肖志濤, 尹洪環(huán), 于鴻彬2,, 蔣秀明2,, 邵宏宇
(1. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 天津 300387; 2. 天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點實驗室, 天津 300387; 3. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387; 4. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300072)
在紡織機(jī)械中,多臂機(jī)又稱為“多臂提綜裝置”,是無梭織機(jī)上使用比較普遍的開口裝置。多臂機(jī)必須具有良好的力學(xué)性能,以適應(yīng)織機(jī)的高速生產(chǎn)[1]。旋轉(zhuǎn)式電子多臂機(jī)是一種積極式多臂機(jī)。近年來,制造商已經(jīng)展示出運行速度達(dá)1 200 r/min的多臂機(jī),這使得在高速噴氣織機(jī)和噴水織機(jī)上采用旋轉(zhuǎn)式多臂機(jī)成為可能。提綜機(jī)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)式多臂機(jī)核心部分,其將電動機(jī)輸入的勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為提綜臂的變速擺動,進(jìn)而實現(xiàn)綜框在豎直方向的變速上下運動[2]。提綜機(jī)構(gòu)的核心組件是旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu),旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件共軛凸輪直接影響綜框的運動特性,影響織機(jī)的織造質(zhì)量和效率,因此,對多臂機(jī)旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)凸輪廓線進(jìn)行建模與重構(gòu)的研究具有重要意義。
目前,針對多臂機(jī)旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)的研究,張遠(yuǎn)華等[3]建立了多臂機(jī)旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)三維模型,并進(jìn)行了運動學(xué)仿真分析。沈毅等[4-5]針對GT421型旋轉(zhuǎn)式電子多臂機(jī)提綜機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究,從運動學(xué)設(shè)計角度出發(fā),對共軛凸輪外輪廓線的極坐標(biāo)進(jìn)行理論推導(dǎo);對主軸和凸輪擺臂的相對停頓時間做了理論分析和計算;從靜力學(xué)設(shè)計角度分析多臂機(jī)提綜機(jī)構(gòu)的運動機(jī)制,對多臂機(jī)主傳動構(gòu)件建立運動學(xué)模型,并進(jìn)行了相關(guān)的運動學(xué)仿真研究。EREN等[6-7]通過討論給定多臂機(jī)主軸的特定輸出運動曲線,得出提綜機(jī)構(gòu)帶動綜框的運動特性,比較了多臂機(jī)偏心機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)對綜框運動特性的影響。以上研究為多臂機(jī)旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)的設(shè)計和分析奠定了重要基礎(chǔ)。
以旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)為研究對象,基于測繪的凸輪輪廓線或者基于給定的主軸運動曲線,求解出綜框的運動特性,并進(jìn)行運動學(xué)仿真分析。同時,隨著織機(jī)轉(zhuǎn)速越來越高,多臂機(jī)的開發(fā)朝著高速、高效、高可靠性方向發(fā)展[8-10]。旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)作為旋轉(zhuǎn)式多臂機(jī)提綜機(jī)構(gòu)的核心部件,深入研究其凸輪廓線數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建,根據(jù)織機(jī)工藝要求逆向求解凸輪廓線并針對凸輪廓線優(yōu)化分析具有重要意義。目前針對凸輪輪廓設(shè)計,特別是減少振動,提高穩(wěn)定性和延長使用壽命[11-12]等方面的研究主要有:STODDART等[13-14]建立了從動件振動幅度和凸輪速度之間的特征關(guān)系。MERMELSTEIN等[15]在滿足必要的約束條件下,使用分段多項式來優(yōu)化相應(yīng)運動量參數(shù)。QIU等[16]使用B樣條生成優(yōu)化的運動曲線,同時依據(jù)多設(shè)計目標(biāo),包括控制殘余振動等來優(yōu)化凸輪廓線。NORTON等[17]對凸輪廓線設(shè)計和制造提供重要理論依據(jù)和指導(dǎo)。
