（机械设计及理论专业论文）剑杆织机引纬机构的运动学动力学分析及仿真.pdf

东南大学硕士学位论文 剑杆织机引纬机构的运动学动力学分析及仿真 研究生：毛延东 导师：钱瑞明教授 学校：东南大学 引纬机构是纺织工业上剑杆织机的关键部件，引纬机构的结构形式、运动精度以及平稳性直接 影响织机的速度、效率以及织物的质量。国内目前应用较广泛的剑杆织机采用共轭凸轮式的引纬机 构。对于剑杆织机引纬机构的研究尚需进一步深入。 为了适应剑杆织机向着高速度、高精度的发展方向，改善织机的动态性能和工作质量。本文主 要根据纺织机械工业对织机的技术改造要求，针对现有剑杆织机引纬机构的性能不足之处，在了解 剑杆织机引纬机构的工作原理和设计原理的基础上，从运动学、动力学方面对引纬机构进行了分析， 并运用c a d c a e 软件对其进行仿真。 针对由共轭凸轮机构、空间连杆机构和齿轮机构组合而成的剑杆织机引纬机构，通过有效分离， 将其中的共轭凸轮作为转子单独进行了平衡，其余构件整体上作为空间机构运用线性无关向量法一 并进行了平衡，从而实现了整个机构的惯性力完全平衡。为机构在高速条件下运转提供了理论依据。 为进一步研究剑杆织机引纬机构的工作性能，本文利用p r o e 和a d a m s 软件对剑杆织机引纬 机构进行建模和运动学仿真。又利用a d a m s 软件对凸轮进行了误差分析和对引纬机构进行了惯性 力平衡的研究。a d a m s 的运用，解决了过去用传统手段不可能解决的问题，为开发高档织机提供 了方便。 关键词：引纬机构；运动学；动力学：惯性力平衡；线形无关向量法：a d a m s 东南大学硕士学位论文 k i n e m a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no f w e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mi nr a p i e rl o o m m a o y a n d o n gs u p e r v i s e db yp r o f q i a nr u i m i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t h ew e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mi sak e yp a r to f t h er a p i e rl o o mi nt e x t i l ei n d u s t r y ，t h es p e e d ，e f f i c i e n c y a n dt e x t i l eq u a i l t yo ft h ew e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s m sa r ea f f e c t e db yt h e i rs t r u c t u r ef o r m ，m o t i o np r e c i s i o n a n ds m o o t h a tp r e s e n t ，ac o n j u g a t ec a i nw e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mi sw i d e l yu s e di nd o m e s t i ct e x t i l e m a c h i n e h o w e v e r , t h ea n a l y t i c a la n dd e s i g nt h e o d e so ft h e w e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s m sn e e dt ob e r e s e a r c h e dd e e p l y t om e e tt h en e e d so ft h eh i g hs p e e da n dh i g hq u a h t yo ft h el o o mr a p i e ra n di m p r o v et h ed y n a m i c a l p e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gq u a l i t y , a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ft e x t i l em a c h i n ef a c t o r y , t h em e c h a n i s m i s a n a l y z e da n ds i m u l a t e dk i n e m a t i c a n ya n dd y n a m i c a l l yw i t hc a d c a es o f t w a r eb a s e do nt h ek n o w l e d g e o ft h er a p i e rl o o mw o r k i n gp r i n c i