非圆齿轮行星轮系引纬机构的反求设计与仿真分析【2013年最新整理毕业论文】

本科毕业设计（论文） 题 目 非圆齿轮行星轮系引纬机构的反求设计与 仿真分析 学 院 机械与自动控制学院 专业班级 机械设计制造及其自动化 09（ 4）班 姓 名 蒋程强 学 号 I09660210 指导教师 陈建能 系 主 任 学院院长 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 浙江理工大学本科毕业论文 i 摘要 剑杆织机的引纬机构，是剑杆织机的核心机构之一，其运动性能如何将在很大程度上决定着整台织机的性能与档次。所以，一种结构设计合理的剑杆引纬机构能够改善剑杆织机的工作效率与所生产产品的质量，提高经济效益。本文提出了一种新型的剑杆引纬机构，即非圆齿轮行星轮系剑杆引纬机构。 本文中分析了剑杆织机的引纬工艺要求，得到了剑杆织机引纬时主轴转过不同角度的时候剑杆应该有的位移、速度以及加速度。并以此为依据设定了剑杆的加速度运动曲线为一等腰梯形的 形状的曲线，经过进一步计算后得到了剑杆的运动学模型。本文设计的非圆齿轮行星轮系剑杆引纬机构的作用是 将主轴的匀速转动转换成剑杆的有规律的往复运动，根据这一模型 的传动规律建立运动学分析模型，结合其中非圆齿轮的特性得到节曲线方程。再基于 Visual Basic 6.0这个平台编写引纬机构反求设计与仿真软件，利用该软件可以反求出机构中各个参数的值，之后根据仿真的结果调整机构参数，最终得到符合引纬规律的合理的参数，证明本文设计的引纬机构是合理可行的。 关键词： 非圆齿轮；引纬机构；反求；剑杆织机 浙江理工大学本科毕业论文 ii Abstract The weft insertion mechanism is one of the key mechanism of the rapier loom. Its athletic performance has a lot of impact about the rapier rooms performance and its level. So, a weft insertion mechanism of the rapier rooms with reasonable structure can improve a lot of working efficiency, the quality of the product of the rapier rooms and the economic benefit. This paper comes up with a new weft insertion mechanism, named the planetary non-circular gears trains weft insertion mechanism. Some research about the technological requirements of the rapier loom has been done in this paper. The displacement, velocity and acceleration of the rapier was obtained when the spindle has different angle. And the motion curve of acceleration of the rapier has been designed as a isosceles trapezoid curve based on the research. Then the kinematics model of the rapier was worked out. The planetary non-circular gears trains weft insertion mechanism is used to change the uniform rotation of the spindle to reciprocating motion of rapier. According to the transmission rule of the planetary non-circular gears trains weft insertion mechanism the kinematics analytical model was finished. Combining with the character of non-circular gear its pitch curve was obtained. Meanwhile a reverse design and kinematic simulation software was compiled based on Visual Basic 6.0. The parameters of mechanism can be obtained by the software. Then these parameters were adjusted based on the result of simulation. The reasonable parameters which fit the law of weft insertion will be obtained at last, which proved that this weft insertion mechanism was reasonable and can be used. Keywords: Non-circular Gear； Weft Insertion Mechanism； Reverse Solution； Rapier Loom 浙江理工大学本科毕业论文 iii 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题的研究背景与意义 . 