学位论文 第一章绪论 上支承式 下支承式 图1 2 三种型式的钳板机构 中支承式 其中中支承式的钳板结构简单，钳板座连杆在前后摆动过程中作近 似平动，其梳理隔距基本上是等隔距梳理的，梳理比较彻底。现在的高 性能精梳机如p x 2 、瑞士的e 系列等精梳机上都采用中支承式的机构。 钳板摆轴传动机构主要有以下两种： ( 1 ) 导杆机构，如图1 3 ：机构简单可靠，在a 2 0 l 系列、e 7 5 及 p x 2 型精梳机上都是采用了此机构。 ( 2 ) 双曲柄机构，如图l 一4 ：同样能满足工艺要求，f a 2 5 1 型机采 用此机构。 硕士学位论文第一章绪论 锡林 图1 - - 3 导杆机构图1 4 双曲柄机构 1 4 2 精梳主运动机构的运动配合【1 4 】 机上各运动构件的正确配合关系，由装在精梳机动力分配轴( 锡林轴) 上的分度盘来指示，盘上沿圆周分为4 0 等分，每一等分为9 0 表示一个分 度。当锡林回转一圈，亦即分度盘回转一圈，精梳过程完成一个工作循环， 称为一个钳次。精梳机的每个钳次可分为互相连续的四个阶段。 ( 1 ) 锡林梳理准备阶段 如图l 一5 所示。本阶段中，钳板后退，分离罗拉从正转到停止，顶 梳开始后退时，仍有须丛留在锡林锯齿当上钳板下降时，将须丛下压，使 其脱离顶梳针尖，同时，锡林锯齿逐步转向钳唇下方，准备梳理。 ( 2 ) 锡林梳理阶段 如图l 一6 所示。本阶段中，上下钳板以一定的咬合力闭合，棉层须 丛的前端在上钳唇的压制下向下弯曲，被锡林梳理，梳理过程中，钳板先 退后进，但是幅度较小，基本不影响锡林梳理。同时，给棉罗拉不转，分 离罗拉也基本处于静止状态。 硕士学位论文 第一章绪论 分离罗拉 顶 后摆 棉罗拉 钳板 图l - - 5 锡林梳理准备阶段 林 图i 一6 锡林梳理 图1 7 接合分离准备阶段图l - - 8 接合分离与顶梳梳理阶 ( 3 ) 接合分离准备阶段 如图l 一7 所示。本阶段中，分离罗拉倒转开始前锡林梳理结束，钳板 继续向前摆动，逐渐接近分离罗拉。分离罗拉倒转，将上一工作循环输出 的棉网尾端倒入机内，准备与锡林梳理过的须丛前端接合，随后正转输出。 此时项梳仍跟随钳板机构向前摆动，未参与梳理。 ( 4 ) 接合分离与顶梳梳理阶段 如图1 8 所示。本阶段中，钳板前摆，使得钳口外最长纤维首先到达 分离罗拉钳口。分离罗拉的正转使倒入机内的棉网与新梳理的须丛前端相 叠合输出，完成接合分离。在须丛进入分离罗拉钳口后，须丛被抽引紧张， 并挺起呈直线状态，同时嵌入顶梳，被分离的纤维慢速向前运动，从顶梳 硕士学位论文 第一章绪论 针隙抽过而被梳理。钳板、顶梳前摆时不断有纤维进入分离罗拉钳口而形 成逐次分离，须丛被牵伸拉薄成棉网，直到前摆至最前位置，不再有纤维 进入分离罗拉钳口而分离结束，开始新的工作循环。 1 4 3限制精梳机发展的几大问题【1 5 1 8 】 精梳机经过l o o 多年的发展，无论从其速度还是梳理质量都有了显著 提高，通过调研及参考的文献资料上我们得知，精梳机分离部分机构发展 至今较成熟稳定，出现的问题也较少，限制精梳机发展的问题主要集中在 钳板部分。 ( 1 ) 高速摆动机构的振动 钳床组件的强迫振动：由于各精梳头内钳床由同一钳轴驱动，系统重 量在振动时，所有位移均作同相位、同频率的振动。在往复摆动机构中， 激励力产生的系统振动，可有纵向、横向、扭转振动及这些振动的耦合振 动。其中激励力的来源有：摆动钳床组件的偏心：加速度的变化；上钳板 定时的近似冲击性的施压：上钳板施压后的切向分力等。 ( 2 ) 工作流场的影响 锡林、钳床与分离罗拉组成的动态三角工作区中紊乱的气流对新旧纤 维网接合的影响是高速化之后不得不重视的一个问题。在接合分离阶段， 由于工艺需要，三角工作区已缩至最小的空间范围，进入此三角区的各种 气流流速趋急，气流工况激化。由于要搭接的新旧纤维都是质地及其轻柔 的纤维网，一遇“风吹草动”就容易“流离失所”，故工作流场的工况对 纤维网能否顺利接合有重要的影响。 ( 3 ) 新、旧纤维网的结合 主要是梳理后新纤维网前端纤维的抬头时间。一般地，结合分离阶段 约占6 8 个分度，随着精梳机速度的提高，可供纤维抬头的时间相应减 少。而梳理后新纤维网前端较长的纤维质地最为轻柔，能否在这极短的时 间内完成设计意图，不定因素太多。 硕士学位论文第一章绪论 1 4 4 现有的解决方案【1 9 2 1 】 精梳机高速化以后，这几个问题一直困扰着工程技术人员，为此他们 作了大量的改进优化工作，拟将这些弊端的影响降至最低。主要包括： ( 1 ) 优化钳板四连杆摆动机构，使钳板最大往复运动动程及加速度 值减小，以降低高速时的振动与冲击。 ( 2 ) 减轻钳板运动组件的重量及优化其结构，以减小钳板运动组件 的运动惯量，有利于减轻其往复运动惯性力。 ( 3 ) 改动分离罗拉传动机构并提高其加工精度。采用外差动式行星 轮系以减小传动齿轮的转动惯量，可减轻冲击，降低车头传动噪声和有利 提高车速：优化连杆尺寸及齿数配比，以改善分离罗拉的力学、工艺性能。 ( 4 ) 添加三角气流板、严格设计在接合分离阶段对给棉钳口于分离 钳口的距离及两钳团连接向的斜率、顶梳的高低上钳口开口大小以及选定 接合瞬间在锡林梳齿板被毛刷清扫时进行，这些都是为了减小气流的负面 影响而作出的努力。 大量的改进工作虽缓和了矛盾，但随着精梳机速度的进一步提高，这 些矛盾又重新显现出来，继续作一些优化改进工作对高速化、高稳定性的 要求作用逐渐不明显。因此我们应该突破常规，大胆创新，对精梳机的主 运动部分作创新设计，以满足现代精梳机高速、高质量、稳定的要求。 1 5 课题的研究意义及本论文主要研究内容 ( 1 ) 课题的研究意义 1 ) 高速、高质、稳定、低振动、低噪音、适纺性强是衡量精梳机现 代化水平的其中几个重要标志。 从文献【5 9 】中解到，精梳机的速度在不断提高，高速化是衡量精梳机 现代化水平的重要标志之一。但是由于工艺及机械上的限制精梳机的工艺 速度至今未突破4 0 0 钳次分，由于文献提出的几大问题，精梳机速度似乎 很难再有大的提升。国内最高记录是瑞士立达公司推出的e 6 2 型，其最高 生产速度是3 8 5 钳次分。可以想象，若能开发出工艺生产速度达4 0 0 钳次 分的精梳机，将会受到市场的热烈响应。 硕士学位论文第一章绪论 即使新方案不能超过现在的最高速度，如果能在相同的速度下改善梳 理质量、提高稳定性、减小振动、冲击等问题，并使得其适纺性增强，也 不失为可行的方案。 2 ) 自主的知识产权。 世界著名厂商的纺机厂都在欧洲，他们拥有相关的自主知识产权，由 于国产精梳机大都是通过消化吸收为主的，国产精梳机进入世界市场必然 会受其限制。因此我们必须从模仿的思路中走出，踏踏实实的走技术创新 之路，大胆的去发现问题解决问题，从而引出解决问题的方案，解决问题 的同时就意味着技术进步。 由此可以看出，如果能够提出新的方案，解决目前困扰工程技术人员 的难题，其意义是深远的。 ( 2 ) 本论文主要研究内容 课题主要对精梳机主运动作新方案设计及对其进行三维仿真研究。研 究内容如以下各章所述： 第一章：介绍精梳机的发展、工艺、主运动机构及存在问题，并着重 介绍了p x 2 型精梳机的技术及机构特点。 