（机械设计及理论专业论文）织机开口共轭凸轮机构cad系统的开发.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 开口机构是织机的关键部件，决定织机运动的平稳性和织物组织的品质。在当前的各 类开口机构中，使用最广泛的仍属凸轮开口机构，包括消极式与共轭式凸轮开口机构，而 共轭式凸轮机构由于其形封闭特征，有较好的抗冲击能力，适于现代织机的高速化发展， 已逐渐取代消极式凸轮在开口机构中的应用。 用于织机开口机构中的共轭凸轮机构，其共轭凸轮片需要随着织物组织的改变作相应 的更换，而国内企业多采用国外引进的开口机构以提高自身产品的工作性能，并通过测量 进行复制以降低后期的生产成本，但存在测量误差，且不利于新产品的开发。因此，为消 化国外技术及提高自身产品竞争力，开发一个适应于织机凸轮开口机构的、且功能较全的 c a d 系统己成为一个亟待解决的问题。 本课题是在企业提出相关技术要求基础上所开发的适用于织机开口的共轭凸轮机构的 c a d 系统。首先介绍了该c a d 系统的总体设计思路，接着分章论述了组成该系统的三个 核心功能模块。第一个模块是对凸轮机构的反求设计，首先利用非均匀b 样条的小波分析 法实现凸轮廓线的光顺处理，然后利用机构分析法反求出凸轮机构的运动规律及运动角行 程；第二模块是对机构参数的优化设计，采用了遗传算法作为优化设计的方法，通过机 构的受力分析，建立以凸轮机构推程段的效率最大为目标函数的数学模型，以最大压力 角、凸轮表面最大接触强度、凸轮廓线最小曲率半径及凸轮机构基本尺寸的边界条件为 约束条件，实现凸轮机构参数的优化设计；第三模块是在前两模块设计基础对凸轮机构 的正向设计，实现了根据机构从动件的运动规律求得主动件的运动规律，并根据许用压 力角确定合适的凸轮机构参数，最终完成凸轮机构的自主设计。 该系统是在w i n d o w s x p 平台下，用v i s u a lb a s i c l6 0 及m a t l a b 7 0 集成开发而成的。论 文对组成该c a d 系统的三大模块的设计进行了较详细的介绍，接着，以企业提供的j a l 0 型喷气织机开口机构为例，利用该系统实现了凸轮机构的反求设计及优化设计，并在两者 的设计结果基础上，完成共轭凸轮机构的正向设计，最后通过对测量所得凸轮机构及设计 所得凸轮机构组成的开口机构的运动仿真分析，证实了该系统的开发是正确的。 关键词：共轭凸轮；曲线光顺；优化设计；凸轮机构设计；v b ；m a t l a b 浙江理工大学硕士学位论文 t h ec a d s y s t e mo fc o n j u g a t e dc a m u s e di nt h es h e d d i n gm e c h a n i s m a b s t r a c t t h es h e d d 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 tc o m p o n e n to ft h el o o m s ，i td e c i d e s t h es t a t i o n a d t yo ft h el o o ma n dt h eq u a l i t yo ft h ef a b r i c i nt h ev a r i o u st y p e so fo p e n i n g s ，t h e c a m ss h e d d i n gm e c h a n i s ma l es t i l lw i d e l yu s e d ，i n c l u d i n gt h en e g a t i v ec a ma n dt h ec o n j u g a t e d c a l n ，a n db e c a u s eo ft h es h a p ef e a t u r e so ft h ec o n j u g a t e dc a n l ，t h ec o n j u g a t e dc a m ss h e d d i n g m e c h a n i s mh a v eab e t t e rc a p a b i l i t yt or e s i s tt h ei m p a c t ，w h i c hs u i tf o rt h ed e v e l o p m e n to f m o d e ml o o mi nh i 曲一s p e e d ，a n dt h ec o n j u g a t e dc a i nh a v eg r a d u a l l yr e p l a c e dt h en e g a t i v ec a l t ii n t h ea p p l i c a t i o no ft h es h e d d i n gm e c h a n i s m t h ec o n j u g a t e dc a n lw h i c hu s e di nt h el o o m ss h e d d i n gm e c h a n i s mn e e dt ob ec h a n g e d 砸t h t h ed i f f e r e