周香琴， 顧葉琴， 吳震宇

(1. 浙江理工大學(xué) 教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研發(fā)中心， 浙江 杭州 310018； 2. 萬利紡織機(jī)械研究院， 浙江 杭州 311243)

劍桿織機(jī)的引緯系統(tǒng)負(fù)責(zé)將緯紗從梭口的一側(cè)引到另一側(cè)，實(shí)現(xiàn)與經(jīng)紗的交織，其中劍頭帶著緯紗穿越梭口的運(yùn)動(dòng)是劍桿織機(jī)引緯過程中的主要運(yùn)動(dòng)，也是決定劍桿織機(jī)性能的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)劍頭運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱引緯機(jī)構(gòu)，其類型很多，有凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)等，隨著織機(jī)速度的提高，其中球面連桿引緯機(jī)構(gòu)越來越受歡迎，目前Sulzer公司生產(chǎn)的G6300型劍桿織機(jī)、Picanol公司生產(chǎn)的GT-max、GAMA、Opti劍桿織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)均屬球面連桿引緯機(jī)構(gòu)，對(duì)該引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征、載荷特征等研究不斷深化。分別針對(duì)球面連桿引緯機(jī)構(gòu)的劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律[1-2]、引緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精確度[3]、引緯機(jī)構(gòu)載荷特征[4-5]，構(gòu)件彈性動(dòng)力學(xué)仿真[6]、通過減輕引緯機(jī)構(gòu)中高速運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的慣性載荷實(shí)現(xiàn)劍桿織機(jī)提速[7]等開展研究。引緯運(yùn)動(dòng)規(guī)律與緯紗張力變化規(guī)律關(guān)系密切[8-9]、引緯運(yùn)動(dòng)工藝參數(shù)的設(shè)置直接影響劍頭交接緯紗的成功率[10]。在引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)中，凸輪引緯機(jī)構(gòu)可以根據(jù)劍頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律需求設(shè)計(jì)凸輪廓線，滿足引緯工藝的要求，連桿機(jī)構(gòu)只能通過調(diào)整構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，部分地滿足要求，引緯曲線無法隨意設(shè)計(jì)。其中文獻(xiàn)[1]詳細(xì)探討了根據(jù)引緯運(yùn)動(dòng)曲線中選緯時(shí)刻、進(jìn)梭口時(shí)刻以及門幅等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)引緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，文獻(xiàn)[8]詳細(xì)探討了不同引緯運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)緯紗張力變化的影響，文獻(xiàn)[10]詳細(xì)探討了提高劍頭交接成功率的引緯工藝參數(shù)設(shè)置。這些都是從織造工藝要求出發(fā)，研究引緯機(jī)構(gòu)參數(shù)與劍頭運(yùn)動(dòng)性能之間的關(guān)系。

劍桿織機(jī)引緯系統(tǒng)還包含一些輔助運(yùn)動(dòng)，如緯紗選擇、緯紗剪切、緯紗釋放等等。當(dāng)織物幅寬變化時(shí)，與劍頭運(yùn)動(dòng)相關(guān)的一系列動(dòng)作執(zhí)行裝置在織機(jī)上的位置也需要隨之改變，設(shè)備調(diào)整工作量較大。為減少調(diào)整織物幅寬時(shí)，設(shè)備調(diào)整的工作量，本文擬通過引緯過程中各動(dòng)作的關(guān)聯(lián)性分析，提出滿足織機(jī)調(diào)幅前后劍頭輔助動(dòng)程和緯紗交接時(shí)刻的劍頭位置保持不變的引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新準(zhǔn)則，通過引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和論證，提煉符合上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的引緯機(jī)構(gòu)參數(shù)特征，為設(shè)計(jì)新的引緯機(jī)構(gòu)提供方法，減少改變織造幅寬時(shí)的設(shè)備調(diào)整工作量，提高工作效率。

