（纺织工程专业论文）基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究 摘要 论文探讨了织机凸轮开口机构在缺少原始设计资料和凸轮制造工艺的前提下，通 过对凸轮机构设计方法、使用、凸轮制造工艺分析，对凸轮机构进行计算机辅助设计 和凸轮制造实践。主要内容： 1 ，从动件的常用运动规律。 2 ，使用三坐标测量仪检测( 1 6 6 1 型凸轮开口机构的) 凸轮轮廓和运用计算机进行检 测结果的分析；合理选用加速度运动规律的类型，推导出凸轮运动方程s v - a ，并作 分析。 3 ，对机构的运动构件进行运动学、动力学分析，重点分析综框运动规律和校核凸轮 最大接触应力。 4 ，共轭凸轮制造工艺分析，包括凸轮加工中存在的问题，材料选用、热处理、数控 铣削加工、数控磨削、检测等。 通过以上分析和制造，基本达到了设计的要求。为从事纺织机械研究、设计人员 提供一种新型实用的方法。 关键词：开口机构共轭凸轮运动学动力学制造工艺 作者：黄景飞 指导教师：左保齐 吕雪奎( 校外) t h ea n a l y s i so fc a mo p e nm e c h a n i s mb a s e do nc o n v e r s ea n dt h e s t u d yo fc a m sm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t l a c k so fo r i g i n a ld e s i g nd a t ao fl o o m so p e nc a n lm e c h a n i s ma n dc a n q m a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa p r o f i l eo ft h ed e s i g no fc a m s w i t ht h ea i do fc a da n dt h ep r a c t i c eo fc a m s b a s e do nc a mm e c h a n i s m s d e s i g nm e t h o d ，w o r k i n gc o n d i t i o na n dt h ea n a l y s i so fc a mm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y c o n t e n t ： 1 o r d e r l yr u l e sa b o u tt h em o v e m e n t so fc a mf o l l o w e r s 2 w i 廿lt h r e e c o o r d i n a t e sm e a s u r i n gm a c h i n et om e a s u r et h ep r o f i l eo fc a m r e a s o n a b l ec h o i c eo fs t y l eo fa c c e l e r a t i o nt ow o r ko u tc a mm o v e m e n t e q u a t i o n ：s - v - a 3 a n a l y z ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so ft h em o v a b l ee l e m e n t so ft h e m e c h a n i s m ，e s p e c i a l l yi nt h em o v e m e n tr u l e so fh e a l dt 量a m ea n dc h e c k m a x i m u mc o n t a c ts t r e s so nt h ec a m 4 m a t c h e dc a m m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，s u c ha sm a t e r i a l ，h e a tt r e a t m e n t ， n u m e r i c a lc o n t r o l m i l l i n g a n d g r i n d i n g ，p r o b l e m s i nt h e p r o c e s s o f m a n u f a c t u r e ，i n s p e c ta n de t c ，a r ea n a l y z e d o nt h eb a s e o ft h ed e s i g na n dt h em a n u f a c t u r em e n t i o n e da b o v e ，t h e d e s i g nc o n d i t i o n sa r em e t ；a n dm e a n t i m e ，p r o v i d ean e wa n df i m c t i o n a l m e t h o df o rt h ed e s i g