一種立體織機(jī)平行打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

徐昊月，孫志宏

(東華大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，上海 201620)

目前比較普遍的織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)有四連桿打緯機(jī)構(gòu)、六連桿打緯機(jī)構(gòu)和共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)[1]。其中：結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)易的為四連桿打緯機(jī)構(gòu)，但其筘座在后心位置的相對(duì)靜止時(shí)間較短，因此不利于引緯器飛行[2]；六連桿打緯機(jī)構(gòu)的筘座可在后心位置近似停頓較長(zhǎng)時(shí)間，有利于引緯[3-4]；共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)在引緯時(shí)筘座絕對(duì)靜止，可通過設(shè)計(jì)凸輪廓線為引緯提供最大的引緯角，有利于引緯。但無論是連桿打緯機(jī)構(gòu)還是共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)，都是通過連桿機(jī)構(gòu)將織機(jī)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為鋼筘打緯時(shí)的前后擺動(dòng)。對(duì)于立體織機(jī)而言，這種打緯方式導(dǎo)致鋼筘作用于各層緯紗上的打緯力不均，不僅很難將多根緯紗同時(shí)打入織口，還會(huì)導(dǎo)致緯紗與經(jīng)紗相互摩擦，從而使碳纖維、玻璃纖維等特種紗線起毛[5]。許多學(xué)者針對(duì)多層織物織造時(shí)各層緯紗的受力均勻性問題進(jìn)行了研究。韓斌斌等[6]提出了幾種不同形式的六連桿平行打緯機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和仿真分析。李佳[7]基于平行四連桿機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)特性，改進(jìn)了傳統(tǒng)的單擺打緯方式，但該機(jī)構(gòu)在打緯時(shí)鋼筘的運(yùn)動(dòng)方向并不是完全水平，存在輕微的上下擺動(dòng)，可能會(huì)造成織物瑕疵。袁汝旺等[8]針對(duì)碳纖維多層織物打緯的特點(diǎn)，提出無急回特性的軸向六連桿打緯機(jī)構(gòu)，但筘座運(yùn)動(dòng)無絕對(duì)靜止時(shí)間，不利于引緯器的引緯。

本文提出了八連桿平行打緯機(jī)構(gòu)，在滿足鋼筘打緯動(dòng)程和在后死心位置靜止時(shí)間的條件下，對(duì)打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和參數(shù)優(yōu)化，以確定合理的機(jī)構(gòu)尺寸，從而實(shí)現(xiàn)多層織物的垂直均勻打緯。

1 打緯機(jī)構(gòu)工藝要求

為實(shí)現(xiàn)多層立體織物織造時(shí)的平行打緯運(yùn)動(dòng)，打緯機(jī)構(gòu)應(yīng)符合以下要求：(1)鋼筘需有足夠的打緯行程，以將緯紗準(zhǔn)確地打入織口；(2)打緯機(jī)構(gòu)須確保鋼筘在后心位置有足夠的近似停留時(shí)間(即鋼筘在后死心位置附近位移Δs≤5 mm時(shí)，主軸所轉(zhuǎn)過的角度)，并且與織機(jī)的開口運(yùn)動(dòng)和引緯運(yùn)動(dòng)相配合，在滿足打緯的條件下盡量提供較長(zhǎng)的引緯時(shí)間；(3)為了使鋼筘作用于各層緯紗的打緯力均勻，同時(shí)減少緯紗與經(jīng)紗間的摩擦，鋼筘應(yīng)將緯紗垂直均勻地打入織口。