為此,本文在分析提綜機(jī)構(gòu)運動原理,研究旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)凸輪廓線數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建方法基礎(chǔ)上,建立基于綜框運動特性的數(shù)值求解凸輪廓線方法,構(gòu)建基于綜框運動特性的凸輪廓線逆向求解系統(tǒng),解決測繪凸輪廓線導(dǎo)致綜框運動特性曲線不連續(xù)和不光滑的問題。在此基礎(chǔ)上,對獲得的非中心對稱凸輪廓線運用粒子群算法[18-20]進(jìn)行優(yōu)化和重構(gòu),為旋轉(zhuǎn)式多臂機(jī)整體性能的改善提供理論方法。
提綜機(jī)構(gòu)包括多臂機(jī)旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)、多臂機(jī)偏心機(jī)構(gòu)、運動傳遞機(jī)構(gòu)和綜框。旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)工作原理如圖1所示。其中共軛凸輪(5和10)固定在多臂機(jī)箱體靜止不動,凸輪擺臂(2和8)鉸接在齒輪(1)上,并且可以繞其鉸接點轉(zhuǎn)動,從而將電機(jī)輸入的勻速圓周運動通過齒輪(1)傳遞給凸輪滾子(3、6、9和12),凸輪滾子沿著共軛凸輪(5和10)廓線運動,通過主軸連桿(4和7)將織機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成主軸(11)的旋轉(zhuǎn)變速運動。
圖1 旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)工作原理Fig.1 Working principle of modulator
偏心機(jī)構(gòu)、運動傳遞機(jī)構(gòu)和綜框的工作原理如圖2所示。
13—偏心盤凸輪;14—環(huán)形連桿;15—提綜臂;16—提綜臂連桿; 17—轉(zhuǎn)臂;18—轉(zhuǎn)臂連桿;19—綜框連桿; 20—支撐連桿;21—綜框。圖2 偏心機(jī)構(gòu)、運動傳遞機(jī)構(gòu)和綜框工作原理Fig.2 Working principle of eccentric mechanism, motion transmission mechanism and heald frame
偏心機(jī)構(gòu)由偏心盤凸輪、環(huán)形連桿、提綜臂組成。偏心盤凸輪,因其旋轉(zhuǎn)中心與其幾何中心不同,故偏心機(jī)構(gòu)等效機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(O1DEO2)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)的齒輪轉(zhuǎn)動時,主軸的旋轉(zhuǎn)變速運動傳遞到提綜臂,實現(xiàn)提綜臂的上下擺動。運動傳遞機(jī)構(gòu)包括提綜臂連桿、轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)臂連桿、綜框連桿、支撐連桿,其等效機(jī)構(gòu)是四連桿機(jī)構(gòu)(O2FGO3)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(O3HI),提綜臂的擺動通過運動傳遞機(jī)構(gòu)傳遞給綜框,實現(xiàn)綜框的上下變速運動。
在織機(jī)織造過程中,綜框帶動經(jīng)紗,決定了經(jīng)紗的運動特性。為保證平穩(wěn)的經(jīng)紗織造過程,綜框在運動中,要求速度平穩(wěn)無突變,綜框從靜止到運動和從運動到靜止的過渡要緩慢,同時要求盡量降低加速度以減小對經(jīng)紗的沖擊。目前常用的測繪方式得到的凸輪廓線,會導(dǎo)致綜框在速度、加速度和躍度上存在明顯的波動及跳躍現(xiàn)象。
為解決凸輪廓線產(chǎn)生的上述問題,采用指定綜框運動特性逆向求解凸輪廓線方法。由于11次多項式[21]滿足位移、速度、加速度和躍度連續(xù),并且加速度較低,較接近綜框的運動特性,因此,初步確立該11次多項式作為綜框運動位移函數(shù),進(jìn)而基于綜框運動特性的數(shù)學(xué)表達(dá),建立逆向求解凸輪廓線的數(shù)學(xué)模型。
圖3示出多臂機(jī)偏心機(jī)構(gòu)、運動傳遞機(jī)構(gòu)和綜框簡圖,連桿O3G與曲柄O3H剛性連接,其夾角φ9繞O3旋轉(zhuǎn),曲柄O3H與X軸正向夾角為φ10。
圖3 偏心機(jī)構(gòu)、運動傳遞機(jī)構(gòu)和綜框簡圖Fig.3 Schematic diagram of eccentric mechanism, motion transmission mechanism and heald frame