第二章：运用功能分解原理，提出新的机械实现形式，继而采用机械 创新设计原理再生运动链法对精梳机的钳板机构及其驱动机构进行创新 设计，经方案选型及评价并辅以计算机仿真最后得出合适运动方案。 第三章：采用优化设计方法确定新方案中钳板机构的运动尺寸。 第四章：结合弹簧的受力条件，查表计算得出弹簧的各个主要参数， 对疲劳强度和振动作出校核，最后仿真检验。 + 第五章：根据精梳工艺确定共轭凸轮从动摆杆运动规律，运用优化设 计方法确定共轭凸轮基本尺寸，并对该共轭凸轮作仿真检验。 第六章：根据运动尺寸在c a t i a 中建立装配模型，并进行运动仿真， 检验其干涉情况及运动特性，再将该模型导入a d a m s 作动力学分析。 第七章：得出结论，指出研究成果及方案的优缺点。 硕士学位论文 第二章运动方案设计 第二章运动方案设计 2 1 引言 机械运动方案以至机械运动简图设计是机械产品设计的第一步，也是 决定机械产品质量水平高低、性能优劣和经济效益好坏的关键性一步【2 2 1 。 在充分了解了现有精梳机主运动机构的特点之后，本章将根据机械运 动方案设计的内容和步骤对主运动中的钳板机构及其驱动机构作新的方 案设计。设计过程中充分利用创新原理指导设计，并利用计算机三维辅助 设计软件完成方案论证、分析及验证可行性。 2 2 机械运动方案设计的内容和步骤 2 2 1 机械运动方案设计的内容和步骤【2 2 j 机械运动方案设计可大致分为以下几个内容和步骤： ( 1 ) 功能原理方案的设计与构思； ( 2 ) 工艺动作分析及运动循环图的确定； ( 3 ) 机械系统的型综合：也就是机械运动方案的确定，它是根据机械 产品的工艺动作过程选用合适执行机构，用一定的组合方式构成机构系 统来完成机械产品的功能： ( 4 ) 机械运动系统的尺寸综合：也就是机械运动简图的设计，将机械 运动方案中各个运动尺寸计算确定之后就得到机械运动简图，尺寸综合 将在后面章节中阐述，本章不涉及。 2 2 2 机械设计软件在方案设计中的运用 在本课题的研究中主要采用三维设计软件c a t i a 和多体动力学分析 软件a d a m s 进行辅助设计、分析。 本课题采用c a t i av 5 版本。本课题主要采用其中的零件设计( p d g ： c a t i ap a r td e s i g n ) 、创成曲面设计( g s d ：g e n e r a t i o ns h a p ed e s i g n ) 、 硕士学位论文 第二章运动方案设计 装配设计( a s d ：c a t i aa s s e m b l yd e s i g n ) 及电子样机( d m u ：d i g i t a l m o c k u p ) 四个机械设计常用模块【2 3 1 。 a d a m s 是著名的机械系统仿真分析软件，使用该软件可以产生复杂 机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比 较多种参数方案，直至获得最优化工作性能 2 4 1 。 为方便的与c a t i a 进行产品数据交互，m s c 公司为c a t i a 开发了 s i m d e s i g n e r t mf o rc a t i a v 5p r o d u c t s 产品系列。 按照传统的方案设计，做到机构运动学尺寸综合，即机械运动简图设 计，则机械产品的方案设计已经完成，接下来就转入详细设计步骤。