（机械工程专业论文）剑杆织机引纬机构共轭凸轮的设计及研究.pdf

浙江_ 业人学硕十学位论文 剑杆织机引纬机构共轭凸轮的设计及研究 摘要 国外先进的剑杆织机，正被我国的纺织企业大量进口并用于生产。在进口的高档剑杆 织机中，都实现了生产的自动化和智能化，但引纬机构还是机械驱动。其中共轭凸轮的曲 线轮廓对织品的质量及纺机的平稳运行起到关键作用。 本文从企业的需求出发，对引纬机构的共轭凸轮进行动态分析、凸轮轮廓线的c a d 精 准设计、凸轮的数控仿真及加工、凸轮的平衡校j 下及样机测试，加工出符合引纬要求的共 轭凸轮。 本文的主要工作和成果如下： 1 对引纬机构的共轭凸轮进行动态分析。建立动力学模型；对模型进行简化处理，建 立单自由度的动力学模型；建立相应的动力学模型运动方程式；利用计算机软件进行实际 动力学参数计算，绘制相应的曲线，得出大量仿真数据，为共轭凸轮设计提供理论支持。 2 对引纬机构共轭凸轮的轮廓曲线进行反求。根据纺织工艺，结合运动规律，利用计 算机编程得出理论轮廓曲线的精准坐标值；借助计算机绘制凸轮的理论轮廓曲线和实际轮 廓曲线图形。这一研究方法不借助现有产品的数据，只根据产品的使用要求及工艺得出设 计参数，解决了以往凸轮设计采用实测数据所带来的轮廓误差问题。 3 对凸轮进行数控加工研究。分析凸轮加工的常用方法的利弊，提出采用数控加工凸 轮的方案；利用近似双圆弧插值法，提升圆弧加工精度；利用m a s t e r c a m 软件，对共轭凸 轮进行造型、刀具模拟及实体验证的加工仿真，验证设计的合理性；通过后置处理生成n c 文件，实现共轭凸轮实体的数控加工。采用数控加工解决复杂曲线的加工问题，可以明显 提高凸轮轮廓的精准度。 4 对加工后的凸轮进行平衡校正及样机测试。在平衡机上进行平衡及校正；对凸轮进 行动特性检测；利用零件替换方法，对加工后的凸轮进行样机试验，对非正常振动、噪声 及产品质量参数进行测量。按照论文的设计思路，经数控加工并通过平衡校正后的凸轮， 是符合机构的运行要求。 5 论文的设计思路可以引申到任何凸轮的设计及开发，具有普遍的指导意义。 关键词：共轭凸轮，动力学模型，轮廓曲线，仿真模拟，平衡校正 浙江r 业人学硕士学位论文 t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h ec o n j u g a t e - c a m w e f ti n s e r t i o nm e c h a n i s mf o rr a p i e rl o o m s a b s t r a c t t h ef o r e i g nf o r e r u n n e r sr a p i e rl o o m sa r ei m p o r t e da n dp r o d u c e db yt h es p i n n i n gb u s i n e s s e n t e r p r i s eo fo u rc o u n t r yi ng r e a tq u a n t i t i e s t h e s er a p i e rl o o m sa r ea l lc a r r i e do u ta u t o m a t i o n a n di n t e l l i g e n c eo fp r o d u c t i o nt ot u r n ，b u tw e f ti n s e r t i o ns t i l ld r i v e db yam a c h i n e a m o n gt h e m ， t h ec u r v eo u t l i n eo fc o n ju g a t ec a mh a st h ek e yf u n c t i o nt ot h eq u a l i t yo ft h et e x t i l ea n dt h e s t e a d ym o v e m e n to f t h er a p i e rl o o m t h i sp a p e rs e t so u tf r o mt h en e e do fb u s i n e s se n t e r p r i s e c a r r yo nd y n a m i cs t a t ea n a l y s i st o t h ec o n j u g a t ea x i sc a m ，c a dt ot h ec a mo u t l i n el i n ep r e c i s ed e s i g n ，i m i t a t et ot h ec a mt r u ea n d p r o c e s sb yn u m b e rc o n t r o lm a c h i n e ，t h eb a l a n c eo fc a m c o r r e c ta n dk i n dm a c h i n et e s t p r o c e s s t h ec o n ju g a t ec a mt h a tm e e t sar e q u e s t t h em a i nc o n t e n t so