1 引緯運(yùn)動(dòng)工藝特征分析

1.1 引緯運(yùn)動(dòng)過程

圖1示出引緯過程示意圖。目前，絕大部分劍桿織機(jī)由雙側(cè)劍桿共同完成引緯，左劍頭在左側(cè)引緯機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，從起始位置T1開始，沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，到達(dá)位置T2時(shí)，接上由選色器選中、從儲(chǔ)緯器退解出來的緯紗；到達(dá)位置T3時(shí)，劍頭進(jìn)入梭口，緯紗與布邊連接端被緯紗剪刀剪斷，左劍頭帶著緯紗繼續(xù)向織幅中間T4位置(即左劍頭最遠(yuǎn)位置)運(yùn)動(dòng)；右劍頭在右側(cè)引緯機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，從起始位置T7沿導(dǎo)軌向織幅中間位置T5(即右劍頭最遠(yuǎn)位置)運(yùn)動(dòng)，左右劍頭在梭口中間位置(T4、T5)相遇，交接緯紗后各自返回。當(dāng)右劍頭運(yùn)動(dòng)到T6位置時(shí)，在緯紗釋放裝置的作用下右劍頭釋放緯紗(見圖1(c))，右劍頭離開梭口；左右劍頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，回到各自的起始位置，完成一次引緯。左劍頭在起始位置附近由吸塵裝置清除殘留在鉗緯口上的纖維(見圖1(b))，防止下次夾紗失敗。

1—左劍頭；1′—右劍頭；Ⅰ—鋼筘；Ⅱ—導(dǎo)軌；Ⅲ—緯紗釋放裝置；Ⅳ—選色器；Ⅴ—吸塵裝置；Ⅵ—儲(chǔ)緯器；Ⅶ—緯紗剪刀；Ⅷ—經(jīng)紗；Ⅸ—布面；Ⅹ—緯紗；T1～T7引緯過程中的工藝位置點(diǎn)。圖1 引緯過程示意圖Fig.1 Weft insertion process.(a) Process of rapier motion; (b) Relative position between dust collector and rapier; (c) Relative position between releasing bar and rapier; (d) Relationship between cloth width and motion process of rapier

左右劍頭的運(yùn)動(dòng)總動(dòng)程SZ1和SZ2包含2部分，梭口內(nèi)的動(dòng)程(即有效動(dòng)程)和梭口外的動(dòng)程(SK1和SK2，即輔助動(dòng)程)，見圖1(d)。要實(shí)現(xiàn)緯紗的正常交接，左右劍頭在織幅中間相遇，需要有一個(gè)重疊量R，因此織物筘幅W與劍頭動(dòng)程之間的關(guān)系需滿足：

W=SZ1+SZ2-SK1-SK2-R

劍頭進(jìn)梭口的時(shí)刻受筘座運(yùn)動(dòng)及開口運(yùn)動(dòng)的限制，在打緯和開口運(yùn)動(dòng)允許的情況下，劍頭進(jìn)梭口越早越好。因此針對(duì)一種機(jī)型，進(jìn)梭口的時(shí)刻一般是定值。

劍頭在梭口外運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要完成與劍頭運(yùn)動(dòng)位置匹配的動(dòng)作有：送緯劍鉗緯口的清潔動(dòng)作、送緯劍接緯動(dòng)作、緯紗剪切動(dòng)作、接緯劍的緯紗釋放動(dòng)作等。一般情況下，織物幅寬由鋼筘確定?？椢锓鶎捲綄?，需要?jiǎng)︻^有效動(dòng)程越大，輔助動(dòng)程也越大。執(zhí)行引緯輔助動(dòng)作的執(zhí)行裝置的位置也需要根據(jù)鋼筘邊緣位置的變化而調(diào)整，如吸塵裝置、選色器、緯紗釋放裝置的位置。因此織物幅寬變化時(shí)，需要調(diào)整一系列的附件相對(duì)于鋼筘邊緣的位置，這是一項(xiàng)動(dòng)作繁瑣、要求精細(xì)的工作。

1.2 劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線上的工藝位置分析

在引緯過程中，劍頭有3個(gè)比較重要的位置，即劍頭進(jìn)梭口時(shí)刻、緯紗交接時(shí)刻和劍頭出梭口時(shí)刻的位置。在引緯運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線上分別對(duì)應(yīng)K、Z、V點(diǎn)，劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖2所示。對(duì)應(yīng)的劍頭位移規(guī)律曲線上的坐標(biāo)點(diǎn)為(θK，SK)、(θZ，SZ)、(θV，SV)。在很多劍桿織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)中，存在以下關(guān)系式：

