纺纱机的机构设计和仿真

摘 要该课题来自于横向课题，旨在对现有纺织机械中的马尾纱包芯纱纺织机器需要大量人工、纱织产品规格单一质量不稳定的问题进行综合评述和论证，研究出一种可替代人工的马尾纱包芯纱自动纺织机器，拟解决纺织机大量需要人工的瓶颈问题。首先，对现有纺织机进行了利弊讨论，进而找到其需要改进的问题，马尾输送是改进的关键。其次，就现有常用的输送方法摩擦、振动、气流、夹取进行对比分析讨论，最后对夹取机构这一关键部件进行了设计。通过对夹取机构的设计方案进行讨论，最终选择由了凸轮机构和曲柄滑块组合，并对其运动协调性分析。论文还对凸轮连杆和曲柄滑块组合机构进行运动分析，对马尾提取机构的凸轮廓线进行了设计，并对整个机构进行了动力优化分析。最后，对设计的马尾纱包芯纱自动纺织机夹取机构进行虚拟样机设计。关键词：机械设计；机械原理；纺织；纺织技术；纺织机械；ABSTRACTThis subject from horizontal topic, the aim is to carry out a comprehensive review and verification to the existing textile machinery that horsetail core textile machinery needs a lot of the labor cost, knitting yarn products, uniform and mass instability. Consequently developed an automatic textile machine to alternative artificial horsetail core yarn machine to solve.First, discussing the advantages and disadvantages of horsetail core textile machinery, and then finding the problems which need to be improved, the means of horsetail conveying is the key is to improve.Second, as to existing commonly used method conveying which includes friction, vibration, air, and clip to carry on the analysis to discuss, and design the key components of clip institutions. Through discussing the scheme about the design of clip institutions, and finally choosing the combination of cam linkage mechanism and slider-crank mechanism. The designing needs to proceed the movement coordination analysis. This paper also needs to carry through motion analysis for cam linkage mechanism and slider-crank mechanism, and design cam contour line for extraction organization, and work at dynamic optimization analysis for the combination mechanism.Finally, design the virtual prototype for the design of the automatic clip institutions of the horsetail core textile machinery.Keywords: Mechanical design; Mechanical principle; Textile; Textile technology; Textile machinery;1目 录第一章 绪论 .11 .1 课 题 的 研 究 背 景 .11.2 课题研究的目的和意义 .41.3 课题研究的内容及方法 .5本章小结第二章 马尾输送方案的确定 .72.1 输送方案的初步选择 .72.2 输送方案的具体分析 .72.3 方案的最终确定 .13本章小结第三章 马尾提取和输送机构运动协调性及运动分析 .153.1 机构的整体布局 .153.2 机构运动协调性分析 .163.3 曲柄滑块机构运动分析 .173.4 凸轮连杆机构运动分析 .203.5 机构整体运动过程中夹取夹子运动轨迹分析 .24本章小结第四章 马尾提取和输送夹取机构的凸轮轮廓设计 .264.1 从动件运动规律 .264.2 机构的基本尺寸设计 .3124.3 凸轮廓线设计 .38本章小结第五章 马尾提取和输送机构力学分析 .445.1 基本尺寸的动力性能优化 .445.2 机构动力学分析 .47本章小结第六章 方案结论及虚拟设计 .496.1 方案设计结论 .496.2 虚拟样机技术 .49本章小结第七章 总结与展望 .587.1 课题的总结 .587.2 课题的展望 .58本章小结参考文献 .60外文资料中文译文致谢1第一章 绪论1.1 课 题 的 研 究 背 景1.1.1 产 品 的 介 绍 及 用 途随着世界经济的发展和人口数量的不断增长，各国对服装产品的需求量日益增加。目前各种毛衬及粘合衬产品已成为服装生产不可缺少的重要辅料。特别是随着西服产量和缝制质量要求的不断提高，对材料质量要求越来越高，而构成这些衬布的主要材料就是包芯纱。包芯纱一般以强力和弹力都较好的合成纤维长丝为芯丝，外包棉、毛、粘胶纤维等短纤维一起加捻而纺制成的纱。包芯纱兼有长丝芯纱和外包短纤维的优良性能。比较常见的包芯纱有涤棉包芯纱，它以涤纶长丝为芯纱，外包棉纤维。还有氨纶包芯纱，它是以氨纶长丝为芯纱，外包其他纤维制成的纱线。由这种包芯纱制成的针织物或牛仔裤料，穿着时伸缩自如，舒适合体。图 1-1 包芯纱 图 1-2 氨纶包芯纱当今主要应用的包芯纱主要包括氨纶包芯纱马尾包芯纱等，本课题主要研究的是马尾包芯纱的纺制。马尾包芯纱是用三股棉纱将马尾绞绕包纺连接起来形成无线长度的马尾包芯纱线。以棉线为经，以马尾包芯纱为纬编织的马尾包芯纱衬布，除具有马尾衬布的各种性能外，在形式上门幅宽，面料厚，风格粗放，弹挺力好，更适用于做服装肩衬和面料较厚，要求挺扩大方的风衣，大衣，礼服，军官服等，也可以与马尾衬配合使用。2图 1-3 马尾包芯纱 图 1-4 马尾包芯纱天然马尾是一种高弹性材料，柔软中含有刚气，坚挺中透着顺服，所以用这种材料做成马尾衬布是当今国际高档西服必不可少的辅料，它以纯棉纱或涤棉纱为经以天然马尾为纬编织而成。衬布挺括而不硬板，富有弹性而不瘫软。是一种软硬兼具的服装衬布。图 1-5 黑炭衬挺身衬 图 1-6 马尾衬马尾包芯纱用途如此广泛，但是限于现在技术的制约，生产十分困难，虽然上世纪 90 年代国内研究出半自动马尾包芯纱纺织机，但是技术并不纯属，所以这种方法并不普及，现在国内大部分地区仍采用人工输送马尾，所以现在这种马尾包芯纱的产量并不乐观。3图 1-7 摩擦输送马尾 图 1-8 手工输送马尾1.1.2 马尾包芯纱纺织机的发展状况马尾包芯纱纺织机并不是凭空就出现的，它来源于纺织机。其实距今 4000年前，中国人已能善用简单的织机，将蚕丝织成布；至西元前一世纪，又开发了手工提花织机，能织造出复杂的图案。后来出现的手 摇 纺 车 和 脚 踏 纺 车 ，再 到 后 来 的 水 力 纺 车 和 踏 板 织 机 等 等 。 但 是 这 些 都 是 非 常 落 后 的 生 产 方 式 ，之 所 以 说 这 些 方 法 落 后 是 因 为 他 们 采 取 的 动 力 是 落 后 的 。自 从 工 业 化 以 后 ， 马 尾 包 芯 纱 纺 织 机 也 有 了 一 定 的 发 展 ， 开 始 采 用 先 进的 动 力 源 ， 如 蒸 汽 机 、 电 力 等 能 源 。 于是出现了上世纪 90 年代靠少量人工的半自动化马尾包纱芯纱织机，之所以称之为半自动是因为它没有完全实现自动化，马尾的提取和输送环节还是要靠人工完成。图 1-9 人工输送机械 图 1-10 手工输送马尾42007 年宝银公司研发的全自动马尾包芯纱机，实现了自动化。该全自动马尾包芯纱机在马尾的夹取方面有很大不足，就是夹取马尾之后不能将马尾直接送至纱织卷纱口，必须还要经过利用气动装置，用喷气将马尾吹入，所以这种方法还有待改进。虽然有了马尾包芯纱自动纺织机，但是这种技术还不能普及。目前国内还有很多地方靠手工输送马尾，如河北霸州，宁波等地。这样不但劳动生产率低而且需要大量的工人，使企业成本大大增加。目前国内比较有名的马尾包芯纱厂家也寥寥无几。如：河北省的金博信服装辅料有限公司和盛达马尾衬布有限公司主要生产马尾衬布，还有就是宁夏宝银毛纺公司。虽然宝银公司研究出了全自动的马尾包芯纱纺织机，但是技术并不成熟。对于其他公司来说马尾包芯纱纺织机的改进工作更应该加大步伐。所以我们应该成熟已有的先进技术使其在全国得到迅速普及。但是在国外，马尾包芯纱纺织机的发展就比较先进。