ft h es t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 c a r r yo nd y n a m i cs t a t ea n a l y s i st ot h ec o n j u g a t ec a m t h ed y n a m i c sm o d e li sb u i l tu p a n dt u m e di tt oas i m p l i f i c a t i o np r o c e s s i n gm o d e l w ee s t a b l i s ht h ee x e r c i s e se q u a t i o no ft h e d y n a m i c sm o d e l c a r r yo na na c t u a ld y n a m i c sp a r a m e t e rc a l c u l a t i o nb yt h eu s eo fc a l c u l a t o r s o f t w a r e ，d r a wh o m o l o g o u sc u r v e ，a n dg e tt om a n yt r u ed a t ab yi m i t a t i o n a l li sp r o v i d e t h e o r i e ss u p p o r tf o r t h ec o n j u g a t ec a md e s i g n 2 c a r r yo nt ot h eo u t l i n ec u r v eo fc a ma n t i - b e g a c c o r d i n gt ot h es p i n n i n gc r a f t ，c o m b i n e s p o r tr e g u l a t i o n ，w eg e tam a r ko fv a l u eo ft h et h e o r i e so u t l i n ec u r v eb yt h eu s eo fac a l c u l a t o r t h e nw ed r a wt h et h e o r i e so u t l i n ea n da c t u a lo u t l i n eo fc a mc u r v e t h i sr e s e a r c hm e t h o dd o e s n t a s kf o rh e l po ft h ed a t ao fe x i s t i n gp r o d u c ta n dr e q u e s t sj u s ta c c o r d i n gt ot h eu s a g eo fp r o d u c t a n dt h ec r a f tg e td e s i g np a r a m e t e r t h i sr e s e a r c hs o l v e dt h ep r o b l e mo ft h eo u t l i n ee r r o rm a r g i n w h i c ht h ef o r m e rc a md e s i g nb r i n g s 3 c a r r yo np r o c e s s i n gar e s e a r c ht ot h ec a mb yn u m b e rc o n t r o lm a c h i n e a n a l y t i c a lt h e g a i n so rl o s s e si nc o m m o nu s em e t h o da n dp u t sf o r w a r dt oa d o p tap r o j e c to fp r o c e s s i n gt h ec a m b yn c c t h ec a m i si m i t a t e dr e a l l yb yt h eu s eo fm a s t e r c a ms o f t w a r e c a r r yo u tt h en u m b e ro f c o n j u g a t ea x i sc a me n t i t yt oc o n t r o lt op r o c e s s i tc a no b v i o u s l yr a i s et h ep r e c i s ed e g r e eo fc a m o u t l i n eb yn c c 4 c a r r yo nb a l a n c et oc o r r e c tt ot h ec a ma f t e rp r o c e s s i n g c a r r yo nm o v i n gac h a r a c t e r i s t i c e x a m i n a t i o nt ot h ec a m c a r r yo nk i n dm a c h i n et ot h ec a n lt e s tb yu s i n go