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浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 班 級 機械設(shè)計制造及其自動化09(4)班 姓 名 單嘉岱 課題名稱 橢圓齒輪曲柄搖桿打緯機構(gòu)的分析與設(shè)計 開題報告（包括選題意義、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題、總體研究思路與可行性分析及預期研究成果、研究工作計劃等內(nèi)容，非藝術(shù)類不少于3000字） 目 錄 1 選題的背景與意義 2 打緯機構(gòu)的介紹 2.1 概述 2.2 幾種典型打緯機構(gòu) 2.3 打緯機構(gòu)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 3.1 基本內(nèi)容 3.2 擬解決的主要問題 4 研究方案、可行性分析及預期研究成果 5 研究工作計劃（進度安排） 參考文獻 （開題報告全文附后） 成績： 答 辯 意 見 （從選題、任務工作量、質(zhì)量預期、可行性等幾個方面） 答辯組長簽名： 年 月 日 系 主 任 審 核 意 見 簽名： 年 月 日 橢圓齒輪曲柄搖桿打緯機構(gòu)的分析與設(shè)計 單嘉岱 (機械設(shè)計制造及其自動化09(4)班 B09300406) 1 選題的背景與意義 我國是紡織大國，紡織品的出口量位居世界第一，同時也是紡織機械進口大國，據(jù)我國海關(guān)統(tǒng)計，2006年1-9月我國紡織機械進出口總額為38.02億美元，同比增長18.16％。其中進口金額為29．16億美元，紡織機械出口金額為8．87 億美元[1]。在1：3的紡織機械中，織機位居第二，為5.29億美元，占18.14％，同比增長17.86％，主要是噴氣織機、劍桿織機和片梭織機。 2008年上半年我國紡織機械及其零附件出口額8.10億美元，同比增長6.60%，6月出口額為1.28億美元。2008年第二季度我國紡織機械進出口額為23.21億美元，同比增長2.25%，六月進出口額為4.05億美元。 我國有不少織機生產(chǎn)廠家，但其產(chǎn)品大多是中低檔水平，且沒有形成世界知名品牌。雖然有一些廠家開始生產(chǎn)高檔織機，如中國紡織機械集團有限公司和經(jīng)緯紡織機械股份有限公司，但其產(chǎn)品在可靠性和耐久性方面卻遠遠不如進口產(chǎn)品，特別是不能長時間高速運轉(zhuǎn)(在演示和展銷期間可以高速運轉(zhuǎn))，究其原因， 除了關(guān)鍵零部件的材質(zhì)和熱處理不過關(guān)外，對核心工作部件的工作機理沒有進行深入的研究，造成運動構(gòu)件之間受力不良也主要原因之一。因此雖國內(nèi)機織在價格上具有優(yōu)勢(如國產(chǎn)劍桿織機價格平均在12萬元/臺，而2010年進口的劍桿織機平均價格為5.45萬美元)，但很多企業(yè)還是青睞進口產(chǎn)品。 出現(xiàn)這種狀況的原因是，國內(nèi)織機廠家自主創(chuàng)新能力差。到2004年4月，在我國申請有關(guān)劍桿織機機構(gòu)的相關(guān)專利共35件，其中國外在華申請11件，且這11件已經(jīng)進入實用和推廣。國內(nèi)企業(yè)對核心機構(gòu)(如打緯和引緯機構(gòu))的研究還停留在測繪和仿制階段，這不僅帶來侵權(quán)法律問題，不可能將企業(yè)做大、做出品牌，同時也由于沒有從理論上進行深入研究，對其中的核心技術(shù)沒有完全掌握，就仿制不了預想的性能和可靠性。可見織機的研究必須走自主創(chuàng)新的道路，必須從核心執(zhí)行機構(gòu)創(chuàng)新開始，運用計算機分析軟件獲得最佳參數(shù)[13]，取得自主知識產(chǎn)權(quán)，然后再研究其工作機理、優(yōu)化性能和提高可靠性，才能創(chuàng)自己的品牌和名牌產(chǎn)品。 