精梳機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

劉金儒，李新榮，原建國，馬千里

(1.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3.河南昊昌精梳機(jī)械股份有限公司，河南 開封 475500)

0 引言

紡織工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中重要的產(chǎn)業(yè)力量，在服務(wù)國家戰(zhàn)略大局中發(fā)揮著越來越重要的作用，為了推動(dòng)紡織行業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)紡織強(qiáng)國的目標(biāo)，必須把技術(shù)創(chuàng)新作為未來工作的重心。精梳機(jī)是紡紗的重要設(shè)備，其性能影響粗紗和細(xì)紗的質(zhì)量。鉗板、錫林、分離羅拉的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是精梳機(jī)的3個(gè)核心機(jī)構(gòu)。

鉗板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了從下支點(diǎn)式到上支點(diǎn)式再到中支點(diǎn)式的演變，錫林驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了從恒速錫林到變速錫林的發(fā)展，目前這兩個(gè)機(jī)構(gòu)均比較完善。關(guān)于分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究，主要是對(duì)傳統(tǒng)的多連桿與差動(dòng)輪系相結(jié)合、凸輪與差動(dòng)輪系相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行連桿或凸輪參數(shù)、差動(dòng)輪系齒數(shù)配比等方面進(jìn)行優(yōu)化，而運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)大、缺少柔性的問題還未徹底解決。此外，也有研究提出混合驅(qū)動(dòng)的分離羅拉機(jī)構(gòu)，使分離羅拉具有柔性，且有利于精梳機(jī)速度進(jìn)一步提高，但目前還不夠成熟?；诖?，筆者就國內(nèi)外對(duì)精梳機(jī)核心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究以及精梳機(jī)鉗板、錫林驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式變化進(jìn)行梳理，重點(diǎn)對(duì)4種分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出未來分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可能的發(fā)展方向，以期推動(dòng)精梳機(jī)向數(shù)字化、高速化、智能化方向發(fā)展。

1 精梳機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展

在紡紗過程中，精梳機(jī)有排除短纖維、清除纖維中的雜質(zhì)和疵點(diǎn)、改善纖維伸直度和平行度的作用。通過鉗板、錫林、分離羅拉等機(jī)構(gòu)的相互配合，完成棉層的喂入、握持、輸送、梳理與分離接合。

1.1 鉗板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

鉗板機(jī)構(gòu)的作用是握持棉層的尾端讓錫林梳理，并將梳理好的棉層輸送到分離鉗口以供分離羅拉進(jìn)行分離接合。鉗板支撐方式有下支點(diǎn)式、上支點(diǎn)式和中支點(diǎn)式3種。

1.1.1 下支點(diǎn)式

國產(chǎn)A201型精梳機(jī)采用下支點(diǎn)支撐方式，即鉗板的支撐點(diǎn)在錫林下方。如圖1所示，鉗板擺動(dòng)機(jī)構(gòu)是由鉗板擺軸通過擺臂、連桿、鉗板擺架組成的四桿機(jī)構(gòu)，使鉗板以E點(diǎn)為支點(diǎn)擺動(dòng)。鉗板擺軸通過擺臂帶動(dòng)豎桿上升或者下降，使上鉗板臂轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而使鉗板開啟和閉合。

1—鉗板擺軸；2—擺臂；3—豎桿；4—連桿；5—上鉗板臂；6—上鉗板；7—下鉗板；8—鉗板擺架。

下支點(diǎn)式鉗板機(jī)構(gòu)的錫林和鉗板不在一個(gè)回轉(zhuǎn)中心，因此梳理過程中的梳理隔距變化較大，導(dǎo)致錫林梳理效果較差。

1.1.2 上支點(diǎn)式

20世紀(jì)90年代初期研發(fā)的FA251型精梳機(jī)，采用上支點(diǎn)式鉗板機(jī)構(gòu)。如圖2所示，鉗板擺動(dòng)機(jī)構(gòu)是由鉗板擺軸通過鉗板擺臂、連桿、吊桿組成的四桿機(jī)構(gòu)，使鉗板以H點(diǎn)為支點(diǎn)擺動(dòng)。鉗板的開啟和閉合，由E點(diǎn)的擺動(dòng)以及擺動(dòng)總軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過C，D，E組成的準(zhǔn)搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上鉗板臂運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

