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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 3
1.3設計目的 4
2 自動化生產(chǎn)線中切機創(chuàng)新設計思路 6
2.1設計方案 6
2.2研究內(nèi)容 7
2.3新型中切機工作流程總設計思路 7
3自動化生產(chǎn)線中切機優(yōu)化設計 9
3.1中切機整體樣機介紹 9
3.2中切機局部機構(gòu)改進 10
4 基于Adams的仿真分析 17
4.1內(nèi)置機構(gòu)仿真效果 17
4.2復合槽輪機構(gòu)運動學分析 18
5 結(jié)論 21
參考文獻 22
致謝 23
I
壓縮包內(nèi)含CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 Abstract
絹紡圓梳自動化生產(chǎn)線中切機的優(yōu)化設計
摘要
本次課題的研究主要是對圓梳自動化生產(chǎn)線中切機進行優(yōu)化升級，大幅度提高整個中切流程生產(chǎn)效率，提高自動化程度，使中切機更好的適應當今生產(chǎn)工藝。原有的中切機切綿以及取綿流程都是人工實現(xiàn)，生產(chǎn)效率低下，且人工成本占比很高，產(chǎn)業(yè)需要及時的升級改進來提高生產(chǎn)效益。
本文主要是在切綿機方面做設計，根據(jù)傳統(tǒng)的工藝流程設計了全自動切綿機，具體工作流程是中切機將輸送過來的綿繞在滾筒上并自行切斷推送出去，并不斷的在制作過程中對原有切綿機的切刀機構(gòu)和拉綿裝置進行深層次的改進，可實現(xiàn)全自動切綿各個工序的操作，包括送綿、切綿以及推綿。本文涉及到的中切機主要工作如下：
1. 設計出一種全自動切綿機用切綿滾筒，該滾筒可與其它內(nèi)置機構(gòu)配合完成全自動切綿機的喂綿、切綿、出綿等工作。
2. 設計出一種由電磁離合電路做驅(qū)動的切刀裝置，可完成高頻率高效率的切綿操作。
3. 設計出一種模擬手工切綿的切刀裝置作為備案，可有效的保證切刀穩(wěn)定水平切割的效果。
4. 設計出一種復合槽輪機構(gòu)，可在保證同步性的情況下完成滾筒定位以及推綿操作。
5. 設計了電機順序控制電路以及正反轉(zhuǎn)電路來提高中切機三道工序的自動化程度。
最終再利用虛擬樣機Adams進行力學分析，確保中切機切綿操作以及推綿操作的工作穩(wěn)定性，以此達到提高切綿產(chǎn)量和質(zhì)量的目的。
關鍵詞：全自動切綿機 ；切綿滾筒；切刀裝置；復合槽輪機構(gòu)；Adams
Optimization design of automatic cutting production line for silk spinning
Abstract
The research of this subject is mainly to optimize and upgrade the cutting machine in the automatic production line of the circular comb, greatly improve the efficiency of the whole cutting process, improve the degree of automation, and make the cutting machine better adapt to the production process. The original cutting machine and the process of cotton picking are all artificially realized, the production efficiency is low, and the labor cost is very high. The industry needs to upgrade and improve the production efficiency in time.
This article is mainly designed in the cutting machine, according to the traditional process design of the automatic cutting machine, the concrete working process is the cutting machine will be transported over the roller and cut off and push out by itself, and continuously in the process of production of the original cutting machine and the extension of the original cutting machine. The operation of automatic cutting process can be realized, including feeding, cutting and pushing. The main work of the cutting machine involved in this article is as follows:
1. A kind of automatic cotton cutting roller used for the automatic cotton cutting machine is designed. The drum can cooperate with other built-in mechanisms to complete the work of feeding, cutting and spreading of the automatic cotton cutting machine.
2. Design a cutting device driven by electromagnetic clutch circuit to complete high frequency and high efficiency cutting operation.
3. Design a cutting device simulating manual cutting. As a record, it can effectively guarantee the effect of stable and horizontal cutting.
4. A compound grooved wheel mechanism is designed to achieve roller positioning and cotton pushing operation while ensuring synchronicity.
5. The motor sequence control circuit and the positive and negative circuit are designed to improve the automation level of the three processes of the middle cutting machine.
Finally, the mechanical analysis of the virtual prototype Adams is used to ensure the cutting operation and the working stability of the pushing machine, so as to achieve the purpose of improving the production and quality of the cutting.