p l e as o l u t i o no f t h ec o m p l e t es h a k i n g f o r c eb a l a n c i n g o f a w e f t - i n s e r t i o n m e c h a n i s m w i t h c o n j u g a t ec a m ， l i n k a g ea n dg e a ri nr a p i e rl o o m i sp r o p o s e d n l ec o n j u g a t ec a mi sb a l a n c e ds e p a r a t e l ya sar o t o r ；t h eo t h e r l i n k so ft h em e c h a n i s m ，a sas p a t i a lm e c h a n i s m ，a r eb a l a n c e db yu s i n gt h el i n e a r l yi n d e p e n d e n tv e c t o r m e t h o df i n a l l yt h ec o m p l e t es h a k i n gf o r c eb a l a n c i n go ft h ew h o l em e c h a n i s mi sa c c o m p l i s h e d t h e a c h i e v e m e n t sa l ea s e f u lf o rd y n a m i cd e s i g na n da p p l i c a t i o no f t h em e c h a n i s m t of u r t h e rr e s e a r c hp e r f o r m a n c e so ft h ew e f tm e c h a n i s mo ft h er a p i e rl o o m t h ec a em o d e lo ft h e w e f tm e c h a n i s ma r ec r e a t e di np r o ea n da d a m s e r r o ra n a l y s i so ft h ec a m k i n e m a t i cs i m u l a t i o n a n a l y s i sa n ds h a k i n gf o r c eb a l a n c i n go ft h em e c h a n i s m a r ec a r r i e do u tw i t ha d a m s t h ea p p l i c a t i o n so f t h ed y n a m i c a ls o f t w a r ea d a m sm a yh e l pu st os o l v em a n yp r o b l e m st h a tc a r l tb es o l v e db e f o r e i tm a k e s t h ed e v e l o p m e n to fh i g h e rq u a l i t yt e x t i l em a c h i n em o r ee a s i l y k e yw o r d ：w e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s m ；k i n e m a t i c s ；d y n a m i c s ；s h a k i n gf o r c eb a l a n c e ； l i n e a r l yi n d e p e n d e n tv e c t o rm e t h o d ；a d a m s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆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) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：丕堑煎：导师签名：醯岫期：y 口& 1 9 第一章绪论 1 1 课题背景以及研究意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 纺织行业是一个传统的产业，是社会和经济发展的重要支柱。随着我国经济的持续发展和加入 w t o ，国外的一些纺织企业进入中国市场，纺织行业的竞争日益激烈。虽然国内纺织企业发展比较 迅速，从单纯的引进和吸收国外的机型到改造和自主开发，但是与国外的先进织机相比仍有很大差 距。因此，加强技术改造和创新，以及加强先进的机械设计和先进机械制造技术的研究和应用已经 到了很紧迫的地步。 在这种背景下旨在促进纺织企业发展，提高纺织企业的竞争能力，本课题在熟悉一种新型剑 杆织机的结构和掌握设计、工作原理的基础上，对引纬机构进行了动力学分析，并运用动力学仿真 软件a d a m s 中对其进行动力学运动学仿真分析。