硕士学位论文-高速旋转式多臂机机构分析及设计.doc

. .Z S T UZhejiang Sci-Tech University硕 士 学 位 论 文MASTERS THESIS论文题目: 高速旋转式多臂机机构分析及设计 学科专业: 机械工程 作者姓名： 指导教师： 递交日期: 2012年5月16日 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：刘春雷 日期： 2012年5月16日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 年解密后使用本版权书。本学位论文属于 不保密R 。学位论文作者签名：刘春雷 指导教师签名：沈毅日期： 2012年5月16日 日期： 2012年5月16日浙江理工大学硕士学位论文高速旋转式多臂机机构分析及设计Structural Analysis and Design of High-speed Rotary Dobby浙江理工大学硕士学位论文摘 要多臂机是织造机械的重要组成部分，对提高织机效率和质量有着重要的影响。高速旋转式多臂机作为多臂机中最为先进的机型，以其巧妙的结构设计和先进的制造技术，被广泛应用于高速纺织织造。虽然高速旋转式多臂机在国内生产应用已有二十多年历史，但主要市场份额及核心技术一直为国外企业所占据。因此开展旋转式多臂机的研究，对促进我国纺织技术的提升和纺织产业的发展有着重要的理论意义和应用价值。本文全面探讨了旋转式多臂机的研究发展历程，并对旋转式多臂机的结构组成和运行机理进行了深入的分析和研究。在旋转式多臂机理论分析的基础上，本文提出了对旋转式多臂机主要组成机构进行模块化设计和研究的方案，分析和优化了旋转式多臂机的传动机构和选综控制机构：1) 对旋转式多臂机的传动机构进行了理论分析，并根据旋转式多臂机的运行机理，从运动学角度设计完成了一种可实现将匀速旋转输入运动转变为同轴变速旋转输出的凸轮滑块摆杆组合机构旋转变速机构。该机构经仿真测试，理论上具有良好的运动学性能，在很大程度上改善了旋转式多臂机的动力输出特性，优化了选综的过程控制。2) 基于旋转式多臂机的控制原理，对选综机构的主要控制机构选综凸轮机构进行了优化设计。为了使选综凸轮机构具有良好的运动输出特性，本文分析探讨了凸轮机构的运动规律选择，并利用Matlab软件精确计算共轭凸轮主副凸轮的轮廓曲线，提高了设计精度。3) 为了使工程师能更方便快捷地完成共轭凸轮轮廓曲线设计，本文设计开发了一款专门针对旋转式多臂机共轭凸轮设计的参数化计算软件。该软件可在用户输入凸轮机构的基本尺寸和选择凸轮运动规律之后，自动生成共轭凸轮的轮廓曲线，并可将该曲线的数据以Excel表格的形式进行导出，保证凸轮机构具有良好的运动学输出特性和较高的设计精度。上述工作大大减少了旋转式多臂机理论数学模型建立与求解的人工计算量，并使旋转式多臂机具有较高的设计精度，保证了旋转式多臂机在高速运行下的稳定性。关键词：旋转式多臂机；旋转变速；共轭凸轮；参数化设计Structural Analysis and Design of High-speed Rotary DobbyAbstractDobby is an important part of textile machinery. It has important impact on productivity and quality of weaving machine. As the most advanced models, high-speed rotary dobby which with ingenious structural design and advanced manufacturing technologies is widely used in high-speed textile weaving. Although domestic companies have used high-speed rotary dobby for over twenty years, the major market and core technology is dominated by foreign enterprises. Therefore, conducting the study of rotary dobby has an important theoretical significance and applied value in promoting the development of Chinas textile and textile industry.In this paper, we fully research the development process