fas p a r ep a r t s 浙江：j i 业人学硕士学位论文 r e p l a c e m e n tm e t h o d c a r r yo nd i a g r a p ht o w a r d sd o i n gn o tv i b r a t ea su s u a la n dp r o d u c tq u a l i t y p a r a m e t e r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nw a yo ft h e s i s ，t h ec a l l li st h em o v e m e n tr e q u e s tt h a tm a t c h e s o r g a n i z a t i o n 5 t h ed e s i g nw a yo ft h e s i sc a nl e a dt os t a t et oa n yd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc a ma n d h a v eu n i v e r s a li n s t r u c t i o nm e a n i n g k e yw o r d s ：c o n j u g a t ec a m ，t h ed y n a m i c sm o d e l ，t h eo u t l i n ec u r v e ，t h et r u ei m i t a t e ， t h eb a l a n c ec o r r e c t s 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业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，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本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，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：年 月日 日期：年月日 浙江一r 业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 随着w t o 的加入，我国正处在纺织工业升级的关键期间，大批新兴的纺织企业正依靠 科技进步，参与了当i j 激烈的市场竞争。市场竞争的焦点是产品结构的调整、产品档次和 品质的提高，而提升品质的根本捷径是加快织造行业技术及设备的革新。 据不完全统计，截止2 0 0 4 年底我国现有各类织机已近1 7 6 万台，其中有梭织机约1 0 9 万台( 其中有梭棉织机约1 0 3 万台) ，无梭织机约6 7 5 万多台( 其中片梭织机0 7 2 万台， 高档剑杆织机1 2 1 万台( 含进口的剑杆织机7 5 2 万台) ，简易的g a 7 4 系列剑杆织机3 1 5 万台) n 1 。应该看到，国产剑杆织机主要是简易型剑杆织机，国外高档剑杆织机主要来自 意大利s o m e t ( 舒美特) 、瑞士s u l z e r ( 苏尔寿) 、比利时p i c a n o l ( 必佳乐) 、德国d o r n i e r ( 多尼尔) 等厂商乜1 。当前国外高档剑杆织机的最高演示速度可达8 3 0 转分( 1 7 0 c m ) ，最 大入纬率可达1 5 0 0 米分以上。 在当今国际流行的五大技术中，过程应用计算机化、纺织机械机电一体化、纺织技术 复合化、纺织产品高科技化等四大技术都涉及到织造行业，新型无梭织机研发则是四大技 术革新应用的典型领域。以微处理器为核心的高性能工业计算机控制和新型驱动技术的结 合，使剑杆织机实现了自动化和智能化1 ，剑杆织机除了引纬和打纬还是机械驱动外，其 它的机构运动都能用电气自动控制技术和计算机控制技术来实现。国内除必佳乐( 苏州) 公司的g t m a x 型、意达( 上海) 公司的k 8 8 型、辑特纺织机械( 无锡) 有限公司的e 5 8 型 3 条进口高档剑杆织机生产线外，国内厂商自主研制的剑杆织机在体现高速化、智能化、 自动化、多适用化、模块化方面，同样作了许多探索性工作，开发能力有了很大的提高。 对于国内外不同型号的剑杆织机，作为引纬机构的主驱动件，多数是采用共轭凸轮。 德国d o r m e r ( 多尼尔) 公司的p t s 型系列刚性剑杆织机引纬机构共轭凸轮曲线经过优化 设计，使引纬过程中送纬剑剑杆刚钳取纬纱时，剑杆运动的加速度极低，以保证较低的引 纬张力。s m i tt e x t i l e 公司的最新g s 9 2 0 型剑杆织机通过改进传动设计，优化了织机加速、 减速曲线，更好地分配动态负载，在高速时织机振动小，最大入纬率达1 5 0 0m m i n 。 剑杆织机引纬机构的主驱动件采用共轭凸轮机构，可以达到理想的剑头运动规律，做 到纬纱交接时，剑头的加速度为零，从而大大提高交接纬的精确性和稳定性。