（机械设计及理论专业论文）自由节曲线非圆齿轮引纬机构运动学反求设计与试验.pdf

学位论文作者签名： 日期：护，d 年弓月 龆多 l ，b 1 本学位论文属于 学位论文作者签名： 日期：y o lo 年； 不保密影。 指导教师签名：f 暗碰钫 日期：d o t o f f - 弓月z 占日 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 我国是一个纺织大国，纺织品的出口量居世界第一，但纺织机械却不占优势，是一个 进口大国。我国有不少织机生产厂家，但其产品大多是中低档水平，没有形成国际名牌。 出现这种状况的原因是，国内织机厂家自主创新能力差。对于剑杆织机，国内厂家对核心 机构的研究( 如打纬和引纬机构) 还停留在测绘和仿制阶段，这不仅会带来侵权问题，而 且也仿制不了理想的性能和可靠性。因此研发具有自主知识产权的新型引纬机构对于提升 国产剑杆织机技术水平具有一定的现实意义。 本论文的研究得到了国家自然科学基金科研课题“基于自由曲线非圆齿轮的引纬、打 纬机构分析与设计方法研究( 5 0 8 7 5 2 4 3 ) 的项目资助，以课题组提出的非圆齿轮一曲柄 摇杆一轮系引纬机构为研究对象，依据机构学的原理，从理论和应用两个方面，对该引纬 机构的计算、分析、模拟、设计和试验的全过程进行了研究和探索。本文主要的研究内容 和结果如下： 1 ) 依据剑杆织机引纬工艺的条件，建立了该引纬机构逆运动学的数学模型，求解出 离散型的节曲线，并以此为基础编制了通用的辅助分析程序。 2 ) 通过非圆齿轮节曲线上的离散数据点构造了非均匀三次b 样条曲线。在此基础上， 引入一种基于迭代最近点的b 样条曲线拟合的算法，对原数据点进行了曲线拟合，并通过 实例分析了节曲线的光顺性。 3 ) 以非圆齿轮齿廓的数学模型为基础，自主开发了非圆齿轮齿廓设计软件，获得了 软件登记权( 2 0 0 9 r 1 1 s 0 4 8 9 0 5 ) ，为非圆齿轮的高精度制造提供了数据。 4 ) 建立了非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构的三维模型，完成了虚拟装配和虚拟 样机的开发。并基于a d a m s 软件对该机构进行运动学仿真和分析，动态仿真得到的运动 轨迹和理论计算得出的结果高度吻合。相互印证了该引纬机构运动学数学模型和虚拟样机 分析的正确性。 5 ) 研制了非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构的试验台，并基于该试验台和高速摄 像及其视频分析验证了所建立的运动学模型是可靠的。 关键词：非圆齿轮；反求设计；b 样条；引纬机构；试验台；高速摄像 浙江理t 大学硕士学位论文 r e v e r s ek i n e m a t i c sd e s i g na n d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no fw e f ti n s e r t i o n m e c h a n i s mw i t hf r e ep i t c hc u r v eo f n o n c i r c u l a rg e a r a b s t r a c t c h i n ai sal a r g et e x t i l ec o u n t r ya n dt e x t i l ee x p o r t sr a n kf i r s ta l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e r , c h i n ai sam a j o ri m p o r t e ri nt h et e x t i l em a c h i n e r ya r e a t h e r ea r eal o to fl o o mm a n u f a c t u r e r s ， b u tt h e i rp r o d u c t sa r em o s t l ym i d d l eo rl o wl e v e l s ，w h i c hc a n n o tb e c o m ei n t e m a t i o n a lb r a n d s t h i ss i t u a t i o no c c u r sb e c a u s et h ed o m e s t i cl o o mm a n u f a c t u r e r sh a v e p o o rc a p a b i l i t y o f i n d e p e n d e n ti n n o v a t i o n f o rt h er a p i e rl o o m ，t h ed o m e s t i cm a n u f a c t u r e r sr e m a i nt h em a p p i n g a n di m i t a t i o ns t a g eo