CN103409858B - 基于分时单向混合驱动的棉精梳机分离罗拉可控驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分时单向混合驱动的棉精梳机分离罗拉可控驱动方法，它包括以下步骤：(1)采用两台伺服电机分别对差动轮系进行分时单向混合驱动，通过差动轮系将两台伺服电机的旋转运动进行合成；(2)将混合驱动输出给两个分离罗拉。本发明的有益效果是：通过试验证明采用分时单向混合驱动的可控机构驱动棉精梳机分离罗拉改善分离罗拉运动特性、提高分离罗拉的运动速度的方法是可行的、有效的，当前机械传动的分离罗拉速度最高位600钳次/分，伺服驱动的为500钳次/分，本专利的驱动在实验平台上可达到800钳次/分。

Description

基于分时单向混合驱动的棉精梳机分离罗拉可控驱动方法

技术领域

本发明涉及一种分时单向混合的可控驱动机构，尤其是棉精梳机分离罗拉的分时单向混合可控驱动方法。

背景技术

棉精梳机分离罗拉高速往复运动是影响棉精梳机车速进一步提高的主要原因，并且棉精梳机分离罗拉的运动状态对棉精梳条的质量影响很大，见任家智,郁崇文.E62型精梳分离罗拉运动运动特性分析[J].纺织学报,2004,(4):32-34。当前棉精梳机分离罗拉高速、可控驱动机构主要有三种驱动形式:(1)伺服电机直接驱动分离罗拉，见：上海一纺机械有限公司申请的发明名称为“一种棉精梳机分离罗拉的传动结构”,专利号为03230334.3的中国专利以及昆山凯宫机型有限公司申请的发明名称为“精梳机分离罗拉的驱动方法”专利号为200620078372.7的中国专利，该两项专利的工作原理是用软件编程的方法控制伺服电机对分离罗拉进行类似于机械组件轨迹的运动,并且同时实现对主传动的准确跟踪。该驱动机构从理论上满足分离罗拉高速时的工艺要求，但由于该系统受到伺服电机功率、扭矩、正反转响应时间的限制，当前还无法直接应用到分离罗拉的驱动。(2)双伺服电机直接驱动分离罗拉，见上海纺机总厂申请的发明名称为“伺服电机驱动精梳机后分离罗拉机构”,专利申请号为200610118205.5的中国专利；上海纺机总厂申请的发明名称为“伺服电机驱动分段式精梳机后分离罗拉机构”，专利申请号为200610118206.x的中国专利；上海一纺机械有限公司申请的发明名称为“一种增强精梳机分离罗拉伺服电机传动功率的结构”，专利申请号为200520045730.x的中国专利，上述专利的工作原理与单伺服电机驱动一致，只是在传动方式上进行改进，同样当前还无法直接应用到分离罗拉的驱动。(3)双伺服电机加差动轮系混合输入，见上海一纺机械有限公司申请的发明名称为“一种精梳机分离罗拉伺服电机传动改良结构”，专利申请号为200920071058.x的中国专利，该专利驱动系统是双伺服电机的输出通过两自由度的差动轮系生成可编程的输出运动，该专利系统只是通过差动轮系将两伺服电机功率合成，并没有解决伺服电机正反转响应对时间的限制。

由棉精梳工艺可知棉精梳机分离罗拉为降-升-停的运动规律，如图1，首先分离罗拉倒转，倒转位移量为S_d；然后开始正转，正转位移量为S_z；最后分离罗拉静止一段时间，完成分离罗拉一个运动周期。图中F为分度值；S为运动距离，F_d,为分离罗拉后退分度值，F_j,为分离罗拉前进分度值，F_0,为分离罗拉静止分度值。

如图2，棉精梳机分离罗拉在一个运动周期内实现启动——倒转加速——倒转减速——瞬间停止——正转加速——正转减速——停止一段时间。图中F为分度值；n为分离罗拉转速。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种降低对伺服电机正反转响应时间的要求，提高棉精梳机分离罗拉往复运动速度、并且满足精梳高速时的工艺要求，从而提高棉精梳机车速及精梳条质量的基于分时单向混合驱动的棉精梳机分离罗拉可控驱动方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于分时单向混合驱动的棉精梳机分离罗拉可控驱动方法，它包括以下步骤：