of rotary dobby, and carry on a futher study on the structure and mechanism of rotary dobby. Based on the theoretical analysis of the rotary dobby, this paper presents the programs of modular designing and researching the main institutions of rotary dobby. This paper also analyzed and optimized driving mechanism and heald selecting mechanism of rotary dobby.1、 Analyzing the driving mechanism and the operation mechanism of the rotary dobby. Designing a new institution from kinematic point. The institution is composed of a cam and a rocker. It can turn input motion of uniform rotation into coaxial output motion of variable speed rotation. The institution proved to have good kinematic characteristics in theory. It can greatly improve the power output characteristics of the rotary dobby, and optimize the control of heald selecting mechanism.2、 Based on the control principle of the rotary dobby, optimizing the cam mechanism which is the main control mechanism of the heald selecting mechanism. In order to make the cam mechanism with good output characteristics, this paper discusses how to select the movement rule of the cam mechanism. And using Matlab to calculate the profile curve of the conjugate cam. In this way, the conjugate cam can have high precision in design.3、 In order to help engineers design conjugate cam quickly and easily, this paper develops software which can calculate the conjugate cam with several parameters. When users enter the basic size and select the movement rule of cam mechanism, the software will automatically generate the profile curve of conjugate cam. And we can export the form data through Excel. The conjugate cam which design by the software will have good kinematic characteristics and high accuracy.The above works greatly reduce the manual calculation of the mathematical model of rotary dobby. It also make the design of rotary dobby has high accuracy, and ensure the stability of rotary dobby in high-speed operation.Key words: rotary dobby; variable speed rotation; conjugate cam; parametric