ft h ec o r em e c h a n i s m s ( s u c ha st h eb e a t i n g - u pm e c h a n i s ma n dt h ew e f t i n s e r t i o nm e c h a n i s m ) ，w h i c hw i l ln o to r a yl e a dt o v i o l a t i o n s ，b u ta l s ou n r e a l i z et h ei d e a l p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h er & dw i t han e ww e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mo f i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i 曲t sh a sap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ou p g r a d et h et e c h n o l o g yo f d o m e s t i cr a p i e rl o o m 、 t h i sp a p e rd e e p l ys t u d y so nt h ew e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s m 、析mf r e ep i t c hc u r v eo f n o n - c i r c u l a rg e a r , a n dt h ew h o l ep r o c e s so f c a l c u l a t i o n ，a n a l y s i s ，s i m u l a t i o n ，d e s i g na n d e x p e r i m e n t a t i o ni ss t u d i e da n dd e v e l o p e di na s p e c t so fb o t ht h e o r ya n da p p l i c a t i o nb yt h e m e c h a n i c sp r i n c i p l e t h i sr e s e a r c hi ss u p p o r t e db yt h ep r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d p r o j e c 卜s t u d yo na n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o d so fw e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s ma n db e a t i n g - u p m e c h a n i s mw i t hf r e ep i t c hc u r v eo fn o n c i r c u l a rg e a r ( 5 0 8 7 5 2 4 3 ) ”t h es t u d yc o n t e n t sa n d r e s u l t so ft h et h e s i sw e r ea sf o l l o w i n g ： 1 ) i na c c o r d a n c ew i t ht h ec o n d i t i o n so fw e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fi n v e r s ek i n e m a t i c sh a db e e nf o u n d e d ，a n dd i s e r e t ep i t c hc u r v ew a ss o l v e d o nt h eb a s i so f t h i s ， t h eg e n e r a l c o m p u t e r - a i d e da n a l y s i sp r o g r a mo fw e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mw i t l li n v e r s e k i n e m a t i c sw a sd e v e l o p e d 2 ) t h r e en o n - u n i f o r mb s p l i n ec u r v e sw e r ec o n s t r u c t e db yt h ed i s c r e t ed a t ap o i n t so f n o n c i r c u l a rg e a rp i t c hc u r v e o nt h e b a s i