通过p r o e 建模可以直观的发现我们设计中出现 的问题，通过a d a m s 运动仿真我们可以验证我们设计的正确性，动力学仿真可以为机构的进一步 优化提供理论依据。 1 1 2 研究意义 目前，国内纺织行业织造厂引进国外织机增加，由于引进织机价格昂贵，在一定程度上制约了 该行业的发展。早期进口的大部分设备已经陈旧，甚至瘫痪，存在着生产率低，故障率高等缺陷。 根据纺织工业2 0 1 0 年远景目标，我国织机无梭化率将以每年l 的速度递增。我国现有织机近1 2 0 万台，其中无梭织机仅有1 0 5 万台。按照无梭化率1 的年递增比例，那么我国每年新增的无梭织 机将会超过1 2 万台。高档剑杆织机在今后的织机市场需求量还很大。开发高档剑杆织机，是纺织 机械今后发展方向。 剑杆织机的结构由五个基本的部分组成：开口机构、引纬机构、打纬机构、卷取机构和送经机 构，五大运动系统中，引纬和打纬两个系统中有许多高速运行部件，因此对运动学和动力学特性有 着较高的要求。其中引纬机构的作用是将纬纱引入梭口，使之能与经纱交织组成织物，打纬机构的 作用是将引入梭口的纬纱推向梭口，与经纱交织组成织物，可见；f 纬和打纬机构是决定织物质量的 关键。为此，我们选取剑杆织机的引纬机构进行研究设计和运动学和动力学分析。引纬机构是剑杆 织机中的关键部件，它的运动性能直接决定了织机的质量和效率。 在本课题中，织机的引纬机构采用的共轭凸轮式引纬机构，它主要由共轭凸轮机构、连杆机构、 齿轮机构组成，其中直接影响整个机构性能的是共轭凸轮机构。因此，需要对凸轮机构加以研究， 发挥凸轮机构良好的工作稳定性能，提高引纬机构的效率、性能和产品质量。 高速度、高精度、轻重量、高效能、低噪音、自动化、智能化已成为现代机槭的重要标志和发 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。 随着织机转速的提高，织机各运动部件的惯性作用也随之增加，其作用己远远超过了外载。这 种随机构运转而周期性变化的强惯性作用是产生机器振动、噪音和疲劳等现象的主要原因。其结果 大大影响了机构的运动和动力性能，因此在研究开发高速剑杆织机时，克服这种不利的惯性作用就 成为必须解决的重要问题。机构动力平衡就是为解决这一问题所进行的研究为了使剑杆织机能在 高速情况下能平稳运转，本文在对剑杆织祝g f 纬机构迸行了运动学动力学分析的基础上，对其进行 l 东南大学硕士学位论文 了惯性力完全平衡。 在机械产品设计过程中，传统的设计是构思、画草图、比较方案、设计计算、出工程图、加工 制造、以实物样机为最终结果。这样不仅费时费钱，而且还可能要经过反复，才能达到产品定型生 产阶段。传统设计方式中的每一步，都可以通过计算机来分析、观察、演示、如形体是否合适，是 否干涉，可加工性如何，运动学、动力学特性的仿真分析等。这样在加工制造之前，就可以解决这 些问题。现有的商品化的c a d c a e c a m 软件都提供了三维参数化设计模型的快速可修改性，设计， 分析，加工仿真一体化的解决方案，都可实现实体化，装配、渲染等功能，使得产品在初始设计阶 段，就能不断的完善设计概念。 用三维或四维虚拟样机试验代替传统的实物样机试验，在产品制造加工前发现产品设计问题并 及时予以纠正，不仅节省时间和金钱，还能大幅度提高设计质量。能支持虚拟样机设计平台就是 c a d c a e 集成化的软件。 本课题中剑杆织机新型引纬机构由如下几部分组成：共轭凸轮机构、空间五连杆r r s s r 机构、 平面四连杆机构、齿轮机构。共轭凸轮机构是两缀完整的凸轮机构，两类构件相互刚性连接，分别 控制同一从动件运动规律中的推程和回程，其中刚性连接的两个凸轮称为共轭凸轮。共轭凸轮的轮 廓曲线是根据剑杆的运动特性和动作配合要求，并考虑连杆和凸轮传动函数关系来设计的。并且通 过共轭凸轮的c a d 仿真我们可以清楚地看出共轭凸轮的配合情况。 所以综上所述，为了使剑杆织机在高速运转的情况下能保持高精度平稳的运行，本文在掌握的 剑杆织机引纬机构的设计原理的基础上对剑杆织机进行了惯性力平衡分析，运用c a d 仿真技术对其 建模，运用a d a m s 软件进行运动学、动力学分析。使我们对引纬机构的设计原理有了进步的认 识，并对部分机构进行了优化，解决了一系列物理样机无法解决的难题。尤其是共轭凸轮副碰撞模 型的建立和凸轮曲线数据灵活的替换，为关键件凸轮的改进提供了有力的技术支撑。为剑杆织机性 能的进一步改善提供理论依据，使剑杆织机的设计提高到一个新的台阶。 1 2 剑杆织机引纬机构 纺织行业是传统的产业，随着国家经济和社会的发展，要求设计出高效的引纬机构，提高织机 的工作性能。到2 0 世纪8 0 年代初，国内对织机的引纬机构的研究才受到重视。 引纬机构的设计研究和开发涉及到很多方面。引纬机构主要由机械学中各基本的机构组成，有 连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。这几乎涉及到机械原理中三大主要的机构。 引纬机构的运动学首先介绍各种类型的组成机构的运动规律以及其基本特征，很多引纬机构设 计都是着重从其组成机构的运动规律特征详细介绍。根据引纬机构的从动件或执行件运动规律的曲 线求解出引纬机构的基本尺寸，引纬机构的基本尺寸包括凸轮、连秆、齿轮基本尺寸。