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目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒 論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 主要研究意義與方向 3
2 基于Solidworks 副夾板整體方案的構(gòu)思與確定 4
2.1 副夾板的整體設(shè)計(jì) 4
2.2 副夾板的驅(qū)動源及開合裝置的設(shè)計(jì) 4
2.3 副夾板的夾緊力 8
2.4 副夾板張開的角度 8
2.5 副夾板的受力分析 10
3 副夾板的運(yùn)動循環(huán) 11
3.1 中切機(jī)與副夾板 11
3.2 副夾板傳送裝置 12
3.3 圓梳機(jī)與副夾板 13
3.4 換向裝置與副夾板 16
4 基于ADAMS 的副夾板的運(yùn)動分析 20
4.1 副夾板結(jié)構(gòu)的仿真 20
4.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上副夾板的仿真 24
4.3 圓梳取放機(jī)構(gòu)上副夾板的仿真 28
4.4 換向機(jī)構(gòu)上副夾板的仿真 30
5 結(jié) 論 34
參考文獻(xiàn) 36
致 謝 37
I
摘要
絹紡圓梳自動化生產(chǎn)線副夾板模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)
摘 要
抓住絹紡圓梳握持梳理的工藝本質(zhì)，在保證梳綿效果的情況下，針對絹紡圓梳加工中的手工操作多、勞動強(qiáng)度大、勞動生產(chǎn)率低等缺點(diǎn)，提出“副夾板”這一說法。傳統(tǒng)生產(chǎn)線并沒有“副夾板”這一名詞，而是人工用綿棒取綿。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化，引入了“副夾板”來代替綿棒夾住綿，實(shí)現(xiàn)從中切機(jī)中夾住綿并送到圓梳機(jī)中梳綿的功能。課題主要研究的是副夾板裝置設(shè)計(jì)以及相鄰環(huán)節(jié)的連接，即對于副夾板模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要工作如下：
1. 依靠由兩個(gè)梯形擋板組成的燕尾槽，控制副夾板的張開閉合。副夾板受梯形擋板作用，副夾板的上板耳往副夾板內(nèi)部縮回，副夾板張開，當(dāng)副夾板通過了梯形擋板區(qū)域后， 副夾板上板耳往外擴(kuò)，副夾板閉合。
2. 將原先的竹蜻蜓方案進(jìn)行優(yōu)化：主要針對連接方式，齒輪齒條嚙合，橢圓軸以及橢圓軸放置的位置進(jìn)行了優(yōu)化，以便更好地實(shí)現(xiàn)所需要的運(yùn)動。
3. 配合圓梳機(jī)和換向裝置，將板耳做成了一段為方塊狀，一段為圓狀的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的定位。
4. 完善副夾板在生產(chǎn)線上各個(gè)環(huán)節(jié)的傳輸運(yùn)動與定位。
對上述一些機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性進(jìn)行運(yùn)動分析，并使用 Adams 輔助仿真分析其可行性。
關(guān)鍵詞：絹紡業(yè)；圓梳機(jī)；梳綿；副夾板；中切機(jī)；換向機(jī)構(gòu)
II
Abstract
The design of deputy splint in the circular comb
Abstract
The article holds the essence of holding and combing silk , and puts forward the term "splint" , in view of the disadvantages of many manual operations, high labor intensity and low labor productivity in silk spinning comb. There is no splint in the traditional production line. The cotton is got by a cotton stick with hands. In order to realize the automation of the production line, the "splint" was introduced to replace the cotton stick, and the function of holding the cotton from the central cutter to the comb was realized. The topic is mainly aimed at the design of the splint, that is, the optimum design of the splint. The main tasks are as follows:
1. By Swallowtail groom composed of two pairs of trapezoidal baffles,we can control the opening and closing of the splint. When the upper ear of the splint is retracted to the inner part of the splint, the splint is opened, and when the upper ear of the splint is expanded outwards after passing through the trapezoid area,the splint is closed
2. Optimization of the original Bamboo Dragonfly case: Optimization of the position of the connection mode, gear rack engagement, elliptical axis and the place of ellipse axis in order to better achieve the required movement.
3. In conjunction with the circular comb and the commutator, the plate ear is formed into a square and a circular structure, which can achieve reliable positioning .
4. Realize the transmission of deputy splint on the production line
Force and motion analysis was performed on some ofabove-mentioned mechanism movements, and feasibility was analyzed using Adams simulation.
Keywords: silk industry; circular comb machine; deputy splint design; cut machine; reversing
II
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第 1 章 緒論
1 緒 論
1.1 課題背景
絹紡工藝就是將養(yǎng)蠶、制絲和絲織中產(chǎn)生的疵繭、廢絲加工成絹絲和釉絲的紡紗工藝過程。絹紡行業(yè)源自我國，有著較悠久的歷史。從古人用一些簡單的工具紡成絲線到如今的半機(jī)械、半手工操作，絹紡業(yè)得到了飛躍性的發(fā)展。但目前國內(nèi)工藝【1】依舊是傳統(tǒng)的圓梳工藝，傳統(tǒng)的儀器缺陷比較多，人力勞動安全性不高，步驟繁多，工人勞動時(shí)間長、強(qiáng)度大，而且開松程度不足，梳理不充分，纖維整齊度差。主要過程如下：
開繭 中切 圓梳取落綿
圓梳 排綿 制條
為進(jìn)一步提高我國絹紡行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，削減人工成本，研究含有更高科技量的設(shè)備迫在眉睫。傳統(tǒng)工藝中并沒有“副夾板”這一說法，考慮到要實(shí)現(xiàn)梳綿的自動化，自主設(shè)計(jì)出用于握持綿片的副夾板以取代原工藝中的嵌綿板和翻綿板，引入了“副夾板”來代替綿棒夾住綿，實(shí)現(xiàn)夾住中切機(jī)推出的綿并送到圓梳機(jī)中梳棉的功能。本文主要解決了副夾板的外觀，驅(qū)動源，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，夾緊力以及副夾板的傳輸定位問題。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著絹紡行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)絹紡設(shè)備不斷改進(jìn)，傳統(tǒng)絹紡工藝不斷完善，國內(nèi)外對傳統(tǒng)絹紡設(shè)備改進(jìn)進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的成果[1,2,3,4]。但大多數(shù)側(cè)重于提高梳綿的產(chǎn)量與質(zhì)量，在絹紡自動化方面沒有較大的突破。
在當(dāng)代，世界上先進(jìn)國家包括日本、法國等國家，在蠶絲加工的領(lǐng)域，都使用了自動
9