Key words: Automatic cutting machine,Cutting roller； cutting device, Compound groove wheel mechanism,Adams
IV
第1章 緒論
1 緒論1.1課題背景
蠶絲紡絲的過程是將蠶繭、蠶絲、絲織成的次生繭絲和絹絲加工成絹絲和琺瑯絲。傳統(tǒng)的精梳工藝傳統(tǒng)絲紡在中國分為三個步驟:第一步。原料精練,目的是清除蠶繭和廢絲中的絲膠、油類等雜質(zhì)。第二步，條狀長綿經(jīng)中切機切斷，產(chǎn)出的綿段經(jīng)過梳理以制成精綿，其目的是得到可以防止加工的原料綿；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。過程如流程圖1.1.1所示：
繅絲
中切
圓梳取落綿
圓梳
排綿
制條
圖1.1.1 絹紡工藝流程圖
切綿機用于加工綿纖維和化學纖維,屬于紡織機械。根據(jù)紡紗工藝,切綿是整個圓梳工藝得以實現(xiàn)的基礎環(huán)節(jié)。開綿機的前工序是繅絲開綿,后者是圓梳工藝以及排綿、制條工藝[1]。切割機的工作原理是打開前處理或由綿盒提供的油綿(化纖)層輸送的綿(纖維)條的梳理和去除雜質(zhì),從而使纏繞在一起的綿張或者比較大的環(huán)狀綿制成長條狀;在這一過程中,去掉除從上一工序中破碎的遺留下來的種子、雜質(zhì)和短絲絨,有序的排放整理并集成制作成規(guī)定的大小。最后將它們粘在一根綿棒里,放在一種綿棒盤里,完成一個切綿周期。
中切工藝在切綿機的使用過程中，從開始喂綿直至開始切綿，拉綿棒取綿一直是工人不停的手工操作，整個工作過程效率低下。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人工成本越來越高，況且蠶絲廢料加工的綿紡行業(yè)依然是一個勞動力密集行業(yè)，目前這些行業(yè)已位于小型微利產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)升級刻不容緩。而中切機是切綿工作過程的主要部件之一，通過對其進行自動化改造可大幅提高切綿的工作效率，不僅減少了人工的繁瑣流程提高了安全系數(shù)，而且大量減少人工成本。
本文研究的正是絹紡自動化生產(chǎn)線的中切機，在不改變原工藝的情況下對其進行深層次的改進，設計了一種可以內(nèi)置多種結(jié)構(gòu)的切綿滾筒來與其他機構(gòu)配合來實現(xiàn)其切綿等功能。
7
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前，國外的切綿機在高速化、在線控制等方面都有了進一步的提高[3]。國外生產(chǎn)的切綿機加工性能好，產(chǎn)量高，質(zhì)量好，勞動生產(chǎn)率高，顯示出切綿技術的新發(fā)展，都是切綿機切綿的最先進水平的代表作品。在日本的《蠶絲學》[4]的切綿工序中，從1930年便開始了對滾筒式切綿機進行設計結(jié)構(gòu)上的改良。日本絹紡制綿重點是加強精干品開松、定長切斷、給濕、除雜，梳綿采用單錫林梳綿機，走直行精梳工藝和復精梳制綿工藝路線，纖維整齊度好，可紡性高，梳理充分，并有效地防止了后紡疵點的產(chǎn)生[5]。發(fā)展至今國外已經(jīng)生產(chǎn)出了自動切綿機，自動切綿機系將喂綿、定位自動、切斷、卷取、收儲等動作，機械部分主要為凸輪機構(gòu)，通過電氣部分指示來完成進行自動程序的控制。但是,都局限于將棒綿供應給圓型梳綿機,生產(chǎn)的半制品都是棒綿而不是綿卷。
而國內(nèi)的切綿機自動化程度不是很高，在實際生產(chǎn)中為了保證切綿機正常工作往往需要多個工人進行操作，導致整個切綿工作效率低下，勞動生產(chǎn)率不高增，增加了產(chǎn)綿成本。在國內(nèi)的對切綿機研究中，通過分析切綿機的使用情況也對其進行了多方面的改進。1999年山東萊陽絹紡廠對絹紡工藝設備存在的問題和技術改造方面進行了深入的研究[6]。1998年山東淄博制絲廠對自動切綿機的改進解決了很多制造上的問題，針對連桿，擺桿等扭矩較大的地方提出了在緊定螺釘處增加鉆孔等解決辦法[7]。切綿機的使用需要注意工業(yè)安全和防塵，重慶永川絹紡織廠通過使用擋板和收塵裝置解決了粉塵散發(fā)等一系列問題[8,9]。由于切綿機針輥軸是循環(huán)負荷最大的地方，易斷裂造成停產(chǎn)即浪費原材料，四川南充絹紡廠曾對CZ182A切綿機上、下針輥軸的應力進行了分析研究。通過改造，提高了滾針軸對合成彎矩的阻力,減少了滾針軸的損失,提高了設備的運行速度[10]。
而對于槽輪機構(gòu)在機械設備上的使用有很多設備可以借鑒，例如第十一屆全國機構(gòu)學年會暨首屆青年機構(gòu)學研討會上，北京印刷學院機械系做出了齒輪，凸輪，槽輪組合機構(gòu)的運動分析及設計[11]。大型設備上陜西科技大學和西安理工大學對包裝機械的設計中多次使用槽輪機構(gòu)[12]。復合槽輪機構(gòu)前人已有多種成功的先例，比如天津輕工業(yè)學院在玻璃器皿壓機中就使用了多個槽口的槽輪機構(gòu)[13]，而且在槽輪的設計上研究了撥塊入槽和出槽過程，其中心沿槽中心線方向移動，可完全避免采用一般方撥塊槽輪機構(gòu)時存在的顫動。撥塊與槽完全是面接觸，可大大降低接觸應力，也可大大降低撥塊和槽的磨損，提高機器的使用壽命。
隨著科學技術的不斷發(fā)展,自動化已成為現(xiàn)代化的重要標志。同樣自動化水平也是切綿機現(xiàn)代化的重要標志。提高切綿機的自動化水平,不僅可以減輕勞動強度,提高了綿制品的質(zhì)量,而且提高了生產(chǎn)效率。
1.3設計目的
調(diào)合綿球經(jīng)開綿機加工后，即使獲得一定程度的開松，里面多種組成成分開始逐漸趨于穩(wěn)定，得到一定程度的疏松效果，各種成分也獲得了初步混合，但是，開綿機生產(chǎn)的長條綿絲還不適宜直接送圓梳機進行梳理[14,15]。