1—上鉗板；2—吊桿；3—上鉗板臂；4—鉗板擺臂；5—鉗板擺軸；6—擺動(dòng)總軸；7—連桿；8—下鉗板。

與下支點(diǎn)式支撐機(jī)構(gòu)相比，上支點(diǎn)式的鉗板機(jī)構(gòu)梳理隔距變化較小，梳理質(zhì)量好。

1.1.3 中支點(diǎn)式

瑞士立達(dá)公司率先研發(fā)了中支點(diǎn)式的鉗板機(jī)構(gòu)，將鉗板的支點(diǎn)設(shè)置在錫林軸中心[1]。中支點(diǎn)式的鉗板機(jī)構(gòu)由鉗板擺動(dòng)及鉗板開閉口運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉗板擺軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和張力軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。張力軸的傳動(dòng)通過安裝在鉗板擺軸上的齒輪、過橋齒輪和安裝在張力軸上的齒輪來實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，鉗板擺動(dòng)機(jī)構(gòu)是由鉗板前擺臂、鉗板座、鉗板后擺臂組成的雙搖桿機(jī)構(gòu)。鉗板前擺臂和鉗板后擺臂分別由錫林軸和鉗板擺軸驅(qū)動(dòng)；鉗板的開啟和閉合是通過下鉗板座上的鉸接點(diǎn)C、偏心輪和可壓縮彈簧桿實(shí)現(xiàn)，偏心輪由張力軸驅(qū)動(dòng)；鉗板擺軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由錫林軸、裝在錫林軸上的法蘭盤、鉸接在法蘭盤上的滑套以及滑桿組成的曲柄擺動(dòng)偏心導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。

1—錫林軸；2—鉗板前擺臂；3—張力軸；4—鉗板座；5—鉗板后擺臂；6—鉗板擺軸。

中支點(diǎn)式鉗板機(jī)構(gòu)的錫林和鉗板在同一回轉(zhuǎn)中心，梳理過程中的梳理隔距幾乎一致，梳理效果最好，現(xiàn)代新型精梳機(jī)均采用中支點(diǎn)式鉗板機(jī)構(gòu)。

一些專家學(xué)者對(duì)中支點(diǎn)式鉗板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案。任家智、郁崇文對(duì)E7/6型精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析[1]，通過對(duì)比不同長度的曲柄半徑的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)：曲柄半徑減小，鉗板的速度和加速度均減小，有利于減少鉗板慣性力、降低機(jī)器振動(dòng)和噪聲，為研究曲柄半徑對(duì)鉗板慣性力的影響提供了理論基礎(chǔ)[2]。SU等對(duì)鉗板機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，以慣性力最小為目標(biāo)函數(shù)對(duì)曲柄半徑進(jìn)行優(yōu)化[3]，得到使慣性力最小的曲柄半徑，但并未考慮工藝對(duì)曲柄半徑的要求。劉鵬展等在對(duì)鉗板機(jī)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)配重的位置和質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步降低了機(jī)構(gòu)振動(dòng)[4]。

鉗板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了下支點(diǎn)式、上支點(diǎn)式、中支點(diǎn)式的發(fā)展，其梳理隔距的變化越來越小，尤其中支點(diǎn)式的梳理隔距幾乎不變，使梳理質(zhì)量得到提高。目前，對(duì)于中支點(diǎn)式鉗板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究主要是通過優(yōu)化鉗板曲柄半徑、工藝參數(shù)等方法減小鉗板的慣性力，但并未將曲柄半徑與工藝參數(shù)同時(shí)考慮，會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化后的曲柄半徑不一定滿足工藝要求。

1.2 錫林驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.2.1 恒速錫林驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)的錫林傳動(dòng)是由主電機(jī)通過帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給副軸，副軸再由1對(duì)齒輪將動(dòng)力傳遞給錫林軸，使其做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

