纺织机械共轭凸轮反求设计研究

王卫东

（浙江工业职业技术学院，绍兴 312000）

0 引言

凸轮作为许多机械设备中的关键零部件，其优点主要表现在可实现分度运动、间歇运动、较大运动升程要求或其他任意复杂反复循环运动要求等，且机构紧凑、性能可靠同时适应能力强。剑杆织机是利用机械引纬方式的无梭织机，自从剑杆织机问世以来，提高剑杆织机的速度始终是设计者追求的目标之一，特别是针对剑杆织机引纬和打纬共轭凸轮机构的优化以及改进设计直接影响剑杆织机性能，因此研究织机打纬和引纬对织机高速化具有重要意义[1]。剑杆织机中广泛采用共轭凸轮式打纬机构，它是两组完整的凸轮机构，构件间相互刚性连接，分别控制同一从动件运动规律中的推程和回程，实现打纬机构中将纬纱推向织口与经纱交织从而形成织物的过程。国内的凸轮设计和制造技术水平与国外相比还有一定的差距，特别是对于共轭凸轮的轮廓曲线设计以及凸轮轮廓曲面的制造。共轭凸轮应根据剑杆的运动特性和动作配合要求来设计，本设计采用逆向设计的思维进行凸轮轮廓的设计，然后进行曲线和曲面的功能优化分析，对于提高凸轮设计与制造的效率、质量，缩短凸轮研制的周期，降低凸轮零配件的成本加强技术改造和创新起到了积极的作用。

1 共轭凸轮反求设计方法

在凸轮逆向设计的过程中，通过测量得到反求凸轮的三维点云数据，然后将测量数据转换为数模，设计完成后对凸轮机构进行运动规律分析从而在虚拟环境下得到凸轮机构的运动规律曲线，凸轮曲面在复制的过程中凸轮曲面本身的表面缺陷和测量点的误差都会完全复制到新产品上，对产品的性能产生影响，甚至造成逆向设计的产品不能满足实际的运动要求，造成产品逆向设计的失败[2]。在凸轮逆向设计的过程中通过运动规律判定凸轮机构设计的缺陷，改进凸轮机构的轮廓曲线并修正设计的缺陷，以满足共轭凸轮原型所具有的设计与加工特征，结合运动规律反求的数学模型得到共轭凸轮机构的真实运动规律，凸轮逆向设计后将实际运动规律曲线转化为无量纲运动规律曲线，从而判断出运动规律类型。

2 共轭凸轮点云处理与曲线构建分析

三维点云数据采集通常采用专用的数据采集设备来测量得到产品实物模型表面离散点。常用的三维点云数据采集方法有接触式和非接触式。由于本课题研究的共轭凸轮对产品外轮廓曲线精度要求较高，其他表面均为规则曲面，本设计采用接触式三坐标测量机进行共轭凸轮模型表面数据的采集，再使用逆向设计软件提供的曲面造型与分析功能完成共轭凸轮曲面模型重构、评价、改进，最后实现共轭凸轮的再制造。利用三坐标测量机进行共轭凸轮数据采集，如图1所示。测量所得到的数据不可避免地引入设备误差和测量误差，尤其是尖锐边和边界等，本课题的共轭凸轮是剑杆织机打纬机构的关键部件，对精度要求较高，因此，还需要对测量得到的点云数据进行预处理主要包括：去除噪声点、去除冗余数据、数据插补、数据光顺等[3]，从而实现把凸轮的反求设计误差从它的原始数据中分离出来，再通过曲线、曲面质量分析可以及时发现缺陷、偏差、瑕疵等，使复制后的凸轮机构的工作性能不低于原设计的工作性能指标。测量后预处理后得到的共轭凸轮点云数据，如图2所示。

图1 共轭凸轮数据采集

图2 测量后预处理的共轭凸轮点云数据

图3 磨损的凸轮轮廓曲率分布

由于剑杆织机打纬机构共轭凸轮长时间高速运转，受到工况条件以及外界振动等因素影响会引起磨损，使凸轮轮廓曲率不连续，影响纺织产品的质量精度，因此需要对磨损的共轭凸轮进行再设计。但是，凸轮轮廓的磨损会造成反求设计的共轭凸轮与原始设计的共轭凸轮之间存在偏差，再加上凸轮的加工误差，精度不足将造成凸轮机构啮合不良，间隙过大或过小都将造成磨损，引起凸轮机构的异常振动与噪声，减少了机械有效的使用周期，磨损后的共轭凸轮经过反求设计后得到磨损后的凸轮轮廓曲线，在逆向设计软件中对该曲线进行曲率分析，共轭凸轮前后两个凸轮的轮廓曲线曲率分析，如图3所示，从图中可以看出凸轮轮廓曲率不连续，需要对该轮廓曲线进行优化设计，使反求设计后的凸轮轮廓满足原设计的功能。

3 共轭凸轮优化处理与机构分析

利用MATLAB工具对曲线上各测绘点的数据进行拟合，对碰撞力曲线中突变处的对应点数据进行样条插值，可对突变处进行修正，最后得到比较理想的共轭凸轮曲线。凸轮片进行光顺处理后的曲率分析，曲率分布有明显的改变，且基本符合光顺要求，优化后凸轮曲率半径曲线比优化前要平坦，凸轮片经光顺处理后的曲率分布，如图4所示。