n e r sw h om a k er e s e a r c h i n go nt e x t i l em a c h i n e k e y w o r d s ：o p e nm e c h a n i s m ，m a t c h e dc a m ，k i n e m a t i c s ，d y n a m i c s ， m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y w r i t t e n b y ：h u a n gj i n g f e i s u p e r v i s e db y ： z u ob a o q i l nx u e k u i v 7 8 1 8 5 7 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究i 。作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名：黄景飞日期：2 0 0 4 年9 月 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心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) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：黄景飞 日期：2 0 0 4 年9 月 导师签名：层丛瘸同期：型i 7 爵 基于反求法织机凸轮开i - 3 机构分析与凸轮制造工艺研究 第一章序言 第一章序言 1 1凸轮机构的功用与分类 1 1 1 凸轮机构的功用 凸轮机构是各类工程中用以实现机械化和自动化的一种主要驱动和控制机构，它 几乎可以实现无限多种的从动杆运动规律，利用它把回转运动变成直线运动和摆动： 在有些场合，也可把一种直线运动或摆动转变成另一直线运动或摆动。凸轮机构主要 用作传动机构，并且用于具有等速运动，而大多数是回转式驱动装置的情况下。在很 大范围内的各种非等速运动都可以作为从动运动，如有间歇或无间歇的摆动或回转运 动、有瞬时停留的步进运动、步进运动和先退后进的步进运动。凸轮机构也适用于用 作导向机构，如使从动件通过预定位置或预定的轨迹。当凸轮机构用作控制机构时， 可以控制执行机构的自动工作循环。因此，凸轮机构作为机械式运动传递与信息储存 的基本元件，以其构件数量少和所占空间小等特点，在纺织机械、自动机床、内燃机、 印刷机械、农业机械、包装机械、矿山机械以及轻工、食品、医药等领域运行的工作 机械中获得广泛应用，例如自动机床上控制刀架运动的凸轮机构、仿形车、铣削加工 用的靠模、剑杆式织绸机的两组凸轮驱动机构、内燃机的气门凸轮、家用缝纫机中实 现缝料间歇性送进的凸轮机构等。 1 1 2 凸轮机构的分类 凸轮机构形式繁多，其工作特点和设计方法随机构形式而异，较常用分类方法有 三种：按凸轮的几何形状分类：按从动件的几何形状和运动方式分类；按凸轮与从动 件维持接触的方式分类“1 。 1 按凸轮的几何形状分类 平面凸轮即凸轮呈扁平状，凸轮的运动平面与从动件的运动平面互相平行或重 合。有盘形凸轮、移动凸轮、圆弧凸轮三种型式。 第1 页 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究第一章序言 空间凸轮即其基体呈圆柱状，它与从动件的接触位置沿凸轮轴线方向变化。有圆 柱凸轮和圆锥凸轮两种型式。 2 按从动件的几何形状和运动方式分类 从动件通常采用直线往复移动和绕某一给定的轴线摆动两类运动方式。有尖底从 动件、滚子从动件、平底从动件、曲面从动件、滑船式从动件五种类型。 3 按凸轮与从动件维持接触的方式分类 ( 1 ) 力封闭的凸轮机构即利用外力( 重力、弹簧力或其它外力) 维持凸轮与从动件 接触的结构型式； ( 2 ) 几何形状锁合的凸轮机构即形封闭凸轮机构：槽形凸轮、凸缘形凸轮、等宽凸 轮、等径凸轮、共轭凸轮等。 1 2 凸轮机构的研究和发展 凸轮机构以其构件数量少、所占空间小、能够精确可靠地实现许多所设计的运动 规律，在各行业领域运行的工作机械中获得广泛应用，也正是它的广泛应用推动了对 它的研究、理论和技术发展。当工作机械以较低转速运行时，从动件的响应基本与按 凸轮静态条件下计算出的运动数值相符。当机器以较高速度运行时，必须考虑系统相 互影响的动力学问题。 早在上世纪2 0 年代，各类工作机械在较低速度下运行。凸轮机构的设计以经验 法和几何结构实现，轮廓线由用圆弧和直线通过试凑法形成。通常只研究凸轮的简单 几何形状和从动件运动规律，如等加速等减速、抛物线、正弦、余弦曲线等，以满足 从动件运动的简单的位移要求为目标。上世纪3 0 年代，随着发动机转速的不断提高， 对各种机器的速度、效率、噪声和可靠性等方面的要求也日益提高，人们逐步认识到 避免高速凸轮机构的加速度值突变的重要性。如o l m s t e a d 。2 和h r o n e s 提出了从动 件系统的弹性在凸轮机构动力学方面的影响；h r o n e s 首次在微分分析仪上用简单的 弹簧一质量力学模型来模拟凸轮一从动件系统的动力学问题。