錢志鵬， 孟 婥， 左 碩， 羅 娟

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

電動地毯織槍機構(gòu)分析

錢志鵬， 孟 婥， 左 碩， 羅 娟

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

為掌握電動地毯織槍的使用方法和調(diào)試方式，提高織槍的織造質(zhì)量，以常規(guī)電動地毯織槍為研究對象，研究了織槍機械結(jié)構(gòu)特點和工作原理，根據(jù)建立的數(shù)學模型用MatLab-SIMULINK對織槍的主要運動機構(gòu)雙曲柄滑塊機構(gòu)進行運動學仿真和時序分析，明確了解針刀的配合要求，獲得了機構(gòu)的運動規(guī)律。結(jié)果表明，壓布板在鋼針尖和剪刀尖運動曲線交叉點位置之下，可以滿足織槍的工作要求。依據(jù)運動學方程得出不同絨高對應(yīng)的可調(diào)節(jié)桿長最優(yōu)值，并得出可調(diào)節(jié)桿長的調(diào)節(jié)趨勢，所得的理論數(shù)據(jù)可用于對織槍進行輔助調(diào)試，減少了調(diào)試時間。

電動地毯織槍； 機構(gòu)； 雙曲柄滑塊機構(gòu)； 鋼針

經(jīng)過數(shù)百年的發(fā)展[1]，地毯織造的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、外觀質(zhì)量等產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍[2-3]。但機制地毯仍不能完全取代手工地毯，特別是手工工藝毯。由于純手工織造效率低，與市場需求形成矛盾，電動地毯織槍的出現(xiàn)是手工織造技術(shù)的變革，提高了手工織造的生產(chǎn)效率和織造質(zhì)量。電動地毯織槍織造地毯圖案的大小不受織機限制[4]。目前手工地毯制品主要來自中國和印度[5]。一直以來簇絨技術(shù)都被少數(shù)發(fā)達國家的廠商所壟斷[6]，國內(nèi)的研究大多集中在大型簇絨裝備上[7-9]，僅有周虎等[10]針對地毯織槍進行了研究。因此，研究電動地毯織槍的織造原理，并進行機構(gòu)分析具有現(xiàn)實意義。本文以某電動地毯織槍為對象，通過對其有關(guān)參數(shù)與特性的相關(guān)性分析研究，確定合理的設(shè)計參數(shù)，使電動地毯織槍工作的穩(wěn)定性提高。

1 織槍機構(gòu)的工作原理

織槍結(jié)構(gòu)如圖1所示。機構(gòu)由電動機驅(qū)動，經(jīng)過二級齒輪降速后帶動2個曲柄滑塊機構(gòu)運動，使鋼針和剪刀交替刺入底布實現(xiàn)簇絨。

織槍工作過程如下：

1)在電動機的驅(qū)動下，鋼針先扎入底布，當鋼針開始返回時，剪刀則向前移動，此時剪刀處于開剪狀態(tài)。

2)當剪刀移過鋼針孔時，夾住紗線，剪刀沿著鋼針刺穿的孔繼續(xù)前移通過底布，并將紗線穿入底布；而鋼針則剛好退出底布，底布上的孔自然回縮。

3)剪刀向后移動，當活動剪刀片接觸到閉剪裝置時，剪刀閉合剪斷紗線；剪刀繼續(xù)后移直至脫離底布，形成的2個絨頭被夾在底布上逐漸回縮的針孔中。

4)在閉合的剪刀尚未完全退出底布時，鋼針開始第2次扎入底布，剪刀繼續(xù)后退至活動剪刀片接觸到開剪裝置，剪刀片被打開。至此織槍完成1個動作周期，按此循環(huán)。

2 雙曲柄滑塊機構(gòu)特性分析

2.1 雙曲柄滑塊機構(gòu)

運動學分析是了解機構(gòu)運動性能的重要手段，同時也是研究機構(gòu)動力性能的必要前提。

2.2 雙曲柄滑塊機構(gòu)的數(shù)學模型

由于上下2個曲柄滑塊機構(gòu)運動規(guī)律相同，且二者相關(guān)聯(lián)，因此，本文只分析上曲柄滑塊機構(gòu)。由圖3矢量封閉圖形OABE得封閉矢量方程[11-12]為

(1)

即l1·eiθ1+l2·eiθ2+l3·ei0=lOE·ei0

應(yīng)用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ，將式(1)的實部和虛部分離，即可得位置方程式為

(2)

對式(2)兩邊對時間t求導，得到速度方程式為

(3)

對式(3)兩邊對時間t求導，得到加速度方程式為

(4)

同理，可得下曲柄滑塊機構(gòu)的位置方程為

(5)

