多臂机选综系统运动学分析与凸轮再设计

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论文字数:43225 论文编号:sb2021100814430138662 日期:2021-11-01 来源:硕博论文网
本文是一篇机械论文,本文对多臂机选综系统进行动力学建模分析时,忽略了凸轮与滚子间的摩擦磨损、基本尺寸误差和部分构建形变等影响因素,应考虑建立更精确的动力学模型,并且找出更加快速高效求解动力学方程的方法,同时应进一步对动力学机理进行研究。

第一章  绪论

1.1  课题研究背景及意义
中国的纺织历史起源于新石器时期,早在 6000 年前,就出现了纺轮等纺织工具。随着科技的迅速发展,人们对物质生活的要求不断提高,传统纺织机械逐渐被高速化,智能化的织造设备所替代。
开口机构作为织造运动的第一步,也是关键的一步,为后续织机的顺利运行做好准备工作。多臂机是其中的一种开口装置,而选综系统作为其中最重要的控制机构,对准确控制综框的运动顺序至关重要,是用户织造要求的最终完成点。
纺织与人们的生活息息相关,所以纺织业的发展对促进国民经济的发展具有十分重要的意义。建设成为纺织强国,需要加强对纺织业的基础能力的提高,而纺织业的结构调整和产业升级的核心在于纺织机械设备,纺织机械设备是纺织产品的生产工具,它的质量、技术水平和制造成本,都直接影响到纺织业未来的发展。尽管我国纺织机械行业已经发展了几十年,与以前相比有了很大的进步,但我国制造水平与国际上先进的制造水平相比,在一些领域上还有较大的差距[1]。智能化较低、创新性不足、无法普遍适用于高速化、可靠性不高,所以在高端纺织机械市场中的纺织机械设备大多都是从国外进口来的,如瑞士和意大利这样的纺织机械制造强国[2],所以对于纺织机械设备的可靠性和稳定性的研究是很有必要的。
纺织产品的生产过程中会经历以下四个步骤:第一步,成纱;第二步,成布;第三步,染色;最后一步,成品。其中在织造过程中,织造机械将纱线纺织成布需要经过。电子多臂机是一种重要的开口装置之一,开口机构主要通过开口运动来为后续的引纬运动做好准备工作。电子多臂机可以和其他织机配合使用来有效的提高纺织产品的生产效率和产品质量。电子多臂机的工作原理是非常复杂的,但其最终目的是把经纱通过综框进行分层,在多臂机把经纱分成梭口状态下,来进行织机的引纬运动,这样经纱与纬纱相互交织,多次往复运动来形成织布面料[3,4]。近年来,人们对多臂机的要求越来越高,要求其具有高速、高效和智能化自动化,而多臂机是由多种零部件组成的,则多臂机的制造水平是由其组成的零部件的制造水平决定的,多臂机的主要零部件的工作性能影响着整台机械设备的工作性能,所以对多臂机的主要零部件研究对多臂机的研究是非常重要。
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1.2  相关研究与现状
1.2.1  多臂机的发展史
纺织机械中的织造机械包括五大核心机构,分别是打纬机构、引纬机构、开口机构、卷曲机构和送经机构,其通过织造准备、机织和整理等工序,把纱线进一步加工成坯布或成品布。根据织物组织图上经纬纱线交织的变化规律,开口机构按照一定的时序带动经纱上下运动,形成梭口,如此循环往复,即可形成织物。随着人类文明的发展、科学技术和生产力的提升,专家学者们根据实际生产需要对多臂机进行了升级改造,使其结构更紧凑、性能更优越。多臂机的发展过程中有四次大的技术突破:
(1)1867 年,Hattersly 研发出了世界上第一台消极式多臂机 Keighley[4-6],结构图如图 1-1 所示,其具有结构简单、稳定性好、成本低廉和易于操作等优点,这使得该种多臂机在多种织机上得以广泛应用近百年。然而,此种多臂机的机构设计具有明显的不足,比如在传动过程中,摇杆机构的设计使其稳定性差,易出现故障,机器维护不便,不适应织机高速化的发展趋势。随着生产力的发展,Keighley 多臂机逐步被淘汰,但其采用的复动式半开梭口运动原理仍被广泛应用至今。 
(2)上世纪 50~70 年代末,随着无梭织机的大规模使用,人们对多臂机的稳定性以及产品的适用性提出了更为严格的要求,Staubli 公司对多臂机运行机理进行重新设计,开发出了包括 100、200、300、550、1200 和 1400 系列多臂机,其结构和采用的核心技术与 Keighley 多臂机相比有了很大突破[7-10]。 
100 型多臂机在花纹信号传递材料上,突破性的采用更加轻便的塑料或纸纹板代替原有的木质文栓;内部零件之间作用力减小,提高了机构运行轻便性;拉力不变回综弹簧箱以及耐磨优质材料的应用提高了多臂机运行速度;拉刀和拉钩的传递方式采用旋转方式,减小了两者之间缝隙,消除了运动冲击,其最高速度可达 125  r/min。200 型和 300 型系列是在 100 型系列基础上进行改进升级,提高了多臂机运动平稳性,降低了运动冲击。550 型多臂机的运动机理经过了重新设计,其挡板以及平衡摇杆作积极往复摆动,进而推动拉钩做往复运动,大大降低了运动惯量,简化了花纹装置,优化了整机结构。1200 型是在200 型系列的基础上进行结构改进,采用共轭凸轮控制拉刀运动,应用油泵积极润滑,而且装备了单独传动的寻梭装置,使传动更加平稳和可靠。
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第二章  多臂机选综系统运动学分析