首先是因為綿絲中過長的纖維是占大多數(shù)的，不但不適應圓梳機加工的需要，也不適應紡紗要求[16]：其次，綿層需要能夠輕易的放置于圓梳機中的夾綿板里，根據(jù)實時需要，要完成一定程度的翻面以及換向等動作，這樣一來綿層內(nèi)外各個部位才能被梳理到：第三，為了提高精綿質(zhì)量和圓梳制成率，需要進一步提高纖維的松解和伸直平行度。為此，開綿綿張必須經(jīng)過切綿機的加工。切綿的目的一方面是切斷過長的纖維，該產(chǎn)品是由特定規(guī)格的綿條制成的,用于加工圓梳機加工的使用。另一方面,由于中切機的喂綿是通過羅拉進行輸入，可以使得綿纖維得到進一步松弛、伸直、平行,并且去除一些雜質(zhì)。
總的來說，整個梳綿工藝的設計過程中，原料除雜后是長條狀的粗加工的綿，而保證梳綿效果的前提是要提供切成段的綿，因此需要中切機來完成將長條粗綿切成段狀并輸送給圓梳機進行梳理，因此中切機是是整個圓梳工藝得以實現(xiàn)的基礎。
1.4研究意義
針對絹紡行業(yè)存在的人工勞動強度大、生產(chǎn)效率低等問題，新型絹紡生產(chǎn)線，創(chuàng)造性地設計了一系列自動化絹紡圓梳生產(chǎn)設備，設計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，實現(xiàn)了自動化絹紡生產(chǎn)，亦可為羊毛、綿花等短纖維紡織設備自動化設計提供借鑒，為我國紡織制造業(yè)改革升級提供強有力的技術支持。
絹紡圓梳自動化生產(chǎn)線中切機是整個圓梳工藝得以實現(xiàn)的基礎環(huán)節(jié)，如圖1.4.1所示，中切機是銜接“原料除雜”和“副夾板取綿”的重要工序，為實現(xiàn)自動化流水線，兼顧傳統(tǒng)機械設計與現(xiàn)代設計的優(yōu)點，著重解決機構(gòu)設計與運動控制。全自動中切機的實現(xiàn)，可謂新型絹紡生產(chǎn)線真正意義上的完全自動化，有望填補國內(nèi)外絹紡中切機研究空白，為我國紡織制造業(yè)改革升級提供強有力的技術支持。
圖1.4.1圓梳自動化生產(chǎn)線
人對切綿機的研究的進度已經(jīng)有了一定進展但并不成熟，比如在在滾筒上放置切刀裝置值得借鑒，然而,切削效率、切削穩(wěn)定性和切削后殘留物的程度等多方便因素都是缺乏的。本文主要抓住絹紡圓梳握持梳理的工藝本質(zhì)，在保證切綿效果的前提下，側(cè)重進行自動化絹紡中切機生產(chǎn)設備的機構(gòu)設計，根據(jù)實際工廠中中切環(huán)節(jié)的操作流程，對原有中切機的部分結(jié)構(gòu)加以改進，自主設計出一種能夠完成喂綿，切綿，以及出綿功能的全自動切綿機。
全自動切綿機相對于傳統(tǒng)的切綿機而言，自動化程度大大增加，所需操作的工人數(shù)量大大減少，切綿質(zhì)量有所改善，整體工作效率有所提高。該全自動切綿機的設計發(fā)明對傳統(tǒng)切綿機進行重新設計，新運用了大量的機械原理設計，如電磁離合器，彈簧裝置，槽輪設計等。大幅提高整個切綿操作的自動化強度，以實現(xiàn)減少人工，提高工作效率的目的[17]。
25
第2章 自動化生產(chǎn)線中切機創(chuàng)新設計思路
2 自動化生產(chǎn)線中切機創(chuàng)新設計思路
本章節(jié)主要是對原工藝中切綿機所需要的流程進行分析，并在不改變工藝的基礎上對其進行自動化設計。
2.1設計方案
羅拉喂綿
工人手動切綿
出綿
圖2.1.1：原工廠切綿工藝流程圖
原工廠中切綿機是工人手工操作，步驟如下：
1.首先是羅拉將綿送入滾筒，并使綿環(huán)繞在滾筒外側(cè)；
2.由工人手持切刀，以滾內(nèi)凹的部分為標準，切刀水平劃動，可將環(huán)繞在滾筒上的以此劃成綿段；
3.最后工人再取一根拉綿棒，用綿棒將綿取出備用。
圖2.1.2 中切機主要構(gòu)件圖
圖2.1.3圓梳自動化生產(chǎn)線各機構(gòu)工作圖
圖2.1.3為圓梳自動化生產(chǎn)線各機構(gòu)工作圖，在絹紡工藝中將綿輸送至中切機時，本文參照如圖2.1.1所示的原有絹紡工藝流程，設計的中切機其中綿的運動軌跡需要分以下三步：
1.經(jīng)由羅拉喂綿，由于綿特殊的材質(zhì)加上滾筒表面針板的作用，可使其環(huán)繞在滾筒上。
2.滾筒上布有切刀裝置，切刀和刀架相固定，刀架有突出小塊可約束切刀使其在斜方向進行運動，以此配合可將環(huán)繞在滾筒上的綿絲切斷。
3.綿由切刀切斷后成為綿段，經(jīng)由推綿桿推出，送至副夾板處夾取。
2.2研究內(nèi)容
為實現(xiàn)上述的三點功能，實現(xiàn)絹紡圓梳工藝中切綿工序的自動化生產(chǎn)，本文將依據(jù)以副夾板動態(tài)閉環(huán)為核心的設計思想，將三處功能在一臺中切機上分步實現(xiàn)[18]，對絹紡業(yè)圓梳自動化生產(chǎn)線中切機優(yōu)化設計進行如下研究：本文提供一種全自動切綿機，對切綿機進行重新設計，大幅提高整個操作的自動化強度，以實現(xiàn)減少人工的目的。其主要由切綿滾筒、羅拉、支架、電機、電磁離合器等組成，可實現(xiàn)自動喂綿、自動切綿、自動取綿并周期運轉(zhuǎn)的目的，為達此目的需要注意以下幾點：
1：根據(jù)原始切綿機的樣機進行改進設計實驗，并逐步提高可行性；
2：要實現(xiàn)在全自動切綿的操作，必須解決在中切機滾筒上安裝切刀裝置的問題，使得切綿機可進行自主切綿；
3：利用四桿機構(gòu)的往復運動進行推綿操作，四桿機構(gòu)運動關節(jié)出較多，需要仿真確定機構(gòu)的可行性并數(shù)值處理得到運動學參數(shù)；
4：優(yōu)化切刀裝置，保證切綿的效率、穩(wěn)定性以及減少切綿后的卡綿、掛綿現(xiàn)象；
5：新提出的雙槽輪機構(gòu)用入當中，其設計參數(shù)和運動情況都比較復雜，需要多次試驗確?？尚行裕?