隨著精梳機(jī)速度不斷提高以及大齒面圓心角錫林的應(yīng)用，傳統(tǒng)錫林驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)逐步顯現(xiàn)。在精梳機(jī)速度增大后，其1個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間減小，分離接合前準(zhǔn)備時(shí)間也將相應(yīng)變小，錫林梳理完的棉層沒有足夠的抬頭時(shí)間，使鉗板握持的棉層與分離羅拉倒入機(jī)內(nèi)的棉層中部相撞，形成新的彎鉤纖維，致使新舊棉層搭接不良；大齒面圓心角錫林的應(yīng)用，易出現(xiàn)分離羅拉已經(jīng)倒入一段長度的棉層，而錫林還未通過與分離羅拉的最緊隔距點(diǎn)，導(dǎo)致出現(xiàn)錫林末排針將分離羅拉倒入機(jī)內(nèi)的棉層抓走的問題。

1.2.2 變速錫林驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

瑞士立達(dá)公司對(duì)錫林驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，用兩對(duì)橢圓齒輪對(duì)錫林軸進(jìn)行傳動(dòng)，使其做變速運(yùn)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的錫林梳理速度大，可實(shí)現(xiàn)快速梳理，縮短了梳理時(shí)間，錫林末排針能更早通過與分離羅拉的最緊隔距點(diǎn)，避免了錫林末排針將分離羅拉倒入機(jī)內(nèi)棉層抓走的問題；同時(shí)，可以把錫林梳理縮短的時(shí)間加到分離接合準(zhǔn)備階段，使得棉網(wǎng)有足夠的抬頭時(shí)間。

REN等研究橢圓齒輪橢圓率對(duì)錫林運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及工藝性能的影響，發(fā)現(xiàn)：橢圓率越大，錫林的角加速度越大，錫林梳理開始時(shí)間越早，錫林梳理時(shí)間越短，錫林末排針通過分離羅拉最緊隔距點(diǎn)時(shí)間越早[5]，即增大橢圓率有利于提高工藝性能，同時(shí)也加劇錫林振動(dòng)。因此，應(yīng)在滿足工藝要求的前提下，選擇橢圓率較小的齒輪。胡成、王生澤提出一種雙聯(lián)雙曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)錫林的變速運(yùn)動(dòng)，仿真結(jié)果顯示該機(jī)構(gòu)的輸出角速度曲線與橢圓齒輪的輸出角速度曲線基本吻合[6]。這種雙聯(lián)雙曲柄機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，連桿制造容易，解決了橢圓齒輪加工精度高、設(shè)計(jì)制造比較難的問題。

錫林經(jīng)歷了以齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒速到以橢圓齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)變速的演變。目前，對(duì)變速錫林的研究主要是進(jìn)一步平衡優(yōu)化以及對(duì)橢圓齒輪進(jìn)行改進(jìn)。其中未考慮變速錫林對(duì)纖維的損傷，這在精梳機(jī)低速時(shí)不明顯，但是隨著精梳機(jī)速度的提高，纖維的損傷不可忽略，而紡紗器材、工藝對(duì)纖維的影響是在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的首要問題。因此，可以重新設(shè)計(jì)錫林的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使其在梳理階段做減速運(yùn)動(dòng)，在其他階段做加速運(yùn)動(dòng)，以有效避免錫林對(duì)纖維的損傷，且有利于精梳機(jī)速度的提高。而對(duì)于梳理完的棉層沒有足夠抬頭時(shí)間且錫林末排針把分離羅拉倒入機(jī)內(nèi)的棉層抓走的問題，可用機(jī)械方法解決。

1.3 分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

分離羅拉是精梳機(jī)的核心專件，在梳理過程中，分離羅拉先倒轉(zhuǎn)將上個(gè)工作循環(huán)留下的棉層倒入機(jī)內(nèi)與鉗板送來的新棉層接合，然后正轉(zhuǎn)將分離鉗口握持的纖維從須叢中分離出來，最后進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)。目前，分離羅拉驅(qū)動(dòng)方式有4種：多連桿與差動(dòng)輪系相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪與差動(dòng)輪系相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)以及混合驅(qū)動(dòng)。

