紡織機械共軛凸輪反求設計研究

王衛東

（浙江工業職業技術學院，紹興 312000）

0 引言

凸輪作為許多機械設備中的關鍵零部件，其優點主要表現在可實現分度運動、間歇運動、較大運動升程要求或其他任意復雜反復循環運動要求等，且機構緊湊、性能可靠同時適應能力強。劍桿織機是利用機械引緯方式的無梭織機，自從劍桿織機問世以來，提高劍桿織機的速度始終是設計者追求的目標之一，特別是針對劍桿織機引緯和打緯共軛凸輪機構的優化以及改進設計直接影響劍桿織機性能，因此研究織機打緯和引緯對織機高速化具有重要意義[1]。劍桿織機中廣泛采用共軛凸輪式打緯機構，它是兩組完整的凸輪機構，構件間相互剛性連接，分別控制同一從動件運動規律中的推程和回程，實現打緯機構中將緯紗推向織口與經紗交織從而形成織物的過程。國內的凸輪設計和制造技術水平與國外相比還有一定的差距，特別是對于共軛凸輪的輪廓曲線設計以及凸輪輪廓曲面的制造。共軛凸輪應根據劍桿的運動特性和動作配合要求來設計，本設計采用逆向設計的思維進行凸輪輪廓的設計，然后進行曲線和曲面的功能優化分析，對于提高凸輪設計與制造的效率、質量，縮短凸輪研制的周期，降低凸輪零配件的成本加強技術改造和創新起到了積極的作用。

1 共軛凸輪反求設計方法

在凸輪逆向設計的過程中，通過測量得到反求凸輪的三維點云數據，然后將測量數據轉換為數模，設計完成后對凸輪機構進行運動規律分析從而在虛擬環境下得到凸輪機構的運動規律曲線，凸輪曲面在復制的過程中凸輪曲面本身的表面缺陷和測量點的誤差都會完全復制到新產品上，對產品的性能產生影響，甚至造成逆向設計的產品不能滿足實際的運動要求，造成產品逆向設計的失敗[2]。在凸輪逆向設計的過程中通過運動規律判定凸輪機構設計的缺陷，改進凸輪機構的輪廓曲線并修正設計的缺陷，以滿足共軛凸輪原型所具有的設計與加工特征，結合運動規律反求的數學模型得到共軛凸輪機構的真實運動規律，凸輪逆向設計后將實際運動規律曲線轉化為無量綱運動規律曲線，從而判斷出運動規律類型。

2 共軛凸輪點云處理與曲線構建分析

三維點云數據采集通常采用專用的數據采集設備來測量得到產品實物模型表面離散點。常用的三維點云數據采集方法有接觸式和非接觸式。由于本課題研究的共軛凸輪對產品外輪廓曲線精度要求較高，其他表面均為規則曲面，本設計采用接觸式三坐標測量機進行共軛凸輪模型表面數據的采集，再使用逆向設計軟件提供的曲面造型與分析功能完成共軛凸輪曲面模型重構、評價、改進，最后實現共軛凸輪的再制造。利用三坐標測量機進行共軛凸輪數據采集，如圖1所示。測量所得到的數據不可避免地引入設備誤差和測量誤差，尤其是尖銳邊和邊界等，本課題的共軛凸輪是劍桿織機打緯機構的關鍵部件，對精度要求較高，因此，還需要對測量得到的點云數據進行預處理主要包括：去除噪聲點、去除冗余數據、數據插補、數據光順等[3]，從而實現把凸輪的反求設計誤差從它的原始數據中分離出來，再通過曲線、曲面質量分析可以及時發現缺陷、偏差、瑕疵等，使復制后的凸輪機構的工作性能不低于原設計的工作性能指標。測量后預處理后得到的共軛凸輪點云數據，如圖2所示。

圖1 共軛凸輪數據采集

圖2 測量后預處理的共軛凸輪點云數據

圖3 磨損的凸輪輪廓曲率分布

由于劍桿織機打緯機構共軛凸輪長時間高速運轉，受到工況條件以及外界振動等因素影響會引起磨損，使凸輪輪廓曲率不連續，影響紡織產品的質量精度，因此需要對磨損的共軛凸輪進行再設計。但是，凸輪輪廓的磨損會造成反求設計的共軛凸輪與原始設計的共軛凸輪之間存在偏差，再加上凸輪的加工誤差，精度不足將造成凸輪機構嚙合不良，間隙過大或過小都將造成磨損，引起凸輪機構的異常振動與噪聲，減少了機械有效的使用周期，磨損后的共軛凸輪經過反求設計后得到磨損后的凸輪輪廓曲線，在逆向設計軟件中對該曲線進行曲率分析，共軛凸輪前后兩個凸輪的輪廓曲線曲率分析，如圖3所示，從圖中可以看出凸輪輪廓曲率不連續，需要對該輪廓曲線進行優化設計，使反求設計后的凸輪輪廓滿足原設計的功能。

3 共軛凸輪優化處理與機構分析

利用MATLAB工具對曲線上各測繪點的數據進行擬合，對碰撞力曲線中突變處的對應點數據進行樣條插值，可對突變處進行修正，最后得到比較理想的共軛凸輪曲線。凸輪片進行光順處理后的曲率分析，曲率分布有明顯的改變，且基本符合光順要求，優化后凸輪曲率半徑曲線比優化前要平坦，凸輪片經光順處理后的曲率分布，如圖4所示。

