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摘要：丝绸行业是我国的传统行业，现阶段国内外蚕丝业使用的缫丝机在结构上采用日本早期自动缫丝机的结构，由于该机构对机械式的丝故障切断防止和停或机构导致的缫制生丝过程中发生断丝的问题并没有做任何的优化设计。基于此，本文提出一款针对蚕丝进行自动打结去糙的蚕丝打结机器人，该机器人采用分离式、四驱动的机构形式，其优点是使得蚕丝打结机器人本体简易化，降低了加工成本。四驱动机构中打结机构是核心，为了减小蚕丝打结机器人整体机构的尺寸同时降低打结机构的加工成本，本文设计了一种偏心圆柱和钳嘴机构结合的形式。通过运动学分析建立了打结刀臂的运动学模型。并对其本体进行了详细的优化设计，为最后设计的蚕丝打结机器人进行实验验证打下了基础。
关键词：蚕丝自动打结去糙；机构动力学仿真；机构优化设计；
Keywords:SilkImpuritiesRemovingAutomatically,InstitutionDynamicsimulation,InstitutionOptimization
一、引言
丝绸行业是我国的传统行业，作为丝绸行业的基础和重要组成部分，蚕丝业更是中国的瑰宝。现阶段国内外缫丝机在结构上采用日本早期自动缫丝机的结构，导致缫丝机在缫制生丝过程中，若瓷眼检测到蚕丝中含有不满足需求的杂质时，会因停或机构的触发而引起断丝的现象，目前均是由人工进行打结去糙处理，导致耗时长、蚕丝生产效率低等问题。
现阶段，国内外针对缫丝机和缫丝技术的研究主要体现在蚕丝提取速度、污水处理、煮茧工艺等方面上，而针对机械式的丝故障切断防止和停或机构导致的缫制生丝过程中发生断丝的问题并没有做任何的优化设计。而且目前现有的打结器机构一般都比较复杂，而且加工成本高。
本文首先提出一款针对蚕丝进行自动打结去糙的蚕丝打结机器人，实现蚕丝打结去糙由人工向自动化的转变，提高蚕丝的生产效率、节省人力资源。并对其本体进行了详细的优化设计。另外对目前打结器机构复杂、加工成本高的问题，提出了一种分离式、四驱动的蚕丝打结机器人机构形式，并对其运动时序及机构组成进行了详细的阐述。该机构形式将蚕丝打结机器人划分为四大机构——提蚕机构、压蚕机构、打结机构和脱蚕机构。在该打结机构的运动学分析中，提出了一种打结刀臂顶点连线向偏心圆柱横截面投影的方法，该方法利用钳嘴机构的运动学模型及打结刀臂的关键几何尺寸顺利完成了偏心圆柱关键几何尺寸的计算。
针对蚕丝打结机器人的核心机构——打结机构的动力学仿真结果表明该机构在运行过程中的加速度波动较大，因此，针对打结机构运行过程中加速度波动较大的问题，以打结刀臂几何尺寸为设计变量；以蚕丝受力、丝鞘保持、机构干涉为约束条件，以打结机构加速度波动最小为目标进行了优化设计，优化设计采用序列二次规划法进行直接优化设计。优化过程中，打结刀臂关键几何尺寸与打结电机转速呈现高度非线性关系，因此，需要根据不同工况合理设计打结机构以保证蚕丝打结机器人运行的稳定性。
动力学是理论力学的一个分支学科，动力学仿真分析的是机械构件之间的相互作用引起的动力学变化一般分析应力、变形、震动等，通过建立系统的动力学模型，在计算机上实现对真实系统的仿真实验，从而研究系统结构、功能和行为之间的动态关系[1-3]。
动力学中的问题多与加速度有关，通常利用动静法进行求解，无需考虑使用动量定理与动量矩定理的微分形式。若问题的加速度已知，则直接采用动静法；若问题的加速度未知，则需要在动力平衡方程的基础上补充加速度，补充加速度的方法通常有三种，分别是根据几何关系分析加速度、根据运动学关系求解加速度、根据动力学关系求解加速度[1-3]。