速度方程為

(6)

加速度方程為

(7)

2.3 基于Simulink的運動學仿真和分析

該雙曲柄滑塊機構(gòu)中，l1=10 mm、l2=60 mm、l3=100～120 mm、l4=12.5～25 mm、l5=70 mm、l6=100 mm、l=160～170 mm。

選用調(diào)試好的數(shù)據(jù)進行仿真，即l3=110 mm、l4=20 mm、l=165 mm、n1=120 r/min、θ=180°。將上述設(shè)計參數(shù)代入雙曲柄滑塊機構(gòu)的數(shù)學模型中，利用MatLab中的Simulink模塊編程求解[13-15]，得出鋼針和剪刀的運動規(guī)律曲線，如圖4～6所示。

由圖4可知，壓布位置處于鋼針尖和剪刀尖運動曲線交叉點位置之下，1個循環(huán)周期中有2個時間段，鋼針尖和剪刀尖同時處于地毯下方，2個時間段的持續(xù)時間相等(約為0.11個周期)。由圖6可知最大加速度為4 m/s2，2個滑塊質(zhì)量都在50 g左右，滑塊的慣性力最大為0.2 N，運動較為平穩(wěn)。設(shè)計考慮到尺寸限制，l2與l5盡可能長，以起到減小最大加速度和增大傳動角的作用。

h=l4+l5+l6-l

(8)

2.4 雙曲柄滑塊機構(gòu)的調(diào)試論證

由式(2)得

(9)

同理由式(5)得

(10)

由織槍機構(gòu)的工作原理可知，鋼針尚未離開底布剪刀已經(jīng)刺入底布、在剪刀尚未退出底布鋼針已經(jīng)開始了第2次扎入地毯底布，這2種狀態(tài)說明1個周期有2段時間鋼針和剪刀同時插在底布中。由2.3可知，θ=180°時，這2種狀態(tài)的持續(xù)時間相等，實際操作證明這樣的設(shè)置合理。

根據(jù)上述結(jié)論，進行反向推導輔助調(diào)試。設(shè)定θ=180°，h=20 mm，織造中每個周期鋼針和剪刀刺入織布中的時間相等且有10%的時間同時刺入底布中。

根據(jù)上述條件列出方程

(11)

將式(9)、(10)代入式(11)，利用MatLab編程求解式(11)，結(jié)果為

(12)

同理求得不同絨高時可調(diào)整參數(shù)的最優(yōu)值如表1所示。

表1 不同絨高時可調(diào)整參數(shù)的最優(yōu)值Tab.1 Optimal values of adjustable parameters corresponding with different pile heights mm

由表1可知，隨著絨高增大，l3和l應(yīng)調(diào)小，l4應(yīng)調(diào)大。以h=20 mm這組數(shù)據(jù)再次仿真，得到鋼針、剪刀的運動曲線如圖7所示。

由圖7可知，所得結(jié)果滿足要求，即每半個周期有10%的時間鋼針和剪刀同時刺入底布，且絨高h=20 mm。

3 結(jié) 論

2)基于運動學模型，運用MatLab計算織造不同絨高地毯時可調(diào)機構(gòu)的理論數(shù)據(jù)，為織槍操作者提供了調(diào)試依據(jù)，減少了調(diào)試時間。

FZXB

[1] 李琳. 淺談現(xiàn)代地毯的應(yīng)用與發(fā)展 [J]. 輕紡工業(yè)與技術(shù), 2011, 40(2): 57-59.LILin.Briefintroductiontotheapplicationanddevelopmentofmoderncarpet[J].LightandTextileIndustryandTechnology, 2011, 40(2): 57-59.

[2] 薛世鑫. 機制地毯 [M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2003:1-2.XUEShixin.Machine-MadeCarpet[M].Beijing:ChemicalIndustryPress, 2003:1-2.

[3] 劉歡勝. 簇絨地毯技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 [J]. 北京紡織, 2002, 23(3): 7-11.LIUHuanshen.Thepresentsituationoftuftingcarpettechnology[J].BeijingTextileJournal, 2002, 23(3): 7-11.

[4]CRAWSHAWGH,RUSSELLSJ.Wool[M].UK:WoodheadPublishing, 2002: 290-313.

[5]GOSWAMIKK.AdvancesinCarpetManufac-ture[M].UK:WoodheadPublishing, 2009: 182-268.

[6] 徐洋, 孫志軍, 孟婥, 等. 地毯簇絨系統(tǒng)紗線張力建模與分析 [J]. 紡織學報, 2010,31(12): 116-121.XUYang,SUNZhijun,MENGZhuo,etal.Modelingandanalysisonyarntensionofcarpettuftingmachine[J].JournalofTextileResearch, 2010,31(12): 116-121.

