共轭凸轮引纬机构参数反求及动力学分析

摘要

引纬机构是剑杆织机中最为关键的组成部分之一，其设计直接影响剑杆织机的制造性能。国内剑杆织机的设计制造与国外有较大差距，为提高我国织机产业的竞争力和自主创新能力，本文对共轭凸轮引纬机构做了运动学、刚体动力学、弹性动力学分析等研究，并对关系密切的打纬机构进行了一定的分析。具体内容如下：
　　1）本文首先建立了共轭凸轮引纬机构的运动学模型，并利用MATLAB GUI编写了该机构运动学仿真界面，通过导入已有的共轭凸轮轮廓线参数，并设置各个机构参数，输出剑杆的位移、速度、加速度以及跃度等的运动学特性曲线。通过仿真，得到了机构中包含的四杆机构的两个摇杆以及连杆尺寸分别变化时的运动学图谱。通过分析，选出了其中最适合设计时定义为长度可变的零部件，并将其作为调整剑杆最大位移的机构可变部件。选择齿轮端摇杆可变，通过图谱优选，得出齿轮端摇杆较适合的杆长范围。
　　2）本文对引纬机构中的共轭凸轮进行了光顺处理。由于在MATLAB仿真以及在UG仿真中得到的运动学曲线并不光滑，考虑到所掌握共轭凸轮资料仅为较少的型值点，为得到较光滑的运动学曲线对共轭凸轮进行了光顺处理。由于共轭凸轮的特殊性，为保证其共轭精度，只考虑凸轮轮廓线的光滑程度这一条件并不能得到很好的结果。因此本文采用三次样条插值的方法对共轭凸轮的升程/回程曲线进行了插值求解，得到较多型值点后再利用CAD中NURBS（非均匀有理B样条）对型值点进行了拟合，得到光滑的凸轮轮廓线。通过UG建模并仿真证明了该种方法的有效性。同时文中还通过相对运动的关系利用主凸轮求解了副凸轮。
　　3）本文对共轭凸轮引纬机构中剑杆的加速度进行设计，基于修正梯形加速度曲线，利用三次样条曲线光滑连接相邻的直线段，并在设计过程中保证剑杆在达到位移最大值时加速度为零。求解剑杆的位移、速度以及跃度随凸轮转角的变化规律后，基于建立的运动学模型，利用反转法以及包络公式反求得到共轭凸轮轮廓线的型值点。在UG中建立共轭凸轮引纬机构的三维模型以及反求得到的共轭凸轮，通过仿真验证反求方法和结果的正确性。
　　4）基于凸轮机构的受力分析，求解滚子切向运动的速度与加速度的乘积与输入力矩之间近似成正比的关系，并将结论推广到共轭凸轮引纬机构中。利用UG仿真功能求解剑杆运动的速度、加速度以及输入力矩，并将结果经 MATLAB处理验证了剑杆速度和加速度乘积与共轭凸轮轴输入力矩之间的关系。利用UG的测量功能，在对所有零件的密度赋值后，对已经建立好的机构中的各个零件求解其质量以及转动惯量等。利用在反求中所求的剑杆速度以及加速度，求解整个机构总能量变化规律与剑杆能量变化规律之间的关系，并通过求解获得剑杆速度加速度乘积与共轭凸轮轴输入力矩之间的关系。结论得到验证后，利用该结论，通过对修正梯形加速度曲线的重新设计，对该机构进行考虑输入力矩的优化。
　　5）分析共轭凸轮引纬机构的运动特点，基于集中参数法对该机构进行弹性动力学建模，得到该机构的弹簧-阻尼-质量模型。忽略其中的阻尼，利用能量不变原理去除其中的传动比将模型简化。利用牛顿第二定律建立质量单元的振动方程，并将其串联得到多自由度系统振动方程。利用频率方程求解机构的各阶固有频率，并将其简化为单自由度模型。利用傅里叶展开式表达剑杆理论位移规律，并求解了机构的弹性动力学响应。
　　6）对共轭凸轮引纬机构进行了运动弹性动力学仿真，结果验证了建立的弹性动力学模型的正确性，并得出了相关结论。

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第一章 绪论

1.1 研究的目的与意义

1.2 共轭凸轮引纬机构、打纬机构原理

1.3 凸轮机构及四杆机构的研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第二章 共轭凸轮引纬机构的运动学分析

2.1 常见剑杆织机引纬机构

2.2 共轭凸轮引纬机构运动学数学模型的建立

2.3 质心的坐标及其速度加速度求解

2.4 共轭凸轮引纬机构剑杆运动规律求解

2.5 基于图谱的共轭凸轮引纬机构仿真及优选软件

2.6 参数变化对剑头运动特性的影响

2.7 本章小结

第三章 引纬打纬机构中共轭凸轮轮廓线的拟合与反求

3.1 共轭凸轮轮廓线的拟合

3.2 基于UG仿真及数值求解的副凸轮反求

3.3 求取副凸轮后的凸轮机构仿真

3.4 基于修正梯形加速度的引纬机构共轭凸轮反求

3.5 基于修正梯形加速度的打纬机构共轭凸轮反求

3.6 共轭凸轮引纬机构共轭凸轮反求软件的开发

3.7 空间凸轮引纬机构的实现

3.8 本章小结

第四章 共轭凸轮引纬机构优化及弹性动力学分析

4.1 基于刚体动力学分析的机构优化条件建立

4.2 基于拉格朗日方程对优化条件的验证

4.3 考虑输入力矩的共轭凸轮引纬机构优化

4.4 共轭凸轮引纬机构的弹性动力学响应

4.5 本章小结

第五章 共轭凸轮引纬机构运动弹性动力学仿真

5.1共轭凸轮引纬机构模型的建立

5.2以连杆为例对引纬机构的有限元分析

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果