HQ3620电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新【2013年最新整理毕业论文】

本科毕业设计（论文） 题 目 HQ3620电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 学 院 机械与自动控制学院 专业班级 09 机制 4 班 姓 名 李盛杰 学 号 B09300413 指导教师 沈毅 系 主 任 胡明 学院院长 胡旭东 二 O 一三 年 五 月 二十 日 浙江理工大学本科毕业设计 1 浙 江 理 工 大 学 机械与自动控制学院 毕业设计诚信声明 我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 2 摘 要 我国虽为纺织机械大国， 但 与国际纺织相比，在机电一体化方面的自动化、连续化、高速化、智能化水平上还有很大差距，在新材料、新工艺、新的制造技术方面落后很多，这一点从我国纺机品每年进口高达数十亿美元就可以看出，我国纺织机械企业的技术创新能力不足，主要产品技术依赖国外，缺少具有自主知以产权的技术，产品更新周期长，不能适应市 场需求。 其中多臂机作为纺织机械的龙头， 对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。其中的旋转式多臂机作为目前最为先进的高速开口装置，其先进的技术和优良的机构特征为开发高速化、柔性化织机提供了不可或缺的配套。而旋转式多臂机的提综机构作为 将输入的匀速旋转运动转换成多臂机主轴的变速旋转运动的装置。在旋转式多臂机中起着极其重要的作用。 本文全面探讨了多臂机的发展历程，并针对 HQ3620 电子式多臂机进行了深入的分析和研究。并在原凸轮旋转变速方案的基础上，本文利用 Pro/E 进行三维建模，并进行运 动仿真，再进行设计创新，提出了更为经济的，便于维护的齿轮旋转变速方案。新方案 的有益效果为：将匀速旋转输入运动转化为同轴变速旋转输出运动，并可以实现停 -动 -停 -动的间歇特性输出。具有结构紧凑，稳定性高，易于高速运转的特点。而且由于组成零件较少，又多是标准件，使得整个旋转变速机构易于维护，大大降低了成本。 本文亦对新方案进行了简单的校核和部分零件的尺寸、材料、精度等级的确定。 关键词： 旋转式多臂机；凸轮旋转变速；齿轮旋转变速 全套图纸，加 414951605 浙江理工大学本科毕业设计 3 Abstract As textile machinery power in our country, we compared with the international textile machinery in the field of mechanical and electrical integration movement, continuous, high speed and intelligent level also has the very big disparity, in the new material, new craft, new technology lag behind a lot, this is from Chinas textile machinery products imports billions of dollars a year just as you can see, our country textile machinery enterprise technology innovation ability is insufficient, the main products are dependent on foreign technology, lack of with independent knowledge property rights of technology, product update cycle is long, can not adapt to the market demand. The dobby as a leading textile machinery, to improve the efficiency of textile production and improving the quality of textile products play a vital role. The rotary dobby as currently the most advanced high-speed opening device, its advanced technology and excellent organization characteristics for the development of high speed, flexible loom provided indispensable supporting. And rotary dobby harness institution as the input of uniform rotary motion into dobby spindle speed change device for rotary motion. In rotary dobby plays an extremely important role. This article comprehensively discusses the development