[7] 程杭杭. 地毯簇絨機簇絨針傳動機構(gòu)動力學分析 [J]. 制造業(yè)自動化, 2012,34(12): 117-119.CHENGHanghang.Dynamicalanalysisofdrivemechanismwithinacarpettuftingmachine[J].ManufacturingAutomation, 2012,34(12): 117-119.

[8] 李丁霖, 徐洋. 基于ADAMS的簇絨地毯機針連桿機構(gòu)動力學分析 [J]. 機械傳動, 2016,40 (2): 100-103.LIDinglin,XUYang.DynamicsanalysisofneedlerodmechanismoftuftingcarpetmachinebasedonADAMS[J].JournalofMechanicalTransmission, 2016,40(2): 100-103.

[9] 夏勝華, 孫以澤, 孟婥, 等. 簇絨地毯織機提花裝置的繞紗動態(tài)張力分析 [J]. 紡織學報, 2015,36(7): 136-141.XIAShenghua,SUNYize,MENGZhuo,etal.Dynamictensionanalysisonwindingyarninjacquarddeviceoftuftingcarpetmachine[J].JournalofTextileResearch, 2015,36(7): 136-141.

[10] 周虎, 李月, 禚洪昌, 等.SVG在手工槍刺地毯簇絨自動化中的應(yīng)用 [J]. 制造業(yè)自動化, 2015,37(5): 39-41,70.ZHOUHu,LIYue,ZHUOHongchang,etal.ApplicationofSVGinhand-tufedcarpettuftingautomation[J].ManufacturingAutomation, 2015,37(5): 39-41,70.

[11] 孫桓, 陳作模, 葛文杰. 機械原理 [M]. 北京：高等教育出版社, 2006:37-43.SUNHuan,CHENZuomo,GEWenjie.PrincipleofMechanics[M].Beijing:HigherEducationPress, 2006:37-43.

[12] 張游. 考慮運動副間隙的曲柄滑塊機構(gòu)動力學建模與分析 [D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學, 2013:30-34.ZHANGYou.Dynamicmodelingandanalysisofcrank-slidermechanismwithkinematicpairclearance[D].Harbin:HarbinInstituteofTechnology, 2013:30-34.

[13] 陳江義, 劉竹麗, 王迎佳.SIMULINK環(huán)境下雙曲柄滑塊機構(gòu)的運動學分析 [J]. 鄭州大學學報(工學版), 2009, 30(3): 79-81,86.CHENJiangyi,LIUZhuli,WANGYingjia.Kinematicanalysisfortwo-crank-slidermechanismbasedonSIMULINK[J].JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience), 2009, 30(3): 79-81,86.

[14] 陳德為. 曲柄滑塊機構(gòu)的MatLab仿真 [J]. 太原科技大學學報, 2005, 26(3): 172-175.CHENDewei.TheMatlabsimulationofslider-crankmechanism[J].JournalofTaiyuanUniversityofScienceandTechnology, 2005, 26(3): 172-175.

[15] 耿其東, 方志國. 偏置式曲柄滑塊機構(gòu)仿真與運動分析 [J]. 機械工程與自動化, 2011 (3): 49-51,54.GENGQidong,FANGZhiguo.Statisticsofpatternstructureforcashmere[J].MechanicalEngineeringandAutomation, 2011(3): 49-51,54.

Analysis on mechanical structure of electric tufting gun

QIAN Zhipeng， MENG Zhuo， ZUO Shuo， LUO Juan

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620， China)

In order to master the using method and debugging methods of the electric tufting gun and improve the quality of tufting, a type of the electric tufting gun was chosen as the research object. First, the mechanical structure characteristics and working principles of the electric tufting gun are introduced. Then, in order to be familiar with the coordination requirements between needle and scissor, MatLab-Simulink is used for the kinematics simulation and time series analysis of two-slider-crank mechanism. Finally the results of kinematics equation can be used for variable parameter adjustment, which is convenient for tufting gun debugging to satisfy the requirement of weaving the corresponding pile height. The theoretical data can be used to debug the tufting gun and reduce the debugging time.

electric tufting gun; mechanism; two-slider-crank mechanism; steel needle

10.13475/j.fzxb.20150901405

2015-09-07

2015-03-23

國家自然科學基金項目(51375084)；教育部博士點基金項目(20130075110002)

錢志鵬(1990—)，男，碩士生。主要研究方向為簇絨地毯機械。孟婥，通信作者，E-mail: mz@dhu.edu.cn。

TH 112.1

A