圖4 凸輪片光順處理后的曲率分布

凸輪經光順處理后導入到Pro/E軟件后進行凸輪機構裝配，裝配是運動仿真的前提保障，裝配關系的正確與否直接影響著運動仿真的結果。裝配前首先要確定各構件之間的運動副關系，然后通過選擇構件和運動副組成機構，最后由各機構組成整機。本凸輪機構的元件只有兩個凸輪片和推桿，而且各元件之間的約束關系相對比較簡單，因此確定連接關系比較方便，確定好各構件間的運動副后添加凸輪副與伺服電機后進行機構模擬[4]。系統提供了完善的仿真和機構分析功能，產品導入Pro／E軟件仿真模塊后，確定好元件之間的裝配關系，即可模擬模型的運動過程，可以動態地觀察機構的運動狀況，分析機構的運動軌跡、位移以及運動構件是否發生干涉等問題，驗證機構設計的合理性，以便能夠盡早發現設計中存在的問題，可以提高產品設計的成功率減少設計周期，凸輪機構裝配結果如圖5所示，在運動環境中，通過定義連桿、添加運動副對凸輪機構進行運動仿真和運動分析，通過仿真過程判斷凸輪機構的運動結果是否與設計要求相一致，進而修改或完善凸輪的結構方案。如果機構比較復雜則應根據運動副中零件或組件的構成情況確定約束關系，然后進行正確的連接。

為適應高速運轉的要求，共軛凸輪應具有精確的共軛精度，在凸輪高速運轉時減少磨損與發熱，進行產品制造前的機構運動分析是必不可少的。Pro/E機構運動分析功能模塊系統提供的裝配功能進行機構的裝配，然后可以進入機構運動分析模塊進行機構仿真與運動模擬。在該模塊中，根據設計意圖首先定義好機架并確定好構成運動副的零件或組件之間的連接，然后定義伺服電機，伺服電機在該機構中提供施加力或力矩，為機構提供指定的運動[5]。研究其機構的運動和動態性能，獲得較好的特性參數，在滿足凸輪機構原有整機運動學和動力學特性的前提下，對打緯機構進行優化再設計，可以很方便的對凸輪機構的動力學特性做進一步分析。最后執行運動，并對運動結果進行分析，針對本設計的凸輪機構升回程位移曲線如圖6所示，凸輪連接軸的速度曲線如圖7所示，打緯擺桿機構角加速度曲線如圖8所示。通過分析共軛凸輪機構的位移、連接軸速度以及角加速度更有利于整機性能的提高，從而提升織機的工作效率。

從這些圖形中可以看出，轉軸速度曲線符合正弦曲線運動規律，打緯擺桿機構角加速度曲線在開始和終止的位置存在躍變，因此，該曲線的運動規律一般應在兩端可做進一步的修正工作以更好地滿足產品設計要求。該方法基于凸輪從動件的運動規律進行控制，在判斷凸輪機構整體性能時較直觀且操作方便，在機構運動分析中，可以選擇機構中關鍵的運動對象來加以分析，本設計主要分析連接軸速度和擺桿角加速度，看其運動是否符合設計要求[6]。分析凸輪機構運動規律可以研究其上各點的軌跡、位移、速度、加速度等運動參數，不僅可以評價從動件的運動規律是否滿足工作要求，還可以通過仿真結果，修改凸輪輪廓曲線或相應曲線參數來改變從動件的運動規律，測量出相關構件的位移曲線、加速度曲線、凸輪壓力角的變化曲線等，為進一步的設計或改進提供直觀的依據，作為凸輪設計的輔助手段，具有很強的實用價值。

圖5 凸輪機構裝配結果

圖6 凸輪升回程輪廓軌跡曲線

圖7 凸輪連接軸速度曲線

圖8 織機打緯擺桿角加速度曲線

4 結論

在三坐標測量機中獲得的共軛凸輪原始測量點云數據進行處理分析，從檢測的點云數據中提煉出來，生成凸輪外形輪廓進行優化處理，才能更好地保證反求設計的凸輪滿足工作性能，為進一步研究凸輪機構的動力學提供理論依據。在進行機構運動仿真時通過對機構進行優化設計，更新裝配模型，可以有效保證在生產凸輪之前使各項指標符合用戶要求，保證了機構設計的可靠性，振動和噪聲明顯有所下降，達到了優化的目的。

[1] 王盛, 張秋菊, 李國良, 等. 劍桿織機打緯共軛凸輪機構分析及優化[J]. 機械研究與應用, 2009, (04): 107-110.

[2] 李磊, 張勝文, 徐江敏. 基于逆向工程的柴油機氣道造型技術研究[J]. 制造業自動化, 2011, (18): 141-144.

[3] 馮蘭芳, 夏兆義, 王宏曉, 等. 白車身逆向造型及強度分析[J]. 制造業自動化, 2012, (04): 53-55.

[4] 羅軍, 何勇, 陳明, 等. 劍桿織機凸輪引緯機構運動分析與優化[J]. 紡織機械, 2009, (02): 13-16.

[5] 閆向彤. 基于Pro/E的凸輪機構的三維建模和運動仿真[J]. 組合機床與自動化加工技術 , 2009, (07): 12-15.

[6] 何勇, 孫中偉. 平面凸輪機構的設計方法與動態特性分析[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2010, (01): 61-65.