即劍頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律關(guān)于軸線θ=θZ對(duì)稱，劍頭運(yùn)行的最遠(yuǎn)位置在主軸處于θZ處，并且此時(shí)實(shí)現(xiàn)緯紗交接。

圖2 劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線Fig.2 Motion curve of rapier

1.3 引緯機(jī)構(gòu)調(diào)幅工藝特征

假設(shè)劍頭進(jìn)梭口時(shí)刻不變，若劍頭的輔助動(dòng)程不隨筘幅變化而改變，即劍頭起始位置相對(duì)于鋼筘邊緣的距離不變，這將會(huì)為劍桿織機(jī)調(diào)幅帶來很多便利，減少很多調(diào)整動(dòng)作，如不需要調(diào)整劍頭清潔裝置及緯紗釋放裝置在導(dǎo)軌上的相對(duì)位置?？椢锓鶎捳{(diào)整過程中，若緯紗交接時(shí)刻劍頭位置保持不變，那么改變門幅只涉及劍頭的起始位置的變化，劍帶與劍輪的相對(duì)位置不需要調(diào)整。因此，為簡化調(diào)整織物幅寬的過程，本文在常規(guī)引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出2條引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新準(zhǔn)則：1)調(diào)整織物幅寬前后，劍頭輔助動(dòng)程(SK1、SK2)保持不變；2)在調(diào)整織物幅寬過程中，緯紗交接時(shí)刻劍頭位置保持不變。

2 空間連桿引緯機(jī)構(gòu)

圖3示出一款劍桿織機(jī)空間連桿與平面連桿組合的引緯機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由4個(gè)子機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成。即：機(jī)構(gòu)一，球面連桿機(jī)構(gòu)，由固定于主軸上的曲柄、空間連桿、搖擺座、箱體組成，實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成搖擺座的擺動(dòng)；機(jī)構(gòu)二，平面連桿機(jī)構(gòu)，由搖擺座、平面連桿、扇形齒輪和箱體組成，實(shí)現(xiàn)引緯筘幅的調(diào)整，稱引緯調(diào)幅機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)三，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由扇形齒輪、小齒輪組成，實(shí)現(xiàn)引緯動(dòng)程的放大；機(jī)構(gòu)四，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，由固連在小齒輪上的傳劍輪、劍帶組成，實(shí)現(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成固連在劍帶上的劍頭的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。劍桿織機(jī)正常工作時(shí)，固定在主軸上的曲柄繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，通過機(jī)構(gòu)一、機(jī)構(gòu)二、機(jī)構(gòu)三和機(jī)構(gòu)四，帶動(dòng)劍頭往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)劍桿織機(jī)的循環(huán)引緯。通過調(diào)節(jié)引緯調(diào)幅機(jī)構(gòu)中F點(diǎn)在扇形齒輪上的位置，獲取不同織物幅寬需要的引緯動(dòng)程。

1—?jiǎng)︻^；2—?jiǎng)В?—?jiǎng)啠?—小齒輪；5—扇形齒輪；6—平面連桿；7—搖擺座；8—空間連桿；9—曲柄；10—箱體。圖3 劍桿織機(jī)球面連桿引緯機(jī)構(gòu)簡圖Fig.3 Spatial linkage used for weft insertion in rapier loom

3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以O(shè)C為X1軸建立O-X1Y1Z1坐標(biāo)系，以O(shè)G為X軸建立O-XYZ坐標(biāo)系，在C處建立C-X2Y2Z2坐標(biāo)系與O-X1Y1Z1平行。圖4為引緯機(jī)構(gòu)分析示意圖。以CA與Y2軸負(fù)向重合為起始位置，CA在C-Y2Z2平面內(nèi)以ω角速度逆時(shí)針方向繞X2軸整周旋轉(zhuǎn)，以θ角表達(dá)CA的運(yùn)動(dòng)位置(即主軸轉(zhuǎn)角)，A′為A點(diǎn)在Y2軸上的投影。圖中有方向的角度以逆時(shí)針方向?yàn)檎鳈C(jī)構(gòu)參數(shù)符號(hào)含義見圖4。