但是 该方案具体是否可行，有无干涉，动力性能是否良好等等仅依靠运动简图 来分析比较困难。这里采用c a t i a 和a d a m s 软件则可以在详细设计之前 就可对整个系统进行较完整的分析，可以观察并试验各组成构件的相互运 动情况，使用系统仿真软件在虚拟的环境中真实的模拟系统的运动，它可 以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系 统不断作改进，直至获得最优设计方案后，再做物理样机。 该技术也称为虚拟样机技术，采用该设计方法同传统的设计方法相比 具有以下优点：在设计早期确定关键的设计参数、缩短开发周期、降低成 本、提高产品质量。 2 3 精梳机主运动机构的创新没计 2 3 1 钳板机构功能分析 精梳机的性能主要由主运动机构的优良决定，主运动机构主要包括分 离罗拉传动机构、钳板机构、喂给机构、顶梳机构等。而其中又数钳板机 构最为关键，钳板机构的优劣直接影响整台机器的性能。因此本课题主要 对主运动中的关键机构钳板机构进行新的方案设计。 首先重新考察钳板机构在精梳过程中的功能。参照现有精梳机，其钳 板机构必须完成的几个分功能如下【2 5 j ： ( 1 ) 上下钳板咬合，使须丛呈9 0 0 下压，基本呈静止状态供锡林梳理， 并且这个过程占十个分度左右，此时下钳板承受很大咬合力； 硕士学位论文第二章运动方案设计 ( 2 ) 将梳理完成的须丛向分离罗拉输送一定的距离供接合分离，此 时下钳板运动组件几乎不受什么外力： ( 3 ) 安置给棉罗拉，并对给棉罗拉施加一定压力，保证给棉顺利进 行，此时，下钳板仅受给棉罗拉压力。 结合现有精梳机，如p x 2 型分析可知，钳板机构这三个分功能主要都 由下钳板完成，而下钳板安装在作往复运动的钳板座架上，因此下钳板与 钳板座架的强度、刚度必须达到一定的要求才能完成这三个功能，这就势 必增加了钳板运动组件总重量，成为限制精梳机速度提高的最主要因素。 2 3 2 由功能分解进行创新设计【2 6 2 9 】 结合p x 2 型精梳机分析得出，钳板机构的三个功能都有下钳板参与， 在实现第二个功能时下钳板随座架作往复运动，平添了整个钳板运动组件 的重量。实际上下钳板受加压而需一定的强度、刚度只在锡林梳理阶段， 而在接合分离准备、接合分离及锡林梳理准备等阶段上下钳板并不咬合而 不受很大外力。 据此分析，并根据功能分解原理，本文提出了一种下钳板功能分解的 钳板机构，该机构按照下钳板的功能分解成三个部分( 如图2 一l 及图2 2 所示) ： ( 1 ) 将下钳板固定在机架上 将下钳板3 固装在机架上不再往复运动，用以承受大的钳板咬合力， 而不必由钳板运动组件来承受。上下钳板咬合时须丛呈9 0 0 下压呈静止状 态供锡林7 梳理，固定下钳板3 安装位置如图2 一l 所示，其唇口前沿与 锡林轴心垂直： ( 2 ) 采用轻薄托板作往复运动以送托棉 托板l 安装在座架4 上作往复运动，用以送托棉，由于托板1 几乎不 受外力，故托板l 可以做成非常轻薄只要能够托送棉卷须丛即可； ( 3 ) 在托板下安装辅助衬垫以承受给棉罗拉压力 衬垫2 安装在座架4 上，紧贴着托板1 下表面以承托给棉罗拉5 较小 的加压力。 硕：t 学位论文第二章运动方案设计 1 托板2 衬垫3 下钳板4 座架5 给棉罗拉6 上钳板7 锡林 图2 一l 功能分解的钳板机构开口状态 图2 2 功能分解的钳板机构闭合状态 7 该方案将较重的下钳板从座架上解放出来，使座架强刚度大大降低， 重量也随之降低，能很好的解决原钳板运动组件重量过大的矛盾。