韓斌斌，王益軒，梁瑜洋，陳榮榮

（西安工程大學 機電工程學院，西安 710048）

0 引言

引緯速度是影響剛性劍桿織機織造效率的重要因素。采用雙劍機構(gòu)，兩側(cè)布置中央交接的引緯方式，在相同的引緯速度條件下，引緯時間可以縮短［1］，但是接緯劍（送緯劍）的運動曲線是一條弧線并非直線，增大了織口的高度，同時接緯劍的運動存在空行程，減小了劍桿的有效動程。因此，劍桿引緯機構(gòu)適應(yīng)于織造普通織物，對于多緯織物及三維織物的織造就顯得不太適應(yīng)了。

提高剛性劍桿織機的織造效率，可以通過提高引緯速度的方式實現(xiàn)。提高引緯速度，劍桿工作行程和空行程的速度同時提高，但是過大的引緯速度反而會增加紗線的沖擊，導致緯紗斷頭率增加，不僅未達到縮短引緯時間的效果，反而降低了織造效率。而保持工作速度不變，減小回程時間（增加速度），相對而言也是提高了引緯速度，縮短了引緯時間。鑒于此采用牛頭刨床的導桿機構(gòu)作為剛性劍桿織機的引緯機構(gòu)。該機構(gòu)工作時速度較慢且平穩(wěn)，回程時速度較快，對開發(fā)劍桿織機和三維織機引緯機構(gòu)具有較大的研究價值。

1 導桿機構(gòu)的工作原理

傳統(tǒng)剛性劍桿織機的劍桿傳動是由打緯機構(gòu)的筘座運動和引緯機構(gòu)合成，打緯機構(gòu)和引緯機構(gòu)聯(lián)動。本文采用的劍桿傳動導桿機構(gòu)與打緯機構(gòu)分離，各自獨立傳動，打緯機構(gòu)采用六連桿打緯，由主軸直接傳動；兩套導桿機構(gòu)分別裝在兩側(cè)墻板外側(cè)，由兩臺伺服電機分別傳動控制。因而，送緯劍和接緯劍的運動與筘座運動無關(guān)，當筘座接近后死心時，劍桿對準梭口完成引緯。

導桿機構(gòu)的最大優(yōu)點是具有急回特性，即空程速度快于工作行程的速度，與劍桿機構(gòu)相比，該機構(gòu)應(yīng)用到剛性劍桿織機引緯上，可以縮短引緯時間，提高織造效率。

導桿機構(gòu)的工作原理如圖1所示，各構(gòu)件的尺寸為：L1＝125 mm，L3＝600 mm，L4＝150 mm。原動件曲柄作圓周運動，通過滑塊帶動擺桿左右擺動，擺桿在擺動時，又借助連桿推動劍桿左右移動，完成送緯和接緯。

2 引緯機構(gòu)的虛擬樣機模型及仿真

2.1 引緯機構(gòu)的虛擬樣機模型

在ADAMS中建立了引緯機構(gòu)的虛擬樣機模型，如圖2所示，引緯機構(gòu)采用雙側(cè)布置，中央交接的引緯方式，送緯劍裝于送緯側(cè)，接緯劍裝于接緯側(cè)?？棛C工作時，送緯劍由送緯側(cè)平穩(wěn)地向中央交接處運動，在送緯劍達到交接處時，接緯劍也剛好運動到此進行交接，且接緯劍到達最大動程的時間要稍早于送緯劍；完成交接后送緯劍快速地回到送緯側(cè)，與此同時接緯劍攜帶著緯紗平穩(wěn)地返回引緯側(cè)，完成整個引緯過程。整個過程花費的時間只是引緯工作行程所需要的時間，即接緯劍和送緯劍攜帶緯紗運動的時間，省去了劍桿空行程消耗的時間。這兩個導桿機構(gòu)分別由兩臺獨立的伺服電機控制，通過合理地控制伺服電機，可以滿足上述運動規(guī)律的要求，大大縮短引緯時間，提高織造效率。

圖1 導桿機構(gòu)工作簡圖

圖2 引緯機構(gòu)的虛擬樣機模型

2.2 引緯機構(gòu)的仿真

在ADAMS中對引緯機構(gòu)的虛擬樣機模型添加約束后進行仿真，仿真時將兩臺電機的轉(zhuǎn)速都設(shè)置為360°／s，轉(zhuǎn)向相反，仿真時間為2 s，且送緯劍比接緯劍的運動時間遲0.1 s（因為送緯劍從送緯側(cè)向中央交接處的運動為工作行程，接緯劍從接緯側(cè)向交接處運動為空行程，且空行程的速度比工作行程的速度大，為了保證兩劍桿能夠順利交接，因此設(shè)置了時間差），分別得到了引緯機構(gòu)的位移曲線、送緯劍（或接緯劍）的運動規(guī)律曲線及引緯機構(gòu)的壓力角 變化曲線，如圖3～圖5所示。

圖3 引緯機構(gòu)的位移曲線

圖4 送緯劍的運動曲線

圖5 引緯機構(gòu)的壓力角曲線

雙劍桿織機上，送緯劍與接緯劍通常在筘幅的中央交接緯紗。為了改善交接的條件，有些劍桿織機采用接力交接的方法，即設(shè)計時讓兩劍有一段的交接沖程，且送緯劍開始退劍的時刻晚于接緯劍開始退劍的時刻［1］。由圖3可知，接緯劍先到達梭口中央A處開始近似短暫停頓至B點，接緯劍自B點開始后退的過程中，在B點與送緯劍（還未到達梭口中央）相遇開始交接，接緯劍繼續(xù)后退而送緯劍繼續(xù)前進（兩劍同向運動），接緯劍和送緯劍同向運動到C點再次相遇而完成交接，這時送緯劍幾乎到達梭口中央開始短暫停頓，至D點送緯劍開始后退，兩劍桿之間存在交接沖程。采用這種交接方式，使兩劍在交接時不易失誤，并且交接時緯紗所受到的沖擊力也小?？椩觳煌N類的紗線及不同組織的織物時，兩劍的相對運動規(guī)律有所差異，通過調(diào)整伺服電機的控制方式，可以達到預計的運動規(guī)律。