(1)采用两台伺服电机分别对差动轮系进行分时单向混合驱动，通过差动轮系将两台伺服电机的旋转运动进行合成，其中分时单向驱动过程为：第一伺服电机分时单向驱动依次按照启动、倒转加速、倒转减速、匀速倒转的顺序进行，第二伺服电机的分时单向驱动过程为：当第一伺服电机分时单向驱动为启动、倒转加速和倒转减速时，第二伺服电机的分时单向驱动为匀速正转并且第一伺服电机输出转速大于第二伺服电机的输出转速；当第一伺服电机分时单向驱动为匀速倒转时，第二伺服电机的分时单向驱动按照正转加速、正转减速的顺序进行并且第二伺服电机输出转速大于第一伺服电机的输出转速；当第一、二伺服电机的单向驱动均为匀速时，第一、二伺服电机的转速分别与对应的驱动因数的乘积值相同，方向相反，驱动因数的乘积值的计算公式为0＝i₁n₁+i₂n₂，式中n₁为第一伺服电机输入转速，n₂为第二伺服电机输入转速，i₁为第一伺服电机的驱动因数、i₂为第二伺服电机的驱动因数，式中Z₁代表主动齿轮齿数、Z₂代表行星架齿轮齿数、Z₃代表第一中心齿轮齿数、Z₄代表第一行星齿轮齿数、Z₅代表第二行星齿轮齿数、Z₆代表第二中心齿轮齿数、Z₇代表传动轮齿数、Z₈代表从动齿轮齿数；两个伺服电机的旋转运动合成的过程为：第一伺服电机的第一单向驱动依次通过第一中心齿轮、与第一中心齿轮啮合配合的至少两个第一行星齿轮、与第一行星齿轮通过中心连接轴平行间隔固定相连的第二行星齿轮进行第一运动输出；第二伺服电机的第二单向驱动依次通过主动齿轮、与主动齿轮啮合配合的行星架齿轮、与第一行星齿轮通过中心连接轴平行间隔固定相连的第二行星齿轮进行第二运动输出，第一伺服电机和第二伺服电机分别传递至第二行星齿轮的第一、第二运动输出由与第二行星齿轮啮合配合的第二中心齿轮混合叠加形成混合驱动输出，所述的行星架齿轮设置在第一、二行星齿轮之间，所述的中心连接轴穿过行星架齿轮并与行星架齿轮通过轴承相连；

(2)第二中心齿轮将混合驱动依次通过与第二中心齿轮固定相连的传动轮、与传动轮啮合配合的两个从动齿轮输出给两个分离罗拉，第一中心齿轮、行星架齿轮、第二中心齿轮和传动轮同中心轴线设置。

本发明的有益效果是：

(1)采用双伺服电机输入差动轮系的混合驱动形式，可避免伺服电机与普通电机通过差动轮系混合输入时伺服电机的功率较大的缺点。

(2)双伺服电机采用分时单向驱动，降低了对伺服电机正反转响应时间的要求。

(3)通过试验证明采用分时单向混合驱动的可控机构驱动棉精梳机分离罗拉改善分离罗拉运动特性、提高分离罗拉的运动速度的方法是可行的、有效的，当前机械传动的分离罗拉速度最高位600钳次/分，伺服驱动的为500钳次/分，本专利的驱动在实验平台上可达到800钳次/分。

附图说明

图1是分离罗拉运动示意图；

图2是分离罗拉转速示意图；

图3是基于本发明的基于分时单向混合驱动的棉精梳机分离罗拉可控驱动方法的双伺服电机混合驱动示意图；

图4是采用本发明方法的双伺服电机分时单向混合驱动示意图；

图5是实现本发明方法的一种实施方式的双伺服电机分时单向混合驱动机构图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明进行详细描述。