1 1.2 国内外剑杆引纬机构的研究现状及发展趋势 . 2 1.2.1 剑杆引纬机构的简介 . 2 1.2.2 国内外剑杆引纬机构的研究状况及发展趋势 . 2 1.3 非圆齿轮的发展及研究情况 . 5 1.3.1 非圆齿轮的介绍 . 5 1.3.2 非圆齿轮的研究状况 . 5 1.4 本设计的主要内容 . 6 第 2 章 非圆齿轮行星轮系引纬机构运动分析模型的建立 . 8 2.1 剑杆织机的引纬工艺要求 . 8 2.2 剑头的理想运动学曲线方程的建立 . 9 2.2.1 剑头理想运动曲线的构造 . 9 2.2.2 剑头运动学曲线方程的建立 . 10 2.3 非圆齿轮行星轮系引纬机构的模型简介 . 13 2.4 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求模型的建立 . 15 2.4.1 反求设计思想的简介 . 15 2.4.2 非圆齿轮行星轮系放大轮系的运动模型的建立 . 15 2.4.3 第一级非圆齿轮行星轮系运动模型的建立 . 17 2.4.4 第二级非圆齿轮行星轮系运动模型的建立 . 18 第 3 章 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求设计与运动仿真软件的设计 . 20 3.1 计算机辅助设计的简单介绍 . 20 3.2 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求设计与仿真软件的介绍 . 20 3.2.1 引纬机构反求设计软件的开发思路 . 20 3.2.2 引纬机构反求程序的关键性思想 . 20 3.2.3 引纬机构参数的设定 . 22 3.2.4 引纬机构反求软件的界面介绍 . 23 3.2.5 引纬机构反求软件各个控件的介绍 . 24 3.2.6 引纬机构反求软件的功能特点 . 28 第 4 章 引纬机构三维模型的建立与仿真 . 29 第 5 章 总结 . 33 参考文献 . 34 浙江理工大学本科毕业论文 1 第 1章 绪论 1.1 课题的研究背景与意义 全套资料带 CAD 图， QQ 联系 414951605 或 1304139763 纺织是人类社会最古老的一个生产部门，它与我们的生活息息相关。随着农业的发展和手工编 结技术的提高，纺织技术出现并发展起来。随着工业技术的提高，织机以其纺织速度快、产品质量高等优点逐渐取代原始纺织手段开始迅速发展起来。 我国已成为全球第一纺织大国，现有生产能力为 1.1 亿纺纱锭，加工全球纺织纤维总量的 42% 48%，生产的服装占全球服装产量的近二分之一，供应纺织品、服装占全球贸易量的二分之一 1。 但我国 却非纺织机械的生产大国，而 是纺织机械的进口大国，织造 行业 对进口设备的依赖度比较大 。据统计，我国纺织机械在 2011 年上半年的进出口累计总额为 38.56 亿美元，同比增长 44.89，其中纺织机械进 口 28.00 亿美元，同比增长 48.48 2。 我国的织机行业经过几十年的发展，目前已具有一定的生产规模和生产能力 3，但是与世界先进水平仍有较大的差距，因此 纺织机械技术装备的 研究和 发展 对提升 我国纺织工业的总体水平和竞争力 具有切实的意义 4。而引纬机构就是其中一项关键的研究内容。 引纬方式分为有梭引纬和无梭引纬，其中无梭引纬可分为喷水引纬、剑杆引纬、喷气引纬和片梭引纬四种 5。 自 1963 年汉诺威国际纺织机械展览会首次展出了商业性剑杆织机以来，随着新材料和新技术的广泛应用，这种织机的工艺性能日趋完善。 80 年代末，剑杆织机进入了全盛时期。用剑杆织机加工织物的范围，从中厚织物发展到轻薄织物，从服装面料发展到装饰和产业用织物，由单层织物发展到毛圈及双层起绒织物，从狭幅发展到 4.6m 的阔幅，由低速发展到高速。现今剑杆织机的最高入纬量已突破 1100m/min，纬纱的选色从单色发展到最多达 16 色 (德国 Dornier 剑杆织机 )。这是其他几种无梭织机不可比拟的 6。 剑杆织机它是利用往复移动的剑状杆将检口外因定筒子上的纬纱引入梭口，与有梭织机相比，它的入纬串高，织物质量优，机器噪声低，劳动生产率高。剑杆织机引纬过程纬纱 始终受到剑头的积极控制，可适应强捻纬纱的织造，不会出浙江理工大学本科毕业论文 2 现纬纱的退捻和纬缩疵点。剑杆引纬具有极强的多色纬纱织造功能，能十分方便地进行多色任意换纬，并且选纬 (换色 )运动对织机速度不产生任何影响，在装饰织物加工、毛织物加工和棉型色织物等加工中都得到了广泛使用 7。 1.2 国内外剑杆引纬机构的研究现状及发展趋势 1.2.1 剑杆引纬机构的简介 剑杆引纬机构是剑杆织机的五大核心机构之一，它将纬纱引入梭口，形成织物所需的纹理。能保证引纬失误少，可靠性高，可以实现对许多引纬比较困难的纱线进行引纬，其制织品种的适应性极其 广泛，同时剑杆织机的门幅宽，因此剑杆织机成为应用最广泛的一种无梭织机。现代织机在适应高速、高效的同时，对引纬机构的性能要求越来越高，引纬机构的好坏直接决定整机性能的优劣 8。正因为剑杆引纬机构在剑杆织机中的重要作用，国内外许多纺织领域内的学者都对其进行了研究，并取得了许多的成果。 1.2.2 国内外剑杆引纬机构的研究状况及发展趋势 目前，在国内外市场上出售的剑杆织机引纬机构主要有以下几种： 共轭凸轮引纬机构，如图 1-1 所 示， 该引纬机构有一个自由度，由共轭凸轮、连杆机构和轮系组成。共轭凸轮 1 使刚性角形杆 H1AH2作往复摆动，摆杆 AB 和杆H1AH2刚性连接，通过四连杆机构 ABCD 驱动与摇杆 CD 刚性连接的圆柱齿轮 2 作往复摆动。最后经过定轴轮系 Z1、 Z2、 Z3和剑轮 3 的放大，使与剑轮啮合的剑带4 获得往复直线运动。 这类机构很容易满足引纬要求的运动规律，其剑头运动规律在理论上可按照任意曲线要求来设计 9。