这是引纬机 构设计比较困难的课题。 1 2 1 共轭凸轮式引纬机构 剑杆织机的引纬系统由起初的众多种型式逐步演变为两种类型：一类为连杆式引纬机构，一般 组成为：空间四连杆机构+ 平面四连杆机构+ 轮系动程放大机构：一类为共轭凸轮式引纬机构，一 般组成为：共轭凸轮机构+ 连杆机构+ 轮系动程放大机构。共轭凸轮式与连杆式的比较如下”j ： ( 1 ) 运动规律方面： 共轭凸轮传动的织机最大优点是可对剑杆运动规律按要求进行选择，故 可以通过合理设计共轭凸轮外形曲线以实现比较合理的剑杆运动规律。例如，在保证剑杆有效动程 的前提下，选择修正梯形加速度运动规律以减少最大速度和最大加速度值。 ( 2 ) 运动平稳方面： 连杆式制造比较简单，但由于其剑头嵌纬时速度较高，纬纱张力较大， 纬纱交接时加速度较大，使纬纱交接时冲击较大，易造成交接失误，已交接时纬纱张力较大，因而 纬纱断头率相对较高，当织机速度进一步提高时，困难较大。 2 笙二兰堕堡 ( 3 ) 加工要求方面：凸轮引纬系统加工制造难度较大，轮系动程放大机构传动级数较多，传 动链较长，为保证高速引纬时运动的平稳性，则要求较高的制造精度，但其嵌纬时速度较低。 1 3 机构动力平衡 为了适应剑杆织机向着高速度、高精度的发展方向，提高机器的动态性能和工作质量。这里对 剑杆织机引纬机构进行机构动力平衡分析研究。 机构动力平衡是以减小机构惯性造成的机构振动为目的的机构动力综台”j 。平衡的对象有惯性 力、惯性力矩、输入扭矩和运动副反力等反映机构惯性作用的动力特性指标。机构的惯性力是指机 构由于惯性作用而传给机架或机座的台力，而惯性力矩则是指机构由于惯性作用而传递给机架的台 力矩。这两项指标十分重要，它们直接反映机构惯性在机架上的作用，是造成机座振动的主要原因。 因此，在机构动力平衡研究中，大部分工作都是围绕着机构惯性力和惯性力矩的平衡展开的。 机构动力平衡可以分为完全干衡和部分平衡”两个方面。所谓完全平衡( c o m p l e t eb a l a n c i n g ) 是指从理论上能通过某种方式使某个特性指标所反映的机构惯性作用完全消失。这当然是最理想的 平衡效果。但是为达到这一目的所采取的措施往往会在其它指标上产生不利影响，并且在实际当 中这种平衡有时很难精确实现。另一方面，有些指标，如各运动副反力是不能达到完全平衡的，或 者是从综合效果考虑不需要达到完全平衡的。这种情况下，一般进行机构的部分平衡( p a r t i a l b a l a n c i n g ) 。现代科技的发展，持别是计算机和最优化技术的应用为实现机构动力最优平衡提供了有 利条件，使得近年来此方面有较快的发展。当然，从整个机构动力平衡发展来看，完全平衡领域取 得的成果较多，己形成系统的理论和方法。 1 3 1 平衡的主要方法 机构动力平衡的目的就是要消除或减小机构的惯性作用，而机构各构件自身的惯性是由其质量 和运动产生的，其本身不能自行消除。因此必须在机构上附加其它能产生惯性的元件。以抵消原 机构的惯性作用，从而使整个机构达到惯性的新平衡。这就是机构动力平衡的主要思想，并由此产 生了各种平衡方法。对于机构惯性力平衡采用配重法是晟为简单而有效的平衡方法”1 。即在机构 某些构件上加一定的配重，使之产生与原构件惯性作用相反的惯性，从而达到整体惯性平衡。基于 相同原理的质量静代换方法，也是解决机构惯性力平衡的有效方法。另外，在机构上附加其它机构 或杆组的方法，对于解决一些特殊机构的惯性力平衡也具有较好的效果。“线性无关向量法”是7 0 年 代发展起来的”】、被实践证明是最为有效的平衡方法。它使配重方法在理论上有了新的提高，近代 的机构惯性力平衡理论和方法都是在此基础上不断发展起来，并且得以不断完善的。因此，从平面 到空间机构的各种简单和复杂形式的机构惯性力完全平衡问题都得到了比较完善的解决，这在整个 机构动力平衡中占有重要地位。 机构惯性力矩平衡，尤其是完全平衡是以惯性力的平衡为条件的。因此，惯性力平衡的方法， 如配重法、附加机构法等，也在惯性力矩的平衡中得到了应用。但仅靠配重法不能完全平衡机构的 惯性力矩，还需要用附加其它形式的惯性构件来抵消原机构的惯性力矩。加对齿轮方法、附加杆组 方法较有效地解决了这一问题，使大部分平面及空间机构的惯性力矩完全平衡得到了解决，这是机 构动力平衡中比较困难、仅在近年才得以解决的问题。 输入扭矩的平衡属于能量平衡的范畴。因此，用加飞轮。弹簧等贮能元件能够达到较好的平衡 效果”】。当然，配重法和附加机构方法也对输入扭矩平衡有一定效果”1 。由于运动副反力的平衡或降 低往往与惯性力和惯性力矩的平衡相矛盾，因此，目前这方面研究成果还不多，加弹簧是实现运动 副反力平衡的方法之一。 东南大学硕士学位论文 1 3 2 机构动力学目前发展状况 机构动力平衡的研究开始较早，已有几十年的历史，而真正在连杆机构的平衡方面取得实质性 进展是本世纪7 0 年代初，到8 0 年代末期已经取得了重大成就。目前，平面机构的动力平衡问题， 无论是完全平衡还是部分平衡都己得到了比较完善的解决，机构平钠的大部分成果都是在此范围内 取得的。8 0 年代以来，人们将平面机构的平衡原理和方法推广并发展到空间机构，现在已在惯性力 和惯性力矩的完全平衡以及部分平衡方面有了重要突破，在输入扭矩平衡上也有一定进展。