design;目 录摘 要IIIAbstractIII目 录III第一章 绪论31.1课题背景及研究意义31.2国内外多臂机的发展现状31.2.1多臂机发展概况31.2.2国外多臂机发展现状31.2.3国内多臂机发展现状31.3多臂机研究所存在的问题31.4主要研究内容介绍3第二章 高速旋转式多臂机的总体设计32.1高速旋转式多臂机的结构设计32.2高速旋转式多臂机的运行机理32.3高速旋转式多臂机设计方案32.4本章小结3第三章 提综机构设计与分析33.1提综机构结构设计分析33.2旋转变速机构设计与分析33.2.1旋转变速机构结构设计33.2.2提综共轭凸轮轮廓计算原理33.2.3提综共轭凸轮运动规律设计33.2.4提综共轭凸轮运动学分析与测试33.3偏心盘控制单元设计与分析33.3.1偏心盘控制单元结构设计33.3.2偏心盘控制单元运动规律分析33.3.3提综臂运动学分析与测试33.4本章小结3第四章 选综机构设计与分析34.1选综机构结构设计分析34.2选综控制过程设计34.2.1选综机构与提综机构的配合原理34.2.2选综机构与提综机构的配合参数计算34.3选综凸轮机构设计与分析34.3.1选综凸轮机构结构设计34.3.2选综共轭凸轮轮廓计算原理34.3.3选综共轭凸轮运动规律设计34.3.4选综共轭凸轮运动学分析与测试34.4本章小结3第五章 共轭凸轮计算软件设计35.1共轭凸轮计算软件简介35.1.1共轭凸轮的参数化设计35.1.2Visual Basic简介35.1.3共轭凸轮计算软件V1.0简述35.2计算软件程序结构及控制界面设计35.2.1计算软件程序结构设计35.2.2计算软件控制界面设计35.3计算软件程序设计35.3.1计算模块程序设计35.3.2算法程序设计35.3.3数据输出及图像化显示程序设计35.4本章小结3第六章 结论及展望36.1结论36.2展望3参考文献3致 谢3附录 共轭凸轮计算软件V1.0程序3攻读学位期间的研究成果3VI第一章 绪论1.1 课题背景及研究意义我国是一个纺织大国，纺织业作为国民经济中的重要部门，对国家经济的发展有着巨大的影响。其中控制左右纺织产品产量和质量的直接作用者纺织机械，一直以来都被视为促进纺织企业发展、提升纺织产业国际竞争力的关键因素。多臂机作为纺织机械中的一种重要纺织配套装备，在提高纺织产品生产效率和提升纺织产品质量上都起到了至关重要的作用。然而国产多臂机所采用的技术仍十分落后，在转速和性能上都与国外同类产品有着巨大的差距。因此开展高速旋转式多臂机的研究，对促进我国纺织技术的提升和纺织产业的发展有着重要的意义。多臂机又称“多臂提综装置”，是一种广泛应用于纺织织造的开口装置，其作用是实现综框在织机织造过程中的上升与下降1。高速旋转式多臂机是目前多臂机中较为先进的机型，属于复动式积极式多臂机，该机型在设计上突破原有机型的设计局限，采用了全新的设计理念，使整机机械机构大为简化，并具有更高的可靠性和稳定性，便于操纵者的使用和维护。高速旋转式多臂机的出现，是多种新技术和新发明应用的成果，使多臂机的设计和开发进入了一个全新的阶段，代表了多臂机未来的发展方向2。因此对高速旋转式多臂机进行理论上的分析和研究，进一步了解旋转式多臂机的结构设计原理和运行机理，对国内同类产品的研制与改进有着一定的促进意义。高速旋转式多臂机在国内纺织企业应用已有十几年历史，但是国内能生产旋转式多臂机的企业却寥寥无几，主要市场份额及核心技术一直为国外企业所占据。国产多臂机大多停留在仿制国外同类产品的阶段上，缺少相关的系统的理论分析和研究。因此开展对高速旋转式多臂机的基础理论研究，可以增强国内纺织机械研究的科研力量，为国产多臂机的长远发展提供持续动力。1.2 国内外多臂机的发展现状1.2.1 多臂机发展概况自第一台多臂机产生至今，多臂机已有近150年的历史3。在这150年里，多臂机技术得到了迅速的发展，结构和性能都有了巨大的变化。其发展过程大致可以分为以下四个阶段：第一阶段：1867年，世界上第一台多臂机Keighley（凯来）由Hattersly（哈特斯莱）研制成功，该机属于消极式多臂机3。由于该机具有结构简单、适应性强、成本较低、运行稳定等优点，在之后的近百年里被广泛应用于纺织织造。但是随着织机车速的提高，Keighley多臂机不能适应高速的弱点就显现了出来。面对纺织织造高速化发展的潮流，Keighley多臂机已不能与之相适应，不得不退出了历史的舞台。 图1.1 Keighley复动式多臂机第二阶段：由于织机速度的不断提高，能适应高速化发展趋势的新型多臂机也应运而生。其中比较有代表性的是Staubli公司生产的几个系列产品45。其中2200系列多臂机是以Keighley多臂机结构为基础开发的现代多臂机，属于积极式往复式多臂机67。