so ft h i s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ec u r v ef i t t i n g a l g o r i t h mc a l l e di c p - b a s e db s p l i n ec u r v ef i t t i n g b a s e do nt h i sa l g o r i t h m ，ac u r v eh a db e e n f i t t e db yo r i g m 2 l ld a t ep o i n t sa n da n a l y z e di t ss m o o t h 3 ) t h es o f t w a r eo ft o o t hp r o f i l ed e s i g no fn o n c i r c u l a rg e a rw a sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y b yt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fn o n c i r c u l a rg e a rt o o t hp r o f i l e m e a n w h i l e ，t h ec o p y r i g h to f c o m p u t e rs o f t w a r eh a d b e e na w a r d e d ( 2 0 0 9 r 11s 0 4 8 9 0 5 ) 4 ) t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo f w e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mo fn o n c i r c u l a rg e a sa n dc r a n k n k e y w o r d s ：n o n - c i r c u l a rg e a r ；r e v e r s ed e s i g n ；b - - s p l i n e ；w e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s m ；t e s t b e d ； h i g h s p e e dv i d e ot a p er e c o r d i 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 目录 a b s t r i i c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义1 1 2 研究现状与发展趋势一2 1 2 1 非圆齿轮的研究、应用及存在问题2 1 2 2 剑杆织机引纬机构的研究、应用和存在问题分析3 1 2 3 反求工程技术的研究及应用5 1 3 论文的主要研究内容6 第二章非圆齿轮一曲柄摇杆轮系引纬机构的反求设计7 2 1 非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构的简介一7 2 2 引纬机构剑头的运动学分析一8 2 2 1 剑杆引纬工艺的要求8 2 2 2 剑杆的动程设计8 2 2 3 引纬剑头理想运动学曲线的构造9 2 3 非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构逆运动学模型的建立1 5 2 3 1 摇杆c d 的角位移、角速度和角加速度数学模型建立1 5 2 3 2 曲柄a b 角位移、角速度和角加速度数学模型的建立1 5 2 4 非圆齿轮节曲线的设计一1 7 2 4 1 按传动比函数计算节曲线1 7 2 4 2 非圆齿轮节曲线的保凸性条件1 9 2 4 3 非圆齿轮节曲线的封闭性条件1 9 2 4 4 非圆齿轮节曲线的数值求解2 0 2 4 5 实例分析2 l 2 5 本章小结。2 3 第三章非圆齿轮节曲线的拟合及其光顺性分析2 4 3 1n u r b s 曲线基本理论2 4 3 1 1b 样条基函数一2 4 3 1 2n u r b s 曲线2 5 4 1 非圆齿轮的齿廓设计3 2 4 1 1 非圆齿轮共轭齿廓形成的原理。3 2 4 1 2 非圆齿轮齿廓曲线数学模型的建立3 2 4 1 3 非圆齿轮的压力角和根切校验：。