劍桿織機(jī)共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司　孫慶軍／文

1　問題的提出

在開發(fā)劍桿織機(jī)的過程中，打緯共軛凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，凸輪型面的精度、打緯動(dòng)程、打緯力等的設(shè)計(jì)，都直接影響織機(jī)的振動(dòng)、噪音，以及織機(jī)的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性。

下面以RF20N型劍桿織機(jī)為例，介紹共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。

2　劍桿織機(jī)打緯共軛凸輪型面曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

RF20N型劍桿織機(jī)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，織機(jī)的筘座腳、打緯動(dòng)程已經(jīng)確定。如何在這些條件一定的情況下，通過優(yōu)化凸輪的型面曲線，來實(shí)現(xiàn)較大的打緯力以及提高轉(zhuǎn)速減少振動(dòng)，是我們?cè)O(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.1　凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)求解

已知條件：原始打緯共軛凸輪廓線數(shù)據(jù)：主、副凸輪廓線數(shù)據(jù)一份。

主凸輪最大極徑＝117.792mm

主凸輪最小極徑＝80mm

滾子直徑=75mm

主凸輪擺桿長度＝77.5mm

副凸輪擺桿長度＝77.5

兩擺桿夾角＝109度

凸輪與擺桿中心距＝165.5mm

根據(jù)以上條件，做幾何關(guān)系圖，如（圖1），可求得：

升程時(shí)，凸輪最大極徑、最小極徑對(duì)應(yīng)的極角之差=2.524度。

再根據(jù)已知數(shù)據(jù)表查得：升程段極角＝68.5度、回程段極角＝73.5度?？捎?jì)算得：升程時(shí)凸輪轉(zhuǎn)角＝68.5度+2.524度＝71.0243度

回程時(shí)凸輪轉(zhuǎn)角＝73.5度－2.524度＝70.976度

擺桿最大擺角=28.579度

主付凸輪安裝角＝52.9291度

副凸輪最大極徑＝117.5mm

副凸輪最小極徑＝80.245mm

圖1

2.2　擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

在打緯主凸輪廓線數(shù)據(jù)表中，將原始數(shù)據(jù)按照“升程+回程”（序號(hào)從0開始由小到大）排序，作為主凸輪廓線原始數(shù)據(jù)（β1， R1）(其中主凸輪極角β1為等距離，間隔0.5度；R1為極徑)，求解 “擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線”--打緯運(yùn)動(dòng)規(guī)律：角位移S（I）、角速度V（I）、角加速度A（I）{I = 0， 1，2，3 。。。}，并繪出圖像。

現(xiàn)按《機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)》所介紹的方法[1]，編制計(jì)算程序，上機(jī)計(jì)算結(jié)果如（圖2）：

其中：織機(jī)轉(zhuǎn)速＝650 轉(zhuǎn)/分；

角位移Smax＝28.579（度）(凸輪轉(zhuǎn)角=71度)；

角速度Vmax＝50.715（rad/S）(凸輪轉(zhuǎn)角=39度)；

角加速度Amin=-9265.0319（rad/S2 ）(凸輪轉(zhuǎn)角=70.5 度 )。

Amax = 10528.4806（rad/S2 ）(凸輪轉(zhuǎn)角 =123.5 度 )。

從圖中可以看出：受加工和測量誤差的影響，原始數(shù)據(jù)中，其加速度曲線為鋸齒狀波浪線，其“開始、末尾”兩端加速度值不為0；在凸輪回程區(qū)間（71~142度），加速度曲線震蕩幅度較大。

圖2

2.3　用最小二乘擬合方法進(jìn)行擺桿運(yùn)動(dòng)曲線的擬合

⑴ 最小二乘擬合方法

關(guān)于最小二乘擬合方法的計(jì)算過程，因較為繁復(fù)，本文不再贅述，可參見《數(shù)值分析》[2]。

現(xiàn)利用該種方法，對(duì)上述帶有誤差的擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律（原始曲線）進(jìn)行處理，得到一條與原始曲線極為相似的最小二乘擬合曲線，如（圖3）。由圖可以看到：該曲線是一條連續(xù)的、光滑的曲線。其中：

角位移Smax = 28.579（度）(凸輪轉(zhuǎn)角=71度)；

角速度Vmin = -51.116（rad/S）(凸輪轉(zhuǎn)角=39度)；

Vmax = 51.1247（rad/S）(凸輪轉(zhuǎn)角=103度)；

角加速度Amin = -9266.7021（rad/S2）(凸輪轉(zhuǎn)角=71度)；

Amax = 8475.1758（rad/S2）(凸輪轉(zhuǎn)角=123度)；

與（圖2）所示的波浪線比較：

打緯時(shí)的角加速度值保持基本不變；

回程時(shí)角加速度比原加速度峰值降低

(10528.4806 - 8475.1758) / 10258.4806 = 19.502%。

圖3

⑵ 擬合誤差分析

現(xiàn)將原擺桿波浪曲線、最小二乘擬合曲線繪制在同一張圖上，見（圖4）。

圖4

可以看到：最小二乘擬合曲線過濾掉了原加速度曲線中的鋸齒狀波動(dòng)誤差；保留了原位移、速度、加速度曲線設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。該曲線與原始擺桿曲線的“角位移”的最大誤差僅為0.0545度（發(fā)生在第58點(diǎn)），吻合程度非常高。