6：驅(qū)動裝置包括復合槽輪機構(gòu)，四桿機構(gòu)，齒輪機構(gòu)，多種機構(gòu)的安裝和銜接需要精確的計算和精良的制作；
7：為了配合中切機內(nèi)置的機械結(jié)構(gòu)，需要設計出與之對應的控制電路圖。
2.3新型中切機工作流程總設計思路
圓梳工藝能夠保證梳綿的質(zhì)量，但現(xiàn)有設備的自動化程度不夠。本文針對其中中切機所需要實現(xiàn)的功能進行研究，設計一種全自動切綿機，對原有結(jié)構(gòu)進行重新設計。
該切綿機主要由切綿滾筒、羅拉、支架、電機、電磁離合器等組成，通過對以上結(jié)構(gòu)進行改進，實現(xiàn)切綿機的自動喂綿、自動切綿以及自動出取綿。當中切機開始運行時，電磁離合器是出于關閉狀態(tài)，電機軸作為驅(qū)動，滾筒和羅拉以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，羅拉將綿勻速喂入滾筒，滾筒表面附有7處針板，由針板將蠶絲拉出并布于滾筒表面。在滾筒勻速轉(zhuǎn)動一段時間后，此時切刀裝置開始運作，切刀固定在滾筒上，滾筒上布有刀架，刀架上有約束切刀行程的圓銷，切刀貼合刀架，由內(nèi)向外斜方向往復運動，完成一次切綿動作。為避免大幅度提高切綿機的運轉(zhuǎn)效率，采用電磁離合做驅(qū)動帶動切刀實現(xiàn)高頻率往復運動，從而更有效的實現(xiàn)全自動切綿。切綿過程結(jié)束由雙槽輪機構(gòu)做驅(qū)動，同時實現(xiàn)滾筒的定位以及推綿的操作。雙槽輪機構(gòu)是由一個主動槽輪做驅(qū)動帶動兩個從動槽輪，從動槽輪聯(lián)合運轉(zhuǎn)的齒輪副一方面使?jié)L筒轉(zhuǎn)動特定的角度使下次推綿板的位置轉(zhuǎn)動至推綿桿下方，另一方面滾筒轉(zhuǎn)動一定角度這一步驟結(jié)束使推綿桿運作一次完成推綿操作。
本文中切機除切刀裝置其余機構(gòu)嚴格按照絹紡圓梳原有工藝進行設計改進，并通過Adams仿真來確定其可行性，新的切刀裝置大大減少了人工成本以及大幅度加快了生產(chǎn)節(jié)奏，但是切綿的效率無法通過仿真來確定其可行性，由于綿特殊的材質(zhì)可能會出現(xiàn)綿纏在切刀上導致無法切斷的現(xiàn)象，因此本文模擬參照原有工藝中工人切綿的方式設計出一份備案。
第3章 自動化生產(chǎn)線中切機優(yōu)化設計
3 自動化生產(chǎn)線中切機優(yōu)化設計
本文著重解決生產(chǎn)線中中切機的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了喂綿—切綿—出綿的銜接，本章節(jié)主要介紹中切機的整體設計以及局部機構(gòu)的改進流程。
3.1中切機整體樣機介紹
圖3.1.1 中切機整體預覽圖
圖3.1.2推綿機構(gòu)1
圖3.1.3 推綿機構(gòu)2
圖3.1.4 滾筒側(cè)面
1-1、主動槽輪；1-2、從動槽輪一； 1-3、從動槽輪二； 2、曲柄連桿機構(gòu)安裝支架； 3、曲柄連桿機構(gòu)；4、中心軸；5、推綿板；6-1、主動齒輪一；6-2、從動齒輪一；7-1、主動齒輪二；7-2、傳動齒輪；7-3、從動齒輪二；8、壓簧；9、滾筒葉片；10、切綿滾筒轉(zhuǎn)軸支架；11、切綿滾筒。
本課題研究的是一種全自動切綿機，此切綿機支架一側(cè)有電磁離合器固定架，該電磁離合器固定架外側(cè)安裝有電磁離合器，支架前端一側(cè)有電機，電機轉(zhuǎn)軸和電磁離合器上套有傳動帶，支架上有羅拉固定架和滾筒固定架，羅拉兩端固定在兩個羅拉固定架之間，切綿滾筒通過兩端轉(zhuǎn)軸固定在兩個滾筒固定架之間，切綿滾筒主體靠切綿機電磁離合器一側(cè)的轉(zhuǎn)軸端部有傳動輪，所述傳動輪和電磁離合器的軸上套有皮帶，所述切綿滾筒主體另一側(cè)的連接軸的端部有離合器，所述側(cè)離合器在離合器一側(cè)，所述切綿滾筒主體包括至少7個針板、3個滾筒葉片、7個切刀機構(gòu)和7個拉綿裝置，每個針板對應一個切刀機構(gòu)和一個拉綿裝置。
喂綿工序由羅拉，滾筒以及針板配合完成。機器運行時，羅拉將綿勻速喂入滾筒，滾筒表面附有針板，由針板將喂入的綿絲拉出，并使之環(huán)繞于滾筒表面。
切綿工序是切刀裝置開始運作，切刀固定在滾筒上，滾筒上布有刀架，切刀貼合刀架并被刀架上凸臺所約束行徑，由內(nèi)向外斜方向往復運動，完成一次切綿動作。
切綿完成后是送綿工序，復合槽輪機構(gòu)開始運作，同時完成滾筒的定位和推綿過程。
由于切刀工序初步方案是由單獨的電磁離合裝置作為驅(qū)動，因此送綿工序和切綿工序所需要的電機都必須按先后順序進行獨立的控制來運轉(zhuǎn)，因此設計出以下電動機順序控制電路，如圖3.1.5：