本发明方法根据分离罗拉运动规律对驱动机构的要求，提出分时单向混合驱动的棉精梳机分离罗拉可控机构(图3)，图3中1为第一伺服电机，2为第二伺服电机，3为差动轮系，该机构是在伺服电机与普通电机通过差动轮系混合输入方法研究的基础上，结合棉精梳机分离罗拉降-升-停的运动规律，采用双伺服电机分时单向输入差动轮系的混合驱动形式，避免通过差动轮系混合输入的伺服电机与普通电机，在分离罗拉停歇阶段，伺服电机的输出功率需要与常规电机的输出功率相抵消，伺服电机的功率较大的缺点，并且由于采用分时单向驱动，降低了对伺服电机正反转响应时间的要求。

基于上述原理，本发明的方法包括以下步骤：(1)采用两台伺服电机分别对差动轮系进行分时单向混合驱动，通过差动轮系将两个伺服电机的旋转运动进行合成，其中分时单向驱动过程为：第一伺服电机1分时单向驱动依次按照启动、倒转加速、倒转减速、匀速倒转的顺序进行，第二伺服电机2的分时单向驱动过程为：当第一伺服电机1分时单向驱动为启动、倒转加速和倒转减速时，第二伺服电机2的分时单向驱动为匀速正转并且第一伺服电机输出转速大于第二伺服电机2的输出转速；当第一伺服电机1分时单向驱动为匀速倒转时，第二伺服电机2的分时单向驱动按照正转加速、正转减速的顺序进行并且第二伺服电机输出转速大于第一伺服电机1的输出转速；当第一、二伺服电机的单向驱动均为匀速时，第一、二伺服电机的转速分别与对应的驱动因数的乘积值相同，方向相反，此时分离罗拉停止转动,驱动因数的乘积值的计算公式为0＝i₁n₁+i₂n₂，式中n₁为第一伺服电机输入转速，n₂为第二伺服电机输入转速，i₁为第一伺服电机的驱动因数、i₂为第二伺服电机的驱动因数，式中Z₁代表主动齿轮齿数、Z₂代表行星架齿轮齿数、Z₃代表第一中心齿轮齿数、Z₄代表第一行星齿轮齿数、Z₅代表第二行星齿轮齿数、Z₆代表第二中心齿轮齿数、Z₇代表传动轮齿数、Z₈代表从动齿轮齿数；两个伺服电机的旋转运动合成的过程为：第一伺服电机的第一单向驱动依次通过第一中心齿轮Z₃、与第一中心齿轮啮合配合的至少两个第一行星齿轮Z₄、与第一行星齿轮通过中心连接轴平行间隔固定相连的第二行星齿轮Z₅进行第一运动输出；第二伺服电机的第二单向驱动依次通过主动齿轮Z₁、与主动齿轮啮合配合的行星架齿轮Z₂、与第一行星齿轮通过中心连接轴平行间隔固定相连的第二行星齿轮Z₅进行第二运动输出，第一伺服电机和第二伺服电机分别传递至第二行星齿轮Z₅的第一、第二运动输出由与第二行星齿轮啮合配合的第二中心齿轮Z₆混合叠加形成混合驱动输出，所述的行星架齿轮设置在第一、二行星齿轮之间，所述的中心连接轴穿过行星架齿轮并与行星架齿轮通过轴承相连；(2)第二中心齿轮将混合驱动依次通过与第二中心齿轮固定相连的传动轮Z₇、与传动轮啮合配合的两个从动齿轮输出给两个分离罗拉4，第一中心齿轮、行星架齿轮、第二中心齿轮和传动轮同中心轴线设置。

所述的分时单向驱动机构的第一伺服电机1、第二伺服电机2在非变速时间段以匀速转动运动，具体速度由式0＝i₁n₁+i₂n₂决定，式中n₁为第一伺服电机输入转速，n₂为第二伺服电机输入转速，i₁为第一伺服电机1的驱动因数、i₂为第二伺服电机2的驱动因数，式中Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₅、Z₆、Z₇、Z₈代表相应齿轮的齿数，在非变速时间段采用匀速转动的优点是缩短伺服电机启动响应时间。

