楊建成，姜海濤，蔣秀明（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

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碳纖維立體織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性仿真

楊建成1，2，姜海濤1，2，蔣秀明1，2
（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

針對(duì)現(xiàn)有碳纖維立體織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)打緯力不足的弊端，提出利用矢量法來分析，并在Simulink環(huán)境下采用不同輸入信號(hào)將對(duì)心式和偏置式曲柄滑塊打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真對(duì)比分析，得到了2種情況下滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)曲柄輸入狀態(tài)為勻角速度時(shí)，采用偏置式曲柄滑塊打緯機(jī)構(gòu)不僅滿足織機(jī)所需的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且相較于對(duì)心式機(jī)構(gòu)更能滿足織機(jī)對(duì)打緯力的要求。

碳纖維；立體織機(jī)；打緯機(jī)構(gòu)；矢量法

碳纖維及其立體織物的復(fù)合材料［1-4］具有一系列優(yōu)異的性能，近年來在航空、汽車、能源、航天、運(yùn)動(dòng)器材、交通等許多領(lǐng)域得到飛速發(fā)展.本文針對(duì)課題“碳纖維多層角聯(lián)機(jī)織裝備及技術(shù)研究”重點(diǎn)突破碳纖維多層角聯(lián)機(jī)織裝備等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料［5-8］預(yù)制件的機(jī)械化生產(chǎn)實(shí)驗(yàn).打緯是織造工藝中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步提高立體織機(jī)的織造性能，對(duì)打緯機(jī)構(gòu)的研究分析具有明顯的必要性.

一般打緯機(jī)構(gòu)［9-12］從結(jié)構(gòu)上，通常劃分為連桿式和共軛凸輪式兩大類，并且連桿打緯機(jī)構(gòu)又可劃分為四連桿、六連桿兩種形式.現(xiàn)有碳纖維立體織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)采用的是一組平行放置的偏置式曲柄滑塊裝置同步驅(qū)動(dòng)鋼筘打緯，通過控制曲柄滑塊機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的輸入?yún)?shù)實(shí)現(xiàn)變打緯力輸出，可適應(yīng)不同層數(shù)、不同規(guī)格立體織物的打緯力需求.然而，織機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，在曲軸轉(zhuǎn)速一定的情況下，會(huì)發(fā)現(xiàn)織出的織物略顯松散，考慮到不能一味通過提高車速的方法來提高打緯力，給整機(jī)帶來額外的震動(dòng)，影響織機(jī)運(yùn)作，本文通過矢量法來分析，并在simulink模塊下輸入不同信號(hào)對(duì)對(duì)心式和偏置式2種不同形式的曲柄滑塊打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，得到作為打緯機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線，從而更加直接地觀察到打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，為打緯機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析［13-15］和優(yōu)化分析提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

1　打緯機(jī)構(gòu)矢量模型的建立

打緯機(jī)構(gòu)模型如圖1所示，打緯機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的向量模型如圖2所示.圖2中：牽手R2，向量R2的模為r2，轉(zhuǎn)角θ2，推桿R3，向量R3的模為r3，轉(zhuǎn)角θ3；R1為滑塊的位移，模為r1；R4為偏距，模為r4.

圖1　打緯機(jī)構(gòu)模型Fig.1　Model of beating-up mechanism

圖2　打緯機(jī)構(gòu)向量模型Fig.2　Vector model of beating-up mechanism

通過閉環(huán)矢量法由上圖求解出的偏置式打緯機(jī)構(gòu)的方程為：

分解矢量方程到y(tǒng)和x坐標(biāo)軸上，

對(duì)式（2）、式（3）式求導(dǎo)后得到打緯機(jī)構(gòu)速度方程分別為：

式中：ω3表示推桿角速度；r.1為R1矢量變化率.改為矩陣形式為

式中：ω2表示曲柄角速度.對(duì)式（2）和式（3）求二階導(dǎo)數(shù)，并將求解出的打緯機(jī)構(gòu)的加速度方程改成矩陣形式：

2　Simulink仿真模型的建立

2.1建立Simulink仿真模型

圖3為編寫完成的機(jī)構(gòu)仿真模型.

圖3　打緯機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.3　beating-up mechanism simulation model

將式（6）編寫的函數(shù)導(dǎo)入Function模塊中，其中輸入?yún)?shù)為5個(gè)，分別為曲柄轉(zhuǎn)速ω2、曲柄角加速度α2、推桿轉(zhuǎn)速ω3、連桿轉(zhuǎn)角θ3和曲柄轉(zhuǎn)角θ2；輸出參數(shù)為2個(gè)，分別為滑塊的加速度r¨1和連桿的角加速度α3.

程序如下：

2.2運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果及分析

通過觀察幾何關(guān)系及編寫相應(yīng)的程序求出需要的初始條件.通過以下2種情況來進(jìn)行分析：一種為曲柄在特定角加速度的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)；另一種情況為曲柄勻速運(yùn)轉(zhuǎn).

（1）曲柄以188.5 rad/s勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行時(shí)間為0.07 s，表1為初始條件.