该机对原来Keighley多臂机进行了四大改进：一、去除了回综的弹簧箱，使拉钩的运动由力锁合转变为形锁合，实现了由 图1.2 Staubli2200系列积极式多臂机消极式多臂机到积极式多臂机的转变8。二、采用凸轮控制梭口的运动，使梭口的运动形式由半开梭口向全开梭口转变，由于采用积极式的结构，消除了拉钩与推刀之间的间隙，进一步消除了综框在上下梭口位置时的振动。三、2200系列多臂机在运转中提高了与纺织织造顺序的同步度，并简化了纺织工序。四、综框具有了更为良好的停顿9-12。通过以上改进，2200系列多臂机具有结构合理、花纹装置完善、适应重型织物并能适应中速 图1.3 Staubli2200系列多臂机结构图运转的特点，在上世纪70，80年代被广泛使用。第三阶段：随着高速新型织机的兴起，旋转式多臂机也随之诞生。其中Staubli公司的1400系列多臂机就是其中的一个代表性的产品，该机突破了以往多臂机的机构设计，采用旋转运动代替了传统的往复运动实现综框的升降，并使多臂机在运行中具有无间隙系统和无冲击运动的特点1314。该机型的主要技术特点为：一、采用了全新的设计原理代替传统的拉钩、推刀式的Keighley多臂机原理。二、传动轴通过周转轮系使主轴得以变速运转，在一定时间内停顿和慢速转动，从而实现综框有较长时间的停顿，并在其他时间内有较快的转速，以满足织造工艺的要求。三、结构上更为简单，各运动件之间采用滚动摩擦和刚性连接，使传动机构具有无空隙和无冲击的优点，保证了多臂机在运行中具有较高的稳定性，且正反向运行均能与纺织织造顺序保持同步。(a)选综机构 (b)旋转变速机构图1.4 Staubli1400系列旋转式多臂机第四阶段：80年代末，在1400系列旋转式多臂机的基础上，Staubli公司推出了新一代的2600系列旋转式电子多臂机，该机型进一步简化了多臂机的内部结构，使多臂机具有更高的稳定性，并能适应高速织机对多臂机转速的更高要求1516。该机型的具体改进为17：一、2600系列旋转式电子多臂机采用电子式控制，使花样变换更为方便，显著提高了产品的质量。二、在实现主轴 图1.5 Staubli2600系列旋转式多臂机变速控制上，采用凸轮滑块系统代替周转轮系统，使内部机械机构变得更为简单紧凑，且具有更高的运行效率。三、在提综机构上采用独特的离合爪机构，使多臂机在运行中更为稳定，并且有较大的提综力。四、在制造工艺中，2600系列多臂机大量使用了大直径轻质滚动轴承，极大的延长了零部件的使用寿命，为多臂机的稳定和高速运转提供了有力的保障。正是基于以上优点，使2600系列的旋转式多臂机成为当时乃至当今技术最为先进的多臂机，其完善的机械机构和核心关键技术一直被沿用至今。随着计算机技术、先进制造技术和机械理论研究的发展，为多臂机性能的进一步提高提供可能性18。多臂机在多种新技术和新成果的作用下，将会呈以下趋势发展：1、高速化。高速化是多臂机性能不断提高的标志，随着织机车速的不断提高，只有更高速化的多臂机才能满足纺织技术进步的要求。2、自动化。计算机技术的发展，在很多生产制造领域实现了高自动化，在多臂机的发展中，计算机技术的应用，必将不断简化复杂的机械结构，并进一步提高多臂机在操作中的可控制性19。3、通用性。随着纺织产品种类的不断扩大，适用性较低的多臂机显然是不符合产品发展的要求，因此通用性的多臂机必然会在未来市场占据主导地位。1.2.2 国外多臂机发展现状国外多臂机技术经过多年的发展，已经形成了若干家研发生产技术十分成熟的企业，其中Staubli公司是最具代表性的企业。由于该公司的产品研发周期较短、技术含量较高、可靠性好，在历届ITMA展会上，该公司的多臂机产品都处于领先的位置20。该公司的旋转式电子多臂机是当今比较先进的产品，采用的技术都是Staubli先进的旋转式原理，在运行中可以确保综框在高负载及高速下都能毫无间隙地工作，可靠性高，低维护，另外在精确性、稳定性和使用寿命上，该公司的旋转式电子多臂机相比同类产品都有极大的优势。 图1.6 Staubli2650旋转式电子多臂机 图1.7 Staubli2658旋转式电子多臂机2650型和2685型多臂机都是Staubli公司技术非常成熟，应用十分广泛的旋转式电子多臂机，具有优异的性能和较高的可靠性，其技术特性如下：表1.1 Staubli2650和Staubli2685型多臂机技术参数型号26502685工作原理积极式、Staubli旋转原理可织造的织物类型各类织物构造1、坚固的单箱体结构，由调制器和共轭凸轮驱动，提综单元采用高精度滚子轴承。