丁彩紅， 崔亞飛(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

平割平圈地毯織機(jī)的工藝時(shí)序分析與設(shè)計(jì)

丁彩紅， 崔亞飛
(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

針對我國地毯織造技術(shù)基礎(chǔ)研究相對薄弱的現(xiàn)狀，為給平割平圈地毯織機(jī)設(shè)計(jì)提供更多的理論指導(dǎo)，首先參考時(shí)間圓圖設(shè)計(jì)方法和一般割絨地毯織機(jī)的工藝要求，提出平割平圈地毯織機(jī)簇絨針和成圈鉤組件的運(yùn)動時(shí)序關(guān)系。然后通過對連續(xù)圈絨、割絨和圈割絨交替簇絨時(shí)的成圈工藝分析，指出成圈絨時(shí)簧片的動作稍超前于成圈鉤的遠(yuǎn)止點(diǎn)時(shí)刻，成割絨時(shí)簧片動作最晚時(shí)刻在成圈鉤的遠(yuǎn)止點(diǎn)時(shí)刻，得出平割平圈地毯織機(jī)的運(yùn)動時(shí)序關(guān)系圖。由于平割平圈地毯織機(jī)的簧片運(yùn)動由電氣控制實(shí)現(xiàn)，獨(dú)立于由主軸驅(qū)動的針、鉤、刀的運(yùn)動體系，因此，運(yùn)動時(shí)序的分析和設(shè)計(jì)可為成圈機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考。

平割平圈； 地毯織機(jī)； 時(shí)序； 成圈運(yùn)動； 遠(yuǎn)止點(diǎn)時(shí)刻

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高，地毯作為家居用品在近十年得到了普遍的使用，但相對于整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)，地毯產(chǎn)業(yè)還是一個(gè)相對小眾的產(chǎn)業(yè)，查閱2000年后與地毯織機(jī)、簇絨機(jī)相關(guān)的國內(nèi)期刊文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，除去不少報(bào)道性文章，文獻(xiàn)研究集中在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析[1-2]、紗線張力分析[3]、提花控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)[4]等方面，缺少開展地毯機(jī)械設(shè)計(jì)所涉及的工藝基礎(chǔ)研究。而地毯織造機(jī)械與紡織機(jī)械類似，具有機(jī)構(gòu)復(fù)雜，工藝繁多，動作時(shí)序配合要求高的特征，例如阿克明斯特地毯織機(jī)[5]不僅有經(jīng)緯編織底布工藝，還有植絨紗工藝，相比傳統(tǒng)的織機(jī)有許多類似，但工藝復(fù)雜程度不同，因此，需要多開展工藝分析，為企業(yè)自主設(shè)計(jì)地毯織機(jī)提供必要的基礎(chǔ)知識。

工藝時(shí)序反映紡織機(jī)械各工藝步驟、機(jī)構(gòu)動作在時(shí)間節(jié)拍上的相互關(guān)系，正確的工藝時(shí)序是紡織機(jī)械設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，因此，研究地毯織造機(jī)械的工藝時(shí)序是開展地毯織造機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容和基本依據(jù)。本文參考紡織機(jī)械設(shè)計(jì)中普遍采用的時(shí)間圓圖設(shè)計(jì)方法，將簇絨針、成圈鉤和成圈簧片的運(yùn)動時(shí)序關(guān)系集合在同一時(shí)間坐標(biāo)系中，根據(jù)成圈工藝要求，完成平割平圈(level-cut-loop，LCL)地毯織機(jī)的時(shí)序設(shè)計(jì)。

1 LCL地毯簇絨工藝分析

地毯簇絨織機(jī)種類多種多樣，但地毯織造的原理基本相同[6]，通過將紗線植入移動著的底布形成一行行的絨圈而織成地毯。參與簇絨工藝動作的主要執(zhí)行元件有簇絨針、成圈鉤和割刀，對于既有圈絨又有割絨的地毯，一般在成圈鉤上安裝可控制成圈鉤開口和閉口的成圈簧片元件。圖1示出LCL的簇絨工藝簡圖。LCL地毯簇絨織機(jī)可生產(chǎn)出等高的圈割絨組合的花形圖案，其工藝動作包括簇絨針的往復(fù)直線運(yùn)動、成圈鉤的往復(fù)回?cái)[運(yùn)動、割刀的上下回?cái)[運(yùn)動和簧片的直線伸縮運(yùn)動。當(dāng)簧片伸出時(shí)，成圈鉤鉤口被閉合，成圈鉤上的紗線可以逃脫形成圈絨；當(dāng)簧片縮回時(shí)，成圈鉤鉤口被打開，成圈鉤上的紗線無法逃脫而被割刀割斷形成割絨。紗線成圈絨還是成割絨主要取決于簧片的運(yùn)動狀態(tài)。

圖1 LCL的簇絨工藝簡圖Fig.1 Schematic diagram of LCL tufting

簧片放置于成圈鉤的側(cè)面溝槽內(nèi)，可沿溝槽做相對直線運(yùn)動。由圖1可知，小氣缸、彈簧、助動片、簧片和成圈鉤組合為一個(gè)LCL成圈鉤組件，其作用相當(dāng)于普通地毯機(jī)的成圈鉤。簇絨針、LCL成圈鉤組件和割刀的運(yùn)動由一個(gè)主軸通過多組連桿機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動。成圈鉤固定在LCL組件上，而簧片則以氣缸為動力源相對于組件是運(yùn)動的，因此，LCL地毯織機(jī)的成圈執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行2種運(yùn)動：同一主軸驅(qū)動的針、鉤、刀的簡諧運(yùn)動和簧片的相對直線運(yùn)動。成圈工藝時(shí)序關(guān)系主要表現(xiàn)為這2種運(yùn)動之間的時(shí)序匹配關(guān)系。

2 成圈運(yùn)動的針鉤時(shí)序分析

參考時(shí)間圓圖設(shè)計(jì)方法，將360°的圓展開為時(shí)間橫軸，以主軸工作周期T為1個(gè)周期，分析簇絨針、成圈鉤和簧片的動作時(shí)序關(guān)系。

主軸每轉(zhuǎn)1周，完成1次“針?biāo)图啞^勾紗—紗脫鉤或者刀割紗”，形成1個(gè)圈絨或者割絨。如果紗線被成圈鉤勾住后不脫鉤，就會被割刀割斷，因此，植絨的過程可以理解為“針?biāo)图啞^勾紗—紗脫鉤或者不脫鉤”。

有割絨工藝的地毯機(jī)械的底布和成圈鉤的前進(jìn)方向相反，以利于紗線留在鉤內(nèi)被割斷，但這不利于紗脫鉤。以成圈鉤上平面水平位置為簇絨針行程的零點(diǎn)，以針豎直線為成圈鉤行程的零點(diǎn)。LCL地毯機(jī)成圈工藝的要點(diǎn)有：1)成圈鉤進(jìn)程到零點(diǎn)時(shí)開始勾紗，稍超前于簇絨針的下止點(diǎn)；2)成圈鉤回程過零點(diǎn)時(shí)開始脫紗，脫紗結(jié)束時(shí)刻稍滯后于簇絨針的上止點(diǎn)，此時(shí)紗線具有較大張力，有利于紗脫鉤回彈[7]。非簡諧運(yùn)動的連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡諧運(yùn)動更利于實(shí)現(xiàn)工藝要求[8]，但設(shè)計(jì)計(jì)算有一定的難度且存在剛性沖擊。本文采用一個(gè)主軸通過多組連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動簇絨針、成圈鉤組件和割刀[9]，其運(yùn)動均為簡諧運(yùn)動，根據(jù)工藝要點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)及布局、調(diào)整驅(qū)動偏心的相位角差值和連桿長度，得到LCL地毯織機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動簡圖如圖2所示。

圖2 成圈機(jī)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)點(diǎn)圖Fig.2 Structure drawing and mechanism schematic of loop-forming motion

應(yīng)用ADAMS運(yùn)動仿真[10]，設(shè)定主軸工作轉(zhuǎn)速為400 r/min，則主軸工作周期為0.15 s，取仿真時(shí)長為0.4 s，得到簇絨針和成圈鉤組件的時(shí)序關(guān)系，如圖3所示。圖中反映出簇絨針和成圈鉤機(jī)構(gòu)的時(shí)間配合關(guān)系即相位差為105°，其中粗實(shí)線為簇絨針執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動路徑曲線，細(xì)實(shí)線為成圈鉤的運(yùn)動路徑曲線。

圖3 簇絨針和成圈鉤的運(yùn)動時(shí)序Fig.3 Time sequence between needle and looper

由圖3可知，針在底布下的時(shí)間約為0.095 s，占運(yùn)動周期T(0.15 s)的63%，有利于勾紗動作。A點(diǎn)為LCL成圈鉤組件進(jìn)程過零點(diǎn)的時(shí)刻，根據(jù)成圈工藝要求，成圈鉤開始勾紗；B點(diǎn)為成圈鉤組件回程過零點(diǎn)的時(shí)刻，成圈鉤開始脫紗，由于LCL地毯機(jī)底布進(jìn)給方向和成圈鉤組件的回程方向相同，所以不利于紗線迅速脫鉤，在稍滯后于針上止點(diǎn)的時(shí)刻C點(diǎn)完成脫紗，取TBC=T/10。

3 成圈運(yùn)動的簧片時(shí)序分析

簧片前進(jìn)閉合和退回打開的動作時(shí)序必須和簇絨針、成圈鉤的時(shí)序匹配，實(shí)現(xiàn)紗線脫鉤或者不脫鉤，從而得到正確的圈絨和割絨絨圈。

根據(jù)LCL簇絨工藝，提出簧片的動作時(shí)序設(shè)計(jì)要求：在一個(gè)工作周期內(nèi)，當(dāng)需要成圈時(shí)，簧片伸出，必須在某一時(shí)刻前閉合在成圈鉤上，在某一時(shí)刻后才可以退回；當(dāng)需要割絨時(shí)，簧片不參與成圈工藝，也即簧片退回，必須在某一時(shí)刻前在成圈鉤上打開且保持退回狀態(tài)。

為進(jìn)一步理解LCL地毯成圈過程中簇絨針、成圈鉤和簧片的時(shí)序關(guān)系，本文按3種情況的成圈形式進(jìn)行詳細(xì)分析：連續(xù)圈絨、連續(xù)割絨和一針圈一針割交替連續(xù)簇絨。

3.1 連續(xù)圈絨

圖4示出LCL地毯機(jī)連續(xù)圈絨時(shí)簧片運(yùn)動的時(shí)序圖。如圖所示，H點(diǎn)是簇絨針回程通過零點(diǎn)的時(shí)刻，簧片在H點(diǎn)時(shí)刻前必須閉合在成圈鉤上，否則紗線會進(jìn)入鉤槽被割斷而形成割絨。4 m幅寬的LCL地毯機(jī)大約有1 300個(gè)簧片，而簧片運(yùn)動是單個(gè)控制的。由于機(jī)械摩擦或控制誤差，簧片的運(yùn)動一致性較難保證。為此，將H點(diǎn)時(shí)刻提前到N點(diǎn)時(shí)刻，也即簧片在N點(diǎn)時(shí)刻前必須閉合在成圈鉤上，N點(diǎn)一般取A點(diǎn)和H點(diǎn)之間的中間時(shí)刻，接近于成圈鉤遠(yuǎn)止點(diǎn)時(shí)刻。

圖4 連續(xù)圈絨時(shí)簧片的運(yùn)動時(shí)序Fig.4 Time sequence in continuous loop pile

連續(xù)圈絨時(shí)，只需滿足簧片在N點(diǎn)時(shí)刻前閉合在成圈鉤上，即簧片伸出并保持伸出狀態(tài)，直到電磁閥收到(割絨)成圈驅(qū)動信號后失電，氣路斷開，簧片在彈簧作用下退回，連續(xù)圈絨工況結(jié)束。

3.2 連續(xù)割絨

如圖3所示，在一個(gè)圈絨周期內(nèi)，簧片至少保持伸出一段時(shí)間，當(dāng)下一針為割絨時(shí)，簧片必須退回，成圈鉤打開，則C點(diǎn)為簧片退回的最早時(shí)刻，并且在M點(diǎn)時(shí)刻簧片必須退回到零點(diǎn)，即M點(diǎn)為割絨時(shí)簧片退回的最晚時(shí)刻。

連續(xù)割絨時(shí)簧片的運(yùn)動時(shí)序如圖5所示。圖中顯示簧片在M點(diǎn)時(shí)刻必須退回到零點(diǎn)并保持退回狀態(tài)，成圈鉤的開口完全打開，此時(shí)簇絨針在回程且?guī)Ъ喌尼樠圻€處于成圈鉤的下方。直到電磁閥收到(圈絨)成圈驅(qū)動信號后得電，氣路導(dǎo)通，氣缸推動簧片伸出并閉合在成圈鉤上，連續(xù)割絨工況結(jié)束。

圖5 連續(xù)割絨時(shí)簧片的運(yùn)動時(shí)序圖Fig.5 Time sequence in continuous cut pile

3.3 圈割交替連續(xù)簇絨

結(jié)合連續(xù)圈絨和連續(xù)割絨工藝時(shí)的時(shí)序匹配關(guān)系，得到圈割交替連續(xù)簇絨時(shí)的時(shí)序關(guān)系，如圖6所示。在成圈絨時(shí)，簧片伸出并保持伸出時(shí)間至少為TNC即可完成圈絨工藝；在成割絨時(shí)，簧片最晚在M點(diǎn)退回到零點(diǎn)。在圖中著陰影的TCM時(shí)間區(qū)域內(nèi)，簧片既可是伸出狀態(tài)，也可是退回狀態(tài)。

圖6 圈割絨交替時(shí)簧片的運(yùn)動時(shí)序圖Fig.6 Time sequence in alternating loop and cut pile

4 電磁閥控制指令發(fā)送時(shí)刻分析

由圖1可看出：通過上位機(jī)發(fā)送指令給每個(gè)電磁閥，當(dāng)電磁閥得到上位機(jī)的動作指令后，使小氣缸的活塞桿伸出，推動助動片克服彈簧壓力后，推動簧片前行閉合在成圈鉤上；當(dāng)電磁閥得到上位機(jī)的斷開指令后，小氣缸活塞桿退回，助動片在彈簧作用回退，然后拉動簧片退回到零點(diǎn)，使成圈鉤處于打開狀態(tài)。

如圖1所示，厚度為1.2 mm的成圈鉤固定放置在線切割加工的固定座上，而簧片沿成圈鉤的側(cè)面溝槽做相對直線運(yùn)動，對應(yīng)的助動片間隙放置在線切割的固定座上，可往復(fù)運(yùn)動，因此，在助動片和簧片的前行和退回過程中，需要克服機(jī)械摩擦和氣缸內(nèi)部阻力。

LCL簇絨織機(jī)成圈過程中，簧片前進(jìn)到位的時(shí)間主要由氣缸響應(yīng)時(shí)間和活塞伸出到位時(shí)間決定；簧片回退到位的時(shí)間主要由氣缸響應(yīng)時(shí)間和助動片的回退時(shí)間決定。由于電磁閥至氣缸的錦綸聚酯管較短，氣體通過其中的時(shí)間可以忽略不計(jì)，所以氣缸的響應(yīng)時(shí)間也即電磁閥的響應(yīng)時(shí)間，高頻電磁閥的響應(yīng)時(shí)間約為0.03 s[11]，與用SMC官方提供的選型軟件ModelSelectionVer.4.0測定的結(jié)果相符。以工作轉(zhuǎn)速為400 r/min的LCL機(jī)械為例，文獻(xiàn)[12]通過建立力學(xué)方程、動力學(xué)分析和仿真得出3個(gè)過程的時(shí)間值，如表1所示。

表1 LCL成圈鉤組件各部件運(yùn)動所需時(shí)間Tab.1 Running time of parts in LCL looper assembly

結(jié)合圖6所示的簧片時(shí)序可知：圈絨時(shí)，發(fā)送電磁閥控制指令的時(shí)刻應(yīng)提前N時(shí)刻0.044～0.071 s；割絨時(shí)，發(fā)送電磁閥控制指令的時(shí)刻應(yīng)提前M時(shí)刻0.046 s。

5 結(jié) 語

各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工藝時(shí)序關(guān)系是進(jìn)行紡織機(jī)械設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。LCL地毯織機(jī)的針、鉤、刀的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間具有一般地毯織機(jī)的運(yùn)動時(shí)序關(guān)系，而簧片作為一個(gè)由電氣控制的獨(dú)立運(yùn)動單元，它的動作時(shí)序和針、鉤、刀運(yùn)動時(shí)序之間的關(guān)系，決定了LCL地毯織機(jī)成圈工藝的正確性。本文參考一般割絨織機(jī)的成圈工藝要求和時(shí)間圓圖設(shè)計(jì)方法，提出了簇絨針、成圈鉤組件和簧片之間的時(shí)序關(guān)系，完成了LCL地毯織機(jī)設(shè)計(jì)的基本理論依據(jù)研究，為成圈機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論參考。

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Time series analysis and design for level-cut-loop carpet tufting machine

DING Caihong, CUI Yafei
(CollegeofMechanicalEngineering，DonghuaUniversity，Shanghai201620，China)

The basic research on carpet tufting technology is relatively weak in China, and the guiding ideology and basic theory of tufting machine design were provided. The sequential relation of needle and looper in level-cut-loop (LCL) tufting machine was proposed according to the design method of phase circle and the technological requirements of general cut carpet tufting machine. The sequence chart of LCL carpet tufting machine was acquired by studying the loop-forming process under the circumstances in continuous loop pile, continuous cut pile and alternating loop and cut pile. It is showed that the latch should close upon the looper at the time which is slightly ahead the looper′s far stop time when a loop pile is tufted, and open from the looper at least before the looper′s far stop time when a cut pile is tufted. Owing to the motion of latch in the LCL carpet tufting machine is electrically controlled, and it is independent from the spindle drive movement system of needle, looper and knife, and the time sequence analysis and design provides the foundation for the machine design of loop-forming mechanism and the electrical design of control system.

level-cut-loop; carpet tufting machine； time sequence; loop-forming motion； looper′s far stop time

2016-03-24

2017-02-18

丁彩紅(1973—)，女，副教授，博士。主要研究方向?yàn)榈靥嚎椩煅b備技術(shù)、機(jī)電一體化和故障診斷技術(shù)。E-mail:dingch@dhu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160304905

TS 105

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