表1　仿真的初始條件Tab.1　Simulation initial conditions

曲柄運(yùn)動(dòng)速度比較快故在0.07 s內(nèi)，曲柄可運(yùn)動(dòng)2周.通過simulink模塊對(duì)偏置式曲柄滑塊打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真.能夠得到滑塊隨曲柄運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的位移，速度和加速度的圖像，結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示.

圖4　滑塊位移曲線Fig.4　Slider displacement curve

圖5　滑塊速度曲線Fig.5　Slider speed curve

（2）輸入狀態(tài)為勻角加速度時(shí)，仿真模型與勻角速度相似.仿真時(shí)間為4 s，輸入角加速度為10 rad/s2，則打緯機(jī)構(gòu)滑塊位移、速度、加速度變化曲線如圖7、圖8和圖9所示.

圖6　滑塊加速度曲線Fig.6　Slider acceleration curve

圖7　勻角加速度時(shí)滑塊位移曲線Fig.7　Displacement curve of sliding block when uniform angular acceleration

圖8　勻角加速度滑塊速度曲線圖Fig.8　Angular acceleration slider velocity curve

圖9　勻角加速度滑塊加速度曲線Fig.9　Angular acceleration curve

同樣的方法，可以得到對(duì)心式曲柄滑塊在相同條件下的對(duì)應(yīng)曲線.由于本文主要是針對(duì)打緯力的研究，并且通過觀察得到的曲線后發(fā)現(xiàn)兩者曲線大體相似，只是數(shù)值不同，故不再位移、速度等分析對(duì)象進(jìn)行贅述，下文只給出相同條件下，對(duì)心式曲柄滑塊加速度曲線圖如圖10所示，便于分析兩種情況下打緯力變化.

圖10　對(duì)心曲柄滑塊加速度曲線Figure 10　Crack slider acceleration curve

3　結(jié)果分析

本文提出運(yùn)用矢量法的方法來分析碳纖維立體織機(jī)不同排布形式下的打緯機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能，降低了不必要的動(dòng)力消耗，提高打緯機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性，并通過Solidworks三維建模及Simulink運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真對(duì)幾種方案進(jìn)行分析對(duì)比，驗(yàn)證了本文提出的方案的可行性及預(yù)期效果，并得到以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)比得出的曲線可以分析出，不同輸入狀態(tài)下，曲線變化較大.

（2）在輸入狀態(tài)分別為勻角速度和角加速度時(shí)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種排布形式的打緯機(jī)構(gòu)中，滑塊速度在勻角速度時(shí)都要比勻角加速度的變化時(shí)要慢.所以，勻角速度信號(hào)狀態(tài)下機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性更好，精確度更高.

（3）輸入狀態(tài)為勻角速度時(shí)，當(dāng)4 s仿真時(shí)間結(jié)束時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)速為40 rad/s，曲柄旋轉(zhuǎn)80 rad，約為13圈，通過觀察圖7與圖8可以看出，確定的曲柄旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和給出的周期數(shù)相吻合.觀察滑塊位移曲線可以得到滑塊所經(jīng)歷的各個(gè)位置，能夠看出機(jī)構(gòu)間是否有干涉，并且由滑塊速度仿真曲線可分析出滑塊的機(jī)構(gòu)特性，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求，而滑塊加速度仿真曲線則能夠?yàn)閼T性力的求解提供便利.

（4）在曲軸轉(zhuǎn)速相同并且為勻速的條件下，在本織機(jī)特定環(huán)境下對(duì)心式比偏置式曲柄滑塊最大加速度高近15%，所以采用對(duì)心排布形式的曲柄滑塊在同等條件下所能提供的打緯力更足，利于織造過程的高效進(jìn)行.

4　結(jié)語(yǔ)

通過改變Function函數(shù)，能夠得到不同時(shí)刻的速度、加速度和位置的值，而且便于分析它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的變化.并且，運(yùn)用MATLAB軟件強(qiáng)大的矩陣計(jì)算功能進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)分析，能夠得到不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)間的相互關(guān)系，為以后研究打緯機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能分析及運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性等方面提供了基礎(chǔ).

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Kinematics simulation in carbon fiber multilayer loombeating-up mechanism

YANG Jian-cheng1，2，JIANG Hai-tao1，2，JIANG Xiu-ming1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin City Key Laboratory of Modern Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Aiming at the disadvantages of the existing carbon fiber three-dimensional loom beating-up mechanism of beating up force being insufficient，the vector method is proposed，and using different input signals of heart type and offset slipscrank beating up mechanism kinematic analysis of simulation under Simulink environment，the motion curve under the two conditions of the slider are obtained.The experimental results show that when the crank input state for uniform angular velocity，slipscrank beating up mechanism can meet the desired motion of the loom，compared to the heart of mechanism，can also meet the requirements of loom beating up force.

carbon fiber；multilayer woven；beating up mechanism；vector method

TS103.134A

1671－024X（2016）03－0084－05

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.03.016

2016-01-15

國(guó)家十二五科技支撐項(xiàng)目“碳纖維多層角聯(lián)機(jī)織造裝備及技術(shù)研發(fā)”（2011BAF08B02）

楊建成（1962—），男，教授，主要研究方向?yàn)樾滦图徔棛C(jī)械及自動(dòng)化應(yīng)用等.E-mail：yjcq@yahoo.cn