1.3.1 多連桿與差動(dòng)輪系相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

20世紀(jì)70年代，瑞士立達(dá)公司研制的E7/4型精梳機(jī)，其分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用多連桿與差動(dòng)輪系相結(jié)合的形式[7]。如圖4所示，錫林軸經(jīng)過15齒齒輪、34齒齒輪、30齒齒輪向差動(dòng)臂輸入勻速運(yùn)動(dòng)；AD桿的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過連桿ADCB、連桿BGFE、連桿EFIHJ將運(yùn)動(dòng)傳遞給桿HJ，使其做變速運(yùn)動(dòng)，桿HJ與33齒齒輪固結(jié)，向中心輪輸入變速運(yùn)動(dòng)；33齒中心輪輸入的變速運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)臂輸入的勻速運(yùn)動(dòng)經(jīng)過輪系合成之后由25齒中心輪輸出變速運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)過92齒齒輪、52齒齒輪、30齒齒輪使得分離羅拉實(shí)現(xiàn)“倒轉(zhuǎn)—順轉(zhuǎn)—靜止”。

圖4 E7/4型精梳機(jī)分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

隨后，瑞士立達(dá)公司研發(fā)了E7/5型精梳機(jī)。如圖5所示，E7/5型精梳機(jī)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多連桿部分桿FGI的形狀改變，差動(dòng)輪系差動(dòng)臂由15齒齒輪經(jīng)56齒過橋齒輪輸入，25齒中心輪為雙聯(lián)齒輪，可直接將輸出的變速運(yùn)動(dòng)傳遞給28齒齒輪，簡化了傳動(dòng)鏈。

圖5 E7/5型精梳機(jī)分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

之后，多連桿與差動(dòng)輪系相結(jié)合的分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均是在E7/5型精梳機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)。如E62型精梳機(jī)將太陽輪減少1個(gè)齒、行星輪增加1個(gè)齒，使棉層有效輸出長度縮短，提高了精梳條質(zhì)量；改變了連桿尺寸，使分離工作長度不隨有效輸出長度縮短而縮短，提高了新舊棉層的接合率。李留濤等在對(duì)多連桿與差動(dòng)輪系相結(jié)合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，利用添加配重的方法對(duì)分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡優(yōu)化，減小了機(jī)構(gòu)振動(dòng)[8]。

連桿機(jī)構(gòu)與差動(dòng)輪系相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡單、連桿制造容易，但是傳動(dòng)鏈長、沖擊振動(dòng)較大，且只能通過更換不同尺寸的連桿的方法來滿足不同工藝要求。目前，這類機(jī)構(gòu)的改進(jìn)主要是優(yōu)化齒輪齒數(shù)配比和連桿尺寸以提高精梳質(zhì)量，優(yōu)化齒輪和配重來減小機(jī)構(gòu)振動(dòng)。

1.3.2 凸輪與差動(dòng)輪系相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

意大利馬佐里公司PX2型精梳機(jī)的分離羅拉采用凸輪與差動(dòng)輪系相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其與立達(dá)E7/4型精梳機(jī)采用相同的外差動(dòng)輪系作為運(yùn)動(dòng)合成機(jī)構(gòu)，將中心輪輸入的變速運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)臂輸入的勻速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成后，通過另外一個(gè)中心輪輸出；不同的是，PX2型精梳機(jī)的變速運(yùn)動(dòng)不是由多連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而是用共軛凸輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。如圖6所示，錫林軸帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾子使桿ECF繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過四桿機(jī)構(gòu)DCBA使桿AB做變速運(yùn)動(dòng)，桿AB與差動(dòng)輪系的中心輪固結(jié)，向差動(dòng)輪系輸入變速運(yùn)動(dòng)。

圖6 PX2型精梳機(jī)分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

徐效麗等人提出用六桿機(jī)構(gòu)代替共軛凸輪機(jī)構(gòu)，并以分離羅拉輸出位移偏差最小作為目標(biāo)函數(shù)對(duì)六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：優(yōu)化之后的六桿機(jī)構(gòu)與差動(dòng)輪系相結(jié)合輸出的分離羅拉位移曲線可以滿足工藝要求[9]。該方法很好地解決了凸輪機(jī)構(gòu)精度要求高、制造困難的問題，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