随着对凸轮机构研究的 第2 兜 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究 第一章序言 逐步扩展与深化，人们由从简单地考虑几何结构、运动和静态分析，发展到考虑动力 学分析、摩擦、表面质量、弹性变形等。特别是上世纪5 0 年代以后， m i t c h e 1 “、 t u r k i s h “1 、b a r k a n “1 等做了凸轮提升阀机构实验，研究了作抛物线、简谐运动、摆 线运动的从动件振动特性。难是对从动件振动的认识，人们研究出修正抛物线运动规 律、修正摆线运动规律、修正梯形运动规律。计算机技术的出现、先进仪器使用和数 值计算方法的发展，使凸轮机构动力学的探讨和多方面的研究得到发展。 1 2 1日本研究凸轮机构的基本情况 二战以后，日本国内致力于发展新型实用的自动装置，很多学者特别注重凸轮机 构的理论与应用研究。较早有小才川介、中开英联邦一等；现在有牧野洋”3 、西冈雅 夫等。日本国内还有一些专业生产凸轮机构的公司，如大冢凸轮公司、三共制作所等。 该国国内经常举办有关凸轮机构理论与应用的学术交流会议，并且在相关的国际重要 刊物上发表凸轮机构研究与应用论文。近些年来，有关凸轮机构的研究工作如下： 1 重视凸轮机构的动力学和振动方面的研究，不断提高凸轮机构的运转速度， 发展高速凸轮。已生产出8 0 0 0 次每分钟的分度凸轮机构。 2 研制新型的凸轮加工设备，以适应新产品开发的需要。实现凸轮机构的小型化、 大型化生产需要，已生产世界上最小( 中心距为2 8 r a m ) 和最大( 中心距为8 0 0 m m ) 的 蜗杆凸轮机构。 3 在机构设计方面，致力于寻求凸轮机构的精确解和使凸轮曲线多样化”。，以 实现从动件的控制和运动要求。 4 研究实行凸轮机构标准化管理、实现标准凸轮机构批量生产方法。 1 2 2 欧美国家对凸轮机构研究的基本情况 欧美国家众多的凸轮机构研究人员为凸轮机构的研究、设计和应用做出了贡献， 取得了许多科研成果，发表和出版了许多有价值的学术论文和专著。上世纪三十年 第3 斑 基于反求法织机凸轮开口机构持析与凸轮割造工艺研究第一章序言 代，f u r m a n 撰写了一本较系统介绍凸轮机构设计的专著，其研究重点集中在低速凸 轮机构，主要研究凸轮机构的运动规律。到了上世纪四十年代，人们开始了发动机 配气凸轮机构的振动深入研究，从以经验设计过渡到有理论根据的运动学和动力学 分析研究。上世纪四十年代术，h r o n e s 等人已经认识到从动件的刚性对凸轮机构动 力学响应的影响。五十年代初，m i t c h e l l 首先做了凸轮提升阀机构动力学的实验研 究；随后t u r k i s h 用装在发动机上的电磁式速度传感器来测凸轮速度，他还用电子 加速度仪来测凸轮机构真实加速度；t h o r e n “、e n g e m a n n 和s t o d d a r t 用高速摄影测 量阀的跃动效应；b a r k a n 将电阻应变片贴在摆臂上测动应力，他们都取得了重要成 果。人们在对从动件振动有了相当的认识后，研究出各种各样的修正凸轮曲线，如 修正抛物线运动规律、修正摆线运动规律、修正梯形运动规律等研究成果。 随着计算机应用技术的发展，实现凸轮机构的c a d c a m 、优化设计工作取得了巨 大成功。凸轮机构的科学研究经历了从经验设计到优化设计，仅仅从运动学分析发 展到对凸轮机构运动、动力学研究，从手工加工到运用c a d c a m 自动编程的数控加 工发展阶段。八十年代以来，m i l i s 1 、p e n g 、b e l e s t i jn 3 1 与t h a n “”等学者先 后发表了有关凸轮机构优化设计方面的论文； c h e n “和t e s a r “”在动力学方面的研 究论文；c h a k r a b o r t “7 1 在运动研究方面研究论文；n e k l u t i n “8 1 在振动研究方面研究 论文； v o l m e a “”在设计制造方面做了较多研究和应用。 另外，在高速凸轮机构的研究、设计和应用等方面也取得了重大的成绩。t e s a r 在其著作中对高速凸轮机构采用的多项式运动规律有较详细的论述；而w e b e r 、 g u t m a n 与f r e a d u n s t e i n 等人提出了付氏级数运动规律，s t o d d a r t 与f a w c e t t 等提 出了多项式动力运动规律。c h e w 与u n l u s o y 等人对高速凸轮机构的动力学问题进行 了研究。近些年英国、德国等国在高速凸轮机构的研究方面采用了谐分析、谐综合 等分析、设计方法，使得高速凸轮机构的动力学性能有了很大的提高。 1 2 3 我国凸轮机构研究的基本情况 第4 页 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究第一章序言 在我国，凸轮机构广泛应用在纺织机械、印刷机械、包装机械、食品机械、发动 机等领域。国内对凸轮机构的研究。