2 打緯機構(gòu)的介紹 2.1 概述 打緯機構(gòu)是織機的主要機構(gòu)之一，作用是將織機主軸的勻速旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為搖軸的非勻速擺動，把新引入的緯紗推向織口形成織物，要求鋼扣在后心位置要有停頓時間或“近似停頓”時間，以便有充分的時間完成打緯運動。 為了實現(xiàn)理想的打緯運動，并使打緯機構(gòu)符合織造工藝要求，達到最佳經(jīng)濟效益，對打緯機構(gòu)的工藝要求如下： （1）有利于打緊緯紗 鋼筘將引入梭口的緯紗打向織口，打緯機構(gòu)的打緯力必須要適應所織織物的要求，如：緊密厚重的織物要求打緯力堅實有力；輕薄織物要求打緯柔和。同時在經(jīng)紗方向要求鋼筘必須具有足夠的剛度，方可打緊緯紗。 （2）盡可能減小打緯動程 打緯動程：筘座從后止點擺動到前止點，鋼筘上的打緯點在織機前后方向上的水平位移量。打緯動程越大，筘座運動的加速度也越大，不利于高速織造。 （3）筘座的轉(zhuǎn)動慣量和筘座運動的最大加速度 在保證打緊緯紗的前提下，應盡量減小筘座的轉(zhuǎn)動慣量及最大加速度，以減小織機的振動和動力消耗。 （4）筘座運動應盡可能與開口、引緯相配合 在滿足打緯條件下，盡可能提供大引緯角，以保證引緯順利進行。擴大引緯角，織機主軸一回轉(zhuǎn)中引緯的時間增長，有利于增大織機幅寬，提高車速，降低梭子飛行速度及減少機物料消耗。 （5）打緯機構(gòu)應力求結(jié)構(gòu)簡單堅固，操作安全裝配方便。 2.2 幾種典型打緯機構(gòu) 目前織機上常用的打緯機構(gòu)有連桿打緯機構(gòu)和共軛凸輪打緯機構(gòu)。連桿打緯機構(gòu)基本是四連桿非分離筘座式和六連桿式；共軛凸輪打緯機構(gòu)則基本是分離筘座式【2】。 2.2.1 四連桿打緯機構(gòu) TP500(意大利SMIT公司)型劍桿織機采用四連桿打緯機構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但在曲柄后止點附近時，筘座無靜止時間，如果允許5mm左右的打緯位移，能實現(xiàn)65°左右的“近似停頓”時間，性能比共軛凸輪打緯機構(gòu)差，它主要用于非分離式筘座。 OA一曲柄；AB一連桿；OC一打緯桿 圖1-1 TP500型號劍桿打緯機構(gòu)簡圖 圖1-2為K251型有梭絲織機的四連桿打緯機構(gòu)。主軸1上的曲柄2，其頸上包有軸承3，經(jīng)鋼片夾4與牽手5相連接。牽手5的另一端活套在筘座腳6的牽手栓7上。兩只筘座腳6則借托腳8固裝在搖軸9上。當主軸轉(zhuǎn)動時，通過曲柄2、牽手5及牽手栓7使筘座腳6繞搖軸9的中心擺動，從而使固裝在筘座腳上的筘座10、鋼筘11隨之前后擺動，實現(xiàn)將緯絲推向織口。 1一主軸；2一曲柄 ；3一軸承；4一鋼片夾；5一牽手；6一筘座腳； 7一牽手栓；8一托腳；9一搖軸；10一筘座；11一鋼筘；12一筘帽 圖1-2 有梭絲織機四連桿打緯機構(gòu) 圖1-3為應用于噴水織機中的四連桿打緯機構(gòu)，這種打緯機構(gòu)稱為內(nèi)藏式四連桿打緯機構(gòu)。Zh205型噴水織機和ZW型噴水織機都采用了這類打緯機構(gòu)，這些機構(gòu)都采用短牽手和短筘座腳。為適應高速，其曲柄、牽手和筘座腳等密封在機架箱形墻板中，以油浴潤滑。 1一鋼筘；2一筘座；3一夾片；4一輔助筘座腳；5一鋼管；6一曲柄 圖1-3 噴水織機四連桿打緯機構(gòu) 圖1-4中A為曲軸中心，D為搖軸中心，C為牽手栓中心，AB為曲柄半徑，BC為牽手，CD為筘座腳【9】。牽手的長短是以牽手長度BC與曲柄半徑AB的比值大小來表示的。當BC/AB<3時，就稱為短手打緯機構(gòu)。牽手越短，筘座在后死心附近的運動就越慢，慢到一定程度就可以看成是靜止不動。但是牽手縮短后，機構(gòu)的壓力角θ增大，機構(gòu)的傳力情況惡化，因此，近似靜止時間與壓力角是一對相互牽制的矛盾。 