虽然西方人懂的应用纺织机比我们晚 400 年，而且他们早起用的机器也非常简陋，但自从工业革命以后他们就进入了机械化，虽然没有完全摆脱手工，但是当时他们已经采用了蒸汽动力，这在当时已经是最先进的了。但是随后的几十年都没有什么进展。直到 2005 年底欧洲比利时才研究出完全自动化马尾纱包芯纱机。这是一种比较大型的纺织机，而且每台纺织机只需 34 个人就能完成全部工作，这样就使生产效率大大提高了，这也是世界目前最先进的马尾包芯纱自动纺织机。宁夏纺织工程学会高级工程师刘汉明说：“据已掌握的信息，目前世界上也只有比利时研制出类似设备，但是独家封闭生产，此前，没有一家单位研制出此类设备。 ”我国能自主研究出自动马尾包芯纱纺织机也算是走在世界前列了。1.1.3 马尾包芯纱新型纺织机的设计改进本课题是在现有马尾包芯纱机基础上，就马尾如何让输送至纱织卷纱口讨论，现有的人工输送、气流输送都没能很好的解决这个问题，经过参阅资料和综合所学的知识，提出新的机构输送方案，在电力驱动下，通过一个机构实现整个输送的自动化，为了保证输送要求，可就其中每个部件进行设计分析。总体思路为，用一个夹子夹取放置在斜板上的马尾，沿着设计好的轨迹将其送入卷纱口，喂入纱口使其纺织，就完成了设计任务，夹子轨迹由一个组合机构控制，从而实现一个全自动化马尾纺织机。1.2 课题研究的目的和意义1.2.1 课题研究的目的本课题研究目标是对现有纺织机械中的马尾纱包芯纱纺织机器需要大量人工和纱织产品规格单一，质量不稳定的问题进行综合评述和论证，研究出一种5可替代人工的马尾纱包芯纱自动纺织机器，改进关键部件，以解决纺织机大量需要人工的瓶颈问题。从而大大提高工作效率，从而可使产量达到 10 吨/月。本课题主要解决以下几个问题：1、马尾纱包芯纱自动纺织机马尾提取、输送机构的方案确定； 2、设计出适用于马尾纱包芯纱自动纺织机马尾自动夹取的机构行程； 3、确定自动夹取机构的行程尺寸参数， ；4、马尾提取机构的凸轮廓线的设计； 5、分析夹取器与输送罗拉运动干涉；6、马尾纱包芯纱自动纺织机的虚拟样机设计；1.2.2 课题研究的意义本课题研究的意义主要在于要学生巩固和深化课堂教学效果，拓展基础知识，并将所学知识融会贯通；培养分析问题、解决问题，以及理论与实践结合的综合设计能力。培养实验测试与分析能力及系统观念，激发创新意识。为专业课程的学习和今后独立解决实际工程问题奠定了工程测试基础。另外，通过在虚拟环境下的三维动态仿真可使学生能形象、直观地观察到自己所设计的机构是否合理、是否存在运动干涉等问题，达到培养学生的结构设计的能力。在大学四年的学习中，像物料的提取、输送机构的方案设计，杆机构的运动分析和运动协调性分析以及曲柄滑块机构和凸轮机构的设计都是学过的，只是当时是零散的学习的，并没有将它们联系到一起。就虚拟样机尽管是兴起一种先进的制造技术，但平时学习过程中对其运用较多。因此这次就给了我们一个将我们这四年学习知识联系到一起同时又能学到先进制造技术的机会，所以本课题的意义是非常重大的。就马尾自动纱织机的发展前景来说，能够设计出一种全自动化的机械，对此行业的发展有重要作用，能够极大地提高生产效率，从而节约人力等成本，以满足市场对产品的巨大需求。还有对于我国在纺织行业在国际上的地位也有很大的作用，在纺织机发展相对缓慢的时代，能设计出此类自动化机械，意义非凡。另外一个很重要的意义就是设计一个合理运动的夹取机构，从而设计出一套适用于马尾自动夹取的机构参数、合理的凸轮廓线设计方法和三维虚拟样机，以适用于自动马尾纱纱织机高效生产的需求。通过对具体问题的研究，锻炼独立思考的能力，提高独立解决实际问题的能力。1.3 课题研究的内容及方法1.3.1 课题研究的内容本课题来源于横向课题，依据新型自动马尾纱纱织机其关键部件马尾夹6取机构的设计问题展开研究，拟解决在马尾夹取和输送过程中易出现空尾、纱织不均、捻度不匀、抬升凸轮与输送行程匹配问题及夹取器与输送罗拉运动干涉等问题，经过讨论和研究，力求开发一套马尾自动夹取机构的参数。课题需完成的内容有：1、对马尾自动夹取机构功能进行分析，提出确实可行的机构方案。2、对马尾丝自动夹取器的行程与抬升凸轮廓线的匹配问题进行研究，给出较好的行程尺寸和凸轮轮廓线要求。3、对马尾丝自动夹取器的抬升与输送罗拉的位置关系进行研究，给出合理位置数据，以避免夹取器在回程是与输送罗拉的运动干涉问题。4、进行三维运动仿真设计。课题设计的知识内容：机械原理及机械设计、运动仿真、Pro/E 等方面知识。1.3.2 课题研究的方法本课题主要是通过对比马尾提取输送各种方案的优缺点最后确定最有方案，根据确定的方案设计机构，对机构进行运动分析，以及装配图的绘制和虚拟样机的设计。