另外， 由于下钳板固定于机架，钳板咬合时则需静止不动，因此，钳板机构的运 动驱动必须具有停歇功能。 所以在未进行机构选型设计之前即可知，采用下钳板功能分解机构后 至少有以下优点： ( 1 ) 需承受很大咬合力的下钳板不随座架往复运动，且座架不再随下 第二章运动方案设计 钳板咬合受力，故可大大减轻钳板运动组件的重量与往复运动的惯性力； ( 2 ) 固定下钳板可使得梳理隔距及梳理速度始终保持不变； ( 3 ) 钳板传动机构采用具有停歇功能的驱动装置驱动，可使得在锡林 梳理过程中咬合力始终保持不变。 由于采用了如上原理方案，经分析，其座架、上钳板机构及钳板轴驱 动机构等都发生重大改变，无法沿用原机构，因此钳板机构必须重新设计。 2 3 3 钳板机构设计要求 根据工艺原理，在力求方案简单的基础上，设计要求如下： ( 1 ) 车速为3 5 0 钳次分； ( 2 ) 锡林梳理隔距保持不变( 锡林梳理隔距指上钳板钳唇下缘与锡林 针尖的距离) ，该隔距越小则梳理越充分； ( 3 ) 梳理过程中上钳板对下钳板咬合力为5 5 0 n ，并尽可能保持不变： ( 4 ) 钳板运动组件重量尽可能小，以减小钳板机构在运动中的惯性力； ( 5 ) 钳板前摆的时间要比后摆的时间长些，以满足须丛自然抬头时间； ( 6 ) 钳板机构前摆过程中，上钳板开口要充分，不能阻碍须丛抬头和 产生碰撞、干涉； ( 7 ) 在接合阶段钳板机构的运动速度要缓慢些，以提高前后须从接 合可靠性及接合质量； ( 8 ) 以p x 2 型精梳机的主运动性能为本文参考进行方案设计。 2 4 工艺动作分析及运动循环图 新方案钳板的工艺动作和p x 2 型精梳机的类似，但是其实现方式有所 变化，有些地方可以达到更优化的目的，遂简要说明如下： ( 1 ) 锡林梳理准备阶段 如图2 一l 所示。本阶段中，托架随着座架一起后退，上钳板下降， 将须丛下压，同时，锡林锯齿逐步转向钳唇下方，准备梳理。 ( 2 ) 锡林梳理阶段 本阶段中，托板后退至图2 2 所示位置，同时上下钳板以一定的咬 硕士学位论文第二章运动方案设计 合力闭合，下压棉丛被锡林梳理，梳理过程中，由于下钳板固定，所以梳 理隔距无变化，且由于使用有停歇功能的驱动装置使得咬合力保持不变。 ( 3 ) 接合分离准备阶段 示意图与图2 一l 类似。本阶段中，上钳板逐渐抬起，托板随之向前摆 动，逐渐接近分离罗拉，分离罗拉倒转，将上一工作循环输出的棉网尾端 倒入机内，准备与锡林梳理过的须丛前端接合，随后正转输出。 ( 4 ) 接合分离与顶梳梳理阶段 示意图与图2 一l 类似。本阶段中，托板到达最前沿，则最长纤维首先 到达分离罗拉钳口，分离罗拉的正转使倒入机内的棉网与新梳理的须丛前 端相叠合输出，完成接合分离后开始新的工作循环。 运动循环图如图2 3 所示，与p x 2 型精梳机的钳板运动规律( 如图 2 4 ) 的不同处在于：由于新方案采用了具有停歇功能的钳板机构驱动装 置，所以，新方案的钳板机构可在棉丛搭接阶段及锡林梳理阶段处于静止 状态，更符合精梳梳理工艺。 0 钳板机构 分离罗拉 钳扳机 分离罗 图2 - - 3 新运动方案的运动循环图 前停 ( 搭接) 图2 4p x 2 型精梳机土运动循环图 一1 5 硕士学位论文 第二章运动方案设计 钳板机构各个阶段工艺动作的分度分配及与p x 2 的比较如下表2 1 ： 表2 一l 新方案与p x 2 的分度分配表( 单位：分度) 后摆后停前摆前停 新方案1 3 3 3 ( 1 2 0 0 )l o ( 9 0 0 )1 4 4 5 ( 1 3 0 0 )2 2 2 ( 2 0 0 ) p x 21 6 2 2 ( 1 4 6 0 )2 3 7 8 ( 2 1 4 0 )| 注：一个循环为4 0 分度，每分度为9 0 。 