优选的所述的至少两个第一行星齿轮沿第一中心齿轮圆周方向均布，所述的至少两个第二行星齿轮沿第二中心齿轮圆周方向均布，优点是首先保证机构受力均匀，其次可使第一中心齿轮Z₃、与第一中心齿轮啮合配合的第一行星齿轮Z₄正反转时齿轮间隙减小或者没有；与第一行星齿轮分别固定相连的第二行星齿轮Z₅、与第二行星齿轮啮合配合的第二中心齿轮Z₆正反转时齿轮间隙减小或者没有。优选的所述的第一行星齿轮为三个，所述的第二行星齿轮为三个。优点是可使第一中心齿轮Z₃、与第一中心齿轮啮合配合的第一行星齿轮Z₄安装时其中至少一对向前接触、另外至少一对向后接触，差动轮系正反转时齿轮间隙为零；与第一行星齿轮分别固定相连的第二行星齿轮Z₅、与第二行星齿轮啮合配合的第二中心齿轮Z₆，安装时其中至少一对向前接触、另外至少一对向后接触，差动轮系正反转时齿轮间隙为零。

图4所示为本发明方法的双伺服电机分时单向混合驱动示意图，图中F为分度值；n为分离罗拉转速，I为第一伺服电机的输入混合转速；II为第二伺服电机的输入混合转速；第一伺服电机的运动为启动——倒转加速——倒转减速——匀速倒转，电机始终向一个方向运动；第二伺服电机的运动为匀速正转——正转加速——正转减速——匀速正转，电机也是始终向一个方向运动；两个伺服电机通过差动轮系合成为罗拉转动运动。

图5为实现本发明方法的一种实施方式的结构示意图，它包括第一伺服电机1和第二伺服电机2，所述的第一伺服电机的输出轴与第一中心齿轮Z₃相连，安装在行星架上的至少两个第一行星轮Z₄分别与第一中心齿轮Z₃啮合配合，第一行星齿轮Z₄各自与一个第二行星齿轮Z₅通过中心连接轴平行间隔固定相连，第一、二行星齿轮为同中心轴线设置，一个行星架齿轮Z₂设置在第一、二行星齿轮之间，所述的中心连接轴穿过行星架齿轮并与行星架齿轮通过轴承相连，所述的第二伺服电机的输出轴与主动齿轮Z₁相连，所述的主动齿轮Z₁与行星架齿轮啮合Z₂配合，在至少两个第二行星齿轮Z₅之间设置有第二中心齿轮Z₆并且第二行星齿轮Z₅与第二中心齿轮Z₆啮合配合，所述的第二中心齿轮Z₆与一个传动轮Z₇固定相连，所述的传动轮Z₇分别与两个从动齿轮Z₈啮合配合，所述的两个从动齿轮的输出轴各自与一个分离罗拉4相连，第一中心齿轮、行星架齿轮、第二中心齿轮和传动轮同中心轴线设置。

结合图4和5对本发明方法中的通过差动轮系将两个伺服电机的旋转运动进行合成即进行速度叠加进行详细说明；

采用叠加法求差动轮系输出轮的转速，可分别假设固定一输入件,当成两个行星轮系来处理。然后，根据运动合成原理，则输出转速n₄为由于第一伺服电机输入转速n₁而产生输出转速n₁₂(n₁₂为此时第二中心齿轮Z₆的转速)，与由于第二伺服电机输入转速n₂而产生的输出转速n₂₂(n₂₂为此时第二中心齿轮Z₆的转速)代数相加之结果。故可表达为：图中Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₅、Z₆、Z₇、Z₈代表齿轮以及相应齿轮的齿数。

n₄＝n₁₂+n₂₂  (1)

首先，由差动轮系得：

${i_{36}}^H=\frac{n_1-n_H}{n_4-n_H}=\frac{Z_6{Z}_4}{Z_5{Z}_3}---\left(2\right)$

n_H为行星架齿轮Z₂的转速

设n₁为0，有：

$n_H=n_2\frac{Z_1}{Z_2}---\left(3\right)$

则：

$n_{12}=n_2\frac{Z_1}{Z_2}(1-\frac{Z_5{Z}_3}{Z_6{Z}_4})---\left(4\right)$

然后，设n₂为0，则：

$n_{22}=n_1\frac{Z_5{Z}_3}{Z_6{Z}_4}---\left(5\right)$

代入公式(1)得：

$n_4=n_2\frac{Z_1}{Z_2}(1-\frac{Z_5{Z}_3}{Z_6{Z}_4})+n_1\frac{Z_5{Z}_3}{Z_6{Z}_4}---\left(6\right)$

