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1、第 1 页 共 24 页“MRSK31/1/24”型经编机伺服驱动成圈装置机械结构设计序言一、研究的意义、目的 随着中国作为世界纺织品主要生产基地的建立，中国也就成为了世界经编机使用的主要市场，德国是世界上生产经编机的主要国家，生产的经编机械产品有 60%以上出口到中国。近几年，国内经编机生产得到较大发展，但主要是靠模仿、测绘国外产品为主，没有形成自我研发能力和具有自主知识产权的技术及产品。而外国公司一般都对自己的产品进行了专利保护，因此，国内厂家常因为仿制而侵犯专利权。另一方面，由于不能掌握机器的核心内容，只是外在尺寸和形貌的仿制，所以，仿制的经编机的性能与国外同类产品有较大差距，价格只有国
2、外同类产品的一半。仿制的经编机中的成圈装置，连杆部分通过测绘得到结构尺寸，共轭凸轮则依靠靠模加工，而对于内外缘共轭凸轮靠模加工很难保证加工精度，影响了成圈装置的速度及整机的速度。经编机编织过程中，成圈是形成织物组织的重要过程之一。实现成圈动作的机构称之为成圈机构。在成圈机构中，具体完成成圈过程的动作执行件称为槽针和针芯，因此，将成圈机构称为槽针针芯运动机构，通过改造改变了原有一些机构。使其自动化增强。提高了其效率。增强了原有功能。现在采用伺服电机来代替凸轮机构。凸轮机构的运动现由 PLC 编程来实现其运动轨迹。增强了机器的实用性。如果产品改变，不需要重新设计凸轮，只要改变其 PLC 的控制程序
3、就可以实现。二、研究内容及解决问题经编机的成圈动作要求在主轴转动的若干位置上，槽针针尖到达指定位置以实现钩纱动作。在分析和设计中，先根据这种对应位置关系拟订出槽针针尖到达的一系列工艺到达点，并对各点相应主轴转角进行了分配。进一步将工艺到达点拟合成光滑的轨迹曲线，离散化后进行采样。成圈过程中，还需针芯针尖和槽针针尖进行配合，具体表现为针芯针尖与槽针针尖之间有一定的位移要求。所以，分析了在主轴不同位置位移要求的具体变化情况，定出了起具体的变化曲线，并离散采样。为满足槽针针尖运动轨迹和槽针针尖与针芯针尖之间相对运动位移，分析了实现机构的结构组成和特点，即三自由度平面多连杆机构可以满足槽针针芯的运动要
4、求，机构通过三个伺服电机实现运动输入。槽针针尖的轨迹位置主要由槽针摆动机构和槽针上下运动机构确定，相应有槽针摆动伺服电机和槽针上下运动伺服电机两个运动输第 2 页 共 24 页入。槽针针尖与针芯针尖之间相对运动位移主要由针芯运动机构实现，相应也有针尖运动伺服电机实现起运动输入。通过对机构进行逆解分析，解出了槽针针尖轨迹坐标和槽针摆动，槽针上下运动机构摆动从动件摆角之间的关系，槽针针尖与针芯针尖之间相对运动位移与针芯运动机构摆动从动件摆角之间的关系。通过对机构进行正解分析。解出了槽针摆动，槽针上下运动机构摆动从动件摆角与槽针针尖轨迹坐标的关系。针芯运动机构摆动从动件摆角与槽针针尖与针芯针尖之间相
5、对运动位移的关系。然后用三个伺服电机来实现这三种运动。第 3 页 共 24 页第一章 新型机构的分析1.1 背景技术经编机编织织物过程中，成圈是形成织物组织的重要过程之一，实现成圈动作的机构称之为成圈机构，具体完成成圈过程的动作执行件称为槽针和针芯。根据工艺要求，槽针针尖需实现钩纱，钩纱结束后，由针芯针尖将槽针针尖钩槽闭合以实现脱纱。在一个运动周期中，槽针针尖的运动为一定形状的封闭平面曲线（图 1） ，针芯针尖和槽针针尖之间沿槽针床方向的相对位移按照一定规律变化，从而满足闭合和分开状态。本文中将实现槽针针尖运动轨迹的机构称为槽针运动机构，称实现针芯针尖和槽针针尖之间相对运动位移的机构为针芯运动
