韓斌斌，王益軒，梁瑜洋，陳榮榮

（西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048）

0 引言

引緯速度是影響剛性劍桿織機(jī)織造效率的重要因素。采用雙劍機(jī)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(shí)間可以縮短［1］，但是接緯劍（送緯劍）的運(yùn)動(dòng)曲線是一條弧線并非直線，增大了織口的高度，同時(shí)接緯劍的運(yùn)動(dòng)存在空行程，減小了劍桿的有效動(dòng)程。因此，劍桿引緯機(jī)構(gòu)適應(yīng)于織造普通織物，對(duì)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(jī)的織造效率，可以通過(guò)提高引緯速度的方式實(shí)現(xiàn)。提高引緯速度，劍桿工作行程和空行程的速度同時(shí)提高，但是過(guò)大的引緯速度反而會(huì)增加紗線的沖擊，導(dǎo)致緯紗斷頭率增加，不僅未達(dá)到縮短引緯時(shí)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(shí)間（增加速度），相對(duì)而言也是提高了引緯速度，縮短了引緯時(shí)間。鑒于此采用牛頭刨床的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)作為剛性劍桿織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)工作時(shí)速度較慢且平穩(wěn)，回程時(shí)速度較快，對(duì)開發(fā)劍桿織機(jī)和三維織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)具有較大的研究?jī)r(jià)值。

1 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的工作原理

傳統(tǒng)剛性劍桿織機(jī)的劍桿傳動(dòng)是由打緯機(jī)構(gòu)的筘座運(yùn)動(dòng)和引緯機(jī)構(gòu)合成，打緯機(jī)構(gòu)和引緯機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)。本文采用的劍桿傳動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與打緯機(jī)構(gòu)分離，各自獨(dú)立傳動(dòng)，打緯機(jī)構(gòu)采用六連桿打緯，由主軸直接傳動(dòng)；兩套導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)分別裝在兩側(cè)墻板外側(cè)，由兩臺(tái)伺服電機(jī)分別傳動(dòng)控制。因而，送緯劍和接緯劍的運(yùn)動(dòng)與筘座運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，當(dāng)筘座接近后死心時(shí)，劍桿對(duì)準(zhǔn)梭口完成引緯。

導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)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(jī)構(gòu)相比，該機(jī)構(gòu)應(yīng)用到剛性劍桿織機(jī)引緯上，可以縮短引緯時(shí)間，提高織造效率。

導(dǎo)桿機(jī)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(dòng)件曲柄作圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)滑塊帶動(dòng)擺桿左右擺動(dòng)，擺桿在擺動(dòng)時(shí)，又借助連桿推動(dòng)劍桿左右移動(dòng)，完成送緯和接緯。

2 引緯機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型及仿真

2.1 引緯機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型

在ADAMS中建立了引緯機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，如圖2所示，引緯機(jī)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(jī)工作時(shí)，送緯劍由送緯側(cè)平穩(wěn)地向中央交接處運(yùn)動(dòng)，在送緯劍達(dá)到交接處時(shí)，接緯劍也剛好運(yùn)動(dòng)到此進(jìn)行交接，且接緯劍到達(dá)最大動(dòng)程的時(shí)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(shí)接緯劍攜帶著緯紗平穩(wěn)地返回引緯側(cè)，完成整個(gè)引緯過(guò)程。整個(gè)過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間只是引緯工作行程所需要的時(shí)間，即接緯劍和送緯劍攜帶緯紗運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，省去了劍桿空行程消耗的時(shí)間。這兩個(gè)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)分別由兩臺(tái)獨(dú)立的伺服電機(jī)控制，通過(guò)合理地控制伺服電機(jī)，可以滿足上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求，大大縮短引緯時(shí)間，提高織造效率。

圖1 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)工作簡(jiǎn)圖

圖2 引緯機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型

2.2 引緯機(jī)構(gòu)的仿真

在ADAMS中對(duì)引緯機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型添加約束后進(jìn)行仿真，仿真時(shí)將兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速都設(shè)置為360°／s，轉(zhuǎn)向相反，仿真時(shí)間為2 s，且送緯劍比接緯劍的運(yùn)動(dòng)時(shí)間遲0.1 s（因?yàn)樗途晞乃途晜?cè)向中央交接處的運(yùn)動(dòng)為工作行程，接緯劍從接緯側(cè)向交接處運(yùn)動(dòng)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(shí)間差），分別得到了引緯機(jī)構(gòu)的位移曲線、送緯劍（或接緯劍）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線及引緯機(jī)構(gòu)的壓力角 變化曲線，如圖3～圖5所示。