圖4 引緯機(jī)構(gòu)分析示意圖Fig.4 Schematic view of weft insertion mechanism

3.1 球面四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

已經(jīng)有文獻(xiàn)[2]對(duì)機(jī)構(gòu)一進(jìn)行過詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，獲得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程：

cosγ-cosδcosφ+sinδsinφcosθ=0

(1)

根據(jù)式(1)，可獲取φ與θ的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在此不詳細(xì)介紹，為描述方便，假設(shè)φ與θ的關(guān)系式為：

φ=f1(θ,δ,γ)

則構(gòu)件7搖擺座的動(dòng)程：

Δφ=f1(θ,δ,γ)-f1(0,δ,γ)

3.2 平面四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

引緯機(jī)構(gòu)中的機(jī)構(gòu)二為平面四連桿機(jī)構(gòu)OEFG，該機(jī)構(gòu)可能存在2種狀態(tài)，見圖5。在O-XY坐標(biāo)系下建立矢量方程：

(2)

由圖4可知：μ1=φ+η+ε-360°

圖5 引緯調(diào)幅機(jī)構(gòu)分析示意圖Fig.5 Analysis schematic view of adjusting mechanism for weft insertion. (a) The first location of adjusting mechanism for weft insertion; (b) The second location of adjusting mechanism for weft insertion

矢量方程(2)對(duì)X、Y軸投影得：

(3)

式中：μ1為自變量，μ2、μ3是μ1的函數(shù)。l1、l2、l3、l4為結(jié)構(gòu)參數(shù)，不隨μ1變化。其中l(wèi)3可以通過調(diào)節(jié)F點(diǎn)在扇形齒輪上的位置改變。根據(jù)引緯工藝的要求，機(jī)構(gòu)OEFG為雙搖桿機(jī)構(gòu)，μ3與μ1的運(yùn)動(dòng)曲線具有相同的對(duì)稱位置。由式(3)求解得：

(4)

當(dāng)l1≠l4時(shí)，

(5)

根據(jù)式(5)可得：

λ=180°+ρ

(6)

式(5)代入式(4)整理得：

(7)

根據(jù)機(jī)構(gòu)的初始位置及機(jī)構(gòu)運(yùn)行的連續(xù)性取舍式(7)中的正負(fù)號(hào)。為便于討論，把該求解過程假設(shè)為函數(shù)：

μ3=f2(θ,δ,γ,η,ε,l1,l2,l3,l4)

則構(gòu)件9曲柄的運(yùn)動(dòng)動(dòng)程為：

S=Δμ3ir

(8)

式中：i為齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速比，r為傳劍輪半徑。

表1示出機(jī)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)式(8)及表1參數(shù)計(jì)算獲得劍頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律見圖6中曲線S。

表1 機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of mechanism

3.3 劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線組成

劍頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線S可以看成是由機(jī)構(gòu)一和機(jī)構(gòu)二的運(yùn)動(dòng)規(guī)律疊加而成，結(jié)果見圖6。假設(shè)曲線S(Y)為機(jī)構(gòu)一經(jīng)動(dòng)程放大后產(chǎn)生的劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，不受機(jī)構(gòu)二的影響；S(P)為機(jī)構(gòu)二經(jīng)動(dòng)程放大后產(chǎn)生的劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不受機(jī)構(gòu)一的影響。

圖6 劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線的組成成分示意圖Fig.6 Composition of rapier motion curve

則：S(P)=(Δμ3-Δφ)ir

文獻(xiàn)[2]已經(jīng)證明S(Y)關(guān)于θ=180°軸線對(duì)稱。引緯調(diào)幅機(jī)構(gòu)主動(dòng)件和從動(dòng)件均作擺動(dòng)的情況下，曲線S(P)與S具有相同的對(duì)稱軸線。