course of dobby and against HQ3620 electronic dobby has carried on the thorough analysis and study. CAM rotation speed and in the original scheme, on the basis of this paper, by using Pro/E 3 d modeling, and motion simulation, and then to design innovation, puts forward the more economical, easy to maintain the gear rotation speed. And because of fewer parts, and is more standard, makes the entire rotating shift gear easy to maintain, and greatly reduces the cost. This article also has carried on the simple check to new scheme and the size of the parts, materials, the determination of precision grade. Key words： Rotary Dobby； The CAM rotational speed； The gear rotational speed HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 4 目 录 摘 要 Abstract 第一章 绪论 . 6 1.1 选题的背景和意义 . 6 1.1.1 纺织机械的发展状况 . 6 1.1.2 开口机构 . 7 1.1.3 多臂机的发展史及发展状况 . 9 1.1.3 课题研究的意义 . 10 1.2 主要设计内容 . 11 第二章 分析 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构原理 . 12 2.1 HQ3620 电子多臂机简介以及旋转变速原理分析 . 12 2.2 旋转变速方案 . 13 2.3 三维建模以及二维工程图的绘制 . 15 2.4 本章小结 . 18 第三章 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构运动学分析 . 19 3.1 引言 . 19 3.2 运动学机构简化 . 19 3.3 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构运动学仿真 . 19 3.4 本章小结 . 22 第四章 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构的设计创新 . 23 4.1 设计创新 方案的初步确定 . 23 4.2 新方案的运动仿真 . 24 4.3 对新方案进行理论计算 . 26 4.4 对齿轮旋转变速方案进行结构设计 . 27 4.5 本章小结 . 31 第五章 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构零件设计 . 32 5.1 凸轮旋转变速机构部分零件 . 32 浙江理工大学本科毕业设计 5 5.2 齿轮旋转变速机构部分零件 . 32 5.3 本章小结 . 33 第六章 总结及展望 . 34 6.1 总结 . 34 6.2 展望 . 34 参考文献 . 35 致谢 . 37 附录一：凸轮旋转变速机构爆炸图 . 38 附录二：齿轮旋转变速机构爆炸图 . 39 附录三：专利申请号及申请书 .40 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 6 第一章 绪论 1.1 选题的背景和意义 1.1.1 纺织机械的发展状况 纺织机械是纺织工业的生产手段和物质基础，它的技术水平、质量和制造成本，都直接关系到纺织工业的发展。 人类最初用天然纤维作原料纺纱织布，早于文字的发明（见世界纺织史、中国纺织史）。中国在春秋战国时已经使用手摇纺车纺纱，到了宋代已经发明了 30多个锭子的水力大纺车。 1769 年英国人 R.阿克赖特）（又译理查德 阿克莱特）制造水力纺纱机。 1779 年英国人 S.克朗普顿（塞缪尔 .克朗普顿）发明走锭纺纱机。传入美国后， 1828 年美国人 J.索普发明环锭 纺纱机，因采用连续纺纱使生产率提高数倍。中国战国时期的织机已经运用杠杆原理，以脚踏连杆带动综框完成开口动作。 1733 年英国人 J.凯（又译约翰 凯伊）发明飞梭，打击梭子，使其高速飞行，织机生产率得以成倍提高。 1785 年英国人 E.卡特赖特（又译艾德蒙特 卡特莱特）发明动力织机，同年英国建成世界上第一个用蒸汽机为动力的棉纺织厂，是纺织工业由工场手工业向大工业生产过渡的一个转折点。人类社会的进步和人口的增加，促进了纺织工业的发展，相应地推动了纺织机械的改进。能源改革（以蒸汽动力代替人力、畜力）则奠定了现代纺织机械的 基础。 19世纪末人造纤维问世，拓宽了纺织机械的领域，增添了化学纤维机械一个门类。人们对合成纤维需要的增长，推动合成纤维纺丝设备向大型化（纺丝螺杆直径达 200 毫米，单台纺丝机的日产量达到 100 吨）和高速化（纺丝速度达3000 4000 米 /分）方向发展。