由于空 间机构的复杂性，许多问题有待继续深入研究。目前，人们正在多项动力指标的综合平衡、实际有 效的平衡方法、机构动力性能的综合改善等方面进行新的探索，以期机构动力平衡研究更加完善。 本文所研究的剑杆织机引纬机构是由共轭凸轮机构、r s s r r 空间五杆机构、齿轮机构和平面曲 柄摇杆机构组合而成，所以该机构的惯性力平衡比较复杂。在理解和掌握平面机构和空间机构惯性 力完全平衡的基础上，结合该机构的特点，采用分离平衡的方法，使该机构实现惯性力完全平衡， 并且运用动力学分析软件a d a m s 对该机构进行惯性力平衡分析，使机构惯性力平衡理论得到了新 的发展，并为该机构的动力学设计和应用提供了理论依据。 1 4c a d c a e 技术 1 4 。1c a d 技术概论 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 指使用计算机进行设计的全过程，包括资料检索、方案构思、 零件造型、工程分析、工程制图、文档编制等j 。在设计的各个阶段计算机都能发挥它的辅助作用， 因此c a d 概念一产生，就成为一门新兴的学科，引起了工程界的关注和支持，并迅速地完善起来。 c a e 是c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ( 计算机辅助工程) 的缩写，是以现代计算力学为基础。 以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现产品优化设计的主要支持模块”。c a e 技术的主要内 容包括有限元法、边界法、运动机构分析、气动或流场分析、电磁场分析等，其中有限元分析在机 械c a d 应用最广泛。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并且和计算机辅助设计 的结合越来越紧密，因此，也常把c a e 看作c a d 的重要组成部分。 1 4 2 机械c a d c a e 支撑软件 一、c a d 支撑软件主要解决几何图形设计方面豹问题，包括： ( 1 ) 图形资源软件 这是一些根据各种图形标准或规范实现的软件包，大多是供应用程序调用的图形子程序包或函 数库。由于是根据标准研制而成的，因此与计算机硬件无关。利用它们所编写的应用程序原则上可 以在具有这些图形资源的任何计算机上运行，因此具有优良的可移植性。用户在应用开发时不应忽 视这部分图形资源的利用，尤其在从事某些深入的应用开发时更是如。这些图形资源比较流行的有 c g i ( c o m p u t e r g r a p h i c si n t e r f a c e ) 、p h i g s ( p r o g r a m m e r sh i e r a r c h i c a li n t e r a c t i v eg r a p h i c ss y s t e m ) 、 o p e n g l 等。 ( 2 ) 二、三维绘图软件 这类软件主要解决零部件图的详细设计问题，输出符合工程要求的零件图或装配图。它们分为 交互式绘图和程序调用两种方式，目前主要采用交互式图形系统，在这些系统中也常常提供程序调 用的接口。交互式绘图系统在微机上有a u t 0 c a d 及众多国产软件，在工作站上大多属于c a d c a m 系统中的一个模，如l d e a s 软件的d r a f t i n g 模块等。 4 第章绪论 ( 3 ) 几何造型软件 这类软件主要解决零部件的结构设计问题，存储它们的三维几何数据及相关信息。目前大多采 用实体造型系统解决一般零部件的造型；采用曲面造型系统解决复杂曲面的造型；正在大力发展参 数化特征造型系统，以满足c a d c a m 集成的要求。常见几何造型软件有与a u t o c a dr 1 4 版配套 的m d t 3 0 三维软件。p r o e n g i n e e r 中的三维模块，i - d e a s 中的m a s t e r m o d e l e r 实体造型、m a s t e r s u r f a c i n g 曲面造型，a d a m s v i e w 中的实体造型模块等。 二、c a e 软件用于解决工程分析与计算等问题，主要包括： 1 )计算方法库。解决各种数学计算问题，如a d a m s s o l v e r 。 2 )优化方法库及常用零部件优化模型库。 3 )通用或专用的有限元分析及其前后置处理程序，如a n s y s ，n a s t r a n 等。 4 )机构分析及机构综合软件。机构分析是要确定机构的位置、轨迹、速度、加速度等运动学规律 及节点力、弹簧力等动力学性能，常用软件有a d a m s 。机构综合是根据产品要求自动设计出一 种机构。 1 4 3c a d c a e 技术的发展趋势 目前，c a d c a e 的关键技术已经相继得以解决，c a d c a e 技术已相当成熟。c a d c a e 技术正 朝着集成化、智能化、网络化快速发展着。今后，c a d c a e 技术的发展特点和趋势主要体现在以下 几个方面； 1 ) 特征造型技术 目前，c a d c a e 系统大都以实体造型为核心。