凸輪與差動(dòng)輪系相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，相對(duì)連桿機(jī)構(gòu)與差動(dòng)輪系相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式，振動(dòng)和沖擊小，但是凸輪精度要求高，設(shè)計(jì)制造比較困難，而且隨著車速的提高，精梳機(jī)中相關(guān)的構(gòu)件沖擊較大，凸輪機(jī)構(gòu)容易磨損；要保證分離羅拉的運(yùn)動(dòng)滿足其他的工藝只能改變凸輪廓線，成本較大。

1.3.3 伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2012年中國國際紡織機(jī)械展覽會(huì)暨ITMA亞洲展覽會(huì)上，展出的豐田—特呂茨勒TCO12型精梳機(jī)的分離羅拉驅(qū)動(dòng)裝置摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用4個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)分離羅拉，如圖7所示。

圖7 伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)分離羅拉

伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)分離羅拉的方式，克服了傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈長以及振動(dòng)沖擊大的缺點(diǎn)，通過對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行調(diào)整，可以方便地使分離羅拉的運(yùn)動(dòng)滿足不同的工藝要求。但是，分離羅拉高速的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)伺服電機(jī)的要求很高，且保證4個(gè)伺服電機(jī)的同步運(yùn)行也是難題，目前的伺服電機(jī)很難滿足要求。

1.3.4 混合驅(qū)動(dòng)分離羅拉的機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)的多連桿與差動(dòng)輪系相結(jié)合、凸輪與差動(dòng)輪系相結(jié)合的分離羅拉驅(qū)動(dòng)方式，沖擊振動(dòng)大，速度很難進(jìn)一步提升；隨著小批量、定制化產(chǎn)品的逐步發(fā)展，生產(chǎn)過程中需要經(jīng)常更換纖維品種，要求驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以改變運(yùn)動(dòng)參數(shù)以適應(yīng)不同的工藝要求，而機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需通過停車更換齒輪、連桿等構(gòu)件的方法才能應(yīng)對(duì)不同品種需求，效率低、成本高。由于分離羅拉的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜且速度高，因而伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)伺服電機(jī)、伺服控制系統(tǒng)的要求比較高，實(shí)現(xiàn)起來也較為困難。因此，一些專家學(xué)者開始研究將混合驅(qū)動(dòng)理論應(yīng)用到分離羅拉驅(qū)動(dòng)中，提出用2臺(tái)伺服電機(jī)通過二自由度的差動(dòng)輪系進(jìn)行合成來傳動(dòng)分離羅拉，既可以使分離羅拉的運(yùn)動(dòng)具有柔性又能降低對(duì)伺服電機(jī)的要求。

1.3.4.1 混合驅(qū)動(dòng)分離羅拉機(jī)構(gòu)的研究

劉立東等提出偏列型和并列型兩種混合驅(qū)動(dòng)概念[10]：偏列型如圖8a)所示，用1臺(tái)普通電機(jī)和1臺(tái)伺服電機(jī)作為輸入驅(qū)動(dòng)，用差動(dòng)輪系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合成來驅(qū)動(dòng)分離羅拉；并列型如圖8b)所示，用2臺(tái)伺服電機(jī)作為輸入驅(qū)動(dòng)，用差動(dòng)輪系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合成來驅(qū)動(dòng)分離羅拉。

a) 偏列型

通過2種方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)并列型的伺服電機(jī)最大加速度比偏列型的伺服電機(jī)最大加速度小，對(duì)伺服電機(jī)的要求低。

楊海鵬等對(duì)雙伺服驅(qū)動(dòng)分離羅拉的方案進(jìn)行研究，通過優(yōu)化計(jì)算分離羅拉運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及合理分配伺服電機(jī)的輸入規(guī)律，可以減小伺服電機(jī)的最大角加速度，降低對(duì)伺服電機(jī)的要求[11]，但未深入研究差動(dòng)輪系的形式和齒輪參數(shù)對(duì)合成結(jié)果的影響。

混合驅(qū)動(dòng)分離羅拉機(jī)構(gòu)克服了機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)，既具有柔性又降低對(duì)伺服電機(jī)的要求，但目前的應(yīng)用還不成熟，需進(jìn)一步進(jìn)行研究。

