方 園,劉建邦,王國(guó)慶,伍 仲
(1.浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.金隆機(jī)械制造有限公司,浙江 紹興 312030)
雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)成圈機(jī)構(gòu)的建模研究與運(yùn)動(dòng)仿真
方 園1,劉建邦1,王國(guó)慶2,伍 仲1
(1.浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.金隆機(jī)械制造有限公司,浙江 紹興 312030)
針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法較傳統(tǒng),缺乏機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和仿真研究,存在運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性不高的問題,在對(duì)雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)成圈機(jī)制和關(guān)鍵工藝點(diǎn)研究的基礎(chǔ)上,分析了織針和三角瞬時(shí)受力狀況,采用SolidWorks三維建模技術(shù)創(chuàng)建了雙路進(jìn)線襪機(jī)成圈機(jī)構(gòu)的三維模型,進(jìn)行了機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。運(yùn)用ANSYS有限元分析技術(shù),對(duì)主要成圈機(jī)件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)模擬仿真,得到了織針位移、速度、加速度曲線,并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)成圈機(jī)件進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。結(jié)果表明,在成圈編織0.19 s(轉(zhuǎn)速為300 r/min)時(shí),加速度最大值為0.75×102m/s2,此值比優(yōu)化設(shè)計(jì)前有明顯減小,提高了雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
雙路進(jìn)線;電腦襪機(jī);成圈機(jī)件;SolidWorks;ANSYS
雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)主要用于生產(chǎn)休閑襪、提花襪等產(chǎn)品,該類襪機(jī)具有提花功能強(qiáng),編織性能優(yōu),生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛應(yīng)用。雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)采用先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù),具有兩路可同時(shí)成圈的編織系統(tǒng),結(jié)合成圈、集圈復(fù)合編織技術(shù)[1],不僅大大提高了編織速度,而且解決了單針筒襪機(jī)提花織物浮線過長(zhǎng),影響穿著的難題,提高了襪類產(chǎn)品的檔次和技術(shù)附加值,滿足電腦襪機(jī)高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)的使用要求。由于雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為緊湊,與普通單針筒電腦襪機(jī)相比,機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度更大,因而在襪機(jī)編織速度較高時(shí),織針和三角接觸瞬間易產(chǎn)生劇烈的碰撞運(yùn)動(dòng),不利于雙路進(jìn)線襪機(jī)的高速平穩(wěn)運(yùn)行。應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)和機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)分析[2],能使成圈機(jī)件獲得最佳的受力條件,達(dá)到提高雙路進(jìn)線襪機(jī)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和延長(zhǎng)使用壽命的目的。
本文綜合運(yùn)用SolidWorks、ANSYS等現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)分析手段,通過成圈機(jī)構(gòu)關(guān)鍵工藝點(diǎn)的分析及機(jī)構(gòu)的建模研究、運(yùn)動(dòng)仿真,對(duì)雙路進(jìn)線襪機(jī)成圈機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)一步提升了雙路進(jìn)線襪機(jī)的整機(jī)性能。
ANSYS是一款基于有限元技術(shù)的仿真軟件[3-4]。將 SolidWorks建模技術(shù)和 ANSYS 分析技術(shù)相結(jié)合,既能實(shí)現(xiàn)成圈機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模研究,又能對(duì)成圈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬仿真,并在建模、仿真分析的基礎(chǔ)上,達(dá)到對(duì)雙路進(jìn)線襪機(jī)成圈機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