具体的研究方法如下：1、根据确立的方案选取适当的机构，建立数学模型（包括马尾提取输送机构的运动分析） ，用电算法推导出机构位移、速度、加速度的表达式。并用MATLAB 软件对机构进行仿真，输出机构位移、速度以及加速度的变化曲线。2、设计凸轮轮廓曲线，并用对凸轮机构进行自锁条件验算。3、运用 AUTOCAD 软件对马尾包芯纱自动纺织机的整体结构进行设计，并绘制相关装配图以及关键部件的零件图。4、运用 PRO/E 和 Solidworks 等一系列软件进行马尾包芯纱自动纺织机虚拟样机关键部位的设计，并绘制出关键部位的三维视图。本章小结：本章主要是从马尾包芯纱、马尾包芯纱纱织机去介绍论文背景，通过现有的马尾纱织机的了解，提出改进的思路。再从实际生产需求和所学知识出发简要说明了课题研究的目的和意义，最后列出课题研究的方法和内容。7第二章 马尾输送方案的确定2.1 输送方案的初步选择本课题研究的是马尾纺织机中马尾输送部件及机构的设计，要求必须将一定数量的马尾，准确的输送到指定位置，所以对输送方案的要求比较高，传统的输送方法主要包括: 摩擦、振荡、气流、夹取四种。2.2 输送方案的具体分析2.2.1 摩擦输送方案摩擦输送系统是一种新型利用物件之间摩擦力来驱动部件的运输方式工业非标设备，属于物流系统工程输送技术领域。该系统广泛应用于汽车及零部件焊装、涂装及总装车间物流输送。作为一种新型的物流输送设备，摩擦输送系统由于功能强大、造价低、投资省，经济效益明显，在许多场合，它已取代传统的输送方式，并被广大用户所认同，成为输送设备更新换代的首选产品；某些公司已占有该类产品近一半的市场份额。除此之外摩擦输送方案还有摩擦带输送方式和成组台车摩擦输送方式等等。摩擦带输送方式：摩擦带的输送方式就是靠被输送物品与带之间的摩擦力，带在电动机带动下往前移动，由于被输送物品和带之间有很大的摩擦力，所以带和被输送物品能保持相对静止，这样被输送物品就会有和带相同的运动速度，从而达到输送的目的。考虑到用摩擦输送方案输送马尾，主要靠的是摩擦轮和马尾之间的摩擦，借助此摩擦力，以达到将马尾输送至指定位置，所以关键的是要选好摩擦轮。如表 2-1 所示简要列出了马尾和几种材料之间的摩擦系数。由表 2-1 可以得知马尾和橡胶的摩擦系数最大，根据公式 ，也就是在输送相同重量的FG马尾时，产生的摩擦力最大，因此摩擦轮选择橡胶比较合适。但是该摩擦系数并不是一成不变的，工作环境的湿度、空气中粉尘的浓度，都会影响摩擦系数的变化。工作环境的湿度不同，相当于不同程度对该摩擦副进行了润滑，由表 2-1可以看出,有润滑和无润滑的情况下摩擦系数是相差很大的，如表 2-1 可见干燥清洁的时候马尾与橡胶的摩擦系数为 0.8，而潮湿的时候才只有 0.2，相差了 3倍。另外马尾和马尾之间会有粘着力和摩擦力，相对于摩擦力输送的摩擦输送方式来说，要克服这些力是很困难的。如果要用摩擦方案输送马尾必须严格控8制环境的湿度和空气中的粉尘，保持湿度和空气中的粉尘浓度由始至终都一样，以维持摩擦系数不变，但是对于马尾本身来说会在表面产生一些分泌物，即使满足了环境的湿度和粉尘要求，马尾产生的这些分泌物也会导致马尾和摩擦轮、以及马尾与马尾之间的摩擦系数变化，从而导致马尾输送的数量或是位置不能准确的达到指定要求。而且由始至终要保持环境的湿度和空气中粉尘浓度不变非常不容易，要求的技术也比较高。表 2-1 马尾与几种材料的摩擦系数摩擦系数摩擦副材料 清洁干燥（无润滑） 潮湿（有润滑）马尾 橡胶 0.8 0.2马尾 铸铁 0.5 0.15马尾 木料 0.3-0.4 0.03-0.05马尾 钢 0.3 0.12具体分析如下：原始数据：输送量 1-2 根/次；虽然马尾是不规则的，每条马尾都不一样，但是必须保证每次输送马尾的力都是一样的，假设该力为 ,(因为保证力一样F的话就可以保证每次输送马尾的重量都一样，从而可以保证，每次输送的马尾数量精确，即如果一根重量不够，就会输送两根；一根质量足够就输送一根；还有一个要求就是该输送力必须小于能输送两根比较大的马尾的力。这样就能保证每次输送 1-2 根。)；假设马尾的平均重力为 ；G则： ；其中 为摩擦系数，上面分析出，如果环境状况不同 值就FG 会不一样，而马尾的重力 是不会变的，这就导致了 的变化， 的改变就不F能保证马尾数量输送的准确性了。拿干燥和潮湿作比较：干燥： 0.8潮湿： 2FG两者差了 ，而这 是不能忽略的。以上这种情况还是在输送里能.6.克服马尾之间的力情况下才成立的，如果输送里不能克服马尾之间的力，那么会导致更复杂的后果。2.2.2 振动输送方案原理：振动输送中物料能以一定的速度在输送机承载表面运行，主要是利用物料的惯性力和它与承载件之间的摩擦，其作用原理大体可分以下三部进行9说明：1.