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目 錄
摘 要 III
Abstract IV
1 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 課題來源 2
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 3
1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 4
1.4 本課題的目的與意義 4
2 自動化生產(chǎn)線取落綿機構(gòu)設(shè)計思路 6
2.1自動化絹紡圓梳總設(shè)計思路 6
2.2自動取落綿機構(gòu)的設(shè)計思路 8
2.2.1 傳統(tǒng)取落綿機構(gòu) 8
2.2.2 自動取落綿機構(gòu) 9
3 基于SolidWorks的自動取落綿機構(gòu)設(shè)計 11
3.1曲柄滑塊擺桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 12
3.2滑塊機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 13
3.3勾綿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 14
3.4機械傳動優(yōu)化設(shè)計 15
3.4.1 帶傳動優(yōu)化設(shè)計 15
3.4.2 齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計 17
3.5 自動取落綿機構(gòu)運動控制設(shè)計 18
3.5.1 功能分析 18
3.5.2 硬件設(shè)備 18
3.5.3 控制實現(xiàn) 19
4 基于ADAMS的動力學仿真及分析 22
4.1 動力學仿真 22
4.2 動羅拉運動仿真分析 23
4.3 曲柄滑塊擺桿機構(gòu)的動力學仿真分析 25
4.4勾綿機構(gòu)動力學仿真分析 26
5 總結(jié) 28
參考文獻 29
致謝 30
29
摘要
絹紡圓梳自動化生產(chǎn)線取落綿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
摘 要
絹紡圓梳工藝是一種現(xiàn)階段國內(nèi)外較成熟的制綿工藝，它是用圓梳機對精干綿進行多次梳理，從中分級逐道提取精綿的一種工藝方法。在工藝過程中，圓梳制綿階段會產(chǎn)生大量短纖維的落綿，其纖維仍具有天然絲的優(yōu)良特性,這是一個數(shù)量可觀的天然資源。
本課題以傳統(tǒng)的人工取落綿操作為參考，將針板作為落綿的載體，結(jié)合曲柄擺桿機構(gòu)、四桿機構(gòu)完善自動取落綿機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)梳理滾筒上落綿的自動取出，從而降低工人勞動強度，提高勞動生產(chǎn)效率。
本論文的主要研究工作和優(yōu)化成果如下：
1.機身兩側(cè)設(shè)置一組曲柄滑塊擺桿機構(gòu)，兩側(cè)曲柄通過軸連接，實現(xiàn)兩側(cè)曲柄對動羅拉的同步推動，方便勾綿機構(gòu)進入使得勾取落綿更加順利；
2.將帶動勾綿機構(gòu)的偏置滑塊機構(gòu)由原來的單滾子結(jié)構(gòu)改為雙滾子結(jié)構(gòu)，使該滑塊機構(gòu)在滑槽平穩(wěn)過渡，保證勾綿動作的穩(wěn)定運行；
3.優(yōu)化勾綿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于落綿與針板分離，提高取落綿效率。
4.優(yōu)化自動取落綿機構(gòu)中的的機械傳動設(shè)計，保證機構(gòu)的平穩(wěn)運行及落綿的順利取出。
關(guān)鍵詞：絹紡；圓梳工藝；取落綿；自動化；SolidWorks；Adams
Abstract
The Optimization Design of Silk Noil Picking Mechanism for the Automatic Production Line of the Silk Spinning and Combing
Abstract
The silk spinning process is a mature process at present and abroad, it is a process method to extract the fine silk by means of the comb machine. During the process, a large number of short fibers will be produced in the round carding stage. The fibers still have the excellent properties of natural silk, which is a considerable natural resource.
Taking the traditional artificial silk noil operation for reference and the needle plate as the carrier of silk noil, this project improves the automatic silk noil picking mechanism by combining with crank lever mechanism and four-bar mechanism. The purpose of this project is to realize the automatic removal of the noil of the roller, so as to reduce the labor intensity and increase the efficiency of labor production.
The main research work and optimization results of this paper are as follows:
1. A set of crank slider rocker mechanism is set up on both sides of the fuselage, and both sides of the crank are connected through the axis. The synchronous driving of two sides crank to the movable roller can be realized to facilitate the insertion of the noil hook device so as to make the hooking down more smoothly.
2. The connecting rod device of the hook is changed from the original single roller structure to the double roller structure, which makes the connecting rod device transition smoothly in the slideway so as to ensure the stable operation of the hook movement.
3. The design of the hook mechanism is optimized so as to separate noil from the needle plate and improve the efficiency of picking up and dropping the noil.
4. The mechanical transmission design of the automatic silk noil picking mechanism is optimized to ensure the smooth running of the mechanism and the smooth removal of the noil.