4 引緯調(diào)幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 劍頭輔助動(dòng)程不變的引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

假設(shè)：

則劍頭輔助動(dòng)程：

SK=(N-M)ri

根據(jù)式(7)可得：

(9)

當(dāng)β=-α?xí)r，

(10)

根據(jù)式(10)可得：

N-M=Q-P

SK=(Q-P)ri

由此可見，劍頭輔助動(dòng)程SK與機(jī)構(gòu)二的參數(shù)無關(guān)，只與機(jī)構(gòu)一的參數(shù)θ、δ、γ有關(guān)，因此只要設(shè)計(jì)引緯調(diào)幅機(jī)構(gòu)的主動(dòng)擺桿起始位置與進(jìn)梭口位置相對(duì)機(jī)架位置對(duì)稱，即圖5中的α=-β，即可實(shí)現(xiàn)劍頭輔助動(dòng)程不隨筘幅的改變而改變。

4.2 交接緯時(shí)劍頭位置不變的引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)主軸處于180°時(shí)，左右劍頭完成緯紗的交接，若此時(shí)，調(diào)節(jié)點(diǎn)F只允許在以E為圓心的圓弧上變化，那么無論F在扇形齒輪上的位置如何改變，扇形齒輪的位置保持不變，即劍頭的位置保持不變，因此在扇形齒輪上，設(shè)計(jì)一圓弧形長槽，圓弧半徑為l2，當(dāng)主軸處于180°時(shí)，圓弧的圓心位于鉸接點(diǎn)E上，具有這樣機(jī)構(gòu)參數(shù)的引緯調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅時(shí)，緯紗交接時(shí)刻劍頭位置保持不變的要求，極大地方便了織物幅寬的調(diào)整。

5 應(yīng)用案例

表2示出1組符合前文提出的引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新準(zhǔn)則的織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)參數(shù)，該引緯機(jī)構(gòu)簡圖見圖7，引緯運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線見圖8。

表2 機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Parameters of mechanism

1—?jiǎng)︻^；2—?jiǎng)В?—?jiǎng)啠?—小齒輪；5—扇形齒輪；6—平面連桿；7—搖擺座；8—空間連桿；9—曲柄；10—箱體。圖7 引緯調(diào)幅機(jī)構(gòu)實(shí)例Fig.7 Example of adjustment mechanism for weft insertion

注：對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)l3=175.400 mm；i1、i2分別為系數(shù)。圖8 具有固定空動(dòng)程的引緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線Fig.8 Rapier curve with unchanged rapier assistant displacement. (a) Curve of rapier displacement; (b) Curve of rapier velocity; (c) Curve of rapier acceleration

圖9 應(yīng)用案例的三維模型Fig.9 3-D Model of application case

圖10 應(yīng)用案例實(shí)物Fig.10 Physical display of application case

6 結(jié) 論

1)引緯機(jī)構(gòu)中有一平面連桿調(diào)幅機(jī)構(gòu)，屬雙搖桿機(jī)構(gòu)，機(jī)架桿長與主動(dòng)擺臂桿長不相等(特征1)。

2)引緯調(diào)幅機(jī)構(gòu)中，主動(dòng)擺桿起始位置與進(jìn)梭口位置相對(duì)機(jī)架位置對(duì)稱(特征2)。

3)當(dāng)織機(jī)主軸處于180°位置時(shí)，引緯調(diào)幅機(jī)構(gòu)上的F點(diǎn)的調(diào)整軌跡處于以E為圓心，l2為半徑的圓弧上(特征3)。

滿足參數(shù)特征1、2的引緯機(jī)構(gòu)，具有調(diào)幅前后劍頭輔助動(dòng)程保持不變的特征，調(diào)幅時(shí)，引緯通道上的吸塵裝置、緯紗釋放裝置在導(dǎo)軌上的安裝位置不需要調(diào)整；滿足參數(shù)特征1、3的引緯機(jī)構(gòu)具有調(diào)幅過程中交接緯紗時(shí)刻劍頭位置保持不變的特征，調(diào)幅時(shí)劍輪與劍帶的相對(duì)位置不需要調(diào)整。

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