圖3.1.5 中切機整體電動機順序控制電路
控制電路由KM1線圈電路和KM2線圈電路單獨構(gòu)成。其中M1電機代指喂綿工藝的驅(qū)動，M2電機代指送綿工藝的驅(qū)動。KM1的動合觸點作為一控制條件，串接在KM2線圈電路中，只有KM1線圈得電吸合，其輔組助動合觸點閉合，此時才能控制KM2線圈電路。停止按鈕SB5只能控制M1電動機的停轉(zhuǎn)，停止按鈕SB3只能控制M2電動機的停轉(zhuǎn)，停止按鈕SB1為全停按鈕。以此來實現(xiàn)先喂綿，最后是送綿的電機控制運轉(zhuǎn)順序。
本課題對原有切綿機的切刀機構(gòu)和拉綿裝置進行改進，利用SolidWorks做出三維模型，再利用虛擬樣機Adams進行力學分析，保證工作穩(wěn)定性，大幅提高整個自動化操作的效率，以實現(xiàn)提高切綿產(chǎn)量和質(zhì)量的目的[19]。
3.2中切機局部機構(gòu)優(yōu)化設計
3.2.1優(yōu)化切刀機構(gòu)
優(yōu)化切刀裝置，是為了保證切綿的效率、穩(wěn)定性以及減少切綿后的卡綿、掛綿現(xiàn)象?？赏ㄟ^改善切刀形狀和提高切刀切割頻率來預防上述現(xiàn)象。
本文優(yōu)先考慮的是通過對切割方式的改進來提高切綿效率，可以優(yōu)先提高切刀來回運轉(zhuǎn)的切割頻率，之后是針對切綿對切刀形狀進行改善。針對驅(qū)動來源設計為電磁離合形式的震動式驅(qū)動，每副電磁驅(qū)動盒給相對應的刀片提供動力，刀架和滾筒固定，由刀片貼合刀架進行斜方向的往復運動，刀片與刀架形成強大的剪切力，將綿絲剪斷。
下圖3.2.1為電磁離合的電路，首先電路中出現(xiàn)電流時，電磁鐵產(chǎn)生磁力從而對切刀裝置產(chǎn)生往左的吸附力，接著刀架左移，此時與彈性片斷開連接，因此電路斷開，切刀裝置便不會受到往左的吸附力，從而位置復原進一次接通電路，以此往復從而提高切割的頻率。
鐮刀是農(nóng)村收割莊稼和割草的農(nóng)具，刀片上帶有小鋸齒，一般用來收割稻谷等本身帶有韌性的物體。對切刀口的改進的思路是從鐮刀的形狀來得到啟發(fā)。因此將切刀齒加長，齒形改為帶有月牙形的勾狀，這樣一來切刀切綿便如同鐮刀收割莊稼一般，切割利落干凈。
另外切刀運作的行徑也可以有所改進，由設計成有傾斜角度的運動方式，從而使切割方式是斜方向上往復運動，達到左右切綿時還能上下拉綿，斷綿效果好切割效率高。
圖3.2.1 電磁離合電路
圖3.2.2 切刀形狀
保證切割效率的前提下，之后需要考慮的是切綿效果，因為綿本身的特殊材質(zhì)，只是切刀進出小幅度高頻率的切割，可能會出現(xiàn)卡綿，也就是綿絲纏在切刀和刀架之間導致無法切綿的現(xiàn)象。為此對切綿機研究需設計出一份備案。
3.2.2切綿工序備案的設計
備案的設計必須確保切綿機切綿裝置的可行性，因此需要嚴格按照原有工藝方式進行設計，備案設計的思路來源于原工廠工人的手動切綿的操作。原絹紡工藝中切綿工人使用小型切刀，綿繞在滾筒上，滾筒表面有供給切刀切綿的凹槽，刀刃接觸環(huán)繞綿的切綿滾筒凹槽里，在滾筒上水平方向自左往右捋一下綿便會切斷。
這樣的切綿盡管切綿的生產(chǎn)效率相對不如滾筒內(nèi)置切刀機構(gòu)的方案，但是卻可以嚴格保證較高的切綿成功率。為了保證與原有圓梳絹紡工藝中工人切綿的操作相一致，課題組設計的備案需要滿足兩點要求，一是切刀的刀刃盡可能接近滾筒里面，這樣保證切綿不會有遺漏的現(xiàn)象，二是需要設計出一個往復運作的切刀機構(gòu)。
備案需要滿足的第一點要求只需計算設計出切刀剛好能夠切綿的尺寸即可，第二點要求則需要設計一個能夠使切刀在水平方向上往復運動的切刀機構(gòu)。往復運動的結(jié)構(gòu)種類繁多，比如最簡單的四桿機構(gòu)，曲柄滑塊機構(gòu)，特殊的齒輪齒條機構(gòu)等等，但是這些機構(gòu)都會有一處不足之處，就是需要預留的空間很大，課題組的切綿機還需預留位置和傳送帶相配合，所占用的空間有限，而且能夠裝切刀機構(gòu)的位置只有機架背后一處。將切刀裝置安在機架背部，按照滾筒運轉(zhuǎn)的方向可以巧妙的將切完的綿旋轉(zhuǎn)七分之一圈轉(zhuǎn)交給推綿裝置。
備案優(yōu)先考慮純機械的方法，然而能夠?qū)崿F(xiàn)往復運動的機構(gòu)，并且同時滿足占用空間不大的是少之又少，除了這些普通的往復運動機構(gòu)，也會有占用空間小的裝置，例如可以使用四桿機構(gòu)和多關節(jié)機械手臂聯(lián)合使用來彌補這些不足?？上н@樣的機構(gòu)雖然理論上能實現(xiàn)上述功能，但是由于關節(jié)較多，受力點也多，況且中切機的工作強度大、工作任務比較繁瑣，這類機構(gòu)無法確保機構(gòu)能夠持續(xù)穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。（特殊的齒輪齒條結(jié)構(gòu)以及多關節(jié)機械手臂的方法如下圖所示：）