圖1-4 短牽手打緯機構(gòu)示意簡圖 2.2.2 六連桿打緯機構(gòu) 隨著織機幅寬的增加及車速的提高，對搖軸的相對靜止時間及停歇質(zhì)量提出了更高的要求，因此，在許多的織機中選用了六連桿的打緯機構(gòu)，這類機構(gòu)停歇時間更長，停歇質(zhì)量明顯提高，例如，畢加諾PAT-W型噴氣織機的六連桿打緯機構(gòu)在后心附近相對靜止角為180°，筘座擺角相對誤差為8.3%[11]。而且筘幅大于230cm的寬幅織機，一般也采用六連桿打緯機構(gòu)，該打緯機構(gòu)能在較高的車速下提供足夠長的引緯時間，以滿足寬幅織物的引緯需要[10]。 圖1-5為PAT型噴氣織機六連桿打緯機構(gòu)原理圖。該機構(gòu)由曲柄搖桿機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)組成。主軸回轉(zhuǎn)中心O1、曲柄1、第一連桿2、第一搖桿3、搖桿中心O2為曲柄搖桿（四連桿）機構(gòu)。而搖桿中心O2、第一搖桿3、第二搖桿5和第二連桿4為雙搖桿機構(gòu)。O3為搖軸中心，帶動筘座和異形筘擺動。這種機構(gòu)允許5mm左右的打緯位移，能實現(xiàn)120°左右的“近似停頓”時間，其性能優(yōu)于四連桿打緯機構(gòu)，但比共軛凸輪打緯機構(gòu)差，另外該機構(gòu)鉸鏈點較多，累計誤差大，因此加工精度要求比四連桿打緯機構(gòu)高[3]。 1一主軸 ；2一第一連桿；3一第一搖桿；4一第二連桿；5一第二搖桿 ； 6一異形筘；O1一主軸回轉(zhuǎn)中心；O2一搖桿中心 ；O3一搖軸中心 圖1-5 PAT型噴氣織機六連桿打緯機構(gòu)原理圖 2.2.3 共軛凸輪式打緯機構(gòu) 無論是四連桿還是六連桿打緯機構(gòu)，其筘座在后心處無絕對靜止時間，只有相對靜止時間。雖然六連桿打緯機構(gòu)的筘座在后心的相對靜止時間比四連桿打緯機構(gòu)有所延長，但還是不能滿足那些引緯機構(gòu)固定在機架上的織機，如片梭織機和大多數(shù)劍桿織機的引緯要求。但是共軛凸輪打緯機構(gòu)就很容易滿足打緯要求的運動規(guī)律，能實現(xiàn)240°左右的完全停頓時間，如SM93(意大利SOMET公司)、TT一96(浙江泰坦)和GA731(杭紡機)等就采用該類型機構(gòu)，不過凸輪廓線加工精度要求相當高，如存在誤差就產(chǎn)生沖擊，機構(gòu)振動大，使織物產(chǎn)生“開車稀密路”疵點，反而限制了車速的提高。目前，國內(nèi)的凸輪制造技術(shù)水平與國外相比還有一定差距，國內(nèi)企業(yè)一般還沒有真正設(shè)計意義上的凸輪產(chǎn)品，通常是通過反復測繪反求而進行制造，不知其機理，因此加工出來的凸輪產(chǎn)品性能差，關(guān)鍵技術(shù)掌握在一些專業(yè)的凸輪制造廠家和科研機構(gòu)中，無法通過技術(shù)引進來提高我國的制造水平。 1一主軸；2一主凸輪：3、8一轉(zhuǎn)子；4一筘座腳； 5一搖軸；6一筘座；7一鋼筘；9—副凸輪 圖1-7 TT96型劍桿織機上的共軛凸輪打緯機構(gòu) 圖1-7打緯機構(gòu)，主要由主軸、主凸輪、副凸輪、轉(zhuǎn)子、筘座腳、搖軸、筘座和鋼筘等組成。當主軸1轉(zhuǎn)動時，主凸輪2通過轉(zhuǎn)子3帶動筘座腳4以搖軸5為中心按逆時針方向擺向機前，通過筘座6上的鋼筘7進行打緯。此時，轉(zhuǎn)子8緊貼副凸輪9。打緯結(jié)束后，副凸輪變成主動，推動轉(zhuǎn)子8，使筘座腳按順時針方向向機后擺動。此時轉(zhuǎn)子3互共軛完成。 又緊貼主凸輪。筘座運動由主副兩凸輪相互共軛完成。 2.3 打緯機構(gòu)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外對打緯機構(gòu)的研究敘述如下：Mrazek，Jiri用拉格朗日第二類方程建立了四連桿打緯機構(gòu)動力學數(shù)學模型，提出了一種考慮構(gòu)件之間間隙存在前提下機構(gòu)各參數(shù)對其動力學特性影響的快速分析方法[4]，Anirban Guha，C等對有梭織機的六連桿打緯機構(gòu)進行剛體運動學建模，并進行參數(shù)優(yōu)化，得到筘座在后心位置停留95°的良好效果[5]。