Key words: Silk spinning; Circular comb technology; Automation; Removal of the flooring mechanism; SolidWorks; Adams
第1章 緒論
1 緒論
1.1 課題背景
絹紡指的是一種紡紗工藝過程，它可以將瑕疵繭、廢絲加工成紗線。我國傳統(tǒng)的絹紡圓梳工藝流程如圖1.1.1所示，主要分以下三步進行：第一步，原料精煉，即去除原料中的絲膠、油脂等雜質(zhì)，制成精干綿；第二步，圓梳制綿，即把纖維細長且易纏結(jié)的精干綿制成有一定長度適于紡絲的精綿；第三步，紡紗成絲，即將經(jīng)圓梳工藝制成的精綿紡織成質(zhì)地柔軟的絹絲[1]。
圖1.1.1 傳統(tǒng)絹紡圓梳工藝流程圖
在圓梳工藝流程中，圓梳制綿階段會產(chǎn)生大量短纖維的落綿，其纖維仍具有天然絲的優(yōu)良特性,這是一個數(shù)量可觀的天然資源。雖然其中含有大量的纏結(jié)塊束和蛹屑、綿粒、草屑等雜質(zhì)，但是可以運用紡紗新工藝將落綿用于生產(chǎn)桑蠶氣流紡細絲以及氣流紡納絲牛仔綢新產(chǎn)品[2][3][4]。
現(xiàn)階段我國絹紡行業(yè)的生產(chǎn)工藝流程基本上是半機械化、半手工操作，面臨著手工操作多、工人勞動強度大、生產(chǎn)流程長、加工費用高等發(fā)展困境[5]。目前我國絹紡企業(yè)所使用的制綿設(shè)備多為國產(chǎn)，所用的梳綿工藝基本上都是上世紀七八十年代從國外引進的技術(shù)，而造成這種現(xiàn)象的原因主要是絹紡行業(yè)相對于綿紡行業(yè)規(guī)模較小，很多企業(yè)不愿意投入大量資金對絹紡生產(chǎn)線進行改造。
近年來，隨著經(jīng)濟水平的提高，人們生活品質(zhì)的改善，可以預知未來市場對絹絲及其相關(guān)制品的需求量仍將持續(xù)增加，絹絲相關(guān)制品市場前景十分美好[6]。我國“十三五規(guī)劃發(fā)展綱要”中明確提出要推進紡織智能制造，加強自動化、智能化紡織裝備開發(fā)，促進傳統(tǒng)紡織工業(yè)的轉(zhuǎn)型，將我國由紡織大國轉(zhuǎn)變?yōu)榧徔棌妵?
因此產(chǎn)業(yè)升級迫在眉睫，而首當其沖的就是對其生產(chǎn)線進行自動化改造。
1.2 課題來源
本課題是江蘇南通富有絹紡織有限公司生產(chǎn)線自動化改造項目的一部分。
公司現(xiàn)階段仍以傳統(tǒng)圓梳工藝為主，以繅絲為原料，其生產(chǎn)工藝流程有以下幾個步驟：
（1）將繅絲浸泡在化學藥劑中，去除其中的部分絲膠、油脂等雜質(zhì)；
（2）對浸泡過的繅絲加熱，去除上面大部分絲膠、油脂等雜質(zhì)；
（3）將纖維上殘存的化學藥劑和懸浮物等雜質(zhì)用水沖洗干凈，再脫去水分并將其烘干；
（4）利用紫外燈照射出挑除可以用肉眼看出的顆粒較大的雜質(zhì)；
（5）按照一定標準把初步處理后的綿分成長度、重量和厚度均勻的小份并將其放入開綿機內(nèi)進行開綿，清除部分蛹體、蛹屑等雜質(zhì)；
（6）進行中切，把開綿后的綿切斷成合適的長度；
（7）進行圓梳，除去綿中的短纖維、雜質(zhì)和綿結(jié)，獲得潔凈且纖維梳理伸直平行度高的精綿；
（8）進行排綿，剔除精綿中殘存的雜纖維、并絲等物，并將精綿分扯、摺疊成一定寬度的精綿條。
隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化是工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改革及工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化中起到重要作用[6]。該公司為了發(fā)揚傳統(tǒng)圓梳工藝的優(yōu)勢，欲將傳統(tǒng)圓梳工藝與自動化技術(shù)相結(jié)合，對其現(xiàn)有的絹紡生產(chǎn)線進行自動化改造，降低人工成本，提高勞動生產(chǎn)效率。
本課題主要是對傳統(tǒng)的取落綿操作進行研究，借助SolidWorks對原有機構(gòu)進行三維建模，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化改進，提出取落綿的自動化解決方案，最后利用Adams進行機械系統(tǒng)動力學仿真分析，確保機構(gòu)改進的可行性及其運動的穩(wěn)定性。
圖1.2.1生產(chǎn)工藝流程圖
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1 國外研究現(xiàn)狀
國外相對于國內(nèi)絹紡業(yè)起步較晚，但在生產(chǎn)設(shè)備改進上有較大的進展。
