伺服絞織綜框驅動機構優化

徐子晗，周香琴

(1.浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室，浙江 杭州 310018；2.萬利紡織機械研究院，浙江 杭州 311243)

絞織開口機構是紗羅織機上的重要組成部件，其作用是帶動經紗做絞織開口運動。目前實現經紗絞織開口的方法有2種：絞綜式和針排式[1]。其中，針排式絞織開口機構具有結構簡單、壽命長、可靠性高及維護操作方便等優點，在紗羅組織的織造中應用較廣，但品種適應性受限制。隨著織造速度的提高，針排的運動規律對斷經的影響尤顯重要，特別在玻纖絞織行業，減少經紗與針排的摩擦、擠壓，合理分配針排的縱向運動與橫向運動的時間，對減少斷經[2]，提高織機的速度具有重要的意義。

近年來，已經有很多學者對開口機構做過深入的研究，如織機開口機構的創新設計研究[3]，旋轉變速機構運動規律對開口機構傳動影響的研究[4]，開口機構慣性載荷特性研究[5]，開口引起的經紗張力變化規律研究[6]，開口機構的運動學和動力學研究[7-9]，及電子開口機構研究[10]等，但對絞織開口機構的研究較少。課題組針對針排式伺服絞織綜框驅動機構進行運動學分析，建立針排運動規律分析模型，對機構結構進行優化，并利用組合三角函數對伺服電機運動規律進行設計，解決織造工藝和鋼針對經紗摩擦的問題，為今后絞織開口機構的設計和性能優化提供了參考。

1 紗羅組織的結構特征及絞織過程

紗羅組織結構如圖1所示，2組經紗G和S組成了經面，在一個織造循環周期內，與緯紗交織時，G經紗始終處于下層經紗位置，S經紗始終處于上層經紗位置，完成扭絞后G經紗與S經紗左右位置發生互換。

圖1 紗羅組織結構Figure 1 Leno structure

紗羅織機種類繁多，其中一款針排式紗羅織機上機示意圖如圖2所示，經紗2從織軸1上送出，繞過固定后梁3，穿過停經片4后，分為S經紗和G經紗，其中S經紗穿入下針排7，G經紗繞過活動后梁5后穿入上針排6，與緯紗交織后形成織物，通過卷取輥8，卷繞到卷布輥9上。

1—織軸；2—經紗；3—固定后梁；4—停經片；5—活動后梁；6—上針排；7—下針排；8—卷取輥；9—卷布輥。圖2 紗羅織機經紗上機示意圖Figure 2 Schematic diagram of warp loading on leno loom

與傳統織機不同的是：該絞織開口機構的執行構件為上、下兩針排，上針排不運動，下針排既做上下運動，又做橫向運動。絞織開口過程如圖3所示，從開口1到開口2的過程中，上針排不動，下針排向下運動的同時向右運動(如圖3(a))，當下針排運動到圖3(b)所示位置時，S經紗到達最底端，然后下針排向上運動的同時向右運動(如圖3(c))，最終S經紗從G經紗的左側運動到了右側，完成1次開口；下一次開口過程中，經紗S下降與上升的同時，從G經紗的右側運動到左側，完成絞織的一個循環。

圖3 絞織開口過程示意圖Figure 3 Schematic diagram of twisting shedding process

2 伺服絞織綜框驅動機構介紹

圖2所示的紗羅織機中伺服絞織綜框驅動機構簡圖如圖4所示。正常織造時，主軸帶動共軛凸輪10順時針勻速轉動，通過由共軛凸輪10、滾輪11和擺桿12組成的凸輪擺桿機構帶動擺桿12繞轉動中心B擺動，由提綜臂13、送桿14和搖桿15組成的四連桿機構帶動搖桿15繞中心C擺動，通過由傳動桿16、撐桿17和下針排組成的曲柄滑塊機構帶動下針排做縱向運動，同時伺服電機帶動偏心盤18逆時針勻速轉動，通過連桿19帶動下針排做橫向運動，最終由下針排縱向運動與橫向運動的相互配合，帶動經紗S運動，與經紗G形成絞織開口。