该机构的性能取决于共轭凸轮的设计，但凸轮廓线加工精度要求相当高，制造难度大，如存在误差就易产生磨损冲击和振动加剧，影响正常的织造。 浙江理工大学本科毕业论文 3 变螺距螺旋传动引纬机构，如 图 1-2 所示， 主轴带动曲柄 AB，经过连杆 BC使滑块型螺母 C 产生往复运动，螺母 C 与螺杆 1 形成螺纹副，带动螺杆转动，从而带动螺杆轴上的剑轮 2 传剑。 这类机构结构简单，传动链短，结构紧凑，交接条件好，但传动效率低，而且变螺距螺旋副的加工也很困难 8。 差动轮系连杆机构传动的引纬机构，如图 1-3 所示。周转轮系的轴心 O 为筘座脚 CO 的摆动中心， AO1B 杆的转动经连杆分别传递给杆 DO 和筘座脚。 DO 的角速度 w1即为周转轮系内齿轮 1 的角速度， CO 的角速度 w2为 周转轮系转臂的角速度。在 w1和 w2作用下，中心轮 2 以合成速度 w3作往复摆动，通过圆锥齿轮系 (4、5、 6 和 7)带动传剑轮 88。该机构能很好的改善交接纬时纬纱张力变化大或纬纱松弛导致交接失误的现象，但是传动路线长、结构过于复杂。 图 1-1 共轭凸轮引纬机构 图 1-2 变螺距螺旋传动引纬机构 浙江理工大学本科毕业论文 4 空间四连杆引纬机构，如 图 1-4 所示 ， 2 为织机主轴，由曲柄 1、叉杆 3 和摇杆 4 组成的球面曲柄摇杆机构，通过连杆 5 带动扇齿轮 6，驱动剑轮 7。但 其引纬运动规律设计灵活性不如平面六连杆送纬、四连杆接纬机构 8。 电子引纬机构，如图 1-5 所示，这类引纬机构是机械电子技术结合的产物，是伴随着电子技术和控制技术的发展而提出的一种新的引纬方法。这类机构核心技术是伺服电机的控制 10。另外，与此相似的还有一种电磁控制 11机构。这类引纬方法的优点在于机构结构简单，能最大程度消除机械部件转动惯量带来的不良影响。通过改变引纬控制器中数据，可实现剑杆织机引纬运动规律的可选择性，满足和提高织机对不同纬纱的适织性能，进一步增强织造多品种织物的能力，提高织机的自动化水平 8。不过这类机构对电子技术 的要求较高，目前，该技术还没有获得普遍的推广和使用，尚处于实验改进阶段。 图 1-4 空间四杆引纬机构 图 1-3 差动轮系连杆机构传动引纬机构 浙江理工大学本科毕业论文 5 随着技术的不断革新，机械和电子的联系越来越紧密。引纬机构以后的发展也可能会逐渐的与微电子相结合，使我们对引纬运动的控制能够更加随心所欲。 1.3 非圆齿轮的发展及研究情况 1.3.1 非圆齿轮的介绍 非圆齿轮是 一种特殊的齿轮，与 圆齿轮的 不同之处在于 其 节曲线形状不规则。在圆柱齿轮的传动过程中，其传动比为一固定常数，从动轮和主动轮的转角呈线性关系；而对于非圆齿轮，其传动比为非特定的函 数，从动轮和主动轮的转角关系是非线性的。 一对互相啮合的非圆齿轮，当主动轮作匀速转动时，从动轮便作一定规律的变角速运动，非圆齿轮可使工作机构具有变速运动，能协调工作机构的循环周期，利用非圆齿轮机构与连杆机构串联组合，能获得等速或所需的运动规律 12。 而 要实现剑杆的往复运动需要多个齿轮组成非圆齿轮行星轮系才能实现。由于非圆齿轮的特性，当输入轴以匀角速度朝一个方向连续转动时，通过非圆齿轮轮系，输出轴的回转方向和转速都可能改变，因而有可能设计出输出轴作连续单向转动的、间歇转动的以及往复摆动的机构。 非圆齿轮节曲线可 以是任意不规则的形状，目前研究较多的节曲线主要有椭圆及其变阶形式、卵形、对数螺线形和傅里叶曲线等形状。 非圆齿轮 已经在机械工业等学科得到了较大范围的应用，常 见于如自动化仪表、农业机械、机床等行业 13。 1.3.2 非圆齿轮的研究状况 2O 世纪 40 年代开始，由于当时机械制工业的发展，对传动机构的要求愈来 图 1-5 电子引纬机构 浙江理工大学本科毕业论文 6 愈多样化、复杂化，已有的齿轮传动或其它传动机构很难满足需要。为了实现变传动比传动，人们突破了传统圆齿轮的局限而发明了非圆齿轮 14。但是由于一些问题的限制，以致影响了它的应用 15。例如如何表达 非圆齿轮节 曲线的方法，在得到非圆齿轮节曲线的离散数据后需要对其进行拟合，但是非圆齿轮节曲线的拟合对曲线拟合方法有很高的要求，拟合得到的节曲线需满足非圆齿轮实际的保凸性、压力角等要求。另外非圆齿轮的加工也不简单。由于非圆齿轮节曲线的不规则性，其齿廓难以用传统的齿轮加工方法加工生成。虽然数控机床的发展降低了非圆齿轮加工的难度，但是编制数控加工代码仍太繁杂，已开发的数控技术模块对非圆齿轮的加工通用性不高。 但是非圆齿轮与连杆机构、凸轮机构相比，具有较大的优越性尤其是它适用于高速旋转机构和能实现连续的单向循环运动。所以，人们 在加工非圆齿轮方面动了不少脑筋。 CAD 和程序语言开 发软件 等计算机技术的应用 10； 加工设备的智能化、参数化以及高精度化 11，机械制造行业也在朝着开发智能化、参数化的数控设备这一趋势发展 12； 线切割、粉末冶金和快速成型等新型非圆齿轮生产技术在非圆齿轮加工中的应用 ，使得非圆齿轮的加工问题已得到了很好的解决 13。 1.4 本设计的主要内容 本次毕业设计中研究的主要内容包括： 1） 了解、掌握 剑杆织机引纬工艺要求 清楚剑杆织机引纬时，主轴转过不同角度的时候剑头应该有的位移、速度以及加速度。 2） 建立剑头 的理想运动学曲线方程 根据最符合剑杆织机织造的原则，得到剑杆的理想运动学曲线方程。 3）由给定的 非圆齿轮行星轮系引纬机构 的传动原理，建立运动学分析模型 根据非圆齿轮的特性建立传动模型，将主轴的匀速转动转换成期望达到的剑杆的往复运动。 4）编写运动分析、仿真软件，进行参数反求。 根据得到的理想的运动学曲线方程，利用 MATLAB 编写 运动分析、仿真软件，反求出机构中各个参数的值。 浙江理工大学本科毕业论文 7 5）根据最佳参数，进行结构设计。 根据得到的参数和建立的运动模型，对结果进行仿真分析，并由仿真结果对参数进行适当的调整。 