Gu，Huang分析了兩種用組合曲線來設(shè)計打緯共軛凸輪輪廓曲線方法，并分析這兩種方法設(shè)計的凸輪打緯時的加速度、筘座反力和凸輪壓力角【6】。Dao-D、Bullerwell-A和 Mohamed-M在考慮彈性變形的基礎(chǔ)上對打緯過程進行動力學分析【7】。 國內(nèi)陳靜、馮志華考慮剛彈耦合的影響采用柔性多體系統(tǒng)建模方法建立了噴氣織機四連桿打緯機構(gòu)的微分一代數(shù)動力學控制方程組，并將其轉(zhuǎn)化為常微分方程組。王亞平、吳小平等利用機械系統(tǒng)仿真軟件Adams建立GJ600劍桿織機的凸輪打緯機構(gòu)的仿真模型，分析了不同轉(zhuǎn)速、不同滾子與凸輪之間的接觸剛度和接觸預緊力下鋼筘最大角加速度和軸承處的受力【8】。 國內(nèi)還有馬小利、沈丹峰、徐衛(wèi)英、梁海順、程軍紅等學者對四連桿打緯機構(gòu)構(gòu)進行運動特性分析；張春林、于曉紅、袁麗清、牛建設(shè)、郜劍等對共軛凸輪打緯機構(gòu)進行運動分析或?qū)ν馆嗇喞€進行研究；馬世平、王光華、王浩程、曹清林、袁守華等對六連桿打緯的運動特性進行分析。 3 報告的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 3.1 基本內(nèi)容 本文將通過使用matlab對橢圓齒輪曲柄搖桿打緯機構(gòu)（如圖1-8）進行運動分析。通過計算機輔助來確定合理的參數(shù)。其中涉及到的工作包括以下幾個方面。 1） 掌握打緯機構(gòu)的工作工藝要求； 2） 建立機構(gòu)運動的數(shù)學模型； 3） 通過matlab編寫建立可視化人機交互式優(yōu)化程序，并且確定合理的參數(shù)，得到合理的軌跡； 4） 根據(jù)獲得的參數(shù)在ProE中設(shè)計機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，包括零部件和裝配體，對關(guān)鍵的打緯部分進行有限元分析，并在ProE中進行仿真； 5） 設(shè)計完整體裝配后，進行二維加工圖紙繪制。 圖1-8 橢圓齒輪—一曲柄搖桿打緯機構(gòu) 主動橢圓齒輪1裝在織機主軸0上，其旋轉(zhuǎn)中心為橢圓齒輪的一個焦點。通過橢圓齒輪1和2的傳動，將運動和動力傳到軸A上，A為從動橢圓齒輪2的一個焦點；然后通過曲柄搖桿機構(gòu)ABCD，將運動轉(zhuǎn)化為搖桿CDE的非勻速往復擺動(曲柄AB與從動橢圓齒輪2固結(jié))，A點為橢圓齒輪2的轉(zhuǎn)動中心，打緯桿處于前心初始位置時C在BA的延長線上[14]。 3.2 擬解決的主要問題 我國雖然織布基本已經(jīng)實現(xiàn)了機械化，但是效率和成本都很低而且不具有自主知識產(chǎn)權(quán)，從而嚴重影響國產(chǎn)織機的規(guī)?；a(chǎn)。而本文提出的新型打緯機構(gòu)采用了兩級傳動，通過合理設(shè)計橢圓齒輪和曲柄搖桿的各機構(gòu)參數(shù)，能實現(xiàn)筘座在后心位置長時間的停頓，并且具有很好的運動學特性，滿足織造工藝要求，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。 4 研究方案、可行性分析及預期研究成果 本課題以橢圓齒輪曲柄搖桿打緯機構(gòu)為對象，根據(jù)工藝要求，在分析符合的參數(shù)后，確定運動軌跡，和機構(gòu)參數(shù)。 4.1 研究方案 橢圓齒輪曲柄搖桿打緯機構(gòu)由圖1-8可知，0為主動橢圓齒輪的焦點，也是織機主軸轉(zhuǎn)動中心，a為從動橢圓齒輪轉(zhuǎn)動中心，為該橢圓齒輪的一個焦點，曲柄ab與從動橢圓齒輪固接，通過連桿bc帶動搖桿cd作往復擺動。cd與筘座de通過軸 d固連，使筘座de前后往復擺動。