2 打緯機(jī)構(gòu)的組成及工作原理

在基于WG 2000型噴氣織機(jī)的四連桿打緯機(jī)構(gòu)所設(shè)計(jì)的六連桿打緯機(jī)構(gòu)[9](如圖1所示)基礎(chǔ)上，本文提出八連桿平行打緯機(jī)構(gòu)，即保持原有的固定鉸接點(diǎn)(O1、O2、O3)與布局不變，通過增加搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，將鋼筘的擺動(dòng)轉(zhuǎn)變成平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打緯機(jī)構(gòu)的平行打緯。所設(shè)計(jì)的八連桿立體織機(jī)平行打緯機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。其由2個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)O1ABO2、O2CDO3與搖桿滑塊機(jī)構(gòu)O3EF串聯(lián)而成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸(曲柄O1A)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過連桿AB使雙BO2C臂桿(桿BO2與桿O2C之間的夾角為θ)繞固定軸O2轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，雙臂桿BO2C通過連桿CD使雙臂桿DO3E(桿DO3與桿O3E之間的夾角為180°)繞固定軸O3轉(zhuǎn)動(dòng)；雙臂桿DO3E牽動(dòng)連桿EF驅(qū)動(dòng)滑塊F沿機(jī)架水平向右移動(dòng)。鋼筘安裝在滑塊上，隨著滑塊沿水平方向?qū)⒕暭喆怪贝蛉肟椏凇?/p>

3 八連桿平行打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

建立八連桿打緯機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化三維模型，如圖3所示。各桿件初始參數(shù)設(shè)定如表1所示，其中固定鉸接點(diǎn)O2的坐標(biāo)為(22，-140)，O3的坐標(biāo)為(-10，165)。

表1 八連桿打緯機(jī)構(gòu)各桿件的初始長(zhǎng)度和角度

通過三維軟件仿真可以觀察到打緯機(jī)構(gòu)在打緯時(shí)各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)情況，并測(cè)得鋼筘的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，如圖4所示，其中，主軸轉(zhuǎn)角φ=0°時(shí)，鋼筘在前死心位置。由圖4可知，筘座打緯動(dòng)程s約為235 mm，鋼筘接近織口處的加速度最大，有利于慣性打緯，但筘座在后心位置附近位移Δs≤5 mm時(shí)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度Δφ約為60°，表明近似靜止時(shí)間較短，不利于引緯器的引緯。故需要在保證打緯動(dòng)程的前提下，對(duì)機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以增加筘座在后死心位置處的近似靜止時(shí)間。

4 八連桿平行打緯機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

鋼筘的最大位移由各構(gòu)件的尺寸決定，其函數(shù)關(guān)系[10]如式(1)所示。

S=lEFcos(180-γ2)-lO3Ecos(180-φ2)-

[lEFcos(180-γ1)-lO3Ecos(180-φ1)]

(1)

式中：φ1、φ2分別為筘座在后死心和前死心位置時(shí)搖桿O3E與x軸正向的夾角；γ1、γ2分別為筘座在后死心和前死心位置時(shí)連桿EF與x軸正向的夾角。

式中：β1、β2分別為筘座在后死心和前死心位置時(shí)連線lCO3與y軸正向的夾角。

其中：

式中：X0、Y0分別為固定鉸接點(diǎn)O2的橫、縱坐標(biāo)值；X1、Y1分別為固定鉸接點(diǎn)O3的橫、縱坐標(biāo)值。

本文利用Matlab工具箱中的fmincon函數(shù)對(duì)打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[11]。為了測(cè)試每個(gè)參數(shù)對(duì)打緯機(jī)構(gòu)打緯動(dòng)程及近似靜止時(shí)間的影響，通過每次僅改變單個(gè)連桿尺寸的方法研究鋼筘運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)各連桿尺寸敏感程度。9個(gè)設(shè)計(jì)變量(lO1A，lAB，lO2B，lO2C，lCD，lDO3，lO3E，lEF，θ)在一定的范圍內(nèi)各取4個(gè)值，對(duì)設(shè)計(jì)變量分別進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，通過Matlb編程，可得鋼筘的位移相對(duì)于這9個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化規(guī)律。通過對(duì)比分析可知，lO1A、lAB、lCD、lDO3及雙臂桿BO2C間的夾角θ是打緯動(dòng)程s以及鋼筘在后心位置近似靜止時(shí)間的敏感參數(shù)，因此將lO1A、lAB、lCD、lDO3及θ作為設(shè)計(jì)變量，令設(shè)計(jì)變量x=(lO1A，lAB，lCD，lDO3，θ)，其他參數(shù)作為已知量。

