張 雷， 孔佳元， 雷炳杰， 李 楊

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)劍桿位移曲線的設(shè)計(jì)

張 雷， 孔佳元， 雷炳杰， 李 楊

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

為提高變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，基于一種變異梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出引緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線。根據(jù)實(shí)際引緯工況和加速度曲線各分界點(diǎn)的邊界條件構(gòu)建方程組，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定方程組中變量的合理范圍，然后通過編寫的MatLab算法對(duì)方程組進(jìn)行計(jì)算求解，通過綜合考慮加速度峰值、速度峰值和緯紗交接區(qū)域的臨界點(diǎn)速度從解空間中找出最優(yōu)的目標(biāo)解。隨后將基于經(jīng)典梯形加速度曲線設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與前面得到的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律在緯紗交接區(qū)域的速度和加速度比采用經(jīng)典梯形加速度曲線設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)要顯著降低，使得劍桿在緯紗交接區(qū)域運(yùn)行更加平穩(wěn)。

引緯機(jī)構(gòu)； 梯形加速度曲線； 最優(yōu)目標(biāo)解； 劍桿； 位移曲線

目前市場(chǎng)上主流的劍桿織機(jī)按照引緯方式可大體分為3種[1]：1) 共軛凸輪引緯機(jī)構(gòu)，以意大利的SM系列劍桿織機(jī)為代表；2) 變導(dǎo)程螺旋推進(jìn)式引緯機(jī)構(gòu)，以意大利的Leonardo系列為代表；3) 空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)，如比利時(shí)的GTM系列。采用變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)的機(jī)型具有傳動(dòng)鏈短，沒有中間齒輪，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)精確，占地面積小的優(yōu)點(diǎn)；國(guó)外學(xué)者對(duì)其中的核心部件變導(dǎo)程螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)有了相當(dāng)多的研究[2-4]，但該種類型的中高檔劍桿織機(jī)在國(guó)內(nèi)還沒有完全自主研發(fā)制造。隨著國(guó)內(nèi)數(shù)控加工技術(shù)的進(jìn)步，已可生產(chǎn)出符合特殊要求的變導(dǎo)程螺桿。變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)理論上是通過設(shè)計(jì)螺桿螺旋線使劍桿進(jìn)入緯紗交接區(qū)域時(shí)速度降低，并緩慢減小為0，且在緯紗交接時(shí)刻的加速度值也減小到0，這樣更有利于緯紗的平穩(wěn)交接。為求出變導(dǎo)程螺旋線方程，需要先根據(jù)引緯條件設(shè)計(jì)出相應(yīng)的劍桿位移曲線。

常用的加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律有純?nèi)呛瘮?shù)分段組合、三角函數(shù)與直線組合、修正梯形加速度、修正正弦加速度組合等。孟建軍[5]采用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法對(duì)各種可能的凸輪運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，證明了修正正弦曲線具有很強(qiáng)的通用性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]指出在動(dòng)程和運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同的條件下，正弦加速度規(guī)律的加速度峰值比修正梯形加速度規(guī)律的加速度峰值高45%，速度峰值高4%。陳普生等[7]驗(yàn)證了采用多項(xiàng)式曲線為過渡段的修正梯形規(guī)律的躍度峰值比三角函數(shù)做過渡段的修正梯形規(guī)律的峰值高17%，但并無突變，不會(huì)引起機(jī)構(gòu)的慣性沖擊。周香琴[8]則引進(jìn)了一種引緯曲線設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便方法,避開傳統(tǒng)方法中先求解出加速度曲線再依次積分得到速度曲線和位移曲線的繁瑣。楊玉虎等[9]以套筒滾子鏈為研究對(duì)象，分別分析了以修正正弦、修正等速等多種不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)間歇傳動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)加速度響應(yīng)發(fā)現(xiàn),躍度連續(xù)的曲線具有較小的殘余振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)性能相對(duì)較好。