日本對于絹紡行業(yè)的革新主要是在老機器改造方面 [8]，致力于靠單機自動化來達到圓梳自動化,但進度緩慢,某些改革尚停留在試驗階段。與日本不同，意大利開始提取長纖維，用長綿精梳機代替普通的圓梳機，可節(jié)約50%的勞動力[9]。此外，非洲國家對使用精梳機前進、后退給棉系統(tǒng)的梳條和落棉質(zhì)量進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)通過控制過程中的纖維即通過調(diào)節(jié)機器設(shè)置變量可以用來決定精梳條子的質(zhì)量[10]。
1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國是絲綢的發(fā)源地,中國絲綢業(yè)對世界紡織技術(shù)發(fā)展作出的貢獻有目共睹。絹紡織業(yè)作為絲綢業(yè)的重要組成部分,是在棉毛紡織基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[5]。
1949年后,我國絹紡業(yè)發(fā)展速度加快,國內(nèi)開始研究和仿制絹紡機械。在上世紀七十年代初，我國嘗試研究圓梳機、切綿機的機械化與自動化，但都未取得讓人較為滿意的成果。九十年代初,部分企業(yè)引進了自動絡(luò)筒機等設(shè)備,在一定程度上提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[11]。針對國內(nèi)絹紡業(yè)自動化程度低的現(xiàn)狀，《絲綢》上對國內(nèi)精梳機器的研究提出了適當增加針輥梳理的應用、加強絹紡適用的皮輥、皮圈的開發(fā)等多種技術(shù)改造的途徑[12]。上海的上棉廿八廠改進了吸落棉的方法，創(chuàng)造了一種“一次法”來滿足高速生產(chǎn)的需要[13]。成都紡織高等院校就綿粒的產(chǎn)生與控制進行了研究，在改善梳棉質(zhì)量的問題上提出了改善工藝流程的多種方法[14]。然而，在實現(xiàn)梳棉機自動化的方向上國內(nèi)研究尚少[15]。
我國想趕超世界先進水平,要有重點的積極采用先進的電子技術(shù)改造傳統(tǒng)紡織產(chǎn)業(yè)。絲綢業(yè)只有不斷更新工藝、技術(shù),加快計算機輔助設(shè)計、輔助制造等現(xiàn)代化生產(chǎn)管理手段的應用,才能確保自身的持續(xù)健康發(fā)展[16]。
1.4 本課題的目的與意義
傳統(tǒng)圓梳機制綿的優(yōu)勢主要有以下幾方面：精干綿纖維細長，容易纏結(jié)，可以經(jīng)開綿、切綿、除雜后，以棒綿形式喂入圓梳機；經(jīng)圓梳機梳理后輸出的精綿雜質(zhì)少，纖維伸直平行度好；圓梳機結(jié)構(gòu)簡單，購入及維護成本低[4]。
然而，圓梳制綿同樣存在許多缺點：圓梳制綿工藝機械化程度低，手工操作多，存在很大的安全隱患；圓梳機的產(chǎn)量和精綿質(zhì)量逐道下降，資源利用率低[15]。
本課題研究取落綿環(huán)節(jié)，原有的工藝是工人在圓梳機兩邊的滾筒上每隔一段時間去一次落綿，一道完整的工序要取三次落綿,手工操作多，工人勞動強度大，勞動安全性不高。本文主要抓住人工取落綿操作的本質(zhì)，在保證梳綿效果的前提下，側(cè)重進行自動化絹紡圓梳生產(chǎn)設(shè)備的機構(gòu)設(shè)計，根據(jù)實際工廠中圓梳環(huán)節(jié)的操作流程，對原有取落綿裝置的一部分結(jié)構(gòu)加以改進優(yōu)化，自主設(shè)計出一種能夠在梳理滾筒上自動取落綿的機構(gòu)，并與傳送帶進行銜接。
絹紡圓梳自動化生產(chǎn)線有望填補國內(nèi)外絹紡圓梳設(shè)備自動化研究空白，亦可為羊毛、棉花等短纖維紡織設(shè)備自動化設(shè)計提供借鑒，為我國紡織制造業(yè)改革升級提供強有力的技術(shù)支持。
第2章 自動化生產(chǎn)線取落綿機構(gòu)設(shè)計思路
2 自動化生產(chǎn)線取落綿機構(gòu)設(shè)計思路
2.1自動化絹紡圓梳總設(shè)計思路
傳統(tǒng)的圓梳工藝雖然可以保證梳綿的質(zhì)量，但是現(xiàn)有的圓梳設(shè)備自動化程度不高，且近30年來國內(nèi)外關(guān)于絹紡圓梳工藝自動化方面的改造均無明顯成效。新型絹紡流水線在對傳統(tǒng)圓梳工藝充分研究的基礎(chǔ)上提出基于副夾板動態(tài)閉環(huán)的設(shè)計思想，運用現(xiàn)代機械設(shè)計手段進行絹紡圓梳機構(gòu)自動化研究，通過用兩道圓梳機分別梳理綿的兩端替代原本用一道圓梳機同時梳綿的兩端的工序分散方法設(shè)計出新型絹紡圓梳工序流程如圖2.1.1所示，主要實現(xiàn)以下四點功能：
圖2.1.1 新型圓梳工序流程圖