n tl 【i n do ft h ef a b r i c ，w h i l et h ed o m e s t i ce n t e r p r i s e so f t e nu s et h ei m p o r t e d o p e n i n g st o i m p r o v et h el o o m s p e r f o r m a n c e ，a n db yt h em e a s u r i n gt or e p r o d u c et h em e c h a n i s mt or e d u c e t h ec o s t ，b u tt h i sw i l lb r i n gt h ee r r o r si na n da l s on o tc o n d u c i v et ot h ed e v e l o p m e n to ft h en e w p r o d u c t s t h e r e f o r e ，i no r d e rt od i g e s tt h ef o r e i g nt e c h n o l o g ya n di m p r o v et h ec o m p e t i t i o no fo u r p r o d u c t s ，t od e v e l o paf u l l yf u n c t i o n sa n daf u l l y o r i e n t e dt ot h es h e d d i n gm e c h a n i s mo fl o o m s ， h a sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m t h i sc a d s y s t e mo ft h ec o n j u g a t e dc a mw h i c hu s e di nt h el o o m ss h e d d i n gm e c h a n i s mi s d e v e l o p e db a s e do nt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n ta c c o r d i n gt ot h ee n t e r p r i s e t h ep a p e rf i r s t i n t r o d u c e st h ei d e ao ft h eo v e r a l ld e s i g no ft h ec a ds y s t e m ，t h e nd i s c u s s e st h et h r e ec o r e m o d u l eo f t h ec a d s y s t e mb ys u b - c h a p t e r t h ef i r s tp a r ti st h ea n t i c a md e s i g nm o d u l e ，i nt h i s m o d u l e ，f i r s tu s e st h em e t h o do fn o n u n i f o r mb s p l i n ew a v e l e ta n a l y s i st os m o o t ht h ec a m s c o n t o u r ，t h e nb ya n t i b o d ya n a l y s i st og e tt h es p o r t i n gl a w sa n dt h ea n g l e t h es e c o n dp a r ti st h e o p t i m i z em o d u l e ，w h i c hu s e sg e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r so ft h ec o n j u g a t e dc a m m e c h a n i s m t h et a r g e to ft h ef u n c t i o ni st of i n dt h em a x i m u me f f i c i e n c yo ft h em e c h a n i s mi nt h e l i f tp a r a g r a p h ，a n d 、蕊也t h ec o n s t r a i n t so ft h ea n g l eo ft h ep r e s s u r e ，t h ec o n t a c ts t r e n g t ho nt h e c a ms u r f a c e ，t h ec o n v e xc o n t o u rr a d i u so ft h ec u r v a t u r ea n dt h es i z eo ft h eb a s i cm e c h a n i s mo f t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h es i z ec o n s t r a i n t s t h et