2、阅读系统使用电磁块转换电子信号驱动织机直接连接多臂机主轴来驱动多臂机，或通过齿形皮带轮驱动控制可由独立的Staubli控制器、或集成于织机的控制器电子控制应用范围喷气、剑杆织机箱体节距20片提刀，12mm16或20片提刀，12mm提综机构e12或e13，配备VR或DRC综框快速连接系统e22或e23，配备VR或DRC综框快速连接系统纬循环长度根据Staubli控制器或织机的控制器变化，从6400纬到13000纬目前国外先进的纺织机械企业已经开始在现有旋转式电子多臂机的基础上着手开发新一代的旋转式多臂机，如Staubli公司推出的新型旋转式电子多臂机S3260，在原来多臂机的基础上采用了改良的锁紧系统，使综框在选择时具有了更高的安全性和可靠性，除此之外，在S3260型多臂机中增加了阅读系统，使整机在运行的过程中性能更佳，可靠性更强。 图1.8 Staubli3260旋转式电子多臂机第三代旋转式多臂机除了在性能上的提高外，还向外展示了新一代多臂机节能环保的理念。在第三代多臂机的设计中，就十分强调低能耗的思想，这无疑是旋转式电子多臂机设计史上具有重大意义的进步。也对未来产品的研发提出了更高的要求，即在不断提高多臂机产品性能的同时，又要不断降低产品能耗，使多臂机向高效低耗发展。1.2.3 国内多臂机发展现状近几年，由于中国纺织产业和纺织技术的快速发展，国产多臂机在速度和性能上，有了长足的进步，然而相比国外多臂机产品，差距仍十分明显。在国外纺织机械企业不断推出各种型号旋转式电子多臂机的同时，国产多臂机仍以剑杆多臂装置为主，少有旋转式电子多臂机。而剑杆多臂装置参照的技术采用的仍是Keighley复动式多臂机的原理结构，在速度和性能上都与旋转式多臂机有较大的差距。在控制方式上，国产剑杆多臂装置使用的仍是连续纹纸式的方法对纹样进行控制，与采用电子逻辑程序控制的电子式多臂机相比，在频率响应上和产品质量上都有明显的不足。 图1.9 GT412积极式剑杆式多臂装置 图1.10 GT405-旋转式电子多臂装置国产多臂机中比较有代表性的产品有新昌鹤群机械有限公司生产的ZGT412积极式剑杆多臂装置和常熟纺织机械厂生产的GT412积极式剑杆多臂装置、GT405-旋转式电子多臂装置21。其中ZGT412积极式剑杆多臂装置和GT412积极式剑杆多臂装置都是以Keighley复动式多臂机的构造为基础研制开发的，属于积极式机械式多臂机。常熟纺织机械厂生产的GT405-旋转式电子多臂装置采用的是先进的旋转式机械结构和电子式控制系统，虽然在性能上与国外同类产品存在一定差距，但在国内产品中已处于领先位置。GT412积极式剑杆多臂装置和GT405-旋转式电子多臂装置的技术特性如下：表1.2 GT412积极式剑杆多臂装置和GT405-旋转式电子多臂装置技术参数型号GT412积极式剑杆多臂装置GT405-旋转式电子多臂装置应用范围中高档剑杆片梭织机高性能剑杆织机控制连续纹纸式织机同步电子控制装置安装上、下置式下置式箱体节距12、16、20片提刀，12mm20片提刀，12mm适用织机扣幅1650-4600mm与国外先进多臂机相比，国内多臂机的种类和技术较为单一，特别在应用范围上，国内多臂机的配套织机基本只能是剑杆织机，而国外多臂机可以配套剑杆织机和喷气织机使用，这些都显示了国内多臂机研发技术与国外的差距。需要国内多臂机技术研发人员在借鉴国外先进产品进行理论研究的基础上，不断进行技术创新，只有这样，才能全面提高国内多臂机技术研发水平，增强我国纺织产业国际竞争力。1.3 多臂机研究所存在的问题自高速旋转式多臂机进入中国市场以来，国内企业及研究单位就开始了对旋转式多臂机的研究。但受困于资金和技术等诸多因素制约，国内对旋转式多臂机的开发和研制均进展缓慢，大多数研究都停留在对旋转式多臂机内部机构的结构分析和运行机理简析上，没有从根本上地对旋转式多臂机的设计原理进行系统分析和研究。由于旋转式多臂机在设计上有较高的设计精度要求，在机械配合设计上也具有一定的巧妙性，这无疑在很大程度上增加了分析和研究旋转式多臂机的难度。其中的主要制约技术因素有以下几个方面：1) 旋转式多臂机在主轴动力输出上采用的是间歇式动力输出，其主要实现机构是提综机构。在提综机构设计上，要求将匀速旋转输入运动转换为同轴的旋转变速输出运动，并且该输出运动要求具有短暂停顿时间，同时提综机构的运动输出直接影响着选综机构的运动。因此如何在有限的空间内实现提综机构的旋转变速输出将是旋转式多臂机研究上的一个重要问题。2) 选综机构的机械构造和运行机理均比较复杂，这对开展选综机构的测试分析和仿真分析带来了很大的难度，特别是从动力学角度开展对选综机构的分析和研究。另外选综机构零部件本身的结构设计特点，使得在对该部分开展有限元分析和应变理论求解上困难重重。3) 由于旋转式多臂机要求在高速环境下运行，出于稳定性和使用寿命考虑，旋转式多臂机在设计精度上有着很高的要求。其主要传动机构在设计上都要求无间隙设计，特别是在提综凸轮和选综凸轮设计上，要求具有很高的设计精度。由以上因素不难看出旋转式多臂机是一种复杂的高精密机械，也正是由于旋转式多臂机的这些技术特点，使得国内企业在多臂机研制和开发上长期停滞不前。