（1）綿的自動中切和副夾板自動握持綿；
（2）握持綿的副夾板在圓梳機上的自動取放；
（3）梳理滾筒上落綿的自動取出；
（4）綿的自動傳送和自動換向。
圖2.1.2 基于副夾板運動的自動梳綿系統(tǒng)圖
其具體設(shè)計思路如下：
如圖2.1.2所示，首先將精干綿送入中切機對其進行自動切斷。切好后的綿由空副夾板1夾取，經(jīng)傳送帶輸送到圓梳機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1中對未握持綿端進行梳理，后又由自動取副夾板裝置將握持綿的副夾板1從圓梳機1中取出，經(jīng)傳送裝置送達換向夾取綿裝置處，副夾板1將綿交接給副夾板2，副夾板2握持住已梳理好的綿端。此時，空副夾板1再次運回起始處夾取綿，完成副夾板1的循環(huán)，握持綿的副夾板2經(jīng)傳送裝置到達圓梳機2處，對交接后另一端的未梳理綿進行圓梳。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)傳送帶送回換向夾取裝置，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行后續(xù)加工。
2.2自動取落綿機構(gòu)的設(shè)計思路
2.2.1 傳統(tǒng)取落綿機構(gòu)
圖2.2.1傳統(tǒng)CZ型圓梳機圓梳錫林與取落綿部分
如圖2.2.1所示，傳統(tǒng)圓梳機的前后梳理滾筒分布在圓梳錫林的前后兩側(cè)，圓梳錫林上的嵌綿板和夾綿板夾著綿條，在高速旋轉(zhuǎn)的過程中，梳理滾筒對綿條進行梳理，從而除去其中的雜質(zhì)和短纖維。梳理完后兩梳理滾筒上留下的綿我們稱之為落綿。為了避免浪費資源，在實際加工生產(chǎn)中，人們會取下落綿進行再梳理。
圖2.2.2 人工取落綿操作圖
如圖2.2.2所示，傳統(tǒng)的取落綿操作分為兩步：(1)工人待滾筒停轉(zhuǎn)，通過綿棒吸附的方法將落綿從滾筒上取出一段；(2)將落綿送入兩羅拉之間將布狀落綿從滾筒上全部取出。
傳統(tǒng)方法操作復雜，工人的雙手要靠近梳理滾筒，存在極大的安全隱患，且操作緩慢，步驟重復，消耗極大的人力資源，為了改善工人工作條件，節(jié)省企業(yè)成本，我們設(shè)計了新型自動取落綿機構(gòu)。
2.2.2 自動取落綿機構(gòu)
為了改進傳統(tǒng)取落綿操作中工人勞動強度大、安全風險高等弊端，在充分研究傳統(tǒng)人工取落綿實際操作的基礎(chǔ)上，我們采取類比替代的方法，將人工取落綿的“取”和“拉”兩個動作，通過純機械的“勾”和“抓”來替代，創(chuàng)造性提出 “動-靜式羅拉”組合設(shè)計，并結(jié)合曲柄擺桿模型，將羅拉的支撐架和梳理滾筒的支架整合在一起，優(yōu)化了原有兩端固定式羅拉，具體結(jié)構(gòu)如圖2.2.1。
圖2.2.1 自動取落綿機構(gòu)整體圖
1-曲柄 2-擺動導桿 3-勾綿機構(gòu) 4-定羅拉 5-動羅拉 6-梳理滾筒
具體實現(xiàn)方法：曲柄帶動擺桿逆時針轉(zhuǎn)動時，動羅拉由曲柄和擺桿推動沿軌道向上運動，擺桿向左帶動連桿，連桿帶動勾綿機構(gòu)沿導軌運動進入兩羅拉之間，針板勾住落綿；曲柄帶動擺桿順時針轉(zhuǎn)動時，擺桿向右?guī)舆B桿，連桿帶動勾綿機構(gòu)沿軌道返回，動羅拉失去曲柄和擺桿的推力，在重力作用下回到軌道底端，由于定羅拉轉(zhuǎn)動，夾在兩羅拉之間的落綿，被拉擠壓排出。
第3章 基于SolidWorks的自動取落綿機構(gòu)設(shè)計
3 基于SolidWorks的自動取落綿機構(gòu)設(shè)計
針對傳統(tǒng)人工取落綿操作中工人勞動強度大、存在安全隱患等問題，結(jié)合曲柄擺桿機構(gòu)模型，以動-靜式羅拉結(jié)合為核心所設(shè)計的自動取落綿機構(gòu)初步方案如圖3. 1所示。
圖3.1 初步自動取落綿機構(gòu)設(shè)計方案
本論文在對取落綿工藝進一步研究的基礎(chǔ)上，對原初步設(shè)計方案做了優(yōu)化改進:
（1）機身兩側(cè)設(shè)置一組曲柄滑塊擺桿機構(gòu)，兩側(cè)曲柄通過軸連接，實現(xiàn)兩側(cè)曲柄對動羅拉的同步推動，方便勾綿機構(gòu)進入使得勾取落綿更加順利；
（2）將帶動勾綿機構(gòu)的偏置滑塊機構(gòu)由原來的單滾子結(jié)構(gòu)改為雙滾子結(jié)構(gòu)，使該滑塊機構(gòu)在滑槽平穩(wěn)過渡，保證勾綿動作的穩(wěn)定運行；
（3）優(yōu)化勾綿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于落綿與針板分離，提高取落綿效率。
（4）優(yōu)化自動取落綿機構(gòu)中的的機械傳動設(shè)計，保證機構(gòu)的平穩(wěn)運行及落綿的順利取出。