图4 凸轮片光顺处理后的曲率分布

凸轮经光顺处理后导入到Pro/E软件后进行凸轮机构装配，装配是运动仿真的前提保障，装配关系的正确与否直接影响着运动仿真的结果。装配前首先要确定各构件之间的运动副关系，然后通过选择构件和运动副组成机构，最后由各机构组成整机。本凸轮机构的元件只有两个凸轮片和推杆，而且各元件之间的约束关系相对比较简单，因此确定连接关系比较方便，确定好各构件间的运动副后添加凸轮副与伺服电机后进行机构模拟[4]。系统提供了完善的仿真和机构分析功能，产品导入Pro／E软件仿真模块后，确定好元件之间的装配关系，即可模拟模型的运动过程，可以动态地观察机构的运动状况，分析机构的运动轨迹、位移以及运动构件是否发生干涉等问题，验证机构设计的合理性，以便能够尽早发现设计中存在的问题，可以提高产品设计的成功率减少设计周期，凸轮机构装配结果如图5所示，在运动环境中，通过定义连杆、添加运动副对凸轮机构进行运动仿真和运动分析，通过仿真过程判断凸轮机构的运动结果是否与设计要求相一致，进而修改或完善凸轮的结构方案。如果机构比较复杂则应根据运动副中零件或组件的构成情况确定约束关系，然后进行正确的连接。

为适应高速运转的要求，共轭凸轮应具有精确的共轭精度，在凸轮高速运转时减少磨损与发热，进行产品制造前的机构运动分析是必不可少的。Pro/E机构运动分析功能模块系统提供的装配功能进行机构的装配，然后可以进入机构运动分析模块进行机构仿真与运动模拟。在该模块中，根据设计意图首先定义好机架并确定好构成运动副的零件或组件之间的连接，然后定义伺服电机，伺服电机在该机构中提供施加力或力矩，为机构提供指定的运动[5]。研究其机构的运动和动态性能，获得较好的特性参数，在满足凸轮机构原有整机运动学和动力学特性的前提下，对打纬机构进行优化再设计，可以很方便的对凸轮机构的动力学特性做进一步分析。最后执行运动，并对运动结果进行分析，针对本设计的凸轮机构升回程位移曲线如图6所示，凸轮连接轴的速度曲线如图7所示，打纬摆杆机构角加速度曲线如图8所示。通过分析共轭凸轮机构的位移、连接轴速度以及角加速度更有利于整机性能的提高，从而提升织机的工作效率。

从这些图形中可以看出，转轴速度曲线符合正弦曲线运动规律，打纬摆杆机构角加速度曲线在开始和终止的位置存在跃变，因此，该曲线的运动规律一般应在两端可做进一步的修正工作以更好地满足产品设计要求。该方法基于凸轮从动件的运动规律进行控制，在判断凸轮机构整体性能时较直观且操作方便，在机构运动分析中，可以选择机构中关键的运动对象来加以分析，本设计主要分析连接轴速度和摆杆角加速度，看其运动是否符合设计要求[6]。分析凸轮机构运动规律可以研究其上各点的轨迹、位移、速度、加速度等运动参数，不仅可以评价从动件的运动规律是否满足工作要求，还可以通过仿真结果，修改凸轮轮廓曲线或相应曲线参数来改变从动件的运动规律，测量出相关构件的位移曲线、加速度曲线、凸轮压力角的变化曲线等，为进一步的设计或改进提供直观的依据，作为凸轮设计的辅助手段，具有很强的实用价值。

图5 凸轮机构装配结果

图6 凸轮升回程轮廓轨迹曲线

图7 凸轮连接轴速度曲线

图8 织机打纬摆杆角加速度曲线

4 结论

在三坐标测量机中获得的共轭凸轮原始测量点云数据进行处理分析，从检测的点云数据中提炼出来，生成凸轮外形轮廓进行优化处理，才能更好地保证反求设计的凸轮满足工作性能，为进一步研究凸轮机构的动力学提供理论依据。在进行机构运动仿真时通过对机构进行优化设计，更新装配模型，可以有效保证在生产凸轮之前使各项指标符合用户要求，保证了机构设计的可靠性，振动和噪声明显有所下降，达到了优化的目的。

[1] 王盛, 张秋菊, 李国良, 等. 剑杆织机打纬共轭凸轮机构分析及优化[J]. 机械研究与应用, 2009, (04): 107-110.

[2] 李磊, 张胜文, 徐江敏. 基于逆向工程的柴油机气道造型技术研究[J]. 制造业自动化, 2011, (18): 141-144.

[3] 冯兰芳, 夏兆义, 王宏晓, 等. 白车身逆向造型及强度分析[J]. 制造业自动化, 2012, (04): 53-55.

[4] 罗军, 何勇, 陈明, 等. 剑杆织机凸轮引纬机构运动分析与优化[J]. 纺织机械, 2009, (02): 13-16.

[5] 闫向彤. 基于Pro/E的凸轮机构的三维建模和运动仿真[J]. 组合机床与自动化加工技术 , 2009, (07): 12-15.

[6] 何勇, 孙中伟. 平面凸轮机构的设计方法与动态特性分析[J]. 东华大学学报(自然科学版), 2010, (01): 61-65.