2.1  引言
选综系统作为多臂机的关键机构,其将共轭凸轮的运动转化为吸铁摆杆的小幅度摆动。进而与多臂机提综机构配合,实现综框的选择控制和有序运动,满足用户的织造要求。因此,对选综系统进行全面详细的运动学分析具有重要的理论意义和应用价值。
本章基于高副低代的原理,把共轭凸轮和摆臂的运动简化为曲柄摇杆机构运动,将吸铁摆臂和信号摆杆的运动简化为曲柄滑块运动。为提高旋转式电子多臂机机械运动的可靠度,对选综系统的运行机理进行详细研究。测绘共轭凸轮,运用三次样条插值法对凸轮轮廓曲线进行拟合。基于整体分析法和复数矢量法,对关键构件进行高副低代之后的运动学分析。为进行选综系统吸铁摆杆运动规律的求解提供了理论依据。
图 2-3  测绘凸轮廓线点坐标
图 2-3  测绘凸轮廓线点坐标
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2.2  多臂机选综系统的工作原理
选综系统包括选综凸轮和选综控制机构,由共轭凸轮 5、滚子 6、副摆臂 7、主摆臂 8、吸铁摆杆 10、右信号摆臂 12、左信号摆臂 13 组成,机构简图如图2-1 所示。在选综系统中,动力输入是由大圆盘驱动与之固联的选综共轭凸轮,使主摆臂 8 和副摆臂 7 沿着共轭凸轮摆动。吸铁摆杆 10 和主摆臂 8 通过轴固联在一起,随主摆臂摆动。电磁铁的释放和吸合决定吸铁摆杆是否与右信号摆臂12 或左信号摆臂 13 接触。当吸铁摆杆和信号摆臂接触时,信号摆臂绕轴转动,在离合爪 4 的作用下,驱动盘 2 和提综盘 3 成为一个整体。进而实现综框按照织造工艺要求进行运动。
在选综系统中,吸铁摆杆 10 的运动规律能够反映选综系统整体的装配准确性以及关键零件的服役情况,并直接影响多臂机提综机构能否正常工作。因此,研究选综系统中吸铁摆臂的运动规律十分必要。
图 2-1  选综系统结构图
图 2-1  选综系统结构图
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第三章  多臂机选综系统运动学求解 ............................................ 27
3.1  引言 ................................................. 27
3.2  选综系统运动规律数值求解 ............................. 27
第四章  多臂机选综系统凸轮廓线再设计 ............................... 39
4.1  引言 ...................................................... 39
4.2  吸铁摆杆运动曲线的选择 .................................. 39
第五章  多臂机选综系统状态监测与实验验证 ................................57
5.1  引言 ................................... 57
5.2  选综系统控制及检测实验平台的搭建 ............................. 57