h i r dm o d u l ei sd e s i g n e db a s e do nt h ef i r s t a n dt h es e c o n dm o d u l e ，w h i c hc a ng e tt h em o v e m e n to ft h ei n i t i a t i v el a w sa c c o r d i n gt ot h e f o l l o w e r ss p o r t i n gl a w s ，a n di na c c o r d a n c ew i t ht h ea l l o w a b l ep r e s s u r ea n g l eo ft h ec a m i i 浙江理工大学硕士学位论文 m e c h a i l i s mt od e t e r m i n et h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s ，t h e nu l t i m a t e l yc o m p l e t et h ed e s i g no ft h e c o n j u g a t e dc a l 1 t h i ss y s t e mi sd e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w sx p ，a n dw i t ht h et o o l so fv i s u a l b a s i c l 6 0a n dm a t l a b 7 0 t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e dp r e s e n t a t i o no ft h et h r e em o d u l e so ft h e c a d s y s t e m ，t h e nt a k et h ej a l 0a i r - j e tl o o m s o p e n i n gm e c h a n i s mw h i c hp r o v i d e db yt h e e n t e r p r i s ea sa l le x a m p l et od ot h ev a l i d a t i o no f t h es y s t e m f i r s tu s et h ec a d s y s t e mt oa c h i e v e t h ea n t i - c a md e s i g na n dt h eo p t i m i z a t i o n ，t h e nb a s e do nt h ed e s i g n ，r e a l i s et h ec o n j u g a t e dc a m s f o r w a r dd e s i g n a n dt h e nd ot h es i m u l a t i o no ft h ec o n j u g a t e dc a mw h i c hc r e a t e db yt h e m e a s u r e m e n ta n dt h ec o n j u g a t e dc a mw h i c hm a d eb yt h ef o r w a r d d e s i g n ，t h r o u g ht h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h et w om e c h a n i s m ，c o n f i r m st h a tt h ed e v e l o p m e n to ft h ec a ds y s t e m i sc o r r e c t k e yw o r d s ：c o n j u g a t e dc a n l ；c u r v es m o o t h i n g ；o p t i m a ld e s i g n ；c a md e s i g n ；v b ；m a t l a b 1 浙江理工大学硕士学位论文 浙江理工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。 学位论文作者签名诗匆琴 e tg q ：矽占年雎月哆e l 浙江理工大学硕士学位论文 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、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印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全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汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适应本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：看努琴 日期：扣j 年雎月习日 指导教师签名：矿乞援 日期：z 卯2 1 年f2 月芗d 日 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源及研究意义 第一章绪论 本课题来源于浙江省科技厅项目及企业合作项目。 