求得分离罗拉转速为n为：

$n=(n_2\frac{Z_1}{Z_2}(1-\frac{Z_5{Z}_3}{Z_6{Z}_4})+n_1\frac{Z_5{Z}_3}{Z_6{Z}_4})\frac{Z_7}{Z_8}---\left(7\right)$

整理得：

$n=n_1\frac{Z_5{Z}_3{Z}_7}{Z_6{Z}_4{Z}_8}{+n}_2\frac{Z_1{Z}_7}{Z_2{Z}_8}(1-\frac{Z_5{Z}_3}{Z_6{Z}_4})---\left(8\right)$

第一伺服电机1的驱动因数为i₁、第二伺服电机2的驱动因数为i₂，设：

$i_1=\frac{Z_5{Z}_3{Z}_7}{Z_6{Z}_4{Z}_8}---\left(9\right)$

$i_2=\frac{Z_1{Z}_7}{Z_2{Z}_8}(1-\frac{Z_5{Z}_3}{Z_6{Z}_4})---\left(10\right)$

代入式(8)整理得：

n＝i₁n₁+i₂n₂   (11)

实施例1

棉精梳机设计车速为800钳次/分，依据齿轮轮系设计、差动轮系尺寸等要求，设Z₁为58、Z₂为95、Z₃为32、Z₄为22、Z₅为29、Z₆为25、Z₇为87、Z₈为28得：n＝5.2n₁-1.3n₂

(1)采用两台伺服电机分别对差动轮系进行分时单向混合驱动，通过差动轮系将两个伺服电机的旋转运动进行合成，其中分时单向驱动过程为：第一伺服电机1分时单向驱动依次按照启动、倒转加速、倒转减速、匀速倒转的顺序进行，第二伺服电机2的分时单向驱动过程为：当第一伺服电机1分时单向驱动为启动、倒转加速和倒转减速时，第二伺服电机2的分时单向驱动为匀速正转并且第一伺服电机输出转速大于第二伺服电机2的输出转速；当第一伺服电机1分时单向驱动为匀速倒转时，第二伺服电机2的分时单向驱动按照正转加速、正转减速的顺序进行并且第二伺服电机输出转速大于第一伺服电机1的输出转速；当第一、二伺服电机的单向驱动均为匀速时，第一、二伺服电机的转速分别与对应的驱动因数的乘积值相同，此时分离罗拉停止转动,驱动因数的乘积值的计算公式为0＝i₁n₁+i₂n₂，式中n₁为第一伺服电机输入转速，n₂为第二伺服电机输入转速，i₁为第一伺服电机的驱动因数、i₂为第二伺服电机的驱动因数，式中Z₁代表主动齿轮齿数、Z₂代表行星架齿轮齿数、Z₃代表第一中心齿轮齿数、Z₄代表第一行星齿轮齿数、Z₅代表第二行星齿轮齿数、Z₆代表第二中心齿轮齿数、Z₇代表传动轮齿数、Z₈代表从动齿轮齿数；两个伺服电机的旋转运动合成的过程为：第一伺服电机的第一单向驱动依次通过第一中心齿轮Z₃、与第一中心齿轮啮合配合的三个第一行星齿轮Z₄、与第一行星齿轮通过中心连接轴平行间隔固定相连的第二行星齿轮Z₅进行第一运动输出；第二伺服电机的第二单向驱动依次通过主动齿轮Z₁、与主动齿轮啮合配合的行星架齿轮Z₂、与第一行星齿轮通过中心连接轴平行间隔固定相连的第二行星齿轮Z₅进行第二运动输出，第一伺服电机和第二伺服电机分别传递至第二行星齿轮Z₅的第一、第二运动输出由与第二行星齿轮啮合配合的第二中心齿轮Z₆混合叠加形成混合驱动输出，所述的行星架齿轮设置在第一、二行星齿轮之间，所述的中心连接轴穿过行星架齿轮并与行星架齿轮通过轴承相连；第一行星齿轮沿第一中心齿轮圆周方向均布，第二行星齿轮沿第二中心齿轮圆周方向均布，(2)第二中心齿轮将混合驱动依次通过与第二中心齿轮固定相连的传动轮Z₇、与传动轮啮合配合的两个从动齿轮输出给两个分离罗拉4，第一中心齿轮、行星架齿轮、第二中心齿轮和传动轮同中心轴线设置。

