基于MatLab的纺机常用机构的计算机辅助分析与仿真.pdf

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1、第2 8 卷第8 期 2 0 0 7 年8 月 纺织学报 J o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 8 A u g 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 8 0 1 0 2 0 4 基于M a t L a b 的纺机常用机构的计算机 辅助分析与仿真 石全伟，张迎春，张少东 ( 天津工业大学机械电子学院，天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要 在纺织机械机构的设计过程中，为能直接看到机构的动态运动过程及其任一点或杆的运动参数( 位移、速 度、加速度) ，依据平面连杆机构的基本组成原

2、理和拓扑学知识，建立机构的结点基本信息数据库和约束关系数据 库，分离出独立的基本杆组并对其求解，应用M a t h b 语言编制通用程序，建立了平面连杆机构的计算机辅助分析与 仿真系统，并以经编机沉降片为例对结果进行验证。结果表明，对任一给定的机构，仅需输入已知信息，就可以得 到其动态仿真图形及其任一点或杆的运动参数。 关键词纺织机构；基本杆组；计算机辅助分析；仿真 中图分类号：髑1 0 3 1 6文献标识码：A C o m p u t e ra i d e da n a l y s i sa n ds i m l l l a t i o no ft e x t n em e c h a I

3、l i s mb a s e do nM a t L a b S H IQ u a n w e i ，Z H A N GY i n g c h u n ，Z H A N GS h a o d o n g ( & k o z 矿 f e c 玩n 如甜。以眈n r o 梳E ，l g i n e e 昭，咖P 0 2 ，匏c 概论洫巧妙，彬n3 0 0 1 6 0 ，吼i M ) A b s t r a c t D u r i n gt h ep r o c e s s0 fd e s 培n i n gt e x t i l em e c h a n i s m ，i tw o u l db e

4、h e l p f u lf o rt h ed e s i g n e rt ov i e wt h e w h o l ed y n a I I l i ck i n e t i cc o u r s eo ft h ed e s i ；l l e dm e c h a I l i s ma n dt h ek i n e t i ci n f b n m t i o n ( d i s p l a c e l e n t ，v e l o c i t y ， a c c e l e r a t i o n ) 0 fa n yp o i n to rl i n k a g e so ft

5、 h em e c h a n i s mi nt l el n e a n t i m e B a s e do nt h eb a s i cs t l l l c t u r et h e o r yo f p l a n a rl i n k a g em e c h a n i s ma n dt o p o l o g y ，t h en o d eb a s i ci b n n a t i o nd a t a b a s ea n dr e s t d c t i n gr e l a t i o nd a t a b a s eo f m e c h a n i s mw

6、e r ee s t a b l i s h e d T h ei n d e p e n d e n tb a s i cl i n k a g eg m u p sw e r ei s o l a t e da n ds 0 1 v e d ，n l ec u r r e n t p r o g r a mw a sc o m p i l e du s i n gM a t I 且ba n dt h ec o r n p u t e ra i d e da | 1 a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns y s t e mo ft h ep l a n a

7、 r l i n k 明声m e e h a n i s mw e r ed e v e l o p e d W a r pk n i t t i n gm a c h i n es i n k e rw a st a k e nf o re x a m p l et ov a l i d a t et h er e s u l t F o ra n yg i v e nm e c h a n i s m ，a sl o n ga st h ek n o w I li n f o 珊a 上i o nd a t a b a s eo fi tw a si n p u t ，i t sd y n

8、a l T I i cs i m u l a t i o n g n l p ha n dk i n e t i ci n f b H n a t i o no fa n yp o i n to rl i n kc a nb eg o t t e n K e yw o r d st 既t i l em e c h a n i s m ；b a s i c1 i n k a g eg m u p ；c o H l p u t e ra i d e da n a l y s i s ；s i m u l 8 t i o n 平面连杆机构广泛应用于纺织、轻工及各种自 动化机械中，对它的分析及设计一直