我国是纺织品的出口大国，但也是纺织机械的进口大国。虽然国内有不少织机生产厂 家，但其产品性能大多处于中低档水平，产品在可靠性和耐久性方面远远不如进口产品， 究其原因，除了关键零部件的材质和热处理不过关外，主要是没有对核心工作部件的工作 机理进行深入研究，造成运动构件之间受力不良。因此虽然国内机织在价格上具有优势， 但很多企业还是青睐于进口产品。出现这种状况的原因是，国内织机厂家缺乏自主创新能 力，对核心机构( 如开口机构) 的研究还停留在测绘和仿制阶段，没有从理论上进行深入 研究，以致对其中的核心技术没有完全掌握，使得仿制得到的产品性能较差。 可见织机的研究必须走自主创新的道路，必须从核心执行机构创新开始，通过研究其 工作机理、优化其工作性能以提高织机的可靠性。本论文研究的出发点和基本思路是，通 过对国外引进的喷气织机开口机构的运动学特性的研究，分析其设计意图，并进行参数优 化和虚拟样机验证。本项目的研究为开发具有自主知识产权的高档织机提供技术支撑，对 于提升我国织机产品的档次和企业的竞争力具有重要的意义。 1 2 织机开口机构的种类- 开口机构的作用是根据织物组织规律将经纱分成上下两层，形成梭口，待纬纱进入梭 口后，两层经纱再上下交替，互易位置，形成新的梭口，如此反复循环，完成织物的织造。 开口机构不仅要使经纱上下分开形成梭口，同时还应根据纹板图上所规定的提综顺序，控 制综框升降的次序，使织物获得所需的织物组织结构。 开口机构要适应现代织机多品种和高速化生产，应具有结构简单，性能可靠，适应高 速、调节方便和管理容易等特点，并能做到“清、稳、准、小”四个字，即梭口清晰、综框 运动平稳、开口时间与梭口高度准确、对经纱的摩擦和张力小。 随着织造技术的进步，织机正朝着高速化和高性能化的方向发展，于是研制了各种各 样的开口机构以适应生产的需要，归纳起来可分为连杆开口机构、凸轮开口机构、多臂开 口机构和提花开口机构四种类型。 图1 1 所示为六连杆开口机构，其中，曲柄2 绕辅助轴l 作回转运动，通过连杆3 使 摇杆4 摆动，从而通过提综杆和传递杆带动综框沿导槽作上下开口运动。连杆开口的优点 在于结构简单，不易磨损，制造容易；缺点是其开口的轨迹难以精确描述，只能做到基本 浙江理工大学硕士学位论文 符合开口运动的要求，难以适应多品种的开发，且惯性冲击力较大。 4 4 1 一辅助轴：2 、2 一开口曲柄；3 、3 一连杆；4 、4 摇杆； 5 、5 摇杆轴；6 、6 一提综杆；7 、7 传递杆；8 、8 综框 图1 1 六连杆开口机构 凸轮开口机构是喷气织机最常用的开口机构，一般有消极式凸轮开口机构和积极式 ( 共轭) 凸轮开口机构。图1 2 是消极式凸轮开口机构，凸轮1 与滚子2 接触，当凸轮 由小半径转向大半径时，滚子被压下，提综杆3 按顺时针转过一定的角度，使连接于提 综杆弧形块4 上的钢丝绳5 、5 同时拉动综框下横梁，使综框6 下降，综框上横梁通过 钢丝绳7 、7 连接到吊综杆8 、8 内侧的圆弧面上，吊综杆的外侧连接有数根回综弹簧9 、 9 ，回综弹簧始终保持张紧状态。当综框下降时，回综弹簧被拉伸，贮存能量，当凸轮 由大半径转向小半径时，弹簧释放能量，使综框回升至上方位置。消极式凸轮开口机构 的综框下降是受凸轮驱动的，而上升则依靠弹簧的恢复力，但拉伸弹簧在长期使用后会 产生疲劳现象，以致造成开口不清，产生三跳疵。 9 7 1 一凸轮；2 一滚子；3 提综框；伸综杆弧形块；5 、5 、7 、7 一钢丝绳 仁综框；8 、8 一吊综杆；9 、9 一回综弹簧 图1 2 消极式凸轮开口机构 图1 3 所示为积极式( 共轭式) 凸轮开口机构。当凸轮2 从小半径转至大半径时，此 时凸轮2 从大半径转至小半径，推动综框下降；当凸轮2 从大半径转至小半径时，此时凸 2 浙江理工大学硕士学位论文 轮2 从小半径转至大半径，推动综框上升，两个凸轮依次轮流工作，使凸轮和从动件始终 保持接触，可基本消除间隙。只要共轭凸轮曲线设计、制造加工合理，综框升降运动时就 较平稳且无冲击，在高速情况下，可以有效地控制从动件，从而使噪声、振动、磨损较小。 i o 1 一凸轮轴，2 、2 共轭凸轮，3 、3 滚子，4 摆臂，5 连杆 6 一双臂杆，7 、7 拉杆，8 、8 ，_ 转递杆，9 、9 竖杆，1 0 综框 图1 3 共轭凸轮开口机构 织机开口机构除了连杆和凸轮开口机构外，还有多臂开口及电子提花开口机构。多 臂开口机构的工作原理不同于凸轮开口机构在于：在凸轮开口机构中，综框的升降运动 和升降次序由凸轮来控制，而多臂开口机构综框的升降运动由拉刀和拉钩来控制，综框 的升降次序由花纹机构花筒来控制，即由花筒上的纹板按照织物组织的信息控制拉 钩的运动。图1 4 是单动式多臂开口机构图，其工作原理为：由织机主铀上的连杆或凸 轮传动拉刀1 ，使之作水平方向的往复运动，拉钩2 通过提综杆4 、吊综带5 同综框6 连接，由纹板8 、重尾杆9 控制的竖针3 按照纹板图所规定的顺序上下运动，以决定拉 钩是否为拉刀所拉动，从而决定与该拉钩连接的综框是否被提起，7 为回综弹簧，另外， 拉钩、竖针、重尾杆的数目与综框的数目相等。 