实体造型的突出优点是计算机内真正存储了物 体的三维几何与拓扑信息，这使物体体积、面积、重心、惯性矩等的自动计算、隐藏线隐藏面的消 除、有限元网格划分、碰撞干涉检验、c a d c a e c a m 初步集成等成为可能”。实体造型的主要缺 点是只存储了形体的几何形状信息，缺乏产品开发在c a d c a p p c a m 生命周期所需的全部信息， 诸如材料、工艺信息、尺寸精度、表面粗糙度、装配要求等信息，因此不能构成符合s t e p 标准的 产品模型，导致c a d i c a e c a m 集成的先天困难。 2 ) 变量设计技术 变量设计是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和 形状。约束方程驱动可以是几何关系，也可以是工程计算条件。约束结果的修改受到约束方程驱动。 变量设计是参数化技术设计发展的必然趋势，几何图形或几何体均通过一定的尺寸约束来定义，因 此，改变某些尺寸参数即可生成新的图形或物体，而且2 d 、3 d 变量设计是可以达到双向沟通的， 这一技术给c a d c a e 带来巨大的活力和创造力。 3 ) 智能化c a d 技术 现有c a d c a e 技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图。然而在设计 活动中存在着另一类符号推理型工作，包括方案构思与拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决 策、以及参数选择等等。这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决。 因此将人工智能技术。特别是专家系统技术，与传统的c a d 技术结合起来，形成智能化c a d c a e 系 统是机械c a d c a e 发展的必然趋势。 4 ) c a d ，c a e ，c a m 集成 为适应设计与制造自动化的要求，特别是计算机集成制造系统( c i m s ) 的要求，进一步提高 集成水平是c a d c a e c a m 系统发展的一个重要方向。c a d c a e c a m 集成包括信息及物理设备 两方面的集成。 5 ) 产品数据交换的标准化 东南大学硕士学位论文 电子化的产品模型要求在不同地域的设计部门间、在同一地域的设计、工艺、加工部门间、在 制造厂与供应商之间、在不同c a x 系统间顺利进行产品数据的交换，为此必须制定数据交换的标准。 当前流行的数据交换规范主要有1 g e s ；g l s t e p 。 如今c a d c a e 技术已经广泛应用于纺织行业，越来越多的纺织企业使用c a d c a e 技术进行 纺织机械设计及其仿真。c a d c a e 技术的使用对改变我国的纺织机械落后的局面有着重要的意义。 1 5 论文的主要工作和安排 本论文从工程应用出发，从机构设计、机构动力学分析、c a d 建模，动力学仿真分析，几个方 面对剑杆织机的引纬机构进行研究。主要内容安排如下： 首先在第二章对剑杆织机引纬机构的设计原理和工作原理进行分析。该机构是由凸轮、连杆、 齿轮组合而成的新型剑杆织机引纬机构，以实现剑杆修正梯形加速度运动规律为目标，从运动学角 度对其进行分析和设计获得整个机构的运动尺寸和共轭凸轮实际轮廓曲线参数。 第三章将对机构动力平衡进行分析研究。对主要的平衡方法进行分析比较，最后选择合理的平 衡方案，对由共轭凸轮机构、空间连杆机构和齿轮机构组合而成的新型剑杆织机引纬机构进行惯性 力的完全平衡。为该机构的进一步的惯性力矩平衡分析和应用提供了理论依据。 第四章对c a d c a e 软件进行分析，将结合p r o e 的特点对其进行分析介绍对参数化建模进行 分析。对运动学动力学分析软件a d a m s 进行分析，将分析a d a m s 究竟能够提供哪些方面的功能， 以及各种功能如何去实现。将分析如何利用a d a m s v i e w 建模分析，分析如何利用m e c h p r o 将 p r o e 模型导入a d a m s 中，将研究怎样把p r o e 和a d a m s 结合起来进行建模和动力学分析。 第五章将对剑杆织机引纬机构进行运动学动力学仿真建模，在a d a m s 中进行运动学分析，并 对凸轮进行误差分析。同时建立共轭凸轮的动力学分析模型，对凸轮进行动力学分析。结合惯性力 完全平衡理论运用a d a m s 进行惯性力完全平衡分析。 6 第二章剑杆织机引纬机构的工作原理和设计原理 第二章剑杆织机引纬机构的工作原理和设计原理 如前所讲剑杆织机的引纬机构由共轭凸轮机构、空间连杆机构、齿轮机构和平面摇杆机构组 成，凸轮机构输出的运动规律是往复运动的规律，而连杆机构和齿轮机构具有扩大行程的特点，所 以这样组成的组合机构兼有这两者的优点，因此，输出的剑杆的运动规律具有往复运动和扩大行程 的规律，而且还能实现精确定位。 在这种引纬机构中，使剑杆运动的规律得以实现的、最重要的组成机构是共轭凸轮机构。所以， 在这里要对共轭凸轮机构进行重点的研究设计”“。 本章主要对文献 1 3 】中设计的剑杆织机引纬机构为原型，对其工作原理和设计原理进行了分析和 研究。 