由圖4可知，單側(cè)劍桿的動程接近550 mm，采用兩側(cè)布置的形式，劍桿的總動程為1100 mm，適用于幅寬為1000 mm的劍桿織機；劍桿工作時，加速度波動較小，速度較為平穩(wěn)，有利于引緯，減少斷頭率；劍桿回程時，速度較高，縮短回程的時間，提高引緯效率。

在連桿機構(gòu)中常用傳動角的大小及變化情況來衡量機構(gòu)傳力性能的好壞，傳動角r越大，對機構(gòu)的傳力性能愈有利，為保證機構(gòu)的傳力性能良好，應(yīng)使rmin不小于40°、不大于50°［2］。由圖5可知壓力角a的變化范圍為－9.5815°～15.7315°，同時壓力角a與傳動角r互余，滿足rmin不小于40°，不大于50°的要求，說明該機構(gòu)的傳動性能良好。

3 加速度和動程的優(yōu)化分析

在引緯過程中，速度變化越小，劍桿運動越平穩(wěn)，引緯效果越好，而加速度的大小反映速度的波動程度［3］。因此，減小工作行程加速度的最大值，有利于減小速度的波動，但是減小加速度的同時，又會導致劍桿的動程減小，影響織造織物的幅寬。為了探索加速度和動程的相互影響程度如何，以及影響程度有多大，有必要對加速度和動程進行靈敏度優(yōu)化分析。

由機構(gòu)的運動分析可知，曲柄長度的變化對機構(gòu)的加速度和動程影響最大，所以通過參數(shù)化A、B點（參見圖1導桿機構(gòu)簡圖）的坐標值，實現(xiàn)對曲柄長度的變化，從而對加速度的最小值和動程的最大值進行優(yōu)化。參數(shù)化后各點的坐標值如圖6所示，各點的變化區(qū)間為（－10，10），取定初始值后進行設(shè)計研究。

圖6 參數(shù)化各點的坐標值

優(yōu)化后得到表1中的數(shù)據(jù)，對比優(yōu)化前后的加速度可知，加速度最大值從28285.7989 mm／s2減小到16169.5436 mm／s2，減小了近42.84%；然而速度的最大值只減小了3.35%，優(yōu)化可以減小速度的波動，但是不明顯；同時劍桿的最大動程減小了92.9585 mm，減小了近17.06%，使劍桿的動程不能滿足織造幅寬為1000 mm織物的要求。對比優(yōu)化前后動程的數(shù)據(jù)可知，動程增大近62 mm，擴大了織造幅寬的范圍；與此同時速度和加速度也相應(yīng)地增大了39.52%和93.52%，速度波動較大，不利于引緯。

因此，在進行機構(gòu)的設(shè)計時，不能盲目地追求某一方面的最優(yōu)，要綜合各個方面的因素進行考慮。很多學者在進行導桿機構(gòu)設(shè)計時，只針對其中的某一參數(shù)優(yōu)化后，如動程、加速度以及壓力角等，就得出增大或減小該參數(shù)的值可使機構(gòu)的運動達到最優(yōu)的結(jié)論并不合理。

表1 優(yōu)化前后動程、速度、加速度的最大值

4 結(jié)論

4.1 采用導桿機構(gòu)作為剛性劍桿織機的引緯機構(gòu)，可以實現(xiàn)引緯的要求，并且引緯過程平穩(wěn)，回程速度快，縮短了引緯時間，更重要的是該機構(gòu)的設(shè)計、仿真及優(yōu)化比較容易。

4.2 通過對引緯機構(gòu)進行動程和加速度優(yōu)化后，可知減小劍桿的加速度可使速度的波動變小，有利于引緯，但同時劍桿動程也會減小，使劍桿適用于織造織物幅寬的范圍變?。幌喾丛龃髣U的動程后，加速度也相應(yīng)增大，與此同時速度波動較大，不利于引緯。因此，盲目地追求某一參數(shù)的最大化，并不合理。應(yīng)根據(jù)該機構(gòu)在引緯過程的需求，對機構(gòu)的尺寸進行適當調(diào)整。

4.3 通過調(diào)整伺服電機的控制方式，可以實現(xiàn)引緯劍和送緯劍準確地交接，但是電機的控制比較復雜。

5 結(jié)語

利用機械系統(tǒng)動力學仿真軟件ADAMS建立了導桿機構(gòu)的虛擬樣機模型，并進行仿真及優(yōu)化分析，得到該機構(gòu)的運動規(guī)律曲線。通過分析曲線，證實了導桿機構(gòu)的運動情況適用于剛性劍桿織機的引緯，不僅如此，在導桿機構(gòu)上安裝多個劍桿，還可以作為三維織機的引緯機構(gòu)，用于織造多緯織物及三維織物。導桿的優(yōu)點及應(yīng)用領(lǐng)域，隨著三維織機的開發(fā)還有待于進一步研究。

［1］陳人哲，陳明.紡織機械設(shè)計原理［M］.北京：中國紡織出版社，1996.

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［3］范彩霞，楊金峰.基于Adams的牛頭刨床擺動導桿機構(gòu)仿真及優(yōu)化［J］.煤礦機械，2003，34（4）：69－70.

［4］陳峰華.ADAMS2012虛擬樣機技術(shù)從入門到精通［M］.北京：清華大學出版，2013.

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