1 拉刀；2 一拉钩；3 一竖针：仁提综杆；孓- 吊综杆 仁综框；7 回综弹簧；8 一纹板；9 _ 重尾杆 图1 4 多臂开口机构示意图 多臂开口装置可带动1 6 3 2 片综框作单独运动，适合用于织造斜纹、锻纹和小花纹 织物。多臂机动力消耗少，组织变化不必进行改机，品种变换方便，但其综框数目有限， 浙江理【。 学硬i 。学竹论文 因此在织造复杂的大花纹组织织物时需采用提花开口。 图1 5 是常熟g t 5 l l 高速电子提花机，在提花开口机构上，每一根经纱都由根可 以单独运动的综丝控制，因此经纱和纬纱的交织规律具有相当大的变换灵活性，提花机 能够织造循环数比较大的花纹。 圈1 5g t 5 1 1 高速电子提花机 1 3c a d 技术的研究 计算机辅助设计( c a d ，c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 是工程技术人员弓计算机相结合的、 应_ i ； j 多学科的方法综合有效她进行问题求解的先进信息处理技术，它把人类的决策判断、 创新能力与计算机的高速运算、信息存储等功能有机结合起来，从而达到缩短工程产品设 计周期、提高设计质量的目的。 从广义上说，c a d 技术包括二维t 碰绘罔、三维几何设计、有限元分析、数控加工、 仿真模拟、产品数据管理、9 。9 络数据库以及上述技术( c a d c a e c a m ) 的集成技术等。 c a d 技术运用计算机高速运算和快速绘罔的强大功能为工程设计和产品设计服务，极大的 提高了产品开发的速度和精度，降低了生产成本，使得科技人员的智慧和能力得到了延仲， 它不仅改变了人们设计制造产品的手段，而且改变了产品设计制造的方式。 经过多年的推广，c a d 技术己经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。 由于国外的c a d 技术发展较早也较成熟，其中有一些软件在我国影响较大、应用较广泛， 如功能齐全、交互性好、运行可靠的二维绘图软件a u t o c a d ；具有单数据库、参数化、 基于特征、全相关概念，将设计至生产全过程集成雕j p r o e n g i n e e r ；建模核心基于w i n d o w s 的c a d c a e c m v l p d m 桌面集成系统的s o l i d w o r k s ；将优越的参数化和变量化技术与传统 的实体、线框和曲面功能结合于一起出j u n i g r a p h i c s ( u g ) ；以及能方便实现对虚拟机械 系统进行静力学、运动学和动力学分析的机械系统动力学自动分析软件a d a m s 等软件。 近年来，我国c a d 技术的开发和应用也取得了长足的发展，除了对国外软件进行汉化 4 浙江理工大学硕士学位论文 和二次开发以外，还开发了不少具有独立版权的c a d 系统，如北航海尔c a x a ，开目c a d ， 高华c a d 等，由于这些软件价格便宜，符合我国国情和标准，已赢得了越来越大的市场份 额，为企业实现现代化设计提供了技术支持。但是，同发达国家相比，我国在c a d 系统方 面的开发仍存在不少的差距。 1 4 国内外凸轮机构c a d 的研究现状 凸轮机构c a d 是指利用计算机作为辅助工具进行的凸轮机构的设计，是凸轮机构研究 和c a d 技术相结合的产物，是实现凸轮机构设计自动化、智能化的技术与方法。凸轮机构 的研究经历了从经验设计到优化设计，从运动学分析到动力学研究，从手- r a n 工到计算机 辅助制造等发展阶段。凸轮c a d 技术的应用与推广大大缩短了凸轮机构的设计周期，提高 了凸轮机构设计的质量和效率，降低了凸轮零部件的生产成本，促进了凸轮制造业的发展。 1 4 1 国外凸轮机构c a d 的研究现状 目前，凸轮机构c a d 技术在一些工业发达的国家，己经达到了很高的水平。在日本、 美国和俄罗斯等国家均有数百家专门从事研究和生产凸轮的机构和公司，如美国的 f e r g u s o n 公司、s t e l r o n 公司，日本的大家凸轮公司、三共制作所、协和凸轮公司等均采用 了先进的c a d 技术；俄罗斯金属机床研究院建立的凸轮机构c a d 系统，可以完成各种平面 及空间凸轮的计算机辅助设计。由于这些国家的凸轮设计与制造已实行专门化，且采用了 先进的c a d 技术，使凸轮的设计费用大幅度下降，新型高效的凸轮机构不断地推向市场。 另外，德国、英国的凸轮专家对凸轮机构的研究采用了谐分析、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改善。日本在二次大战后致力于发展实用 自动设备，特别重视对凸轮机构的研究，其在八、九十年代的研究主要方面有：致力于寻 求凸轮的精确解和使凸轮曲线多样化，以适应新的要求；加强凸轮机构动力学和振动的研 究；研制新的凸轮加工设备以适应新开发的产品；加强凸轮机构标准化，发展成批生产标 准凸轮机构；以及发展凸轮机构的c a d c 砧垤系统。 在国外，有许多学者为凸轮机构的研究作出了贡献【l 】。在运动学研究领域，有 v d b o r i s o v 在计算机辅助设计方面的研究；h j w e d e n i v s k i 在计算机辅助制造方面的研究 等。