化技術(shù)，研究了智能化、效率高、質(zhì)量高的生產(chǎn)機(jī)械，并采用了自動化生產(chǎn)線。雖然國內(nèi)絹紡業(yè)起步較早，但國外在自動化設(shè)備上有更大的進(jìn)展。在絹紡工藝革新方面，日本[5]主要改進(jìn)老舊機(jī)器。研制出了自動開繭機(jī)，自動切綿機(jī)，全自動制綿機(jī)等機(jī)器。雖然日本在單機(jī)自動化上想要達(dá)到圓梳自動化的目的，但進(jìn)程緩慢，還有些改革只停滯在試驗(yàn)的階段。在絹紡梳綿方面，蘇聯(lián)[5]原本使用老式圓型梳綿設(shè)備，但工人工作強(qiáng)度高，僅僅一班中， 擋車工手工操作就有幾千次。一九六一年，蘇聯(lián)曾對圓型梳綿機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，但由于一些缺陷，未能應(yīng)用到生產(chǎn)中。一九六三年，蘇聯(lián)紡紗研究室研究并采用了精梳機(jī)絹紡前紡工程， 新的精梳方法已作為列寧納巴德絲綢廠用于生產(chǎn)絹絲及合纖混紡紗設(shè)備的設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)一九七一年的報(bào)導(dǎo)， 這種工藝已經(jīng)被應(yīng)用于生產(chǎn)中。意大利[5]舍棄普通的圓梳機(jī)而采用了長綿精梳機(jī)，提取長纖維，而毛紡精梳技術(shù)運(yùn)用于落棉。西德[5]的絹紡廠很少，該國國內(nèi)的絹紡原料供給本廠用來紡絹絲尚且不夠，需要從國外進(jìn)口。到目前為止，在梳綿的自動化方面，國外主要使用日本的自動切綿機(jī)和圣安德烈[6]的自動化梳綿機(jī)。
我國絹紡工藝技術(shù)裝備落后，勞動生產(chǎn)率低。我國絹紡生產(chǎn)技術(shù)裝備中，30 年代、50 年代的老設(shè)備[7]占 60%以上，原料精煉、制綿基本上為手工操作，半機(jī)械化操作，勞動強(qiáng)度高，與國外相比差距很大。我國對絹紡行業(yè)的改進(jìn)多在精梳機(jī)和提高紡織品的質(zhì)量上。對于圓梳機(jī)的改進(jìn)多在優(yōu)化結(jié)構(gòu)方面，1997 年唐劍鋒[8,9]在 DJ191 梳綿機(jī)和 CZ191 梳綿機(jī)上改進(jìn)出 DJ191B 梳綿機(jī)。2006 年吳紅玲,蔣少軍,丁麗文[10]對圓梳針排進(jìn)行了改裝。2008 年杭州商輅絲綢有限公司設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的梳綿機(jī)對進(jìn)料進(jìn)行了精確控制。
我國傳統(tǒng)絹紡圓梳【11,12,13】工藝流程主要分為三步：第一步，原料精練（前道處理）， 即除去原料中的雜質(zhì)；第二步，圓梳制綿,即用圓梳機(jī)梳理經(jīng)中切機(jī)切斷的原料綿以制成精綿；第三步，紡紗成絲，即將經(jīng)圓梳制成的精綿紡織成質(zhì)地柔軟的絹絲。其中，圓梳制綿階段會產(chǎn)生大量短纖維的落綿，這種落綿亦可紡織成質(zhì)地疏松的釉絲。
圖 2 傳統(tǒng)圓梳工序流程圖
傳統(tǒng)絹紡圓梳工藝【14】適用于將纖維細(xì)長、易纏結(jié)的精干綿原料經(jīng)圓梳機(jī)正反兩面、頭尾兩端的精致梳理制成表面純凈度好、纖維伸直平行度高的精綿。但傳統(tǒng)絹紡圓梳設(shè)備自動化程度低，如圖 2 虛線框內(nèi)所示，傳統(tǒng)圓梳【14，15,16】生產(chǎn)中需人工將綿條放入圓梳機(jī)
梳理，并需人工將梳理完一端的綿取出換向再次放入圓梳中以便綿的另一端也得到精致梳理，亦需人工將梳綿滾筒上落綿取出，即傳統(tǒng)絹紡圓梳設(shè)備存在著手工操作多，人工勞動強(qiáng)度大，工人勞動安全性不高等問題。
1.3 主要研究意義與方向
傳統(tǒng)工藝機(jī)械化程度低，研究絹紡圓梳自動化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)出基于副夾板為核心的圓梳絹紡自動化生產(chǎn)線，節(jié)省人工勞動，實(shí)現(xiàn)了自動化絹紡生產(chǎn)?？梢越档凸と藙趧訌?qiáng)度、提高了勞動生產(chǎn)效率、增強(qiáng)對工人的安全保護(hù)，同時(shí)也可以拓寬絹紡行業(yè)的發(fā)展空間，得到進(jìn)一步的發(fā)展。為我國紡織制造業(yè)改革升級提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
本文主要抓住絹紡圓梳握持梳理的工藝本質(zhì)，在保證梳綿效果的前提下，側(cè)重進(jìn)行自動化絹紡圓梳生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際工廠中圓梳環(huán)節(jié)的操作流程,自主設(shè)計(jì)出綿的載體，即副夾板。并且解決副夾板在各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入輸出與定位的問題，來實(shí)現(xiàn)絹紡圓梳生產(chǎn)線的自動化。
第 2 章 基于 solidworks 的副夾板整體方案的構(gòu)思與確定
2 基于 Solidworks 副夾板整體方案的構(gòu)思與確定
傳統(tǒng)的絹紡圓梳工藝中綿的載體是一根綿棒，沒有“副夾板”這一名詞。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的自動化，我們自主設(shè)計(jì)出副夾板這一裝置。副夾板的最主要作用是代替?zhèn)鹘y(tǒng)絹紡工藝中的綿棒，它要起到的一個(gè)功能是將中切機(jī)中推出的綿夾住并經(jīng)過傳送裝置運(yùn)輸?shù)綀A梳機(jī)中梳綿。在中切機(jī)的下方夾綿時(shí)，副夾板要處于張開狀態(tài)，而送往圓梳機(jī)梳綿時(shí)副夾板要處于閉合狀態(tài)并且保持一定的夾緊力以確保綿不會掉出。為了便于副夾板的運(yùn)輸與后續(xù)工序的定位，副夾板設(shè)計(jì)成常閉狀態(tài)。當(dāng)從中切機(jī)上夾綿時(shí)，副夾板從閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_啟狀態(tài)，待夾住綿后再恢復(fù)成閉合狀態(tài)；放綿時(shí)，仍然要從閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_啟狀態(tài)， 放綿后再次恢復(fù)閉合狀態(tài)。
2.1 副夾板的整體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)副夾板的整體結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮的因素很多。一是副夾板的狀態(tài)應(yīng)該是常閉狀態(tài)還是常開狀態(tài)，哪一種便于作為綿的載體。二是流水線上的副夾板是很多的，每個(gè)加一個(gè)電機(jī)是很不現(xiàn)實(shí)的，因此需要考慮副夾板的驅(qū)動源以及相關(guān)的開合裝置。三是副夾板外觀的特點(diǎn)，以便于后續(xù)工序的傳輸和限位。四是夾緊力的提供。整體結(jié)構(gòu)如圖所示：
1 是一個(gè)伸縮桿，其可以帶動副夾板的開合裝置，完成副夾板的開合動作。具體動作在后面做詳細(xì)表述。
2 是板耳端部的設(shè)計(jì)形狀，設(shè)計(jì)成方塊狀是為了便于后續(xù)工序傳輸與定位。
圖 2.1 副夾板的整體設(shè)計(jì)
2.2 副夾板的驅(qū)動源及開合裝置的設(shè)計(jì)
從整體的經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，每個(gè)副夾板裝配電機(jī)的經(jīng)濟(jì)耗量較大，并不適用于整個(gè)生產(chǎn)線，因此可以采用幾何約束的思想。副夾板的驅(qū)動源的主要思路是依靠幾何約束來達(dá)到驅(qū)動的效果，借助由兩個(gè)梯形擋板組成的燕尾槽，以達(dá)到控制副夾板的張開閉合的效果。副夾板受梯形擋板的作用，副夾板的上耳往副夾板內(nèi)部縮回，副夾板張開，副夾板通過了梯形擋板區(qū)域后，副夾板上板耳往外擴(kuò)，副夾板閉合。
圖 2.2 驅(qū)動源
而副夾板的開合裝置是由外部的驅(qū)動源決定的，根據(jù)上述燕尾槽驅(qū)動源的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了如下三種方案。
方案一：采用竹蜻蜓的設(shè)計(jì)思路來實(shí)現(xiàn)副夾板的開閉，由于整個(gè)副夾板裝置的厚度只有 43mm，空間較小，為了能夠在副夾板的內(nèi)部加入類似于竹蜻蜓的機(jī)械裝置，可將夾板內(nèi)側(cè)切割一塊來給竹蜻蜓裝置提供一個(gè)容納的空間以保證副夾板能夠閉合。軸上裝有固定裝置，而兩邊的推桿則固定于其上，能夠?qū)崿F(xiàn)前后移動。橢圓軸的端部制作成齒輪式，推桿端部（與橢圓軸配合處）設(shè)計(jì)成齒條狀，即形成齒輪齒條配合。當(dāng)推桿受到推力時(shí)，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使得橢圓軸轉(zhuǎn)動碰到副夾板的兩側(cè)，副夾板張開；當(dāng)推桿撤除主動力后，副夾板在扭簧的作用下，恢復(fù)到閉合狀態(tài)。方案的缺點(diǎn)在于推桿過長，橢圓軸不便于加工。如圖 2.3 所示：
圖 2.3 方案一示意圖
方案二：采用斜面擠壓的設(shè)計(jì)思路來實(shí)現(xiàn)副夾板的開閉。副夾板內(nèi)部結(jié)構(gòu)由推桿，特殊形狀的圓柱構(gòu)成，并將副夾板內(nèi)部做成一塊凸?fàn)钗?。兩邊的推桿通過底座固定在副夾板內(nèi)，在底座上前后移動。圓柱物的上斜面與推桿的斜面相配合，當(dāng)推桿受力后，推桿的斜面帶動圓柱物可以向下移動。而圓柱物的下斜面與夾板的凸?fàn)钗锵嗲?，圓柱物向下移動后，
可以通過凸?fàn)钗锸沟酶眾A板張開。當(dāng)推桿撤除主動力后，副夾板在扭簧的作用下，恢復(fù)到閉合狀態(tài)。但這種方案的缺點(diǎn)是斜面的效率過低，會極大程度地降低整個(gè)生產(chǎn)線的效率。如圖 2.4 所示：
內(nèi)部整體設(shè)計(jì)
推桿端部 上下移動裝置 夾板凸?fàn)钗?