物料借助重力和摩擦力随着承载件作向上倾斜的附着运动（如图 2-1a 所示，箭头指向为承载件运动方向） ，此时物料对承载件的正压力 N0。2.物料获得动能后，当承载件当最高点后，做返回向下运动时，物料借助惯性力脱离承载件，以一定的角度做抛物线运动（如图 2-1b 所示） ，此时正压力 N=0。3.物料受重力影响，落至运动着的承载件工作面上后，又随着承载件一起作附着运动，此时相对于前一阶段已前进了一步（如图 2-1c 所示） ，此时正压力 N0。由此可见，要使物料在承载面上做持续的运动，应满足的条件为：(1)承载件应对水平线作有一定角度的振幅和频率震动。(2)物料所获得的加速度垂直分量应大于重力加速度。但是，应当指出的是，满足上述两个条件之后，从宏观上看，就可以实现了如图所示的抛掷式运动，但实质上，绝大多数不是仅此附着抛掷两种运动形式，而还有一个沿着承载件的工作面做向前或向后的相对滑移的“滑动”运动。物料这三种运动形式的不同组成，反映振动输送的不同特性。但是，从稳定、高效输送的角度出发，振动输送的物料应该无论在时间或位移量方面，抛掷运动都应该是主要运动形式。图 2-1 振动输送机物料运行原理图a 物料附着在承载件 A 点上一起运动 b 物料脱离承载件做抛掷运动c 物料重返至承载件上，已前进一段 AB1-物料 2-承载件 3-物料运动轨迹虽然振动输送的优点很多，但是也存在很多缺点，例如：要设计一个振动装置，需消耗大量钢材，增加设备尺寸、重量和成本。还有就是不适合在尘灰高度集中的地方应用；使用寿命短；而且输送位置不精确等。10如果采用该方案输送马尾就要靠电磁振动输送机来实现：电磁振动输送机一般由三个主要部分组成（如图 2-2）槽体部分，电磁激振器部分，减速器部分。图 2-2 电磁振动输送机结构示意图1-槽体 2-电磁激振部分 3-减震部分电磁振动输送机的输送过程是利用电磁振动器驱动槽体（承载别墅送的物料）沿倾斜（与槽体底平面成一定角度）方向做周期直线往复振动来实现的。当槽体振动加速度的垂直分量大于重力加速度时，槽中的物料被连续的抛起，并按抛物线的轨迹向前进行跳跃运动。由于槽体振动的频率很高，振幅很小，物料被抛起的高度也很小，所以只能看见物料在槽中间向前流动；只有当单颗粒物料在槽中运动时，才能看见微小的跳跃运动。具体到本课题马尾的输送，该电磁振动输送机存在很大优点，但是缺点也大的存在，例如马尾之间是有黏着性的，而且马尾和马尾之间也存在着摩擦，而振动输送的时候往往不能克服这些摩擦力。如果没有输送的马尾数量要求，该种电磁输送机是一个很好的选择，但是涉及到马尾数量的要求，该种方案不能准确地实现输送马尾的数量的要求。因此振动方案并不是最好的选择。2.2.3 气流输送方案气流输送又称风送，或称气力输送如图 2-3 所示。它是利用空气流动所产生的推动力在管道中输送的，其简单原理，固体物料在垂直向上的气流中，受到向下拉的重力 F1 和气流向上推的动力 F2，如果 F2 大于 F1，则气流向上推动，使物料由低位向高位运送。风送非常适于输送散粒状或块状的物料，是一种较好的输送方式。其优点是设备简单、占地面积小、费用少。11图 2-3 气流输送简图气流输送方法,是借助气流的动能，使管道中的物体被悬浮输送。可见物料在气流中的悬浮问题是很重要的。颗粒在垂直管中和水平管中的悬浮机理及运动状态是不一样的。香输送能力和距离有较大的变动范围在气流输送的同时，还可对物料进行加热、冷却、干燥等操作连续化自动化改善了劳动条件。气流输送可分为垂直管和水平管两种，垂直管中的悬浮输送机理设物料小颗粒，在静止的空气中自由降落，颗粒上作用力有三：颗粒重力 Ws,浮力 Wa,及空气阻力 fs。当 Ws =Wa+fs 时颗粒在空气中以不变的速度 t 作匀速降落，称为颗粒的自由沉降.根据相对运动的原理,当空气以颗粒的沉降速度自下而上流过颗粒时,颗粒必将自由悬浮在气流中。这时的气流速度称为颗粒的悬浮速度。如果气流速度大于颗粒的悬浮速度, 则在气流中悬浮的颗粒，必将为气流带走,而发生了气流输送，这时的气流速度又称气流的输送速度。颗粒在水平管中的悬浮，较为复杂。颗粒所以能克服重力而悬浮在气流中，是由于下列几种力作用的结果: 气流为湍流运动状态，湍流状态的气流。沿管截面上的气速分布颗粒在气流中，除随同气流一道运动外,还有颗粒的自身旋转运动，由于颗粒形态不规则而产生的气流推力的垂直分力。水平管中的悬浮输送机理由于颗粒间的碰撞或颗粒与管壁间碰撞而产生的垂直方向的反作用分力颗粒在垂直管中的运动状态气流速度等于粒子的悬浮速度时，颗粒在气流中呈流态化状态，自由悬浮在气流中；颗粒在水平管中的运动状态当气流速度很大时，颗粒全部悬浮，均匀分布于气流中，呈现所谓悬浮流状态。当气流速度降低时，一部分颗粒沉积管下部，但没有降落在管壁上，整个管截面上出现上部颗粒稀薄，下部颗粒密集的所谓两相流动状态，这种状12态为悬浮输送的极限状态。