世界合成纤维工业发展最快的国家，几乎在 5 6年内设备更新一次，机台数量在 10 年内就增长一倍。近 20 年的纺纱织造设备，为适应化学纤维纯纺或与天然纤维混纺作了不少局部改进，如扩大牵伸机构适纺纤维长度的范围、消除纤维上静电等。在染整方面发展了高温高压染色设备、热定形 设备、树脂整理设备以及松式整理设备等。 人类用传统方法纺纱织布，已有 6000 多年的历史。至今根据传统原理设计的纺纱织布机器，仍是世界纺织工业的主要设备。但是 50 年代以来，已经创造出一些新的工艺方法，部分地取代了传统方法，以高得多的效率生产纺织物，如转杯纺纱、无纺织布等。新的工艺方法孕育着新的纺织设备，新的纺织设备成熟浙江理工大学本科毕业设计 7 与推广，又促使纺织工业进一步向前发展。 纺织机械涵盖了从纤维制备到服装成型过程中的所有加工设备，具体包括化纤机械、纺纱机械、织造机械、针织机械、染整机械、非织造机械、服装机械及纺织器材八个相对独 立的子行业，如图 1-1 所示。 1 图 1-1 纺织机械的八个子行业与纺织产业链的关系图 我国是世界上最大的纺织品生产和出口国，纺织纤维加工量占全球总量的三分之一以上，纺织服装出口额占全球纺织服装贸易总量的四分之一以上。我国纺织机械制造业为我国纺织业提供了大量设备的同时，行业的自我发展也取得了史无前例的进步。 1.1.2 开口机构 开口机构的作用是根据织物上机图上经纬交织的变化规律，按序及时带动经纱，将经纱分成上下两层，形成供载纬器通过的梭口通道。 2 开口运动一般可分 为以下三个阶段 (1)开口时期 ： 两片经纱离开综平位置上下分开形成梭口至满开 ， 此阶段经纱处于运动状态 ， 经纱张力由小到大逐渐增加 ； (2)静止时期 ： 梭口满开后 ， 经纱在上下两个极端位置静止不动 ， 以使载纬器通过梭口 ； (3)闭合时期 ： 载纬器通过梭口后 ， 经纱从满开返回综平位置 ， 使梭口闭合。此阶段经纱张力由大到小逐渐变化。 上述三阶段形成一个开口周期 ， 并不断循环 ， 使织造连续进行。 开口机构具有多种类型，以织制不同类的织物，通常有曲柄、偏心、凸轮、多臂、提花和电子开口六种类型。 3 1.曲柄开口机构 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 8 曲柄开口机构的连接 点均是转动副，对高速运转有利，用于高速剑杆织机和某些喷气织机。曲柄开口机构的运动特性是相对静止时间短，一般只能用来织造平纹织物，每两纬一个循环的完全组织，且不适合于宽幅织机，这只是它的主要缺点，但是制造加工容易 ， 成本较低。 2.偏心开口机构 偏心传动开口机构的偏心装置有滚针轴承套装在织机中轴上，中轴的转速是织机主轴速度的一半。这种机构不仅能高速运转，而且适于微机控制。一般这类织机在运转时没有静止时间，综框运动近似于简谐运动。如果这种偏心机构的传动轴通过变速机构传动，如同回转多臂那样，综框运动也可以有停顿时间 并用在普通的或宽幅的织机上。 3.凸轮 (踏盘 )开口机构 凸轮传动开口机构包括用弹簧回综的消极凸轮机构 (踏盘 )和积极式外侧共轭凸轮机构。共轭凸轮开口机构可避免或减少其在高速运转时因间隙而引起的冲击和振动。这种机构通常用于大量生产织物的现代织机上，尤其是用于织密织物时用 4 8 页综框织平纹织物，它容易使综框运动获得静止并具有不对称性 ， 而且是综框的平综时间相互叉开 ， 使经纱的断头率减少。凸轮开口机构适宜于生产从 2 2 到 6 6 三原组织及其变化组织的织物，包括灯芯绒等绒织物。 4.多臂开口机构 多臂开口机构是一种 提综器，新型多臂机提综数可达 12 24 页综框，各页综之间的片距一般为 12 mm。织物组织的循环理论上不受限制可为 48 6400 纬，常用范围一般小于 1000 纬。现代无梭织机所用多臂机的特点是都用全开梭口取代半开梭口或闭合梭口。综框可以按照织物组织的要求保持停留在上方或下方，只有在改变起伏方向时才做升降运动，另外，梭口满开时综框都有停顿时间，它具有利于选择提综，又利于提高车速。它没有任何浪费的动作，从而有利于减少经纱的断头。多臂机构适用于小花纹组织的织造，如提花府绸、床单、浴巾等尤其适合于织制各种毛料织物 。 现代多臂机主要有三种结构： 复动式积极多臂 如 Staubli 2232； 复动式消极多臂 如 Staubli 2500 及 2560 系列的电子多臂； 浙江理工大学本科毕业设计 9 回转多臂 如 Stauble2600 式及 2800 系列的电子多臂。 5.提花机开口机构 提花开口机构的特点是每一根经纱都有一根综线控制，而不是用综框，可以使每一根经纱独立的上下运动，可织造复杂的花纹组织。提花开口机构有单动式、复动式和单花筒、双花筒之分。单动式配置一组竖钩和一个刀架。织机主轴每一转刀架升降一次，形成一次梭口，复动式则配置两组竖钩和两个刀 架，织机主轴每一转，两个刀架交替各自升降一次，形成两次梭口。单花筒提花机中，每形成一次梭口花筒要回转一次，双花筒提花机则有两种情况：一种是两只花筒各管一种花纹，适宜于织制两种花纹交替配置毛毯和毛毯类织物，以节约纹板；另一种是每形成一次梭口两只花筒轮流作用，使每只花筒的动作减少一半，花筒的回转速度可以缓慢，以适应提高车速的要求。 提花机的规格一般用针数 (号数、口数或孔数 )来表示，即其所能容纳的横针数。 400 600 针提花机较多用于针织行业的经编机。 900 2688 针提花机多用于棉织行业，织制各种提花棉织物， 1400 15000 针提花机多用于丝织行业及装饰布行业，织制各种提花被面类的丝织物及装饰布织物。 6.