圖 2.4 方案二示意圖
方案三：與方案一類似，加入類似于竹蜻蜓的機(jī)構(gòu)。兩邊的推桿固定在底座上，在底座上前后移動。橢圓軸端伸出一塊擋板與推桿配合，當(dāng)推桿受到主動力時(shí)，推動擋板使橢圓軸轉(zhuǎn)動，橢圓軸碰到夾板兩側(cè)而張開，；當(dāng)推桿撤除主動力后，副夾板在扭簧的作用下， 恢復(fù)到閉合狀態(tài)。這樣做的好處在于：一是去掉了齒輪齒條結(jié)構(gòu)，使得原先的結(jié)構(gòu)得以簡化。二是將橢圓軸位置放在兩側(cè)后，推桿的整體長度減小，節(jié)省材料，便與加工。三是優(yōu)化了橢圓軸，其端面由圓弧以及相切的直線構(gòu)成，使其截面類似于橢圓，便于加工。如圖
2.5 所示：
圖 2.5 方案三
綜合分析，比較利弊選用方案三，主要零件有 2 個(gè)夾板，1 個(gè)底座，兩個(gè)推桿，兩個(gè)橢圓軸。底座起支撐固定的作用，兩個(gè)夾板與底座以旋轉(zhuǎn)副相連接，推桿與底座以移動副相連接，兩個(gè)橢圓軸亦與底座以旋轉(zhuǎn)副相連接。如圖 2.6 所示
夾板 底座
推桿 橢圓軸
圖 2.6 零件圖
夾板設(shè)計(jì)成厚度不一（內(nèi)部開槽）的板子，而非整體厚度一致，這樣可以給橢圓軸以及推桿一個(gè)容納的空間，避免夾不緊的問題。夾板下端部伸出下板耳，與底座進(jìn)行配合。底座的設(shè)計(jì)一是為了容納內(nèi)部開合裝置，二是不應(yīng)使副夾板厚度變得太大，于是設(shè)計(jì)
成上圖，可同時(shí)滿足兩個(gè)要求。
推桿的耳板設(shè)計(jì)成一段方塊狀一段圓形狀，圓形狀板耳用于翻轉(zhuǎn)裝置以及取放擊構(gòu)， 方塊狀板耳用于導(dǎo)軌以及換向機(jī)構(gòu)，于第三章做詳細(xì)介紹。
橢圓軸的軸端設(shè)計(jì)成帶有擋板的軸，這是為了與推桿的端部配合，可達(dá)到推桿推動擋板帶動橢圓軸的轉(zhuǎn)動。
該方案的主要運(yùn)動如下圖 2.7：
第一步：當(dāng)推桿進(jìn)入燕尾槽區(qū)域后，推桿受燕尾槽的幾何約束的作用而向內(nèi)收縮； 第二步：推桿推動橢圓軸的擋板使得橢圓軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動而實(shí)現(xiàn)副夾板的張開；
第三步：當(dāng)其通過燕尾槽區(qū)域后，副夾板便不再受到幾何約束，即副夾板不受力，靠夾板內(nèi)部的扭簧使得夾板，橢圓軸以及推桿回位；
第四步：副夾板回位成初始狀態(tài)。
張開
2.3 副夾板的夾緊力
回位圖 2.7 運(yùn)動示意圖
副夾板閉合時(shí)，需要保證綿不被掉落，因此閉合狀態(tài)時(shí)必須有一定的夾緊力。方法一是借助磁力，通過在副夾板中加入電磁鐵，夾綿閉合后通電產(chǎn)生磁力，借助磁力使綿被吸附住而不被掉入，但是通電后，有一個(gè)顧慮，綿會受靜電的影響而紊亂，降低綿梳理的整齊度，此方案仍有待思考，以后可能有方法規(guī)避。方案二是借助扭簧，在副夾板上下裝入扭簧，閉合后扭簧提供夾緊力保證綿不會掉入，而且副夾板張開后可以通過扭簧復(fù)位，本文采用方案二，可行性較高。
2.4 副夾板張開的角度
整個(gè)生產(chǎn)線上需要副夾板張開的位置有從中切機(jī)中夾綿時(shí)和換向的時(shí)候。由于副夾板
的驅(qū)動源與內(nèi)部張合裝置都是一致的，所以這兩個(gè)時(shí)刻張開的角度是一樣的。下面以副夾板在換向裝置上張開時(shí)的角度予以說明。
建立副夾板夾綿換向示意圖如圖 2.8 所示，傳動鏈運(yùn)動方向如紅色箭頭所示，設(shè)副夾板寬度為 D，副夾板夾棉長度為 d,綿的伸長量為 r,傳動鏈運(yùn)行速度為 v,根據(jù)換向原理， 傳動鏈 1 與傳動鏈 2 的速度相同，并且傳動鏈的速度很緩慢，副夾板 1 與副夾板 2 一一對
應(yīng)，因此，可看成副夾板 2 與副夾板 1 相對靜止。
圖 2.8 副夾板夾棉換向示意圖
換向過程動態(tài)示意圖（如圖 2.9 所示），整個(gè)換向過程全部建立在傳送帶緩慢運(yùn)行的
基礎(chǔ)上，副夾板 1 與副夾板 2 相對靜止一一對應(yīng)。
下面分析副夾板張角b：
圖 2.9 換向過程動態(tài)示意圖
圖 2.10 單個(gè)換向示意圖
由圖 2.10 所示，綿的末端擺動軌跡是以副夾板 1 的夾棉點(diǎn)為圓心，以 r 為半徑的圓弧， 而副夾板張角b應(yīng)使副夾板一條邊 OA 的端點(diǎn) A 正好落在綿的擺動軌跡上。由圖中幾何關(guān)
系可得： OB=r+D-d
則在三角形 OBA 中運(yùn)用余弦定理得：
b é(r + D - d )2 + D2 - r2 ù
19
cos
= ? ?
2 2(r + D - d ) D
化簡后得副夾板張角：
? ? ? ?
ì é ( r + D - d ) 2 + D 2 - r 2 ù ü
b = 2 a rc c o s
?
?