采用纯连杆 机构组合进行引纬是做不到这一点的，特殊的连杆机构和其它机构组合可以做到，但不如 浙江j j ：业人学硕士学位论文 共轭凸轮机构紧凑。 1 2 剑杆织机引纬机构的特点及关键技术 织造就是把准备工序制备的具有一定质量和卷装形式的经纱、纬纱按设计的要求交织 成织物的工艺过程h 3 。完整的织机由五部分组成：开口机构，根据织物组织，把经纱上下 分开，形成梭口，以供引纬；引纬机构，利用各种引纬方式将纬纱引入梭口；打纬机构， 把引入梭口的纬纱推向织口，形成织物；卷取机构，把已织好的织物引离织物形成区，卷 成一定的卷装；送经机构，按交织的需要供应经纱，并使经纱具有一定的张力。其中引纬 方式可以分为有梭引纬和无梭引纬两种。 有梭引纬由梭子将纬纱引入梭口，梭子既是引纬器，又做存纬器用。无梭引纬 由各种新型引纬器或流体引纬介质( 空气或水的射流，或以一种体积小、重量轻的引 纬器代替梭子引纬) ，将一定长度的纬纱引入梭口，引纬器不再载有纬纱卷装，或仅有极 小数量的纬纱卷装。目前常用的引纬方式有片梭、剑杆、喷气、喷水、纬向多梭口引纬等。 剑杆( r a p i e r ) 引纬是以剑杆头作为引纬器握持纬纱，在剑杆的推动下穿越梭口，将纬 纱引入梭口，使经纬纱交织成织物。采用剑杆引纬的优势比较明显：剑杆能对纬纱进行积 极控制，引纬运动是约束性的；纬纱始终处于剑头的控制之下，引纬稳定可靠，对纱线质 量要求不高，适用于各种纱线的织造；剑杆始终处于剑带的控制之下，通过剑杆运动规律 的优化，提高了纬纱在梭口中央交接的可靠性，同时能减少剑头对经纱的磨损；剑杆织机 的选纬装置轻巧灵活，换色方便，尤其适用多色纬的制织。 典型剑杆织机引纬过程由以下三部分组成： ( 1 ) 选纬杆( w e f ts e l e c t i o nr o d ) 下降，将被选中的一根纬纱下落到送纬剑( 1 e f t h a n d r a p i e r ) 的运动轨迹上； ( 2 ) 送纬剑前进，将纬纱纳入剑头，并使纬纱进入剪刀口，当送纬剑进入梭口时，剪 刀将张紧的纬纱剪断； ( 3 ) 在梭口中部，接纬剑( r i g h t h a n dr a p i e r ) 接过送纬剑上的纬纱，完成交接；接 纬剑将纬纱引出梭口，同时选纬杆上升复位。 图卜1 是剑杆运动配合位移曲线二维图，其中送纬剑位移曲线s s ，接纬剑位移曲线 s j ，为了保证顺利交接，在梭口中央要有交接冲程( 重叠区域) d 。纬纱交接始终位于送 纬剑的进剑阶段和接纬剑的退剑阶段，此时两剑的运动方向相同，这种跟踪交接使两剑相 2 浙江f 业人学硕十学位论文 对运动速度较小，纬纱交接的冲击张力小；同时，由于送纬剑继续进剑，直至纬纱交接完 成，因此，纬纱在完全转移到接纬剑之前由送纬剑控制而张紧晤1 。这是一种理想的交接条 件，被新一代的剑杆织机广泛使用。 图1 - 1剑杆运动配合位移曲线二维图 使用共轭凸轮( c o n j u g a t ec a m ) 引纬机构，容易实现符合剑杆引纬要求的运动规律， 有利于提高织机的入纬率。共轭凸轮引纬机构常用于双侧挠性剑杆的驱动。其结构如图卜2 所示。 4 3 2 18 46 图1 2 引纬机构简图 图卜2 所示为挠性剑杆共轭凸轮引纬机构简图n 3 ：共轭凸轮l 、2 固定在主轴3 上，当 主轴3 回转时，共轭凸轮1 、2 随之回转，通过两个转子4 推动摆杆5 ，带动连杆6 作往复 3 浙江t 业大学硕士学位论文 运动，扇形齿轮7 随之摆动，使齿轮8 往复回转。然后通过一系列齿轮传动剑带轮往复摆 动，从而使剑带作往复直线运动，完成挠性剑杆的引纬工作。 引纬机构是剑杆织机中的关键部件之一，它的运动性能直接决定了引纬的质量和效 率。而直接对整个机构工作性能产生最重要影响的是共轭凸轮机构，因此需要对整个凸轮 机构加以研究，特别对共轭凸轮的轮廓参数加以研究，才能实现高中档剑杆织机的国产化 及配件维护。 1 3 课题背景及国内研究现状 我国纺织机械经过半个世纪的经营和发展，行业规模越来越大，品种和数量也越来愈 多，已经涌现出一批国内领先、具有一定国际市场竞争力的纺织机械企业。这些企业通过 不断的科技攻关、技术引进、消化吸收、合作生产，开发了一大批纺机新产品，逐渐缩短 了与国际先进水平的差距，并形成一定批量的生产能力。不过，其中也存在很大的问题， 例如织机质量不稳定，可靠性不高；无梭织机的构成不合理，中低档的多，高档的少；织 机研发对织造工艺不熟悉，与织造工艺结合不够等。目前，国内纺织行业织造厂大量引进 国外织机，但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。 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剑杆织机的质量和效 率，特别对机构引纬运动的平稳性和入纬率产生决定性影响。在本课题研究中，织机的引 纬机构采用共轭凸轮机构。共扼凸轮机构是由两组完整的凸轮机构组成，两组构件相互刚 性连接，分别控制同一从动件运动规律中的推程和回程。共扼凸轮的轮廓曲线是根据剑杆 的运动特性来设计的。 凸轮的设计和制造一直是国内外学者的研究对象嗨1 。采用凸轮机构几乎可以实现无限 多种的从动件运动规律，而且具有机构紧凑、性能可靠等诸多优点，在实现间歇运动、分 度运动、较大运动升程要求或其它任意复杂反复循环运动要求等方面具有很强的适应性。 