以O點為坐標原點，針排橫向運動方向為x軸方向，建立Oxy坐標系，點O(x1,y1)，B(x1,y1)，C(x1,y1)，Z(x1,y1)在坐標系的坐標分別是(0,0)，(201,107)，(1 123,-45)，(1 310,476)。該機構為雙自由度雙驅動機構，滾輪半徑R=65.0 mm，若以下針排在最底端位置時刻為織機的開口0°位置，當針排在最底端時，主凸輪的最高點與E點處的滾輪接觸，副凸輪的最低點與F點處的滾輪接觸，偏心盤18的偏心距L2=2.1 mm，初始位置由λ1(含義見圖5)確定，各機構參數含義見圖5，相關參數如表1所示。

7—下針排；10—共軛凸輪；11—滾輪；12—擺桿；13—提綜臂；14—送桿；15—搖桿；16—傳動桿；17—撐桿；18—偏心盤；19—連桿。圖4 伺服絞織綜框驅動機構簡圖Figure 4 Schematic diagram of drive mechanism of servo heald frame

圖5 絞織開口機構示意圖Figure 5 Schematic diagram of twisted shedding mechanism

表1 機構初始參數Table 1 Initial parameters of mechanism

3 機構運動分析

以λ表示凸輪的運動位置(即主軸轉角)，Δφ2表示伺服電機的轉角開展機構運動學分析。

3.1 凸輪擺桿機構運動分析

3.1.1 凸輪理論廓線分析

圖6 求凸輪理論廓線Figure 6 Theoretical cam profile

根據圖6建立矢量方程：

(1)

矢量方程(1)對x0軸、y0軸投影，可得：

(2)

根據式(2)求得矢量OEi的向徑和向徑角分別為：

(3)

3.1.2 凸輪擺桿運動規律分析

如圖7所示，以O點為坐標原點，以OB0為x1軸建立Ox1y1坐標系。

圖7 擺桿運動規律Figure 7 Movement law of pendulum

(4)

機架從OB0位置到達OBi位置的位置角λi為：

(5)

3.2 四連桿機構運動分析

絞織開口機構中的BJMC為平面四連桿機構，如圖8所示，以B點為坐標原點，以BC為x2軸建立Bx2y2坐標系，在Bx2y2坐標系下建立矢量方程：

圖8 四連桿機構簡圖Figure 8 Schematic diagram of four-bar linkage

BJ+JM=BC+CM。

(6)

矢量方程(6)對x2，y2軸投影，可得：

(7)

由式(7)解得：

(8)

其中，遙桿CM在第4象限，式(8)取負號，

假設α5的計算過程函數為：

3.3 六連桿滑塊機構運動分析

絞織開口機構中的CQTVUZ構成了一個六連桿滑塊機構，為了分析方便，以Z點為坐標原點，以ZC為x3軸建立Zx3y3坐標系，如圖9所示。

圖9 六連桿滑塊機構簡圖Figure 9 Schematic diagram of six-bar linkage slider mechanism

建立矢量方程：

ZC+CQ+QT+TV=ZU+UV。

(9)

由圖5可知：

φ3=α5+α6+α7-360°。

α6∈(0,π)。

矢量方程(9)對x3，y3軸投影，可得：

(10)

式中：L1，φ1，L2φ2，L3，φ3，L4，φ4，L5，φ5，L6和φ6分別為矢量ZC,ZU,CQ,QT,TV,UV的模和幅角；φ1=0；φ2為電機軸轉角，且

根據式(10)運用MATLAB軟件計算出φ4與φ6，求解函數如下：

[φ4,φ6]=solve (L1cosφ1+L3cosφ3+L4cosφ4+L5cosφ5-L2cosφ2-L6cosφ6,L1sinφ1+L3sinφ3+L4sinφ4+L5sinφ5-L2sinφ2-L6sinφ6)。