3.1曲柄滑塊擺桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
如圖3.1.1所示，曲柄滑塊擺桿機構(gòu)主要由曲柄、滑塊、導桿、連桿、橫桿軸組成。該機構(gòu)是由曲柄滑塊機構(gòu)中的曲柄作為機架演化而來，具有很好的傳力性能，可以將曲柄的連續(xù)回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為導桿的往復擺動[17]。
曲柄滑塊擺桿機構(gòu)
機構(gòu)運動簡圖
圖3.1.1 曲柄滑塊擺桿機構(gòu)圖
曲柄
滑塊
連桿
導桿
橫桿軸
圖3.1.2 主要零件圖
其主要零件如圖3.1.2所示。
曲柄滑塊擺桿機構(gòu)主要有以下兩個作用：一是推動動羅拉沿軌道運動至頂端，二是帶動勾綿機構(gòu)在軌道中運動。
如圖3.1.3所示，初始方案中只有一側(cè)機架設(shè)置有曲柄滑塊擺桿機構(gòu)，而動羅拉和固定勾綿機構(gòu)的橫桿軸均橫跨機架兩側(cè)，若由曲柄滑塊擺桿機構(gòu)單側(cè)推動，則動羅拉和勾綿機構(gòu)兩側(cè)受力不均，很有可能在軌道中卡死從而造成機構(gòu)無法順利運行。因此，在機架兩側(cè)設(shè)置一組曲柄滑塊擺桿機構(gòu)，并通過軸連接，可以實現(xiàn)其對動羅拉和勾綿機構(gòu)的同步推動，保證落綿的順利取出。
初始方案
改進方案
圖3.1.3 曲柄滑塊擺桿機構(gòu)改進示意圖
3.2偏置滑塊機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
初始方案中單滾子結(jié)構(gòu)
改進后雙滾子結(jié)構(gòu)
圖3.2.1 滑塊改進示意圖
曲柄滑塊擺桿機構(gòu)中導桿通過連桿帶動橫桿軸運動，從而帶動勾綿機構(gòu)一起沿軌道運動，實現(xiàn)勾綿機構(gòu)靠近滾筒勾取落綿。在曲柄滑塊擺桿機構(gòu)運動過程中，勾綿機構(gòu)靠近滾筒的過程是工作行程即推程，勾綿機構(gòu)遠離滾筒靠近擋塊的過程是空回行程即回程，回程速度大于推程速度，即該機構(gòu)具有急回特性，能縮短非生產(chǎn)時間，提高機械的工作效率。
初步方案中的單滾子結(jié)構(gòu)雖然可以保證橫桿軸在軌道中的順利滾動，但是由于該機構(gòu)具有急回特性，推程和回程速度大小不一，在此過程中可能會因速度變化造成勾綿機構(gòu)晃動，從而影響勾綿。因此，將單滾子結(jié)構(gòu)改為雙滾子結(jié)構(gòu)，既能使勾綿機構(gòu)的順利運行，又能保證勾綿機構(gòu)在運行過程中具有一定的穩(wěn)定性，實現(xiàn)落綿的順利勾取。
3.3勾綿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
在傳統(tǒng)的取落綿操作中，工人通過綿棒將落綿吸附出來后，需要用手將落綿從綿棒上取下送入兩羅拉之間。自動取落綿機構(gòu)的設(shè)計需要實現(xiàn)落綿從梳理滾筒上的自動取出，也就是說勾綿機構(gòu)的設(shè)計既要能從梳理滾筒上勾取落綿，也要起到將落綿自動剝離針板的作用。參考極易清理的梳子（圖3.3.1）中的設(shè)計，本文將勾綿機構(gòu)進行如下改進：
如圖3.3.2所示，該勾綿機構(gòu)由光板和針板兩個部分構(gòu)成。針板裝有勾綿用的針，光板上有與針板上的針對應的槽，針板由一根轉(zhuǎn)軸固定在光板上，并通過扭簧使針板緊貼在光板上。如圖3.3.3所示，當勾棉機構(gòu)運動針板與傳送臺上的擋塊接觸時，擋塊通過針板對扭簧施力，使得針板克服扭簧彈力與光板分離，此時勾在針板上的綿與針板分離，實現(xiàn)勾棉機構(gòu)與落棉的分離。
圖3.3.1 極易清理的梳子
圖3.3.2 針板示意圖
圖3.3.3 勾綿機構(gòu)運動過程
3.4機械傳動優(yōu)化設(shè)計
3.4.1 帶傳動優(yōu)化設(shè)計
初始設(shè)計中，分別驅(qū)動滾筒和曲柄的電動機的傳動裝置都是平帶傳動。平帶傳動是靠傳動帶與帶輪之間的摩擦力來傳遞運動和動力的，在實際生活中應用十分廣泛。平帶傳動主要適用于兩軸中心距較大的傳動，傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、裝配和維修，成本較低，但是由于帶與帶輪之間存在彈性滑動，不能保證恒定的傳動比。另外，平帶的壽命較短且傳動中對軸的作用力較大，因此平帶傳動效率較低。
因為整個自動取落綿機構(gòu)控制系統(tǒng)中，滾筒在梳棉時要求高速正傳，梳棉完成時停止，收到勾綿信號時需要低速反轉(zhuǎn)配合勾綿機構(gòu)勾取滾筒上的落綿，對傳動要求較高，平帶傳動達不到要求的傳動精度，所以需要對傳動裝置的選用做出優(yōu)化。