圖3.2.3往復運動機構(gòu)
（特殊齒輪齒條結(jié)構(gòu)為例）
圖3.2.4機械手臂
通過多種對比，由此可見機械的方法很難完全解決這些問題，然而這些裝置部分機構(gòu)與電控相結(jié)合的方法卻可以很好的彌補這些不足。通過研究對比給出以下機電結(jié)合的方案：機械部分的主要結(jié)構(gòu)為齒輪齒條結(jié)構(gòu)，切刀裝置分為三個部件組成，步進電機以及切刀與滑塊相固定，滑塊可以在導軌上往復滑動。（機械部分的設計如圖3.2.5所示）
使用步進電機的原因如下：步進電機可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn),其原理是基于電磁力來實現(xiàn)的,電流方向的改變可以改變步進電機轉(zhuǎn)動的方向。步進電機的軸端是與齒條相嚙合的齒輪。通過齒輪齒條機構(gòu)的傳動,齒輪順時針旋轉(zhuǎn),使刀具向右轉(zhuǎn)動,齒輪可通過逆時針旋轉(zhuǎn)使刀具向左移動。由此設計，只需實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)功能，便能保證切刀的往復運動。
圖3.2.5 備案設計效果圖
圖3.2.6 正反轉(zhuǎn)電路設計
經(jīng)過查閱，能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)的電路有很多，例如星三角電路、雙重連鎖的正反轉(zhuǎn)電路等等，這些電路都有它們各自的特點，而課題組所研究的中切機只需要實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的功能，因此電路越不宜復雜。根據(jù)課題的需要，最后設計出了以下電路，如圖3.2.6所示，KM1，KM2為下反轉(zhuǎn)接觸器，SB1是停止按鈕，SB2是正向啟動，SB3是反向啟動，SB2與SB3的常閉觸點分別串入相應啟動線路中，防止兩個按扭同時按下，當正向按扭SB2按下時，此時SB2的常閉觸點斷開，SB3這路線路斷開，這樣反向運轉(zhuǎn)是無法啟動的。同時，KM1，KM2還通過輔助的常閉觸點組成互鎖電路。即KM1吸合時，KM2無法吸合，反之亦然。電機的正反轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)是通過換相來實現(xiàn)的。
備案的設計引入了新的步進電機，因此需要考慮步進電機的接線問題，本文考慮的是在機架背后加入自動收線裝置。普通的卷線器有內(nèi)置棘輪可以有鎖定收放線位置的作用，而我們可以將卷線器中的棘輪裝置移除從而簡易的完成一個收放線的裝置。自動收線器原理：自動收線機構(gòu)是利用渦旋簧的儲能、釋能。將電源線拉出時，渦旋簧儲能，停止拉出時，轉(zhuǎn)軸在渦旋簧作用下回轉(zhuǎn)至收回。效果如圖3.2.7以及圖3.2.8所示：
圖3.2.7 收線裝置收線狀態(tài)
圖3.2.8 收線裝置電線拉出狀態(tài)
3.2.3雙槽輪機構(gòu)的運用
所設計的自動切綿機需要保證滾筒的運轉(zhuǎn)、切綿的運作以及推綿的操作相協(xié)調(diào)，對同步性要求較高，因此用同一個機構(gòu)來實現(xiàn)以上全部功能是最為合適的。本文給出的方案是一組由齒輪傳動的雙槽輪機構(gòu)，一個槽輪通過齒輪傳動給滾筒定位，一個槽輪帶動四桿機構(gòu)完成一個周期的推程和回程，實現(xiàn)精確定位推綿。所使用的槽輪裝置如圖3.3.1所示：
復合槽輪裝置的驅(qū)動力皆由主動槽輪提供，嚴格保證機構(gòu)運轉(zhuǎn)所帶動多種從動機構(gòu)的同步性。主動槽輪銜接有兩副從動槽輪，從動槽輪通過齒輪副的傳動可以帶動一系列連鎖裝置進行運作。因此使用復合槽輪機構(gòu)可以巧妙的在保證同步性的前提下完成先后帶動左右兩處機構(gòu)的運轉(zhuǎn)。
圖3.3.1雙槽輪機構(gòu)裝配圖
主動槽輪轉(zhuǎn)動一圈可以帶動兩個從動槽輪旋轉(zhuǎn)四分之一圈，左邊的從動槽輪轉(zhuǎn)動90度再經(jīng)過齒輪的傳動，可以帶動滾筒轉(zhuǎn)動七分之一圈，詳情可見圖3.3.2中步驟2~3，例如3號推綿板經(jīng)過滾筒運轉(zhuǎn)停至原2號推綿板位置處。右邊的槽輪轉(zhuǎn)動90度再通過齒輪的傳動，可以帶動四桿機構(gòu)完成一次推綿的操作。詳情如下，圖3.3.2所示為雙槽輪機構(gòu)運轉(zhuǎn)流程，圖3.3.3所示為推綿桿運作流程。