在试验平台上测试：棉精梳机在800钳次/分车速下分离罗拉的运动，满足棉精梳机工艺要求。

Claims (3)

1.基于分时单向混合驱动的棉精梳机分离罗拉可控驱动方法,其特征在于它包括以下步骤：

(1)采用两台伺服电机分别对差动轮系进行分时单向混合驱动，通过差动轮系将两台伺服电机的旋转运动进行合成，其中分时单向驱动过程为：第一伺服电机分时单向驱动依次按照启动、倒转加速、倒转减速、匀速倒转的顺序进行，第二伺服电机的分时单向驱动过程为：当第一伺服电机分时单向驱动为启动、倒转加速和倒转减速时，第二伺服电机的分时单向驱动为匀速正转并且第一伺服电机输出转速大于第二伺服电机的输出转速；当第一伺服电机分时单向驱动为匀速倒转时，第二伺服电机的分时单向驱动按照正转加速、正转减速的顺序进行并且第二伺服电机输出转速大于第一伺服电机的输出转速；当第一、二伺服电机的单向驱动均为匀速时，第一、二伺服电机的转速分别与对应的驱动因数的乘积值相同，方向相反，驱动因数的乘积值的计算公式为0＝i₁n₁+i₂n₂，式中n₁为第一伺服电机输入转速，n₂为第二伺服电机输入转速，i₁为第一伺服电机的驱动因数、i₂为第二伺服电机的驱动因数，式中Z₁代表主动齿轮齿数、Z₂代表行星架齿轮齿数、Z₃代表第一中心齿轮齿数、Z₄代表第一行星齿轮齿数、Z₅代表第二行星齿轮齿数、Z₆代表第二中心齿轮齿数、Z₇代表传动轮齿数、Z₈代表从动齿轮齿数；两个伺服电机的旋转运动合成的过程为：第一伺服电机的第一单向驱动依次通过第一中心齿轮、与第一中心齿轮啮合配合的至少两个第一行星齿轮、与第一行星齿轮通过中心连接轴平行间隔固定相连的第二行星齿轮进行第一运动输出；第二伺服电机的第二单向驱动依次通过主动齿轮、与主动齿轮啮合配合的行星架齿轮、与第一行星齿轮通过中心连接轴平行间隔固定相连的第二行星齿轮进行第二运动输出，第一伺服电机和第二伺服电机分别传递至第二行星齿轮的第一、第二运动输出由与第二行星齿轮啮合配合的第二中心齿轮混合叠加形成混合驱动输出，所述的行星架齿轮设置在第一、二行星齿轮之间，所述的中心连接轴穿过行星架齿轮并与行星架齿轮通过轴承相连；

(2)第二中心齿轮将混合驱动依次通过与第二中心齿轮固定相连的传动轮、与传动轮啮合配合的两个从动齿轮输出给两个分离罗拉，第一中心齿轮、行星架齿轮、第二中心齿轮和传动轮同中心轴线设置。

2.根据权利要求1所述的基于分时单向混合驱动的棉精梳机分离罗拉可控驱动方法,其特征在于：所述的至少两个第一行星齿轮沿第一中心齿轮圆周方向均布，至少两个第二行星齿轮沿第二中心齿轮圆周方向均布。

3.根据权利要求1或2所述的基于分时单向混合驱动的棉精梳机分离罗拉可控驱动方法,其特征在于：所述的第一行星齿轮为三个，所述的第二行星齿轮为三个。