9、是机构学研究 的一个重要课题。设计者在进行连杆机构设计时， 希望能够直观地看到所设计机构的整个动态运动过 程及得到机构上任一点或杆的运动参数( 位移、速 度、加速度) 。传统的机构分析方法主要是图解 法，其特点是求解简单、直观，但精度较低。随着计 算机的出现及其性能的飞速提高，利用计算机进行 机构分析与设计已成为重要的手段。机构的计算机 辅助分析软件系统的开发就成为一项重要工作。 在纺织机械中，由级杆组组成的连杆机构得 到了广泛的应用，如丝织机打纬机构、经编机沉降片 传动机构、槽针经编机的针床、梳节传动机构等，因 此建立一套针对纺织机械机构的计算机辅助分析与 仿真系统十分必要。本文从平面机构的

10、基本组成原 理和拓扑学知识出发，针对机构建立其邻接矩阵，通 过分析找出待求的未知点，分离出含有这些未知点 的级可求解基本杆组和可求单个构件，并依次求 解它们，从而实现对部分纺织机构的计算机辅助分 析和动态仿真。 收稿日期：2 0 0 6 0 3 1 7修回日期：2 0 0 6 一0 9 一1 1 作者简介：石全伟( 1 9 8 1 一) ，男，硕士生。主要研究方向为机械设计及其理论。张迎春，通讯作者，E m a i l ：z y c t j p u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWaterm

11、arkR to remove the watermark 第8 期 石全伟等：基于M a t k b 的纺机常用机构的计算机辅助分析与仿真 。1 0 3 平面机构的组成原理 任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次 连接于原动件和机架上而构成的。最常见的基本杆 组是由2 个构件与3 个低副构成的级杆组，而且 绝大多数的机构都是由级杆组构成心J 。根据上述 原理，当对一个给定的机构进行运动分析时，可将机 构分解为机架和原动件及若干个基本杆组，然后对 相同的基本杆组以相同的方法进行分析，所以对平 面连杆机构进行分析就是从机构中将可求解的基本 级杆组分离出来依次进行求解，最终完成对整个 机构的分析与

12、仿真。图1 为经编机沉降片机构。其 中，曲柄Z ，：为原动件，绕固定转动副1 旋转，f ：，和 f ，。、Z 撕和Z ，。、f 鹋和Z ，。为3 个级杆组( R R R 型) ，f ，。 和z 。为同一构件。 7 8 、 Z 6 s 一 图1 经编机沉降片机构简图 F i g 1 M e c h a n i s ms k e t c ho fw a r pk n i t t i n gm a c h i n es i n k e r 2 机构拓扑图与数据库的建立 对于平面连杆机构，可以把机构运动简图看作 是由相互约束关系的点及这些点的连线构成，所以 可以用2 个数据库来描述一个连杆机构的运动简

13、 图：结点基本信息数据库和约束关系数据库。其中 结点基本信息数据库可表示为 P = P i ( i ，石i ，扎，尺。) 式中：戈；，扎为第i 点的坐标值；足表示i 点的运动 状态( 1 表示已知，O 表示未知) 。 对图1 的机构，建立的结点基本信息数据库为 约束关系数据库可通过带权的邻接矩阵描述： D = d i 式吨名i 沔蒜篙 是龇，为端点瓦甲Iz 。点i 与之间有连线g 是以。、，力墒点 的杆长。 对于图1 的机构，建立的邻接矩阵如下： 0 Z 1 2 O000O00 f 1 2 0 0O 2 2 5 O 0 0 0 OOO0 Z 3 5 0000 000 0 0 2 4 6 000

14、 O Z 2 5Z 3 5 O0 Z 5 6 000 000 Z 4 6Z 5 6 0O Z 鹋 0 0 0 00 000 f 7 8Z 7 9 00O00 f 6 。f 7 B 0O 000000Z 7 q00 对于本系统，由于机构杆件的数目及其相互联 系都是可变动的，因此在建立以上数据库时应该是 动态的，可以根据输人的机构不同动态修改。 3 独立杆组的分解 分离可独立求解的基本杆组，就是通过扫描结 点的基本信息数据库，确定运动状态未知的点，并通 过邻接矩阵确定与之相连接点的运动状态，将可求 解的未知点确定并求解。确定一个可求解的未知点 可采用如下的算法。 1 ) 原动杆上的未知点可根据已知