1：主動槽輪開始運轉(zhuǎn)
2：主動槽輪開始帶動左側(cè)從動槽輪
3：左側(cè)從動槽輪帶動滾筒轉(zhuǎn)動完畢
4：主動槽輪開始帶動右側(cè)從動槽輪
圖3.3.2：雙槽輪運轉(zhuǎn)示意圖
1：開始推綿
2：四桿機構(gòu)運轉(zhuǎn)推動推綿板
3：四桿機構(gòu)運轉(zhuǎn)推動推綿板至底端
4：彈簧帶動推綿板收回
圖3.3.3：推綿流程（步驟圖2~4中隱藏了滾筒葉片）
后期考慮到從動槽輪機構(gòu)可與棘輪機構(gòu)相配合從而實現(xiàn)滾筒在進行轉(zhuǎn)動送綿之前的定位功能。如圖3.3.4所示，棘輪出于處于機架外側(cè)，齒輪與從動槽輪之間。棘輪爪一端與為滾筒提供驅(qū)動的齒輪相固定可完成撥動動作，棘輪盤是和從動槽輪相固定的，這樣滾筒進行喂綿操作時的運轉(zhuǎn)不會影響到槽輪的運轉(zhuǎn)，而槽輪反方向旋轉(zhuǎn)卻能帶動滾筒運轉(zhuǎn)。因為齒輪外側(cè)還接有棘輪機構(gòu)，因此需要將棘輪厚度做寬，添加軸承座來保證齒輪運動的穩(wěn)定。
圖3.3.4：棘輪機構(gòu)位置圖
第4章 基于Adams的仿真分析
4 基于Adams的仿真分析
美國MSC公司開發(fā)研發(fā)出一款叫做ADAMS的機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件，它可以應用于特定工業(yè)領域，除了本身能夠快速的建立模型并進行仿真分析，還可以與多種軟件配合進行聯(lián)合仿真[20]。利用Adams對中切機的主要機構(gòu)進行運動與動力仿真，主要目的在于確定所設計的機構(gòu)理論上是否符合運動設計原理，若符合即可證明該機構(gòu)在設計時無重大錯誤，機構(gòu)具有一定的可行性。若不符，則有助于在早期發(fā)現(xiàn)其不合理的地方并采取措施，并對其加以改進[21]。
本文所設計的SolidWorks三維模型可實現(xiàn)與Adams的聯(lián)合運用。對所需要模擬仿真的機構(gòu)裝配完畢，后另存為x_t格式，再導入Adams，設置重力等多種模擬仿真環(huán)境，完成相關約束后，加入驅(qū)動力并模擬實體碰撞等力進行仿真，測定相關數(shù)據(jù)以供研究，驗證設計方案的可行性。
4.1內(nèi)置機構(gòu)仿真效果
4.1.1切刀裝置仿真效果
4.1.1切刀運作仿真效果圖
本文首選方案的切刀機構(gòu)由電磁離合器作為驅(qū)動，在adams中設定插值函數(shù)，將橫坐標設為頻率，縱坐標設為力，在進行頻率測量時需要創(chuàng)建個狀態(tài)變量，以此達到高頻率切割的效果，切刀各階段位置如圖4.1.1所示，內(nèi)置切刀裝置由內(nèi)向行斜方向往復運動。
4.1.2復合槽輪機構(gòu)仿真效果
圖4.1.2復合槽輪機構(gòu)帶動滾筒運轉(zhuǎn)
圖4.1.3推綿裝置運轉(zhuǎn)
本文所設計的推綿機構(gòu)由復合槽輪機構(gòu)作為驅(qū)動，在adams中設定重力等仿真環(huán)境，將槽輪機構(gòu)，齒輪機構(gòu)等，除了主動槽輪皆約束為只有實體碰撞來作為驅(qū)動因素，以此達到仿真模擬的效果，復合槽輪機構(gòu)可成功帶動滾筒運轉(zhuǎn)，效果如圖4.1.2所示，推綿桿可順利帶動推綿桿進行推綿操作，效果如圖4.1.3所示。
4.2復合槽輪機構(gòu)運動學分析
圖4.2.1 Adams受力分析預覽圖
圖4.2.2 槽輪凸輪在旋轉(zhuǎn)平面中x，y方向的實時分析力矩示意圖
圖4.2.3波動和發(fā)生時間段對應槽輪圖
如上所示，左右兩圖分別為槽輪凸輪在x，y方向的實時分析力矩示意圖。從圖中我們可以得到：仿真時間我們設置為50秒，在約為5秒、15，30秒的時候兩條曲線都會出現(xiàn)異常的波動，這些波動主要是發(fā)生在槽輪凸輪有效運轉(zhuǎn)前后的時刻，雖然趨勢不是很明顯但也可見波動是逐漸趨緩的，如圖4.2.3中所示。這說明槽輪凸輪和槽輪的銜接不是很完美，結(jié)合adams后處理程序，可以有針對性的隊槽輪進行不斷優(yōu)化，其中對主動槽輪改進方法可以是可以增大主動槽輪與從動槽輪接觸的弧度，另外可以在接觸部分進行一些緩沖處理或者進行倒角。
圖4.2.4主動槽輪和從動槽輪之間壓力分析圖
圖4.2.4示為裝有主動槽輪和從動槽輪間的壓力實時狀況圖，與上訴相同，反映的是槽輪驅(qū)動帶動從動部件時的突變。
圖4.2.5 槽輪1