浙江理工大学本科毕业论文 8 第 2章 非圆齿轮行 星轮系引纬机构运动分析模型的建立 引纬机构用于将织机主轴的匀速回转运动转换为引纬剑头的变速往复直线运动，本章在满足剑杆引纬机构的工艺特性要求的基础上，设定了理想的引纬剑头运动规律，建立了该新型引纬机构的运动学反求模型，并根据引纬剑头的运动规律和已知的机构参数反求得到了非圆齿轮的节曲线方程。 2.1 剑杆织机的引纬工艺要求 引纬机构最终要应用在剑杆织机中，所以它必须满足剑杆织机的引纬工艺要求。 典型的剑杆运动规律有下列特征：在剑杆向梭口内运动起始处，送纬剑和接纬剑运动缓慢，而且送纬剑更慢，这有利于送纬剑能在较短 的距离内正确夹持住纬纱。在梭口中央交接时，送纬剑和接纬剑运动也缓慢，有利和缓交接，降低纬纱张力 2。 且交接时需满足一定的纬纱交接冲程要求，一般理论交接冲程取10mm。 所以我们能得到剑杆引纬的一系列特点：剑头在梭口内停留时间较长，占主抽转角 200 240，甚至更长些；剑头进出梭口的时间可调范围小，剑头进入梭口约在 60 90间，出梭口约在 280一 310间，空程可使剑头迟进、早出梭口，常见的剑杆织机引纬机构工作圆图如图 2-1 所示。为了满足剑杆运动规律，需要调整的主要引纬参数有剑头初始位置、剑头动程 、纬纱交接配合、剪纬、释放纬纱和剑头运动的配合 6。 浙江理工大学本科毕业论文 9 2.2 剑头的理想运动学曲线方程 的建立 2.2.1 剑头理想运动曲线的构造 剑杆织机剑头运动规律的优化可以使引纬运动更加平稳 ,改善纬纱的受力状况 ,提高入纬率 ,适应高速织机的要求 ,大大改善织机的织造性能。常用的剑头运动规律有正弦加速度规律、梯形加速度规律和修正梯形加速度规律等。已有的一些计算表明 ,在动程和运动时间相同的条件下 ,正弦加速度规律的加速度峰值比修正梯形加速度规律的加速度峰值大 45%,速度峰 值大 4%。结合剑杆织机剑头的运动规律要求，在目前常用的剑头运动规律中 ,修正梯形加速度运动规律是最优越的。修正梯形加速度运动规律是指引纬加速度曲线的形状类似于梯形 ,在梯形的转折处用多项式曲线光滑过渡。过渡曲线设计是修正梯形加速度运动规律的重点和难点。 目前有很多种研究剑杆运动规律曲线的方法，例如直接假设位移曲线方程 ,然后根据各曲线段的位移、速度、加速度关系以及曲线的连续、光滑条件 ,找出各段曲线的边界条件 ,列出方程组依次求解出位移、速度、加速度曲线方程。虽然该种设计方法能很好地满足剑头的运动要求 ,但其优化变量有 11 个之多 ,计算量较大；或者采用 5 次多项式来设计加速度的过渡曲线 ,这种方法满足了高速剑杆织机对加速度、跃度无突变的要求 ,剑头的运动也很平稳 ,冲击较小 ,是一种较为优越的运动规律 ,但随着多项式次数的增加 ,引纬机构精度要求提高 ,零件加工难度加大 ,成本增高 ,机构对误差的敏感性也相应提高。因此本设计根据修正梯 图 2-1 剑杆织机引纬机构工作圆图 浙江理工大学本科毕业论文 10 形加速度剑头运动规律，在现有的成果之上采用三次埃尔米特插值多项式构造4 段过渡曲线 20， 构造了理想的引纬机构加速度运动规律曲线。再根据得到的加速度运动曲线规律分别进行一次和两次积分求得引纬机构的速度运动规律曲线和位移运动规律曲线。 引纬机构加速度运动规律曲线如图 2-2 所示 2.2.2 剑头运动学曲线方程的建立 1、加速度方程的建立 以下是一些参数的设定 ：引纬工艺参数，主轴转角，由引纬工艺条件决定； 1、2、3：对应剑头运动过程中主轴的转角，为已知量； S 剑头加速度，由织机所需的筘幅决定筘幅； h 最大正向加速度值，根据剑杆动程要求确定； xh 加速度初始值，为应变量。 由 引纬机构加速度运动规律曲线可知 ，当 在10, )区间时 设 231 0 1 2 3()f a a a a 由边界条件：1 0 021 1 2 3231 1 0 1 1 2 1 3 121 1 1 2 1 3 1( 0 )( 0 ) 2 3 0()( ) 2 3 0f a hf a a af a a a a h hf a a a 图 2-2 引纬机构加速度运动规律曲线 浙江理工大学本科毕业论文 11 得000 0 1 2 323113 ( ) 2 ( ), 0 , ,h h h ha h a a a ，所以 23000 23113 ( ) 2 ( )() h h h hSh （ 2-1） 当 在12 , )区间时 易知： ()Sh （ 2-2） 当 在23 , )区间时 设 232 0 1 2 3()f a a a a 由边界条件：22222323()( ) 0()( ) 0xfhffhf ，得 322 2 3 2 3 2 30 1 2 33 3 3 33 2 3 2 3 2 3 2( 3 ) ( ) 6 ( ) 3 ( ) ( ) 2 ( ), , , ,( ) ( ) ( ) ( )x x x xh h h h h h h ha h a a a 故 32 232 2 3 2 3 2 33 3 3 33 2 3 2 3 2 3 2( 3 ) ( ) 6 ( ) 3 ( ) ( ) 2 ( )()( ) ( ) ( ) ( )x x x xh h h h h h h hSh （ 2-3） 当 在3,区间时 易知： ()xSh （ 2-4） 为了利于纬纱的交接，也便于织机的调试，剑头进足开始退剑时 () 的速度 0v ，因此在 0, 内，函数 ()f 与 轴所围成的正负面积之和必须为零，即120AA。