15、条件首先求 解，图1 中点2 的运动参数可由绕点l 旋转的原动 件f 。：求出； 2 ) 对于铰接点，如果与之相连接的点当中有 2 个点的运动参数是已知的，此3 点构成R R R 型 级杆组，则这个铰接点是可求的，图1 中点5 的运 动参数可由点2 、点3 求出，同样，点6 和点8 可分别 l 0 1 l 0 0 l 0 0 弘0 乃 儿0 0 “ 0 0 吼0 0 0 妁O 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark

16、1 0 4 纺织学报第2 8 卷 由点4 和点5 、点6 和点7 求出； 3 ) 对于同一构件的固定转折点，如果此构件的 3 个点当中有2 个点的运动参数是已知的，则第3 点 是可求的，图1 中点7 、8 、9 在同一构件上，点7 的运动 信息是已知的，点8 的运动信息已由其所在的级杆 组求出，则点9 的运动信息可依此求出； 4 ) 对于3 点共线的情况，如果已知其中2 点的 运动参数，则第3 点的运动信息是可求的。 对于某一给定的纺织机械机构，重复以上过程， 则每一次至少可以找到一个可以求解的未知点，求 解后扫描下一个可求解的未知点，直到所有未知点 求解完毕，完成机构的一个运动状态的确定。

17、4 基本杆组的求解 由于基本杆组的自由度为零，即如果给定其外 接副的运动参数，则该杆组的运动参数也随之确定。 文献 3 中已详细给出了R R R 型级杆组的求解方 法，下面以有固定转折点的构件为例来说明基本杆 组的求解。如图2 所示，如果已知点l 、点2 的基本 信息和杆长z z ，以及二杆之间的夹角丸，则点3 运动信息可求： 图2 有固定转折点的构件 F i g 2C o m p o n e n tw i t hf i x e dt l I m i n gp o i n t 声：= 等等，则有 声，= 声：一声。，可得点3 的位移为 f 石3 = 并l + Z 1 3 c o s 声3 【y

18、 3 = y l + Z 1 3 s i n 声3 在以上公式中，乒：、声，均为矢量，逆时针方向为 正向。速度和加速度可以分别通过对位移求一阶导 数、二阶导数得到。 5 系统的实现 基于所述原理及过程，可建立一个平面连杆的 计算机辅助分析与仿真系统，该系统采用在屏幕上 交互绘制机构简图，然后自动对其进行求解，并根据 动画原理进行动态仿真H 1 。目前，这一系统具有对 部分纺织机构进行自动分析与动态仿真的能力。 图3 为运行此系统后得到的经编机沉降片的动态仿 真图形。同时可根据需要绘制出机构上任一点或杆 的运动参数，图4 为经编机沉降片点5 的运动参数。 图3 经编机沉降片的仿真图形 F i g

19、 3 S i m u l a t i o ng m p ho fw 唧k n i t t i n gm a c h i n es i n k e r 3 0 0 a2 0 0 1 0 0 O 位移曲线 x 轴位移y 轴位移 8 0 6 0 昌 童4 0 q h 2 0 O 3 0 0 g2 0 0 董 b 。1 0 0 O2 0 04 0 0O2 0 04 0 002 0 04 0 0 ( 。)叫( 。)( 。) ( a ) 位移曲线 x 轴速度 ，2 0 0 0 ；1o o o 喜 。 一10 0 0 O2 0 04 0 0 ( 。) ( b ) 速度曲线 x 轴加速度 ( 。) ( c )