1 和应用也有多年的历史，1 9 8 3 年中国机械工程 学会机械传动分会第三届全国机构学术交流会上仅有数篇关于凸轮机构的论文交 流，涉及设计、运动规律、分析、轮廓曲线的综合等几个研究方向：1 9 9 0 年第七届” 全国机构学术交流会( 天滓) 上有关凸轮机构方面的二十多篇交流论文，增加了振动、 优化设计、c a d c a m 等方面研究论文：近几年，对凸轮机构的研究更是不断深入，对 凸轮机构的共轭曲面原理、凸轮机构设计专家系统、c a d c a m 数控加工等方面也有了 相当研究，然而与欧美、日本等国先进技术相比，我国对凸轮机构的研究和应用还存 在较大的差距，特别是在新产品开发、高速凸轮机构的振动、凸轮加工等方面。 1 2 4 凸轮机构研究方向 尽管我国许多机构、研究人员长期从事凸轮机构的研究，做了相当多的工作，也 取得了较多研究成果，但仍有许多方面的工作有待研究。从设计、制造的角度看，有 以下几方面工作： 1 ) 凸轮机构反求设计 对国外先进的纺织机械设备中关键技术剖析和吸收，是我国纺机技术进步的有效 方法。而凸轮机构工作性能的反求，是纺机设备析剖的重要工作。 2 ) 研究成果的转化。如高速凸轮机构的动力学、运动学研究尚不够深入、完善， 科研成果的应用还不广泛。 3 ) 运用计算机实现凸轮机构的运动和动力学特性的模拟，以缩短产品研制周期； 研究凸轮机构的先进制造工艺，提高凸轮的加工精度和生产效率。 4 ) 加强对高速凸轮机构的动态设计和动态测试研究。 随着原动机转速不断提高，高速凸轮机构的研究凸显重要。当凸轮机构的运转速 度较高时，系统中运动构件的惯性力剧增，构件弹性变形的影响会导致从动件运动规 律偏离预定的要求，产生误差。特别地，当系统的激振频率接近系统的固有频率时， 从动件的运动状态将远远偏离由静态设计确定的凸轮轮廓参数所限定的运动规律，甚 第5 负 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究第一章序言 至产生共振、噪声、损坏，加剧凸轮副的磨损。研究和提供高速运动条件下的从动件 运动规律函数和动态分析、动态设计的理论和方法，是非常重要的方向；动态测试方 法和测试设备的研究也是验证动态设计理论所必须的。 5 ) 开发通用而有效的凸轮机构设计的c a d 系统。 6 ) 引用凸轮机构设计专家系统。目前国内已有一些凸轮机构设计专家系统。”。， 如e s c m ( a ne x p e r ts y s t e mo fc a mm e c h a n i s m s ) ，该系统有凸轮机构类型选择、确 定凸轮机构尺寸、选择材料、热处理和制造精度、确定从动件运动规律等功能，由于 凸轮机构的复杂性、多样性，该系统还不能满足所有使用要求。 7 ) 从动件运动规律的研究方砸：v a n d 提出了凸轮机构谐综合的设想，从而能解 决高速凸轮的动力学问题，它是今后一段时期里高速凸轮机构的研究方向。 1 3 本论文研究的主要内容、目的和意义 纺织业是我国的传统工业，作为世界人口大国，它关系到我国百姓穿衣和国民 经济的健康发展。改革开放以来，纺织业有了长足进步。国外的各种先进织造设备、 技术大量应用于我国的纺织工业，剑杆、片梭、喷水、喷气等各类无梭织机在织机 总数中所占比例迅速增加。为更好地使用国外先进的设备伽，学习因外先进的技术 和工艺，加速各种纺织设备国产化进程，纺织机械界的工程技术人员在消化吸收引 进技术和样机国产化进程中，普遍感到纺织设备中的凸轮机构的设计及制造技术要 求较高，而外方基本不提供该机构的设计、加工原理和原始数据、图表资料。同时， 随着纺织机械设备的运行速度的提高，对设备使用的可靠性要求进一步提高，研究 纺织机械中的核心部分( 凸轮机构) 的设计、制造理论和方法已成为近阶段纺织机 械行业迫切需要研究的实际课题。 本课题针对纺织行业从国外进口的纺织机械设备中凸轮机构在缺少原始设计资 料的情况下，通过对样机的凸轮轮廓线的数据测量，建立数学模型，完成凸轮运动 第6 砸 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究 第一章序苦 方程的推导、机构运动学和动力学分析，探讨凸轮轮廓的加工工艺，为减少织机的 振动、降低噪声，减小凸轮和从动件的磨损，提高织机整机工作性能，为从事纺织 机械的研究人员和凸轮机构设计、制造人员提供一种新型的方法。 以斯陶布利1 6 6 1 型凸轮开口机构为例说明，具体研究内容如f ： 1 介绍凸轮机构从动件常用的运动规律”( 等速、等加速等减速、余弦加速度、摆 线加速度、变加速度等) 、运动参数( s 、v 、a 、h 、由) 。 2 典型的凸轮开口机构一1 6 6 1 型凸轮开口机构的凸轮轮廓曲线的方程推导，从动件 位移、速度、加速度分析，并与原始数据进行位移s 、速度v 、加速度a 的误差分析， 以及作凸轮开口机构运动学分析2 ”。 3 对凸轮开口机构每个构件进行刚体动力学分析，以及分析织机综框的运动和对凸 轮表面最大接触应力校核。 4 进行凸轮制造工艺分析。分析凸轮机构的重要零件凸轮制造加工的现状及存 在问题，制订凸轮制造工艺。“，分析凸轮粗、精加工工艺、加工方法以及检测方法。 通过以上各部分分析，不再盲目使用测量数据，而是得到了可用于实际生产的有 用数据，从理论上保证了凸轮的质量，进一步清颂了该机构豹设计思路，从而也达到 消化吸收的目的。