袁汝旺， 陳 瑞， 蔣秀明， 周國慶

(天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室, 天津 300387)

碳纖維多層織機打緯機構(gòu)運動學分析與尺度綜合

袁汝旺， 陳 瑞， 蔣秀明， 周國慶

(天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室, 天津 300387)

針對碳纖維多層織造過程中各層緯紗受力一致性需求，提出基于無急回特性曲柄搖桿機構(gòu)串聯(lián)的轉(zhuǎn)動-轉(zhuǎn)動-移動副(簡稱RRP)型基本桿組的軸向六連桿打緯機構(gòu)，并給出剛體導引與機構(gòu)幾何關(guān)系相結(jié)合的尺度綜合方法。在考慮鋼筘極限位置和力傳遞性能的情況下，優(yōu)化設(shè)計打緯機構(gòu)，確定合理的機構(gòu)尺寸和傳動角。運動學仿真結(jié)果表明：鋼筘極限位置和打緯動程的誤差率均為0.06%，且在前死心時鋼筘打緯加速度大，在后死心附近加速度變化較小，利于厚重織物打緊和機器降噪。軸向六連桿打緯機構(gòu)驅(qū)動鋼筘垂直作用于碳纖維多層織物的各層緯紗，受力均勻，其尺度綜合方法為考慮織造工藝、運動學性能和機構(gòu)尺寸等特定要求的打緯機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供一定的理論參考和實驗數(shù)據(jù)。

碳纖維多層織機； 打緯機構(gòu)； 運動學分析； 尺度綜合方法

碳纖維多層織機主要用于織造具有一定厚度和較大幅寬的高性能復合材料預制件，特別是異形骨架型材，在航空航天、交通、風力發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。打緯是提高碳纖維織物性能的關(guān)鍵工藝，傳統(tǒng)織機常采用四連桿[3]、六連桿[4]和共軛凸輪[5]打緯機構(gòu)，鋼筘安裝在繞搖軸擺動的筘座腳上，其運動軌跡為圓弧；而碳纖維多層織物由多層經(jīng)紗與多根緯紗交織構(gòu)成，其厚度與剛度大，采用傳統(tǒng)的圓弧軌跡打緯致使鋼筘作用于各層緯紗的打緯力不均，且無法將全部緯紗推向織口并打緊織物[1-2]，因此，針對碳纖維多層織物緯紗受力一致性問題，國內(nèi)外學者主要研究水平打緯機構(gòu)的構(gòu)型及其尺度綜合方法，如：優(yōu)化傳統(tǒng)四連桿打緯機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)，給出最佳參數(shù)對應(yīng)的打緯力和機構(gòu)效率等[6-8]；Badawi提出氣缸驅(qū)動鋼筘水平打緯，但受壓縮空氣影響，打緯機構(gòu)響應(yīng)速度慢且打緯力波動大[8]；還有學者對比分析碳纖維多層織物六連桿水平打緯機構(gòu)的運動學特性及其對碳纖維緯紗切割、經(jīng)紗磨損[9]和打緯動程[10]等指標參數(shù)的影響，并進行運動學建模與分析[9,11]，給出近似無急回特性六連桿打緯機構(gòu)尺度綜合方法[10]。

本文提出基于無急回特性的曲柄搖桿機構(gòu)串聯(lián)轉(zhuǎn)動-轉(zhuǎn)動-移動副(簡稱RRP)型Ⅱ級桿組的軸向六連桿打緯機構(gòu)，在考慮打緯動程和機構(gòu)壓力角的情況下，利用剛體導引與曲柄搖桿機構(gòu)幾何關(guān)系相結(jié)合的方法進行機構(gòu)運動學分析、尺度綜合和參數(shù)優(yōu)化，確定合理的機構(gòu)尺寸參數(shù)，實現(xiàn)碳纖維多層織物的垂直均勻打緯。

1 工作原理

圖1示出碳纖維多層織機打緯機構(gòu)的工作原理。打緯機構(gòu)由無急回特性的曲柄搖桿機構(gòu)串聯(lián)RRP型Ⅱ級桿組的六連桿實現(xiàn)，伺服電動機驅(qū)動曲柄1勻速轉(zhuǎn)動，通過連桿2牽動搖桿3繞軸O3擺動；同時，搖桿3牽動連桿5驅(qū)動滑塊6沿機架水平移動，鋼筘與滑塊固結(jié)，則鋼筘產(chǎn)生的打緯力垂直作用織物截面，各層緯紗受力均勻一致。當打緯機構(gòu)位于O1A1B1Q1P1位置時，鋼筘位于極限初始位，即前死心位置，打緯力垂直均勻作用于織物；當打緯機構(gòu)位于O1A2B2Q2P2位置時，鋼筘位于極限終了位，即后死心位置。鋼筘在前、后死心位置時，AB連線通過固定軸O1，即軸向打緯。在一個織造循環(huán)中，引緯全部完成后，主令時基信號伺服電動機控制間歇運轉(zhuǎn)并驅(qū)動打緯機構(gòu)。

注：1—曲柄；2—連桿；3—搖桿；4—機架； 5—連桿；6—滑塊。圖1 碳纖維多層織機打緯機構(gòu)Fig.1 Beating-up mechanism of multi-layer loom for carbon fibers

2 軸向六連桿打緯機構(gòu)尺度綜合

為滿足織造工藝和織機設(shè)計要求，機構(gòu)尺度綜合要兼顧機構(gòu)尺寸和力傳遞性能，若給定尺寸要求，則以力傳遞性能最佳為優(yōu)。打緯機構(gòu)尺度綜合分為搖桿滑塊機構(gòu)與曲柄搖桿機構(gòu)2部分，其中搖桿滑塊機構(gòu)設(shè)計以力傳遞性能最佳為設(shè)計目標。

2.1搖桿滑塊機構(gòu)剛體導引綜合

搖桿3與RRP型Ⅱ級桿組串聯(lián)構(gòu)成搖桿滑塊機構(gòu)，圖2示出搖桿滑塊機構(gòu)的2個極限位置P1和Pj。

注：H—O3與滑塊之間的垂直距離。圖2 搖桿滑塊機構(gòu)Fig.2 Rocker-slider mechanism

圖2中：滑塊6位于前死心P1時，P1Q1與水平機架的夾角(壓力角)為α；滑塊6由前死心P1運動到后死心Pj，P1Q1的轉(zhuǎn)角為θ1j，且滑塊6的最大動程為Smax。 以O(shè)3為原點，建立坐標系xO3y，則P1Q1的斜率為

Q1xM-Q1y=N

(1)

式中：M=tanα；N=P1xtanα-P1y。

搖桿3作為聯(lián)架桿的等長約束方程[12]為

Qj-O3TQj-O3=Q1-O3TQ1-O3

(2)

式中：Q1、O3和Qj分別為點Q1、O3和Qj的坐標矢量；j=2,3,…,n。

由剛體的平面運動可知：

(3)

式中，D1j為剛體自位置1至位置j的位移矩陣。

將式(3)代入式(2)并化簡可得：

Q1xEj+Q1yFj=Gj

(4)

聯(lián)立方程(1)、(4)，可得Q1的坐標：

(5)

令l3Q=O3Q,l5=PQ和ψ=ψ2-ψ1，則連桿長度與擺角分別為

(6)

(7)

(8)

2.2無急回特性曲柄搖桿機構(gòu)幾何關(guān)系

圖3示出無急回特性(行程速比系數(shù)K=1)的曲柄搖桿機構(gòu)。圖中，O3C與B1B2的中垂線交于C點，則中垂線與機架夾角β=∠CO3O1[β∈ (ψ/2,π/2)]。

圖3 無急回特性的曲柄搖桿機構(gòu)Fig.3 Crank-rocker mechanism of K=1

曲柄、連桿、搖桿和機架的長度分別為l1=O1A1、l2=A1B1、l3=O3B1和l4=O1O3，則幾何關(guān)系的比率(λ)方程[13]分別為

(9)

曲柄回轉(zhuǎn)中心O1坐標的比率方程為

(10)

當曲柄與機架共線時，得到2個最小傳動角γ1min=∠A01B01O3和γ2min=π-∠A02B02O3，且

(11)