1.3.4.2 混合驅(qū)動(dòng)理論的研究

混合驅(qū)動(dòng)的概念在20世紀(jì)90年代初由英國利物浦科技大學(xué)的Jones和Tokuz最早提出，是指用二自由度運(yùn)動(dòng)合成裝置將1臺(tái)普通電機(jī)和1臺(tái)伺服電機(jī)輸入的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成并輸出。其中，普通電機(jī)提供主要運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，通過改變伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以使輸出運(yùn)動(dòng)具有柔性。而很多機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)需要具有柔性且能根據(jù)不同的工藝要求改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用前景廣泛。目前，對(duì)于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究主要有機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究、控制方法研究等。

優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在建立目標(biāo)函數(shù)、約束條件的基礎(chǔ)上，求得最優(yōu)解，如何建立優(yōu)化模型和快速、準(zhǔn)確地求解是混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化的主要問題。

李輝等對(duì)五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了2步優(yōu)化設(shè)計(jì)[12]：第1步，假設(shè)伺服電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)，以滑塊實(shí)際位置和理想位置誤差以及桿長進(jìn)行加權(quán)求和作為目標(biāo)函數(shù)對(duì)五桿機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；第2步，以滑塊實(shí)際位置和理想位置誤差為目標(biāo)函數(shù)對(duì)伺服電機(jī)輸入規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化。WU等提出了考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)和固有頻率的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定了連桿長度等參數(shù)的取值范圍，然后考慮固有頻率得到參數(shù)的最優(yōu)值[13]。賀利樂等在對(duì)二自由度五桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)逆問題分析的基礎(chǔ)上，采用以輔助驅(qū)動(dòng)功率最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化之后機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性較好[14]。這些均考慮了運(yùn)動(dòng)學(xué)或者動(dòng)力學(xué)1個(gè)方面的因素，得到了滿足1個(gè)特定目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，并未從多方面進(jìn)行分析。LIU等提出了1種確定PRRRP并聯(lián)機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法基于所涉及的幾何參數(shù)構(gòu)造1個(gè)能體現(xiàn)所有基本相似機(jī)制的幾何設(shè)計(jì)空間，繪制所需指標(biāo)的圖表，然后通過圖表確定1個(gè)最佳區(qū)域，從而選出最優(yōu)解[15]。與常規(guī)的設(shè)計(jì)方法相比，該方法可考慮多目標(biāo)函數(shù)或多標(biāo)準(zhǔn)，并保證結(jié)果的最優(yōu)性。張珂提出用加權(quán)因子法將輸出運(yùn)動(dòng)的類速度與主運(yùn)動(dòng)單獨(dú)引起的輸出運(yùn)動(dòng)類速度之間的最大平方差最小、輔助驅(qū)動(dòng)最大瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)功率最小、輔助運(yùn)動(dòng)速度的最大值最小等子目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行合成之后作為目標(biāo)函數(shù)，并用混沌優(yōu)化算法對(duì)混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明多目標(biāo)優(yōu)化可以得到較好的綜合性能[16]。

僅僅單純考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)可以獲得單方面的最佳性能，而綜合考慮多種因素的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使機(jī)構(gòu)具有最佳的綜合性能?，F(xiàn)有的混合驅(qū)動(dòng)樣機(jī)研究通常采用2臺(tái)伺服電機(jī)，其中1臺(tái)通過規(guī)定勻速軌跡來“模擬”普通電機(jī)。這就偏離了普通電機(jī)的實(shí)際情況，由于普通電機(jī)缺少控制機(jī)構(gòu)，其帶來的速度波動(dòng)無法被普通電機(jī)本身衰減，并且會(huì)傳遞給伺服電機(jī)，進(jìn)而會(huì)影響混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出效果。因此，需要對(duì)混合驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行研究。