在以前研究的基礎(chǔ)之上，本文基于一種變異梯形加速度曲線來模式化設(shè)計(jì)求解劍桿位移曲線。設(shè)計(jì)出理想的劍桿位移曲線，可使劍桿進(jìn)入緯紗交接區(qū)域內(nèi)的加速度值相比經(jīng)典梯形加速度設(shè)計(jì)的值要進(jìn)一步降低。為此，首先進(jìn)行了設(shè)計(jì)思路的理論推導(dǎo)，然后根據(jù)實(shí)際引緯的工況條件通過實(shí)例計(jì)算來具體分析設(shè)計(jì)。由于本文中設(shè)計(jì)的位移曲線是多解選優(yōu)問題，在控制其他變量不變的情況下，需在解空間中選取一組解，先定性研究以劍桿在緯紗交接時(shí)刻加速度為0，得到運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度峰值相比于這組解中其他條件下對(duì)應(yīng)得到的加速度峰值的變化。隨后探究解空間中以劍桿在緯紗交接時(shí)刻加速度為0這一條件得到的所有解之間的聯(lián)系，綜合考慮速度峰值、劍桿剛進(jìn)入緯紗交接區(qū)域時(shí)的速度和加速度峰值，選取最優(yōu)目標(biāo)解。

1 變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。該機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和螺旋副機(jī)構(gòu)組成。曲柄輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由曲柄AB通過連桿BC傳動(dòng)螺母套殼C，套殼C沿不等距螺桿的軸心線做平滑移動(dòng)，因此與之相嚙合的螺桿產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺母套殼做往復(fù)移動(dòng)，螺桿即正反旋轉(zhuǎn)。螺桿末端裝有劍帶輪D，劍帶輪D的正反回轉(zhuǎn)使撓性劍桿產(chǎn)生引緯動(dòng)作。劍桿動(dòng)程大小可通過調(diào)節(jié)曲柄AB的長(zhǎng)度來達(dá)到，其中驅(qū)動(dòng)劍帶輪正反轉(zhuǎn)的螺桿與滑塊間的間隙可調(diào)節(jié)到零，螺桿壽命極長(zhǎng)。螺旋副的傳動(dòng)效率較低,所以將滑塊螺母設(shè)計(jì)成滾動(dòng)摩擦, 并輔以油浴潤(rùn)滑,以彌補(bǔ)此缺陷[10]。螺母內(nèi)有2對(duì)滾子與螺桿的螺旋面相嚙合，形成螺旋副。

圖1 變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of variable lead screw weft insertion mechanism

2 劍桿位移曲線的模式化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

對(duì)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的劍桿織機(jī)，要求機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的躍度和跳度光滑連續(xù)無突變，不至于產(chǎn)生較大的慣性沖擊和振動(dòng)[11]。本文在修正梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步降低劍桿在緯紗交接時(shí)間段的加速度值，基于變異梯形加速度曲線對(duì)劍桿的位移曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。從圖中可看出，變異梯形加速度曲線由6段兩端導(dǎo)數(shù)為0的多項(xiàng)式曲線和4段曲率為0的線段組成。其中：x0～x10分別為加速度曲線的各節(jié)點(diǎn)位置；橫坐標(biāo)θ為曲柄位置角；縱坐標(biāo)a(θ)表示在曲柄位置角為θ時(shí)的劍桿加速度；曲柄轉(zhuǎn)速為w,(°)/s；a1、a2、a3為待求常系數(shù)。

注：a1w2為劍桿運(yùn)動(dòng)正向加速時(shí)的最大加速度值；a2w2為劍桿反向加速度峰值；a3w2為劍桿在緯紗交接時(shí)刻的加速度值。圖2 變異梯形加速度曲線簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of transformed trapezoidal acceleration curve

曲柄轉(zhuǎn)過一周，劍桿往返一個(gè)來回。在一個(gè)周期內(nèi)先假設(shè)好各區(qū)間段上的位移函數(shù)：

(1)

其中已知x10=360°,x0=0,x5=180°。

又有：

(2)

(3)

式中：θ為曲柄位置角；s(θ)為劍桿位移關(guān)于θ的函數(shù)；s1到s10為s(θ)的分段曲線；f1(θ)到f10(θ)為相應(yīng)分段曲線上劍桿位移關(guān)于θ的函數(shù)；v(θ)為劍桿速度關(guān)于θ的函數(shù)；a(θ)為劍桿加速度關(guān)于θ的函數(shù)。