在动力学研究领域，有m c h e w ，y s u n l u s o y 等对高速凸轮机构的动力学问题的研究； a e p i s a n o 在摩擦及实验方面的研究；t e s a r 对高速凸轮机构采用多项式运动规律的详细论 述；s t a s c a n 在稳定性方面的研究等。在优化设计研究领域，有r d i e m t m a ，j k m i ，y p e n g ， v y b e l r s t i j ，y w c h a n 等对凸轮机构优化设计方面的研究；y i l m a z 掣2 】通过研究直动从动 浙江理工大学硕士学位论文 件凸轮机构的纵向振动问题，对凸轮机构进行优化设计的研究：y u 等 3 1 对凸轮机构基本尺 寸优化的研究；b e r z a k t 4 】从输出响应角度出发对具有运动及动力约束的凸轮系统优化问题 的研究等。 不管是凸轮机构的运动学研究、动力学研究还是优化设计研究等，都是对凸轮机构的 一种正向研究，随着反求技术的发展，反求设计也被广泛应用与凸轮机构的研究，它是一 门开拓性、综合性和实用性很强的技术。然而，出于技术垄断等原因，很多研究单位和企 业不愿将其反求技术公开，同样，在凸轮机构反求设计方面的系统详细的论著也不多。 1 4 2 国内凸轮机构c a d 的研究现状 我国对凸轮机构的应用和研究也有多年的历史，对凸轮机构的设计、运动规律、轮廓 线、动力学、优化设计等方面的研究都有相关的论文发表。 在凸轮机构设计领域，不少学者己用b a s i c 、f o r t r a n 、v b 、v c 5 - 7 等高级语言编制出较 为成熟的c a d 软件，能提供常用从动件运动规律设计、平面凸轮机构基本尺寸设计和凸轮 轮廓坐标计算等，并在程序中设置检查压力角、轮廓曲率半径和轮廓曲线是否交叉等功能 环节，但只是将其考虑成刚性系统来设计，未考虑系统的弹性变形对设计的影响；文献【8 - 9 1 实现了凸轮机构c a d c a m 一体化系统的研究，在凸轮机构c a d 系统的基础上研究针对某 种凸轮机构的c 觥削m 系统，实现了凸轮设计、凸轮数控加工一体化，进一步提高了凸 轮c a d c a m 技术的实用性。文献1 0 。1 1 1 采用面向对象的参数化程序设计方法，设计出了主 要包括工作机构运动循环图和运动规律设计、从动件系统设计、凸轮机构的运动学分析、 条件校核、结构设计以及结果输出等内容的平面凸轮的c a d 软件，实现了凸轮机构的计算 机辅助设计。 在运动规律及轮廓线研究领域，文献 1 2 - 1 3 】主要利用c a d 技术实现了凸轮机构从动件运 动规律的研究；文献【1 钥对直动从动件类型进行了凸轮机构c a d 的研究；文献【1 5 舶1 推导了凸 轮廓线的计算公式，并利用计算机实现了凸轮廓线的设计等。 在动力学研究领域，主要有：以弹性理论为基础，建立高速凸轮机构的动力学模型及 其运动微分方程，通过分析高速凸轮机构动力学模型的运动方程式，使用正弦加速度运动 规律得到凸轮机构输出端的动态响应，确定凸轮机构输出端的运动规律；在建立一个能较 为准确的描述凸轮动力特性的多参数数学模型的基础上，通过仿真分析，得到高速凸轮机 构在不同的轮廓及结构参数下的动力学特性曲线；从凸轮廓线出发，提出一些适合在高速 条件下采用的推杆运动规律，并结合现代加工技术，创造出些新型凸轮机构，以满足高 速工况等。 6 浙江理工大学硕士学位论文 在优化设计领域，有不少学者采用各种不同的方法对不同从动件类型的凸轮进行了结 构优化设计。如在文献【17 】中，采用非对称n 次谐波凸轮机构提高高速车用发动机中配气机 构的运动平稳性；在文献【1 8 】中，将权空间法和约束变尺度( w h p ) 法相结合，用于弧面分 度凸轮机构的参数优化设计中，并得到了较好的优化效果；在文献【1 9 】中，应用九阶多项式 表达凸轮的外形曲线，根据实际设计要求，用优化方法确定该多项式的系数及凸轮机构的 机构参数，从而完成对盘式凸轮的优化和动态设计；在文献f 2 0 1 中，讨论了如何在满足凸轮 工作条件下选择基本尺寸，使体积和最大压力角均达到最小这一双目标优化设计。 对共轭凸轮的反求设计，主要采用运动分析法，即根据测量数据对凸轮机构进行运动 分析。文献1 2 1 2 4 1 提供了凸轮机构运动分析的数值方法：文献f 2 1 1 将拉格朗日三点数值微分公 式应用于实测织机开口凸轮，根据凸轮廓线的极坐标实测值直接计算从动件的位移、速度 和加速度；文献 2 2 屯3 1 利用拉格朗日五点数值微分公式建立了盘形凸轮机构的运动分析公 式；文献 2 4 1 分析了滚子从动件盘形凸轮机构，提出了一种根据等距曲线的几何特性，定出 凸轮理论廓线极坐标及极径的导数，再对从动件位移求导，最后求出从动件的速度和加速 度。总的来说，各种方法虽然具体细节不同，但其基本过程都根据凸轮廓线的实测点确定 其切线和法线，从而进一步求出各种类型从动件的位移、速度和加速度，并未对测量误差 进行处理，因此所求得的分析结果有一定的偏差。 1 5 课题的提出及主要工作内容 1 5 1 课题的提出 综合考虑产品更新速度、投资回报、技术消化难易等因素，积极凸轮开口机构确 实具有一定的市场优势。