(12)

將式(9)代入式(11)、(12)得：

cosγ1min=cosγ2min=sinψ/2/sinβ

(13)

3 結(jié)果與討論

3.1設(shè)計參數(shù)

考慮織造工藝、機構(gòu)尺寸和力傳遞性能要求，取j=2，表1示出已知設(shè)計參數(shù)。

表1 給定的設(shè)計參數(shù)Tab.1 Given design parameters

注：[γmin]為最小允許用傳動角；n為曲柄轉(zhuǎn)速。

3.2搖桿滑塊機構(gòu)設(shè)計結(jié)果

由給定的設(shè)計參數(shù)可知，滑塊位于前死心時， 搖桿滑塊機構(gòu)的傳動角γ=90°-α=88.765°，力傳遞性能優(yōu)越，打緯力大，適宜厚重的碳纖維多層織物。表2示出剛體導引尺度綜合結(jié)果。

表2 剛體導引尺度綜合結(jié)果Tab.2 Dimension comprehensive results of rigid-body guidance

數(shù)據(jù)表明，ψ的大小決定于鋼筘的極限位置參數(shù)，與l3的長度無關(guān)。

3.3無急回特性曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計討論

當ψ為定值，最小傳動角γmin和β的關(guān)系為β=arcsin [sin(ψ/2)/cosγmin]。圖4示出γmin取不同值時β的變化情況。由圖可知：當γmin=40°時，β=8.906°；當γmin=90°-ψ/2=83.195°時，β=90°，但實際β<90°，故γmin<83.195°；當γmin=76°時，β=29.354°，且γmin>76°時，β隨γmin的增加而急劇增加，故γmin≤76°。因此，β宜在9°～30°范圍內(nèi)取值。

圖4 γmin與β的關(guān)系(ψ=13.610°)Fig.4 Relationship between γminand β (ψ=13.610°)

當ψ=13.610°時，λ1=sin(ψ/2)=0.119。表3示出γmin和參數(shù)比率隨β變化的結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，γmin和參數(shù)比率隨β增大而增加，負號表示方向相反。當β=15°時，γmin>[γmin]。當β≤19°時，λ4<3，為短牽手；當20°≤β≤30°時，3<λ4<6，為中牽手。λx和λy位于平行于Q1Qj的直線上，且λx的變化速度比λy快。

令l3=550 mm，則l1=l3sin(ψ/2)=65.168 mm。 表4示出β為不同值時的曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計結(jié)果。數(shù)據(jù)表明：曲柄搖桿機構(gòu)的連桿尺寸隨β增大而變大，且曲柄回轉(zhuǎn)軸坐標O1x和O1y位于平行于Q1Qj的直線(y=0.115 4x+549.75)上，且O1x的變化速度比O1y快。

依據(jù)表2、4的設(shè)計結(jié)果，利用Ⅱ級桿組法依次分析剛體(構(gòu)件1)、RRR型Ⅱ級桿組(構(gòu)件2～3)，RRP型Ⅱ級桿組(構(gòu)件5～6)，由滑塊6的運動規(guī)律得到打緯動程及其變化情況。圖5示出β取值不同時的鋼筘運動規(guī)律。由圖可看出：β取值變化均滿足打緯動程要求；β越小，在前死心位置筘座運動速度越快，利于織物打緊，但對稱性差；β越小，打緯時筘座加速度值越大，對打緊織物有利，但是筘座加速度變化均勻性差，織機振動厲害，不利于高速。

表3 不同β值的γmin和參數(shù)比率Tab.3 γmin and parameter ratios of various β values

表4 曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計結(jié)果Tab.4 Design results of crank-rocker mechanism

3.4打緯機構(gòu)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

針對碳纖維多層織機低速且織物厚重的特點，考慮機構(gòu)尺寸、制造精度和力傳遞性能等因素，表5示出打緯機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化結(jié)果。

表5 打緯機構(gòu)優(yōu)化結(jié)果Tab.5 Optimization results of beating-up mechanism

圖5 不同β值的打緯機構(gòu)運動規(guī)律Fig.5 Movement of beat-up mechanism for various β values.(a)Reed traverse；(b)Reed velocity； (c)Reed acceleration