在假定x0～x10、a1、a2、a3都是已知的情況下，根據(jù)加速度、速度、位移連續(xù)光滑的條件對(duì)s1段列出邊界條件：

(4)

6個(gè)方程可確定一個(gè)五次多項(xiàng)式，令f1(θ)=a1θ5+b1θ4+c1θ3+d1θ2+e1θ+f1則可求解出唯一的一組多項(xiàng)式系數(shù)，得到f1(θ)。

同理對(duì)s2段列出邊界條件：

(5)

s2段的加速度曲線是一個(gè)曲率為0的線段，令f2(θ)=m2θ2+n2θ+l2，其中m2,n2,l2為多項(xiàng)式待求系數(shù)。前一步已經(jīng)求解得到了f1(θ)，結(jié)合邊界條件可確定m2、n2、l2，得到f2(θ)。依次對(duì)s3、s4和s5段列出邊界條件如式(6)～(8):

(6)

(7)

(8)

同理可唯一地確定相應(yīng)各段的位移曲線方程f3(θ)、f4(θ)、f5(θ)。根據(jù)對(duì)稱性得到s6、s7、s8、s9、s10段的位移曲線方程：

(9)

觀察式(4)、(6)和(8)可將方程組建立形式相同的矩陣表達(dá)式，結(jié)合MatLab求解相應(yīng)的方程解。建立如下的矩陣方程：

Ai·x=pi(i=0,2,4)

(10)

式中：x=[abcdef]T；pi為式(4)、(6)、(8)對(duì)應(yīng)方程組的常數(shù)項(xiàng)。

初始值p0=[0 0 0 0 a10]T

為方程式(5)和(7)建立統(tǒng)一矩陣表達(dá)式：

Bj·y=qj(j=1,3)

(11)

式中：

結(jié)合式(10)和(11)，通過MatLab編寫的算法程序運(yùn)算，可得到各分段的位移曲線方程符號(hào)解。根據(jù)實(shí)際引緯要求，先確定x1、x2、a2的值。由于劍桿開始退劍(θ=180°)時(shí)的瞬時(shí)速度為0，所以在θ∈[0,180°]內(nèi)，加速度曲線與水平軸圍成的正負(fù)面積之和應(yīng)為0，得到：

(12)

將前面已經(jīng)得到的方程符號(hào)解和已知變量代入，進(jìn)一步得到：

F(x3,x4,a1,a3)=0

(13)

根據(jù)劍桿在x5=180°處取得單邊劍頭最大動(dòng)程sm：

f5(a1,a3,x3,x4)=sm

(14)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值限定x3、x4的合理區(qū)間，聯(lián)立式(13)和(14)求解方程組的解空間。綜合考慮加速度峰值、速度峰值和劍桿在交接區(qū)域的速度等因素，在解空間中選取最優(yōu)解。

2.2 工程實(shí)例分析設(shè)計(jì)

以某型號(hào)的引緯織機(jī)的數(shù)據(jù)為例，筘幅為 1 900 cm時(shí)車速可達(dá)560 r/min，送緯劍與接緯劍的交接時(shí)刻主軸位置角差值為10°，接緯劍進(jìn)梭口的位置角為53°[1]。筘幅為1 900 mm,則單邊劍頭的最大動(dòng)程sm大約為1 200mm。為獲得良好的動(dòng)力性能，在設(shè)計(jì)加速度時(shí)應(yīng)使得劍桿運(yùn)行過程中正負(fù)加速度峰值盡量接近，這里令a2=-a1。在x2、x3、x4、x5、a1、a2不變的情況下，x1的值越大，則相應(yīng)的幅外空程(進(jìn)入梭口前劍頭的行程)越小。幅外空程的大小影響劍頭進(jìn)入梭口和退出梭口時(shí)的位置角和梭口高度，需要適當(dāng)選擇。通常幅外空程位置角在30°～40°之間，這里取下限，則x1=30°。進(jìn)劍期間(包含在x1～x2段中)的加速度保持平穩(wěn)，參考機(jī)型的接緯劍進(jìn)劍位置角為53°。通常x2對(duì)應(yīng)的位置角在70°～90°之間[12]?？紤]到本文取用的變異梯形加速度曲線在水平軸下方的運(yùn)行時(shí)間大于梯形加速度曲線情況下的時(shí)間，這里取x2=75°。一般情況下x3處的位置角在110°～130°左右。