电子开口机构 电子开口机构是一种新技术，每片综框的运动由单独伺服电动机控制和驱动，可通过多功能操作盘自由设定每片综框的运动方式、上下不同的静止角和闭合时间。适用于一些特殊织物的织造。 45 1.1.3 多臂机的发展史及发展状况 第一台多臂机（复动式半开口梭口）是由 Hattersly(哈特斯莱 )在 1867 年研制成功并流行于世的，一般称之为 Keighley(凯莱 )多臂机。 1此后的近百年时间内，虽然不 断进行改进，但没有突破性的技术进展，直至上世纪 50 年代这种情况才开始改变。 虽然凯莱多臂机结构简单，适应各种织机，造价也低，但是它不能适应高速。所以在 50 至 60 年代的主要产品是 Staubli 的 100 型、 200 型和 300 型系列，这几种产品推出后很快占据了世界市场，并经 20 年之久的畅销，而这些产品盛行的根本原因就是适应了织造工业发展的潮流，它的主要发展方向就是高速化，其条件就是无梭织机的兴起。 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 10 进入 70 年代，无梭织机得到普遍应用，要求多臂机进一步提高车速，扩大品种适应性，为此 Staubli 公司陆续推出了三个系列 产品，即 1200、 550 和 1400系列，它们的结构和作用原理各有不同，但代表了今天全部多臂机的三大类型。其中 1200 系列以 200 型为基型，而它的改进型 2200 是以 H 氏机为基本原理的最现代化的多臂机，结构更加合理、坚固，花纹装置更加完善，采用新型材料和方法改进传动系统是其主要特点。 550 系列机完全突破了 H氏机的运动原理，其动作基本上是相反的。其特点是运动惯量较小，花纹装置简化，整机结构简单，安装调试方便，润滑条件改善。 新一代产品 1400 系列旋转式多臂机是多年来各国都在全力开发的新产品，其原理与 H氏机完全不 同。 当然， Staubli 公司为保其领先地位， 80 年代陆续推出了许多新机型，而且其性能有不同程度的改进。其中 2660 型旋转式多臂机是 80 年代末的产品，是该公司的主要新机型，在国际上享有盛名。 虽然目前新型多臂机型号繁多，但总的来说可分为积极式和消极式两大类。而且基本上是采用复动式原理，形成全开梭口，采用无冲击的综框运动，并使得综框运动规律合理化。回综方式上，积极式运动比较简单，但机构比较复杂，精度要求高，运转时多为往复运动从而影响机速。消极式利用装在织机上部的弹簧回综，它的结构比较简单，但是车速增高到一定程 度时，弹簧会产生振动和滞后情况，所以不适应重型和梭口较大的超高速织机。享有盛名的 2660 型旋转式多臂机实际上是偏心连杆传动，其结构最为简单可靠，所以能用于任何车速和重型、大梭口织机，性能优于上述两种机型。 而多臂机的发展方向可以按照以下趋势发展： 1、高速化是多臂机一直追求的发展目标。 2、电子化技术的融洽引进对多臂机在运行和控制各方面起到直接重要作用，改善工人劳动强度和提高产品质量都有不可或缺的作用。 3、扩大单一机构产品适应性，把单一产品推向外能化，降低因产业织物和特种织物不断更新而频繁换用各种产品的复杂性， 使单一产品朝向多功能化方向发展。 1.1.3 课题研究的意义 我国的纺织业具有悠久的历史，而且自古以来便居世界领先水平。 早在原始社会时期，古人为了适应气候的变化，已懂得就地取材，利用自然资源作为纺织和印染的原料，以及制造简单的纺织工具。直至今 日 ，我们日常的衣 着 、某些生浙江理工大学本科毕业设计 11 活用品和艺术品都是纺织和印染技术的产物。 但是，作为一个纺织机械大国，我们 与国际上的纺织机械相比，在机电一体化方面的一动化、连续化、高速化、智能化水平还有很大差距，在新材料、新工艺、新的制造技术方面落后很多，这一点从我国纺机品每年进口高达数十亿美 元就可以看出，我国纺织机械企业的技术创新能力不足，主要产品技术依赖国外，缺少具有自主知以产权的技术，产品更新周期长，不能适应市场需求。 其中多臂机作为纺织机械的龙头， 对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。而旋转式多臂机的提综机构作为 将输入的匀速旋转运动转换成多臂机主轴的变速旋转运动的装置。在旋转式多臂机中起着极其重要的作用。 因此，围绕旋转式多臂机中提综机构展开对旋转变速机构的研究有着重要意义。 1.2 主要设计内容 针对 HQ3620 型电子多臂机进行结构分析，对其旋转变速机构进行研 究和改进，本论文的主要研究内容包括以下几个方面： 1、探讨多臂机的发展过程，对当前国内外多臂机研究状况进行相关技术比较，总结当前多臂机的发展趋势和相关的技术更新。对 HQ3620 多臂机旋转变速机构进行原理分析，并对相关构件进行二维。三维建模分析。 2、对机构进行合理优化和简化，并对其中一部分机构作运动学分析和仿真研究。 3、根据 HQ3620 型电子多臂机旋转变速机构的运动规律进行再设计。 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 12 第二章 分析 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构原理 2.1 HQ3620 电子多臂机简介以及旋转变速原理分析 HQ3620电子多臂 机是基于旋转原理基础上，借鉴了 Staubli 2660型多臂机，常配置在新型的剑杆、喷气和片梭织机上 , 它属于积极式 , 即综框的升降均由机构驱动。积极式多臂开口机构一般由三大部分组成 , 它们分别是传动部分、提综选择装置和提综执行装置。