在欧美各国，已有很多学者为凸轮机构的研究做出了贡献，自1 9 8 4 年以来，p i s a n o a p ( 在摩擦及其试验方面) 口1 、b o r i s o v v 。d ( 在计算机辅助设计方面) 眵3 、i - i j w e d e n i w s k i ( 在计算机辅助制造方面) 阳1 和j a n g e l e s ( 在优化设计方面) n 们研究颇多。 国内的凸轮设计和制造技术水平与国外相比还有一定的差距，国内企业般还没有自 己真正意义上的凸轮产品设计，通常是通过反复测绘后进行仿造，许多关键技术掌握在一 些专业的凸轮制造厂家和科研机构手中，无法通过技术引进来提高我国的设计与制造水 4 浙江j t = 业人学硕十学位论文 平。国内最近在研究并开发通用的智能化c a d 系统及专家系统，利用这些系统将大大提高 凸轮设计与制造的科技含量，缩短凸轮研制的周期，降低凸轮零配件的成本。 目前国内大量使用的高中档织机来自国外，许多关键技术不为我们所熟悉。国内许多 的制造企业及学者也开始对此进行一定的研究与探索。 在凸轮轮廓曲线的设计方面：经纬纺织机械股份有限公司的刘志萍n 等通过对g 1 7 2 4 型剑杆织机共轭凸轮专用检测装置的设计及检测试验和测试误差分析，提出了高精度检测 措施，找出了系统误差规律，赋修正值予以修正，达到高精度测试效果。苏州商业学校的 李志章n 羽从动力学角度出发，提出了一种修正梯形加速度剑杆运动规律，它以多项式为过 渡段，解决高阶曲线光滑连续问题。浙江理工大学的郑智毓3 1 通过m e c b 型机械动态参数 测试仪，对剑杆织机引纬运动规律进行测试，用计算机处理有关数据绘制曲线，分析和讨 论引纬系统的动态曲线及工艺参数。东南大学的刘志海u 郇等针对一种由凸轮、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 学角度对其进行了分析和设计，通过与现有设备类比的方法，确定机构的尺寸及参数，获 得了整个机构的运动尺寸和共轭凸轮实际轮廓曲线参数。武汉科技学院机电学院的肖卫兵 n 朝以t t 9 6 型剑杆织机为例，运用模块化方法建立了共轭凸轮引纬机构的数学模型，并利 用计算机对该引纬机构的动态响应进行了仿真计算，完善了共轭凸轮设计的理论基础。以 上研究从不同角度对不同机构的凸轮廓线采用不同的方法进行设计或测量修正，但永远没 有脱离对原有的机构样图或机构参数引用，或是对原有产品的研究分析：部分设计出的轮 廓曲线在理论上是可行的，但没有考虑到机械加工的设备是否能实现保质加工，轮廓曲线 设计特别是高次多项式运动规律采用，对于传统的加工方法及多数的机械设备是难以实现 加工要求。 在凸轮的c a d 研究上，单一盘形凸轮的研究比较成熟：青岛科技大学的任云n 6 1 等分析 了双向多位高速凸轮驱动机构的工作原理，以c a d 绘图曲线为设计平台，基于凸轮轮廓曲 线反转法的设计原理，提出了一种设计凸轮轮廓曲线的方法，利用该方法缩短设计周期、 提高设计质量和精度。郑州铁路职业技术学院的张淑贤n 刀进行高速凸轮机构尺寸综合的解 析分析，对盘形凸轮建立数学模型，运用程序进行相关尺寸解算和分析。中南林学院的吴 铁军n 踟研究圆柱凸轮c a d c a m 系统的开发，建立圆柱凸轮参数化c a d c a m 集成系统，提高设 计效率。但专门针对共轭凸轮的c a d c a m 研究不多，软件的开发大都建立在a u t o c a d 的基础 上，而目前大量应用于数控机床编程的软件女n m a s t e r c a m 、p r o e 、u g 等研究资料比较少， 同时对利用数控机床加工凸轮或共轭凸轮的研究更少。应该说本课题的研究有它的时代性 浙江1 = 业人学硕十学位论文 和实用性。 1 4 本课题的主要研究内容 综合国内外对剑杆织机引纬机构相关课题的研究成果，本论文的研究突出二点：一是 根据剑杆织机的工艺要求及从动件的运动规律，通过反求的方法再现凸轮轮廓线设计值， 得到精准的凸轮廓线，较好地解决了采用实测数据导致旧凸轮的制造误差、磨损误差、测 绘误差、新凸轮的制造误差带来的系列问题；二是借助数控机床编程的软件m a s t e r c a m 、 p r o e 编写数控加工程序加工凸轮产品，较好地满足凸轮轮廓曲线的光滑要求，通过平衡、 校正、样机测试继续优化凸轮的性能，实现产品互换要求。 本课题的主要研究内容 1 对引纬机构的共轭凸轮进行动态分析。建立动力学模型；通过模型简化处理方法， 建立单自由度的动力学模型；建立相应的动力学模型运动方程式；利用计算机软件进行实 际动力学参数计算，绘制相应的曲线，得出大量仿真数据，为共轭凸轮设计提供理论支持。 2 对引纬机构共轭凸轮的轮廓曲线进行反求。根据纺织工艺，结合运动规律，利用计 算机编程得出理论轮廓曲线的精准坐标值；开发a u t o c a d 软件中的a u t o l i s p 语言，绘制 凸轮的理论轮廓曲线图形；绘制凸轮实际轮廓曲线的图形，得到主、回凸轮的精准坐标值。 这一研究方法不借助现有产品的数据，只根据产品的使用要求及纺织工艺，经理论分析后 得出设计参数，解决了以往凸轮设计采用实测数据所带来的轮廓误差问题。 