圖4.2.6 槽輪2
上述兩圖分別為兩個從動槽輪在旋轉(zhuǎn)平面x，y方向上的轉(zhuǎn)矩，這里槽輪2相對槽輪1的波動幅度相對較小，分析原因是槽輪2所銜接的齒輪副齒數(shù)是相對槽輪2多很多，而大齒數(shù)的齒輪傳動更趨于穩(wěn)定。
通過查閱資料可知斜齒輪的傳動相對直齒輪傳動更為穩(wěn)定，而樣機測試仿真為了確保中切機的可行性，所采用的是直齒輪機構(gòu)。由于斜齒輪對參數(shù)設計的和裝配的要求比較嚴謹，所以建議前期使用直齒輪進行制作，后期在中切機完全可行的情況下可以將直齒輪機構(gòu)換成更穩(wěn)定的斜齒輪機構(gòu)。由此也可得知齒輪傳動的穩(wěn)定性也會影響槽輪的轉(zhuǎn)矩。
通過以上仿真可對槽輪機構(gòu)單獨優(yōu)化在受力波動處進行優(yōu)化，優(yōu)化后轉(zhuǎn)矩圖如下圖所示：
圖4.2.7優(yōu)化后從動槽輪轉(zhuǎn)矩圖
圖4.2.8優(yōu)化后主動槽輪轉(zhuǎn)矩圖
上述兩圖分別為從動槽輪和主動槽輪的轉(zhuǎn)矩。對槽輪進行單獨優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)槽輪運動隨著時間的推移的穩(wěn)定程度顯而易見，所以之后電機和機構(gòu)之間的銜接方面的研究仍可以進行深入探討，可以在推綿桿運作前設置復合槽輪機構(gòu)進行預熱準備，使得開始運動時便快速進入穩(wěn)定狀態(tài)。
綜上所述，經(jīng)過優(yōu)化后復合槽輪機構(gòu)可以更流暢的進行運作，且符合中切機設計要求。
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參考文獻
5 結(jié)論
絹紡行業(yè)中起到關鍵性的機械裝備就是中切機，而中切機所產(chǎn)出的綿段也是絹紡圓梳業(yè)自動化各個工序的基礎。本文以自動切綿機作為研究對象，經(jīng)過資料檢索，比較分析，發(fā)現(xiàn)切綿機存有的一些問題，并提出相應的解決方案，本次研究的主要工作與優(yōu)化創(chuàng)新如下：
1.不改變絹紡圓梳生產(chǎn)線原有工序，設計出一臺全自切動綿機可按步驟完成喂綿，切綿，出綿等操作。
2.設計了一種可以完成切綿操作的切綿滾筒，內(nèi)有針板，切刀裝置等等。
3.設計了能夠高頻率切割的電磁離合電路用來作為切刀的驅(qū)動。
4.按照絹紡圓梳業(yè)原有工序中工人切綿方式設計出一份可以切綿的備案，由步進電機和齒輪齒條機構(gòu)組成。
5.設計了雙槽輪機構(gòu)和齒輪結(jié)構(gòu)聯(lián)合運用的復合槽輪機構(gòu)，可以同時完成滾筒的定位和推綿操作，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對雙槽輪機構(gòu)進行不斷優(yōu)化。
6.為了提高中切機的自動化程度新加入了電機順序控制電路以及電機正反轉(zhuǎn)電路的設計。
本文對于中切機的優(yōu)化設計是為了實現(xiàn)中切機的喂綿、切綿以及送綿這三道工序，所設計的中切機在以下兩個個方面還可以進行深入改進：
1、 中切機對于推綿這一道工序采用的是使用復合槽輪機構(gòu)同時完成推綿以及滾筒定位，其中齒輪副較多，需要頻繁使用多根軸進行定位，對安裝精度要求較高，除此之外喂綿工序也需要滾筒進行運轉(zhuǎn)，兩種工序不宜沖突，若可以合理使用更少的機構(gòu)進行取代，從而使得裝置簡化則為最佳。
2、 切綿工序皆由獨立的電機進行驅(qū)動，而電機驅(qū)動切刀裝置進行切綿，這里的控制電路設計需要通過進行試驗得到切割裝置各方面的參數(shù)，包括切刀切割速率、切刀往返時間。中切機推綿后是交由副夾板夾取，而副夾板需要張開多大、中切機的推綿板需要使落綿怎樣掉落才能保證夾綿最好的效果，這些也需要通過多次樣機測試知曉。
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致謝
我的論文作品不是很成熟，還有很多不足之處。但是這次做論文的經(jīng)歷使我終身受益。最后要感謝在整個畢設制作過程中幫忙過我的每一位人。首先，也是最主要感謝的是我的指導老師，萬老師。在整個過程中他給了我很大的幫忙，在論文題目制定時，他首先肯定了我的題目大方向，沒有萬老師給的課題我便不會意識到機械設計這方面的領域原來如此高深莫測，并時刻暗藏著驚喜。其次，要感謝幫過我的同學，給了我很多參考資料，幫了我很多很多的忙。
經(jīng)過幾個月的不斷學習和改進，畢業(yè)設計總算圓滿完成。這也就意味著我人生最精彩的大學四年生活即將結(jié)束，但我希望這也是一個全新的開始，謝謝！