6、机构，槽针运动机构和针芯运动机构组合在一起构成了槽针针芯运动机构。一般经编机上使用的槽针运动机构如图 1-1 所示，其中，020QUDCC是一平面五连杆机构，共有五个低副（四个转动副和一个移动副） ，机构自由度为 2，连杆 26 上的一点 C 为槽针针尖，形成钩纱要求的运动轨迹，一般又称构件 26 为槽针床，称构件 13为导向摆臂。机构需有两个运动输入才能使输出运动确定，一般由构件 13 和 23 输入运动（往复摆动） 。构件 13 的运动又由四杆机构0110DDBB实现，构件 23 的运动由四杆机构0210CCBB实现，而构件 11 和 21 的摆动又由绕主轴0A点回转的两个凸轮分别实现（图
7、中未画出凸轮） 。实现导向摆臂的运动又称为槽针床的摆动，实现构件 26 上 Q点的运动又称为槽针床的上下运动。设计机构时，由要求的槽针针尖 C 点的轨迹点坐标(x,y)，求解五杆机构020QUDCC的逆解，即构件 13 和 23 相应的摆角，进一步由机构0110DDBB求出构件 11 的摆角，由机构0210CCBB求出构件 21 的摆角，由构件 11 和 21的摆角再设计出两个凸轮的廓线。第 4 页 共 24 页图 1-1 槽针运动机构简图一般经编机上使用的针芯运动机构如下图 1-2 所示，其中，030ETRQUDCC为一具有三自由度的平面六连杆机构，针芯针尖 Z 为构件 36 上的一点，又称
8、构件 36 为针芯床。机构中的构件 13 和 26 分别为槽针运动机构中的导向摆臂和槽针床，其运动已确定。机构的另一个运动输入是由构件 33 的摆动实现，而构件 33 的摆动又由平面四杆机构0330CCBB实现。构件 31 的摆动由绕主轴0A点回转的凸轮实现（图中未画出凸轮） 。实现构件 36 上 E 点的运动又称为针芯床运动。设计机构时，由要求的针芯针尖 Z 点相对槽针针尖 C 点的相对运动位移要求，求解六杆机构030ETRQUDCC的逆解，即构件33 的摆角，进一步由机构0330CCBB求出构件 31 的摆角，由构件 31 的摆角再设计出凸第 5 页 共 24 页轮的廓线。图 1-2 针芯
9、运动机构简图上述槽针针芯运动机构，槽针床的摆动、槽针床的上下运动和针芯床的运动需分别由三组不同的四杆机构和凸轮机构驱动，运动链比较长，所使用的机构数量多，分析设计复杂。在机器上，槽针床和针芯床有一定的幅宽，所以，在多点由多组相同而且相互平行的机构同时驱动槽针床和针芯床运动。每组槽针针芯运动机构有三种不同的凸轮，使用共轭凸轮就有六片，所以，在经编机的主轴上装满多片凸轮，轴向位置非常紧，为了在主轴上节省轴向空间，一般经编机上使用了内外缘共轭凸轮，而内外缘共轭凸轮的制造要求较高。为满足不同织物组织要求，需更换槽针摆动凸轮、槽针上下运动凸轮和针芯运动凸轮，也即一组凸轮只能产生一种槽针针芯运动轨迹和针芯
10、针尖与槽针针尖之间的相对运动位移变化规律，机器的柔性差，另外，共轭凸轮的制造第 6 页 共 24 页和安装要求都较高，成本。1.2 方案的提出及其实施方式本课题的目的是对经编机槽针针芯运动机构进行改进设计，以克服已有机构上述存在的问题。在图 1-1 中去除两个四杆机构0110DDBB和0210CCBB，以及两个相应绕0A点回转的凸轮机构，构件 13 和 23 的运动改为直接由电机驱动，并由计算机控制其摆角，如图 1-2-1 所示。由于平面五连杆机构020QUDCC的自由度为 2，两个运动输入由构件13 和 23 实现，因此，连杆 26 上的槽针针尖 C 点的运动轨迹确定。在图 1-2 中去除四
11、杆机构0330DCBB及相应绕0A点回转的凸轮机构，构件 33 的运动改为直接由电机驱动，并由计算机控制其摆角，如图 1-2-1 所示。由于030ETRQUDCC为一具有三自由度的平面六连杆机构，构件 13 和 26 分别为槽针运动机构中的导向摆臂和槽针床，其运动已由槽针运动机构确定，因此，只需再有构件 33 的一个运动输入，机构030ETRQUDCC的运动即确定，也即可确定构件 36（针芯床）上针芯针尖 Z 点相对槽针针尖 C 点的相对位移。根据上述构思，本课题的具体方案如下：实施方案机构简图如图 1-2-1 所示，为了方便结构上实现，将构件 23 和 33 的两个摆动点选在02C 和03C