在編織一般織物時(shí),雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)同時(shí)能兩路進(jìn)行成圈編織,如圖1所示。此時(shí),S1、S2系統(tǒng)將需要成圈的織針推動(dòng)上升,完成退圈,在起針刀三角和添紗閘刀三角配合下,S1、S2系統(tǒng)進(jìn)行成圈編織,織針在左右菱角的作用下彎紗成圈。
圖1 三角實(shí)物和走針軌跡Fig.1 Cam's object(a)and needle's movement trail(b)
雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)的提花編織與傳統(tǒng)單針筒襪機(jī)不同,針對(duì)傳統(tǒng)單針筒襪機(jī)的單面提花襪存在浮線較長(zhǎng)的問題,雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)在浮線編織時(shí),可在同一橫列相應(yīng)的織針上進(jìn)行集圈編織,此時(shí),S1、S2系統(tǒng)同時(shí)參加工作,S1系統(tǒng)編織產(chǎn)生的長(zhǎng)浮線,通過S2系統(tǒng)的集圈編織,浮線的中間紗線部分被集圈圈弧所束縛,從而避免橫列中浮線過長(zhǎng)的問題,并使織物反面線圈更為平整。編織的織物組織和提花織物效果如圖2所示。
織針和三角是成圈機(jī)構(gòu)的主要機(jī)件,襪子的不同組織編織和線圈配置取決于織針和三角不同運(yùn)動(dòng)配合??椺樅腿堑某扇﹃P(guān)鍵工藝點(diǎn)位置如圖3所示。成圈編織時(shí),在S1系統(tǒng)中,K-K為針筒筒口線,當(dāng)織針運(yùn)行到右菱角正下方時(shí),織針針鉤頂端與筒口線K-K的距離用符號(hào)ZK1max表示,ZK1max的大小可根據(jù)成圈工藝要求來確定,根據(jù)式(1)求出成圈點(diǎn)與筒口線的距離:
式中:S1表示筒口線K-K與成圈點(diǎn)的距離;L1表示織針長(zhǎng)度;φ表示針鉤直徑。將各個(gè)三角的尺寸參數(shù)代入式(1),可得:
同理在副編織系統(tǒng)(第2路成圈系統(tǒng))中,筒口線與成圈點(diǎn)的距離S2為
通過雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)主、副編織系統(tǒng)成圈原理的分析,可計(jì)算得到成圈關(guān)鍵工藝點(diǎn)參數(shù),為成圈機(jī)件的SolidWorks三維建模提供準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)。
圖2 浮線編織工藝圖Fig.2 Float knitting process diagram.(a)Fabric structure;(b)Fabric renderings
圖3 雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)成圈工藝位置Fig.3 Dual line hosiery machine's knitting processing positions
織針在三角針道中的運(yùn)動(dòng)速度較高,當(dāng)織針與三角接觸瞬間會(huì)產(chǎn)生碰撞現(xiàn)象,織針受力沿三角斜面上升,此時(shí)織針針踵與三角會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力[6-7]。要使織針保持平穩(wěn)運(yùn)行,需要研究織針與三角的動(dòng)態(tài)受力狀況。圖4示出織針與三角的受力示意圖。
織針的慣性力表達(dá)式為
縱向力學(xué)平衡方程為
水平力學(xué)平衡方程為
圖4 織針與三角受力示意圖Fig.4 Needle and cam's force conditions
力矩平衡方程為
即
將上式代入式(2)可得
式中,H為紗線張力、針槽潤(rùn)滑油黏性阻力、針的重力、針槽夾緊力(Fd)的總和,看做一個(gè)常數(shù)。
假設(shè)此時(shí)針筒轉(zhuǎn)過vt,織針位移為y,則
式中,δ為織針位移偏距。
織針位移偏距和織針與針槽間隙關(guān)系如下:
式中:K為比例系數(shù);Δ為針槽與織針的間隙。
將式(6)代入(5)可得
將δ代入整理為微分方程,可得
所求得微分方程的解為
式中:Fd為織針?biāo)艿降目v向作用力;S為織針受到針槽壁的作用力;Rk為織針受到針槽下部的橫向作用力;a、b分別為R和S的力矩臂;δ為織針位移偏距;μ1、μ2為摩擦因數(shù);θ為三角傾斜角度;α =2a/b-1。
R值的大小反映了三角對(duì)織針作用力的強(qiáng)弱,式(9)表示三角對(duì)織針作用力的大小和各個(gè)影響因素之間的關(guān)系,當(dāng)R值越大時(shí),織針受力越大,織針與三角的沖擊越強(qiáng)烈,襪機(jī)穩(wěn)定性就越差。
通過織針與三角的靜態(tài)受力分析可以對(duì)襪機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),提高襪機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性;但由于是靜力學(xué)分析,不能夠完全反映織針與三角的真實(shí)受力狀況,因此必須通過建模和仿真研究才能真正實(shí)現(xiàn)成圈機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