因此可得等式 1321 2 1 2 30 ( ) d ( ) ( ) d ( ) 0xf h f h 即： 0 3 21 2 1 3( ) ( )( ) ( )022 x xh h h hhh 得：1 2 3 1 023()2 xhhh （ 2-5） 由于 , 2 这一段的曲线与 0, 这一段的 曲线关于 对称，所以浙江理工大学本科毕业论文 12 加速度方程为： 23000 1 123111 2 2 13222 2 3 2 3 2 33 3 33 2 3 2 3 23233323 ( ) 2 ( ) 0 , ) 2 ,2 , ) 2 ,2 )( 3 ) ( ) 6 ( ) 3 ( ) ( )( ) ( ) ( )2 ( ) , ) 2 ()x x xxh h h hhhh h h h h hShhh 3233,2 ) , 2 )xh （ 2-6） 2、速度方程的建立 设织机主轴角速度为 ，即 ，对加速度曲线进行积分即可得到速度曲线，即 T2001ddS S t S ，整理可得 0, 段的速度曲线方程如下： 340 0 01231101 112320 1 2 2 3 22 1 23322 2 3 32 3 2 2 3 2332( ) ( ) 0 , )2() () , )2( ) ( ) ( 3 ) ( )( ) ( )2 ( )3 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) (xxxh h h h hhh hh h h hhhSh h h h 44223333 2 3 20 1 3 2 1 2 33( ) ( ) , ) 2 ( )( ) ( 2 ) , 2xxhhh h h （ 2-7） 由于速度曲线关于点 (,0) 呈中心对称，所以 (,2 段的速度曲线表达式可以表示为： ( ) ( 2 )SS 3、位移方程的确立 接着再对速度曲线进行积分，得到位移曲线，即 T2001ddS S t S ，整理后可得 0, 段的位移曲线方程如下： 浙江理工大学本科毕业论文 13 2450 0 012 2 2 2 31122 20 1 0 1 0 1 1 1122 2 2 22 20 1 0 1 2 0 2 12 2 1 22 2 2 2 2( ) ( ) 0 , )2 4 1 03 ( ) ( ) ( ) () , )2 2 0 2 23 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 0 2 2 2(h h h h hh h h h h hh h h h h hhhhS 3 2 2 3 3 222 2 3 2 2 3 2 222 2 3 2 33 2 3 24 4 3 5 5 42 3 2 2 2 2232 3 2 33 2 3 220 1 0 1 2 222( ) ( 3 ) ( ) ( ) ( 2 3 )2 2 ( ) ( )( ) ( ) ( 3 4 ) ( ) ( 4 5 ) , )4 ( ) 1 0 ( )3 ( ) ( )2 0 2xxxxh h h hh h h hh h h h h 20 3 2 1 2 1 3 22 2 22 3 2 2 3 3 23 2 2 2 3 3 2 2 3 3 2 2 32 2 3 2 33 2 3 24 4 3 5 5 42 3 3 2 2 3 3 2 2 32332( ) ( ) ( ) ( )22( ) ( ) ( 3 ) ( ) ( ) ( 2 3 )2 2 ( ) ( )( ) ( ) ( 3 4 ) ( ) ( 4 5 ) 4 ( ) 1 0xxxxh h hh h h h hh h h h 23320 1 3 3 2 1 3 2 332 ()( ) ( ) ( ) ( ) ( ) , 2xh h h （ 2-8） 由于位移曲线关于 这一轴对称，所以 (,2 这一段的位移曲线方程可以表示为： ( ) ( 2 )SS。 2.3 非圆齿轮行星轮系引纬机构的模型简介 在本设计中我们采用非圆齿轮行星轮系这一引纬机构，该剑杆织机引纬机构的机构简图如图 2-3 所示 浙江理工大学本科毕业论文 14 该机构的行星架 1 由织机主轴 2 驱动，主动非圆太阳齿轮 3 活套在从动非圆太阳轮轴 4 上，主动非圆太阳齿轮 3 固定不动。位于行星架 1 两侧的行星轴 5由行星架 1 驱动，两根行星轴 5 上分别固结有从动非圆行星齿轮 6 和主动非圆行星齿轮 7，主动非圆太阳齿轮 3 和两个从动非圆行星齿轮 6 啮合，从动非圆太阳齿轮 8 和两个主动非圆行星齿轮 7 啮合，从动非圆太阳轮轴 4 上固定有大圆柱齿轮 9，大圆柱齿轮 9 和装在小圆柱齿轮轴 11 一端的小圆柱齿轮 10 啮合。小圆柱齿轮轴 11 的另一端固定有大圆锥齿轮 12，大圆锥齿轮 12 和装在小圆锥齿轮轴14 一端的小圆锥齿轮 13 啮合。小圆锥齿轮轴 14的另一端固定有剑轮 15。剑轮15 与剑带相互啮合，通过控制剑轮 15 的运动规律来使得剑头按预定设计的规律来进行运动。 在理论上来说只要设计出合适的非圆齿轮节曲线，就可以得到任意运动规律的剑杆运动曲线。该机构与其它类型的引纬机构相比，结构紧凑，传动链短，传动效率高，能够适应更多的设计需 求，具有更高的设计灵活性。 1 行星架 2 织机主轴 3 主动非圆太阳轮 4 从动非圆太阳轮轴 5 行星轴 6 从动非圆行星轮 7 主动非圆行星轮 8 从动非圆太阳轮 9 大圆柱齿轮 10 小圆柱齿轮 11 小圆柱齿轮轴 12 大圆锥齿轮 13 小圆锥齿轮 14 小圆锥齿轮轴 15 剑轮 图 2-3 非圆齿轮行星轮系引纬机构简图 浙江理工大学本科毕业论文 15 2.4 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求模型的建立 2.4.1 反求设计思想的简介 反求 工程 这一术语起源于 20 世纪 60 年代 ， 但从工程的广泛性对它 进行 研究 ,从反求的科学性进行深化还是从 20 世纪 90 年代初刚刚开始 。 反求工程类似于反向推理 ,属于逆向思维体系 。 它以社会方法学为指导 ， 以现代设计理论 ， 方法 ，技术为基础 ， 运用各种专业人员的工程设计经验 ， 知识和创新思维 ， 对已有的产品 或想要达到的结果 进行解剖 ， 分析 ， 重构和再创造 ,在工程设计领域 ,它具有独特的内涵 ,可以说它是对设计的设计 21。 