先定x3=110°，將確定的分界點(diǎn)值輸入到MatLab程序中，限定x4∈[110°,170°]，以5°為增量循環(huán)代入求解相應(yīng)的a1、a3。求解結(jié)果如表1所示。

表1 限定x3=110°時(shí)的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation result for x3=110°

從表中可看出，在其他變量不變的情況下，隨著x4的增大，相應(yīng)的a1也小幅度增大，a3的絕對(duì)值大小則出現(xiàn)先減小后增大的情況(a3>0段，隨著x4的小幅增大，a3急劇增大)。原先設(shè)定的加速度曲線中a3≤0，這里只研究小于或等于0的情況。根據(jù)表1，在以5°為增量的第1次計(jì)算中，在x4=160°時(shí)的a1僅比在110°時(shí)的最小值增大了2.6%左右，而a3的絕對(duì)值減小到了0。以a3的絕對(duì)值取得最小值(a1，a3)作為最優(yōu)組合，得到了在x3=110°時(shí)的a1,a3的最優(yōu)組合。上面的計(jì)算求解結(jié)果是建立在x3=110°的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過對(duì)表1得到的數(shù)據(jù)分析可知，在x3=110°的情況下可實(shí)現(xiàn)以a1很小幅度的增大來取得a3=0這一理想狀態(tài)。綜合考慮速度和加速度，研究能否以速度峰值vm小幅增加來?yè)Q取加速度峰值較大幅度降低的效果。分析x3∈[110°,122°]的細(xì)分情況，以2°為間隔，同理分別直接求解各組的(a1,a3)最優(yōu)組合。考慮到送緯劍與接緯劍的交接時(shí)刻主軸位置角差值為10°，將vθ=175°(送緯劍剛進(jìn)入交接區(qū)域時(shí)的速度)也作為性能指標(biāo)，其他參數(shù)不變。運(yùn)算結(jié)果如表2所示。

表2 x3∈[110°,122°]時(shí)各組最優(yōu)解的計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.2 Calculation result of every optimal solution for x3∈[110°,122°]

表2中x3=120°時(shí)，由式(13)可得a3=-a1，與x4的取值無關(guān)，此時(shí)沒有最優(yōu)組合。從表中數(shù)據(jù)可看出，每組x3對(duì)應(yīng)的最優(yōu)組合中的a1和速度峰值vm隨著x3的增大而減小，但對(duì)應(yīng)的送緯劍進(jìn)入交接重疊區(qū)域臨界點(diǎn)的速度大幅度增大。同時(shí)以x3=120°為分界點(diǎn)，x3的進(jìn)一步增大并不能設(shè)計(jì)出理想的最優(yōu)組合。最終設(shè)計(jì)參數(shù)選取如：x1=30°;x2=75°;x3=110°;x4=160°;x5=180°;a1=0.200 8;a2=-0.200 8;a3=0。得到劍桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律①。將劍桿的位移、速度、加速度曲線進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)規(guī)律①歸一化后的位移、速度和加速度曲線Fig.3 Normalized curve of displacement, velocity and acceleration for motion law①

同樣根據(jù)上面的設(shè)計(jì)思路，基于經(jīng)典梯形加速度曲線得到運(yùn)動(dòng)規(guī)律②。將其位移、速度和加速度曲線進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖4所示。對(duì)比圖3和圖4可看出，基于變異梯形加速度曲線設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律①在θ位于175°～185°之間的緯紗交接區(qū)域速度更加平穩(wěn)，且劍桿在緯紗交接區(qū)域的加速度值也顯著降低，減小了在交接區(qū)域的慣性力。進(jìn)一步定量地對(duì)比運(yùn)動(dòng)規(guī)律①與運(yùn)動(dòng)規(guī)律②的關(guān)鍵性能指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。從表3中數(shù)據(jù)可看出，運(yùn)動(dòng)規(guī)律①中的加速度峰值和速度峰值較運(yùn)動(dòng)規(guī)律②中的有小幅增大，但劍桿進(jìn)入交接區(qū)域時(shí)的速度和加速度大幅度降低。