為了保持打緯時(shí)筘座（擺桿）的“角加速度”不變，從而保持原機(jī)打緯力度，采用“最小二乘擬合曲線”是一種較好的選擇。

2.4　凸輪打緯轉(zhuǎn)角分析

在已知的測量數(shù)據(jù)中，由于凸輪廓線升程起點(diǎn)附近、回程結(jié)束點(diǎn)附近的“極徑值”非常接近，難以準(zhǔn)確判斷起始、結(jié)束的角度。

為了準(zhǔn)確判斷凸輪的打緯角度范圍，本次優(yōu)化處理，采取了如下兩種方法。

⑴ 篩選法。在計(jì)算過程中分別?。?/p>

凸輪升程轉(zhuǎn)角0~72度，回程轉(zhuǎn)角71~144度；

凸輪升程轉(zhuǎn)角0~71度，回程轉(zhuǎn)角71~142度；

按前述分析步驟，先分別求得兩種“最小二乘擬合曲線”，然后再分別帶入“凸輪廓線計(jì)算公式”， 可求得到兩組凸輪廓線計(jì)算數(shù)據(jù)，然后再分別與原始測量數(shù)據(jù)比較，得知上述第2組凸輪轉(zhuǎn)角得到的廓線數(shù)據(jù)誤差最小。

⑵ 計(jì)算法。如本文第二項(xiàng)第（一）條：

升程時(shí)凸輪轉(zhuǎn)角＝68.5+ 2.524度＝71.0243度

回程時(shí)凸輪轉(zhuǎn)角＝73.5- 2.524 度＝70.976度

以上兩種方法都確定了打緯凸輪升程轉(zhuǎn)角：71度；回程轉(zhuǎn)角：71度。

2.5　凸輪廓線的求解與分析

在已知的測量數(shù)據(jù)中，由于凸輪廓線升程起點(diǎn)附近、回程結(jié)束點(diǎn)附近的“極徑值”非常接近，難以準(zhǔn)確判斷起始、結(jié)束的角度。

⑴ 廓線數(shù)據(jù)計(jì)算

取凸輪升程轉(zhuǎn)角=71度；回程轉(zhuǎn)角=71，將前述最小二乘擬合方法求得擺桿運(yùn)動(dòng)曲線數(shù)據(jù)，代入上述凸輪廓線計(jì)算公式，求得主、付凸輪廓線數(shù)據(jù)。

其數(shù)據(jù)格式為：

主凸輪極角、極徑(θ1，R1)，付凸輪極角、極徑（θ2，R2）。

⑵ 廓線數(shù)據(jù)誤差分析

將新算得的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)逐點(diǎn)比較，得主凸輪廓線數(shù)據(jù)最大誤差0.0878mm（位于123度）；付凸輪廓線數(shù)據(jù)最大誤差0.134mm（位于84 度）。

2.6　打緯力的定性分析

根據(jù)《紡織機(jī)械設(shè)計(jì)原理》[3]講述的分析方法，設(shè)筘座的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，筘座（擺桿）的角加速度為A，打緯慣性力為Q，則 Q=J * A。

在打緯時(shí)刻，若Q＞打緯阻力，則稱為慣性打緯；

若 Q ≤打緯阻力，則稱為非慣性打緯。

對(duì)于同一套筘座構(gòu)件，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J是確定的，但選擇不同的凸輪擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律，則打緯慣性力可以差別很大。當(dāng)打緯時(shí)刻，筘座的加速度幅值大于后退過程的加速度幅值時(shí)，把采用此種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的打緯方式稱為重度打緯。

如圖3，在打緯時(shí)刻，加速度幅值＝9266.7021 （rad/S2）， 后退過程的加速度幅值＝ 8475.1758（rad/S2），其“加速度無量綱數(shù)”＝5.9525，為重度打緯。

重度打緯運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)：筘座（擺桿）打緯時(shí)的慣性力大，后退時(shí)的慣性力相對(duì)較?。患缺ＷC了打緯力度，又減少了不必要的機(jī)械振動(dòng)、噪音；可適用于中厚織物或厚重織物。

3　優(yōu)化后的使用效果

我們根據(jù)織物的需求，采用了短筘座腳、重度打緯的設(shè)計(jì)方式，應(yīng)用最小二乘擬合方法對(duì)擺桿運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行擬合，過濾掉了原加速度曲線中的鋸齒狀波動(dòng)誤差，保留了原位移、速度、加速度曲線設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。優(yōu)化后的凸輪型面，在檢測臺(tái)上測量共軛精度達(dá)到了0.02，達(dá)到了設(shè)計(jì)優(yōu)化要求。通過測試織機(jī)傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)阻力為最大值16Nm，比優(yōu)化前的20Nm降低了20%，可以節(jié)約能耗。 織機(jī)在客戶中的運(yùn)行轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到550轉(zhuǎn)/分鐘，并且振動(dòng)、噪音都有明顯降低，效果良好。

[1]華大年, 唐之偉. 機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[M].北京:紡織工業(yè)出版社, 1985.

[2]李慶揚(yáng),王能超,易大義. 數(shù)值分析[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1996.

[3]陳人哲,陳明.紡織機(jī)械設(shè)計(jì)原理[M]（第二版）下冊(cè). 北京：中國紡織出版社,1996.