优势一：积极凸轮开口机构结构简单、工作可靠、维修方便， 可以快速更换齿轮副及凸轮片，从而迅速获得不同传动比及织物组织的要求；优势二： 积极式凸轮由于其形封闭的特点，有较好的抗冲击能力，适合在高速条件下使用；优势 三：能通过对凸轮廓线的设计，实现对综框运动规律的控制。虽然现今多臂机的电子化 可发挥出喷气织机的速度潜力，也是今后发展的方向，但是从投资风险程度、技术消化 难易及产品的上市时间长短等因素考虑，凸轮开口机构仍是一种较好的选择。 我国凸轮开口机构不能满足市场需求的关键原因在于：我国现有开口机构中的凸轮机 构大都是通过绘制国外的机构而得到的，由于测量误差的存在，使复制得到的凸轮机构在 工作性能上并不理想，其振动大，转速低，同时由于并未真正了解其设计原理及方法，无 法开发出新的产品。 针对这种情况，并应企业提出的相关技术要求，开发织机开口机构中共轭凸轮机构的 7 浙江理工大学硕士学位论文 c a d 系统，实现在进口共轭凸轮机构测绘数据的基础上，通过分析机构的设计原理，优化 测量的机构参数，最终完成产品的自主开发。 1 5 2 主要工作内容 经调研及相关技术要求分析，确定以v i s u a lb a s i c6 0 及m a t l a b 7 0 语言为开发工具，开 发出适用于织机开口机构的集反求设计、优化设计及正向设计于一体的共轭凸轮c a d 的 软件系统。主要工作内容如下： 1 利用光顺法对凸轮轮廓曲线进行光顺处理，减少测量误差，根据光顺后轮廓曲线及凸 轮机构基本参数，通过机构分析，反求出从动件的运动规律曲线及运动角行程，为实 现对凸轮机构的重新设计提供理论依据。 2 采用遗传算法作为机构优化的方法，以凸轮机构升程段的传动效率最大为目标函数， 实现对凸轮机构基本尺寸的优化设计，提高凸轮机构的工作效率。 3 开发共轭凸轮机构的正向设计模块，实现根据从动件的运动规律确定主动件的运动方 程，并能根据凸轮机构的许用压力角计算合适的机构参数，最终实现共轭凸轮机构的 设计。 4 对共轭凸轮开口机构进行运动仿真分析，通过对由测量所得的凸轮机构及由正向设计 所得的凸轮机构组成的开口机构的运动特性的对比分析，验证该c a d 系统的正确性。 8 浙江理工大学硕士学位论文 第二章共轭凸轮机构c a d 系统的总体设计 本课题所开发的共轭凸轮c a d 系统是以w m d o w sx p 为技术平台，以v i s u a lb a s i c 6 0 及m a t l a b 7 0 为开发工具的系统，实现了在迸口共轭凸轮机构测绘数据基础上，通过反求 法分析机构的设计原理，利用优化方法优化测量的机构尺寸，最终运用正向设计完成产品 的自主开发。 2 1 系统开发工具介绍 v i s u a lb a s i c6 0 1 2 5 1 ( 简称v b ) 是微软公司提供的一种可视化应用程序开发工具，其最 大的特点就是能方便开发像w m d o w s 操作系统那样的图形用户界面，程序员无需编写大量 代码去描述界面元素的外观和位置，只要把预先建立的界面元素用鼠标拖放到屏幕适当的 位置即可实现界面设计。但缺点是计算功能不是很强，不适合大型的数值编程计算。 m a t l a b 7 0 1 2 6 1 是m a t h w o r k s 公司推出的优秀的科学计算软件，具有强大的数值计算、符 号计算和矩阵计算能力，图像处理方便，丰富的工具箱可用于3 0 多个不同领域。但缺点是 界面开发能力较差，功能模块分散，灵活性较差。 基于和m a t l a b 的特点，利用v b 与m a t l a b 的接口技术口7 】，实现m a t l a b 和v b 的混合编 程，即利用v b 作为前端开发工具进行应用程序开发的同时，将应用程序中较为复杂的数学 计算交由m a t l a b 来完成，从而实现具有复杂的数学运算过程的应用程序的开发。v b 与 m a t l a b 的接口技术主要有以下三种： 1 动态链核库d l l 方法 m a t c o m 是一个从m a t l a b 至u c + + 的编译器，可以节省用户的运算时间和内存要求。 m a t h t o o l s 公司利用m a t c o m 4 技术编写了m i d e v a 工具软件，可以借用c + + 编译器将m a t l a b 下 的m 文件转换为可被v b 调用的d l l 或独立可执行文件。v b 中要使用该d l l ，必须在v b t 程中包含d l l 的声明文件( 即模块文件) ，同时还要将d l l 放在工程文件所在的目录下。 m 文件编译成d l l 的步骤如下： ( 1 ) 启动m a t l a b 的m i d e v a ，单击菜单f i l e c o m p i l e ，选择要转换的m 文件。 ( 2 ) 编译操作。当编译完成后，在对应的d e b u g 或r e l e s e 目录下，可以找到一些编译生成的 文件。v b 需要用到的文件有两仰e s t f i l e d l l ( d l l 文件) 和t e s t f i l e b a s ( 在v b 中声明d l l 的模块文件) 。另外，还要使用其他的矩阵句柄函数来分配、访问和释放矩阵句柄。 