3 对凸轮进行数控加工研究。分析凸轮加工的常用方法的利弊，提出数控加工凸轮的 方案；利用近似双圆弧插值法，提升圆弧加工精度；利用m a s t e r c a m 软件，对共轭凸轮进 行造型、刀具模拟及实体验证的加工仿真，验证设计的合理性；通过后置处理生成n c 文 件，实现共轭凸轮实体的数控加工。采用数控加工解决复杂曲线的加工问题，明显提高凸 轮轮廓的精准度。 4 对加工后的凸轮进行平衡校正及样机测试。在平衡机上进行平衡及校正：对凸轮进 行动特性测试；利用零件替换方法，对加工后的凸轮进行样机试验，对非正常振动、噪声 及产品质量参数进行测量。按照论文的设计思路，经数控加工并通过平衡校正后的凸轮， 是符合机构的运行要求。 具体研究流程图如下： 6 浙江j ：业人学硕十学位论文 7 浙江工业人学硕士学位论文 第2 章共轭凸轮机构系统动态分析 2 1共轭凸轮机构的基本结构和功能 凸轮机构是一种由凸轮、从动件和机架组成的传动机构。凸轮机构运转时，凸轮( 或 者其他的原动件) 的运动参数是给定的。从动件的运动状况( 包括位移、速度、加速度等 参数) 主要取决于凸轮的轮廓曲面参数。反之，为使从动件按某一给定的运动状况运动， 需要赋予凸轮相应的轮廓曲面形状。 凸轮机构种类繁多，按凸轮的几何形状分类有平面凸轮和空问凸轮之分n 町；按从动 件形状分类有尖底从动件、滚子从动件、平底从动件、曲面从动件之分：按从动件运动方 式分类有直线往复移动和绕固定轴线的往复摆动之分；按凸轮与从动件维持接触的方式分 类有力锁合凸轮机构和几何形状锁合凸轮机构之分，其中几何形状锁合凸轮机构又有槽形 凸轮、凸缘式凸轮、等宽凸轮、等径凸轮、共轭凸轮之分。可以说凸轮机构的种类繁多， 广泛应用在日常机械的不同场合。意大利so m e t 公司生产的s m 9 2 剑杆织机的引纬机构采 用的就是平面、滚子从动件往复摆动的共轭凸轮机构。 共轭凸轮就是将两片凸轮按一定位置固装在同一轴上，使这两片凸轮各自分别在推程 和回程时保持共轭性，进而保证凸轮与从动件锁合。具体结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1共轭凸轮传动示意图 1 从共轭凸轮传动示意图可知，在轴0 两端各装有一对共轭凸轮( 1 ) 和( 1 ) ，剑杆的 8 浙江- l 业人学硕士学位论文 进剑靠凸轮( 1 ) 转动，经转子日。推动前摆臂a h ，；前摆臂a h ，是一个摆动件，可以绕a 点转动；当转子日，推动前摆臂a h 。时，前摆臂a l l 。作逆时针方向转动，再由摆杆a b 带动 连杆等机构实现剑杆进剑；剑杆退剑依靠凸轮( 1 ) 转动，经转子日：推动后摆臂彳吼， 后摆臂a h ：绕a 点作顺时针方向转动，再由摆杆a b 带动连杆等机构实现剑杆退剑。 2 2高速凸轮机构动态特性及其影响因素 2 2 1 凸轮机构的静态设计和动态设计 在低速运动状态下，平面凸轮轮廓设计时是将凸轮从动件系统视为刚性系统，工 作端的运动规律取决于凸轮的轮廓参数和从动件系统的几何参数。这类处理方法仅涉及刚 体运动学，通常称为静态设计方法。 1 9 1 当凸轮机构的运转速度较高时，系统中运动构件的惯性力明显增加，构件弹性变形的 影响会导致工作端运动规律偏离预定的要求，产生不容忽视的动态误差。尤其当系统的激 振频率接近系统的固有频率时，系统会产生共振，工作端的运动状态将远远偏离预先计算 的规律。过量的振动会加剧凸轮磨损，因振动引起的噪声还会污染环境，损害人们的健康。 因此对于高速凸轮机构的分析，必须将凸轮从动件系统当作一组弹性系统来考虑，需 要进行适宜的动态设计。美国有一学者提出按凸轮设计转速q 与机构固有频率缈。的比值 来判断机构类型，若令q o n = 1 0 ，当d 1 时属高速机构【2 l 】。但由于机构固有频率不 易计算，判断有些困难。日本学者提出按工作端的最大加速度的经验值判断，认为当最大 加速度大于3 0 m s 2 时，属高速机构。总体上讲第二种结论源于工程实践，便于工程应用， 是目前我们评判高速凸轮标准。 2 2 2 高速凸轮机构的动力学问题 1 、从动件的响应 在高速凸轮机构中，原先并不突出显示的凸轮轮廓线误差，就会明显影响凸轮机构的 性能啪1 。由于误差的存在，使得理论和实际凸轮加速度曲线有很大的不同，这就会影响推 杆的加速度。在对凸轮系统进行振动响应的分析计算时，凸轮轮廓线表面误差是研究的关 q 浙江j ：业人学硕士学位论文 键影响因素。为了减小这种影响，凸轮表面误差必须小于0 1 m m ，因此，要求推杆的升 程曲线所对应的凸轮轮廓线必须易于精确制造，以减小表面加工误差。其次由于在凸轮机 构运行过程中，凸轮的转速和凸轮系统的自振频率都会发生变化，直接影响推杆的振动响 应，而且在凸轮机构运转过程中自振频率有较小的变化，也会影响推杆的振动响应。再次 阻尼的大小也会影响推杆的振动响应。为了简化推杆动力响应的求解过程，通常都忽略了 系统的阻尼，但是确定阻尼因子的合理变化范围对于改善高速机械的性能还是十分必要 的。 2 、换向接触冲击 换向接触冲击是推杆与凸轮在换向接触时所产生的冲击现象，它是由于推杆与凸轮之 间存在间隙或误差所造成的。不管推杆是刚性或柔性，换向接触冲击总是发生在推杆的加 速度由正到负的转折点处，或是相反变化的转折点处。