在坐標系xO3y中對軸向六連桿打緯機構(gòu)進行運動學分析，圖6示出鋼筘運動規(guī)律。由圖可知：鋼筘運動到2個極限位置的坐標分別為P1x=490.3 mm、P2x=330.2 mm，最大動程Smax=P1x-P2x=160.1 mm，且動程與位置坐標的誤差率均為0.06%，利于織物打緊；鋼筘運動到前死心時，加速度為-1 159.7 mm/s2，且在后死心附近加速度變化較小，利于碳纖維多層織物打緊和機器降噪。

圖6 鋼筘的運動規(guī)律Fig.6 Movement curve of reed.(a)Reed displacement and velocity；(b)Reed acceleration

4 結(jié) 論

1)基于K=1的曲柄搖桿機構(gòu)串聯(lián)RRP型Ⅱ級桿組的軸向六連桿打緯機構(gòu)實現(xiàn)鋼筘水平運動，且打緯力均勻垂直作用于織物組織截面，滿足所有緯紗受力一致的需求。

2)針對軸向六連桿打緯機構(gòu)提出剛體導引與曲柄搖桿機構(gòu)的幾何關(guān)系相結(jié)合尺度綜合方法。分析結(jié)果表明：搖桿擺角的大小取決于鋼筘的極限位置參數(shù)，與搖桿長度無關(guān)，且調(diào)整搖桿鉸接點位置可改變鋼筘極限位置和打緯動程；擺角確定后，曲柄搖桿的機構(gòu)尺寸與最小傳動角均隨夾角的增加而增加，當機構(gòu)傳動角不小于最小許用傳動角時，調(diào)整夾角大小以獲得合理的機構(gòu)尺寸。

3)軸向六連桿打緯機構(gòu)優(yōu)化結(jié)果表明：鋼筘運動到2個極限位置與動程的誤差分別為0.3、0.2、0.1 mm，但誤差率均為0.06%；鋼筘位于前死心時，加速度為-1 159.7 mm/s2，在后死心附近加速度變化較小，利于碳纖維厚重織物打緊和機器降噪。

FZXB

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Kinematicsanalysisanddimensionsynthesisofbeating-upmechanismforcarbonfibermulti-layerloom

YUAN Ruwang， CHEN Rui， JIANG Xiuming， ZHOU Guoqing

(TianjinKeyLaboratoryofAdvancedMechatronicsEquipmentTechnology，TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387，China)

The axial six-bar linkage beating-up mechanism based on the crank and rocker mechanism with non-quick return characteristics series-connected with the basic linkage group in two revolute joints and one prismatic joint model was proposed aiming at the demand of consistent force-loading to the weft yarn on each layer during the carbon fiber multilayer weaving process. The dimension comprehensive method with the combination of rigid body guidance and the mechanism geometrical relations was also provided. Taking into consideration on the limit position of reed and the force transfer property, the design of beating-up mechanism was optimized, and the feasible size of machine and transmission angle were determined. Simulation results of kinematics show that the error rate of both the reed limit position and the movement of beating-up mechanism is 0.06%. The reed beating-up has a high acceleration at the front dead center, and the acceleration has few changes near the back dead center, which is beneficial to the tightening of heavy fabric and machine noise reduction. Driven by the axial six-bar linkage beating-up mechanism, the reed exerts perpendicular force to weft yarn on each layer of carbon fiber multilayer fabric. Each layer of the fabric is subjected to even force. The dimension comprehensive method provides a certain theoretical basis and experimental data for the design and optimization of beating-up mechanism taking account of specific requirements such as weaving technology, kinetic performance and machine size.

carbon fiber multi-layer loom；beat-up mechanism；kinematics analysis；dimension comprehensive method

10.13475/j.fzxb.20170102406

TS 103.1

A

2017-01-11

2017-05-31

國家科技支撐計劃重點項目(2011BAF08B02)

袁汝旺(1979—)，男，講師，博士。研究方向為紡織機械設(shè)計與機構(gòu)學。E-mail：yuanruwang@tjpu.edu.cn。