在此基础上，可进行自主改进，进一步提高产品质量，达到减少机 器振动，降低噪声，减小凸轮和从动件的磨损，提高整机工作性能的目标。 籀7 页 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究 第二章从动件常用运动规律 第二章从动件常用运动规律 常用的基本运动规律有等速运动规律，等加速、等减速运动规律，余弦加速度运 动规律和摆线加速度运动规律、变加速度运动规律等。从动件的速度、加速度、跃动 度和凸轮上转矩幅值，称为运动规律的特征值1 。 2 1 等速运动规律 等速运动规律一即一次项运动规律。等速运动的位移曲线是条等斜率的直线，从 动杆的速度等于常数，但加速度曲线除升程的起点和终点处为瞬时无穷大外，其余各 处都等于零。 凸轮升程运动方程式： s = 万h 妒 ( 2 1 ) 矿：粤：旦( 2 - 2 ) d 译8 彳= 等= 。 防。， 凸轮l 旦i 程运动方程式： s = 巧t 一期h 矿：鱼：一生 d e9 一：堕：o 2 2 等加速等减速运动 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 从动件推程作等加速等减速运动时，如果其加速段与减速段的时间相等，则其运 动线如图2 - 1 所示。出物理学可知，初速为零的物体作等加速运动时，其位移方程为 第8 负 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造t 艺研究第二章从动件常用运动规律 s = l a o t 2 = “割2 己知当妒= 詈时，s = 宝朋， 1r 中、2 j 2 j l 五j 即铲等 将之值代入位移方程并对时间求导数，得推程等加速度段运动方程为 2 h ， ”矿妒 4 h m 归矿妒 4 2 非2 百r t t t 图2 一l 等加度等减速运动规律线图 根据运动线图的对称性，可得推程等减速段的方程为 s ： 一二2 了h 一妒) 2 中2 、 v = 等p 一妒) 4 h c 0 2 ”一百r 第9 1 f ( 2 7 ) ( 2 8 ) 兰主垦鲞鲨婴机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究第二章从动件常用运动规律 出廷动线图司见，这种遥动规律的速度曲线是连续的，不会出现刚性冲击。但在 a 、b 、c 三处加速度曲线有突变，有限值的惯性力发生突变会导致零仕、冲毒。因此， 这种规律只适用于中速的场合。 用类似的方法也可导出从动件回程作等加速度等减速运动的表达式为 一箬伊z i 中2 + ，：一等伊蛔程等加m e ) ( 2 - 9 ) ”一矿伊尸程，寺加 一等j牡一百rj s = 静扣) 2i v 一警善b 一妒) 程等减速度) ( 2 1 0 ) 口：等f胙百广 2 3 简谐运动 质点在圆周上作匀速运动时，它在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐 季动。从动件作简谐运动时，其运动线圈如图2 - 2 所示，由位移线图可以看出，其位 移曲线方程为 j = r r c o s 0 图中r 2 宝及罢= 吾。将r 及e 之值代人上式并对时间求导数可得 s 2 卜。s 引i审7 h 砌行 2 mm h z 2 甜2疗 2 审2中 ( 2 一) 基于垦塞法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究第二章从动件常用运动规律 t 图2 2 简谐运动规律线图 从动件作简谐运动时，其加速度按余弦曲线变化，故又称余弦加速度规律。由运 动线图可见，只有当从动件的运动循环为升降升型，远、近休止角均为零时， 才可以获得连续的加速度曲线，从而应用于高速转动。 用类似的方法可导出从动件回程作简谐运动的方程为： s = 如c o s 刊 h 巧0 ) 冗 忙一万8 1 n 了伊 h z2 c 0 2万 舻一可8 了妒 回程) ( 2 1 2 ) 2 4 摆线运动 由解析几何知，当滚圆沿纵轴匀速纯滚动时，圆周上点a 将描写出一条摆线。此 时点a 在纵轴上的投影即构成摆线运动规律，其运动线图如图2 - 3 所示。其位移方程 应为 s = 一o b r s i n 臼= r o r s i n o 将r 及。值代入i 二式并对时间求导即得 第1 l 砥 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究 第二章丛砷件常用运动规律 s = 4 罟一瓦1s i n 警妒)l 中2 玎中， v = 等卜s 警叫 巾lo + ， 2 砌2 2 ” 非1 r 锄i 9 ( 2 一1 3 ) 图2 - 3 摆线运动规律线图 由运动线图可见，摆线运动的速度曲线和加速度曲线都是始终连续变化的，它没 有刚性冲击，也没有柔性冲击，故可用于高速。 同理，可导出从动件回程作摆线运动的方程为 鳓( - 一手+ 砑in n 等矿) 一警( t 吾妒) 2 瘢2 2 疗 ”一百厂5 1 n 了p ( 回程) ( 2 - 1 4 ) 2 5用多项武表示的运动规律 用多项式表示的位移曲线的一般形式为“” s = c o + q 妒+ c 2 尹2 十+ c 月p “ 对从动件的运动所提的要求越多，相应多项式的方次n 就越高。 