邱海飞 陈铭

摘要：文章针对以往凸轮开口的形式限制和性能缺陷，在结构创新、理论分析和实验验证基础上，设计开发了一种采用双轴驱动的积极式共轭凸轮开口系统。利用matlab构建基于余弦加速运动规律的凸轮理论廓线，通过三维cad建模和虚拟装配建立功能型数字样机。motion仿真结果显示：开口运行状态与凸轮理论廓线分段特征相匹配，摆杆和综框的运动学曲线符合余弦加速运动规律设计预期。不同转速下的比例模型测试实验表明：在凸轮提综和回综过程中，综框升降平稳、机构运行可靠，且纱线形变和梭口特征明显，具有良好的开口工作效能。验证了设计方案的理论正确性与实践可行性，为织机凸轮开口系统的设计创新提供了有力借鉴。

关键词：织机;凸轮;综框;开口系统;理论廓线;压力角;仿真设计;matlab

中图分类号：ts103.1;th122文献标志码：a文章编号： 10017003（2022）06006606

引用页码： 061109

doi： 10.3969/j.issn.1001-7003.2022.06.009（篇序）

基金项目： 陕西省教育厅科研计划资助项目（15jk2177）;西京学院高层次人才专项基金资助项目（xj20b09）;西京学院横向课题资助项目（2019610002001915）

作者简介：邱海飞（1983），男，副教授，主要从事机械系统动态设计、机电产品数字化设计研发。

凸轮开口是一种常见的开口形式，根据回综方式的不同，可将其分为积极式和消极式两种，目前已被广泛应用于现代高速织机[1]。相对于消极式凸轮开口系统，以共轭凸轮为主导的积极式开口无需吊综装置，可在很大程度上提升综框运动的稳定性，具有传动精度高、振动噪声小等诸多优点[2]。

传统的共轭凸轮开口基本都采用同轴安装方式，即需要在同一转轴上安装多对主、副凸轮，同时要求主、副凸轮与滚子之间必须始终保持接触，这种同轴布局不仅在设计制造精度方面具有严格要求，而且在很大程度上限制了凸轮与滚子的接触宽度，不利于减小凸轮的磨损和挤压应力[3]。本文通过对同轴共轭凸轮的结构改造和等价转化，实现了一种新型共轭凸轮开口系统的仿真设计和实验验证，对于改善凸轮开口系统的工作性能及承载条件具有重要研究意义。

1 凸轮开口系统构成

共轭凸轮开口利用双凸轮锁合来积极地控制综框升降运动。为了便于检修与维护，共轭凸轮机构一般都安装于织机外侧[4]，为采用双轴驱动的外置式共轭凸轮开口系统，主要由凸轮、滚子、综框和一系列平面杆组构成，如图1所示。其中，凸轮1和凸轮2具有相同的理论廓线，且在传动过程中满足同速、同向条件。当凸轮1和凸轮2以角速度ω进行逆时针回转时，动力通过滚子传递至摆杆使其作往复摆动，进而驱动连杆和横杆作平面运动，与此同时，綜框在二臂杆和拉杆作用下以速度v作竖直往复运动。实际当中，为保证开口系统正常运行，还需对综框添置导板或中间滑轨支撑，以避免综框出现过大振动或侧向挤压等不利现象。

由于凸轮和滚子被布置在同一平面内，因此，相对于以往同轴共轭凸轮开口，这种双轴构造形式可使凸轮与滚子的厚度得到明显增大。假设同轴共轭凸轮开口中单个凸轮的厚度为d，则整个凸轮机构的厚度为2d，如果将其等价转化为双轴共轭凸轮后，当单个凸轮的设计厚度增大至1.5d时，至少可节省0.5d的厚度空间。同时还能有效减小凸轮与滚子之间的接触磨损及挤压应力[5]，有利于延长开口凸轮的工作寿命。

2 共轭凸轮设计

2.1 综框运动规律

现代高速织机对于综框的结构性能具有严苛要求。在实际织造生产工况下，为减轻织机系统的振动噪声，综框多采用简谐运动规律[6]。在此，将余弦加速运动规律应用于共轭凸轮从动件设计，如式（1）（2）所示，分别为摆杆的推程和回程运动方程。

β1=βm21-cosπδ0δ??? （1）

β2=βm21+cosπδ′0δ??? （2）

式中：β1为摆杆推程角位移;β2为摆杆回程角位移;βm为摆杆角动程;δ为凸轮轴转角;δ0为推程角;δ′0为回程角。

2.2 理论廓线构建

从动件运动规律取决于凸轮的轮廓曲线，因此，可通过设计凸轮理论廓线来实现综框预定运动规律。根据摆动滚子从动件凸轮机构功能原理可知，在凸轮轴转动过程中，滚子中心始终位于凸轮理论廓线之上[7]，所以当凸轮轴转过一个角度Δδ时，假设与之对应的摆杆转角为Δβ，则此时凸轮理论廓线方程如式（3）（4）所示。

x=asin（Δδ）-lsin（θ+Δβ+Δδ）??? （3）

y=acos（Δδ）-lcos（θ+Δβ+Δδ）??? （4）

式中：x、y为凸轮理论廓线上任意一点的平面笛卡尔坐标;a为摆杆支撑点至凸轮1旋转中心距离;θ为凸轮1连心线与摆杆夹;l为摆杆长度。

平纹组织由经纱和纬纱一上一下相间交织而成，其经点点数与纬点点数相同，是最简单的一种织物组织。在平纹织物的一个织造循环过程中，凸轮轴转动一周，筘座执行两次打纬运动，即每个开口循环织入两纬纬纱。根据平纹织物织造工艺设计凸轮理论廓线，假设凸轮轴转动一周，与之对应的摆杆角动程βm为20°。在梭口形成过程中，令凸轮轴的推程转角等于回程转角，即δ0=δ′0=115°;令凸轮轴的远休角等于近休角，即凸轮轴的静止转角均为65°。edc8aa3d-e5ca-4db1-87d6-894b8dbf3e51

将钢筘置于前死心位置，以开口满开状态为推程起始点，当凸轮轴转过115°时，综框运动至上下极限位置处于瞬间静止（远休阶段，凸轮轴转过65°），此时钢筘完成一次打纬;紧接着当凸轮轴又转过115°回程角后，综框再次运动至开口满开位置（近休阶段，凸轮轴转过65°），此时钢筘完成第二次打纬。

根据文献[3]，本文以凸轮从动件运动规律和理论廓线方程为参考，当l为72 mm、a为108 mm、θ为39.8°时，利用matlab开发编写凸轮理论廓线设计程序，构建如图2所示二维笛卡尔坐标系（x，y）下的凸轮理论轮廓曲线。在此基础上，通过solidworks软件接口程序转化理论廓线坐标数据，建立三维笛卡尔坐标系（x，y，z）下的凸轮cad几何模型，如图3所示。其中，凸轮实际轮廓线是由理论廓线按照等距偏移形成的封闭曲线，具体偏移量取决于滚子半径[8]。由matlab程序运行结果可知，凸轮理论廓线的最小曲率半径ρmin为70 mm，为避免凸轮与滚子之间产生较大接触应力，应使滚子半径r小于ρmin，即r