L(u)為綜框以多臂機(jī)齒輪轉(zhuǎn)角θ為變量的位移函數(shù),定義為L(u)=S(u)+S0,其中,u=θ/β,0°≤θ≤180°,β=180°;S0為綜框重心I到X軸的距離;S(u)為該11次多項式,方程表達(dá)式如下:
S(u)=h(336u5-1 890u6+4 740u7-
6 615u8+5 320u9-2 310u10+420u11)
(1)
式中,h為綜框的升程。
在圖3中設(shè)笛卡爾直角坐標(biāo)系(X,Y),以中心點O1作為坐標(biāo)原點,
設(shè):
F1(e,lHI,lO3H,L(u),φ10)=0
(2)
有:
(3)
則:
(4)
式中,偏心距e、lO3H和lHI為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(O3HI)中的已知參數(shù)。
在運動傳遞機(jī)構(gòu)的四連桿機(jī)構(gòu)(O2FGO3)中,由幾何關(guān)系可知:
(5)
設(shè):
F2(lO2O3,lO3G,lFG,lO2F,φ8,φ6)=0
(6)
則:
(7)
式中:lO2O3,lO3G,lFG,lO2F,φ9為已知參數(shù),φ10可由式(4)求得,φ8=φ9+φ10。
由式(7)解得:
(8)
(9)
根據(jù)運動原理知輸出角φ2可由角φ4求得。
由幾何關(guān)系可知:
(10)
設(shè):
F3(lO1O2,lO2E,lDE,lO1D,φ4,φ2)=0
(11)
則:
(12)
式中:lO1O2,lO2E,lDE,lO1D,φ5為已知參數(shù);φ6可由公式(9)求得,且滿足φ4=φ5+φ6。
由公式(12)解得:
(14)
圖4示出旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)簡圖。齒輪的旋轉(zhuǎn)角為θ,ω為齒輪的角速度,φ1為旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)主軸旋轉(zhuǎn)角度,φ2是偏心盤凸輪的旋轉(zhuǎn)角度,φ2可從式(14)獲得。結(jié)合φ1運動規(guī)律,建立旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)凸輪廓線求解模型。
圖4 旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)簡圖Fig.4 Schematic diagram of modulator
根據(jù)幾何關(guān)系有:
(15)
求得凸輪理論廓線上任意點A的坐標(biāo):
(16)
yA=(C-Ax)/B
(17)
A1=A2+B2
B1=2AByB-2AC-2B2xB
xB=lO1Bcosφ1
yB=lO1Bsinφ1
xC=lO1Ccosθ
yC=lO1Csinθ
對于多臂機(jī)旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu),凸輪實際廓線與理論廓線法線方向的距離等于滾子半徑r,沿凸輪理論廓線任意點A的法線方向取距離r,可獲得凸輪實際廓線上相應(yīng)點坐標(biāo)T(xT,yT),過凸輪理論廓線上A點處法線n-n的斜率為:
(18)
式中,γ為法線n-n與x軸夾角。
根據(jù)公式(18)可得:
(19)
根據(jù)公式(15)~(19)可以求出凸輪實際廓線上相應(yīng)點T坐標(biāo):
(20)
至此,根據(jù)綜框的多項式運動特性,完成了多臂機(jī)旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)凸輪廓線建模,同時獲得了多臂機(jī)提綜機(jī)構(gòu)各桿件的運動特性與齒輪旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系。
設(shè)定多臂機(jī)提綜機(jī)構(gòu)的物理參數(shù)和幾何尺寸如表1所示。
表1 提綜機(jī)構(gòu)的物理參數(shù)和幾何尺寸Tab.1 Physical parameters and geometric dimensions of shedding mechanism
利用公式(1)~(20),采用Microsoft Visual Studio VB.NET編程進(jìn)行數(shù)值計算,逆向求解獲得凸輪廓線如圖5所示。由于多臂機(jī)偏心機(jī)構(gòu)是無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu),去程和回程的運動特性不同,因而獲得對應(yīng)于去程和回程的凸輪廓線也不同。其中曲線S1為偏心機(jī)構(gòu)(見圖3)連桿O1D從D0點逆時針運動到D1點形成的半段凸輪廓線,曲線S2為連桿O1D從D0點順時針運動到D1點形成的另半段凸輪廓線,由曲線S1和S2形成的完整凸輪廓線并非中心對稱。為了直觀獲得非中心對稱程度,將曲線S1沿O1點順時針旋轉(zhuǎn)180°形成曲線S1′,與曲線S2比較可知非中心對稱程度。
圖5 逆向求解獲得凸輪廓線Fig.5 Conversely obtained cam profiles.