(11)

3.4 綜框運動規律分析

以C點為坐標原點，建立Cxy坐標系，平行于Oxy坐標系，如圖10所示。

圖10 下針排位移簡圖Figure 10 Schematic diagram of lower needle row displacement

矢量CT在Zx3y3坐標系下的模和幅角分別為：

(12)

如圖10所示，矢量CT在y軸上的投影L8即為下針排的縱向位移，在x軸上的投影L9即為下針排的橫向位移，且有

(13)

假設下針排縱向位移的計算過程函數為：

則下針排縱向位移的動程為：

(14)

假設下針排橫向位移的計算過程函數為：

則下針排橫向位移的動程為：

(15)

3.5 綜框運動規律驗證

利用Pro/E軟件建立三維模型，如圖11所示。并進行運動仿真，設定主軸轉速為300 r/min，伺服電機軸轉速為150 r/min，運行時間為0.4 s。得到下針排縱向仿真曲線S1和橫向仿真曲線S2，將仿真結果與理論計算結果進行對比，結果如圖12所示。從圖12可看出，仿真結果與理論計算結果相吻合。

圖11 絞織開口機構三維模型Figure 11 Three-dimensional model of weaving shedding mechanism

圖12 下針排運動規律Figure 12 Movement law of lower needle row

4 機構參數分析與優化

4.1 偏心盤起始位置對綜框運動規律的影響

當共軛凸輪起始位置不變，改變偏心盤起始位置時，由Pro/E導出下針排運動規律曲線。當λ1為270°，0°，90°，180°時得到下針排的縱向運動規律曲線S1，S1-1，S1-2，S1-3和橫向運動規律曲線S2，S2-1，S2-2，S2-3，如圖13和14所示。

圖13 下針排縱向運動規律曲線Figure 13 Curve of longitudinal movement law of lower needle row

圖14 下針排橫向運動規律曲線Figure 14 Curves of lateral movement law of lower needle row

從圖13～14中看出，主軸轉角對縱向位移沒有影響，但對橫向位移影響較明顯，并且存在2個問題：

1)下針排橫向位移的極值位置不統一。

2)在1個開口周期內，下針排橫向都迅速地來回了1次。

上述問題都不符合織造工藝要求，因此需要對該機構進行優化。

4.2 綜框理想運動規律

下針排理想的運動規律，應是在2個開口周期內，橫向來回1次，并且下針排在帶動經紗的運動過程中不與上針排的鋼針接觸，理想運動規律如圖15所示。S3，S4分別為下針排理想的縱向與橫向運動規律曲線。

圖15 下針排理想運動規律曲線Figure 15 Curves of ideal movement law of lower needle row

4.3 機構優化

4.3.1 機構的優化設計

根據下針排理想的運動規律，需要分離縱向與橫向運動，設計出的機構如圖16所示。

7—下針排；10—共軛凸輪；11—滾輪；12—擺桿；13—提綜臂；14—送桿；15—搖桿；16—傳動桿；17a—新撐桿；18—偏心盤；19a—新連桿；20—傳動滑塊；21—小連桿；22—連接滑塊。圖16 優化后機構簡圖Figure 16 Schematic diagram of optimized mechanism

其中：新撐桿17a替代了原撐桿17，在新撐桿17a與下針排7之間新增了連接滑塊22和小連桿21；新連桿19a替代了原連桿19，在新連桿19a與下針排7之間新增了傳動滑塊20。優化后的機構參數如表2所示。對優化后的機構在Pro/E中建模仿真，得到下針排的運動規律，如圖17所示。S5，S6分別為機構優化后下針排的縱向與橫向運動規律曲線。

表2 優化后機構參數Table 2 Optimized mechanism parameters mm

圖17 優化后下針排運動規律曲線Figure 17 Curves of lower needle row movement law after optimization