3 6 4 2 非圆齿轮齿廓设计软件的开发3 7 4 2 1 齿廓生成的算法3 7 4 2 2 软件的概述一3 8 4 2 3 应用实例4 0 4 3 非圆齿轮的加工4 3 4 4 本章小结4 4 第五章非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构结构设计及虚拟样机仿真4 5 5 1 非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构的传动方案4 5 5 1 1 共轭凸轮箱的结构约束4 5 5 1 2 箱体内部机构传动方案4 6 5 2 新机构的参数选择和结构设计4 7 5 2 1 新机构参数的选择4 7 5 2 2 箱体的结构设计5 0 5 3 引纬机构虚拟样机仿真的实现5 1 5 3 1 虚拟样机的简介5 l 5 3 2 引纬机构的三维建模与整机装配5 2 5 3 3 引纬机构a d a m s 仿真分析一5 4 5 4 本章小结5 8 第六章非圆齿轮一曲柄摇杆轮系引纬机构试验台的研制及实验验证5 9 6 1 试验台的研制5 9 参考文献“ 致谢。 攻读学位期间的研究成果 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 我国是纺织大国，纺织品的出口量居世界第一，但在纺织机械领域却不占优势，是纺 织机械进口大国。据我国海关数字统计，2 0 0 7 年1 1 0 月我国纺织机械进出口总额为5 2 0 6 亿美元，同比增长1 8 7 5 ，其中进口金额为3 9 4 6 亿美元：在进口的纺织机械中，织机位 居第二，为7 2 0 亿美元，占1 8 2 5 ，同比增长1 8 4 ，主要是喷气织机、剑杆织机和片 梭织机【n 。 我国虽有不少厂家生产织机，但其产品大多是中低档水平，尚未形成国际名牌。虽然 有一些厂家开始生产高档织机( 如中纺机的p g 6 0 0 型剑杆织机在2 0 0 6 年北京纺机展上车 速达6 5 0 r m i n ) ，但其性能与国际名牌相差甚远( 如津田驹公司z a x 9 1 0 0 在2 0 0 3 年上海纺 机展演示时速度已高达1 9 0 0 r m i n l 2 ) ，而且国产织机在可靠性和耐久性方面也远远不如进 口产品( 如展销会上国产织机不能以长时间高速运转) ，究其原因，除了关键零部件的材 质和热处理工艺不过关外，对核心工作部件的机理研究尚不够深入，同时造成运动构件之 间受力不良也是主要原因之一。因此，虽国产机织在价格上具有优势( 如目前国产剑杆织 机价格平均在1 3 万元台，而2 0 0 7 年进口的剑杆织机平均价格为4 0 3 万美元) ，但很多国 内企业还是青睐于进口产品。 出现这种状况的主要原因是，国内织机厂家自主创新能力差。例如到2 0 0 4 年4 月， 在我国申请有关剑杆织机机构的相关专利共3 5 件，其中国外在华申请1 1 件，且这1 1 件已 经进入实用和推广 3 1 。对于剑杆织机，国内厂家对核心机构( 如打纬和引纬机构) 还停留 在测绘和仿制阶段，这不仅会带来侵权问题，而且由于测绘和仿制没有从理论上进行深入 研究，对其中的核心技术没有完全掌握，就仿制不了理想的性能和可靠性。 因此，我国的织机行业必须走自主创新的道路。本论文是国家自然科学基金项目“基 于自由节曲线非圆齿轮的引纬、打纬机构分析与设计方法研究( 5 0 8 7 5 2 4 3 ) 的一部分。 本课题的研究工作，为新的剑杆织机引纬机构的设计及参数优化提供理论基础、设计方法 和实用软件，使该工作部件比现有机构加工方便，结构简单、工作可靠。这将改变国内剑 杆织机主要工作部件引纬机构多年来研究无变化的落后状态，同时为开发具有自主知识产 权的高档剑杆织机提供技术支撑，对于提升我国剑杆织机产品的档次和企业的竞争力具有 重要的意义。 由此可见，本论文“自由节曲线非圆齿轮引纬机构运动学反求设计与试验具有很强 l 浙江理工大学硕士学位论文 的理论意义和实践价值。 1 2 研究现状与发展趋势 1 2 1 非圆齿轮的研究、应用及存在问题 非圆齿轮传动在很早就开始出现，在2 0 世纪4 0 年代以前，人们的研究还只是集中在 理论研究上，并取得了一些成果，同时在加工方面做了一些尝试，但是并不成熟。2 0 世纪 5 0 年代，原苏联学者j i j i t i t b n n 在他的专著【4 】中，就当时的技术水平，对非圆齿轮作了 比较系统和完整的论述。日本在这一时期也曾经掀起一股研究非圆齿轮的热潮。也正是这 一时期，非圆齿轮传动得到了实质性的发展，但受于当时加工水平的限制，一般使用靠模 法或单齿法甚至铸造法加工，生产精度及生产效率都不高，影响了其普及【5 1 。从2 0 世纪 6 0 年代末到8 0 年代初，非圆齿轮的发展进入低潮阶段。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着计算机技术和数控技术的迅猛发展，再度掀起了研究非圆 齿轮的热潮。各国学者从非圆齿轮的设计、加工、应用等方面进行了更加深入的研究，以 香取英男、山崎隆、太田浩等为代表的日本学者在研究非圆齿轮方面取得了令人瞩目的成 就，特别是在非圆齿轮加工方面，利用数控技术加工非圆齿轮，取得了很好的效果，使非 圆齿轮难于加工的问题得以解决睁7 1 。尤其是日本学者研制的非圆齿轮c a d c a m 系统， 使得非圆齿轮的数控加工真正得以实现；德国学者研制的用于计算和模拟任何形状和传动 比的非圆齿轮和扇形齿轮的程序包等【8 】，都取得了极大的成就，使非圆齿轮传动技术更加 成熟和实用。 国内对非圆齿轮传动的研究起步较晚，与国外有一定的差距。