根據(jù)曲線S1和S2形成的非中心對稱凸輪廓線及表1中各構(gòu)件參數(shù),運用SolidWorks軟件建立提綜機(jī)構(gòu)數(shù)字樣機(jī),通過SolidWorks Motion進(jìn)行運動仿真分析,獲得齒輪旋轉(zhuǎn)1個周期內(nèi)綜框的無量綱運動特性。圖6示出綜框歸一化的位移、無量綱速度、無量綱加速度和無量綱躍度曲線,其中歸一化幅值為106.8 mm,同時示出11次多項式曲線。
圖6 非中心對稱凸輪產(chǎn)生的綜框 運動特性與11次曲線比較Fig.6 Comparison of heald frame motion characteristics generated by noncentral symmetrical cam and 11th curves.(a) Normalized displacement and dimensionless velocity;(b) Dimensionless acceleration and jerk
將圖6中黑色曲線(11次多項式曲線)與灰色曲線(逆向求解獲得凸輪產(chǎn)生的綜框運動特性)對比結(jié)果表明,在齒輪旋轉(zhuǎn)半個周期內(nèi)求解的綜框運動特性與11次多項式曲線完全相同,驗證了所建立的逆向求解凸輪廓線模型的正確性。通過對圖6分析可知,綜框在上升段和下降段產(chǎn)生的綜框運動特性相同,并且齒輪正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的綜框運動特性也相同。但是,由于多臂機(jī)旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)中的凸輪是共軛凸輪,上述獲得凸輪廓線并非中心對稱,因此擬采用粒子群算法重構(gòu)凸輪廓線,使得凸輪廓線基本中心對稱,同時符合綜框的運動特性。
針對凸輪廓線優(yōu)化問題,粒子群算法[22-23]數(shù)學(xué)描述為:在由N個粒子組成的三維搜索空間中,第i個粒子的位置可表示為:xi=(xia,xib,xic),運動搜索到的最優(yōu)位置是Pi=(pia,pib,pic),xi(t)為第i個粒子在t時刻的位置,粒子速度vi=(via,vib,vic),vi(t)為第i個粒子在t時刻的速度,群體中全部粒子迄今搜索到的最優(yōu)位置為pg=(pga,pgb,pgc),對于每一次迭代,其第d維按以下方程進(jìn)化:
vid(t+1)=vid(t)+cp×r1×[pi(t)-xi(t)]+
cg×r2×[pg(t)-xi(t)]
(21)
式中:t為當(dāng)前時刻;cp,cg為學(xué)習(xí)因子,為非負(fù)常數(shù),用來調(diào)節(jié)粒子飛行的步長;r1和r2為屬于[0,1]的隨機(jī)數(shù)。
粒子群算法的流程如下:
1)設(shè)定學(xué)習(xí)因子cp和cg,最大迭代次數(shù)MaxDT,將當(dāng)前進(jìn)化時刻設(shè)置為t=1,在定義空間Rn中隨機(jī)獲得N個粒子,組成初始粒子群,并設(shè)定粒子的初始位置與速度;
2)分別對每個粒子計算目標(biāo)函數(shù)值來評價其適應(yīng)值;
3)比較每個粒子當(dāng)前適應(yīng)值與迄今搜索到的個體歷史最優(yōu)值pi,如果優(yōu)于pi,則將其作為pi;
4)比較每個粒子當(dāng)前適應(yīng)值與群體歷史最優(yōu)值pg,如果優(yōu)于pg,則更新當(dāng)前全局最優(yōu)值;
5)根據(jù)公式更新每個粒子的飛行速度和位置;
6)若滿足終止條件,則終止迭代,否則返回步驟2)。
終止條件為:
1)達(dá)到最大迭代次數(shù);
2)已獲得足夠好的適應(yīng)值;
3)最優(yōu)解停滯不再變化。
在圖5中,取t時刻凸輪廓線S2(t)上1 000個均布點坐標(biāo)定義為(xti,yti),取t時刻凸輪廓線S1′(t)上1 000個均布點坐標(biāo)定義為(mti,nti),對應(yīng)點的歐式距離之和設(shè)為ρ(t),用以表征2個凸輪廓線的非對稱度。則有:
(22)
式中,i=1,2,…,1 000。
目標(biāo)函數(shù):
Minρ(t)
(23)
邊界條件:
a+b+c=1
(24)
修正函數(shù):
(25)
利用粒子群算法對凸輪廓線進(jìn)行重構(gòu)求解,并用編程工具對以上數(shù)學(xué)模型編程計算,取粒子群的規(guī)模為100[24],設(shè)定最大迭代次數(shù)為5 000,依據(jù)經(jīng)驗值范圍[18-20]和粒子收斂速度試算后,確定學(xué)習(xí)因子cp=0.05和cg=0.1。當(dāng)?shù)螖?shù)超過1 800次后,最優(yōu)解停滯不動,獲得粒子收斂的群體行為在圖7中示出。
圖7 粒子收斂的群體行為Fig.7 Swam behavior of convergence. (a) Initial state;(b)500 iterations; (c) 1 000 iterations; (d) 5 000 iterations