打緯機(jī)構(gòu)在后心位置停留時(shí)間長(zhǎng)對(duì)織機(jī)引緯運(yùn)動(dòng)雖然有利，但打緯的運(yùn)動(dòng)時(shí)間就短，會(huì)增大鋼筘運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度，從而加劇織機(jī)的振動(dòng)。因此，鋼筘在后心位置停留時(shí)間不宜過長(zhǎng)。鋼筘在后死心位置停留時(shí)間，還需依據(jù)織機(jī)轉(zhuǎn)速、引緯方式、織物幅寬以及織造工藝等決定。本文在優(yōu)化過程中，八連桿平行打緯機(jī)構(gòu)要求主軸轉(zhuǎn)動(dòng)140°，且筘座在后死心位置的近似靜止位移Δs最小，故建立目標(biāo)函數(shù)functionf=fun(x)。同時(shí)由圖3可知，八連桿平行打緯機(jī)構(gòu)中第1個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。對(duì)第1個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行桿長(zhǎng)約束，以滿足曲柄存在的條件，并對(duì)鋼筘的打緯動(dòng)程、構(gòu)件間的幾何關(guān)系、2個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)與搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角(γ>40°)進(jìn)行約束，建立約束函數(shù)functionn=non(x)，得到優(yōu)化結(jié)果為

x=(lO1A，lAB，lCD，lDO3，θ)=

(56.44，100.86，117.77，20.00，1.93)

f=4.29

對(duì)得到的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行圓整，圓整后各參數(shù)值如表2所示。

表2 八連桿打緯機(jī)構(gòu)優(yōu)化后各桿件的長(zhǎng)度和角度

5 優(yōu)化后的八連桿打緯機(jī)構(gòu)特性分析

根據(jù)優(yōu)化后得到的各參數(shù)值，建立八連桿平行打緯機(jī)構(gòu)的三維模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到如圖5所示的鋼筘運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。

由圖5可以看出：優(yōu)化后打緯機(jī)構(gòu)的筘座在后死心位置附近(Δs≤5 mm)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度Δφ>140°，相比優(yōu)化前(60°)的近似靜止時(shí)間有顯著提高，為引緯器提供了足夠的運(yùn)行時(shí)間，也有利于織物幅寬的增加。由加速度曲線可以看出，筘座位于前死心位置時(shí)，加速度最大為-572 mm/s2，相比優(yōu)化前(-289 mm/s2)，最大加速度增加了98%。在織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)中，筘座打緯時(shí)的加速度越大，機(jī)構(gòu)的慣性打緯力也越大，故優(yōu)化后的打緯機(jī)構(gòu)更有利于形成緊密織物。優(yōu)化后的打緯機(jī)構(gòu)，在鋼筘到達(dá)前死心位置以后的返回過程中，鋼筘正向加速度最大可達(dá)到380 mm/s2，鋼筘快速回到后死心位置；而鋼筘向前打緯時(shí)，鋼筘最大正向加速度為222 mm/s2。鋼筘向前打緯時(shí)的加速度比鋼筘退回時(shí)加速度減小72%，這種“快-靜止-慢”的急回特性，使引緯器能在梭口滿開后盡快引緯，改善了開口機(jī)構(gòu)和打緯機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)滯后問題。但是優(yōu)化后的打緯機(jī)構(gòu)在后死心位置附近，鋼筘加速度有小幅度波動(dòng)，不利于織機(jī)的高速運(yùn)行。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)立體織物的織造特點(diǎn)，在已有的六連桿打緯機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加RRP Ⅱ級(jí)桿組(搖桿滑塊機(jī)構(gòu))進(jìn)而成為八連桿機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)鋼筘平行打緯，且作用于各層緯紗的打緯力均勻。對(duì)該八連桿平行打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并根據(jù)打緯機(jī)構(gòu)的工藝要求，利用Matlab的fmincon函數(shù)，對(duì)該打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)化后的打緯機(jī)構(gòu)具有下述優(yōu)點(diǎn)：延長(zhǎng)了筘座在后死心位置的近似停留時(shí)間，提高了引緯器引緯時(shí)間，有利于寬幅織物的織造；增大了鋼筘的慣性打緯力，有利于織造緊密織物；具有“快-靜止-慢”的急回特性。但是打緯機(jī)構(gòu)優(yōu)化后鋼筘在后心位置附近的加速度有小幅波動(dòng)，不適用于高速織機(jī)的打緯。