反求 技术是测量技术 ， 数据处理技术 ， 图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技术 。 随着计算机技术的飞速发展和上述技术 的 逐渐成熟 ,近年来在新产品设计开发中愈来愈多的得到应用 ， 因为在产品开发过程中需要以 设计的结果作为设计依据参考模型或作为最终验证依据时尤其需要应用该项技术。 2.4.2 非圆齿轮行星轮系放大轮系的运动模型的建立 非圆齿轮行星轮系引纬机构的行程放大轮系部分如图 2-4 所示 主轴的转动传递到 从动非圆太阳齿轮 8 之后，由齿轮 8 通过 从动非圆太阳轮 9 大圆柱齿轮 10 小圆柱齿轮 11 小圆柱齿轮轴 12 大圆锥齿轮 13 小圆锥齿轮 14 小圆锥齿轮轴 15 剑轮 图 2-4 非圆齿轮行星轮系引纬机构放大轮系 浙江理工大学本科毕业论文 16 轴 4 传递到 大圆柱齿轮 9，再传递到与之相啮合的小圆柱齿轮 10，然后通过 小圆柱齿轮轴 11 传递到大圆锥齿轮 12，再传递到与之相啮合的 小圆锥齿轮 13，最后通过 小圆锥齿轮轴 14 传递给剑轮。在 2.2.2 中我们已经知道剑轮连接的剑杆剑头的加速度，速度，位移等运动规律，可以根据运动的传递路径反向求得从动非圆太阳齿轮 8 的运动规律。 非圆齿轮行星轮系引纬机构所需的相关参数如表 2-1 所示 表 2-1 符号 表示的含义 符号 表示的含义 a 椭圆齿轮 3、 6 的长 半 轴 b 椭圆齿轮 3、 6 的短 半 轴 c 椭圆齿轮 3、 6 的焦距 k 椭圆齿轮 3、 6 的 偏心率 w 织机主轴的角速度 n 织机主轴 的 转速 1 织机主轴的角位移 3 主动椭圆太阳 齿 轮 3 的角位移 6 从动椭圆行星 齿 轮 6 的角位移 7 主动非圆行星 齿 轮 7 的角位移 8 从动非圆太阳 齿 轮 8 的角位移 9 大圆柱齿轮 9 的角位移 10 小圆柱齿轮 10 的角位移 12 大圆锥齿轮 12 的角位移 13 小圆锥齿轮 13 的角位移 15 剑轮 15 的角位移 9z 大圆柱齿轮 9 的齿数 10z 小圆柱齿轮 10 的齿数 12z 大圆锥齿轮 12 的齿数 13z 小圆锥齿轮 13 的齿数 r 剑轮 15 的半径 S 剑头的位移 S 剑头的速度 S 剑头的加速度 maxS 剑头加速度的 最大值 zongi 齿轮 9、 10、 12、 13 组成的 行程 放大轮系的总传动比 3r 主动椭圆齿轮 3 的向径 6r 从动椭圆齿轮 6 的向径 7r 主动非圆齿轮 7 的向径 8r 从动非圆齿轮 8 的向径 由剑头的位移，速度，加速度，以及剑轮的半径，可以求得剑轮 15 的角位移，角速度，角加速度，如下列式子所示 浙江理工大学本科毕业论文 17 151515/srsrsr 根据设定的放大轮系的各个齿轮半径可以得到行程放大轮系的总传动比9 1210 13zongz zi zz 从而可以求得大圆柱齿轮 9 的角位移，角速度和角加速度，因为从动非圆太阳轮 8 与大圆柱齿轮 9 是同轴传动的，所以可得 8 9 1 58 9 1 58 9 1 5/z o n gz o n gz o n giii （ 2-9） 2.4.3 第一级非圆齿轮行星轮系运动模型的建立 本设计的非圆齿轮行星轮系引纬机构总共包含有两级的非圆齿轮轮系，第一级是由椭圆齿轮行星轮系构成。如图 2-5 所示 图中椭圆 齿轮 3 固定不动，椭圆齿轮 6 与齿轮 3 通过行星架 1 相连接，两个齿 轮的轴心3O,6O分别为对应椭圆的的焦点，行星架 1 围绕着椭圆齿轮 3 以 w 的角速度在运动，椭圆齿轮 6 在行星架 1 的带动下，一边围绕着轴心 6 做自转运动，一边围绕着椭圆齿轮 3 做公转运动，点 p 为两个齿轮在运动过程中的啮合点。当行星架 1 转过角度1时，由于椭圆齿轮 3 是固定 不动的，所以齿轮 3 相对于行星架 图 2-5 椭圆齿轮行星轮系示意图 浙江理工大学本科毕业论文 18 1 转过角度 13，与此同时椭圆齿轮 6 相对于行星架转过角度 16。 根据椭圆本身的特性可以得到 2133/ ( c o s )r b a c （ 2-10） 2166/ ( c o s )r b a c （ 2-11） 由于两齿轮的轴心都是对应齿轮的 焦点所以他们的中心距为 2a ，因此在传动的过程当中 362r r a （ 2-12） 由（ 2-9）、（ 2-10）、（ 2-11）三式可得 121 36 2 1 23( c o s )c o s( 2 2 c o s )a c b aa a c b c c （ 2-13） 由式（ 2-13）可以得到 16和 13的关系如下 11 336 6rr （ 2-14） 2.4.4 第二级非圆齿轮行星轮系运动模型的建立 非圆齿轮副是用来传递非匀速传动比的，其节曲线就是一对互相啮合的齿轮在其啮合过程中实现无滑动地纯滚动的共扼曲线，一般不为圆。设计非圆齿轮主要由两个关键因素，首先是确定非圆齿轮副的节曲线，这也是最关键的一步。其次是确定非圆齿轮其它的几何参数。 在实际设计中，通常有三种方式来计算节曲线，即：给定非圆齿轮传动比函数和中心距；给定再现函数和中心距；给定主动非圆齿轮的节 曲线方程和中心距。本文采用的是第一种方案。 