当气速进一步降低，将有颗粒从气流中分离出来沉于管底，香 于气流中。气速大于悬浮速度,进行气流输送,颗粒基本上是均匀分布具体到本课题马尾的输送，该气流输送机存在很大缺点，因为气流方案很适合颗粒输送，但马尾是细线状，如果选择此方案，很容易引起堵塞，即使修改出料口如图所示，再利用滑板控制进料口，也可以使马尾输送出来，但进给工作及机构工作不能实现自动化，并且纺织出来的马尾包芯纱肯定粗细不均，对于输送的马尾数量要求，该种输送装置很难达到，该种方案不能地实现输送马尾和其数量的要求，因此气流方案也不是好的选择。2.2.4 夹取输送方案夹取输送就是通过一个夹取器，将物料从初始位置移到指定位置。这种输送方法简单，优点多：首先夹取输送方案非常适用于小型的输送机，简单方便。其次夹取输送方案比较精确，可以非常准确的将指定数量物料送到指定位置。节省材料、成本低。但是作为最传统输送方式之一，他的还是有一些缺点的，例如：不能使用于大型输送；不能适用于粉末状的物料；而且灵活性比较差。就纺织机夹取机构设计方案如图 2-4 所示。图 2-4 夹取机构方案简图对于方案一：自由度计算 54F32nP37291由设计图可知，此方案所用部件都是常见，凸轮连杆和曲柄滑块，其组合后布局较简单，运动也容易实现，能够很好的满足设计要求，从而达到预期的目的，凸轮部分设计方法都完善，可以在以后基础上进行机构运动、动力等分13析。对于方案二：自由度计算 54F3238102nP由设计图可知，此方案也能很好的运动要求，但要进行具体设计较复杂，很难把运动比较合理的协调起来，特别是工件凸轮，使方案难度加大，除此之外，两个主动会引起运动的不协调，很大程度上限制了设计工作。2.3 方案的最终确定通过对四种输送方案的分析，可以看出摩擦、振动和气流输送适合用于各种情况，无论是大型物料还是小型物料，而夹取只能使用于小型物料的输送，但是就物料数量和位置的精确程度而言，夹取显然更好一些。由于本课题马尾的输送，要求数量和位置都非常精确，而对物料的大小没要求，显然应该选择夹取输送方案比较好。在夹取的过程中虽然也存在马尾之间的黏着性和摩擦力的问题，但是夹取的力量和摩擦、振动相比要大很多，在绝大多数情况下夹取力能克服马尾之间的摩擦及黏着的阻力。因此本课题选取夹取方案应该好一些。但是这个夹取输送并不是我们平常所想的那么简单，该方案是一个自动的夹取输送，从机构的设计出发，设计两种夹取方案，由设计图可知，对比两种设计方案，方案一能很好满足设计要求，并且设计的工作量也合理，因此学则方案一。这个自动的夹取输送是靠一个曲柄滑块机构合一个凸轮机构实现的。图 2-5 夹取机构终选方案将曲柄和凸轮铰接在一起，在一根轴上合理布局，有一个支撑脚架把摆杆上的一点铰接，在布局和具体设计确定后，给凸轮一个运动，就可以实现一个自由度的运动，从而达到预期设计目的。对一次方案，需要进行的设计：部件布局设计14部件的尺寸设计机构的运动分析机构的动力分析机构的运动仿真在夹取方案的零件设计时还要注意一些问题，就是夹取马尾纱的夹取器的设计，在遵循设计简单明了，尽量避免过于复杂，实现设计要求下，尽量使夹子占的空间少，这样可以避免马尾的分散。本章小结本章主要是在马尾纱织机关键部件改进的思路基础上，根据输送要求，提出了四种常见的输送方法：摩擦、振动、气流、夹取，再对每一种方法的原理和设计简要说明，对比利弊及输送要求，最后选定了夹取机构输送。再结合所学知识，提出了两种满足自由度要求的方案：凸轮连杆-曲柄滑块组合机构、空间凸轮-连杆组合机构，最后综合各自利弊，选定了关键部件的改进设计是前者。15第三章 马尾提取和输送机构运动协调性研究及运动分析3.1 机构的整体布局该马尾包芯纱自动纺织机的整体布局主要是电动机输出功率通过联轴器，带轮，电磁离合器等传动装置将功率和动力传到指定的执行机构,这里的执行机构主要指曲柄滑块机构和凸轮机构，曲柄滑块机构和凸轮机构负责马尾的提取并且把马尾输送至指定位置（轴承盒中） ，另一方面带轮带动轴承盒转动，使外面的棉线有规则的缠绕在马尾上，这就是生产出来的马尾包芯线。生产出来的纱线从轴承盒下面移出，通过滚筒的转动使纱线缠绕在其上，照此循环运动。该系统的大致框图以及结构简图如下图所示：图 3-1 系统框图整体方案的结构简图如下图 3-3 和图 3-4 所示：16图 3-2 输送马尾装置机构简图图 3-3 带动轴承盒和滚筒的装置机构简图3.2 机构运动协调性分析该马尾包芯纱自动纺织机马尾提取和输送是靠一个曲柄滑块机构和一个凸轮机构协调运动来实现的，曲柄转动带动连杆以此来带动工作台的升降，凸轮机构则控制夹子的张开与闭合以及张开闭合的时间的长短，当曲柄转动带动工作台上升时，凸轮同时带动外扩同时夹子在移动凸轮的作用下克服弹簧阻力慢慢张开，当工作台临近最高点时，夹取器完全张开，然后曲柄带动工作台下降，移动凸轮处于回程运动阶段使夹取器闭合夹取马尾，当工作台到最顶点时，夹取器张开输送马尾至纱线卷纱口，由纱线卷纱口出的一经、二纬三束棉线将马尾丝用线缠绕住形成马尾包芯纱，依次循环。