传动部分的作用是将织机主轴的动力传递给提综执行件 ； 提综选择装置按给定的纹板图控制着提综顺序 ；提综执行装置接受前者的操纵实现对综框的传动 , 完成开口运动 , 形成所需的梭口。 HQ3620 电子多臂机的提综选择装置是由电子控制的 , 翻改品种十分简便 , 其提综执行装置中的传动件作旋转 运动 , 能适应更高的车速。 HQ3620 型电子多臂机提综件的回转运动为其高速提供了可能。其主轴的旋转变速装置结构紧凑，易得到理想的运动规律。 HQ3620 展示了积极式多臂机的最高水平和今后发展的方向，为多臂机的高性能提供了保证。因此对它的原理进行剖析有着重要的意义。 图 2-1 HQ3620 旋转变速装置 图中： 1-主轴； 2-齿形带轮； 3-输入轴； 4-齿形带轮； 5-小圆锥齿轮； 6-大圆锥齿轮； 7-多臂机主轴； 8-旋转架； 9-转子臂； 10-共轭凸轮； 11-转子臂内的缺口； 12-旋转滑块； 13-传动块 浙江理工大学本科毕业设计 13 HQ3620电子多臂机借助于旋转变速装置 ， 将织机主轴的匀速转动转换成多臂机主轴的非匀速转动 ， 且多臂机主轴转一转对应于织机主轴两转 ， 即复动式。多臂机主轴的非匀速运动一方面满足了开口运动的工艺要求 ， 即要求综框在综平时速度达到最大 ， 而在综框运动开始和末了时的速度缓慢 ， 整个工作过程中速度和加速度均无突变 ； 另一方面也可以使提综选择部分的部件在多臂机主轴接近静止的状态下结合与分离 ， 启动和停止提综件的运动 ， 避免冲击振动。该旋转变速装置如图 2-1所示。通过织机主轴 1上的齿形带轮 2以 1： 1的速比传动多臂机输入轴 3上的齿形带轮 4， 再由 输入轴 3上的小圆锥齿轮 5( 23齿 )传动活套在多臂机主轴 7 上的大圆锥齿轮 6(46齿 ) 转动 ， 与大圆锥齿轮固装在一起的的旋转架 8上装有转子臂 9的轴芯 ， 转子臂还通过转子受固装在机架上的共轭凸轮 10的作用 ， 从而使转子臂 9在随旋转架 8转动的同时 ， 还受共轭凸轮作用产生相对于旋转架 8的转动。在转子臂 9的缺口 11内嵌有旋转滑块 12， 它装在传动块 13上 ， 通过旋转滑块 12使传动块 13跟随转子臂 9运动 ， 传动块 13固定在多臂机主轴 7上 ， 从而使多臂机主轴转动。在工作时 ， 旋转架 8保持匀速转动 ， 若共轭凸轮 10的作用使转子臂 9的转动方 向与旋转架 8一致 ， 则传动块 13及多臂机主轴 7的转速低于旋转架 8的转速 ； 反之 ,若共轭凸轮 10的作用使转子臂 9的转动方向与旋转架 8相反 ， 则传动块 13及多臂机主轴 7的转速高于旋转架 8的转速 ， 从而实现非匀速的转换。非匀速运动的规律可按工艺要求通过设计共轭凸轮 10的凸轮曲线得到 ， 因多臂机主轴转一转 ， 对应于织机主轴转两转 ， 加之综框上升与下降的运动规律相同 ， 故凸轮外形是非对称的。 9 2.2 旋转变速方案 电子多臂机原动力一般通过电机输入到一对格里森齿轮，再传输到大圆盘上，带动大圆盘转动。 HQ3620 型多臂机即是如此带 动与大圆盘相连的凸轮摇臂作匀速转动。 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 14 图 2-2 提综机构工作原理图 其中： 1-大圆盘； 2、 6-摆臂滚子； 3、 4-摆臂； 5-滑槽； 7-综框； 8-支撑杆；9-综框连杆； 10-转臂； 11-转臂连杆； 12-提综臂连杆； 13-提综臂； 14-环形连杆； 15-偏心盘； 16、 18-提综共轭凸轮； 17-滑块 如图 2-2 即为 HQ3620 型电子多臂机提综机构的工作原理图，其中主轴的旋转运动就是由大圆盘 1上的摆臂 3、 4中的滑槽 5和滑块 17 来完成的，具体针对HQ3620 型电子多臂机其传动过程如下： 基于多臂机的开口运动 实质上为偏心盘传动提综臂带动综框的进行简谐运动，没有停顿时间，所以要用合适的方法来改进。而老式型号的多臂机采用的是周转轮系方式，不易达到旋转多臂机利用主轴变速来实现停顿的要求。 所以 HQ3620 型电子多臂机采用的是共轭凸轮系统，对运动规律的实现有较大的自由度。 浙江理工大学本科毕业设计 15 运 动 角3O 1O 2O2O停 顿 角 图 2-3 HQ3620 型多臂机主轴停顿示意图 当 HQ3620 型电子多臂机与织机相连时，在织机运转后，由于滑块嵌入在滑块架的凹槽中，安装在大圆盘上的滚子摆臂在大圆盘运转时带动滑块和主轴同步运动，但显然，若滚子摆臂的凹槽方向始终对着主轴中心，则主轴的转速与输入转速一样。倘若要使主轴变速，则滚子摆臂的凹槽方向必定改变，而完成这一要求的做法，就由共轭凸轮来实现。滚子摆臂上的俩滚子与共轭凸轮紧密贴合，随着大圆盘的转动，滚子摆臂的凹槽方向会沿凸轮廓线进行一定规律的改变，从而实现主轴的旋转变速运动。 2.3 三维建模以及二维工程图的绘制 Pro/E 是美国从参数技术公司（ PTC）推出的一套三维 CAD/CAM 参数化软件系统。技术领先，在机械、电子、航空、航天、邮电、纺织等各行各业都有应用。它涵盖了产品设计从 概念、工业设计造型、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真，到工程图的输出、生产加工成品的全过程。它能够让多个部门同时致力于单一产品模型，包括对大型项目的装配管理、功能仿真、制造和数据管理等。 1 基于 Pro/E 强大的造型设计功能，本论文运用其对 HQ3620 型电子多臂机旋转变速构件的建模和装配以及运动仿真。 