í 2 ( r + D - d ) D y
? t
2.5 副夾板的受力分析
副夾板設(shè)計(jì)是貫穿絹紡圓梳自動化生產(chǎn)線的重要部分，直接影響了換向機(jī)構(gòu)和圓梳機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，對副夾板進(jìn)行力學(xué)分析顯得必不可少。
對于副夾板而言，比較重要的參數(shù)為推桿的推力和橢圓軸撐開夾板時(shí)所需要的力，所以我們需要找到兩者的關(guān)系。本小節(jié)主要從橢圓軸撐開夾板的力出發(fā)，反推至少要多大的推力才能實(shí)現(xiàn)所需要的運(yùn)動。
圖 2.11 受力分析圖
如圖 2.11 所示，副夾板內(nèi)部含有兩個(gè)橢圓軸，橢圓軸與夾板之間有四個(gè)點(diǎn)相接觸， 即這四個(gè)點(diǎn)對于夾板的力是相等的，根據(jù)力的作用是相互的，我們設(shè)夾板對于橢圓軸的力為：
F1 =F2 =F3 =F4 =a
以下以橢圓軸 1 進(jìn)行分析，主要根據(jù)夾板對橢圓軸的力矩應(yīng)小于等于推桿對橢圓軸的力矩，即T夾板 ￡ T推桿
可以根據(jù)三角形 ABD 和三角形 BDC 可以算出 BC 的距離，也就是 F1 產(chǎn)生的力臂：設(shè)
橢圓軸端部半圓處的半徑為 r，
則利用余弦定理解得 AB=
L2 - r2 +r2 cos2 q+r cosq
；d=BC= AB sinq
設(shè)推桿的力為 Ft ，擋板的厚度為 b，可以得到不等式：F1d ￡ Ft b 可以求出推桿的力至少為：
3
a（
Ft
L2 - r 2 +r 2 cos2 q+rcosq）
b
第 3 章 副夾板的運(yùn)動循環(huán)
3 副夾板的運(yùn)動循環(huán)
副夾板作為綿的載體與各個(gè)環(huán)節(jié)密切相關(guān)，本章節(jié)主要介紹副夾板在生產(chǎn)線上各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入輸出以及定位的問題。
新型絹紡圓梳自動化生產(chǎn)線的流程如圖 3.1：空副夾板 1 夾取綿，經(jīng)傳送帶輸送到圓梳機(jī) 1 處，由自動放副夾板裝置將握持綿的副夾板 1 放入圓梳機(jī) 1 中完成未握持綿面梳理，
又由自動取副夾板裝置將握持綿的副夾板 1 從圓梳機(jī) 1 中取出，經(jīng)傳送裝置送達(dá)換向夾取
綿裝置處，此時(shí)，副夾板 2 張開夾住已經(jīng)梳理好的綿，副夾板 1 松開釋放綿，完成副夾板
2 夾綿的動作。此時(shí)，空副夾板 1 再次運(yùn)回起始處夾取綿，完成副夾板 1 的循環(huán)，握持綿
的副夾板 2 經(jīng)傳送裝置到達(dá)圓梳機(jī) 2 處，將交接后的另一端未梳理綿面進(jìn)行圓梳。
最后取走副夾板 2 上兩端均已梳理好的綿，空副夾板 2 經(jīng)傳送帶送回?fù)Q向夾取裝置，
再次完成與副夾板 1 上的綿的交接，此為副夾板 2 的循環(huán)。在此期間自動取落綿裝置定期將梳理滾筒上的綿取出，經(jīng)由傳送帶送入其它工序進(jìn)行后續(xù)加工。
圖 3.1 新型絹紡圓梳自動化生產(chǎn)線
3.1 中切機(jī)與副夾板
用于加工纖維的切綿機(jī)的工作原理是對綿進(jìn)行開松、除雜，將曲狀的綿圈變?yōu)榛旧熘钡膯卫w維，去除破籽、雜質(zhì)和短絨，然后制成綿棒并將其放在專門放置的地方，這便完成了切綿周期，
傳統(tǒng)工藝中，綿經(jīng)過羅拉輸入到中切機(jī)中，人工進(jìn)行切綿，并用一根綿棒取綿，過程如圖 3.2 所示
喂綿 切綿 推綿圖 3.2 中切過程
新型工藝流程中，副夾板就相當(dāng)于人工取綿時(shí)所用的綿棒。它要起到自動取綿的功能。中切機(jī)中的滾筒與傳動鏈保持一定的速度，但是傳動鏈的速度要比滾筒的速度大，到燕尾槽區(qū)域后，副夾板的上板耳往副夾板內(nèi)部縮回，副夾板張開，推綿裝置將綿推入到副夾板內(nèi)，推綿裝置回位，副夾板在扭簧的作用下閉合，實(shí)現(xiàn)副夾板的自動夾取綿。減少了人工成本，生產(chǎn)效率得以提高。
3.2 副夾板傳送裝置
整個(gè)生產(chǎn)線的流程是中切機(jī)進(jìn)行喂綿，切綿，推綿動作,副夾板在下方通過燕尾槽的驅(qū)動張開而夾住綿，經(jīng)過傳動鏈傳輸?shù)降谝粋€(gè)圓梳機(jī)上進(jìn)行梳綿，梳完一面后再經(jīng)過換向裝置換向并傳輸?shù)降诙€(gè)圓梳機(jī)上梳理另一面的綿，這樣便可以得到梳理好兩面的綿。
傳送裝置最主要的作用就是實(shí)現(xiàn)副夾板的移動，因此設(shè)計(jì)時(shí)可采用類似于換向裝置的傳動鏈。傳動鏈的傳送單元由鏈板、鏈條以及一對副夾板支架組成（如圖 3.3 所示）。
圖 3.3 傳送帶、手表鏈
鏈板與鏈板連接后可自由轉(zhuǎn)動，鏈條固定在鏈板邊緣能帶動鏈板運(yùn)動，其連接方式類 似于手表鏈子，鏈板上裝有一對副夾板支架，該對副夾板支架用于運(yùn)輸和固定副夾板，即 在傳送帶運(yùn)動過程中作為副夾板的載體，使得副夾板在傳動鏈運(yùn)動過程中達(dá)到循環(huán)的目的。
圖 3.4 傳動鏈
定位方式于下文換向裝置處的定位一致，于下文予以表述。
3.3 圓梳機(jī)與副夾板
本小節(jié)主要介紹副夾板在圓梳機(jī)上的輸入與輸出以及副夾板在圓梳機(jī)上的定位。
握持綿的副夾板由傳送帶 1 傳輸，經(jīng)過翻轉(zhuǎn)裝置 2 翻轉(zhuǎn) 180°后，由放副夾板裝置 18 進(jìn)入逆時(shí)針轉(zhuǎn)動的圓梳錫林 3，副夾板跟隨圓梳機(jī) 3 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動方向相反的梳理滾筒 16、17 對副夾板中的綿條的正反兩面進(jìn)行梳理，接著由取副夾板裝置 4 取出， 再經(jīng)由翻轉(zhuǎn)裝置 5 送入傳送帶 6，在傳送帶 6、15 直接進(jìn)行綿條換向后進(jìn)入下一個(gè)圓梳機(jī) 8 進(jìn)行梳理，實(shí)現(xiàn)綿條的兩次梳理。圖 3.6 是單圓梳環(huán)節(jié)的 Solidworks 模型圖：包括單個(gè)傳送帶、翻轉(zhuǎn)裝置、取放副夾板裝置、圓梳機(jī)。
圖 3.5 圓梳+翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)圖
其中 1、6、10、15 為傳送帶，3、8 為圓梳機(jī)，12、13、16、17 為梳理滾筒。2、5、7、11 為換向裝置，14、18 為放副夾板裝置，4、9 為取副夾板裝置。
圖 3.6 單個(gè)圓梳環(huán)節(jié)的 Solidworks 模型圖
3.3.1 副夾板的輸入輸出
副夾板在圓梳機(jī)上的輸入輸出主要是通過 4 個(gè)直線導(dǎo)軌與圓梳機(jī)機(jī)架固定，環(huán)形不完全齒輪的直線導(dǎo)桿與直線導(dǎo)軌成移動副約束，L 型推桿固定在環(huán)形不完全齒輪的直線導(dǎo)桿上，定位短軸與圓梳機(jī)機(jī)架固定，不完全齒輪與定位短軸固定，伺服電機(jī)驅(qū)動不完全齒輪與齒條嚙合來實(shí)現(xiàn)推桿帶動副夾板進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的（圖 3.7），即副夾板在圓梳機(jī)上的輸入輸出動作是一樣的，以下以輸入動作來進(jìn)行說明。
圖 3.7 取放機(jī)構(gòu)
輸入：翻轉(zhuǎn)裝置的機(jī)架與大地固結(jié)，定位軸固定在機(jī)架上，其上裝有一個(gè)與之固結(jié)的四葉滾筒，四葉滾筒兩側(cè)有兩個(gè)四葉抓取板與凸輪槽。
翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所含主要零件：
四葉滾筒 凸輪槽*2 四葉抓取板*2 定位軸
矩形軌道槽*2 副夾板 簡易傳送帶圖 3.8 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)零件圖
該銜接環(huán)節(jié)的翻轉(zhuǎn)裝置的具體實(shí)例如下： 當(dāng)副夾板有傳送帶下方逆時(shí)針運(yùn)動到水平
位置時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動，帶動四葉滾筒與四葉抓取板順時(shí)針轉(zhuǎn)動，由于四葉滾筒凸輪槽與四葉抓取板方型槽的兩個(gè)約束作用，副夾板兩側(cè)的圓柱板耳被限制在凸輪槽中，使副夾板沿著凸輪軌跡做順時(shí)針運(yùn)動。
翻轉(zhuǎn)裝置的運(yùn)動順序如圖 3.9 所示（四葉滾筒做順時(shí)針運(yùn)動）
圖 3.9 換向裝置運(yùn)動順序圖
經(jīng)過傳送帶和圓梳機(jī)之間的翻轉(zhuǎn)裝置的作用，副夾板（如圖 1）在進(jìn)入圓梳機(jī)之前處于水平位置（如圖 3）所示，兩側(cè)設(shè)計(jì)方型板耳。同時(shí)選用兩條上下長度不一樣的直線導(dǎo)軌槽（如圖 2），使副夾板經(jīng)過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動到另一側(cè)水平位置時(shí)，副夾板方型板耳與下方導(dǎo)軌接觸，同時(shí)與導(dǎo)軌槽的方型槽口相配合，以此保證在取放過程中副夾板保持水平， 不會掉落。
圖 1 副夾板方型板耳 圖 2 直線導(dǎo)軌槽 圖 3 副夾板直導(dǎo)軌
3.3.2 副夾板的限位
在傳統(tǒng)圓梳環(huán)節(jié)的梳綿過程中，由于兩個(gè)梳綿滾筒放置在圓梳錫林的正下方，在重力因素的影響下，既要保證副夾板在運(yùn)動過程中不會與圓梳錫林分離，又要讓副夾板在特定位置能夠順利從圓梳錫林中取出和送入。提出了一種副夾板與圓梳錫林的固定方案：通過圓梳錫林開口槽內(nèi)部的電磁鐵吸住副夾板。圓梳錫林的周圍均勻分布著 100 個(gè)槽，這些槽用來容納副夾板。每個(gè)槽中都有獨(dú)立固定副夾板的裝置，以其中的一個(gè)槽為例，它的結(jié)構(gòu)如圖（圖 3.10）所示：
圖 3.10 圓梳錫林與副夾板裝配圖
其中 1 為副夾板、2 為副夾板底部鐵片、3 為圓梳錫林內(nèi)槽電磁鐵 4 為錫林骨架
各零件如下圖所示：
圖 1 改進(jìn)后錫林整體圖 圖 2 副夾板 圖 3 單個(gè)槽口放大圖
圖 3.10 中 4 為錫林骨架，該骨架的每一個(gè)槽口中間都有一個(gè)矩形槽，在矩形槽的上下兩側(cè)各裝有一個(gè)電磁鐵 3，副夾板底部嵌有鐵片，當(dāng)取放裝置（L 型推桿）推動副夾板 1 進(jìn)入錫林骨架矩形槽時(shí)，電磁鐵通電產(chǎn)生電磁力，將副夾板牢牢吸在錫林骨架上，待副夾板隨圓梳錫林運(yùn)動半個(gè)圓周到達(dá)另一側(cè)時(shí)，電磁鐵通電不產(chǎn)生吸力，此時(shí)取放裝置將副夾板從圓梳錫林中取出。
3.4 換向裝置與副夾板
本小節(jié)主要介紹副夾板在換向機(jī)構(gòu)上的輸入與輸出以及副夾板在換向機(jī)構(gòu)上的定位。換向機(jī)構(gòu)介于圓梳機(jī) 1 與圓梳機(jī) 2 之間，是一個(gè)中間機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)副夾板夾綿換向的
同時(shí)，也要實(shí)現(xiàn)副夾板的運(yùn)輸，故將換向裝置的設(shè)計(jì)建立在特殊的傳動鏈上，以傳動鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)與循環(huán)，帶動副夾板的循環(huán)。
如圖 3.11 所示的換向傳送機(jī)構(gòu)總體示意圖，副夾板 1 夾住綿在圓梳機(jī) 1 上梳理，梳理完畢后，從圓梳機(jī)取出載綿副夾板 1，由輸入 1 位置輸入傳送帶 1，載綿副夾板 1 將綿交接給空載副夾板 2，起到換向的作用。
①副夾板限位裝置 ②副夾板撐開裝置 ③雙葉滾筒圖 3.11 換向傳送機(jī)構(gòu)總體示意圖
總體設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照副夾板循環(huán)的理念，以副夾板作為綿的載體，實(shí)現(xiàn)綿在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的不間斷運(yùn)輸，以提高生產(chǎn)效率。
3.4.1 副夾板的輸入輸出
輸入：副夾板的板耳末端做成了方塊形狀（如圖 3.12 所示），副夾板支架開有特殊
的開口槽（如圖 3.13 所示），左邊為長方形槽口，右邊為較緩的曲邊槽。
圖 3.12 副夾板局部 圖 3.13 副夾板支架局部 圖 3.14 副夾板卡入支架
開口槽
副夾板能通過導(dǎo)軌滑入副夾板支架的開口槽中，由于副夾板板耳末端的方塊，以及副夾板支架左邊的長方形開口槽，使得副夾板在傳送過程中不能自由轉(zhuǎn)動，即副夾板始終垂直于鏈板。
輸出：取出過程由雙葉滾筒完成。雙葉滾筒每端葉片長短不一（如圖 3.15 所示）， 目的是為了雙葉滾筒在轉(zhuǎn)動過程中，雙葉滾筒的上葉片不干涉副夾板板耳。當(dāng)空副夾板運(yùn)動到一定位置時(shí)，即副夾板支架右邊較緩的曲邊開口槽與導(dǎo)軌對接位置（如圖 3.16 所示）。雙葉滾筒一側(cè)葉片同時(shí)撥動副夾板板耳，將動力傳給副夾板的同時(shí)，副夾板的運(yùn)動又被雙葉滾筒和導(dǎo)軌同時(shí)限制，從而使副夾板順利進(jìn)入到導(dǎo)軌中（如圖 3.17 所示）。
圖 3.15 滾筒局部 圖 3.16 導(dǎo)軌 圖 3.17 取出示意圖
3.4.2 副夾板的限位
在傳送過程中，只有副夾板支架的長方形開口槽向下時(shí)，副夾板才會有可能掉落，因此設(shè)計(jì)了限位擋板，限位擋板安裝在副夾板支架上，構(gòu)成了副夾板支架長方形開口槽處的限位開關(guān)（如圖 3.18 所示）。
圖 3.18 副夾板支架長方形開口槽處限位板，左開右關(guān)
限位板從打開狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)走的是弧形，利用杠桿原理，限位板下端伸出，并裝有滾子，滾子在限位槽中運(yùn)動，則限位板就可以通過限位槽位置的高低來控制限位板的開或關(guān)（如圖 3.19 所示）。
圖 3.19 限位板通過限位槽高低開過過程
當(dāng)副夾板度過轉(zhuǎn)彎處后，限位板依舊通過限位槽解鎖后退出，與鎖定過程對稱相似， 由于限位板內(nèi)部裝有扭簧，在退出限位槽后會自動歸位。該過程保證了副夾板在運(yùn)動過程中，不會由于自身重力而擺動，使副夾板夾綿端始終在傳動鏈的外側(cè)，有利于換向的實(shí)現(xiàn)。
圖 3.20 局部圖
第 4 章 基于 Adams 的副夾板的運(yùn)動分析
4 基于 ADAMS 的副夾板的運(yùn)動分析
本章節(jié)主要介紹副夾板內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動仿真以及外部運(yùn)動的仿真。外部運(yùn)動主要包含中切機(jī)模塊，圓梳機(jī)模塊以及換向裝置模塊上的副夾板的運(yùn)動，因?yàn)橥獠框?qū)動源燕尾槽和內(nèi)部開合裝置是一致的，所以從中切機(jī)上夾綿與換向裝置上換向時(shí)的動作是類似的，這里主要介紹換向裝置上副夾板的運(yùn)動仿真以及圓梳機(jī)上副夾板的運(yùn)動仿真。
4.1 副夾板結(jié)構(gòu)的仿真