第1 2 负 基于反求法织机凸轮开l 】机构分析与凸轮制造工艺研究第二章从动什常用运动规律 例如，当给定摊程运动角和行程h 、并要求速度曲线和加速度曲线连续时，可以 写出下面六个条件： 1 ) 妒2 0 时， s = 0 ；2 ) 妒= 中时， s = h ； 3 ) 妒= 0 时， v = o ：4 ) 妒= 中时，v = o ； 5 ) p = 0时， a = o ：6 ) 妒= 中时， a = o 。 要满足以上六个条件，可采用五次多项式位移曲线 j = c o + c i 伊+ c 2 妒2 + c 3 ( o3 + c 4 妒4 + c 5 妒5 ( a ) 将上式对时间求导数得 v = c l ( o + 2 c 2 唧+ 3 c 3 岬2 + 4 c 4 婶3 + 5 c 5 唧4 ( b ) 口= 2 c 2 t 0 2 + 6 c 3 2 伊+ 1 2 c 4 0 9 2 妒2 + 2 0 c s 国2 伊3 ( c ) 将条件1 、3 、5 分别带入式( a ) 、( b ) 、( c ) 得 c o = o ，。i = 0 ，。2 = 0 将条件2 、4 、6 分别代入式( a ) 、( b ) 、( c ) 得 c 3 a o3 + “巾4 + c s t d 5 = h 3 c s c o 巾2 + 4 c 4 a , 疝3 + 5 c 5 神4 = o 6 c ，2 m + 1 2 c 4 2 m 2 + 2 0 c 5c 0 2 巾3 = o 式中、h 和中i - a 为已知常量。连立解以上方程组可得 旷t o 告一一，s 嘉 = s 告 将以上“、c i 、c ，代入式( a ) 即得所求位移曲线方程为 s = 。攻詈) 3 一t s 詈) 4 + s 詈) 5 ( 2 - 1 5 ) 将上式对时间求导数即可得v 、a 的表达式。这种位移曲线只有3 、4 、5 次项， 故又简称3 4 5 多项式。它的加速度线图是对称的，类似于f 弦曲线。由于它的最 大速度和最大加速度值都小于f 弦加速度规律，故常用于内燃机的高速凸轮中。 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造t 艺研究第三章凸轮机构运动学分析 第三章踏盘开口装置凸轮机构的运动学分析 3 1 引言 近十年来，我国纺织行业的企业从瑞士、意大利、f 1 本等圈引进了大量先进的纺 织机械设备。在使用国外先进装备的i 司时，通过对先进技术、工艺的消化吸收，加快 纺织机械设备国产化进程，以及在此基础上研制国产新型纺机设备已成为纺织机械行 业的迫切需要研究解决的课题。国外纺机设备生产厂家通常仅提供产品使用说明，重 要的技术资料仅提供图纸，有关产品的设计原理、加工工艺，外方一般很少介绍。以 前期纺织企业引进的瑞士斯陶布利公司的积极式高速凸轮机构为例，仅配套织机的各 类凸轮多种，以供织物组织和门幅等不同需求时选用。该公司仅提供了踏盘装置的凸 轮配件而无其他技术资料，因此，为达到先进技术消化吸收，加快新型凸轮机构国产 化，在对引进凸轮数据测量、分析的基础上，运用计算机辅助设计1 ，推导凸轮轮廓 方程，实现凸轮数据的自动生成、运动规律的分析、加工工艺及制造技术研究，为凸 轮机构设计人员提供一种新的实用方法。 凸轮机构的从动件运动规律，特别是用于高速凸轮机构时，应在全程范围( 包括 始末位置) 内保证位移无突变，力求速度、加速度无突变。以此作为评价运动规律特 性优劣的条件，从动件的速度、加速度和跃动度以及凸轮上施加的转矩最大值，以不 同的方式影响凸轮机构的工作性能。运动规律的特性值是指无因次运动参数中的最大 速度k 。最大走速度k ，、最大跃度j 。和动载转矩t 这些特性值从不同角度 影响凸轮机构的性能，是设计凸轮时选择运动的重要依据。 3 2 凸轮轮癣方程的推导及分析 在不具备设计资料和加工图样的情况下，复制凸轮的较佳方法是对原始凸轮轮廓 进行尽可能精确的检测，运用自动检测的三坐标测量仪，检测并记录凸轮轮廓线最原 始数据。三坐标测量仪对进1 样机上的凸轮按预设分度值逐点测量，得到测量数据， 第1 4 瓤 桀于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究第三章凸轮机构运动学分析 若测量2 3 次，取平均值可减小随机误差。由于三坐标测量仪测量头滚子半径 r ( = l l m m ) ，所以可利用p r o e 1 、i d e a s 、m a s t e rc a m 。2 。”3 、c i m a t r o n ”等c a d c a m 应用软件的等距偏置功能，将曲线等距滚予半径r ，可得轮廓曲线数据。该组数据中 包含着凸轮本身的制造时产生的加工误差以及测量误差，而凸轮轮廓的加工误差是影 响凸轮机构实际工作性能的重要因素，所以，在进行凸轮机构仿制时，除了必要的测 绘工作外，还应对从动件的运动规律进行反求，剖析原始的加工误差因素，剔除加工 误差，对轮廓数据作适当修正和改进。由于从动件的类加速度对凸轮轮廓的局部误差 相当敏感，故可从类加速度着手分析其加工误差，并以此推导类速度、类位移方程。 