1 9 7 3 年李福生等人编译 了非圆齿轮一书，该书是国内最早、全面、系统地介绍非圆齿轮的著作，对我国非圆 齿轮的发展起了积极的推动作用【9 1 。1 9 8 1 年我国学者李福生等人又编著了非圆齿轮与特 种齿轮传动设计，标志着我国在非圆齿轮传动的理论方面已经迈上了一个新台阶【1 0 1 。1 9 8 2 年我国学者吴序堂编著了齿轮啮合原理，该书系统而扼要地论述齿轮啮合的原理【n 】， 后又编著了非圆齿轮及非匀速比传动，为我国非圆齿轮传动的理论研究做出了重要贡 献【1 2 1 。2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代末，我国学者从不同的侧面对非圆齿轮进行了研究，取得 了一定的研究成果。如崔希烈、刘生林、田立俭、李健生等人，分别从非圆齿轮的齿廓分 析、节曲线分析、重合度计算及实际应用等不同角度对非圆齿轮加工进行了深入的研究。 尤其是近年来，孙文磊、丁国富等学者利用计算机技术，对非圆齿轮传动的设计、模拟仿 真方面做了积极的探索【1 3 - 1 4 1 。 由于非圆齿轮的节曲线不是圆，所以在设计和制造中存在着许多与圆齿轮不同的特殊 2 浙江理工大学硕士学位论文 问题。其中啮合理论及加工方法中的不少理论及实际问题，在近几年来已随着c a d 及数 控技术的发展得到了很好的解决。然而对于非圆齿轮节曲线的形状还未能寻找出一种有效 的控制方法。并非任何形状的曲线都能用作非圆齿轮节曲线，传统的非圆齿轮节曲线通常 采用多项式、简谐运动或摆线运动等标准解析型函数及其组合形式来表达，方程形式不统 一，研究不能泛化，也不能解决具有极特殊传动规律的问题，比如要满足啮合压力角范围 及根切限制条件的要求等，因而仅用几种常规的标准解析型函数来调整非圆齿轮节曲线的 形状，具有很大的局限性。 国内外学者对非圆齿轮的节曲线设计展开研究。s h i h - h i sy o n g 研究了一对相同非圆齿 轮的节曲线设计，提出节曲线的初步设计及为达到光滑节曲线而进行改善的方法1 1 5 】。田立 俭采用最小二乘法对非圆齿轮节曲线进行圆弧逼近，将非圆齿轮变成圆齿轮的问题来解决 1 1 6 。郭承志【1 7 】、d m u n d o 1 8 1 采用特定表达式( 如二次多项式、三角函数等) 及其组合形式 来设计非圆齿轮节曲线，达到机构运动学和动力学要求。丁国富采用三次b 样条并用最优 双圆弧样条逼近来表示非圆齿轮的节曲线【1 4 1 。吴序堂采用h e r m i t e 三次样条曲线，选取极 角变量作为参数来设计非圆齿轮节曲线1 1 9 j 。 非圆齿轮节曲线决定着其非匀速的传动特性，可由其传动比函数得到。节曲线常用的 表示方法为椭圆曲线12 1 、对数螺线捌、圆弧【1 6 1 、多项式【1 刀或三角函数及其组合函数【1 8 】等 标准解析型函数及其组合形式【2 0 】来表达，这样方程形式不统一，研究不能泛化。为了使非 圆齿轮节曲线有统一的表达形式，学者们采用了b 样条f 1 4 l 、h e r m i t e 样条1 9 1 来表示。但是 h e r m i t e 样条利用矢量的大小和方向产生曲线，不便于曲线的调控，并容易产生曲线缠绕 的问题，同时要求确定每个型值点处的一阶导数作为初始条件，这是很不方便的。b 样条 不仅具有b 6 z i e r 样条的优点( 由控制多边形解决曲线整体形状的控制问题) ，同时在曲线 局部位置的控制方面具有优势，但是为了能精细准确控制曲线( 如二次曲线) 提出了有理 b 样条，在实际工程中更经常以非均匀出现，因此作者认为采用非均匀有理b 样条( n u r a s ， n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e s ) i 拍线来控制非圆齿轮节曲线更为灵活1 2 1 1 。 1 2 2 剑杆织机引纬机构的研究、应用和存在问题分析 目前剑杆织机上的引纬机构主要有：共轭凸轮引纬机构，见图1 1 ( 口) ，是应用最多 的一种机构，如s m 9 3 ( 意大利s o m e t 公司) 、g a 7 3 1 ( 杭纺机) 、t t - 9 6 ( 浙江泰坦) 、 h g a 7 3 2 ( 浙江精工) 、j w g l 7 2 6 ( 经纬纺机) 、j z 2 ( 西航) 和l g a 7 8 3 ( 聊城纺机) 等剑 杆织机采用该类型引纬机构。由于共轭凸轮设计的灵活性，该类型机构很容易满足引纬要 求的运动规律，通过改变双摇杆的主动杆件长度来调整筘幅大小。但是凸轮廓线加工精度 浙江理工大学硕士学位论文 要求相当高，如存在误差就产生冲击，反而限制了车速的提高。变螺距螺旋传动引纬机 构，见图1 1 ( 6 ) ，c 4 0 1 系列织机采用的是该类型引纬机构，该类型机构的变螺距螺旋副加 工困难，而且对不同筘幅要求机构不能通用；平面六连杆送纬、四连杆接纬机构，见图 1 1 ( c ) ，如t p 5 0 0 、g a 7 4 型剑杆织机采用该类型非分离筘座式( 该形式不利于车速的提高) 引纬机构，可方便实现“接力”引纬j 但其引纬运动规律设计的灵活性不如共轭凸轮引纬 机构；空间四连杆引纬机构，见图1 1 ( 坊，如g t m ( 比利时p i c a n o l 公司) 、g a 7 3 3 - a ( 苏州必佳乐) 、g a 7 3 7 ( 苏吴机械) 型剑杆织机采用该类型引纬机构，通过改变双摇杆的 从动杆件长度来调整筘幅大小，其引纬运动规律设计灵活性不如平面六连杆送纬、四连杆 接纬机构。 ( 4 ) 共轭凸轮引纬机构( 6 ) 变螺距螺旋传动引纬机构 ( c ) 平面六连杆送纬、四连杆接纬引纬机构( d ) 空间四连杆引纬机构 图1 1 常见的引纬机构 对引纬机构进行研究的有：z d e n e kk o l o c 将剑杆织机刚性引纬机构分成离散和连续的 两个子系统，建立其动力学模型，并采用迭代算法来解方程 2 2 1 。l ik r 对典型的空间四连 杆引纬机构进行运动学和动力学分析，研究了在摇杆最大摆角和输出杆长取不同值时输出 杆的运动和机构压力角变化规律，选出了能满足传动性能要求的较佳机构参数f 2 3 1 。王生泽 和陈明对t p 5 0 0 型剑杆织机传剑机构进行运动弹性动力学研究，总结较理想引纬传动方案 所应具备的性能特点 2 4 1 。w a s h i d ak a z u o 等研究了利用伺服电机来控制引纬机构的运动学 特性，并进行试验【2 5 1 ，但是由于伺服电机的响应的滞后性、输出动力有限和价格高等因素， 4 浙江理工大学硕士学位论文 使得这种引纬方法难于推广实用。s a m i r j a l i l i 研究了一种利用电磁力实现引纬的方法并 制造样机，分析了各参数对引纬性能的影响【2 6 。z h uz h i c h a o 和f a n gz h i h e 以空间四杆 引纬机构剑头的最大加速度最小为目标，以满足运动学条件为约束条件，建立优化模型， 采用遗传算法得到一组最佳参数叼。 由上面的综述与分析，可以得出引纬机构还存在以下几个问题： 研究上的问题之一：引纬机构要求能适应不同筘幅的织机，而目前只是针对某一具 体筘幅，研究其特性及其最优参数配置。这样会出现在某一筘幅时，机构性能很好，但是 筘幅一旦调整，其性能就急剧下降，而实际工作时却要求在允许的筘幅范围内，机构性能 均较优( 如基本保持其加速度曲线为“等腰梯形”) 。在允许筘幅范围内，调整参数时( 如 调整了共轭凸轮引纬机构中双摇杆的主动构件长度) ，保持其加速度规律基本不变( 或变 化最小) 的研究未见报导。 应用上的问题：目前商业化织机上的引纬和打纬机构的专利源于国外，这样国内企 业就很难做大、做出品牌，限制我国织机产业的发展。不少厂家走仿制道路，如测绘、仿 制性能最好共轭凸轮打纬、引纬机构，但是共轭凸轮加工要求很高( 轮廓曲线要求要二阶 以上连续) ，由于只是纯粹测绘没有对其进行深入的研究，加上我国的高性能凸轮加工技 术与国外相比还有差距，导致仿制的效果不好，影响了车速的提高和耐久性。可见织机必 须走创新之路，研发出具有自主知识产权的产品，国家也非常重视，将“以开发具有自主 知识产权和性能优良的机械装备与产品为引导，研究现代机构创新设计理论与方法等内 容 列为机构学领域“十一五 优先发展行列【2 耵。 综上对引纬机构的研究和分析可知：选择合适的非匀速传动机构是引纬机构的技术关 键。实现非匀速传动的机构很多，但同时满足引纬机构运动和结构要求的非匀速传动机构 却并不容易实现。基于这种要求，经过构思、分析、选择的反复过程后，本文提出了非圆 齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构，该机构由非圆齿轮传动部分、曲柄摇杆和轮系组成。 1 2 3 反求工程技术的研究及应用 反求工程是2 0 世纪8 0 年代初由美国的3 m 公司、d v p 公司以及日本名古屋工业研究 所共同提出并研制开发的技术。反求工程作为掌握新技术的一种手段，可使产品研制周期缩 短4 0 以上【2 9 。3 0 】。进入2 0 世纪9 0 年代以来，反求工程技术被放到大幅度缩短新产品开发 周期和增强企业竞争能力的重要地位上。 在机械产品创新设计中，一般都需要选取可实现某种既定运动轨迹曲线的机构，通过 机构综合的方法来生成满足特定轨迹曲线的复杂机构。因此，实现预期的运动轨迹曲线是 浙江理丁大学硕士学位论文 机构设计的一项重要任务，同时也是一个较为困难的课题。非圆齿轮机构曲线具有多种不 规则形状，利用它可复演各种平面曲线。非圆齿轮机构的轨迹综合与连杆曲线匹配的研究， 一直备受人们关注。传统的方法主要有图解法、解析法和图谱比较法。图解法虽然概念清 晰且直观性强，但作图过程极为繁琐，求解精度较低；而解析法一般都要求解高阶非线性 方程组，而且不易控制轨迹误差；利用传统的图谱手册进行手工查找，其过程繁琐，还存 在效率低和识别困难等问题【3 。现有的轨迹机构综合方法一般都是针对一个特定的机构构 型，进行传统的正向设计，不能很好地利用各种机构实现轨迹的潜力。随着计算机技术的 发展，通过曲线匹配反求非圆齿轮机构，是目前轨迹综合研究的热点，采用期望轨迹与已 有轨迹的比较，从机构图谱库中检索出合适的轨迹曲线，从而反求出机构类型与尺寸。 