利用SolidWorks和ANSYS軟件分析技術(shù)相結(jié)合,將SolidWorks建模結(jié)果導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)成圈機(jī)構(gòu)的建模與仿真研究,并根據(jù)仿真研究結(jié)果能真實(shí)反映織針與三角的實(shí)際受力情況,以此對(duì)成圈機(jī)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
SolidWorks建模技術(shù)分為平面草圖建模技術(shù)和工程圖建模技術(shù),本文采用工程圖建模技術(shù),根據(jù)雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)成圈機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征和參數(shù),分別對(duì)三角、選針器、選針片、導(dǎo)針片以及織針進(jìn)行三維實(shí)體建模,在SolidWorks的裝配環(huán)境下完成成圈機(jī)件部件的組裝,并得到成圈機(jī)件三維模型,如圖5所示。
雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)成圈機(jī)件之間的受力分析是非線性動(dòng)力學(xué)問題,對(duì)成圈機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模后,可利用有限元分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)分析和仿真研究[7-8],ANSYS有限元求解和仿真過程如圖6所示。
圖5 成圈機(jī)件三維實(shí)體模型Fig.5 3-D structure of knitting elements
圖6 ANSYS運(yùn)動(dòng)仿真步驟圖Fig.6 Step figures of ANSYS motion simulation
前處理是通過SolidWorks完成各零件的特征化建模,后處理使用ANSYS的GUI把IGES格式的三維模型導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA系統(tǒng)中求解,并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化處理,求解時(shí)需要把網(wǎng)格化的模型以Jobname.k文件形式導(dǎo)出,對(duì)k文件進(jìn)行相應(yīng)修改,再把修改好的k文件導(dǎo)入LS-DYNA970求解器求解,設(shè)定機(jī)器轉(zhuǎn)速為300 r/min,求解可得到仿真結(jié)果[9]。通過LS-PREPOST輸出雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)織針運(yùn)動(dòng)仿真曲線,如圖7所示。
圖7 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果Fig.7 Results of motion simulation.(a)Needle's displacement;(b)Needle's velocity;(c)Needle's acceleration
從圖7(b)中可發(fā)現(xiàn),由于織針在三角針道中依次和各三角發(fā)生碰撞,從而使織針?biāo)俣仍诓煌瑫r(shí)刻產(chǎn)生一定的變化。從圖7(c)可看出織針加速度始終以0為軸線進(jìn)行上下振蕩變化,這是由于織針和各三角以及導(dǎo)針片反復(fù)碰撞的結(jié)果。
LS-DYNA970仿真求解時(shí),設(shè)定織針?biāo)俣葹?.2 m/s,已知各三角角度為θ,可根據(jù)織針與三角的受力分析計(jì)算織針理論速度值,同時(shí)通過仿真求解得到織針真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù),二者對(duì)比見表1。
表1 織針?biāo)俣壤碚撝蹬c仿真結(jié)果對(duì)比表Tab.1 Comparison of needle's theoretical speed and stimulated speed
由ANSYS/LS-DYNA系統(tǒng)輸出的仿真結(jié)果可知,成圈過程中織針的加速度呈現(xiàn)不斷的變化,當(dāng)針筒轉(zhuǎn)過 345°時(shí),加速度達(dá)到最大值為 1.0×102m/s2,表明此時(shí)三角對(duì)織針有較大的沖擊,因此有必要對(duì)主要成圈機(jī)件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,減小織針與三角的沖擊力,提高成圈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。本文著重對(duì)主要成圈機(jī)件織針和三角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
織針與三角作用力作用于織針針踵,圖8示出織針與三角作用力示意圖。
圖8 強(qiáng)度校核Fig.8 Strength check.(a)Contact analysis;(b)Contact point position
考慮到針踵與三角碰撞的運(yùn)動(dòng)極限情況,本文以織針受到最大作用力的情況進(jìn)行分析。假設(shè)針踵與三角的接觸點(diǎn)為P,接觸角為θ,根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)原理可求得針踵受到的最大應(yīng)力σmax,表達(dá)式為
式中:Enp表示相當(dāng)彈性模數(shù),Enp=;ρnp表示綜合曲率半徑,ρnp=