通过边界条件来求解类速度、类位移方程中的待定系数；再应用计算机和编制的程序 或应用m a t l a b 1 数学软件来校验凸轮轮廓曲线的各段方程( s v a 曲线) 正确性。 3 2 。1 凸轮轮廓曲线与综框运动的关系 图3 一l 是1 6 6 1 踏盘装置共轭凸轮开口机构运动简图。踏盘装置共轭凸轮开口机 构运动图，在箱体的凸轮轴上装有数对凸轮( 其数量视织物组织而定) 。每一对凸轮 由主凸轮l 和副凸轮2 所组成，控制一片综框。从动件3 上安装滚子5 ，主凸轮l 和 滚子5 相接触，滚子5 则始终和副凸轮2 接触，主凸轮1 与滚子5 的接触由小半径转 向大半径时，将连杆4 向左转动，通过摆臂6 、9 连杆7 、8 、1 0 使综框1 2 上升。这 时副凸轮2 与滚子5 的半径是由大半径转向小半径，以后该接触半径再由大半径转向 小半径时，就将连杆4 向右推动，于是综框下降。这样，共轭凸轮1 的轮廓越线直接 影响综框的运动”。 下面的凸轮数据表是凸轮开口机构中的共轭凸轮a 的坐标数据( 如表1 ) ，凸轮 b 的坐标数据与凸轮a 共轭。 第1 5 负 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造1 二艺研究第三章凸轮机构运动学分析 第j 6 贸 匦埋臀蜊寝暴口欺辞蛆剿蝌相酱 辎窿堪骠-e_【樊婚-z_【 辎砷鞋婚土_i赦靶-6，。m聪黎日_兮枣章f_o_【，h 一 下囤 ，目棼蒋_e群呱州卤辩目面二 基于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究第三章凸轮帆拘运动学分析 表1 共轭凸轮a 的坐标数据 角度半径角度半径角度半径 o8 3 5 0 0 07 4 1 1 0 0 8 9 4 1 4 8 1 0 5 2 9 3 l 2 8 3 5 0 0 77 61 1 l ，6 9 2 31 5 01 n 37 ，q 48 3 5 0 4 57 81 1 3 2 5 8 61 5 2 1 0 2 1 8 7 9 68 3 5 1 7 88 01 1 4 7 8 5 31 5 4 l o o 6 9 7 6 8 8 3 5 4 2 88 21 1 6 2 5 8 91 5 6 9 9 2 6 1 l 1 0 8 3 5 8 4 58 41 1 7 6 6 6 41 5 8 9 7 8 8 5 3 1 28 3 6 4 5 68 61 1 8 9 9 4 41 6 0 9 6 5 7 5 0 1 4 8 3 7 3 0 98 81 2 0 2 3 0 01 6 2 9 5 3 3 3 8 1 68 3 8 4 4 l 9 01 2 1 3 5 9 61 6 49 4 1 6 2 7 1 8 8 3 9 8 9 29 2t 2 2 3 7 2 11 6 69 3 0 6 1 7 2 0 8 4 1 6 8 8 9 4 1 2 3 2 6 5 41 6 89 2 0 3 0 4 2 28 4 3 8 6 99 6 1 2 4 0 3 9 81 7 09 1 - 0 6 8 0 2 48 4 6 4 7 29 81 2 4 6 9 5 01 7 2 9 0 1 7 3 9 2 68 4 9 5 2 21 0 0 1 2 5 2 3 1 11 7 48 9 3 4 7 0 2 88 5 3 0 5 41 0 21 2 5 6 4 8 0 1 7 68 8 5 8 6 1 3 0 8 5 7 1 0 31 0 41 2 5 9 4 5 81 7 8 8 7 8 8 9 6 3 2 8 6 1 6 8 31 0 61 2 6 1 2 4 31 8 0 8 7 2 5 5 8 3 4 8 6 6 8 2 91 0 81 2 6 1 8 3 71 8 28 6 6 8 2 7 3 6 8 7 2 5 6 1 1 l o 1 2 6 1 2 4 01 8 48 6 1 6 8 4 3 8 8 7 8 8 9 41 1 21 2 5 9 4 5 51 8 68 5 7 1 0 2 4 0 8 8 5 8 6 21 1 41 2 5 6 4 7 71 8 88 5 3 0 5 7 4 2 8 9 3 4 7 l 1 1 6 1 2 5 ，2 3 0 81 9 08 4 9 5 2 2 4 49 0 1 7 4 11 1 8 】2 4 6 9 4 71 9 28 4 6 4 7 0 4 6 9 1 0 6 8 3 1 2 0 t 2 4 0 3 9 61 9 48 4 3 8 6 9 4 8 9 2 0 3 0 5 1 2 2 1 2 3 2 6 5 31 9 68 4 1 6 8 5 5 0 9 3 0 6 1 5 1 2 41 2 2 3 7 1 81 9 8 8 3 9 8 8 8 5 29 4 1 6 2 81 2 61 2 1 3 5 9 32 0 0 8 3 8 4 4 1 5 49 5 3 3 3 91 2 81 2 0 2 2 9 82 0 28 3 7 3 0 9 5 6 9 6 5 7 5 11 3 01 1 8 9 9 4 42 0 48 3 6 4 6 3 5 89 7 8 8 5 31 3 21 1 7 6 6 6 32 0 68 3 5 8 5 0 6 0 9 9 2 6 1 21 3 