20、 加速度曲线 一6 巳4 l 2 20 己一2 手_ 4 y 轴速度 O2 0 04 0 0 ( 。) y 轴加速度 02 0 04 0 0 ( 。) 图4 经编机沉降片点5 的运动信息 F i g 4 硒n e t i ci I 南硼a l i o no fp o i n t5o fw a r pk n i t t i n g m c K n e8 i n k e r ( a ) D i s p l a c e m e n tc u w e ； ( b ) V e l o c i t yc u r v e ；( c ) A c c e l e m t i o nc u e 万方数据 PDF

21、Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第8 期石全伟等：基于M a t I J a b 的纺机常用机构的计算机辅助分析与仿真 1 0 5 该系统对部分纺织机械常用机构的分析与仿真 具有通用性，如将丝织机打纬机构和槽针经编机的 针床、梳节传动机构的结点基本信息数据库和约束 关系数据库输入系统，可得其动态仿真图形，见 图5 、6 。 一】o oOl o o2 0 03 0 0 4 0 0 x | H 吼 图5 丝织机打纬机构的仿真图形 F i g 5 S i m u l a

22、t i o ng m p h0 fs i l kl o o mb e 砒一u pm e c h a n i s m 6结语 依据平面连杆机构的基本组成原理和拓扑学知 识，针对纺织机械机构建立其邻接矩阵，通过求解未 知点，分离出未知点的级可求解基本杆组和可求 单个构件，实现对部分纺织机械机构的计算机辅助 分析和动态仿真。 图6 槽针经编机的针床、梳节传动机构的仿真图形 F i g - 6 s i m u l a t i o ng r a p ho fg m o v e dn e e d l ew a r pk n i t t i n g m a c h i n en e e d l eb e d

23、 a n dh a c k l i n gd r i v em e c h a n i s m 就本文所述系统的功能来讲，还有待进一步完 善，但对于纺织机械计算机辅助分析与设计系统的 建立，也是一种有益的探索与实践。瀚 参考文献： 1 王浩程六连杆打纬机构的M A P L E 动态设计及分 析 J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 6 ) ：3 2 3 5 2 李连江平面连杆机构的计算机辅助分析与仿真 J 机械工程师，2 0 0 4 ( 1 0 ) ：3 2 3 3 3 华大年，唐之伟机构分析与设计 M 北京：纺织工 业出版社1 9 8 5 ：5 4 张志涌精通M A T I A B6

24、M 5 版北京：北京航空航 天大学出版社，2 0 0 3 ：3 。“_ - “- _ _ | _ m I i | _ _ H l 1 n | - “ I _ 一- H | | l _ _ ”1 I 。l ( 上接第9 9 页) 2 ) 起毛机构的等效转动惯量对整机的振动和 正常运行车速有明显的影响，起毛机构的等效转动 惯量越小越好。 3 ) 凸轮机构的压力角对整机的动力传递有明 显影响。凸轮摆臂动程越小，凸轮机构的压力角也 越小，K 值也越小。2 种起毛机构从等效力的观点 来看，经纱张力与布面张力对主传动的等效力是没 变化，但由于起毛机构2 的惯性力减少了，K 值也减 少了，起毛系统惯性力造成

25、的阻力就明显减少了。 4 ) 经纱张力和布面张力对起毛机构的作用有 部分抵消，但未能完全抵消，有待进一步优化。 5 ) 右侧起毛机构受力较大，凸轮摆臂上弹簧压力 需调大一些，并且随经纱张力的增大而增大。左侧起 毛机构受力相对小一些，凸轮摆臂上的弹簧力可以适 当小一些，并可以随经纱张力的增大而减小。濑 参考文献： 1 周香琴设计引纬曲线的一种简便方法 J 纺织学 报，2 0 0 0 ，2 1 ( 1 ) ：3 l 一3 3 ，2 0 2 周香琴计算机辅助共轭凸轮机构公差分析 J 机 电工程，1 9 9 7 ，1 4 ( 5 ) ：6 8 0 2 ， 一 之 q 4 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark