韓斌斌 王益軒 路 超 梁渝洋 趙 梅

西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048

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三維織機整機虛擬樣機的設(shè)計研究*

韓斌斌 王益軒 路 超 梁渝洋 趙 梅

西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048

介紹幾種三維機織物的組織結(jié)構(gòu)，如正交織物、間隔織物、角聯(lián)鎖織物，以及正交織物和角聯(lián)鎖織物的演化形式。對織造這幾種織物的三維織機進(jìn)行虛擬樣機設(shè)計與仿真研究。通過對織機整機(不包括送經(jīng)和卷取機構(gòu))進(jìn)行仿真分析可知，開口機構(gòu)、引緯機構(gòu)及打緯機構(gòu)不僅能滿足織造三維織物的要求，而且各個機構(gòu)的運動規(guī)律較好，為三維織機的研發(fā)提供了有價值的參考。

三維機織物，三維織機，開口機構(gòu)，引緯機構(gòu)，打緯機構(gòu)，虛擬樣機，仿真分析

三維紡織復(fù)合材料是由三維織物和樹脂、陶瓷等基體復(fù)合而成的。三維機織物具有良好的整體性、層間性、仿形性，以及抗沖擊性、高損傷容限,將其作為三維紡織復(fù)合材料的增強相，賦予復(fù)合材料極佳的層間剪切強度，極好的抗沖擊損傷性，適宜的韌性和較高的比強度、比模量,同時它還具有質(zhì)量輕、剛度大、強度高、耐腐蝕、耐高溫等特點,在航空航天、交通運輸、汽車、船舶、體育用品、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)研制的三維織機多為手動或半機械化的,或處于實驗室樣機階段,而且可織制的三維織物品種少,質(zhì)量穩(wěn)定性很難保證,在織造裝備研制方面始終沒有突破性進(jìn)展[1-3]，由此可見研制三維機織物的織造設(shè)備——三維織機的重要性和必要性。

三維機織物的組織規(guī)律復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式較多，但通常都是由多層經(jīng)紗與多根緯紗交織而成的，交織完成后，將緯紗順利地推向織口并打緊。因此，開口機構(gòu)、引緯機構(gòu)及打緯機構(gòu)的設(shè)計就成了三維織機開發(fā)與研究的關(guān)鍵?？捎糜陂_口、引緯和打緯的機構(gòu)較多，主要有凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)以及兩者的組合機構(gòu)。如何根據(jù)織物的組織規(guī)律從機構(gòu)原理上實現(xiàn)織造要求，確定最佳的機構(gòu)組合形式和機構(gòu)最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是三維織機開發(fā)成敗的關(guān)鍵。

本文介紹的三維織機可織造正交織物、間隔織物、角聯(lián)鎖織物，以及正交和角聯(lián)鎖組合的織物，最適宜織造間隔織物。該織機采用電子開口機構(gòu)，安裝32頁綜框，在綜框上根據(jù)織物的組織結(jié)構(gòu)安裝不同形式的綜絲；引緯機構(gòu)采用空間連桿機構(gòu)，傳劍箱上可安裝不同數(shù)量的劍桿，劍桿的數(shù)量可超過10根；打緯機構(gòu)主要由引緯機構(gòu)的形式確定，采用長筘座腳的六連桿打緯機構(gòu)。通過仿真設(shè)計得到了較好的運動規(guī)律曲線，確定了三維織機上各個機構(gòu)中構(gòu)件的尺寸并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，可直接用于指導(dǎo)生產(chǎn)，具有較大的參考價值。(三維織機的送經(jīng)和卷取機構(gòu)的虛擬樣機已經(jīng)設(shè)計仿真成功，本文不再贅述。)

1 三維機織物

三維機織物作為紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的預(yù)制件,織物中的經(jīng)緯紗線不僅沿面內(nèi)分布,而且沿厚度方向分布,形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[3]。三維機織物的結(jié)構(gòu)形式較多，本文僅給出部分織物的結(jié)構(gòu)形式，這幾種織物也是本文所設(shè)計的織機能織造的織物，如圖1所示。每一種織物的組織規(guī)律不同，所具有的性能不同，其應(yīng)用場合也不同。

圖1 三維機織物的結(jié)構(gòu)形式

2 三維織機

根據(jù)三維機織物的組織規(guī)律和織造過程，確定三維織機各機構(gòu)的形式，并借助機械系統(tǒng)仿真分析軟件ADAMS進(jìn)行仿真設(shè)計與優(yōu)化，得出各機構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)。對機構(gòu)在運動過程中受力比較大的零件，則采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行動靜態(tài)設(shè)計，以保證機構(gòu)工作時的正常運行。然后采用CAD軟件(Pro/E、CATIA)建立織機的三維模型，最后再將整機模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行聯(lián)合仿真。通過仿真觀察各機構(gòu)的運動規(guī)律及與其他機構(gòu)的運動時序配合，并進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，直至達(dá)到預(yù)期的設(shè)計效果。

目前，已經(jīng)完成了織造厚重正交織物的三維織機虛擬樣機模型的建立并仿真調(diào)試成功，該織機采用雙向開口機構(gòu)、平行打緯機構(gòu)、剛性劍桿引緯機構(gòu)(水平方向和豎直方向上各安裝一套引緯機構(gòu)，工作時兩套引緯機構(gòu)同時運動)，織物的最大厚度可達(dá)1 m。完成了織造多軸織物三維織機虛擬樣機模型的建立并仿真調(diào)試成功，該織機主要應(yīng)用直線電機，織物的最大軸數(shù)為5軸。完成了可以織造正交織物、間隔織物及角聯(lián)鎖織物織機虛擬樣機模型的建立并仿真調(diào)試成功，其中包括4種機型，分別針對不同幅寬和不同組織規(guī)律的織物，這幾種機型織機的開口機構(gòu)采用雙向開口機構(gòu)、電子開口機構(gòu)，引緯機構(gòu)采用空間連桿引緯、導(dǎo)桿引緯、電磁引緯，打緯機構(gòu)采用短筘座腳六連桿打緯機構(gòu)、長筘座腳六連桿打緯機構(gòu)、平行打緯機構(gòu)。正在研制“積木型”三維織機，也就是根據(jù)織物的組織規(guī)律及結(jié)構(gòu)形式，合理地選擇各機構(gòu)的最佳組合形式，然后像搭積木一樣將它們組合起來，并且各機構(gòu)之間采用撓性連接，同時還要采取相應(yīng)的減振措施，使各機構(gòu)相對獨立，避免工作時產(chǎn)生的沖擊和振動相互傳遞而影響其他機構(gòu)的正常工作。正在開發(fā)適于織造正交織物、間隔織物、角聯(lián)鎖織物、多層織物的通用型三維織機，開發(fā)適于織造更為復(fù)雜形狀的三維織物(殼形、圓形)織機。

借助ADAMS、ANSYS、Pro/E及CATIA，完成了幾種三維織機虛擬樣機的研制，每一種織機不僅可以織造某種特定織物，還可以織造其他織物。圖2為4種形式三維織機機身的虛擬樣機模型(主要包括開口機構(gòu)、引緯機構(gòu)及打緯機構(gòu))，圖3為安裝了圖2(a)機身的三維織機整機的三維模型。三維織機的送經(jīng)機構(gòu)、機身和卷取機構(gòu)相對獨立，這樣就給安裝輔助裝置留足了空間，如為了開清梭口通常要在送經(jīng)機構(gòu)和開口機構(gòu)之間安裝分紗裝置，織造間隔織物時要在機身和卷取機構(gòu)之間安裝額外卷取裝置。三維織機的機構(gòu)較二維織機復(fù)雜，尺寸也相對大得多，如幅寬100 cm的三維織機安裝了圖2(a)的機身后整機長5 850 mm、寬3 215 mm、高2 550 mm。

圖2 三維織機的機身類型

圖3 三維織機整機的三維模型

三維織機機身機型1主要由電子開口機構(gòu)、六連桿打緯機構(gòu)和空間連桿引緯機構(gòu)組成，可用于織造圖1中的幾種三維織物，最適宜織造間隔織物。下面重點介紹這三大機構(gòu)的工作原理和基于ADAMS軟件的分析與設(shè)計方法。

3 開口機構(gòu)

3.1 開口機構(gòu)的工作原理

電子開口機構(gòu)由32臺獨立伺服電機控制開口運動，采用偏心盤四連桿開口方式。其工作原理如圖4所示，伺服電機的驅(qū)動力矩通過聯(lián)軸器傳遞給小齒輪1，借助小齒輪1和大齒輪2的嚙合，驅(qū)使與大齒輪同軸固結(jié)的曲柄3(即偏心盤)作整周轉(zhuǎn)動，曲柄3通過曲柄搖桿機構(gòu)(3、4、5、機架)使三臂桿5擺動，三臂桿擺動時一方面通過搖桿滑塊機構(gòu)(5、6、10、機架)驅(qū)動綜框10上下運動，另一方面通過平行四邊形機構(gòu)(5、7、8、機架)將運動傳遞給二臂桿8，二臂桿又借助搖桿滑塊機構(gòu)(8、9、10、機架)驅(qū)使綜框運動。

3.2 開口機構(gòu)的仿真分析與設(shè)計

在ADAMS中建立各桿件連接點并作為關(guān)鍵點，通過參數(shù)化各點使得各桿件參數(shù)化，通過選取不同的桿件參數(shù)為設(shè)計變量，確定合理的優(yōu)化目標(biāo)和步長，經(jīng)過大量的反復(fù)仿真確定機構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)。引緯機構(gòu)和打緯機構(gòu)的確定也采用這種方法，下文不再贅述。下面是最終確定的機構(gòu)仿真曲線。

圖4 單頁綜框開口機構(gòu)的虛擬樣機模型

仿真時電機的轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 600°/s(600 r/min)。由于大小齒輪的傳動比為1∶10，則偏心盤的速度為360°/s(60 r/min)。仿真時間設(shè)置為2 s，在此期間綜框完成兩個運動周期，如圖5所示。

由圖5可知，綜框的運動規(guī)律為簡諧運動。平綜時，綜框的速度最大，有利于上下層經(jīng)紗迅速分離，開清梭口；梭口滿開時，綜框速度最小，有利于引緯；在開口終了和開始閉口時，加速度變化平穩(wěn)緩和，有利于減小綜框的振動。可見，電子開口機構(gòu)具有較好的運動規(guī)律，使經(jīng)紗運動平穩(wěn)，張力波動小，綜框振動小，從而降低紗線斷頭率[4-5]。

3.3 織造平紋織物時的仿真分析

織造不同組織的織物時，所需的綜框頁數(shù)不同，有幾頁綜框就需要幾套圖4所示的機構(gòu)。為了得到不同的綜框運動規(guī)律，需要給伺服電機添加不同的運行函數(shù)。織物組織越復(fù)雜，綜框頁數(shù)越多，運行函數(shù)的編寫越困難。因此，為了減輕編程的工作量，安裝時應(yīng)盡量將各頁綜框安裝在同一高度，可以是平綜位置，也可以是兩個極限位置，或者是其他位置，并以此位置作為參考，根據(jù)不同織物的組織要求，編寫伺服電機的運行函數(shù)。

本文以織造平紋織物(三維間隔織物的中間層織物采用的就是平紋組織)為例，來觀察綜框的運動規(guī)律。織造平紋織物至少需要2頁綜框，也就需要2套圖4所示的機構(gòu)。仿真時間設(shè)置為2 s，控制奇數(shù)頁綜框的伺服電機設(shè)置為3 600°/s,控制偶數(shù)頁綜框的伺服電機設(shè)置為step(time,0,0 d,1,3 600 d)， 得到綜框的運動規(guī)律曲線，如圖6所示。

由圖6可知：對于織造平紋織物來說，奇數(shù)頁和偶數(shù)頁綜框的運動時序控制比較準(zhǔn)確，同時到達(dá)平綜及滿開位置；平綜時，速度最大，梭口滿開時，速度最小，加速度變化平緩。由此可知，綜框的運動規(guī)律完全符合織造平紋織物的要求，并且綜框的運動規(guī)律較好。

圖6 織造平紋織物時綜框的運動規(guī)律曲線

4 引緯機構(gòu)

引緯機構(gòu)采用空間連桿引緯、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)。根據(jù)織物所需的緯紗數(shù)目，在劍桿箱上安裝不同數(shù)量的劍桿。

空間連桿引緯是傳統(tǒng)剛性劍桿織機所采用的引緯方式，劍桿傳動是由打緯機構(gòu)的筘座運動和引緯機構(gòu)合成的，打緯機構(gòu)和引緯機構(gòu)聯(lián)動。

4.1 引緯機構(gòu)的工作原理

如圖7所示，引緯機構(gòu)主要由曲柄搖桿機構(gòu)O4DEO5、搖桿滑塊機構(gòu)O6HI和HJK，以及空間連桿FG組成。W平面是指XO3Y平面，代表曲柄搖桿機構(gòu)O4DEO5的運動平面，同時也是打緯機構(gòu)O1ABO2CO3的運動平面；V平面是指YO3Z平面；V′平面是指搖桿滑塊機構(gòu)O6HI和HJK相對于搖桿(筘座)O3NM 的運動平面，且該平面始終垂直于W平面，V′的鉛垂位置是V平面。

引緯機構(gòu)的工作原理：主軸O1通過帶傳動驅(qū)使軸O4整周轉(zhuǎn)動，軸O4轉(zhuǎn)動時通過曲柄搖桿機構(gòu)O4DEO5帶動連桿DEF作平面運動?？臻g連桿FG通過球面副F和G將連桿DEF與角臂桿GO6H連接起來，并將連桿的運動傳遞給角臂桿。角臂桿GO6H的短臂O6G繞軸O6上下擺動時，角臂桿的長臂O6H就帶動搖桿JI擺動，搖桿擺動時借助搖桿滑塊機構(gòu)HJK驅(qū)動安裝在劍桿箱K上的劍桿L進(jìn)行接緯(或送緯)[6-7]。

圖7 引緯和打緯機構(gòu)示意圖

4.2 引緯機構(gòu)的仿真分析與設(shè)計

仿真時主軸O1的轉(zhuǎn)速設(shè)置為180°/s，仿真時間設(shè)置為4 s，在此期間主軸轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)，引緯機構(gòu)完成2次引緯。

由接緯劍(送緯劍)的運動規(guī)律曲線(圖8)可知，劍桿的有效動程為623 mm，超出了接緯劍動程(460～530 mm)的范圍，同時動程可調(diào)，符合織機幅寬為100 cm的要求；空動程的最大值為55 mm， 在適宜的范圍(20～70 mm)之內(nèi)；在要求暫停的區(qū)域(285°～310°)，劍桿位移的均方差值小于0.5 mm，相對靜止較為理想；沒有回跳現(xiàn)象[8]。

圖8 劍桿的運動規(guī)律曲線

4.3 送緯劍和接緯劍的聯(lián)合仿真分析

送緯劍和接緯劍的傳動機構(gòu)相同，分別安裝于織機兩側(cè)(參見圖2、圖3)。

由圖9的位移曲線可知，為了保證送緯劍和引緯劍的準(zhǔn)確交接，以及在交接時緯紗所受的沖擊力較小，在兩劍桿之間存在著交接沖程。由速度和加速度曲線可知，除接緯劍和送緯劍的加速度在第一次達(dá)到最大位置的一半處出現(xiàn)沖擊外，機構(gòu)的運動較為平穩(wěn)。

由送緯劍和接緯劍交接處位移曲線的放大圖(圖10)可知，根據(jù)不同織物的組織規(guī)律，兩劍桿之間的交接沖程可調(diào)。

圖9 送緯劍和接緯劍的運動規(guī)律曲線

圖10 送緯劍和接緯劍交接處的位移放大圖

5 打緯機構(gòu)

目前，織機的打緯機構(gòu)一般采用四連桿、六連桿及共軛凸輪機構(gòu)。四連桿打緯機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易,但不能保證在打緯后死心位置有較長的停頓時間；共扼凸輪打緯機構(gòu)可使筘座在后死心位置處完全靜止，并且根據(jù)需要靜止時間可達(dá)200°以上，較長的靜止時間非常有利于引緯，但凸輪的安裝及制造精度要求很高；六連桿打緯機構(gòu)既能保證筘座在打緯后死心位置附近有較長的停頓時間，又具有良好的機構(gòu)動態(tài)性能及制造安裝性能[9-10]。

5.1 打緯機構(gòu)的工作原理

六連桿打緯機構(gòu)是由2套四連桿機構(gòu)串聯(lián)而成的，如圖7所示。其工作原理：主軸O1通過曲柄搖桿機構(gòu)O1ABO2驅(qū)動搖桿O2B繞軸O2轉(zhuǎn)動，搖桿轉(zhuǎn)動時又借助雙搖桿機構(gòu)O2BCO3驅(qū)使固結(jié)在搖桿O3C 上的鋼筘運動，進(jìn)行打緯。

5.2 打緯機構(gòu)的仿真分析與設(shè)計

由圖11可知，長筘座腳的六連桿打緯機構(gòu)沒有充分發(fā)揮六連桿在后死心位置具有較長靜止時間的優(yōu)勢，但這并不會影響它的應(yīng)用。因為采用空間連桿引緯時，選用長筘座腳的六連桿打緯機構(gòu)，引緯機構(gòu)和打緯機構(gòu)聯(lián)動，即在整個打緯過程中劍桿相對于筘座運動，與開口機構(gòu)配合可使劍桿有充足的時間進(jìn)行引緯。

圖11 鋼筘的運動規(guī)律曲線

6 引緯和打緯機構(gòu)聯(lián)合仿真分析

仿真時主軸O1的轉(zhuǎn)速設(shè)置為180°/s，由于大小帶輪的傳動比為1∶2，所以軸O4的轉(zhuǎn)速為360°/s，仿真時間設(shè)置為4 s，在此期間主軸轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)，完成2次引緯和打緯。

由劍桿和鋼筘的位移曲線(圖12)可知，在初始位置時劍桿和鋼筘之間存在位移差，該位移差是劍桿和鋼筘安裝時保留的相對位置，憑借著這個差值使得打緯機構(gòu)在后死心停留位置的長短不會影響引緯，這種布置形式也是傳統(tǒng)剛性劍桿織機的精華所在。根據(jù)梭口的大小，位移差可以進(jìn)行調(diào)整。從整個曲線來看，鋼筘到達(dá)后死心位置時，劍桿也運動到最大位移處進(jìn)行送緯(或接緯)，鋼筘到達(dá)前死心位置進(jìn)行打緯時，劍桿回到初始位移，劍桿和鋼筘的運動時序配合較為準(zhǔn)確。由速度和加速度曲線(圖13)可知，機構(gòu)的運動較為平穩(wěn)(除打緯機構(gòu)第一次達(dá)到后死心位置外)，具有較好的動態(tài)特性。

圖12 劍桿和鋼筘的位移曲線

圖13 劍桿和鋼筘的運動規(guī)律曲線

7 結(jié)語

(1) 目前已完成織造不同幅寬和不同組織規(guī)律的三維織機虛擬樣機模型的建立。由于篇幅限制，文中沒有介紹某個機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程，也沒有針對某一種織物的織造過程進(jìn)行仿真分析。

(2) 送經(jīng)機構(gòu)采用積極送經(jīng)方式，安裝4個經(jīng)軸，每個經(jīng)軸上帶1個張力調(diào)節(jié)裝置。

(3) 開口機構(gòu)采用安裝32頁綜框的電子開口機構(gòu)，該機構(gòu)的動程可調(diào)；根據(jù)織物組織規(guī)律的不同，每頁綜框可安裝不同形式的綜絲(單眼、多眼及單眼與多眼的混合)。

(4) 引緯機構(gòu)采用空間連桿機構(gòu)，該機構(gòu)主要由3套四桿機構(gòu)和空間連桿組成。根據(jù)不同三維織物所需的緯密數(shù)，傳劍箱上可安裝不同數(shù)量的劍桿，劍桿數(shù)可達(dá)十多根。

(5) 打緯機構(gòu)采用長筘座腳的六連桿打緯機構(gòu)，織機工作時打緯機構(gòu)和引緯機構(gòu)聯(lián)動，劍桿相對于筘座運動，與開口機構(gòu)配合可使得引緯機構(gòu)有充足的時間引緯。

(6) 卷取機構(gòu)根據(jù)織造的三維織物不同而有所不同，如織造正交織物(織物不厚)，可采用機外大卷裝的方式進(jìn)行卷??；織物較厚時，采用平拉式卷取?？椩扉g隔織物時，要采用平拉式卷取，同時在卷取時為了保持織物的形狀，還要增加其他機構(gòu)。

(7) 該織機織造矩形間隔織物時使用73臺伺服電機(整機五大機構(gòu))，織造角聯(lián)鎖織物時使用45臺伺服電機。總之，該織機除了卷取機構(gòu)上使用的電機數(shù)量外，至少要使用40臺伺服電機。因此在控制上較為復(fù)雜，可采用貝加萊多軸伺服控制器。

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Design of three-dimensional weaving machine virtual prototypes

Han Binbin， Wang Yixuan， Lu Chao, Liang Yuyang, Zhao Mei

School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China

Several kinds of pattern contexture of 3D woven fabric, such as orthogonal fabric, spacer fabric, angle interlocked fabric and the derivatives of orthogonal fabric and angle interlocked fabric were introduced. In order to weave these fabric contextures, the design and simulation of three-dimensional virtual prototype were made. By the simulation analysis of the whole machine, except for let-off mechanism and take-up mechanism, it is known that shedding mechanism, weft insertion mechanism and beating-up mechanism can not only meet the requirements of weaving 3D fabric, but also have better motion characteristics. A good reference for the development and research of 3D weaving machine is provided with great practical value.

3D woven fabric, 3D weaving machine, shedding mechanism, weft insertion mechanism, beating-up mechanism, virtual prototype, simulation analysis

*陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項目(2013JC17)

2014-11-17

韓斌斌，男，1985年生，在讀碩士研究生，研究方向為CAD/CAE/CAM及虛擬樣機技術(shù)

TS103.3

A

1004-7093(2016)04-0029-08