帶傳動按照傳動原理可分為摩擦傳動和嚙合傳動。嚙合傳動依靠帶內(nèi)側(cè)凸齒與帶輪外緣上齒槽相嚙合實現(xiàn)傳動，其傳動效率比摩擦傳動高。同步帶傳動是嚙合型帶傳動的一種，它是帶傳動和齒輪傳動相結(jié)合的一種新型傳動。同步帶傳動的帶速高達40~80m/s，傳動比可達10~20，傳遞功率可達100kW，傳動效率可達98%。與平帶傳動比較，同步帶傳動的帶輪和傳動帶之間沒有相對滑動，能夠保證固定的傳動比，可用于要求傳動比準確的中小功率傳動中，如磨床、紡織機械等。
綜上所述，本機構(gòu)電動機的傳動裝置選用同步帶傳動（圖3.4.1）。
圖3.4.1 同步帶傳動
3.4.2 齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計
圖3.4.2 初始方案
圖3.4.3 改進方案
當勾綿針板與滾筒接觸即進入勾綿過程時，滾筒以低速反向轉(zhuǎn)動配合勾綿機構(gòu)動作。勾住落綿后，曲柄右行，連桿向右?guī)庸淳d裝置，動羅拉失去曲柄和擺桿的推力，在重力的作用下回到軌道底端，期間，擺桿帶動勾綿裝置沿軌返回，由于定羅拉轉(zhuǎn)動，夾在兩羅拉之間的落綿，被拉擠壓排出。因此，滾筒與定羅拉需要配合同步轉(zhuǎn)動，從而使落綿由勾綿機構(gòu)順利取出。
如圖3.4.2所示，初始齒輪傳動設(shè)計中，梳理滾筒齒輪與定羅拉齒輪之間有兩個中間齒輪，如果梳理滾筒反轉(zhuǎn)的話，根據(jù)齒輪嚙合原則，定羅拉齒輪正轉(zhuǎn)，夾在兩羅拉之間的落綿就不能從預定的方向排出。因此，如圖3.4.3所示，梳理滾筒齒輪和定羅拉齒輪之間只使用一個中間齒輪，三齒輪嚙合，使梳理滾筒和定羅拉旋向一致，保證落綿的順利排出。
另外，雖然齒數(shù)多、模數(shù)小的齒輪嚙合噪音小，傳動穩(wěn)定，但是考慮到加工時候的誤差以及實際裝配誤差，選擇齒數(shù)相對較小、模數(shù)較大的齒輪，以此來增加實際齒輪嚙合過程中的容錯率。
為進一步保障齒輪傳動順利進行，中間齒輪軸選用徑向整體式滑動軸承，使得中間齒輪位置可以微調(diào)，增加齒輪傳動的容錯率。
備選方案：梳理滾筒與定羅拉之間中心距較大，傳動精度要求不是很高，載荷也適中，可以選擇同步帶傳動來代替齒輪傳動。
3.5 自動取落綿機構(gòu)運動控制設(shè)計
3.5.1 功能分析
1.梳棉
1）在梳綿過程中，滾筒與圓梳機一起轉(zhuǎn)動，需要正向高速驅(qū)動梳棉電機，轉(zhuǎn)速為100r/min。
2）在達到指定梳綿時間后，梳棉電機停止運轉(zhuǎn)。
3）當勾綿機構(gòu)針板與滾筒接觸時，反向低速驅(qū)動梳棉電機配合勾綿機構(gòu)勾取落綿。
4）當完成一個勾綿過程，滾筒立即回到梳綿過程的正向轉(zhuǎn)動。
2.勾綿
1）在梳綿過程中，曲柄機構(gòu)保持靜止。
2）梳棉定時完成后，驅(qū)動勾綿電機。
3）當勾綿機構(gòu)回到軌道末端時，停止勾綿電機。
3.5.2 硬件設(shè)備
1.梳棉電機：步進電機
表1 梳綿電機參數(shù)
型號
輸入
最大電流
最大輸出扭矩
57BYG250H
DC24V
3A
2.8N.m
2.勾綿電機：直流電機
表2 勾綿電機參數(shù)
型號
輸入
額定轉(zhuǎn)速
額定電流
額定扭矩
ZGA37RG
DC24V
7/min（帶調(diào)速器）
1A
1.5N
3.行程開關(guān)
型號：德力西LXW511G1 接常開觸點
4. 繼電器
型號：施耐德 RXM2LB2BD
3.5.3 控制實現(xiàn)
根據(jù)上述方案，控制流程圖如圖3.5.1所示，接線圖如3.5.2所示。
圖3.5.1 控制流程圖
圖3.5.2 接線圖
根據(jù)該設(shè)計方案，PLC程序設(shè)計如圖3.5.3所示。
圖3.5.3 PLC程序圖
第4章 基于Adams的動力學仿真及分析
4 基于ADAMS的動力學仿真及分析
4.1 動力學仿真
為了便于分析自動取落綿機構(gòu)的動力學特性，本文采用Adams虛擬樣機技術(shù)對自動取落綿機構(gòu)進行動力學仿真和分析，實現(xiàn)機構(gòu)設(shè)計與分析過程數(shù)字化，從而簡化設(shè)計過程，驗證自動取落綿機構(gòu)設(shè)計方案的可行性，保證后續(xù)研究順利進行。
仿真過程中，首先將上文基于SolidWorks設(shè)計的三維模型裝配后另存為x_t格式，然后運行Adams軟件并導入更改格式后的模型文件。如圖4.1.1所示，根據(jù)模型實際安裝方向，選擇重力方向為Y軸方向，數(shù)值為-9.80665。依次對模型各零件之間添加約束、接觸關(guān)系及驅(qū)動后進行仿真計算。
圖4.1.1 重力設(shè)置圖
4.2 動羅拉運動仿真分析
圖4.2.1 仿真示意圖
如圖4.2.1所示，設(shè)置仿真時間為12s，仿真步數(shù)為500。