移动凸轮是通过一根柔性轴实现升程和回程的交替运动，利用柔性轴的避障和远距离传动的功能实现躲避障碍和传动。曲柄滑块和凸轮协调运动循环图： 17图 3-4(a) 曲柄滑块和凸轮协调运动循环图图 3-4(b) 曲柄滑块和凸轮协调运动循环图1-凸轮 2-曲柄 3-夹子 4-罗拉如图可知：曲柄滑块机构和凸轮机构要严格运动协调，这是夹取及输送马尾的关键。也是本课题的关键所在。3.3 曲柄滑块机构运动分析3.3.1 曲柄滑块机构运动的电算分析曲柄慢慢转动带动工作台上升，凸轮通过柔性轴使夹子慢慢外扩，同时继续慢慢张开曲柄带动工作台到最高点同时凸轮达到远休止点，这时夹子已完全张开，并且已经达到最外面曲柄继续转动带动工作台开始下降，凸轮通过柔性轴使夹子内凹同时慢慢闭合夹取马尾曲柄带动工作台运动到最下端，凸轮通过柔性轴带动夹子开始外扩，并同时夹子张开松开马尾达到输送马尾的目的18图 3-5 曲柄滑块机构坐标简化图为了方便计算，将曲柄滑块部分重新建坐标，如下图：以 A 为圆心建立坐标系；图 3-6 曲柄滑块坐标图由封闭矢量多边形 ABCD 可得矢量方程： ACB即 （3-021iiBCiASelel1）由式（3-1）的实部和虚部分别相等可得（3-SllBCAB21coss2）（3-0sinsi21BCABll3）由式（3-2）和（3-3）消去转角 ，22112 )sin()cos(ABABBCllSl 19故 （3-1221sincosABCABlMlS4）根据本机构的情况，上式中 。滑块的位置参数 S 确定后，对应于一组 、S 值，可由式（3-2）和式（3-13）得到连杆的转角 ，即2（3-1cosinarctABlS5）将式（3-1）对时间求导可得（3-.)2/()2/(1 Sewlel iBCiAB6）方向： x 轴)2/(1i )2/(i大小： 1lAB2lBC.S意义： + = vvCv将式（3-6）的实部和虚部分别相等可得（3-.21sinsinSwllBCAB7）（3-0coco21llBAB8）由（3-8）可得连杆的角速度（3-212cosBCAlw9）将 代入式（3-7）可求得滑块的速度 。2w.Svc将式（3-6）对时间求导可得（3-.)2/()(2)(21 elewlel iBCiBCiAB10）方向： x 轴)(1i )(2i )2/(i20大小： 21wlAB2wlBC)2/(iBCel.S意义： + + = nanataCa将式（3-10）的实部和虚部分别相等可得（3-)sinco(cos2212 llBCABC11）和 （3-0ssinsin2BC212 lwllBCAB12）由式（3-12）可得连杆的角加速度（3-2212tancosilBCA13）将 代入式（3-11）可求得滑块的加速度 。2 C（3-222 211 sincos(costasin)cABCABBClwalwl 14）3.3.2 曲柄滑块机构滑块运动规律分析上面对曲柄滑块机构进行了电算分析，得出了滑块机构的位移、速度、以及加速度的表达式。为了更清晰的分析滑块的运动特性，需将其绘制成图表，但是对于用手工描点绘制不但操作复杂繁琐，而且不太准确，所以为了准确而形象表达出滑块的运动特性。凸轮转角是 60，也就是推程阶段，对应摆杆的摆角。滑块位移公式为H=200-S滑块数表如下：表 3-1 夹子水平位移数表摆杆摆角 (x)1曲柄转角 1滑块行程 S 滑块位移(y)0 0.0007 0.0056 0.0177 0.0380 0.06550.0972 0.08060.1612 0.2418 0.3224 0.4030 0.48360.5642 199.8377199.3526198.5494197.4364196.0247194.3284192.36450.16230.64741.45062.56363.97535.67168.3645210.1290 0.1566 0.1770 0.1891 0.19400.19480.6448 0.7254 0.8060 0.8866 0.96721.0478190.1523187.7133185.0711182.2507179.2785176.18149.847712.286714.928917.749320.721523.8186这里采取用 MATLAB 软件进行编程绘图，得出位移曲线。