动力学仿真通常在Adams软件中实现。Adams使用交互式图形环境，创建完全参数化的机械系统几何模型，其多采用拉格朗日方程方法建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线[9]。同时，Adams软件的仿真还可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等[10]。
优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法，它以最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案[11-13]。
常见的优化算法包括：序列二次规划法、粒子群优化算法、遗传算法等。
二、蚕丝打结机器人的介绍
自动打结去糙的蚕丝打结机器人采用分离式、四驱动的机构形式，分离式使得蚕丝打结机器人划分为四大机构——提蚕机构、压蚕机构、打结机构和脱蚕机构；四驱动使得各个机构分别独立驱动。分离式、四驱动机构形式使得蚕丝打结机器人本体简易化，降低了加工成本。根据蚕丝的自动打结去糙过程，可将蚕丝打结机器人的运动时序归纳为行走—提蚕—压蚕—打结—去糙—成结。
蚕丝打结机器人的本体如图1所示。
a)主视图b)左视图c)俯视图
1-架体2-提蚕电机3-提蚕杆固定板4-提蚕杆直线导杆5-脱蚕电机
6-弹簧片7-打结刀臂8-打结钳嘴9-脱蚕套筒10-脱蚕杆
11-压蚕同步带及同步带轮12-提蚕钩13-下压蚕杆14-上压蚕杆15-打结电机
16-打结电机座17-偏心圆柱18-提蚕电机座19-脱蚕电机座20-压蚕板
21压蚕杆轴22-同步带连接轴23-联轴器24-压蚕电机座
25-打结机构锥齿轮组26-压蚕电机27-钳嘴轴
图1蚕丝打结机器人本体结构
根据蚕丝打结机器人的结构，蚕丝打结机器人的各个机构组成如下：提蚕机构由提蚕电机2、提蚕电机座18、提蚕杆固定板3、提蚕杆直线导杆4、提蚕钩12组成；压蚕机构由压蚕电机26、压蚕电机座24、联轴器23、同步带连接轴22、同步带及同步带轮11、压蚕板20、压蚕杆轴21、下压蚕杆13、上压蚕杆14等组成；打结机构由打结电机15、打结电机座16、打结机构锥齿轮组25、偏心圆柱17、钳嘴轴27、打结钳嘴8、打结刀臂7、弹簧片6等组成；脱蚕机构由脱蚕电机5、脱蚕电机座19、脱蚕套筒9、脱蚕杆10等组成。
各机构与机架1的连接关系如下：提蚕机构通过提蚕电机座18与机架1相连接；压蚕机构通过压蚕电机座24和压蚕板11与机架1相连接；打结机构穿过机架1并通过顶丝固定，防止运动过程中发生晃动；脱蚕机构通过脱蚕电机座5与机架1相连接。
三、打结机构的运动学分析
在蚕丝打结机器人的四大机构——提蚕机构、压蚕机构、打结机构和脱蚕机构中，打结机构是核心，它是整个机器人成功与否的关键环节。所以下面重点对该机构进行结构设计、开合原理分析、运动时序分析、运动学分析。
3.1打结机构的设计
打结机构的偏心圆柱机架并利用顶丝与机架顶紧，防止晃动；打结电机通过打结电机座与偏心圆柱相连接并通过锥齿轮驱动由打结刀臂、打结钳嘴、钳嘴轴以及弹簧片组成了钳嘴机构。钳嘴机构由于钳嘴轴较长，为了降低偏心圆柱与钳嘴轴之间的磨损，在偏心圆柱两侧各安装一个轴承；为了防止钳嘴机构上下晃动，偏心圆柱和钳嘴轴上分别设计卡簧槽，利用卡簧卡住钳嘴轴。