4.1.1 副夾板的運(yùn)動學(xué)仿真
將副夾板的 solidworks 模型導(dǎo)成格式為“x_t”的文件，打開 Adams，導(dǎo)入模型。如圖 4.1 所示:
圖 4.1 模型圖
在個(gè)零件之間添加約束，Motion 以及 Force。添加重力加速度“Gravity”數(shù)值為-9.8
（Y 軸方向），并在各約束上設(shè)置摩擦系數(shù)為 0.1。
副夾板要實(shí)現(xiàn)開合運(yùn)動，所受到的推力并不是一個(gè)恒定值，因此仿真時(shí)設(shè)定設(shè)置推桿與底座之間的電機(jī)移動副 motion 的速度函數(shù)為 IF( time-0.035 : -0.5, 0.5 ,
IF( time-0.07: 0.5, 0 , 0))，設(shè)置仿真時(shí)間為 0.1s，仿真步數(shù)為 5000。
經(jīng)過仿真運(yùn)行后，打開繪圖工具中的后處理模塊，添加推桿，橢圓軸中心點(diǎn)的 X、Y、Z 三個(gè)方向上的分量曲線，如下圖 4.2：
29
圖 4.2 推桿在 X、Y、Z 方向的速度曲線整體圖橢圓軸在 X,Y,Z 方向的角速度曲線圖
由圖 4.2 中圖例所示，其中紅色實(shí)線為推桿 1 中心點(diǎn)的 X 坐標(biāo)速度隨時(shí)間變化的曲
線，同理，藍(lán)色虛線為推桿 Y 坐標(biāo)速度隨時(shí)間變化的曲線，粉色線條為推桿 Z 坐標(biāo)速度隨時(shí)間變化的曲線，深藍(lán)色為橢圓軸中心點(diǎn) X 坐標(biāo)角速度隨時(shí)間變化的曲線，綠色為橢圓軸 Y 方向的坐標(biāo)，淡藍(lán)色為橢圓軸 Z 方向的坐標(biāo)
分析圖 4.2 中的曲線趨勢，由曲線（局部放大圖 4.3 可以看出）：
1. 在 0—0.07s 中，推桿在 X 軸上的速度為 0；
2. 在 0—0.07s 中，推桿在 Y 軸上的速度為 0；
3. 大約在 0.035s 前，推桿在Z 軸上的速度穩(wěn)定不變，而在 0.035 的時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)突變，當(dāng)在 0.035s—0.07s 時(shí)，速度趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)間為 0.035 時(shí)，也就是副夾板完全張開，開始回位而產(chǎn)生突變。因此前后速度不一樣。
4. 在 0—0.07s 中，橢圓軸在 X 軸上的角速度雖有波動，但波動不大，可認(rèn)為約為 0；
5. 大約在 0.015s 左右時(shí)，橢圓軸在 Y 軸上的角速度出現(xiàn)突變，這個(gè)突變可以通過改進(jìn)擋板的形狀，將擋板一開始就與推桿接觸，并優(yōu)化擋板形狀為斜形狀，這樣不僅能減少突變，有個(gè)循序漸進(jìn)的過程，也能增大副夾板開角。在 0.015—0.035 時(shí)角速度下降，而
超過 0.035 后角速度方向發(fā)生了變化。符合運(yùn)動要求。
6. 在 0—0.07s 中，橢圓軸在 Z 軸上的角速度雖有波動，但波動不大，可認(rèn)為約為 0；
綜上，由于副夾板是置放于 XOZ 平面，推桿受力方向?yàn)?Z 軸，因此在 X,Y 軸上速度為 0，只會在 Z 軸上會有速度變化，。而橢圓軸的角速度變化主要是在 Y 軸方向，因?yàn)闄E圓軸是繞著 Y 軸旋轉(zhuǎn)，而當(dāng)推桿碰觸到擋塊時(shí)，角速度突變，當(dāng)橢圓軸與夾板接觸后，角速度則緩慢下降；回位時(shí)，角速度出現(xiàn)反向，也就是橢圓軸開始回轉(zhuǎn)。通過圖 4.2、
4.3 可以證明在運(yùn)動學(xué)上達(dá)到要求。
推桿在 X 方向的速度曲線局部圖 推桿在Y 方向的速度曲線局部圖
推桿在 Z 方向的速度曲線局部圖 橢圓軸 X 方向的角速度曲線局部圖
橢圓軸Y 方向的角速度曲線局部圖 橢圓軸 Z 方向的角速度曲線局部圖
圖 4.3 局部放大圖
4.1.2 副夾板的動力學(xué)仿真
類似的，以設(shè)定好的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行動力學(xué)仿真，副夾板進(jìn)行動力學(xué)分析：首先測量推桿與擋塊 Y 軸方向的力；其次測量橢圓軸與夾板之間的力；最后測量扭簧的變化。經(jīng)過仿真后打開繪圖工具中的后處理模塊，得到以下三條曲線，分別為推桿與擋板之間的力曲線（紅色實(shí)線），橢圓軸與夾板之間的力（藍(lán)色虛線）以及扭簧的力曲線（粉色虛線）。如圖 4.4
圖 4.4 受力圖
分析圖 4.4 中的曲線趨勢，由曲線（局部放大圖 4.5 可以看出）：
1. 在時(shí)間約為 0.02s 左右時(shí)候一個(gè)突變，后面又趨于平穩(wěn)狀態(tài)，這是因?yàn)橥茥U與擋板在初始狀態(tài)時(shí)有一段距離，所以當(dāng)推桿與擋板接觸時(shí)，會產(chǎn)生陡然的突變。后期可以使推桿與擋板在初始狀態(tài)時(shí)就已經(jīng)接觸，便能夠?qū)⑦@個(gè)突變降到最低。
2. 與上述推桿和擋板間的推力類似，在時(shí)間為 0.03s 左右時(shí)，橢圓軸與夾板開始接觸， 產(chǎn)生一個(gè) 3N 的突變，可以忽略不計(jì)。接觸后，橢圓軸對夾板的推力變化相對較平緩，對副夾板的損害也能比較少。但這種突變也能夠盡量避免，即增大橢圓軸的寬度，使之與夾板內(nèi)面盡可能接觸，這樣，能夠最大程度避免突變的幅度。更加合理可靠。
3. 扭簧提供的夾緊力，仿真時(shí)設(shè)定扭簧的預(yù)緊力為 1N,可以明顯看出，當(dāng)橢圓軸的旋轉(zhuǎn)帶動副夾板張開時(shí)，扭簧所受的力越來越大，當(dāng)副夾板回位時(shí)，扭簧受力逐漸趨于 1N， 即預(yù)緊力。
通過以上的力學(xué)分析，驗(yàn)證了推桿的推力而帶動橢圓軸轉(zhuǎn)動，使得副夾板的開合各處的受力狀態(tài)。且力均在合理的范圍內(nèi)，可以得出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性較高。
推桿與擋板力局部圖
夾板與橢圓軸局部圖
扭簧局部圖圖 4.5 局部放大圖
4.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上副夾板的仿真
翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下能夠?qū)崿F(xiàn)副夾板翻轉(zhuǎn) 180°，主要是靠副夾板的圓形板耳沿著凸輪槽轉(zhuǎn)動而完成的。因此在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下，我們需要驗(yàn)證副夾板圓形板耳的合理性。
4.2.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上副夾板的運(yùn)動仿真
在各零件之間添加約束，Motion 以及 Force。添加重力加速度“Gravity”數(shù)值為-9.8
（Y 軸方向），并在各約束上設(shè)置摩擦系數(shù)為 0.2。
設(shè)置翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)滾筒轉(zhuǎn)動軸與機(jī)座之間電機(jī)轉(zhuǎn)動副 motion 的角位移函數(shù)為 15d * time， 設(shè)置仿真時(shí)間為 12s，仿真步數(shù)為 1000。
經(jīng)過仿真運(yùn)行后，打開繪圖工具中的后處理模塊，添加副夾板 h02jiazi 中心點(diǎn)的 X、Y、Z 三個(gè)方向上的位移分量曲線，如下圖 4.6
圖 4.6 副夾板在X、Y、Z 方向的位移曲線整體圖