圖3 引緯機(jī)構(gòu)的位移曲線

圖4 送緯劍的運(yùn)動(dòng)曲線

圖5 引緯機(jī)構(gòu)的壓力角曲線

雙劍桿織機(jī)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(jī)采用接力交接的方法，即設(shè)計(jì)時(shí)讓兩劍有一段的交接沖程，且送緯劍開始退劍的時(shí)刻晚于接緯劍開始退劍的時(shí)刻［1］。由圖3可知，接緯劍先到達(dá)梭口中央A處開始近似短暫停頓至B點(diǎn)，接緯劍自B點(diǎn)開始后退的過(guò)程中，在B點(diǎn)與送緯劍（還未到達(dá)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(jìn)（兩劍同向運(yùn)動(dòng)），接緯劍和送緯劍同向運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)再次相遇而完成交接，這時(shí)送緯劍幾乎到達(dá)梭口中央開始短暫停頓，至D點(diǎn)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(shí)不易失誤，并且交接時(shí)緯紗所受到的沖擊力也小。織造不同種類的紗線及不同組織的織物時(shí)，兩劍的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律有所差異，通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)的控制方式，可以達(dá)到預(yù)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

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

在連桿機(jī)構(gòu)中常用傳動(dòng)角的大小及變化情況來(lái)衡量機(jī)構(gòu)傳力性能的好壞，傳動(dòng)角r越大，對(duì)機(jī)構(gòu)的傳力性能愈有利，為保證機(jī)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(shí)壓力角a與傳動(dòng)角r互余，滿足rmin不小于40°，不大于50°的要求，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能良好。

3 加速度和動(dòng)程的優(yōu)化分析

在引緯過(guò)程中，速度變化越小，劍桿運(yùn)動(dòng)越平穩(wěn)，引緯效果越好，而加速度的大小反映速度的波動(dòng)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(dòng)，但是減小加速度的同時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致劍桿的動(dòng)程減小，影響織造織物的幅寬。為了探索加速度和動(dòng)程的相互影響程度如何，以及影響程度有多大，有必要對(duì)加速度和動(dòng)程進(jìn)行靈敏度優(yōu)化分析。

由機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析可知，曲柄長(zhǎng)度的變化對(duì)機(jī)構(gòu)的加速度和動(dòng)程影響最大，所以通過(guò)參數(shù)化A、B點(diǎn)（參見圖1導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖）的坐標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲柄長(zhǎng)度的變化，從而對(duì)加速度的最小值和動(dòng)程的最大值進(jìn)行優(yōu)化。參數(shù)化后各點(diǎn)的坐標(biāo)值如圖6所示，各點(diǎn)的變化區(qū)間為（－10，10），取定初始值后進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

圖6 參數(shù)化各點(diǎn)的坐標(biāo)值

優(yōu)化后得到表1中的數(shù)據(jù)，對(duì)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(dòng)，但是不明顯；同時(shí)劍桿的最大動(dòng)程減小了92.9585 mm，減小了近17.06%，使劍桿的動(dòng)程不能滿足織造幅寬為1000 mm織物的要求。對(duì)比優(yōu)化前后動(dòng)程的數(shù)據(jù)可知，動(dòng)程增大近62 mm，擴(kuò)大了織造幅寬的范圍；與此同時(shí)速度和加速度也相應(yīng)地增大了39.52%和93.52%，速度波動(dòng)較大，不利于引緯。

因此，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，不能盲目地追求某一方面的最優(yōu)，要綜合各個(gè)方面的因素進(jìn)行考慮。很多學(xué)者在進(jìn)行導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只針對(duì)其中的某一參數(shù)優(yōu)化后，如動(dòng)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)達(dá)到最優(yōu)的結(jié)論并不合理。

表1 優(yōu)化前后動(dòng)程、速度、加速度的最大值

4 結(jié)論

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

4.2 通過(guò)對(duì)引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)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(dòng)變小，有利于引緯，但同時(shí)劍桿動(dòng)程也會(huì)減小，使劍桿適用于織造織物幅寬的范圍變??；相反增大劍桿的動(dòng)程后，加速度也相應(yīng)增大，與此同時(shí)速度波動(dòng)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(jī)構(gòu)在引緯過(guò)程的需求，對(duì)機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.3 通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)的控制方式，可以實(shí)現(xiàn)引緯劍和送緯劍準(zhǔn)確地交接，但是電機(jī)的控制比較復(fù)雜。

5 結(jié)語(yǔ)

利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行仿真及優(yōu)化分析，得到該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。通過(guò)分析曲線，證實(shí)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況適用于剛性劍桿織機(jī)的引緯，不僅如此，在導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)上安裝多個(gè)劍桿，還可以作為三維織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)，用于織造多緯織物及三維織物。導(dǎo)桿的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，隨著三維織機(jī)的開發(fā)還有待于進(jìn)一步研究。

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