由于p x 2 机型的钳板机构由连杆滑块机构驱动，故无静止部分。 表中新方案的后停表示锡林梳理阶段；前摆的分度为1 4 4 5 ，明显大 于后摆所占的分度13 3 3 ，这是由于希望钳板机构在前摆过程中给予棉丛 充分的时间抬头为接合分离准备。 另外，前停是根据精梳工艺要求而添加的，因为前停对应的是接合分 离阶段中的搭接，该阶段中要求钳板机构的运动缓慢，使得接合分离的动 作能够顺利的进行，参考p x 2 型精梳机在搭接时的分度，这里取2 2 2 分 度。 2 5 机构选型 2 5 1 引言 一个好的机械原理方案能否实现，机构设计是关键，机构设计中最富 有创造性、最关键的环节是机构的形式设计。机构的形式设计具有多样性 和复杂性，同一工作原理方案可选用不同类型的机构及组合方式来实现， 因此，在分析机械工作原理的基础上，根据工艺动作的要求，选择合适的 执行机构类型，并将它们合理的组合起来，是机械运动方案设计的重要步 骤【2 2 1 。 采用新的方案，即功能分解的下钳板机构之后，原来p x 2 型精梳机的 钳板机构不能完全应用于新的机构，因此，需要对该机构进行重新设计， 主要包括： ( 1 ) 钳板座架运动机构； ( 2 ) 上钳板机构： ( 3 ) 钳板驱动机构。 硕士学位论文第二章运动方案设计 2 5 2 钳板机构的选型设计【2 2 , 2 6 , 2 9 1 原p x 2 型精梳机的钳板机构不能完全应用于新的机构，分析p x 2 型精 梳机钳板机构可得知，在除上下钳板咬合状态之外，弹簧杆l 可看作是一 个连杆，因此，该机构可看作一个六连杆机构，如图2 5 ： 4 7 1 弹簧2 上钳板3 钳板座架4 前摆杆5 后摆杆 6 下钳板7 机架8 钳扳轴 图2 5 钳板机构 8 在构思合设计时要凭空构想出一个能够表达预期动作要求的机构往往 是困难的，而应用机构再生运动链原理进行机构创新设计，是一个行之有 效的方法，这种方法基于机构组成分析的理论。将一个具体的机构抽象为 一般化的运动链，然后按该机构功能所赋予的约束条件，再生运动链，由 此演化出众多的新机构。机构创新设计程序如图2 6 所示。 硕士学位论文第二章运动方案设计 图2 6 机构创新设计流程 将原始平面连杆机构运动简图抽象为一般化运动链，其一般化原则 为： ( 1 ) 将非连杆形状的连杆转化为连杆： ( 2 ) 将移动副转化为转动副； ( 3 ) 固定杆( 机架) 的约束予以解除，机构成为运动链； ( 4 ) 运动链的自由度保持不变。 创新设计过程如下： ( 1 ) 原始机构 如图2 5 所示，该机构为六杆机构。 ( 2 ) 设计约束 根据该钳板机构的基本特性及工作需求，通过反复检验，可定出以下 几个约束，作为新机构设计的依据。 1 ) 构件总数n 和运动副总数j 均保持不变，即n = 6 ，j = 7 2 ) 必须有一个三副的固定杆； 3 ) 上钳板不能和前摆杆相连： 4 ) 前后摆杆接地； 5 ) 座架不能接地，且和前摆杆相连； 硕士学位论文 第二章运动方案设计 6 ) 前摆杆不能为三副杆。 ( 3 ) 一般化运动链 按一般化原则，将图2 5 的钳板机构抽象为一般化运动链，得图2 一 图2 7 一般化运动链( a 型) ( 4 ) 组合运动链 由文献 3 1 】可知，六杆机构有四个类型的运动链，该钳板机构的一般 化运动链为六杆组合运动链的a 型，其余合适的相关组合运动链有b 型和 c 型，分别如图2 8 及图2 9 所示： 图2 8 组合链b 型 图2 9 组合链c 型 ( 5 ) 再生运动链 根据预定的钳板机构设计约束，可求得上述四种六杆组合运动链派生 出的各种再生运动链。