由圖 1 中圖例可知，其中紅色實(shí)線為副夾板中心點(diǎn)的 X 坐標(biāo)隨時(shí)間變化的曲線，同理，藍(lán)色虛線為副夾板 Y 坐標(biāo)隨時(shí)間變化的曲線，粉色線條為副夾板 Z 坐標(biāo)隨時(shí)間變化的曲線。
分析圖 1 中的曲線趨勢，由于仿真時(shí)間為 12 秒，電機(jī)轉(zhuǎn)動副的角位移函數(shù)為每秒 15°， 故在整個(gè)仿真過程中，副夾板在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用下共轉(zhuǎn)過 180°。由紅色曲線（圖 4.7 局 部放大圖）可以看出：
1、大約在 10s 前，副夾板在 X 軸上相對位移為連續(xù)減小，曲線軌跡約為余弦函數(shù)， 大約在 10s-12s 時(shí)位移變化為零，也就是說前段圓柱形板耳的軌跡與凸輪槽型軌跡一致
2、在 0-12s 中，副夾板在 Y 軸上相對位移曲線軌跡約為正弦函數(shù)，在 6s 時(shí)達(dá)到峰值， 在 0s 與 12s 分別為最小值，即前段圓柱形板耳的軌跡與凸輪槽型軌跡一致。（圖 4.8）
3、在 0-12s 中，副夾板在Z 軸上相對位移略有變化，但數(shù)值很小可忽略不計(jì)，說明副夾板是以 Z 軸為中心軸轉(zhuǎn)動的。
4、通過曲線(圖 4.6、4.7)可以證明，副夾板前端圓柱形的板耳符合翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上運(yùn)動要求。
圖 4.7 副夾板在 X、Y、Z 方向的各位移曲線局部圖
圖 4.8 凸輪槽型軌跡
4.2.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上副夾板的動力學(xué)仿真
類似的，以設(shè)定好的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行動力學(xué)仿真，對翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析：首先測量翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)滾筒轉(zhuǎn)動軸 motion Z 軸方向上的轉(zhuǎn)矩；其次測量副夾板在在運(yùn)動過程中的空間位移 Mag。經(jīng)過仿真后打開繪圖工具中的后處理模塊，得到以下兩條曲線，分別為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動滾筒與機(jī)架之間的轉(zhuǎn)矩曲線（紅色實(shí)線）以及副夾板質(zhì)心在運(yùn)動過程中的空間位移曲線（藍(lán)色虛線），如圖 4.9。
圖 4.9 轉(zhuǎn)動滾筒轉(zhuǎn)矩曲線以及副夾板質(zhì)心空間位移曲線圖
由圖中空間位移曲線可得：
開始階段時(shí)轉(zhuǎn)動滾筒開始帶動副夾板翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生碰撞，撞擊后副夾板存在遠(yuǎn)離滾筒的趨勢，因而在約 0.8s 處副夾板質(zhì)心位移有增大的變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動滾筒轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)正向的突變；在副夾板運(yùn)動軌跡由弧形軌跡轉(zhuǎn)為直線軌跡時(shí)刻，副夾板與滾筒的接觸方式發(fā)生變化， 因而副夾板質(zhì)心位移曲線在約 7s 時(shí)為一個(gè)位移拐點(diǎn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動滾筒轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)負(fù)向的突變
由圖中轉(zhuǎn)矩曲線可得：
1、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動滾筒與機(jī)架之間的轉(zhuǎn)矩在 0-12s 逐漸減小，但是波動很小。因?yàn)殡m然在轉(zhuǎn)動過程中副夾板與轉(zhuǎn)動軸距離逐漸減小導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩逐漸減小，但是轉(zhuǎn)動滾筒質(zhì)量比較大，副夾板轉(zhuǎn)動操作對力矩的影響很小，所以轉(zhuǎn)矩變化不大。
2、轉(zhuǎn)矩曲線中存在 3 次比較大波動，分別為 0.2s、0.8s、7s 時(shí)刻。這是因?yàn)樵诜D(zhuǎn)過程中副夾板與凸輪槽型軌跡的接觸分別經(jīng)過開始碰撞轉(zhuǎn)動（約0.2s）、離心撞擊(約0.8s)、由弧形槽到直線槽的突變接觸(約 7s)。
綜合上述分析可知，當(dāng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動滾筒中有多個(gè)副夾板同時(shí)運(yùn)動時(shí)，翻轉(zhuǎn)副夾板運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩曲線會相對穩(wěn)定。
通過上述仿真分析，副夾板在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上運(yùn)動時(shí)，在運(yùn)動學(xué)上，圓柱形板耳能夠?qū)崿F(xiàn)在凸輪槽中運(yùn)動，翻轉(zhuǎn) 180°，設(shè)計(jì)符合要求。而在動力學(xué)上，因力的作用是相互的，所以副夾板對于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的力和力矩都在合理的誤差范圍內(nèi)。
4.3 圓梳取放機(jī)構(gòu)上副夾板的仿真
取放機(jī)構(gòu)下，能夠?qū)崿F(xiàn)副夾板的自動取放，主要是靠導(dǎo)軌控制副夾板的方塊狀板耳， L 型推桿控制副夾板圓柱形板耳。因此在取放機(jī)構(gòu)下，我們需要驗(yàn)證方塊狀板耳以及圓柱形板耳的合理性。
4.3.1 圓梳取放機(jī)構(gòu)上副夾板的運(yùn)動仿真
為了更直觀的研究在取放機(jī)構(gòu)下副夾板設(shè)計(jì)的合理性，給出副夾板在放入圓梳錫林的振動、速度、轉(zhuǎn)軸距離曲線合成圖（如圖 4.10），其中紅色實(shí)線為副夾板的振動曲線、藍(lán)色長虛線為副夾板的速度曲線、粉色短虛線為副夾板至轉(zhuǎn)軸中心的距離曲線。
圖 4.10 副夾板的振動、速度、轉(zhuǎn)軸距離曲線合成圖
根據(jù)上圖中的三條曲線在 0-12s 中的趨勢可知：
（1） 副夾板在放入過程中的振動曲線幅值基本為零，在副夾板在開始階段、進(jìn)入圓梳錫林階段、隨錫林轉(zhuǎn)動階段略有波動。
（2） 副夾板在放入過程中的速度曲線幅值主要有三個(gè)：0、0.1、0.75，分別為副夾板靜止階段、取放副夾板裝置推動副夾板階段、副夾板隨圓梳錫林轉(zhuǎn)動階段。同時(shí)該速度曲線主要在兩處有突變與波動，前一處（1.8s-2.4s）為副夾板與圓梳錫林接觸過程，后一處（3.2-9.2s）為不完全齒輪齒條嚙合帶動錫林轉(zhuǎn)動的過程。
（3） 副夾板在放入過程中的距離曲線表面副夾板經(jīng)歷三個(gè)階段，分別為：取放裝置
向副夾板靠近階段、取放裝置推動副夾板向圓梳錫林靠近階段、副夾板固定在圓梳錫林上階段。
通過上述分析可以得出結(jié)論，副夾板的方塊狀板耳在送往圓梳機(jī)的運(yùn)動過程中能夠平穩(wěn)而不產(chǎn)生劇烈晃動，圓柱形板耳能夠在取放機(jī)構(gòu)的作用下順利完成送往圓梳機(jī)的運(yùn)動要求。因此取放機(jī)構(gòu)下的副夾板在運(yùn)動學(xué)上已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