3.2钳嘴机构的开合原理分析
打结机构是蚕丝打结机器人的核心部件，打结机构利用钳嘴旋转一周形成“φ”环的原理完成对蚕丝的打结。为了减小蚕丝打结机器人整体机构的尺寸同时降低打结机构的加工成本，本文设计了一种偏心圆柱和钳嘴机构结合的形式，通过内接触形式完成钳嘴机构在空间中的开合动作。内接触式打结机构的开合原理如图2所示。
a)闭合原理b)张开原理
图2内接触式钳嘴机构的开合原理
3.3钳嘴机构的运动时序分析
根据内接触式钳嘴机构开合原理可知，钳嘴机构与偏心圆柱之间的运动时序分为四个阶段，分别是打结刀臂张开前闭合阶段、打结刀臂渐开阶段、打结刀臂张开阶段、打结刀臂渐闭阶段。
打结机构运动时序的设置是打结机构尺寸设计的基础和重要组成部分。
四、打结刀臂的运动学模型建立与偏心圆柱的设计
偏心圆柱的设计方法为打结刀臂顶点连线向偏心圆柱横截面投影法。该方法利用动静法对钳嘴机构进行运动学建模，并根据钳嘴机构运动学模型对偏心圆柱的关键几何尺寸偏心圆柱内径D和偏心圆圆心与偏心圆柱圆心间的距离L(如图3所示)进行求解。该方法主要包括几何尺寸定义、坐标系建立、打结刀臂顶点连线向偏心圆柱横截面投影法分析、打结刀臂的运动分析、确定各个阶段打结刀臂摆角的取值、偏心圆柱几何尺寸的计算6个步骤。
图3偏心圆柱尺寸定义图4打结刀臂尺寸定义
由于打结刀臂顶点圆弧较小，选取顶点圆弧圆心与打结刀臂摆动中心的连线作为关键几何尺寸，其尺寸定义如图4所示。打结刀臂的关键几何尺寸为两个顶点到摆动中心的距离LA、LB，两个顶点与钳嘴机构转动轴线的夹角θA、θB以及打结刀臂的摆动中心与钳嘴机构的旋转中心的距离a。
设钳嘴机构的旋转角速度为ω，方向如图4中环形箭头所示。在运动过程中将打结刀臂顶点A、B进行连线并将该连线向偏心圆柱的横截面进行投影，那么打结刀臂在运动过程中必然存在两种特殊状态。第一种特殊状态为投影线AB恰好穿过偏心圆柱圆心，第二种特殊状态投影线AB恰好与过偏心圆柱圆心O3和偏心圆圆心O的连线OO3垂直。
六、结语
本文设计开发了一款针对蚕丝进行自动打结去糙处理的蚕丝打结机器人。主要针对蚕丝打结机器人的打结原理、运动学分析、动力学仿真进行研究。主要工作和成果如下：
1)提出一款分离式、四驱动的蚕丝打结机器人。蚕丝打结去糙原理为钳嘴旋转一周形成“φ”环的原理；蚕丝打结机器人由提蚕机构、压蚕机构、打结机构和脱蚕机构组成，各个机构相互独立并相互协调完成蚕丝的自动打结去糙功能。结果表明：分离式、四驱动的机构形式简化了蚕丝打结机器人的机构组成并降低了零件加工成本。
2)提出一种打结刀臂顶点连线向偏心圆柱横截面投影的方法对打结机构进行了详细的设计。该方法利用钳嘴机构的运动学模型并结合打结刀臂的关键几何尺寸对偏心圆柱的关键几何尺寸进行求解。
3)利用Adams软件对打结机构进行了动力学分析，结果表明：在给定打结刀臂几何尺寸下的打结机构在运行过程中的加速度波动较大。以打结刀臂关键几何尺寸为设计变量，以蚕丝张力、丝鞘保持、机构干涉为约束条件，以打结刀臂的加速度波动最小为目标，利用序列二次规划法在Isight中针对不同打结电机转速下的打结刀臂尺寸进行了优化设计。结果表明：打结刀臂关键几何尺寸与打结电机转速呈高度非线性关系，需要根据不同工况合理设计打结机构以保证蚕丝打结机器人在运行过程中的稳定性。为后续实验验证提供了理论基础。
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