基于Pro/E的噴氣織機六連桿開口機構運動分析與仿真

付正飛，韓立人，馬 莉

FU Zheng-fei1,2, HAN Li-ren1, MA Li1

(1.湖北文理學院 機械與汽車工程學院，襄陽 441053；2.湖北文理學院 省級協同創新中心，襄陽 441053)

0 引言

由于六連桿開口機構的加工方便、剛度高、運動平穩，因此噪聲低且磨損少，被廣泛應用在造平紋織物的噴氣織機織中。開口機構運動的平穩性直接關系到布面的編織質量，開口機構運動出現波動會在布面上形成瑕疵，甚至造成斷經而應影響生產效率，所以對開口機構進行運動學分析十分重要。作圖法和實驗法誤差很大且設計時間長，不能滿足設計精度和現代產品開發的要求[1]；運用復極矢量法建立機構的解析方程組、用高級語言編寫程序來求解綜框運動特性的方法[2]，既復雜費時又需要高深的數學知識，不易被工程技術人員所掌握。本文借助三維的Pro/E軟件，通過建立開口機構的三維參數化模型和各構件之間的連接關系，并進行運動仿真，可直接獲得綜框的運動特性和各結構點的運動軌跡曲線等數據，實現對機構的運動特性分析和結構尺寸的調整。

1 六連桿開口機構的工作原理和工作要求

開口機構是紡織機五大機構之一，是形成織物所必需的重要機構[3,4]。在棉紡織過程中，開口機構的任務是依照織物組織要求，順次驅動綜框上下運動，把穿入各頁綜框內的經紗上下分開成兩層，以形成梭口，待緯紗引入后再使梭口閉合，構成經紗、緯紗的交織狀。

六連桿開口機構是在四連桿開口機構的基礎上改進成，一般用于織造平紋織物，如圖1 所示。其工作原理是[5]：曲軸O1A繞O1軸作360°旋轉運動，O2B桿繞軸作往復擺動，連桿AB則作平面運動；當鉸鏈C隨AB桿作平面運動時，由中連桿CD將運動傳遞到三臂擺桿DEE′，使其繞機架上的支點O3擺動，然后通過綜框長臂連桿EF、E′F′, 驅動綜框作上下運動形成開口；該開口機構由一個六桿機構 O1A BO2CDO3和兩個曲柄滑塊機構O3EF 和O3E ′F′組合而成，六桿機構是在曲柄搖桿機構上并接一組Ⅰ級桿件 C DO3而成。當各鉸鏈位置和連桿長度給定后, 可以確定綜框的運動規律。

梭口是指開口時自停經架中導棒至織口、經紗被上下分開所形成的菱形空間，梭口形成分為三個時期：開口時期、靜止時期和閉口時期。經紗離開經位置線到梭口滿開時稱為開口時期，這時綜框運動的速度應由快到慢逐漸減小，經紗張力由小到大逐漸增加；當梭口滿開后，經紗在梭口上下兩個極限位置上處于靜止狀態，以便引緯器通過梭口；之后梭口開始閉合，經紗由靜止進入運動狀態，直至綜平，經紗張力逐漸減小，其傳動函數曲線如圖2 的實線所示，φ為主動曲柄的轉角，s為綜框的位移。若采用四連桿機構，傳動函數曲線為圖2中虛線所示，因中間無停歇時間較短而不能滿足織機的工藝要求，為此常采用六連桿機構，平滑在開口兩極限位置處的速度，從而增加開口的相對靜止時間，使其基本滿足工藝要求。

圖2 開口機構要求的傳動函數

2 基于PRO/E的開口機構參數化建模與運動仿真

六連桿開口機構的運動特性是否滿足實際需求，傳統的方法是利用建立復極矢量來建立機構的解析方程組，通過編寫程序進行求解綜框的位移、速度和加速度數值，該方法復雜費時、需要高深的數學知識。本文借助三維的PRO/E軟件，通過建立開口機構的三維參數化模型，并進行裝配和運動仿真，實現對機構的運動特性分析和結構尺寸的調整。其過程如下[6,7]：

1) 測繪噴氣織機的結構尺寸。現以44英寸的噴氣織機為例，各連桿長度為O1A =60mm ，O2B =140mm ，AB =360mm ，AC =190mm ，CD = 280mm ，O3D =55mm ，O3E =110mm ，EF =520mm， O2和 O3相對于 O1的位置坐標分別為(-360,-127),(-248,-274)，織機轉速為350轉/分。

2) 建立各構件的三維模型。在Pro/E中，首先根據上述數據建立關系式，以實現模型的參數化造型；再利用拉伸、旋轉和陣列等工具，依次指定截面草圖、深度、方向等參數，構建出六連桿開口機構的各個構件。