經(jīng)過仿真運行后，打開繪圖工具中的后處理模塊，添加動羅拉中心點的X、Y、Z三個方向上的位移分量曲線，如下圖4.4.2。
圖4.2.2 動羅拉位移曲線
在笛卡爾坐標系下，紅色實曲線代表動羅拉在X軸方向的位移曲線，藍色則代表動羅拉在Y軸方向上的位移曲線，粉色代表動羅拉在Z軸方向上的位移曲線。橫坐標代表時間，單位為s，縱坐標代表位移，單位為m。
由此圖可知：
（1）0-4s內(nèi)，X方向位移量連續(xù)減小，曲線比較平滑，在1.2s至1.8段近似為一水平線，在4s時X方向位移量為0，4-6s內(nèi)，X方向位移量連續(xù)增大，6-12s內(nèi)近似為一水平線。
（2）0-4s內(nèi)，Y方向位移量連續(xù)增大，曲線比較平滑，在1.2s至1.8段為一水平線在4s時Y方向位移量達到最大值，4-5s內(nèi)，X方向位移量連續(xù)增大，，6-8s內(nèi)近似為一水平線。
（3） 0-12s內(nèi)，Z方向位移曲線雖然有幅度變化，但變化量很小，可忽略不計。
結(jié)合動羅拉的仿真動畫及各軸上的位移量分析可知：
（1）0-1.2s內(nèi)，動羅拉在撥盤的推動下，沿著機架上圓弧槽向上滾動；
（2）1.2-1.8s內(nèi)，動羅拉由撥盤推動轉(zhuǎn)變?yōu)閿[桿推動，此過程中存在著轉(zhuǎn)換時間間隔；
（3）1.8-4s內(nèi)，動羅拉在擺桿的推動下，繼續(xù)沿著機架上圓弧槽向上滾動，在4s時運動到圓弧槽的最高處；
（4）4-6s內(nèi),動羅拉由于自身重力，沿著圓弧槽向下滾動；
（5）6s時，動羅拉滾到圓弧槽最低處，被限位死；
（6）6s后，動羅拉等待下一個循環(huán)的開始。
圖4.2.3 動羅拉角加速度曲線
動羅拉角加速度變化曲線如圖所示，橫坐標代表時間，單位為s；縱坐標代表角加速度，單位為deg/s**2;
由此圖分析可知：0-0.3s，變化幅度較大，這是由于動羅拉從靜止狀態(tài)開始運動的加速過程；1.8-1.9s，與動羅拉接觸的撥盤的表面形狀發(fā)生改變，有抖動；
2.6-2.7s內(nèi)，動羅拉由撥盤推動轉(zhuǎn)變?yōu)閿[桿推動，該過程存在抖動；3.1-3.2s內(nèi)，動羅拉開始沿著圓弧槽向下滾動；6-7s內(nèi)，動羅拉在圓弧槽最低處滾動時與圓弧槽三面接觸，有抖動；其余時間段的角加速度的變化量可忽略不計，且大小近乎為0。
這說明動羅拉在整個運動過程中，角速度都比較穩(wěn)定，即動羅拉在圓弧槽的運動穩(wěn)定性較好。
4.3 曲柄滑塊擺桿機構(gòu)的動力學仿真分析
在“后處理”中選擇其中一側(cè)導桿的X方向上的位移曲線圖 ，X方向上的速度曲線圖（圖4.3.1）以及加速度曲線圖（圖4.3.2）。
圖4.3.1 X方向上位移曲線
圖4.3.2 X方向上速度曲線
分析位移曲線可知： 0-3.75s,位移量連續(xù)減小，3.75s達到最小值，此時擺桿運動到右極限位置，此為推程的后部分運動；3.75-8.5s,位移量連續(xù)減小，8.5s達到最大值，此時擺桿運動到左極限位置，此為一段完整的回程運動；8.5-12s,位移量減小，此為推程的前部分運動，當位移量減小到0.0675m時，回到0s處的位置，此時時間大概為12s。故在一個循環(huán)周期內(nèi)，往程所需7.25s，返程所需4.75s。
分析速度曲線可知：0-3.75s,速度連續(xù)減小，3.75s達到最小值，最小值為0； 3.75-6s,速度連續(xù)增大，6s達到最大值，最大速度為0.025m/s；6-8.5s,速度連續(xù)減小，8.5s達到最小值，最小值為0；8.5-12s,速度連續(xù)增大，12s和0s時的速度相等,大小為0.015m/s。顯然返程速度比往程速度大，具有很明顯的急回特性。
4.4勾綿機構(gòu)動力學仿真分析
在后處理模塊中添加橫桿軸位移曲線（圖4.4.1）、加速度曲線（圖4.4.2）。
圖4.4.1橫桿軸位移曲線
圖4.4.2橫桿軸加速度曲線
分析橫桿軸位移曲線可知：0-3.75s，X方向上的位移量連續(xù)減小，Y方向上的位移量連續(xù)增大，3.75s時都達到各自的最值處，這表明連桿運動在沿著圓弧槽的向上運動，在3.75s時運動到圓弧槽最上端，被限位死而不再繼續(xù)向上運動；3.75-8.5s,X方向上的位移量連續(xù)增大，Y方向上的位移量連續(xù)減小，在6s時不再減小，這表明連桿沿著圓弧槽向下運動，6s時達到水平軌道； 8.5-12s,X方向上的位移量線性減小，Y方向上的位移量保持不變，這說明連桿仍在水平軌道上運動，且穩(wěn)定運動。整個過程Z方向的位移量都沒有變化，這也說明了連桿在機架軌道上運動的穩(wěn)定性較好
分析加速度曲線可知，橫桿軸開始時有速度突變，接著保持勻速運動，在勾綿機構(gòu)觸碰到擋塊時速度發(fā)生變化。這表明勾綿機構(gòu)沿軌道運行基本保持勻速運動，較為穩(wěn)定。