由第一级椭圆齿轮行星轮系的运动模型可以知道，当 主动椭圆齿轮 3 相对 于行星架转过角度 13时， 从 动椭圆齿轮 6 相对 于 行星架转过角度 16，此时 第一级相互 啮合 的 椭圆齿轮的向径 分别 为3r和6r， 此瞬时传动比为 11 3636 163rir （ 2-15） 浙江理工大学本科毕业论文 19 这个时刻从动非圆齿轮 8 和主动非圆齿轮 7 的啮合向径为8r，7r，那么可得 1 1 11 8 8 6 7 383 1 1 13 7 3 8 6rrirr （ 2-16）假设从动非圆太阳轮 8 与行星架之间的传动比为 1 8811di d 而由于椭圆齿轮 3 是固定不动的，所以3 0，那么可以得到 11 8 8 1 8 1 88 3 8 113 3 1 1 1( ) ( ) ( )11( ) ( ) ( )d d d diid d d d （ 2-17） 有机构可知主轴与行星轴的中心距为 3 6 7 8 2r r r r a （ 2-18） 由（ 2-14）、（ 2-15）、（ 2-16）、（ 2-17）四式可得 81781361211iraii 872r a r 由设计的机构的传动关系可得 117 6 11361i 18 8 1 综上所述，可以得到非圆齿轮 7 的节曲线方程为 8178136117 6 113612111iraiii （ 2-19） 非圆齿轮 8 的节曲线方程为 8718 8 12r a r （ 2-20） 浙江理工大学本科毕业论文 20 第 3章 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求设计与运动仿真软件的设计 3.1 计算机辅助设计的简单介绍 计算机辅助设计一般是指 通过向计算机输入设计资料，由计算机自动地编 制程序，优化设计方案 ，得到 产品或零件图的过程 。 计算机辅助分析是综合计算机技术、应用数学和模拟理论而发展起来的，现今被广泛应用于机械设计等领域，已成为产品设计、研究和分析复杂应用问题的重要工具。本设计需要得到最终机构的运行数据，以此来分析各参数间的相关性。而 Visual Basic 6.0 有着较强的数据分析能力以及强大的人机交互功能，所以本文将以 Visual Basic 6.0 为设计平台，对非圆齿轮行星轮系引纬机构进行反求设计，并对机构进行运动仿真分析。 3.2 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求设计与仿真软件的介 绍 3.2.1 引纬机构反求设计软件的开发思路 根据第 2章中建立的非圆齿轮行星轮系引纬机构的运动分析模型编写计算程序，根据引纬工艺的要求输入合理的参数得出机构的运动模型以及运动轨迹，并反求出节圆曲线的各个离散数据为三维模型仿真做好准备。 3.2.2 引纬机构反求程序的关键性思想 根据第 2 章建立的非圆齿轮行星轮系引纬机构的运动学反求模型，编写反求计算的程序框图，如表 2-2 所示。其中 h 为最大正向加速度，1c为 比例系数， n 为织机主轴的转速，1x，2x，3x为引纬运动规律曲线的角度参数，分别对应于图2-2 中的角度参数 1 ，2，3； a 为椭圆齿轮的长半轴， k 为椭圆齿轮的偏心率，r 为传剑轮的半径， 为接纬提前角， 3z ， 6z ， 36m 分别为第一级传动中心椭圆齿轮和行星椭圆齿轮的齿数和模数，8z，7z， 78m分别为第二级传动中心非圆齿轮浙江理工大学本科毕业论文 21 和行星非圆齿轮的齿数和模数，ij为纬纱交接冲程，ds为仿真速度调节参数。 表 3-1 Read h ，1c， n ，1x，2x，3x For 1=0 to 360 01h ch，1 2 3 1 023()2xx x x h x hh xx ， 260nw ， 0, 2x 引纬剑头运动规律 方程，详见第 2 章式 (2-6)， （ 2-7)，（ 2-8） Read a ， k ， r ， ，3z，6z，36m，7z，8z，78m，ij，ds 推导从动非圆太阳轮 8 的运动规律方程，见 式 (2-9) 推导第一级椭圆齿轮传动比函数， 23 13( c o s )brac ， 26 16( c o s )brac ，6363ri r 第二级非圆齿轮传动比函数， 118 8 18 3 8 113 3 1() 1ddii ， 116378 18 3 3 6 8 11(1 )iii i i 由传动比函数和已知中心距，7 17821 ar i ， 117 6 11361i ，详见式（ 2-19） 根据几何关系得到7x，7y，详见式（ 2-21） 872r a r， 18 8 1 ，详见式（ 2-20） 18 8 8cosxr ， 18 8 8sinyr 第二级非圆齿轮行星轮系机构示意图 如图 3-1 所示 浙江理工大学本科毕业论文 22 8O，7O分别为中心齿轮 8 和行星齿轮 7 的轴心 , A 为 两齿轮的啮合点， AF 垂直于 x 轴，7OB为行星齿轮 7 的第 i 条向径，所以 B 点的坐标即为（8x，8y），其中 18 7 7O O D , 183AO F ，7BOC为选取的第 i 条向径所对应的非圆齿轮7 相对于行星架 1 的角度，设位 17()i。假设7O的坐标为（1mx，1my），在得到7x，7y之后，根据几何关系可以得到 1 1 1 1 1 17 1 7 7 3 7 7 7 3 71 1 1 1 1 17 1 7 7 3 7 7 7 3 7( c o s ( ) c o s ( ) s i n ( ) s i n ( ) )( c o s ( ) s i n ( ) s i n ( ) c o s ( ) )mmx x r i r iy y r i r i （ 2-21） 3.2.3 引纬机构参数的设定 目前我们国家大多数的剑杆织机的额定筘幅的范围大概在 190cm 至 360cm左右，为了与国内剑杆织机的技术水平相配合，设定引纬剑头的最大正向加速度h 为 560m/s2，那么其对应的剑头单边总动程为 147.5cm。另外，参考常见剑杆织机的传动结构和引纬机构的布置方案，选取椭圆齿轮的长半轴 a 为 70mm，即行星轴和织机主轴的距离为 140mm。根据剑杆引纬工艺要求，为了使引纬运动更有利于纬纱的交接减少纬纱张力，设定接纬剑头的先行角为 10 ，纬纱交接冲程为10mm。 