3) 構建噴氣織機的裝配模型。在Pro/E中，使用“銷釘”和“滑動桿”約束方式，定義組件中各零件間的相對自由度，建立一定的約束關系，從而確定構件在整個裝配體中的相對位置，織機裝配模型如圖3所示。實際設計的六連桿開口機構均采用雙側傳動形式。

4) 開口機構的運動仿真。進入PRO/E機構操作環境，通過設置旋轉運動伺服電動機為機構提供“動力”，選擇“運動學”類型，并設置時間周期和運動增量，就可進行機構的運動仿真。

圖3 織機的裝配模型

圖4 綜框的運動學特性

5) 測量綜框的運動分析結果。在Pro/E中，利用分析測量功能即可方便地獲得機構中各個部件的位移、速度、加速度的測量值。在此需要對綜框進行運動學分析，分別選擇“位置”、 “速度”、“加速度”測量類型，由于綜框做直線運動，可以選擇綜框上任意一點作為測量點，測量的結果如圖4所示。

3 六連桿開口機構運動分析結果

通過在Pro/E軟件機構分析模塊中對六連桿開口機構的運動學分析，得出了綜框的運動曲線，可以發現：其運動特性與曲柄四連桿機構類似，綜框的位移、速度和加速度曲線連續而光滑，運動平穩、沒有絕對靜止過程，而且各頁綜框動程相等。同時為了保證機構本身的剛度和強度，設計了雙側機構形式來傳遞運動，保證雙側機構相位同步，避免機構出現死點而無法運行。

六連桿開口機構設計的關鍵是確定C點的位置，C點的運動規律決定了O3軸的相應擺角大小和綜框的特性。在Pro/E軟件里，使用“插入—＞軌跡曲線”工具，可以生成機構上任意一點的運動軌跡，C點的運動軌跡如圖5所示。從圖5中可以看出：C點的軌跡呈類橢圓形狀，而且隨AC長度的增大, 橢圓形狀越扁，軌跡橢圓的長軸長度不變，即O3軸的擺角不變、棕框的極限位置不變；其短軸長度縮短，這可為增加綜框在極限位置附近的相對靜止時間創造條件。

圖5 C點的運動軌跡圖

通過機構運動仿真，可以觀察到CD桿對機構的影響：根據橢圓形狀，當增加CD桿的長度，將使O3D桿向下面擺動時的相對靜止時間增加，而向上面擺動時的相對靜止時間減少；反之，如果縮短CD桿長度則O3D桿向下面擺動時的相對靜止時間減少，而向上面擺動時的相對靜止時間增加。調節CD桿的長度，使上下兩方向的相對靜止時間接近相等為益。改變O3D桿的長度時，只能改變O3軸的擺角大小，它對綜框的運動規律并無影響，因此在結構允許的情況下，適當減小O3D桿長度，就可增大O3軸的擺角，在綜框行程不變時，可通過減小雙臂杠桿 EE ′長度來增加EF桿對綜框的傳動角，從而能夠增大綜框向上運動的有效分力，減少使綜框前后晃動的水平分力，也有利于減少綜框在導軌中的磨損。

通過對結構點位置的正確選擇，能夠使二次綜平時間達到一致；也可以適當調整機械結構尺寸，如增加EF桿長度，能增大綜框行程即梭口高度，以彌補滿開時的綜框相對靜止時間較短的不足。

4 結束語

隨著現代新型織機的快速發展，對織機的設計要求會愈來愈高，應用Pro/E三維軟件建模工具實現了六連桿開口機構的參數化建模, 對織機開口機構的運動特性作進行了深入分析，可以直接獲得綜框的運動速度、加速度特性和各結構點的運動軌跡曲線等數據，在此基礎上，提出了對結構點位置和結構尺寸調整的方法和措施，以增大綜框行程或梭口高度，使二次綜平時間達到一致，為機構設計提供理論依據和指導。

為織機的結構設計提供了一種切實可行的可視化、實時化設計新思路，能夠使設計更加直觀、簡潔，降低了設計難度，有利于一般工程人員掌握和應用。

[1] 劉裕宣,陳人哲.紡織機械設計原理[M].北京:中國紡織出版社,1996:34-88.

[2] 曹惟慶.連桿機構的分析與綜合[M].北京:科學出版社,2002:74-116.

[3] 王衛東.紡織機械共軛凸輪反求設計研究[J]. 制造業自動化,2012,(23):65-66.

[4] 袁守華,朱國華.織機六連桿打緯機構的計算機輔助設計[J].紡織學報,1999,20(2):37-39.

[5] 邱海飛,王益軒.前死心位置處的六連桿開口機構振動分析[J].機械傳動,2013,37(2):84-86.

[6] 張俊,劉亞麗.基于范成運動的平行分度凸輪機構設計[J].制造業自動化,2013,(8下):134-136.

[7] 盧志珍.基于Pro/E伸縮折疊起重機虛擬設計與運動仿真[J].制造業自動化,2012,(6):75-76.