41 1 6 2 5 8 92 0 88 3 5 4 3 8 6 2 1 0 0 6 9 7 6 1 3 6 1 1 4 7 8 5 3 2 1 0 8 3 5 1 8 7 6 4 1 0 2 1 8 7 7 1 3 8 1 1 3 2 5 8 72 1 28 3 5 0 5 1 6 61 0 3 7 2 3 01 4 01 1 1 6 9 2 32 1 4 8 3 5 0 0 9 6 81 0 5 2 9 3 01 4 21 1 0 0 9 9 52 1 68 3 5 0 0 0 7 01 0 6 8 8 7 l1 4 41 0 8 4 9 3 42 1 88 3 5 0 0 0 7 2 1 0 8 ，4 9 3 2 1 4 6 1 0 6 8 8 7 33 6 08 3 5 0 0 0 曲线从2 1 6 3 6 0 度为等半径圆弧， 3 2 2 建立数学模型 凸轮数据虽经拟合，但并不一定适用高速织机，还需进行运动学的分析，以消除 第1 7 负 茎三垦塞鲨终机凸轮开口机构分析与凸轮制造工艺研究第三章凸轮机构运动学分析 速度、加速度曲线可能的突变，防止噪声、振动，为此采用类速度、类加速度的数值 计算的方法来处理原始数据。 = 心，孕一毕卜半 式中y 一一一 指凸轮在i 点的半径 y ( ) 一一 y ( - i ) 一一 x v i ) 一一 a ( ，) 指凸轮在i + i 点的半径； 指凸轮在i _ l 点的半径； 指两点间隔的角度( 2 。) 指凸轮在i 点的速度； 指凸轮在i 点的加速度。 3 2 3 s _ v 咱框图设计( 图3 - - 2 ) 数组说明y ( 1 8 3 ) 输入比例 凄原始数据 绘制x 、y 轴 f o ri = 1t o3 6 0s t e p2 公式( 1 ) 、( 2 ) 计算v ( 1 ) 、a ( 1 ) 打印s ( i ) 、v ( i ) 、a i ) ，j l 一 干 j 绘制s ( i ) 、v ( i ) 、 ( i ) 曲线j 。1 1 1 。1 1 。1 。4 。1 。“。1 。一。j l 一一 _ - 剿旦 图32 凸轮位移、速度、加速度计算流程框图 ( 3 一1 ) ( 32 ) 苎主垦查鲨璺塑鱼丝墅旦塑塑坌堑生苎竺! ! 童二茎堕窒 苎三兰些丝! ! 塑兰垫堂坌堑 图3 - 3 凸轮位移、速度、加速度曲线图 3 2 4 凸轮轮廓数学方程的推导 通过计算机编程“得出的加速度曲线( 图3 - 3 ) 可以看出，此凸轮曲线为组合型 加速度曲线1 。 凸轮硐彰匏葫强： 升程0 0 5 4 05 4 0 7 2 07 2 0 9 0 09 0 0 1 0 8 0 a 专bb 斗cc 斗dd 斗占 升程周期f l = 1 0 8 。1 8 生0 0 = 等 匣哺呈1 0 8 0 1 2 6 01 2 6 0 1 4 4 01 4 4 0 1 6 2 01 6 2 0 2 1 6 0 e d 1d 1 寸c 1c 1 b 1 b 1 一a 1 回程周期f l = 1 0 8 0 素= 等 第一区间：妒 o ，5 4 。 即o 西6 由a到b的土正弦波加速度周期r=4晏卢=2,o，正弦波的起点与掣标原点重417 合。 设h l 、h 为凸轮机构从动件移动相应的行程，伊为凸轮转角。 耻讯希一1i n 号) k 书卜易( 卜c o s 等) 第1 9 负 苎：i ! = 堡垄鲨壑! ! 些篓茎里垫塑坌塑皇苎竺塑堕三苎塑塞 鱼三童苎竺! 咝坐型堕翌：! ! 一 小s ，”= 等矗n 号= 旁如等 ：旦s i n 翌 2 8 i毋 当达到b 点时，p = 西6 卢。把该妒值代入上面s 、k 、t 方程，b 点处的位移、速 度、加速度的方程为： 瀚呐睁1i n 警一b 一磊1 ) = 撕c o s 警 = 万h i 彳制番西n 竽番 第二区间：妒7 2 0 】b 1 1 f l 61 8 三司 由b 到c 点的正弦曲线的方程是：( 考虑到摆线运动的位移是等速运动和简谐运动 位移之和) ，为了通用起见，b 到c 点的位移曲线方程写为： 耻即c ：字畸s i 惦( 妒一刎 呐脚c ：字竹咖叫) 因此：= s ：= 詈+ c 3 万3 y g c 。s c 詈妒一万j 妒“，譬两n ( 芳咿 这里，系数c 。、c ：、c ，可用b 点处边界条件匹配相等来求得， 旁= 卜静( 札如 砌l，9 石2 万一q 矿 ，c ，= 一面h i 一 由b 点速度相等必须满足： 摹于反求法织机凸轮开口机构分析与凸轮制造_ = 】 = 艺研究 第三章凸轮射【构运动学分折 害2 鲁+ c ，j 孑c 。s ( 芳妒一丌 ，i ， n s ，= 疋或 即c ：字鹄- s i 惨( 妒一剀= 。 c 阳学竹s i n 高 妒一番芦) = o c + c 3 = 0 c l = - c 3 fh 。1 弋一面j 1 8 万 铲( 去一身+ 去+ 鲁 哆2 p 一每咖s 睁一刁 。 6 pp) 铲 = 等s i n 睁一刁 当妒= 西8 尉 字6 一静h i tn 睁一刁 卢 8 石 l 口 驴 卦+ 惫i h ii 1 3 一万4 h l 匕睁 = 丢h i + ( 一急 。芳- c o s ( 詈老声一厅) ：丑；土里：堕 2 p1 d r 卢3 p 彳2 一z 2 0