12、 位置，两点可以不重合，其相对0D 点的位置可以任意选取。上述02C 、03C 和0D 点，具体表现在机器上的结构为一直轴，直轴的长度与槽针床或针芯床的幅宽相当，三根轴互相平行，在每根轴的一端由步进电机或伺服电机通过联轴器相联直接驱动轴运动，或通过齿轮传动，或同步齿形带传动由步进电机或伺服电机驱动轴运动，每个电机的转动角度及它们之间的相位关系根据由运动要求解得的逆解确定。由于整个槽针床和针芯床有一定的幅宽，需由若干组完全相同且平行的机构驱动（即图 1-2-1 所示的驱动机构） ，每组机构中的三个运动输入，即图 1-2-1 中构件13、23 和 33 的摆动分别由上述三根轴的摆动实现，因此，在直
13、轴0D 上的不同位置固结有若干个完全相同的摆杆 13，有几组驱动机构，就有几个摆杆 13，但是，它们的运第 7 页 共 24 页动完全与直轴0D 的摆动相同。同样，直轴02C 和直轴03C 上的摆杆 23 和 13 也完全相同。图 1-2-1 实施方案机构简图图 1-2-1 中，构件 23 和 25 之间的联结转动副2C的初始位置可以在02C点的左侧，也可以在02C点的右侧，同样，构件 33 和 35 之间的联结转动副3C的初始位置可以在03C点的左侧，也可以在03C点的右侧。本课题的特点在于：1，机构运动链较短，整个机构结构简单，与已有的结构相比，少用三个四杆机构和三个内外缘共轭凸轮机构。在
14、已有的经编机结构中，都有一结构较大的油箱，主轴即置于其中，主轴上安装有多片内外缘共轭凸轮。本实用新型设计的机构不需要该油箱结构，使得机器的整机结构大为简化。2，整个机构中的运动副全为平面低副，没有高副，避免使用共轭凸轮，所以，加工制造简便，降低了制造成本。第 8 页 共 24 页3，由于机构运动链较短，使得分析设计更加简便。4，具有较好的柔性。已有的机器中，当工艺参数或工艺要求改变时，要求槽针针尖的轨迹形状及针芯针尖与槽针针尖之间的相对位移也要改变，一般通过更换三个输入运动的凸轮来达到这种要求，显然，一种运动要求参数就必须对应一组凸轮。在实际应用中，就必须根据不同的要求，准备好多组凸轮，需要时
15、停机更换凸轮。这样就使整机的效率较低，柔性差。本实用新型设计的方案，当运动要求改变时，只要改变控制程序，使三只电机按照要求的位置角度进行运动，就可适应，显然，这样的方法适应性更强，效率更高。具体实施方式图 1-2-1 中02C 、03C 和0D 点直轴及其上摆杆 13、23 和 33 的结构，电机驱动直轴的结构实施方式如图 1-2-2 所示。直轴与其上摆动件的联结以及电机驱动，02C 、03C 和0D 点三根轴的结构方式都相同，所以，图 1-2-2 中只画出了其中的一根轴的结构关系。图 1-2-2 中 1 为伺服电机或步进电机，2 为联轴器，3 为主动同步带轮，4 为同步带，5 为从动同步带轮
16、，6 为直轴，7，8，9，为完全相同的摆杆，并与直轴固结一起运动，图 1-2-2 中 A-A 剖视图表示了一种固结方式，也可以通过键联结等其它轴上周向固定的方式使其与直轴一起运动。图 1-2-2 中电机驱动直轴的运动是通过同步带传动实现的，也可以通过齿轮传动或电机直接通过联轴器与直轴相联的方式驱动其运动。图 1-2-2 实施结构图第 9 页 共 24 页第二章 机构的整体分析2.1 机构的结构分析图 2-1-1该经编机槽针针芯运动机构，包括槽针床（26） 、针芯床（36） 、导向摆臂（13） 、第 10 页 共 24 页槽针床摆臂（23） 、针芯床摆臂（33） ；由导向摆臂（13）带动槽针床（26）摆动，槽针床摆臂（23）通过槽针床连杆（25）带动槽针床（26）上下运动，针芯床摆臂（33）通过针芯床连杆（35）带动针芯床（36）运动；所述导向摆臂（13）与槽针床（26）之间是移动副形式连接，所述槽针床（26）与针芯床（36）之间是移动副形式连接；所述槽针床摆臂（23）与槽针床连杆（25）间、槽针床连杆（25）与槽针床（26）间、针芯床摆臂（33）与针芯床连杆（35）之间、针