因此，从原理上对旋转式多臂机结构进行理论分析，研究设计具有较高精度的多臂机传动机构，将是本课题的重点内容。1.4 主要研究内容介绍在我校与常熟纺机公司联合研制生产的旋转式多臂机实物产品的基础上，对旋转式多臂机进行理论分析和研究，全面了解该类多臂机的技术特点，然后对旋转式多臂机进行机构分析和设计优化，尝试解决影响同类产品国产化中所遇到的问题，为实现旋转式多臂机的国内生产提供一定的技术支持。具体研究内容如下：1) 分析旋转式多臂机各个零部件的作用和技术特点，并在此基础上绘制二维图纸和三维图纸，进行精确二维图纸装配和仿真运动过程。2) 对旋转式多臂机的主要传动机构进行理论分析，建立三维仿真模型并进行运动学仿真，分析和研究测试结构。在此基础上设计完成多臂机主轴变速传动机构和选综机构设计，并测试可行性。3) 开发一款针对旋转式多臂机凸轮轮廓曲线计算的辅助软件，能根据基本尺寸参数和从动件的运动规律，自动生成提综凸轮和选综凸轮的轮廓曲线，并可以将曲线数据以EXCEL表格形式进行导出，用于加工凸轮外轮廓曲面。第二章 高速旋转式多臂机的总体设计高速旋转式多臂机是一种能与高速剑杆织机、喷气织机等无梭织机相配合的高效开口装置。相比以往的复动式多臂机，旋转式多臂机采用独特的旋转式控制方式实现综框的上升与下降，这使得旋转式多臂机拥有更高的工作效率和稳定性。同时，独特的控制方式也增加了旋转式多臂机内部机构设计的复杂程度，为了更进一步的分析和研究旋转式多臂机，本章将对多臂机的机构设计和运行机理进行详细地分析和描述。图2.1 旋转式多臂机控制综框运动示意图2.1 高速旋转式多臂机的结构设计一般来说，旋转式多臂机通常有16组或20组提综臂，相应地能控制16组或20组的综框，使织机在多臂机的配合下能完成织物复杂的样式织造要求。为了实现对综框组的多种变化控制，使得旋转式多臂机拥有一套复杂的内部控制系统，而这套内部控制系统又是由为数众多的机械机构组成。旋转式多臂机正是在这些内部机械机构互相作用之下完成对综框升降的控制。图2.2 旋转式多臂机内部结构图由于旋转式多臂机的内部构造复杂，零部件数量众多。为了能够更加直观地了解旋转式多臂机的构造组成，本节将根据多臂机内部机构不同的功能和作用，分模块化地介绍多臂机的组成结构。其结构组成如下图所示：图2.3 高速旋转式多臂机结构组成框图根据多臂机在运行过程中组成零部件产生的不同作用结果，旋转式多臂机的内部组成机构可划分为四个模块，分别是电控设备模块、提综机构模块、电磁铁控制模块、选综机构模块。四个组成模块的功能如下：电控设备模块是由单片机和一系列电子元器件组成，用来实现人机之间数据交换，通过软件数据代码控制综框组的移动顺序，来实现对织物花色的控制。提综机构模块是直接控制综框移动的机构，由旋转变速机构、偏心盘控制单元、提综臂机构三部分组成。提综臂机构通过连杆机构与综框相连，由提综臂小角度范围内的转动控制综框的上升与下降。旋转变速机构是设计用来实现将匀速旋转输入运动转变为同轴旋转变速输出的机构，该机构的主要功能是配合选综机构模块实现综框在纺织工艺中的开口停顿要求。电磁铁控制模块由电磁铁单元和吸铁单元组成，是控制综框组中一组到数组综框是否运动的控制机构，它将人机数据交换的电信号转换为磁信号，同时将所产生的机械运动直接作用到选综机构，决定与之对应的提综臂是否进行转动。选综机构由选综凸轮机构和选综控制单元组成。该机构的作用是与提综机构的偏心盘控制单元相配合控制对应的提综臂是否转动。这也是多臂机控制综框运动的核心控制机构。在以上四个模块的精确配合作用下，旋转式多臂机将单一的匀速旋转输入运动转变为综框的纵向运动，从而实现对织物花色的控制。2.2 高速旋转式多臂机的运行机理根据上一节的旋转式多臂机机构组成分析介绍，旋转式多臂机的内部构造由电控设备、电磁铁、提综机构、选综机构四个主要控制模块组成。这四个控制模块在运行中联系非常紧密，而且运动配合具有相当高的精准性。正是基于这四个控制模块的组合作用，使得旋转式多臂机能够准确有序地控制综框的升降。图2.4 旋转式多臂机运行控制流程图由上图可以清晰地了解到旋转式多臂机的综框控制过程。具体控制流程为22：一、外部动力源提供持续匀速旋转输入运动；二、电控设备完成综框控制顺序的数据读取，然后将信号以电信号形式输入电磁铁机构中，完成电信号到磁信号的转换；三、电磁铁机构在接到电控设备的控制指令后，执行吸铁吸与不吸的选择控制，从而将电信号信息转换为机械运动；四、电磁铁机构产生的机械运动将作用到选综机构，使选综机构完成综框升降与否的选择控制；五、选综机构对综框选择控制的结果将直接影响提综机构，使受提综机构控制作用下的提综臂产生两种运动效果：1、提综臂在提综机构力作用下发生转动，则与提综臂相连的综框发生移动；2、提综臂保持不动，则综框保持静止。通过以上五个步骤的选择控制，旋转式多臂机最终完成对综框升降的准确控制。