在推程中加速度的转折点就是推杆 速度最大的点，这个速度愈小，相互冲击愈小。通过对推杆的位移、速度和加速度响应曲 线的分析，可以归纳出：当推杆做成刚性时，换向接触冲击和推杆的最大速度( 速度冲击) 可以达到最小，采用刚性推杆系统或具有较高的系统自振频率都可以使换向接触冲击保持 较小的数值。推杆与凸轮之间的间隙，也会造成换向接触冲击，为了消除推杆与凸轮之间 的间隙，可以采用双滚子推杆预加载荷的方法来消除间隙的影响，采用共轭凸轮机构也能 解决换向接触冲击问题。 3 、腾跳现象 对于利用压缩弹簧加载的推杆，会产生腾跳现象。对于高速、高挠性的凸轮推杆系统， 在推杆负加速度时期，其惯性力超过弹簧力，会使推杆与凸轮分离，产生腾跳现象。腾跳 现象使推杆运动失真，同时还会使凸轮轮廓表面寿命下降，噪音、振动和冲击增加。为了 消除“腾跳”现象，可从限制传动件的运动规律的负加速度幅值和适当增大弹簧的锁紧力 入手。因此正确地选择具有一定跃度的凸轮轮廓曲线可以尽可能地避免腾跳现象的产生。 但采用增加弹簧载荷的方法来消除腾跳现象是不可取的，因为这样会使凸轮和推杆表面产 生较大的接触应力，从而使凸轮机构寿命下降。 4 、凸轮平衡及振动 每个凸轮都是不平衡的回转零件。因此，凸轮安装前需要进行平衡校准，对高速运转 的共轭凸轮就必须进行动平衡校准。经校准后的凸轮，可较好地抑制对凸轮端有用激振源 的干扰。 l o 浙江1 ：业人学硕士学位论文 2 3 凸轮传动件系统动力学模型的建立 对凸轮传动件系统进行动态分析和动态设计时，通常需要建立描述系统动态特性 的动力学模型。动力学模型是根据系统中各构件的运动特点、弹性变形方式、质量分布情 况等，将构件简化为在某些特定点上的集中质量，用有适当刚度的无质量弹簧和纯阻尼元 件将集中质量联系起来，构成的“弹簧质量系统 。 2 3 1 凸轮机构动力学模型 意大利so m e t 公司生产的s m 9 2 剑杆织机的引纬机构，采用的是共轭凸轮引纬机构， 其机构传动示意图如图2 2 所示。 图2 - 2共轭凸轮引纬机构传动示意图 共轭凸轮1 通过转子使从动杆a b 摆动，带动连杆b c ，连杆b c 拉动摆杆c d ，摆杆c d 与扇形齿轮2 相连，带动扇形齿轮摆动，将动力传动给小齿轮z l ，小齿轮z 1 和同轴的锥 形齿轮z 2 传动另一只锥形齿轮z 3 ，使传剑锥齿轮z 3 往复回转。剑带是扁平的冲孔条带， 与传剑锥齿轮z 3 啮合而往复进出梭1 2 引纬。织机主轴转一转，两剑进出梭v i 一次，引入 纬。【2 3 l 在建立系统的动力学模型前，为了减少计算工作量，对动态分析进行如下处理，其结 果对实际计算数据不会产生新的误差： 1 ) 传剑轮的送纬剑和接纬剑是使用不同参数的共轭凸轮实现的，因此在分析时，应 分别对送纬剑和接纬剑进行分别分析，但分析原理是相同。 浙江1 ：业人学硕士学位论文 2 ) 考虑到机架比较结实，可定义为绝对刚体。 3 ) 由于凸轮在其它方向的刚度系数远远高于其转动方向的刚度，可视同为刚体，可 以只考虑凸轮在转动方向的变形，不考虑凸轮在其它方向的变形，以简化动力学分析妇钔。 4 ) 不考虑凸轮与转子之间的间隙，也不考虑铰链之间的问隙。 5 ) 根据动力学理论知识，考虑到凸轮机构的固有频率的大小与阻尼无关，且共轭凸 轮机构结构紧凑，构件截面较大，刚度系数较高，因此阻尼对运动的影响不是十分明显， 在动态分析时可以忽略阻尼对引纬机构的影响瞳5 1 。 根据以上的合理分析及处理，将各构件的模型按照机构的结构关系连接起来，就组成 了机构的动力学模型。如图2 - 3 所示。 图2 - 3 引纬机构的动力学模型 1 2 浙江1 ：业人学硕士学位论文 图2 3 中各符号的意义： 研：传剑轮和同轴圆锥齿轮转化到传剑轮剑带啮合点的等效质量 k ：传剑轮和圆锥齿轮轴的扭转刚度系数 t 传剑轮在输出端的线位移 m ：直齿轮和同轴圆锥齿轮转化到齿轮啮合点的等效质量 k ：直齿轮和同轴圆锥齿轮轴的扭转刚度系数 圆锥齿轮的传动比 朋：扇形齿轮转化到啮合点的等效质量 k ：扇形齿轮的刚度系数 乏直齿轮和扇形齿轮的传动比 历：杆c d 转化到c 点的等效质量 k ；杆c o 的刚度系数 扇形齿轮啮合点线速度与杆c d 在c 点的线速度比 m ：杆b c 转化到质心的等效质量 砭半根杆b c 的刚度系数 杆b c 在c 点的线速度与质心的线速度比 m ：杆a b 转化到b 点的等效质量 杆a b 的刚度系数 杆b c 质心的线速度与b 点的线速度比 所：上摆臂a h ( 下摆臂a h l ) 转化到h ( h 1 ) 点的等效质量 砭上摆臂a h ( 下摆臂a h i ) 的刚度系数 艺杆a b 在b 点的线速度与上摆臂a h ( 下摆臂a h l ) 在h ( h 1 ) 点线速度比 肌：凸轮转化到转子与凸轮理论轮廓线接触点h ( h 1 ) 处的等效质量 1 3 浙江t ：业人学硕十学位论文 尺i 凸轮轴的扭转刚度系数 f l 凸轮理论轮廓线速度与转于中心线速度比 下面以a b 杆为例说明等效质量和等效弹簧刚度的求解啪1 。 ( 1 ) 等效质量 代换前构件的动能为t ，即： 丁= 兰厶如扣c 寺2 代换后集中质量的动能为丁，即：丁= 昙聊：v 占2 根据代黼后动能相等的准则，可得一；= 乏 ( 2 ) 等效弹簧刚度 将构件a b 看作悬臂梁。