圖7中黑色粒子為最優(yōu)粒子,示出了粒子初始分布情況、粒子經(jīng)500次、1 000次和5 000次迭代后收斂情況。可以看到粒子收斂情況較好,同時得出修正系數(shù)與目標(biāo)函數(shù)結(jié)果如表2所示。
表2 修正系數(shù)與目標(biāo)函數(shù)結(jié)果Tab.2 Correction factor and objective function result
結(jié)果表明,經(jīng)優(yōu)化后獲得修正系數(shù):a=0.970,b=0.543,c=-0.513,目標(biāo)函數(shù)值為31.51,得出重構(gòu)后凸輪廓線。圖8示出重構(gòu)前后凸輪廓線比較。廓線S1和S2是重構(gòu)前獲得的凸輪廓線,廓線S3和S4為經(jīng)過粒子群算法優(yōu)化重構(gòu)后獲得的凸輪廓線。為了將重構(gòu)前后的凸輪廓線進(jìn)行對比,將廓線S1和S3沿O1點順時針旋轉(zhuǎn)180°形成廓線S1′與S3′,與廓線S2和S4比較,可以看到重構(gòu)后的2個半段凸輪廓線S3和S4基本中心對稱,結(jié)果表明,經(jīng)粒子群算法優(yōu)化重構(gòu)后目標(biāo)函數(shù)值由優(yōu)化前的25 727.20下降到31.51,使得凸輪廓線中心對稱度提高了99.878%。
圖8 重構(gòu)前后凸輪廓線比較Fig.8 Comparison of cam profiles before and after reconstruction
根據(jù)由廓線S3和S4形成的重構(gòu)后廓線構(gòu)建凸輪三維模型,將其安裝到提綜機(jī)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)中,運用仿真軟件進(jìn)行運動仿真分析,獲得齒輪旋轉(zhuǎn)1個周期內(nèi)綜框的運動特性。圖9示出綜框運動特性歸一化結(jié)果,同時示出測繪與重構(gòu)凸輪產(chǎn)生的綜框運動特性比較。
圖9 重構(gòu)與測繪凸輪產(chǎn)生的綜框運動特性比較Fig.9 Comparison of heald frame motion characteristics generated by reconstruction and mapping cam. (a) Normalized displacement and dimensionless velocity; (b) Dimensionless acceleration and jerk
將優(yōu)化重構(gòu)后凸輪產(chǎn)生的綜框運動特性與測繪凸輪產(chǎn)生的綜框運動特性比較分析,可看出:經(jīng)過粒子群算法優(yōu)化重構(gòu)后的凸輪產(chǎn)生的綜框運動特性在上升段和下降段相同,并且齒輪正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的綜框運動特性也相同。同時發(fā)現(xiàn)獲得的綜框運動特性平滑無波動,改善了測繪得到的凸輪廓線導(dǎo)致綜框運動特性在速度、加速度和躍度上存在的波動及跳躍現(xiàn)象。表明基于粒子群算法進(jìn)行凸輪廓線重構(gòu),獲得的凸輪提高了多臂機(jī)整體運動學(xué)性能。
1)根據(jù)綜框運動特性的多項式數(shù)學(xué)表達(dá),構(gòu)建了求解多臂機(jī)旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)凸輪廓線數(shù)學(xué)模型,列出了凸輪廓線求解方程,并用Microsoft Visual Studio VB.NET編程計算,獲得了求解后的凸輪廓線,建立了凸輪廓線逆向分析系統(tǒng)。運用SolidWorks仿真軟件建立了提綜機(jī)構(gòu)的數(shù)字樣機(jī)模型,并將數(shù)值計算得到的凸輪廓線進(jìn)行仿真分析,求解了綜框運動特性,分析了綜框運動特性的可靠性,驗證了所建逆向求解凸輪廓線數(shù)學(xué)模型的正確性。
2)由于偏心機(jī)構(gòu)是曲柄搖桿機(jī)構(gòu),導(dǎo)致求解的凸輪廓線并非中心對稱。將求解獲得的非中心對稱凸輪廓線運用粒子群算法進(jìn)行重構(gòu),獲得優(yōu)化重構(gòu)后的凸輪廓線,使得凸輪廓線中心對稱度提高了99.878%,同時獲得修正后的綜框運動特性數(shù)學(xué)表達(dá)。
3)重構(gòu)后的凸輪廓線滿足齒輪正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn),綜框運動特性完全相同的要求,同時,使得綜框的位移、速度、加速度和躍度平滑無波動,改善了測繪得到的凸輪廓線導(dǎo)致綜框在速度、加速度和躍度上存在的明顯波動及跳躍現(xiàn)象,有效提升了多臂機(jī)的運動學(xué)性能。