圖4 運(yùn)動(dòng)規(guī)律②歸一化后的位移、速度和加速度曲線Fig.4 Normalizedcurve of displacement, velocity and acceleration for motion law②

類型加速度峰值/(m2·s-1)速度峰值/(m·s-1)vθ=175°/(m·s-1)aθ=175°/(m2·s-1)運(yùn)動(dòng)規(guī)律①2266.947.8610.1845354.2運(yùn)動(dòng)規(guī)律②2130.345.2262.78961887.6

3 結(jié) 論

1)在控制其他變量不變的情況下，在解空間中先選取一組解，通過定性地研究發(fā)現(xiàn)：以劍桿在緯紗交接時(shí)刻加速度為0的條件得到運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度峰值相比于這組解中其他條件下對(duì)應(yīng)的加速度峰值幅度增大很小。為直接研究解空間中以劍桿在緯紗交接時(shí)刻加速度為0這一條件限定的解提供了數(shù)據(jù)支撐。

2)解空間中以交接時(shí)刻加速度為0為條件的所有目標(biāo)解的速度峰值與加速度峰值正向相關(guān)，但對(duì)應(yīng)的剛進(jìn)入緯紗交接區(qū)域時(shí)的劍桿速度卻隨著對(duì)應(yīng)的加速度峰值的小幅度增加而顯著地減小。綜合考慮速度峰值、加速度峰值和劍桿剛進(jìn)入緯紗交接區(qū)域時(shí)的速度，選取了最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3)基于變異梯形加速度曲線設(shè)計(jì)出的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律①，基于經(jīng)典梯形加速度曲線設(shè)計(jì)得到運(yùn)動(dòng)規(guī)律②。運(yùn)動(dòng)規(guī)律①相比于運(yùn)動(dòng)規(guī)律②：劍桿的加速度峰值和速度峰值小幅增加，但進(jìn)入緯紗交接區(qū)域內(nèi)的劍桿速度顯著降低并緩慢減小到0，且在緯紗交接時(shí)刻劍桿加速度能夠減小到0，降低了劍桿在交接區(qū)域的慣性力與飄動(dòng)，有利于緯紗更加平穩(wěn)的交接。

4)本文設(shè)計(jì)出的劍桿位移曲線為后續(xù)的變導(dǎo)程螺桿螺旋線的反求和變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了前提條件。

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Design of displacement diagram for rapier in variable lead screw weft insertion mechanism

ZHANG Lei, KONG Jiayuan, LEI Bingjie, LI Yang

(College of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China)

In order to improve the motion characteristics of the variable lead screw weft insertion mechanism, the displacement curve of weft insertion mechanism was designed based on the transformed trapezoidal acceleration curve. Firstly, an equation set was built according to the actual working conditions of weft insertion and the boundary conditions of the cut-off points in the acceleration curve. Parts of the variables were determined based on the empirical data and the variables were limited in a reasonable range. Then the equation set could be solved by MatLab. The optimal objective solution was selected from the solution space under comprehensive consideration of the peak acceleration, the peak velocity and the velocity of the critical point in the weft transition area. Subsequently, a comparison between the designed optimal motion law with the one based on the classic trapezoidal acceleration curve was carried out. The result shows that when the rapier moves into the weft transition area, the velocity and the acceleration of the designed optimal motion law are significantly smaller than the ones based on the classic trapezoidal acceleration curve, so that the rapier operates more stably when in the weft transition area.

weft insertion mechanism; trapezoidal acceleration curve; optimal objective solution; rapier; displacement curve

10.13475/j.fzxb.20160405506

2016-04-20

2017-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175475)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY14E050027)

張雷(1974—)，男，副教授，博士。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人和紡織機(jī)械。E-mail：lzhang@zstu.edu.cn。

TS 103.1

A