通過優(yōu)化橢圓齒輪的短長軸之比k(偏心率)、 當曲柄ab與連桿bc共線時(即筘座de在前心位置)與支座ad夾角β、初始安裝角δ (安裝時主動橢圓齒輪長軸與ao線的夾角)、四根桿件的長度和支座 ad位置角γ，可以獲得類似共軛凸輪打緯機構(gòu)運動規(guī)律。橢圓齒輪一曲柄搖桿打緯機構(gòu)的重要參數(shù)是四桿桿長和δ ，δ角由四桿桿長和k確定。 4.2 可行性分析 橢圓齒輪曲柄搖桿打緯機構(gòu)通過橢圓齒輪和曲柄搖桿來控制最后的打緯軌跡，而通過β、δ參數(shù)和橢圓偏心率設(shè)定的仿真軌跡來調(diào)整各個零件，因此該機構(gòu)可行，而且先前已經(jīng)有對該類型機構(gòu)有過研究和專利申請[12]。 4.3 預期研究成果 從工藝的要求出發(fā)，掌握機構(gòu)設(shè)計的一般流程，完成的機構(gòu)的設(shè)計計算，確定零件的參數(shù)，繪制機構(gòu)圖紙。最終研制一種完成打緯動作的部件。 5 研究工作計劃（進度安排） 起止時間 內(nèi)容 2012.11 下達畢業(yè)論文任務 2012.12.20-2012.12.27 完成中外文資料收集 2012.12.28-2013.01.09 完成外文翻譯、文獻綜述 2013.01.10-2013.01.14 完成開題報告 2013.01.15-2013.03.14 完成開題答辯 2013.03.15-2013.03.25 完成部分打緯機構(gòu)參數(shù)設(shè)置 2013.03.26-2013.04.14 完成總的參數(shù)設(shè)置 2013.04.15-2013.04.25 完成二維工程圖紙的設(shè)計 2013.04.26-2013.04.30 完成三維零部件設(shè)計并裝配，努力實現(xiàn)仿真 2013.04.31-20130.5.09 完成論文初稿 2013.05.10-2013.05.15 進一步完善 2013.05.16-2013.05.25 部分論文提前答辯 2013.05.26-2013.05.29 完成論文定稿 2013.5.30 完成論文答辯 2013.06（離校前） 論文修改（優(yōu)秀論文壓縮為規(guī)定字數(shù)），交紙質(zhì)和電子稿 參考文獻 [1] http://www.sccom.gov.cn/xxfb [2] 王皓．紡織機械行業(yè)知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略初析[J]．知識產(chǎn)權(quán)，2004，(5)：19-22． [3] 陳明．新型織機[M]．上海：中國紡織大學出版社，2002，5． [4] Mrazek，Jiri．Theoretical Analysis of Dynamics of Four-bar Beat-up Mechanism of a Loom[J]．Mechanism＆Machine Theory，1992，27(3)：331-341． [5] Anirban Guha，C．Amarnath，M．K．Talukdar and Manoj A．G．A novel mechanism for driving the sley in a shuttle loom[J]．Journal of the Textile Institute，2006，97(6)：513-518． [6] Gu，Huang．Investigation of conjugate-cam design for the beat-up mechanism [J]．Journal of the Textile Institute，1993，84(3)：387-393 [7] Dao-D，Bullerwell-A，Mohamed-M．Dynamic analysis of the beat-up process[J]．Textile Reseach Journal，1991，61(12)：760-773． [8] 王亞平，吳小平，宋梅利等．GJ600劍桿織機振動問題的仿真研究[J]，紡織學報，2002，23(6)：492-494． 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