在P點(diǎn)處,它的切線應(yīng)力的最大值為
根據(jù)式(10)、(11)可知,當(dāng) ρnp增大時(shí),σmax和ζmax減小,因此可以在三角和織針針踵的接觸面上構(gòu)造一個(gè)內(nèi)接圓弧,從而達(dá)到增大ρnp的目的,這樣既可減小三角對(duì)針踵的沖擊力,也可減小三角對(duì)織針針踵的摩擦損耗。
由于雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)三角采用的是傳統(tǒng)的直線-圓弧三角,容易造成織針受力過大,襪機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性變差,襪機(jī)速度受到限制;為此,可采用三角運(yùn)動(dòng)曲線的優(yōu)化來改善織針受力。本文擬采用直線B樣條曲線對(duì)三角曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),B樣條曲線的方程定義為
式中:Pi(i=0,1,…,n)為曲線控制頂點(diǎn);Ni,k(t)(i=0,1,…,n)為 k階(k-1)次 B 樣條基函數(shù)。
根據(jù)織針在三角軌道中的位移值可得到數(shù)據(jù)點(diǎn)xi(i=0,1,2,…,n),這些數(shù)據(jù)點(diǎn)一般是不均勻的,必須進(jìn)行參數(shù)化,可以采用弦長(zhǎng)參數(shù)化,即:
然后將這些參數(shù)化結(jié)果加以運(yùn)算:
則[t0,tn]=[0,1],此時(shí)非均勻樣條曲線可以寫成:
式中:i為第i段曲線;Pi為控制點(diǎn)。
式中:(t-x)n+是截?cái)鄡绾瘮?shù),將工藝點(diǎn)參數(shù)化后,可得到B樣條曲線的表達(dá)式:
式中:u是參數(shù)且 u∈[0,1];i是第 i段曲線,i=0,1,2,…,n -3;Pi為第 i個(gè)控制點(diǎn)。
得到控制點(diǎn) V0,V1,V2,V3,……后,將各控制點(diǎn)代入B樣條基函數(shù),得到B樣條曲線的端點(diǎn)P0,P1,P2,P3……,連接各端點(diǎn)可得B樣條曲線,圖9示出選取4個(gè)工藝點(diǎn)時(shí)B樣條曲線的示意圖。
圖9 襪機(jī)三角B樣條曲線的設(shè)計(jì)優(yōu)化Fig.9 B-spline curve design optimization of hosiery machine
當(dāng)采用直線-圓弧三角時(shí),如圖10所示,設(shè)織針與三角的接觸點(diǎn)為M,在三角角度為53°,織針正常編織的水平速度為1.2 m/s時(shí),可得
式中:ν1為織針縱向速度;σ為織針受到的沖擊應(yīng)力;ρ為織針的密度;c為應(yīng)力波傳播速度。
圖10 襪機(jī)三角曲線設(shè)計(jì)優(yōu)化示意圖Fig.10 Curve design optimization of hosiery machine's cam
用B樣條曲線的方法對(duì)直線-圓弧三角進(jìn)行改進(jìn)得到MN段曲線,取代原來的折線,使三角傾斜角減小,從而有效減小了織針針踵對(duì)三角碰撞的沖擊力,此時(shí)織針的縱向速度和沖擊應(yīng)力為
通過對(duì)直線-圓弧三角的優(yōu)化設(shè)計(jì),可使織針的沖擊應(yīng)力明顯下降,使織針和三角的動(dòng)力學(xué)性能得到明顯提升,減小了織針和三角的磨損,成圈機(jī)件運(yùn)行更加平穩(wěn),噪聲更小,襪機(jī)穩(wěn)定性和可靠性得到提升。
使用美國(guó)Cooke公司的Pro.1200s高速攝影儀測(cè)試成圈運(yùn)動(dòng)曲線,采用MatLab7.5軟件進(jìn)行圖形處理,繪制得到織針位移、速度、加速度曲線[10]。拍攝時(shí)襪機(jī)無紗線喂入,通過MatLab7.5圖像擬合處理可以得到織針的各運(yùn)動(dòng)參數(shù),測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。
圖11 測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置Fig.11 Test experimental device
測(cè)試時(shí),設(shè)定雙路進(jìn)線襪機(jī)的機(jī)速為1.2 m/s,將拍攝頻率設(shè)置在2000 fps。經(jīng)高速攝影實(shí)驗(yàn)得到織針成圈過程位移參數(shù),將參數(shù)記錄在Excel表格中,并以M文件的形式導(dǎo)入MatLab7.5,結(jié)合ployfit擬合函數(shù)和函數(shù)微分得到織針各運(yùn)動(dòng)曲線,如圖12所示。對(duì)比圖7、12發(fā)現(xiàn),通過ANSYS系統(tǒng)得到的仿真運(yùn)動(dòng)曲線和高速攝影得到的實(shí)際位移曲線變化規(guī)律相同,得到的各個(gè)參數(shù)十分相似,精度誤差約為5%,驗(yàn)證了仿真研究的分析結(jié)果。結(jié)果表明,在成圈編織進(jìn)行到0.19 s(機(jī)器轉(zhuǎn)速為300 r/min)時(shí),加速度達(dá)到最大值為0.75×102m/s2。
1)雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)有2個(gè)成圈編織系統(tǒng),編織平針織物時(shí),襪機(jī)編織效率提高近1倍;當(dāng)提花組合編織時(shí),可主系統(tǒng)進(jìn)行提花編織,副系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行集圈編織,不僅解決了提花組織浮線過長(zhǎng)影響穿著的難題,還提高了編織效率和產(chǎn)品檔次。