本文采用运动反求设计方法，根据引纬机构的传动路线，由引纬剑头的理想运动学特 性曲线出发点，通过推导该引纬机构的逆向运动规律，反求出非圆齿轮的传动比函数。然 后，结合工程要求的中心距求解出非圆齿轮的节曲线。 1 3 论文的主要研究内容 在对本领域国内外研究现状分析的基础上，本文开展了如下的研究工作： 本文第二章阐述了非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构的工作原理及特点，建立了该 引纬机构的逆运动学模型。 本文第三章详细论述了非圆齿轮节曲线的拟合及其光顺性分析。以第二章求得的非圆 齿轮节曲线为基础，利用m a t l a b 平台编写了用于拟合非圆齿轮节曲线的程序。 本文第四章在第二章逆运动学模型以及第三章自主编写曲线拟合程序的基础上，自主 开发了非圆齿轮齿廓设计软件，获得了计算机软件著作登记权( 2 0 0 9 r 1 1 s 0 4 8 9 0 5 ) 。 本文第五章阐述了a d a m s 系统的开发应用环境、系统总体结构和特点，实现引纬机 构三维建模和样机仿真，得到了仿真结果。 本文第六章研制了非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构试验台，并对建立的运动学数 学模型进行高速摄像实验验证。 本文第七章是全文的总结及展望。 6 浙江理工大学硕士学位论文 第二章非圆齿轮一曲柄摇杆轮系引纬机构的反求设计 选择合适的非匀速传动机构是剑杆织机引纬机构的技术关键。实现非匀速传动的机构 很多，但同时满足引纬机构运动和结构要求的非匀速传动机构却并不容易实现。基于这种 要求，经过构思、分析、选择的反复过程后，提出了非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构。 该引纬机构由非圆齿轮传动部分、曲柄摇杆和轮系组成。 本章将通过此弓i 纬机构简图阐述其工作原理和特点，在深入分析引纬剑头的运动规律 和引纬工艺的基础上，建立该引纬剑头运动曲线的数学模型和该引纬机构的逆运动学的数 学模型，并选择合适的中心距，求解出所要求的非圆齿轮节曲线；编制了通用的辅助分析 程序，为该机构的反求提供更方便、快捷的平台。 2 1 非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构的简介 l 厂、 余万 ，厶、 纪7 ) _ | 弋 | | 。一一i 钞广 d| 酞 纛 匀 乃 取玉 i 虱 甍- | i 争| | 匿 一i 、 夕7 l，r ：、， 一一 l 厶v q 孓乙 图2 1 非圆齿轮一曲柄摇杆一轮系引纬机构工作原理图 图2 1 所示是一种新提出的非圆齿轮引纬机构，大致可以分为4 个部分：共轭非圆 齿轮机构1 、2 ；曲柄摇杆a b c d ；齿轮机构z l 、z 2 、z 3 、z 4 ；剑杆。当分离筘座式 引纬机构筘座在后心位置完全静止时，引纬运动开始。其工作原理如下：主动非圆齿轮l 装在织机主轴d 上，通过非圆齿轮1 和2 的传动，将运动和动力传到轴a 上；然后通过四 连杆机构a b c d ( 曲柄a b 与从动非圆齿轮固接) ，将运动转化为扇形齿轮z l 的非匀速往 7 浙江理工大学硕士学位论文 复摆动，然后经过扇形齿轮z 卜圆柱齿轮z 2 和圆锥齿轮z 3 、乙的行程放大；最后通过与 从动圆锥齿轮z 4 共轴的剑轮3 驱动剑带4 作非匀速的往复直线运动。这种引纬机构的主 要特点是：能按给定加速度，反求机构参数，可以得到满意的引纬工艺要求。结构相 对简单，且便于平衡。 该引纬机构利用了非圆齿轮的非匀速传动特性，其结构简单可靠，能满足剑杆织机引 纬工艺要求；通过参数匹配，完全可以实现送纬和接纬剑头的不同运动规律，实现“接力 引纬，改善交接纬时纬纱张力变化大或纬纱松弛导致交接失误现象；由于曲柄摇杆的“急 回”特性，使剑头不载纬时( 送纬剑头退剑和接纬剑头进剑) 平均速度比载纬时快，减少 纬纱平均张力。 2 2 引纬机构剑头的运动学分析 剑杆引纬有一系列特点【3 2 】：剑头在梭口内停留时问较长，占主轴转角约为2 0 0 。2 4 0 。， 甚至更长些；剑头进出梭口的时间可调范围小，剑头进入梭口约为6 0 0 9 0 0 间，出梭口约 在2 8 0 0 3 1 0 0 间，空程可使剑头迟进、早出梭口。 2 2 1 剑杆引纬工艺的要求 在引纬规律中，剑头进出梭口时空动程和时间、总动程和剑头进足交接纬时间、最大 加速度等是最重要的。剑杆运动时除了满足影响动力学性能的最大加速度尽可能低的要求 外，其他是由剑杆引纬的特定工艺要求确定的，具体如下【3 3 】：在剑杆向梭i ；3 内运动起始处， 送纬剑和接纬剑运动缓慢，而且送纬剑更慢，这有利于送纬b ，i l l 。y 在较短的距离内正确夹持 住纬纱。在梭口中央交接时，送纬剑和接纬剑运动也缓慢，有利和缓交接，降低纬纱张力。 退出梭口时送纬剑相对较早，而接纬剑剑头迟些，因为接纬剑在退出梭口后释放夹持的纬 纱，纬纱一旦释放必须立即被闭合的经纱夹持住，故接纬剑头不能过早地出梭口。