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 16 图 2-4 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构三维装配 图 2-5 大圆盘实物以及三维建模 浙江理工大学本科毕业设计 17 图 2-6 提综共轭凸轮实物以及三维建模 图 2-7 摆动滑座实物及三维建模 图 2-8 凸轮摆臂实物及凸轮摆臂结合件三维建模 而由于 Pro/E 在出二维工程图时，尺寸标注方面略有不足。所以本文中相关二维工程图的绘制均由北京清华京渝天河公司开发的 PCCAD2008版二维绘图软件绘制。其采用先进的开发技术，以中文环境的 Window2000/Windows XP、AutoCAD2008 为开发平台，保留了 AutoCAD 功能，无需转化，是国内唯一真正基于 AutoCAD2008 平台的智能化、特征化、参数化、专业化、用户化、标准化、集成化软件。 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 18 图 2-9 HQ3620 电子多臂机提综机构 及选择变速二维装配 图中： 1-顶盖； 2-端盖； 3-摆臂； 4-滑块； 5-大圆盘； 6-滑动轴承； 7-前墙板； 8-轴套； 9-后墙板； 10-花键轴； 11-选综共轭凸轮； 12-提综共轭凸轮； 13-离合爪； 14-驱动盘； 15-偏心盘 2.4 本章小结 通过对 HQ3620 旋转变速机构进行原理分析，了解了 HQ3620 旋转变速机构的实现方案，并对旋转变速机构的各个零件进行了测绘，以及三维建模，下文中就将用进行运到这些三维模型动仿真。 浙江理工大学本科毕业设计 19 第三章 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构运动学分析 3.1 引言 为了更好地对 HQ3620 型电子 多臂机旋转变速机构的工作原理和工作机构有更深入的了解，有必要对其进行较为详细、深入的运动学分析。本文根据已完成的三维模型，利用 Pro/E 进行运动仿真。 3.2 运动学机构简化 图 3-1 旋转变速机构工作原理简图 图中： 1-大圆盘； 2、 6-摆臂滚子； 3、 4摆臂； 5-滑槽； 7-提综臂连杆； 9-提综臂； 10-盘形连杆； 11-偏心盘； 12、 14-共轭凸轮； 13-滑块 3.3 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构运动学仿真 根据已完成的装配，为观察机构运动学参数变化，进入 Pro/E 机构模块，根据设计要求，定义电机转速 n=36 /s，观察帧数 1000，模拟时间 10s，开始仿真，结束完成以后进入测量命令，选定花键轴中心位置，分别定义各个运动学参数进行测量。如图 3-2所示。 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 20 图 3-2 仿真前后参数处理对话框图 图 3-3 花键轴速度变化图 图 3-4 花键轴加速度变化图 其中，图 3-2为仿真前后参数处理对话框图，图 3-3为花键轴速度变化图，图 3-4为花键轴加速度变化图。 并且由加速度变化上呈现突变，过大等情况可知，此凸轮数据时由测绘得来，凸轮的曲率不够平滑（见图 3-5），凸轮表面多处存在曲率突变，但这些 又会导致凸轮工作时产生严重冲击和振动，影响整机使用寿命和噪音。所以接下来的工浙江理工大学本科毕业设计 21 作是对关键性构件作改良设计。从构件的设计选择上，提综共轭凸轮和摆臂是导致机构运动完善最主要的因素，势必要对其做一定的改良设计。本文中不对凸轮反求做解析，只是对凸轮的曲率进行简单的光顺处理。 图 3-5 测绘凸轮曲率变化 将凸轮进行优化，即对共轭凸轮外轮廓线进行设计，主要方法有解析法和反求法。而关于凸轮的外轮廓线方程推导在大量文献中都有详细的解说，当前主要的求解方法中一般有基于旋转变换对凸轮外轮廓坐标值求解，基于复极矢量法对共轭凸 轮轮廓曲率半径的求解，还有些是采用瞬心法设计共轭凸轮轮廓线。针对不同的求解方法，得出凸轮的外廓线的计算结果表达形式不一样，实质其实一样。 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 22 图 3-6 优化后的凸轮曲率变化 3.4 本章小结 提综共轭凸轮是 HQ3620 旋转变速机构的核心部件，但测绘得到的凸轮数据误差较大，所绘制的三维模型表面曲率存在突变，需要进行拟合，并作出仿真，以分析其旋转变速机构的运动规律。 浙江理工大学本科毕业设计 23 第四章 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构的设计创新 4.1 设计创新方案的初步确定 在机械传动控制设计中，要使从动件运动具备瞬时静止，需采用凸 轮机构方可实现，但凸轮机构设计制造较为困难，成本也高。因此，利用现有知识进行创新，通过齿轮连杆组合来实现，采取行星齿轮来实现将匀速旋转输入运动转变为具备瞬时静止的变速旋转输出运动。 本方案的有益效果为：将匀速旋转输入运动转化为同轴变速旋转输出运动，并可以实现停 -动 -停 -动的间歇特性输出。具有结构紧凑，稳定性高，易于高速运转的特点。而且由于组成零件较少，又多是标准件，使得整个旋转变速机构易于维护，大大降低了成本。 