第五章  多臂机选综系统状态监测与实验验证

5.1 选综系统控制及检测实验平台的搭建
5.1.1  实验平台硬件电路
在本研究中,设计并开发了旋转式多臂机选综系统控制及检测实验平台。该实验平台的主电路所用的微控制器是 Atmega128,其为 8 位的 AVR 单片机,具有高性能、低功耗的优势,它是多臂机选综系统控制及检测控制板的核心元器件。Atmega128 单片机是 ATMEL 公司生产的 8 位系列单片机中配置最高的一款单片机,采用了先进的 RISC 结构和增强型的 AVR 内核,使得它具有较快的处理速度和较高的稳定性。可以通过 ISP 实现对系统的编程,片内含有两个可编程的串行 USART、8 路 10 位的 ADC 和 2 路 8 位的 PWM,内部资源丰富。该系统对 Atmega128 单片机采用稳定性好和功耗低的外部晶振来提供时钟频率。本系统使用了 USR-WiFi232 无线模块,该模块支持 UART 通讯接口,使得串口设备或 MCU 控制的设备可以很方便的接入到 WIFI 无线网络中,通过使用该模块来实现控制板与上位机之间的无线通信,进而实现对多臂机电磁铁的远程操作。在硬件系统中对该模块采用 3.3  供电,拉低模块的 RELOAD 引脚可实现复位操作,对模块进行配置时可设置为无线工作在 STA 模式、UDP 网络协议和115200M 的波特率。同时,该系统也使用了 MAX485CSA 芯片,该芯片是用于进行 RS485 通信的低功耗收发器,通过使用该芯片来实现控制板与变频器之间的指令发送,进而实现对多臂机电机速度的控制。在硬件系统中对该芯片采用5V 供电,该芯片为半双工的通讯方式。Atmega128 单片机外围电路原理图和系统的通讯电路如图 5-1 所示。
图 5-1 Atmega128 单片机外围电路原理图
图 5-1 Atmega128 单片机外围电路原理图
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第六章  总结与展望

6.1  总结
本文以选综机构为研究对象,对其进行运动学分析、选综机构共轭凸轮凸轮重新设计分析、选综机构弹性动力学分析、搭建了选综机构状态监测平台、并进行实验验证。
全文的主要研究内容,包括以下四个方面:
(1)基于高副低代的原理,把共轭凸轮和摆臂的运动简化为曲柄摇杆运动,将吸铁摆杆和信号摆杆的运动简化为曲柄滑块运动。为提高旋转式电子多臂机机械运动的可靠度,对选综系统进行运动学分析。对选综系统的运行机理进行详细研究,测绘共轭凸轮,运用三次样条插值法对凸轮轮廓曲线进行拟合。基于整体分析法和复数矢量法,对关键构件进行高副低代之后的运动学分析。为进行选综系统吸铁摆杆运动规律的求解提供了理论依据。
(2)进行选综系统运动学求解。建立多臂机选综机构的运动学模型,对选综机构进行运动学分析。采用 VB.NET 进行编程,基于整体分析法和复数矢量法,对关键构件进行高副低代之后的运动学分析,求出各构件角位移、角速度、角加速度随主动凸轮转动的规律,实现吸铁摆杆运动规律的数值求解。运用SolidWorks 软件建立选综机构的三维模型,通过 SolidWorks  Motion 进行吸铁摆杆运动规律的运动仿真,获得吸铁摆杆的运动规律的仿真结果。将吸铁摆杆运动规律的数值求解结果与仿真结果进行比对,验证数学模型及运动规律的正确性和可靠性。为后续选综系统凸轮廓线再设计研究奠定了研究基础。
(3)测绘获得的凸轮廓线产生吸铁摆杆的运动学规律不太理想,特别是速度、加速度突变、波动明显。为此,提出了凸轮廓线的再设计方法。为了进行选综凸轮廓线的再设计,本章选用 7 次多项式和摆线运动曲线作为吸铁摆杆运动段的运动规律,设计出了符合工作要求的凸轮。验证了设计方法的正确性。设计了关于凸轮的反求程序。从机构动力学角度出发,探索多臂机选综系统的内在本质特性。针对考虑柔性作用的选综系统推导了非线性动力学模型,运用二阶 Runge-Kutta 法对相应的求解方法进行研究,给出具体的分析步骤和计算过程;探究了凸轮廓线对选综系统吸铁摆杆的动力学行为影响,获得了吸铁摆杆运动规律的动力学行为。
参考文献(略)

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