2 利用d d e 方式调用m a t l a b 程序 d d e 是在w i n d o w s 环境下支持客户j j l 务器计算模式的重要技术，两个应用程序之间可 9 浙江理工大学硕士学位论文 以通过交换数据来相互链接。由于v b 支持d d e 客户端功能，m a t l a b 提供d d e 服务功能，因 此利用v b 和m a t l a b 的动态数据交换能力，可实现在v b 应用程序中调用m a t l a b 程序的过程。 v b 为用户提供支持通信的控件有：窗体( f o r m ) 、多文档窗体( m d if o r m ) 、标签( l a b e l ) 、 文本框( t e x tb o x ) 和图片框( p i c t u r eb o x ) 。f o r m 相应于d d e 协议，这些控件提供了完整 任务，一次d d e 链接需要的属性和事件，以及设置必要参数和响应d d e 过程中的事件。 3 利用a c t i v e x 技术 m i c r o s o f t 的a c t i v e x 自动化技术是一种允许一个应用程序( 控制端) 去控制另一个应用 程序( 服务器端) 的协议。v b 支持a c t i v e x 自动化控制端协议，而m a t l 曲支持a c t i v e x 自动 化服务器端协议，因此可以在v b 中调用m a t l a b j j l 擎( e n g i n e ) ，利用a c t i v e x 通道与 o b j e c t e x e c u t e 建立联系，直接使用m a t l a b 的函数库和图形库。在v b 应用程序和m a t l a b 之间 的a c t i v e x 自动化连接后，就可以在v b 应用程序中调用m a t l a b 的命令，向m a t l a b 传送或从 m a t l a b 接收矩阵数组，实现数据的输入输出功能。 m a t l a ba c t i v e x 自动化服务功能主要包括在m a t l a b 工作空间执行命令，以及直接从 m a t l a b 工作空间存取矩阵等。在注册表中m a t l a b 的a c t i v e x 对象名为“m a t l a b a p p l i c a t i o n ， 通过定义下面的语句可以实现二者的连接。 d i mm a n a ba so b j e c t s e tm a t l a b = c r e a t e o b j e c t ( “m a t l a b a p p l i c a t i o n ”) 在v b 应用程序中建立与m a t l a b 的连接后，就可以通过使用m a t l a b a p p l i c a t i o n 莽j 象所包含的 各种方法来实现对m a t l a b 的调用。m a t l a b a p p l i c a t i o n 对象含有三个方法，分别是e x e c u t e 、 g e t f u l l m a t r i x 和p u t f u l l m a t r i x ，利用这些方法可在v b 应用程序中可实现m a n a b 的任何功能， 现简单介绍它们的用法【2 s j ： ( 1 ) b s t re x e c u t e ( i n b s t rc o m m a n d ) 方法 b s t r 表示宽字符串类型，它与v b 存储字符串所采用的数据格式相同。该方法接收字符 串命令并在m a t l a b 中执行，将结果以字符串形式返回。执行本方法将调用m a t l a b 执行一条 c o m m a n d 字符串决定的m a t l a b 命令，同时返回一个字符串表示命令的执行情况。任何在 m a t l a b 命令窗口可被执行的字符串，均可以包括在c o m m a n d 字符串中。 ( 2 ) g e t f u l l m a t r i x ( 【i n 】b s t rn a m e ，【i n b s t rw o r k s p a c e ，【i n s a f e a r r a y ( d o u b l e ) p r ， 【i n s a f e a r r a y ( d o 曲l e ) p i ) 方法 该方法用来将m a t l a b 工作空间中的一个一维或二维数组送到v b 程序中，n a m e 指定了 m a t l a b 中的矩阵变量名，w o r k s p a c e 指定了该矩阵所在的工作空间，p r 和p i 分别是数组的实 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 部和虚部。 可以从指定的m m l a b 的工作空间中获取一个完整的一维或二维的实型或虚结构体 m x a r r a y 数据，其实部和虚部被分别存放到两个单独的d o u b l e 型数组中。 ( 3 ) p u t f u l l m a t r i x ( 【i n b s t r n a m e ，【i n b s t rw o r k s p a c e ， i n s a f e a r r a y ( d o u b l e ) p r ， 【i n l s a f e a r r a y (