新的行星齿轮方案如图 4-1 所示 图 4-1 齿轮旋转变速 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 24 图中： 1-大圆盘； 2-大齿轮； 3-滑块 ； 4-小齿轮； 5-摆动滑座 其中包括运动输入圆盘 1，齿轮机构，滑块 3，齿轮滑座 5；运动输入圆盘 1与齿轮机构相铰接，齿轮机构与滑块 3 活动链接，滑块 3与齿轮滑座 5 相铰接。所述的齿轮机构包括一个大齿轮 2和小齿轮 4；其中大齿轮 2与机架固连，小齿轮 4 上的滑块 3 与齿轮滑座 5活动连接。所述的小齿轮 2与运动输入圆盘 1 相铰接。所述的齿轮滑座 5上的滑槽内活动设置有滑块 3。所述的运动输入圆盘 1的圆心与大齿轮 2 的圆心相重合。 运动输入圆盘 1 沿圆心轴线做匀速旋转运动，使小齿轮 4沿大齿轮 2的表面轨迹做匀速旋转运动，协同作用推动滑块 3 的 移动，从而可使齿轮滑座 5的输出为一定规律的变速旋转运动。 在传动的过程中，大齿轮 2 固定于机架之上，运动输入圆盘 1 绕 O1 点作匀速旋转运动，小齿轮 4的铰接点 O2 安装在运动输入圆盘 1 上，随着运动输入圆盘 1 的旋转进行回转，小齿轮 4 上有一滑槽，滑块 3可在滑槽上进行滑动，通过滑块 3的运动将运动规律传递给齿轮滑座 5，从而实现齿轮滑座 5的变速旋转输出。 齿轮旋转变速机构是一种齿轮机构和滑块滑座机构的组合，齿轮的采用极大的减小了驱动力，提高了传动效率。由于本实施例中，小齿轮 4 采用对称质量布置，能很大程度上减小旋转过程中整个传 动机构产生的惯性力。 4.2 新方案的运动仿真 根据新的方案，进行三维建模，作出运动仿真，如图 4-2 浙江理工大学本科毕业设计 25 图 4-2 齿轮旋转变速轴测图 图 4-3 花键轴速度变化图 图 4-4 花键轴加速度变化图 其中，图 4-3 为新方案中花键轴速度变化图，图 4-4 为花键轴加速度变化图。 由图可知，两方案速度变化规律相似。 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 26 4.3 对新方案进行理论计算 齿轮滑座运动方程： )72180c o s (2aa-k3672121221takk 5.2,0t （ 4-1） )2 5ta na r c ta n (52tt （ 4-2） 由此设凸轮运动方程为： wtcccc o s 3 21 )236ta na rc ta n (72 tt （ 4-3） 相对运动：5c o s 3 21 wtccc （ 4-4） wtcccc o s3 21 （ 4-5） 借用积分公式： caxcbcbcbaaxcbdx2t a na r c t a n2c o s 22（ 4-6） 得：43323212t a n11a r c t a n12 cwtcccwctc （ 4-7） )c o s2(2c o s 22222 aRRas q r tlaR lRa （ 4-8） al Rla 2c o s222 （ 4-9） al Rla 2a r c c o s222 （ 4-10） 即： )cos2(2 cos22a r c c o s 222aRRas q r taaRa （ 4-11） 由此，得出结论，新方案的运动规律可行。 浙江理工大学本科毕业设计 27 4.4 对齿轮旋转变速方案进行结构设计 考虑到节约成本等因素，尽量使用原件，所以需要再设计的零件为大 齿轮和小齿轮以及摆动滑座。 大圆盘上安装小齿轮的两孔距离为理想值 232mm，所以，一对齿轮副的中心距为 116mm。 由于齿轮转速比为 1:2，所以齿轮的半径比也为 1:2. 暂取齿轮的模数 4z ，求得大齿轮齿数为 38.67，小齿轮齿数为 19.33。 所以试取大齿轮齿数为 38，小齿轮齿数为 19。一对齿轮副的中心距为 114mm，比需要的尺寸小 2mm。需要对齿轮进行变位。 标准齿轮传动虽具有设计简单、互换性好等一系列优点。但也有一些不足之处。例如，要求齿轮齿数 minzz ，否则将产生根切现象；标准齿轮不适用于中心距 2/)( 21 zzmaa 的场合。因为当 aa 时，无法安装；而当 aa 时，又会产生过大的齿侧间隙，影响传动的平稳性，且重合度也随之降低；另外在一对相互啮合的标准齿轮中，由于小齿轮齿廓渐开线的曲率半径较小，齿根厚度也比较薄，参与啮合次数又较多，强度较低，影响到整个齿轮传动的承载能力。 为了改善标准齿轮的上述不足之处，就必须突破标准齿轮的限制 ，对齿轮进行必要的修正。现在最为广泛采用的是变位修正法。 中心距 116)( 21 mxxaa 其中 4,114 ma 所以 5.021 xx ，此类齿轮传动称为不等变位齿轮传动。亦是正传动。 正传动的优点是可以减小齿轮机构的尺寸，能使齿轮机构的承载能力有较大提高。 所以取 25.021 xx 由以上数据可得啮合角 /)c o sa rc c o s ( aa （ 4-12） 确定中心距变动 系数 maay /)( （ 4-13） 确定齿顶高降低系数 yxxy )( 21 （ 4-14） HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 28 图 4-5 大齿轮轴测图 图 4-6 小齿轮轴测图 摆动滑座为小齿轮上的铜滑块提供滑槽，所以摆动滑座的尺寸与小齿轮上的铜滑块运动轨迹有关 浙江理工大学本科毕业设计 29 图 4-7 摆动滑座俯视图 图 4-8 齿轮旋转变速机构结合图 如图 4-8，铜滑块在摆动滑座内作往复运动。