2 1 共轭凸轮设计 固接在同一轴上的主、回两凸轮分别控制从动件往返两个行程，以保持凸轮与从动件之间分别 锁合。这一对凸轮称为共轭凸轮( 或主回凸轮) 。共轭凸轮机构中的主、回凸轮是相对而言的，设计 者通常把完成主要工艺动作的那个凸轮称为主凸轮，而另一个凸轮称为回凸轮。共轭凸轮机构是形 锁台机构，不但能提高运转速度和运动精度，减少冲击。而且可改善机构中的受力条件，所以这种 凸轮机构已在纺织机械中获得广泛应用。比如引纬机构。打纬机构等。现在面从三个方面介绍凸轮 的设计。 2 1 1 共轭凸轮廓线通用方程式 如图2 一l 所示滚子摆动从动件共轭凸轮机构，主凸轮1 和主凸轮2 都固结在主动轴a 上，分别 与固结从动轴b 上的滚子摆杆b e 。和b e 。接触。这样，主凸轮1 、摆杆b e o ，及回凸轮2 、摆杆b e 。： 分别为两套滚予摆动从动件平面凸轮。当主凸轮的1 的小半径与滚子接触时回凸轮2 的大半径与滚 子接触，我们以此位置分别起算两轮廓线的坐标值。 图2 - 1摆动从动件共轭凸轮机构 7 查亘奎兰堡主堂垡堡苎 在这里我们以回凸轮为倒，如图2 - 2 所示。因回凸轮逆时针方向转动，故须在其上建立左手直角 坐标系x a y 、a x 沿凸轮大半径。同时，在从动件上建立左手直角坐标系x b y 。 图2 - 2 回凸轮廓线放方程的推导 通过推导即可得出凸轮廓线上的点c 在坐标系x a y 中的坐标，即为回凸轮的凸轮廓线方程。则 滚子摆动从动件共轭凸轮廓线的通用计算公式“】： f x = ls i n ( 五+ j 印一妒) 一m r c o s ( 2 + k p 一妒一- a s i n ( ) 一声，一妒) 1 y ：n 1 c 。s ( 2 + k p 一妒) + m rs i n ( 五+ k 声一一口) 一口c o s ( 五二卢f n o ) 2 1 式中： f l = a r c c o s c 鼍， a a n c 等等， ( 2 2 ，) ( 2 3 ) 口： ) ( 2 4 )口= 一) ( ) 、 a s i n ( f l ，+ 印) 。 对主凸轮：m = 1 ，n = 1 ，0 = r o ，茁= 1 对回凸轮：m = 1 ，n = 一1 ，r i = ，k = 一1 ，p 的计算公式以主凸轮的摆杆为准，f 和r 分别以主、回凸轮的摆杆长度和滚子半径代入计算。 2 1 2 共轭凸轮的基圆半径及摆杆长度的确定 由于在共轭凸轮机构中主凸轮和回凸轮各控制从动件的一个行程，所以它们可分别视作力锁合 凸轮处理。如图2 - i 所示的双外缘共轭凸轮机构，对于主凸轮1 ，摆杆b e o ，工作行程的转向与凸轮 转向相同；对于回凸轮2 ，摆杆b e 0 2 工作行程的转向与凸轮转向相反。这样，我们可以假设摆杆长 度z 。= z 2 = f = 1 时，主凸轮理论廓线的小半径 e o l 与该机构中心距( a b ) l 及回凸轮理论廓线大半径 a e 0 2 与该机构中心距( a 占) 2 。实际上，主、回凸轮的中心距只能由一个数值，设为a ，按此进一步计 算主凸轮的基圆半径r 0 ，与其摆杆长度z ，及回凸轮理论廓线的大半径r 卅2 与其摆杆长度f ：为： r 第二章 剑扦织机引纬祝构的工作原理和设计原理 r o ，2 。面az - 2 面a f r 0 2 = a k 击铲面a 2 1 3 主回凸轮的安装角 ( 2 5 ) 如图2 1 对于这种双外缘凸轮，主凸轮的小半径a c 与回凸轮的大半径a c ，之间的夹角万为安 装角，则在a 岛l 0 2 和衄l e 0 2 中按余弦定律有； 蠢，+ 矗一2 ，r o lc o s = 日+ 蟹一2 6 h c o s ( 岛】+ 如+ 风) 整理得到： 0 ：a r c c o s ( 叠叠二! 二! i ! ! ! ! ! ! ! 坚鱼立鱼立鱼1 1( 2 6 ) = ( = 一l ( ) 舯卢o l = a r c c o $ c 警：岈一磋， r o 一主凸轮的小半径 r m 一回凸轮的大半径 f l 一主凸轮摆动从动件的摆杆长度 z 2 一回凸轮摆动从动件的摆杆长度 反i 一主凸轮在推程开始位置，小半径与中心距之间的夹角 风2 + 凤一主凸轮在推程开始位置，大半径与中心距之间的夹角 a 一中心距 2 2 新型引纬机构的组成与工作原理 2 2 1 引纬机构的组成 如图2 3 所示，剑杆织机新型传剑引纬机构的组成为 1 ) 共轭凸轮机构o g h 0 3 b 2 ) r s s r r 空间五杆机构0 3 b a o l c 0 4 3 ) 齿轮机构0 ，o s 4 ) 平面曲柄摇杆机构凸f e 0 4 5 ) 剑杆 在机构中，r 表示转动副，s 表示球面副。 2 2 2 引纬机构的工作原理 ( 2 7 ) 剑杆织机新型传剑引纬机构的工作原理”1 ： 主动轴口和幺以相同的恒定角速度出转动；曲柄 9 东南大学硕士学位论文 摇杆机构0 ，f e 0 4 中的曲柄0 f 随主动轴n 一起转动，通过连杆，e 带动摇杆e 0 4 摆动：共轭凸轮 机构o g h 0 3 b ( 共轭凸轮机构是两组完成的凸轮机构，同类构件分别刚性连接即主凸轮与回凸轮 刚性固接，而且主凸轮摆动从动件与回凸轮摆动从动件刚性固接。