根据引纬机构反求软件，可以得到几个重要参数对反求得到的非圆齿轮节曲线不同的影响程度，通过调整优化得到了一组较优的机构参数：椭圆齿轮偏心 图 3-1 第二级非圆齿轮行星轮系机构示意图 浙江理工大学本科毕业论文 23 率 0.2h ，剑轮半径 150r mm ，行程放大轮系总传动比 18.436zongi ，其中对应的各齿轮参数分别为：9 74z 、10 17z 、9 10 4mm、12 74z 、13 17z 、12 13 4mm。 3.2.4 引纬机构反求软件的界面介绍 该引纬机构反求软件的操作界面如图 3-2 所示， 界面窗口的最上方包含软件的 名称、版本号和版权等信息 。下方的操作界面主要分为 6 个区域：区域 1 是软件在运行仿真的时候输出的剑杆运动学曲线，包括剑杆的加速度曲线，速度曲线和位移曲线；区域 2 是有关加速度曲线的参数的输入区域，可以根据需要调整其中的正向加速度峰值，主轴参数以及加速度曲线参数等数据，这些数据的修改会影响到区域 1 中输出的剑杆运动学曲线；区域 3是画面显示窗口，在仿真过程中机构简图的显示以及机构运动的过程都是在该区域显示；区域 4 是控件的放置界面，在软件运行过程中需要对控件进行点击操作才能实现参 数计算，运动模拟以及数据保存等操作；区域 5 是有关引纬机构的参数输入区域，可以根据需要调整机构中一些零件的参数，这些数据的修改会 对机 图 3-2 引纬机构反求软件的操作界面 浙江理工大学本科毕业论文 24 构中的传动比，节曲线方程等产生影响；区域 6 是数据输出区域，从中可以读出在机构运动过程中零部件在不同时刻的运动情况。 3.2.5 引纬机构反求软件各个控件的介绍 基于 Visual Basic 6.0 的软件开始运行时需要对控件进行操作才能实现软件中想要的功能。 1、参数计算 软件开始运行后在区域 2以及区域 5输入参数之后，点击参数计算，软件就会根据当前状态下的参数对引纬机构进行计算， 并在区域 1 中输出 剑杆的运动学曲线，在区域 6 中输出放大轮系传动比，单边总行程以及接纬剑头位移这几个参数。此时“初始位置”，“机构示意图”，“退出”这三个控件变为可选择状态。如图 3-3 所示 2、初始位置 该控件用于在仿真开始之前确定机构的运动初始位置，点击初始位置之后，仿真机构的运动简图会在区域 3 中显示出来，这时“运动模拟”和“数据保存”这两个控件变为可选择状态，如图 3-4 所示 图 3-3 软件进行参数计算后的界面 浙江理工大学本科毕业论文 25 3、运动模拟 该控 件为机构开始仿真分析的命令按钮，运行后区域 3中显示的机构会开始运动，区域 1 中剑杆运动学曲线上的指示点会根据当前时刻的运动情况反映出对应的剑杆加速度，速度以及位移的值。在运动仿真的过程中“运动模拟”这一控件的名称会变成“暂停”，如果点击“暂停”按钮，区域 3 处仿真运动会停止在当前的时刻，区域 1 的曲线上的指示点也会停留在与当前时刻剑杆的加速度、速度和位移相对应的位置上。而且“暂停”按钮的名称会变成“继续”，同时“步进”和“步退”按钮变为可选择状态，如图 3-5 所示。这时如果点击“步进”按钮，区域 3 中的机构会显示在当 期位置的基础上织机主轴前进 1后整个机构所呈现的状态，如果点击“步退”按钮，区域 3中的机构会显示在当期位置的基础上织机主轴后退 1后整个机构所呈现的状态，如果点击“继续”则机构会再一次进入仿真运动状态。 图 3-4 仿真初始位置界面 浙江理工大学本科毕业论文 26 4、机构示意图 该软件运行后，“机构示意图”这一按钮处于可选择状态，点击之后就会在区域 3中显示出机构的示意图，如图 3-6所示，这时“机构示意图”按钮的名称会变成“隐藏示意图”，点击之后机构示意图被隐藏。 图 3-6 机构示意图显示界面 图 3-5 仿真运动暂停时的界面 浙江理工大学本科毕业论文 27 5、数据保存 在进行运动仿真之后点击“数据保存”按钮，软件会把所有的输入输出的参数以“ txt”格式保存起来如图 3-7 所示，图 3-8 是保存后的部分数据 6、退出 点击“退出”按钮之后，软件会结束运行。 图 3-8 运动仿真后保存的部分数据 图 3-7 数据 保存时的界面 浙江理工大学本科毕业论文 28 3.2.6 引纬机构反求软件的功能特点 该引纬机构反求软件以 Visual Basic 6.0 为平台，根据第 2 章中建立的运动分析模型编写运算程序，使得该软件不仅能直观的显示出所设计的引纬机 构的运动状态，更能定量的得出机构的参数和最终的运动曲线。根据输出的结果再结合实际的引纬工艺要求对不恰当的地方能方便快捷的做出优化修改。 浙江理工大学本科毕业论文 29 第 4 章 引纬机构三维模型的建立与仿真 由上述的引纬机构反求软件的功能介绍可以知道，该软件在运行过后可以将引纬机构中所需的参数输出并保存。这些数据中包含着非圆齿轮以及椭圆齿轮的节曲线离散点，根据这些点再基于学院课题组已经研究过的齿廓生成软件就可以得到各个齿轮完整的外形轮廓。这样就可以在三维建模软件中建立所设计的剑杆引纬机构模型。 如图 4-1， 4-2， 4-3， 4-4 所示分 别为机构中非圆齿轮 8， 7 以及椭圆齿轮 3，6 的三维模型 图 4-1 非圆齿轮 8 图 4-1 非圆齿轮 7 图 4-3 椭圆齿轮 3 图 4-4 椭圆齿轮 6 两非圆齿轮以及椭圆齿轮在机构中的啮合情况如图 4-5， 4-6 所示 浙江理工大学本科毕业论文 30 图 4-5 非圆齿轮啮合示意图 图 4-6 椭圆齿轮啮合示意图 在该机构中行星架被设计为一个大圆盘，再通过轴将行星轮与太阳轮连接在一起，组成第一，第二级行星轮系，如图 4-7 所示 浙江理工大学本科毕业论文 31 图 4-7 行 星架的结构 最后根据实际情况合理的设计其它的齿轮以及部件，最后得到的剑杆引纬机构的三维模型如图 4-8 所示 图 4-8 剑杆引纬机构三维模型 浙江理工大学本科毕业论文 32 三维模型构建完成之后需要建立适当的约束，再将其导入 Adams 软件中进行三维仿真分析 ，如图 4-9 所示，证明其运行规律是符合实际引纬工艺要求的。 图 4-9 引纬机构三维仿真分析过程 浙江理工大学本科