其中小齿轮齿数 z=19，模数 m=4 变位系数 x1=0.25，大齿轮齿数 z=38，模数 m=4，变位系数 x2=0.25，滑块中心在小齿轮分度圆上，滑块的尺寸为 4030 。 所以，两滑块最近距离为 mm114220225.04438 两滑块最远距离为 mm3 5 0220225.044192 3 2 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 30 综上，摆动滑座的滑槽设计尺寸为槽宽 30mm，两槽之间的距离为 85mm，摆动滑座的最大尺寸应在 310mm 350mm 之间，考虑减小尺寸以及避免与箱体干涉等原因，暂取摆动滑座最大尺寸为 330mm。 摆动滑座中心与花键轴连接部位，采取原件的尺寸，以达到与花 键轴配合的目的。 图 4-9 原摆动滑座轴测图 浙江理工大学本科毕业设计 31 图 4-10齿轮旋转方案安装在箱体上 将新方案的三维模型安装到箱体上，替换原方案，进行运动仿真，运用 Pro/E进行碰撞试验，验证得到此方案可行。 4.5 本章小结 本章主要确定了旋转变速的创新方案，并将新方案用 Pro/E 实现，也和原来的进行了对比，而且在少改动原件的基础上，确定了新方案中零件的尺寸。 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 32 第五章 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构零件设计 5.1 凸轮旋转变速机构部分零件 首先是提综共轭凸轮，模型见图 3-5，提综共轭凸轮作为整个旋转变 速机构的核心件，对精度以及硬度有比较高的要求。 提综共轭凸轮采取表面渗碳淬火 S 0.8 1.2、 HRC 58 62，周边去棱倒锐。并且在此凸轮上螺栓孔和定位销孔有较高的精度要求，采用理想尺寸以及4.0 的位置度要求。该凸轮选用 20CrNi 作材料。因为 20CrNi 具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。是用于制造高负荷下工作的大型重要渗碳零件，也可用作具有高冲击韧性的调质零件。 其次，大圆盘和摆动滑座、凸轮摆臂由于形状复杂，而大圆盘体积又较大，所以采用铸造的形式 制造，然后进行精加工。当然，铸造件要求喷丸处理，无砂眼、气孔等缺陷。除大圆盘采用 45 号钢之外，其余两件摆动滑座和凸轮摆臂均采用 QT500-7球墨铸铁。 5.2 齿轮旋转变速机构部分零件 图 5-1 行星齿轮以及摆动滑座有限元分析图 在 Pro/E 中 完成了结构模型分析后，进入 mechanic 分析 /研究命令，进入静态分析和模态分析状态下，做外载荷作用下的应力应变分析。 由图 5-1 行星齿轮及摆动滑座的有限元分析图可知，这两件零件易损于行星齿轮与铜滑块连接的突起上，摆动滑座易损于摆臂上。也为减小应力，同在此 两浙江理工大学本科毕业设计 33 处倒圆角，平滑过渡。 暂选行星齿轮和大齿轮材料为齿轮常用的材料 40Cr，表面高频淬火 HRC5055，摆动滑座材料便参照凸轮旋转变速中的 QT500-7球墨铸铁，采取铸造形式，铸件表面进行喷丸处理。 查得 40Cr 的抗拉强度为 980MPa， 远远大于构件的许用强度和刚度。显然对于机构的强度和刚度要求都有很大的余度，满足机构的结构要求。 5.3 本章小结 本章主要根据原有的旋转变速机构中的零件以及三维模型的有限元分析结果确定了新方案中个零件的材料和技术要求。 HQ3620 电子多臂机旋转变速机构分析及设计创新 34 第六章 总结及展望 6.1 总结 本文 以 HQ3620 型电子多臂机为研究对象，对其进行结构分析，对其旋转变速机构进行研究和改进，本论文的主要研究成果包括以下几个方面： 1、探讨了多臂机的发展过程，对当前国内外多臂机研究状况进行相关技术比较，总结了当前多臂机的发展趋势和相关的技术更新。 2、对 HQ3620 多臂机旋转变速机构进行了深入分析并对相关构件进行了二维、三维建模分析，对机构进行合理优化和简化，并对其中一部分机构作运动学分析和仿真研究。 3、根据 HQ3620 型电子多臂机旋转变速机构的运动规律进行设计创新。并将本文中的创新方案申请了专利。 4、确定了旋转变 速机构的主要零件材料以及技术要求。 6.2 展望 由于时间以及专业水平的限制，本设计还有很多有待于研究完善之处，本人认为： 原旋转变速方案中的提综共轭凸轮是核心部件，对其研究有重大意义，本文只是将凸轮曲率进行简单的优化，并未考虑实际的运动规律，难以应用于工程实际。 另外，随着纺织机械车速的提升，如何有效地减震降噪等一系列问题也已成为重中之重了。 而且新方案将匀速旋转输入运动转化为同轴变速旋转输出运动，并可以实现停 -动 -停 -动的间歇特性输出。具有结构紧凑，稳定性高，易于高速运转的特点。而且由于组成零件较少，又多 是标准件，使得整个旋转变速机构易于维护，大大降低了成本。如果能应用于实际生产，也必将是利大于弊。 浙江理工大学本科毕业设计 35 参考文献 1 高大牛 . 基于旋转原理的电子多臂机研究 D. 2011： 1 94 2 陈伟刚，沈毅，李志祥 . 旋转式多臂机开口运动规律的研究 J. 浙江丝绸工学院学报 . 1997， 14（ 3） :188-193 3 袁嫣红 . 旋转式电子多臂机与织机配合的原理 J. 丝绸 . 2000， (8)： 24-25 4 Staubli to show latest at 3 sitesJ. 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