图 3-7 曲柄滑块位移曲线图3.4 凸轮连杆机构运动分析机构简化过程如下图 3-8 凸轮机构坐标简化图为了方便计算，将凸轮连杆部分重新建坐标，如下图：以 A 为圆心建立坐标系；y/mm/rad22图 3-9 凸轮机构坐标图取 E 点为原点，EF 初始位置的方向为 x 轴，各杆的向量方向及转角如图，有封闭向量多边形 EFHR 可得到向量方程。（3-FHER15）即 （3-120/2iiiiEFERHlellel16）由（3-16 ）式的实部和虚部分别相等可得（3-12cossiniEFFHERHlll17） 由（3-17 ）的第一个式子可得（3-12cosarcsERFHl18）将（3-18 ）式代入（3-17 ）的第二个式子得（3-12sinsiRHEFFHll19）速度分析：将（3-16）式对时间求导可得（3-12(/2)(/)/2i i iRHEFFHdlleleet20）方向： 1(/)i 2(/)i /i大小： EFlFHlRHldt23由（3-20 ）式的实部和虚部分别相等可得（3-12sinsin0cocoEFFHRHlldlt21）由（3-21 ）式中第一式可得（3-122sinEFHl22）将（3-22 ）代入（3-21 ）式的第二式可得（3-12coscosRHEFFHdllt23）（3-23 ）式计算出来的就是机构夹子水平方向运动的速度加速度分析：将（3-20）式对时间求导可得（3-11222(/2)()(/)()2 /i i i i iRHEFEFFHFHdlleleleleet24）方向： 1(/2)ie2()ie1(/2)ie2()ie/2ie大小： 1EFl1EFl2FHl2FHl2RHdlt由（3-24 ）式的实部和虚部分别相等可得（3-22121 21sinsincoscos0cocoininEFFHEFFHRHlllldlt25） 由（3-25 ）式中第一式可得（3-221 12coscossininEFFHEFlll26）将（3-26 ）代入（3-25 ）式的第二式可得（3-2 22121coscossinsinRHEFFHEFFHdllllt2427）（3-27 ）式计算出来的就是机构夹子水平方向运动的加速度以确定尺寸如下=100mm， =130mm =200mm EFlFHlERl夹子水平方向位移计算公式为推程 (0)RSl表 3-1 夹子水平位移数表摆杆摆角 (x)1推杆摆角 2杆长 HRl推程 (y)S0 0.0007 0.0056 0.0177 0.0380 0.06550.0972 0.1290 0.1566 0.1770 0.1891 0.19400.19480.69320.69320.69310.69300.69230.69060.68750.68310.67830.67410.67140.67030.670183.070283.140283.620284.820286.779389.355392.203694.920397.167298.753099.6683100.0373100.095400.070.551.753.716.299.1311.8514.1015.6816.6016.9717.03这里采取用 MATLAP 软件进行编程绘图，得出位移曲线。图 3-10 曲柄滑块位移曲线图x/mm/rad25注：竖直方向是夹子位移，水平方向是摆杆摆角3.5 机构整体运动过程中夹取夹子运动轨迹分析将夹子位移轨迹绘制在一个坐标中，水平方向是夹子水平位移，竖直方向是抬升高度。图 3-11 机构整体运动夹子位移曲线图竖直方向是夹子运动位移，水平方向是摆杆摆角，从图像可以清晰的看出，夹子的运动轨迹，在凸轮推程时期，水平方向最大位移是 17.03mm，竖直方向最大位移是 23.8128mm。从图 311 可以看出，夹子水平位移 016mm 区间，竖直位移上升较慢，为 015mm，当水平位移大于 16mm，竖直位移迅速上升。罗拉端，也就是夹子水平位移是 10mm 时，竖直位移是 9.5mm，远小于 20mm，所以不会产生干涉。如下夹子和罗拉的位置简图：图 3-11 机构整体运动夹子和罗拉位置简图对应位置图和计算数据，夹子的运动完全满足不干涉条件。y/mmx/mm夹子的运动轨迹罗拉26本章小结本章主要是对选定的输送机构凸轮连杆-曲柄滑块组合机构进行运动协调性和运动分析。根据输送要求，提出了机构系统的大致框图以及结构简图和具体的整体方案结构简图，再用循环框图和圆周循环图对其进行了运动的协调性分析。然后对机构运动分析，将空间凸轮-连杆组合机构拆分成两部分，分别运动分析，得出夹子的水平和竖直位移、速度、加速度规律。最后用 MATLAB 绘制出轨迹，再合成，得到夹子运动轨迹，和设计要求对比，满足与罗拉不干涉条件。27第四章 马尾提取和输送夹取机构的凸