另外， 两剑的最大速度值均应出现在剑头空载时，这有利于降低纬纱张力峰值。 为了满足上述引纬工艺要求，通常要求剑头 进、出梭口时间角在仍= 6 0 。、= 3 0 0 。左右， 设对应实际位移薯、x o ，最大动程时的时间角 在= 18 0 。附近，如图2 2 所示。( 其中，w 、a 分别为筘幅和交接纬冲程的半。) 2 2 2 剑杆的动程设计 为了达到规定的布幅，保证剑杆正常地引纬， 合时应有适当的交接冲型州。 r 图2 2 引纬工艺要求 剑杆应有一定的动程，两剑杆在中央会 浙江理- t 大学硕士学位论文 送纬剑和接纬剑的总动程s 可按下式确定，如图2 3 所示： s = a + b + c + b 式中：萨一接纬剑退足时，钩头离边纱第一筘齿的距离； 蜮纬剑退足时，剑头离边纱第一筘齿的距离； 删剑进足时的交接冲程( 或重叠尺寸) ； 廖一织机的上机穿经筘幅。 两剑的交接位置应取在织机的对称中心，理论交接冲程约 为1 0m i l l 。接纬剑退离布边在边针处需暂停，以待撞纬叉脱下 纬纱由钩边针接住。此时，接纬剑钩头离边纱第一筘齿的距离 取约为1 0m i l l ，纬纱从接纬剑头上脱下后，筘座继续向前方， 为防止钩头同边针等相碰，接纬剑还需要一定数量的微退，其 值取为3 0i t l n l 左右，因此取a 4 0 m m ；送纬剑退足时，剑头 离边纱第一筘齿的距离b 9 0 m m ；过小了不能将接纬后的纬圈 拉紧，而造成锁边不良的织疵。 接纬剑有一段暂停时间，而送纬剑则无此必要。为使两剑 相对筘座的运动速度和加速度尽可能接近，一般将送纬剑最大 动程s s 一选的大些，而接纬剑最大动程马一小些，即： = 詈+ 心 s 一= 菩一丛 2 一( 1 ) 图2 3 剑杆动程 2 一( 2 ) 式中：2 a s 一送纬剑和接纬剑动程之差。 2 2 3 引纬剑头理想运动学曲线的构造 剑杆织机剑头运动规律的优化可以使引纬运动更加平稳，改善纬纱的受力状况，提高 入纬率，适应高速织机的要求，大大改善织机的织造性能a 目前对剑杆运动规律进行研究 的有：文献 3 5 】直接假设位移曲线方程，然后根据各曲线段的位移、速度、加速度关系以 及曲线的连续、光滑条件，找出各段曲线的边界条件，列出方程组依次求解出位移、速度、 加速度曲线方程。虽然该种设计方法能很好地满足剑头的运动要求，但其优化变量有1 1 个之多，计算量较大。文献【5 5 】采用5 次多项式来设计加速度的过渡曲线，满足了高速剑 杆织机对加速度、跃度无突变的要求，剑头的运动平稳，冲击小，是一种较为优越的运动 规律，但随着多项式次数的增加，引纬机构精度要求提高，其加工难度也加大，成本就增 9 浙江理工大学硕十学位论文 高，机构对误差的敏感性也相应提高。 本文根据修正梯形加速度剑头运动规律提出了一种新的曲线方程，并推导了跃度、速 度和位移方程。 2 2 3 1 剑头的常见加速度规律分析 常用的剑头运动规律有正弦加速度规律、梯形加速度规律和修正梯形加速度规律等【3 2 1 。 计算表明，在动程和运动时间相同的条件下，正弦加速度规律的加速度峰值比修正梯形加 速度规律的加速度峰值大4 5 ，速度峰值大4 i 铜，因此，在目前常用的剑头运动规律中， 修正梯形加速度运动规律是最优越的。修正梯形加速度运动规律是指引纬加速度曲线的形 状类似于梯形，在梯形的转折处用多项式曲线光滑过渡。而过渡曲线设计是修正梯形加速 度运动规律的重点和难点。 2 2 3 2 引纬加速度曲线的构造思路和边界条件 本文采用三次埃尔米特插值多项式构造了4 段过渡曲线。为了便于加速度曲线的设计， 曲线段在伊【兀，2 x 】与曲线段在缈【o ，兀】是关于缈= 兀对称的。因此，实际只需构造出2 段 过渡曲线z o ) 和五( x ) ，即可得到完整的加速度曲线，如图2 4 。然后对加速度曲线积分得 到速度曲线，再对速度曲线积分得到位移曲线。f , c x ) 和灰( x ) 采用多项式运动规律，由于 多项式的幂次增加，机构的加工精度和制造费用相应增加很多，本文只考虑加速度光滑连 续无突变，在过渡段始末两点应为零，因此采用三次多项式。 勰伽，一纠八2 纠 慧 善兹乏圹娶劢_ 戮厂一嘶 图2 4 三次埃尔米特插值多项式过渡曲线的引纬运动加速度曲线 引纬加速度曲线构造的边界条件如下： 1 ) 矽值是由引纬工艺条件决定的，通常要求剑头进梭口时间角在9 = 6 0 * 之后，出梭 口时间角在= 3 0 0 。之前，仍，仍，伤为已知变量。 2 ) 由织机所要求的筘幅决定，其中h 为已知变量，吃为应变量。 3 ) 由于剑头进足开始退剑时( 伊= 兀) 的速度1 ，；0 ，因此在缈 0 ，7 c 】内，函数f o p ) 与 缈轴所围成的正负面积之和必须为零，即4 + 4 = 0 。这种设计方法不仅有利于纬纱的交 接，也便于织机的调试( 缈= 兀时，剑杆的位移达到最大值) 。 1 0 易知：( 缈) = h ( c ) 当伊在【仍，伤) 区间时 设五( 咖= a o + q 伊+ 口2 伊2 + a s f p 3 i 厶( 仍) = h 由边界徘 器美，得 【爿( 伤) = 0 2 - ( 4