根據機構優化后下針排的運動規律，得到下針排帶動經紗運動的軌跡如圖18所示。上針排上的鋼針與經紗存在摩擦，使經紗容易出現斷經的情況。根據圖18中經紗S的運動軌跡，假設經紗S在針排中從D1位置開始運動，經過D2，D3，D4位置，到達D5位置，實現絞織的第1次開口，然后按原路返回，實現絞織的第2次開口。在第1次絞織開口周期內，D2位置為經紗S與鋼針2開始接觸位置，D3位置為經紗S與鋼針2終止接觸位置，經紗S與鋼針2的接觸長度為I1和I2，根據圖17的運動規律可知，當開口動程為60 mm時，經紗與鋼針的接觸長度：I1=I2=38 mm。針對玻纖織物，經紗S與鋼針接觸著運動，特別是在經過D3位置時，玻纖經紗容易斷經。因此針對不同的紗線，需要配合不同的伺服電機運動規律，以減少經紗與鋼針的接觸時間和接觸距離。

圖18 經紗S運動軌跡Figure 18 Trajectory of warp yarn S

4.3.2 伺服電機運動規律設計

在不改變連接件尺寸的情況下，通過對伺服電機軸角位移的設計，改變下針排橫向運動規律。根據圖19所示的曲線組合方法，對伺服電機軸角加速度進行設計，假設λ=ωt，則角加速度a可表示為：

圖19 伺服電機軸角加速度曲線Figure 19 Angular acceleration curve of servo motor shaft

(16)

式中：α，η，μ分別為a01，a12，a23段的轉角系數；ω為主軸轉速；A為伺服電機軸角加速度峰值。

對式(16)中的時間t積分，得到伺服電機軸角速度δ為：

(17)

對式(17)中的時間t積分，得到伺服電機軸角位移Δφ2為：

(18)

其中:

伺服電機運動規律設計參數如表3所示，將表3中的參數代入式(16)～(18)中，得到伺服電機運動規律如圖20所示。圖20中，Sa為伺服電機軸角加速度曲線，Sδ為伺服電機軸角速度曲線，Sφ為伺服電機軸角位移曲線，圖中Sa，Sδ和Sφ以λ=270°為起始位置。

表3 伺服電機運動規律設計參數Table 3 Motion law design parameters of servo motor

圖20 伺服電機運動規律曲線Figure 20 Movement law curves of servo motor

4.3.3 優化后綜框運動規律分析

課題組按照優化后的絞織開口機構和伺服電機軸角位移曲線，在Pro/E中建模仿真，獲得的下針排運動規律曲線與圖15中的曲線相吻合。若下針排按照優化后的運動規律相互配合，則經紗S與鋼針2的接觸長度I1為0。因此下針排按照新的運動規律移動，既符合織造工藝要求，也能避免經紗與鋼針的摩擦。

5 結論

課題組通過對伺服絞織綜框驅動機構運動規律的分析，結合織造工藝要求，研究綜框運動規律的合理性。

1)運用矢量法構建了伺服絞織綜框驅動機構運動過程的數學模型，列出了綜框動程求解方程。利用Pro/E軟件建立了機構的三維模型，并進行運動仿真，結果顯示仿真結果與理論結果相一致，驗證了數學模型的正確性。

2)通過對偏心盤4個起始位置情況下的綜框運動規律的分析可知：偏心盤起始位置對綜框縱向運動沒有影響，但對綜框橫向運動有較為顯著地影響，并且都不符合織造工藝要求；同時提出了綜框理想的運動規律曲線，可為機構的優化提供依據。

3)根據綜框理想的運動規律，設計出了一種新機構構型，優化后的機構配合新設計的伺服電機運動規律克服了原機構的缺陷，在保證綜框運動規律符合織造工藝要求的情況下，有效減少了斷經，在實際應用中，可提高絞織物的質量和生產效率。