图2.5 旋转式多臂机主轴传动系统组成框图旋转式多臂机主轴传动系统是旋转式多臂机的重要组成部分，也是多臂机动力的输出源和机械传动机构。其动力传递流程为：一、输入动力经螺旋伞齿轮变速机构将转速降为原来的一半，以满足复动式多臂机与织机配合的要求；二、经螺旋伞齿轮调制后的转速，通过旋转变速机构，将匀速旋转输入运动转变为同轴旋转变速输出，也就是停顿转动停顿转动的间歇式旋转输出；三、偏心盘控制单元受到旋转变速机构传动的影响，呈间歇式旋转输出，并控制提综臂进行相似的间歇式转动，从而实现对综框停顿和移动的控制。图2.6 旋转式多臂机主轴传动系统组成示意图旋转式多臂机主传动系统的具体零部件组成如图2.6所示。其中螺旋伞齿轮变速机构由传动轴1、螺旋伞齿轮组2和3组成；旋转变速机构主要由滑块架5、滑块8、凸轮摆臂9、大圆盘12、主轴14、提综共轭凸轮25、滚子26组成；偏心盘控制单元主要由驱动盘16、离合爪23、提综盘19、环形提综连杆20组成。旋转式多臂机主传动系统正是在这些零部件的组合作用下，将传动轴1的旋转输入运动最终转变为提综臂的转动输出。通过前面的描述可知，旋转式多臂机的主传动系统能够完成控制综框升降的目标，但是仅控制综框升降而不能保证综框的升降具有次序性是不能满足织造要求的。为了能够实现对综框升降次序的控制，这就需要引入选综机构。选综机构是旋转式多臂机中控制综框升降次序的主要机构，该机构的主要作用就是使综框的升降次序具有可控制性，这样就可实现对织物样式的控制。图2.7 选综机构控制流程图选综机构对综框提起次序的控制是通过一套电磁设备实现的。具体控制流程为：一、电控设备将织物样式的信息编译成电信号输入电磁铁；二、电磁铁接收信号后，根据电信号进行吸铁吸与不吸的控制选择；三、吸铁不同的选择状态，将会产生2种不同的机械位移，从而控制综框的升降与否。吸铁控制综框的升降状态同时也受上一纬综框状态的影响23，具体控制效果如图2.8所示。图2.8 选综机构控制综框状态框图如图2.8所示，在电磁铁机构的控制下，综框的状态有四种可能性。但是从吸铁的控制角度来讲，吸铁保持吸附状态下，无论上一纬综框处于何种状态，此时的综框始终是处于提升状态下。同理对应吸铁不吸的状态，综框始终是处于不提升的状态。由此通过对电磁铁机构的控制，就可以实现对综框组所有综框升降次序的控制，最终完成对织物样式的控制。图2.9 选综机构结构示意图选综机构的结构如图2.9所示，该机构由选综凸轮机构、信号摆臂1、信号摆臂2、弹簧支架3、吸铁摆杆4、电磁铁5和弹簧支架6组成。其中吸铁摆杆4中装有吸铁，在电磁铁的控制下，吸铁摆杆4会处于两个极限位置，对应地使信号摆臂1或信号摆臂2产生转动，实现对综框运动状态的选择控制。2.3 高速旋转式多臂机设计方案基于前文对旋转式多臂机结构设计和运行机理的分析，结合常熟纺机公司旋转式多臂机实物产品的分析测试结果，本文将提出高速旋转式多臂机的设计方案。高速旋转式多臂机的设计要求为复动式结构，以旋转式运动方式控制综框运动，额定输入转速为600r/min，并使综框的运动规律满足织机的织造工艺。由于旋转式多臂机的设计难点主要存在于机械结构设计上，因此本文对旋转式多臂机电控设备和信号控制系统的设计就不加以描述，重点对旋转式多臂机的机械结构进行机构分析和设计优化，具体的分析和设计内容如图2.10所示。图2.10 高速旋转式多臂机设计结构框图高速旋转式多臂机的机械结构主要由提综机构和选综机构组成，其中提综凸轮设计和选综凸轮设计是这两个机构设计的重点内容，也是高速旋转式多臂机机构设计的难点。本文将在旋转式多臂机运行原理的基础上，对提综机构和选综机构开展机构分析和设计，并从机构运动学角度对这两部分内容进行优化设计。为了实现对提综凸轮和选综凸轮的参数化设计，本文设计开发了一套针对旋转式多臂机共轭凸轮设计的参数化计算软件。该软件能在用户输入凸轮基本结构参数和选择凸轮运动曲线类型之后，自动生成凸轮的加工数据表和轮廓线曲线图，方便工程师根据产品特性轻松、快速地完成多臂机共轭凸轮设计。2.4 本章小结本章对旋转式多臂机的结构组成和运行机理进行了深入的分析，并讨论了旋转式多臂机的设计内容和方案，明确了本文的设计目标和工作重点，为研究的进一步展开做了良好的准备工作。第三章 提综机构设计与分析第二章已经对旋转式多臂机的主要结构组成和运行机理做了初步的介绍，通过介绍，已知提综机构是旋转式多臂机的重要组成部分和主要传动机构，而且选综机构及其他机构的设计都是在提综机构设计的基础上展开的。因此有必要首先对提综机构进行设计和分析，本章将在前文的基础上，分析和讨论提综机构的设计原理。3.1 提综机构结构设计分析旋转式多臂机的提综机构是由旋转变速机构、偏心盘控制单元和提综臂三部分组成，同时这三部分也是旋转式多臂机主轴传动系统的重要组成部分，具体结构组成如图3.1所示。