4.3.2 圓梳環(huán)節(jié)取放機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真
與上文相類似，以設(shè)定好的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行動力學(xué)仿真。首先測量取放機(jī)構(gòu)不完全小齒輪轉(zhuǎn)動軸 motion Z 軸方向上的轉(zhuǎn)矩；其次測量圓梳錫林轉(zhuǎn)動軸 Z 軸方向上的轉(zhuǎn)矩，從而對取放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程進(jìn)行動力學(xué)分析。
經(jīng)過仿真后打開后處理模塊，得到以下圖兩條轉(zhuǎn)矩曲線，其中紅色實(shí)線為取放機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的轉(zhuǎn)矩曲線，藍(lán)色虛線為圓梳錫林運(yùn)動過程中的轉(zhuǎn)矩曲線。
圖 4.11 轉(zhuǎn)矩圖
（1） 取放機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩變化的時(shí)間歷程
從圖 4.11 可得，該取放裝置的轉(zhuǎn)矩在 0-12s 中基本保持恒定，其中 0.2s 處為取放機(jī)構(gòu)開始接觸推動副夾板階段，此時(shí)轉(zhuǎn)矩曲線存在波動；1.8s-2.4s 處為副夾板與圓梳錫林接觸并進(jìn)入的階段，此時(shí)轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)多次細(xì)微波動；7.5s 處為取放機(jī)構(gòu)推桿回程瞬間， 這時(shí)該轉(zhuǎn)矩也存在一定波動。
（2） 圓梳錫林轉(zhuǎn)矩變化的時(shí)間歷程
從上圖中可以看出，錫林轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律與取放機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律相似，也是在0-12s 中基本保持恒定。圓梳錫林轉(zhuǎn)動分為三個(gè)階段，上圖中曲線兩側(cè)為靜止階段，中間為勻速轉(zhuǎn)動階段，由于錫林轉(zhuǎn)動依靠不完全齒輪嚙合帶動，故在轉(zhuǎn)動階段處轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)波動，尤其
在開始轉(zhuǎn)動和停止轉(zhuǎn)動處的轉(zhuǎn)矩曲線波動最大圖中表現(xiàn)為在 3.2s-9.2s 處出現(xiàn)波動，其中在 4.2 與 8s 附近波動很大。
本文以單個(gè)副夾板被放入圓梳機(jī)并隨圓梳錫林轉(zhuǎn)動一周為例，分析在 0-144s 運(yùn)動過
圖 4.13 副夾質(zhì)心的位移、速度、所受電磁吸力幅值曲線圖
程中副夾質(zhì)心的位移、速度、所受電磁吸力的情況（詳見圖 4.13）。
（1） 副夾板在運(yùn)動過程中具體位置，可由上圖中副夾板 X 軸與 Y 軸的位移曲線（ 分別為圖中粉色短虛線和黑色點(diǎn)劃線）求得，兩條曲線的軌跡都近似于正弦函數(shù)，圓梳錫林運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動規(guī)律與副夾板的運(yùn)動規(guī)律一致。
（2） 副夾板隨圓梳錫林運(yùn)動一個(gè)周期 144s，分有 12 個(gè)間歇循環(huán)，由上圖 4.12 可知副夾板質(zhì)心的速度曲線（藍(lán)色長虛線）可知，副夾板在轉(zhuǎn)動階段速度略有變化波動，在靜止階段中速度基本保持恒定。
（3） 為保證副夾板能夠在圓梳環(huán)節(jié)中始終吸附在錫林上，完成副夾板的取放運(yùn)動， 副夾板在前半個(gè)周期中始終受到恒定電磁吸力，后半個(gè)周期中不受電磁力，由上圖電磁吸力幅值曲線（紅色實(shí)線）可知，前 72s 圓梳錫林中電磁鐵塊的電磁力始終保持 12N，后72s 電磁吸力始終為零，確保副夾板能夠完成整個(gè)圓梳操作。
（4） 綜合分析圖中四條曲線，不難看出副夾板在運(yùn)動過程中基本保持穩(wěn)定，副夾板的質(zhì)心速度在開始階段的圓梳錫林起停瞬間會有較大波動，隨著運(yùn)動的持續(xù)，該速度波動逐漸減小并趨于平穩(wěn)。
通過上述動力學(xué)仿真分析，力與力的作用是相互的，能夠驗(yàn)證取放機(jī)構(gòu)下的副夾板在運(yùn)動中保持平穩(wěn)，并且受到力都在合理可控的誤差范圍之內(nèi)，從而證明副夾板在取放模塊下的運(yùn)動可行性。
4.4 換向機(jī)構(gòu)上副夾板的仿真
換向機(jī)構(gòu)主要是完成副夾板的傳輸與換向，該運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)是通過控制方塊狀板耳而實(shí)現(xiàn)的。因此在換向機(jī)構(gòu)下，我們需要驗(yàn)證方塊狀板耳設(shè)計(jì)的合理性。
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4.4.1 換向機(jī)構(gòu)上副夾板的運(yùn)動仿真
在各零件之間添加約束，Motion 以及 Force。添加重力加速度“Gravity”數(shù)值為-9.8
（Y 軸方向）。設(shè)置底座移動副 motion 的位移函數(shù)為 0.5d * time。設(shè)置仿真時(shí)間為 0.3s， 仿真步數(shù)為 5000。
為了論證副夾板在換向機(jī)構(gòu)傳輸過程中穩(wěn)定性以及換向時(shí)夾板開合的穩(wěn)定性，的分別測量:傳輸時(shí)副夾板質(zhì)心的位移以及夾板轉(zhuǎn)動打開時(shí)質(zhì)心的位移。
（1） 副夾板在傳輸過程中質(zhì)心的位移
經(jīng)過仿真運(yùn)行后，打開繪圖工具中的后處理模塊，添加副夾板質(zhì)心的 X、Y、Z 三個(gè)方向上的分量曲線。
圖 4.14 質(zhì)心位移圖
根據(jù)上圖中的三條曲線在 0-0.3s 中的趨勢可知
1. 在換向裝置上傳動過程中，副夾板在 X(紅色實(shí)線)、Y 軸（藍(lán)色虛線）上位移是很平緩的，幾乎沒有波動；
2. 整個(gè)行程中，副夾板沿 Z 軸（粉色短虛線）方向上傳輸，速度平緩，沿著驅(qū)動設(shè)置的軌跡在運(yùn)動；
3. 綜合分析三條曲線，不難看出副夾板除了在傳送方向移動外，其他兩個(gè)方向的晃動幾乎是沒有的，可以得出，副夾板方塊狀的板耳符合在換向裝置上運(yùn)輸不晃動的要求。
（2） 夾板張開過程質(zhì)心的位移
經(jīng)過仿真運(yùn)行后，打開繪圖工具中的后處理模塊，添加夾板質(zhì)心的 X、Y 兩個(gè)方向上的分量曲線。
圖 4.15 位移圖
1. 副夾板在燕尾槽區(qū)域進(jìn)行開合動作時(shí)，副夾板沿 X 軸傳輸時(shí)，夾板質(zhì)心在 X 軸方向的位移緩慢增大，在時(shí)間約為 0.03，0.25 左右時(shí)，出現(xiàn)略微抖動。這符合副夾板進(jìn)出燕尾槽區(qū)域時(shí)板耳與其發(fā)生碰撞的情況。
2. 時(shí)間約在 0.03s 時(shí)刻時(shí)，即副夾板進(jìn)入燕尾槽斜面區(qū)域，夾板質(zhì)心在 Y 軸上出現(xiàn)抖動，當(dāng)進(jìn)入燕尾槽平面區(qū)域后，