假设固定杆( 机架) 为g ，上钳板为s ，座架为z ， 后摆杆为h ，前摆杆为q ，则由a 型可派生出四种再生运动链( 如图2 1 0 ) ；由b 型可派生出四种再生运动链( 如图2 一l1 ) ：由c 型可派生出五 硕士学位论文 第二章运动方案设计 种再生运动链( 如图2 1 2 ) 。 z q g z z s 图2 一l oa 型再生运动链 g h g g h 图2 一l lb 型再生运动链 2 0 g 硕士学位论文第二章运动方案设计 图2 1 2c 型再生运动链 ( 6 ) 新钳板机构图谱 运用一般化原则的逆推程序，可获得1 3 种新型钳板机构的机构运动 图谱( 原始机构未列入) ，如表2 2 所示： 表2 2 新钳板机构图谱 序号再生运动链新机构图谱 1 1 一 q 榭 i tt g 2 1s q 赫h g 1 硕士学位论文 第二章运动方案设计 3 q d g 以 4 h l d i | 1s b 飙八 g 5 弩 6 一 x 占 7 一 弋 - 2 2 硕士学位论文 第二章运动方案设计 8 一 、 9 g 、 1 0 久 b 1 1 念g 入j 气v 召 ， 1 2 2 3 硕士学位论文 第二章运动方案设计 1 3 其中可以将前摆杆或者其他的连杆换成滑动装置，例如，将序号为l 的连杆图谱中的前摆杆换成滑动装置之后如图2 1 3 ： 图2 1 3 移动副形式的图谱 因此在运动方案选型中，可以有两种座架的运动支撑方式，其他序号 的机构可以类似的采用这样的滑动装置，这样又可以派生出许多机构供选 择，限于篇幅，这里不再赘述。 ( 7 ) 初步筛选 运用再生运动链的创新法：取得了很多机构型式，为选出最佳的方案， 需通过初步筛选，选择一个或者几个理想的新机构图谱，进而进行下一步 的方案评定。 参考p x 2 机型钳板机构尺寸，在c a t i a 或a d a m s 中初步建模进行 运动仿真发现，序号为2 ，4 ，5 ，1 0 的机构其座架在前后运动过程中有较 大幅度的上下摆动，故不予选择：序号为7 ，8 的机构尺寸较大，故不予 选择；序号为1 2 的机构与原钳板机构类似，故不予选择；序号为1 1 ，1 3 硕士学位论文 第二章运动方案设计 的机构与序号l 的类似，序号6 ，9 的机构传动与序号3 的类似，由传动 特点，序号l ，3 机构更合理。 如图2 1 4 仅列出了其中序号为l ，3 两个机构的a d a m s 仿真。 图2 1 4a d a m s 初步仿真 2 5 3 钳板轴驱动机构选型设计 原p x 2 型精梳机的钳板轴驱动机构为一导杆机构如图2 一l5 所示： 1 锡林轴2 法兰盘3 。滑套4 滑杆5 钳板轴 图2 1 5 钳板轴驱动机构 由于新方案中下钳板为固定，如果仍旧用该导杆机构则不能满足设计 要求，因此钳板轴必须由具有停歇功能的驱动装置传动。本文提出两种方 案供选择： ( 1 ) 如图2 1 6 ，由于钳板运动组件重量的降低，便钳板传动机构 硕士学位论文第二章运动方案设计 采用共轭凸轮成为可能，采用共轭凸轮后座架长度可大大缩短，以p x 2 型 精梳机为例，经初步计算分析，座架长度可由2 3 0 m m 缩短至1 3 0 m m 左右。 ( 2 ) 如图2 一l7 ，后摆杆直接由交流伺服装置驱动，由微机或可编 程控制器控制。 图2 一1 6