STRAETE等采用差動(dòng)輪系作為混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)1個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)，利用PD控制策略使伺服電機(jī)可以較好地調(diào)整運(yùn)行軌跡[17]。DUIGER等采用PID控制對(duì)二自由度七桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置控制，效果較好[18]。OUYANG等提出了1種基于滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的控制器，可以使得系統(tǒng)沿著規(guī)定的軌跡運(yùn)動(dòng)[19]，該方法控制算法簡單，但由于滑?？刂票举|(zhì)是非線性控制，會(huì)導(dǎo)致被控對(duì)象在滑模面兩側(cè)來回移動(dòng)，從而產(chǎn)生抖振。ZI等研究了五桿機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制，用上一次實(shí)際輸出和理想輸出的偏差對(duì)下一次的控制信號(hào)進(jìn)行修正，經(jīng)過多次迭代學(xué)習(xí)使得輸出規(guī)律完全符合要求[20]，該方法控制效果好，但是比較復(fù)雜，需要性能較好的控制硬件來支撐大量的運(yùn)算。

常用的混合驅(qū)動(dòng)控制主要有滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)迭代控制、PID控制等，滑模變結(jié)構(gòu)控制算法簡單、抗干擾能力強(qiáng)，但是會(huì)產(chǎn)生抖振，影響輸出的準(zhǔn)確性；自適應(yīng)迭代控制的控制效果好，但是需要大量的運(yùn)算，對(duì)硬件要求高；PID控制結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)便于調(diào)整，在工程中應(yīng)用廣泛。

從以上敘述可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制的方法有很多，可以在這些方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究改進(jìn)，尋求最適合分離羅拉混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的方法。

2 總結(jié)

鉗板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了下支點(diǎn)式到上支點(diǎn)式再到中支點(diǎn)式的變化，其梳理隔距從變化很大到幾乎不變，梳理效果也越來越好，目前的研究主要是優(yōu)化鉗板曲柄半徑和工藝參數(shù)。

錫林經(jīng)歷了以齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒速到以橢圓齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)變速的演變，變速錫林巧妙地解決了恒速錫林棉層抬頭時(shí)間不足等問題，目前的研究主要是對(duì)平衡錫林慣性力以及對(duì)橢圓齒輪進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)于分離羅拉的驅(qū)動(dòng)，目前有傳統(tǒng)的多連桿與差動(dòng)輪系相結(jié)合、凸輪與差動(dòng)輪系相結(jié)合、伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式以及混合驅(qū)動(dòng)的方式。傳統(tǒng)的多連桿與差動(dòng)輪系相結(jié)合、凸輪與差動(dòng)輪系相結(jié)合的分離羅拉驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械振動(dòng)大，速度越高振動(dòng)越大，并且很難根據(jù)不同的工藝要求改變機(jī)構(gòu)參數(shù)；伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)分離羅拉的方式雖然具有柔性，但是對(duì)于伺服電機(jī)的要求高、成本較大；混合驅(qū)動(dòng)分離羅拉的方式既使機(jī)構(gòu)具有柔性，又能有效地避免對(duì)伺服電機(jī)要求很高的問題，是以后分離羅拉驅(qū)動(dòng)發(fā)展的方向。

3 分離羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究方向

3.1優(yōu)化伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。合理選擇伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，保證合成之后既可以滿足分離羅拉運(yùn)動(dòng)的要求，又可以減小伺服電機(jī)的加速度，降低對(duì)伺服電機(jī)的要求。

3.2設(shè)計(jì)差動(dòng)輪系。研究不同形式的差動(dòng)輪系和不同輸入、輸出的組合方式對(duì)合成結(jié)果的影響，選擇最合適的差動(dòng)輪系形式和輸入、輸出方式，并對(duì)輪系的齒輪齒數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)以保證機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3研究伺服控制系統(tǒng)。提高伺服控制系統(tǒng)的精度、快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性，保證2臺(tái)伺服電機(jī)運(yùn)行的同步性以及伺服電機(jī)運(yùn)行規(guī)律的準(zhǔn)確性。

3.4建立1個(gè)工藝要求與伺服電機(jī)規(guī)律一一對(duì)應(yīng)的“專家”系統(tǒng)。在輸入不同工藝要求后，使伺服電機(jī)按照相應(yīng)的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使分離羅拉的運(yùn)動(dòng)滿足工藝要求。

3.5研究其他二自由度機(jī)構(gòu)如五桿機(jī)構(gòu)、七桿機(jī)構(gòu)等是否適合分離羅拉的驅(qū)動(dòng)。