其中主轴1、滑块架2、滑块3、凸轮摆臂4、滚子5、大圆盘6和提综共轭凸轮8组成旋转变速机构；驱动盘9、提综盘10、离合爪11和环形提综连杆12组成偏心盘控制单元；机架7固定，提综臂13控制综框运动。图3.1 提综机构结构组成图在提综机构中，大圆盘6为动力输入源，提综臂13为动力输出源，其他零部件组成了中间传递机构。它们之间的连接关系为24：主轴1和滑块架2固定相连；主轴1和驱动盘9也是固定相连；驱动盘9和提综盘10的连接关系由离合爪11控制，当离合爪11的凸点卡入驱动盘9的凹槽时，驱动盘9和提综盘10为固定连接，反之，则两者处于分离状态；提综盘10与环形提综连杆12、提综臂13组成偏心连杆机构。具体组成连接关系如图3.2所示。提综机构正是通过这些复杂的机械连接关系，将传动轴的匀速旋转输入运动转变为提综臂的往复式转动输出，从而带动综框14做纵向的往复运动。图3.2 提综机构工作原理简图图3.3 提综机构运动传递示意图图3.3为提综机构运动传递示意图，由图可知提综机构运动形式传递流程为25：一、大圆盘6为提综机构的动力输入源，运动形式为匀速旋转运动；二、通过旋转变速机构，主轴1的运动输出形式为变速旋转运动26；三、在离合爪11的控制下，输入的变速旋转运动转变为提综盘的间歇转动；四、环形提综连杆12带动提综臂13做往复式转动。在提综机构三个组成部分的设计中，旋转变速机构的设计无疑是其中最为复杂和重要的设计环节，只有基于旋转变速机构良好的机械性能，才能使旋转式多臂机在高速环境下具有良好的机械性能和较高的稳定性。因此旋转变速机构的设计将是本章分析和研究的重点内容。3.2 旋转变速机构设计与分析在机械设计中，如需使从动件按某一运动规律运动，一般采用凸轮机构来实现，但传统的凸轮机构只能实现从动件的直动或摆动。本文在凸轮设计的基础上，提出并设计了一种将匀速旋转输入运动转变为同轴旋转变速输出的新机构。该机构的结构紧凑，输出稳定，具有良好的运动学性能，特别适合在高速旋转式多臂机中应用。3.2.1 旋转变速机构结构设计旋转变速机构是由共轭凸轮机构和滑块摇杆机构构成的组合机构。该机构的设计思想可由图3.4旋转变速机构设计流程图来说明。输入运动的旋转角为，输出运动的旋转角为，两者的关系为。在一个运动周期内，两者转过的总角度均为360，其中输入角作匀速旋转运动，而输出角则按给定的运动规律旋转。具体机构如图3.5所示。图3.4 旋转变速机构转角与输出位移角关系图 图3.5 旋转变速机构结构图 图3.6旋转变速机构结构简图旋转变速机构的运行机理如图3.6所示，圆盘6绕点做匀速旋转运动，凸轮摆臂4于点与圆盘6相铰接，随圆盘6的转动进行回转；提综共轭凸轮8固定于机架上，凸轮摆臂4上有一滑槽，通过滑块3将运动传给滑块架2，最终使滑块架2以变速旋转运动进行输出。旋转变速机构是一种由共轭凸轮与滑块摇杆组合而成的新型运动机构，该机构的运动输出规律主要取决于提综共轭凸轮的轮廓曲线。3.2.2 提综共轭凸轮轮廓计算原理图3.7 转过角后的旋转变速机构结构图如图3.7所示，提综共轭凸轮8与凸轮摆杆4的圆心距为，滑块架2的输出柄的长度为，凸轮摆臂4的两个摆杆长度分别为和。当旋转变速机构的圆盘6从初始位置转过角后，转过角，则凸轮摆臂4的角位移为：3-(1)其中为常数。凸轮摆臂两摆杆、与中心距的夹角分别为：3-(2)其中和为凸轮摆臂两摆杆的安装角。依据中心距、凸轮摆臂两摆杆的角位移及其角位移的运动变化规律，可以求解出滚子中心A的运动轨迹，即提综共轭凸轮主凸轮的理论轮廓线，A点的坐标表达式为：3-(3)由机械原理中的作图法可知，共轭凸轮主凸轮的理论轮廓线与实际轮廓线之间的关系为法向等距曲线，两者的法向距离为滚子半径的长度27。由此可以推导出共轭凸轮主凸轮理论轮廓线上A点所对应的实际轮廓线位置，计算公式为：3-(4)公式3-(4)中的为共轭凸轮主凸轮理论轮廓线上A点的法线与X轴的夹角角度，为滚子5的半径，式中的“-”适用于内等距曲线；“+”适用于外等距曲线。根据高等数学的计算原理，曲线上任意点的法线斜率与该点的切线斜率互为负倒数，从而A点位置法线与X轴的夹角，可由A点处的切线斜率计算而得：3-(5)从而推导出关于的表达式：3-(6)3-(7)提综共轭凸轮主凸轮压力角的计算，可由公式3-(8)求解，其中为摆杆在A点绝对速度方向所在直线的斜率，为主凸轮轮廓曲线上A点位置法线所在直线的斜率，由数学公式中的夹角定理可计算出两者的夹角，即提综凸轮主凸轮的压力角：3-(8)根据公式3-(3)至3-(8)可计算得到提综凸轮主凸轮轮廓曲线及压力角，关于提综凸轮副凸轮轮廓曲线的计算，可根据共轭凸轮严格的共轭关系进行求解。提综共轭凸轮副凸轮的理论轮廓线，即滚子中心C点的运动轨迹，C点的坐标表达式为：3-(9)共轭凸轮副凸轮的理论轮廓线与实际轮廓线之间的关系也为法向等距曲线，距离值为滚子半径的长度。由此可以推导出共轭凸轮副凸轮理论轮廓线上C