若b 点受力为f ，其挠度为： 占：堕 构件弯曲变形后产生的势能为： u ：r 跏：垒32 2 b 6 e 代换成弹簧后产生的势能为： 日= 扣2 = 扣3 ( - 融面- “) 2 按等效弹簧的势能与构件变形能相等的准则，可得：k ；：了3 e 一 1 一一日 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 按照假设建立的动力学模型，是一个多自由度系统，分析和求解将十分复杂。 2 3 2 动力学模型的简化处理 系统在凸轮端有用激振源的作用下，工作端产生动态响应，其中与激振频率相同的响 应成分称为基频响应。工作端的基频响应是输出运动的主要成分。 尽管凸轮机构的振动系统都是连续弹性体，其质量与刚度具有分布的性质，理论上它 们都属于无限多自由度的系统，需要用连续模型才能加以描述。但实际上往往通过适当的 1 4 浙江丁业人学硕七学位论文 简化，归结为有限多个自由度的模型进行分析，即将系统抽象为由一些集中质块和弹性元 件组成的模型。如果简化的系统模型中有1 1 个集中质量，一般它便是一个i q 自由度的系统， 需要n 个独立坐标来描述它们的运动，系统的运动方程是n 个二阶耦合的常微分方程。乜7 1 对于多自由度系统的振动微分方程可以采用模态分析方法，使系统在原来坐标下的耦 合方程组变成一组互相独立的二阶微分方程，后者的每一个方程便可以像单自由度系统的 振动方程一样来求解。在得到系统各阶模态的振动后，可以通过坐标变换或模态叠加，回 到原来的坐标系上。这种方法能方便地分析系统对于任意激励的响应。 就基频响应而言，同一个凸轮从动件系统按多自由度系统处理，或者简化成单自 由度系统处理，其结果是十分接近，而处理方法和计算过程则大大简化。因此，对高速凸 轮机构进行分析和设计研究时，通常把复杂的多自由度系统简化为单自由度系统。 对于凸轮从动件系统，工作端的运动特征是动力学研究的目标，因此简化的单自 由度动力学模型常建在工作端上。简化动力学模型的力学方法就是将各构件的动力学要素 向机构工作端转化，转化的原则是不改变该构件的动力特性，即按照转化前后机构动能不 变求等效质量、势能不变求等效刚度。当模型的点位间无传动比时，各构件的质量累加， 并看成质量集中地作用于某一点，刚度则按构件连接形式进行相应地等效计算。当点位间 有传动比时，消去其传动比。 对于图2 - 3 所示的多自由度动力学模型，可将各点等效质量和等效刚度均向最高点f 转化。 下面以所；、k ；向f 点转化为例，说明m 。、k 。值的计算过程： ( 1 ) 质量转换( 如图2 4 所示) f 图2 - 4 动力学分析质量转换示意图 将历；的质量从e 点转换到f 点形成肌。的过程中，按照动能不变原则，有： 三所；v ；= 1 v f 2 1 5 浙江丁业人学硕士学位论文 贼m s 一；( 净2 圳咿一喀卜寿 ( 2 ) 弹簧刚度转换 将k ；的弹簧刚度从e 点转换到f 点形成足。的过程中， 互1k 7 y e 2 = 1 2 k 6 j ，f 2 贼耻隙2 叫( 昧夸2 = 舟 ( 2 - 3 ) 按照势能不变原则，有： ( 2 - 4 ) 按照动力学模型的简化原则，并消除传动比后，引纬机构动力学模型如图2 5 所示。 图2 5 消除传动比后的动力学模型 1 6 浙江- 丁业人学硕十学位论文 图2 5 中各物理量的计算公式为： m 75 肌8 纸5 疗m ， 加s2 石万m 6 m 。= 丢 ( n ) 2 j = 5 小。= 士 ( 兀和2 = 4 聊：= 士 ( 兀t ) 2 j = 3 华彘 牛一k 4 k s k ，：l 兀( t ) 2 j = 4 弘一k 2 k 3 = 士+ 丢 ( 兀f j ) 2 ( 兀啪2 2 = 1j = 2 k 。：l 兀( 2 ；l 当将多自由度系统中离散的集中质量按上述关系全部折算到工作端后，系统的总质量 即为原所有替代质量的总和。 7 m = 聊， ( 2 5 ) i = 1 当将多自由度系统中离散的等效刚度按上述关系全部折算到工作端后，得相应的弹簧 刚度k i ( f = 1 , 2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ) ，则简化后的单自由度系统的等效刚度 ( 2 - 6 ) 因此复杂的多自由度系统就可以简化成如图2 - 6 所示的单自由度系统动力学模型。 1 7 砖万 8 = 磁 户 = k 7 k 上器 一一七 浙江。1 j 业大学硕士学位论文 s x 图2 - 6引纬机构单自由度系统的动力学模型 2 4 高速凸轮机构的动态仿真 当凸轮传动件系统的动力学模型及其有关参数确定以后，即可进一步分析计算工 作端的真实运动，即求系统的动态响应。 对振动系统的处理方法有两种：一种是作为周期性振动问题处理，求稳态响应；另一 种作为非周期性振动问题处理，求瞬态响应。就凸轮传动件系统而言，工作端的当量 运动规律x = x ( 缈) 取决于凸轮的传动件规律，它是以一个工作循环为周期的周期性函数， 该周期性函数可按富罩叶级数展开，形成一系列不同频率的简谐函数，也就是将有用的激 振函数分解成一系列激振分量【2 引。在工作端，对应于每一个