2)基于SolidWorks建模技術(shù)和成圈機(jī)件關(guān)鍵工藝點(diǎn)的分析,實(shí)現(xiàn)了雙路進(jìn)線襪機(jī)成圈機(jī)件三維建模分析;并結(jié)合ANSYS有限元分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)了成圈機(jī)件的運(yùn)動(dòng)仿真,為雙路進(jìn)線電腦襪機(jī)成圈機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論分析的方法。
圖12 運(yùn)動(dòng)擬合曲線圖Fig.12 Motion fitting curves.(a)Needle's displacement curve;(b)Needle's velocity curve;(c)Needle's acceleration curve
3)經(jīng)成圈機(jī)構(gòu)的建模研究與運(yùn)動(dòng)仿真,對(duì)雙路進(jìn)線襪機(jī)成圈主要成圈機(jī)件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),明顯改進(jìn)了雙路進(jìn)線襪機(jī)的平穩(wěn)性,提升了整機(jī)性能。高速攝像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)成圈編織0.19 s(機(jī)器轉(zhuǎn)速為 300 r/min)時(shí),加速度最大值為 0.75×102m/s2,此值比優(yōu)化前有明顯減小。
4)高速攝影實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線與ANSYS系統(tǒng)仿真所得的運(yùn)動(dòng)曲線基本一致,驗(yàn)證了仿真研究結(jié)果的正確性。
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Modeling and motion simulation of dual line computerized hosiery machine's knitting element
FANG Yuan1,LIU Jianbang1,WANG Guoqing2,WU Zhong1
(1.College of Textiles and Materials,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,Zhejiang 310018,China;2.Jinlong Machinery Manufacturing Co.,Ltd.,Shaoxing,Zhejiang 312030,China)
The design methods of domestic dual input computerized hosiery machine was conventional.It was not only lack of appropriate analysis and simulation research for institutional dynamics,but also its stability needed to be improved.The instantaneous force status of needle and cams was analyzed based on the dual input computerized hosiery machine's knitting theory and key process points.3-D model of knitting element was created with Solid Works 3-D modeling technology,and then the research of mechanics dynamics was conducted.ANSYS finite-element analysis technology was employed to simulate the movement of main knitting element.The curve of needle's displacement,velocity and acceleration were acquired by the above analyses.According to the simulation parameters of needle's movement,the knitting element was optimized.The results reveal that acceleration reaches a maximum of 0.75 ×102m/s2when knitting time is 0.19 s.In comparison with the value before design optimization of knitting element,it reduces significantly,and the smoothness of dual input computerized hosiery machine improves.
dual line;computerized hosiery machine;knitting element;SolidWorks;ANSYS
TS 183.5
A
10.13475/j.fzxb.20140302408
2014-03-11
2015-02-09
浙江理工大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(13010263-J(2013年))
方園(1958—),男,教授,碩士。主要研究方向?yàn)獒樋棛C(jī)械。E-mail:fyuan123@126.com。
book=99,ebook=99