在后處理模塊中，測量針板與光板之間的角度，如圖4.4.3所示。
圖4.4.3 針板與光板角度變化圖
分析此圖可知：0-7.5s，0s瞬時的角度突變可忽略不計，由于機構(gòu)整體剛開始工作時的不穩(wěn)定性，會有抖動，此時間段上下針板閉合，7.5s時上針板與圓弧槽剛接觸；7.5- 8.5 s，上針板沿著擋塊的圓弧軌道自下而上運動，8.5s時運動到擋塊的最高處，此時上下兩針板張開的角度為55度，達到最大值；8.5-10.4s，下針板沿著擋塊的圓弧軌道自下而上運動，10.4s時運動到擋塊的最低處，兩針板之間角度為0度，兩針板閉合；10.4-12s，兩針板之間角度為0，處于閉合狀態(tài)。由圖像看，勾綿機構(gòu)可由擋塊順利撐開，保證落綿從針板上順利取下。
參考文獻
5 結(jié)論
本文主要針對傳統(tǒng)的絹紡圓梳工藝中圓梳部分的取落綿環(huán)節(jié)提出自動化設(shè)計，提出了動羅拉、定羅拉相結(jié)合的新型設(shè)計方案，結(jié)合曲柄擺桿機構(gòu)自主設(shè)計了自動取落綿機構(gòu)，實現(xiàn)梳理滾筒上落綿的自動取出，以減少勞動力成本，提高勞動生產(chǎn)效率。其結(jié)構(gòu)特點及工作優(yōu)點有如下幾點：
1.機身兩側(cè)設(shè)置一組曲柄滑塊擺桿機構(gòu)，兩側(cè)曲柄通過軸連接，實現(xiàn)兩側(cè)曲柄對動羅拉的同步推動以及對勾綿機構(gòu)的同步拉動作用，方便勾綿機構(gòu)進入兩羅拉之間使得勾取落綿更加順利；
2.將帶動勾綿機構(gòu)的滑塊機構(gòu)由原來的單滾子結(jié)構(gòu)改為雙滾子結(jié)構(gòu)，使該滑塊機構(gòu)在滑槽平穩(wěn)過渡，保證勾綿動作的穩(wěn)定運行；
3.優(yōu)化勾綿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于落綿與針板分離，提高取落綿效率；
4.優(yōu)化自動取落綿機構(gòu)中的的機械傳動設(shè)計，保證機構(gòu)的平穩(wěn)運行及落綿的順利取出；
5. 基于新老機械設(shè)計方法相結(jié)合的機械設(shè)計思路，結(jié)合電氣智能控制技術(shù)，初步設(shè)計出自動取落綿機構(gòu)的運動控制方案。
考慮到實際生產(chǎn)過程中機構(gòu)運行的連續(xù)性，還需要對以下方面進行深入研究：
梳理滾筒和定羅拉之間的齒輪傳動參數(shù)是暫定的，雖然在理論仿真中順利運行，但未考慮到在實際生產(chǎn)中兩羅拉擠壓出綿速度和勾綿機構(gòu)帶走落綿速度的對接問題，在后續(xù)研究中需要通過大量樣機試驗確定合理的參數(shù)，保證落綿不會在羅拉與勾綿機構(gòu)之間積壓；
自動取落綿機構(gòu)的電控方案只是初步方案，未考慮到實際生產(chǎn)中環(huán)境溫度、濕度、落綿厚度等因素的影響，在后續(xù)研究中需要實地考察以及樣機試驗測定不同情況下機構(gòu)受力情況，進一步調(diào)整電控方案。
本文對于落綿的自動取出的設(shè)計方案是對初始方案的改進優(yōu)化，但并不是最終方案。雖然該機構(gòu)運動的可行性已通過運動學仿真得到證實，但該機構(gòu)在機械加工方面具有一定難度，且實際生產(chǎn)中還可能會產(chǎn)生其他問題，故該機構(gòu)還需要進一步改進優(yōu)化。
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致謝
致謝
光陰荏苒，日月如梭。本次論文寫作進入收尾階段，這也意味著我四年的大學生活即將結(jié)束。在完成畢設(shè)設(shè)計的這幾個月里，我不僅回顧復習了大學以來所學習的專業(yè)知識，而且鍛煉了查閱文獻、分析數(shù)據(jù)的能力，學習到了當下有關(guān)機械創(chuàng)新方面的新知識，對機械設(shè)計及自動化方面的理論和實踐有了更多的認識。
本次畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成，離不開312實驗室老師們的指導幫助，尤其是我的指導教師萬宏老師。萬宏老師時刻關(guān)注著我的畢業(yè)設(shè)計完成進度，督促我按時完成既定的任務，對我在此期間遇到的問題能及時提出建設(shè)性意見，讓我的畢業(yè)設(shè)計能夠順利進行，最終完成畢業(yè)論文。同時我也非常感謝實驗室的盧加健、張遠、倪钘凱等學弟們，正是有了你們的幫助，我才能在有限的時間里完成多次的建模與仿真，使本次設(shè)計更加完善。我還要感謝畢業(yè)論文小組的同學們，從畢業(yè)論文選題到論文的順利完成期間，與我一同討論學習，讓我體會到團隊的重要性。
最后，感謝我大學四年所有老師的悉心教導。