主凸轮和回凸轮分别控制着同一 从动件运动规律中的推程和回程) 中的主动轮5 和与之固接的回凸轮6 随主动轴0 一起转动，通过 滚子推动摆杆g h q b 作往复摆动；曲柄摇杆机构和共轭凸轮机构的输出构件d 1 b 与0 。e 作为空间五 杆机构0 ，b a o c 0 4 的输入构件实现运动的合成，通过作空间运动的连杆0 ，a 使扇型齿轮8 相对于摇 杆e 0 4 作往复摆动；最后通过齿轮机构8 、9 和剑轮1 0 使剑杆的行程放大，使剑杆剑头在与摇秆即 运动平面相垂直的方向上作大范围往复运动。 要注意的是：从图2 - 3 可以看出，齿轮机构o d ，和剑杆剑头是固结在平面曲柄摇杆机构o ，f e 晓 的连杆o 。e 上的。因此，剑杆剑头运动规律可以看成是一个合成的运动规律：一是沿着剑轮的切线 方向做预定设计的修正梯形加速度运动规律，另外是随着连杆伉e 一起做微小角度的摆动。 整个机构的运动传递路线为： 圭量篓o 薏矍兰嬲， r s s r r 五杆机构- 齿轮机构_ 剑杆 主动轴0 ，_ 曲柄摇杆机构f 血计机嗣- 齿轮dl 嗣。剑卡 由于该机构组成复杂，在前期设计时，可先基于剑杆织机整机结构，通过类比确定其中主要构 件的运动尺寸，然后根据剑杆运动规律要求进行共轭凸轮机构设计在此基础上通过运动学和动力 学分析与仿真，对构件尺寸和凸轮轮廓曲线参数进行调整与优化，获得最终的机构尺寸。 剑轮a 向 图2 - 3 新型引纬机构简图 2 3 新型引纬机构的运动分析 作为引纬机构的重要组成机构，凸轮机构的从动件运动规律，尤其是用于高速凸轮机构时，必 须在全行程范围内( 包括始、末位置) ，保证位移无突变，力求速度、加速度无突变。这是评价从动 件运动规律特性优劣的前提。从动件最大速度、加速度甚至跃动度对凸轮影响很大，而且影响凸轮 工作性能的方式不一样。 1 撮大速度 凸轮机构的轮廓压力角一般随速度的增大而增加。压力角过大，会导致磨损加剧，效率下降， 甚至自锁。为了减小压力角，应选用较小的运动规律。如果压力角选定时，较小的k 可以得到较 小的基圆半径，从而能减小凸轮机构尺寸。低速机构一般按匕较小的原则选用运动规律。 此外，工作机构的速度越大，工作机构的动量越大，因意外事故而要求紧急制动时，工作机构 1 0 第二章剑杆织机引纬机构的工作原理和设计原理 的动量会转变成巨大的冲量。因此，从保证工作机构安全的角度看，也希望能选取较小的运动规 律。 2 最大加速度 卅 在高速凸轮机构中，撮大的正负加速度凡是机构动态性能的重要参数，加速度如越大，产生 的惯性力越大，造成凸轮磨损加剧，由于振动分量的存在，造成从动件振动加剧，严重影响工作精 度。因此，特别是在中、高速凸轮机构中，要选取 m 较小的运动规律。 在选用剑头运动规律时，要考虑最大速度k 、最大加速度a i ，i 均较小的运动规律。报据文献， 在众多从动件的基本运动规律和典型组合运动规律中，如等速运动规律、等加速等减速运动规律、 多次项运动规律、简谐运动规律、摆线运动规律、梯形加速度运动规律、修正梯形运动规律等运动 规律中，选用运动特性屯比较小，比较大的修正体形加速度运动规律运动动力性能比较台适高 速轻载的引纬机构的剑杆运动规律。 2 3 。1剑头的运动规律 剑杆运动规律的确定应在避免冲击的前提下使其加速度的最大值尽可能小，为此选用修正梯形 加速度运动规律，并以曲柄摇杆机构0 ：f e 0 4 中曲柄d 2 ，与连杆f e 拉直共线时对应的机构位置作为 机构零位( 此时，曲柄和共轭凸轮转角毋= 0 。) 。 根据剑杆织机的工作要求，剑杆的运动规律确定为：当主、回凸轮转角在0 。7 0 。时( 近休止) ， 凸轮摆杆从动件与剑杆停顿；当主、回凸轮转角在7 0 。1 7 0 0 时( 即主凸轮从动件运动规律的推程， 推程运动角中= 1 0 0 。，这也就是回凸轮从动件运动规律的回程) ，剑杆按修正梯形加速度规律推出； 当凸轮转角在1 7 0 。2 7 0 。时( 即主凸轮从动件运动规律的回程，回程运动角中= 1 0 0 0 ，这也就是回凸 轮从动件运动规律的推程) ，剑杆按修正梯形加速度规律返回；当凸轮转角在2 7 0 0 。3 6 0 。时( 近休止) ， 剑杆停顿。 在一个完整的凸轮回转周期内，根据在起始端和终止端有无停留，将凸轮执行件的类型分为三 类， ( 1 )双停留运动d r d ( d w e l l r i s e d w e l l 或d w e l l - r e t u r n 0 且y o 时) 日= 石+ a r c t 卸( y x )( 当x ( ( 埘) 1 2 9 + a r c t a n ( y ，x )( 当x o 且】，( 寸) ( 2 8 ) 式中p 为凸轮的实际轮廓极径，日为极角。 经计算得主、回凸轮实际轮廓线如图2 5 所示，其中主凸轮的最大、最小半径分别为1 2 8 ，9 m m 和7 4 m m ；回凸轮的最大、最小半径分别为1 5 4 1 m m 和7 4 1 9 5 m m ；主、回凸轮的安装角为8 7 7 。 上述数据均能满足现有剑杆织机的结构布局要求。 2 第二章剑杆织机引纬机构的工作原理和设计原理 | 卜 ， ， f ( a ) 主凸轮轮廓 ( b ) 回凸轮轮廓 图2 - 5 主、回凸轮实际轮廓 表2 1主凸轮和回凸轮轮廓的主要的技术参数 凸轮主