毛慧敏， 孫 磊， 屠佳佳， 史偉民

浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018)

為確保針織產(chǎn)品生產(chǎn)過程中圓機的持續(xù)循環(huán)工作，紗筒更換時需將新紗筒的頭線與同層正在工作中紗筒的尾線進行接頭。目前，紗線的接頭方式主要有機械式接頭和氣捻式接頭。氣捻式接頭由于其在產(chǎn)品可靠性和成本上具有一定優(yōu)勢，應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外學(xué)者對這方面的研究較多。梁藝瑩等[1]對氣捻打結(jié)器關(guān)鍵機構(gòu)進行分析。文獻[2-3]分析了不同條件下，不同種類紗線的捻接強度和捻接效果，確定紗線尾部的長度和紗線線密度等參數(shù)對紗線捻接有重要影響。文獻[4-5]通過軟件仿真，對紗線捻接的可視化和模擬技術(shù)、壓縮空氣的流動規(guī)律，以及紗線與高壓空氣接觸時的情況進行研究，以此來提高接頭的穩(wěn)定性和紗線接頭的質(zhì)量。

雖然氣捻式接頭可解決大部分紗線接頭問題，但滌綸等幾種無捻化纖長絲接頭仍無法解決。文獻[6-7]創(chuàng)新設(shè)計了采用粘膠黏結(jié)的粗紗打結(jié)裝置和基于磁懸浮的打結(jié)器，但機構(gòu)復(fù)雜實現(xiàn)難度大，僅停留在實驗階段。黃杰[8]針對傳統(tǒng)機械接頭機結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題設(shè)計了一種分離式四機構(gòu)的蠶絲打結(jié)機器人。紗架中紗線的自動接頭是針對自由端不同類型紗線的接頭，接頭機的成果研制影響針織車間的自動化水平。

本文通過模擬人工打結(jié)方式，提出了由吸線機構(gòu)、壓線機構(gòu)、張緊機構(gòu)、打結(jié)機構(gòu)和挑線機構(gòu)組成的小型機械式自動接頭機。此外，將傳統(tǒng)復(fù)雜的單電動機機械傳動機構(gòu)優(yōu)化為多電動機傳動，以期實現(xiàn)自由端紗線的自動接頭，為實現(xiàn)無人工廠和紡織智能制造提供新的解決方案。

1 接頭機總體設(shè)計

1.1 機械接頭原理

2根紗線接頭打結(jié)方式主要有織布結(jié)、單結(jié)、自緊結(jié)、稱人結(jié)、單揢結(jié)等[9-10]。其中單結(jié)是基礎(chǔ)繩結(jié)，采用模擬人工打結(jié)方式，其工藝是通過將2根紗線并攏，再將2根紗線旋轉(zhuǎn)成圈，紗線尾端從圈口穿過并剪去多余的尾線，之后紗線收緊成結(jié)，如圖1所示。

1—并攏； 2—成圈； 3—成結(jié)； 4—修剪。

1.2 接頭機設(shè)計

根據(jù)接頭原理可知，紗線在接頭過程中涉及并攏、成圈、成結(jié)、修剪 4個步驟，由吸線機構(gòu)、紗線檢測傳感器、引導(dǎo)桿、引導(dǎo)座、壓線機構(gòu)、張緊機構(gòu)、打結(jié)機構(gòu)和挑線機構(gòu)組成接頭機，如圖2所示。

1—吸線機構(gòu)； 2—張緊機構(gòu)； 3—引導(dǎo)桿； 4—挑線機構(gòu)； 5—打結(jié)機構(gòu)； 6—壓線機構(gòu)； 7—引導(dǎo)座。

吸線機構(gòu)通過負壓吸取自由狀態(tài)下的2根紗線，其上方裝有紗線檢測傳感器，用于判斷吸嘴是否吸取到紗線以及吸取的紗線根數(shù)。之后，通過引導(dǎo)桿將頭尾紗線并攏，并將紗線帶入挑線機構(gòu)、打結(jié)機構(gòu)、壓線機構(gòu)和引導(dǎo)座中，其中引導(dǎo)桿、引導(dǎo)座和挑線機構(gòu)支軸的凹槽處于同一水平面，促使紗線在打結(jié)過程中保持在同一水平面中。隨后，壓線機構(gòu)將紗線尾部壓住，張緊機構(gòu)則帶動張緊桿向上運動，使紗線保持一定的張力。最后，紗線在打結(jié)機構(gòu)和挑線機構(gòu)的配合下完成接頭。

2 接頭機關(guān)鍵機構(gòu)

2.1 打結(jié)機構(gòu)

打結(jié)機構(gòu)是接頭機的關(guān)鍵組成部分，其能否成功打結(jié)由打結(jié)刀決定。打結(jié)刀由打結(jié)刀柱、打結(jié)刀片和打結(jié)刀附件組成。打結(jié)刀片位于打結(jié)刀柱和打結(jié)刀附件中間，與安裝在打結(jié)刀座中的打結(jié)刀扣相接觸，打結(jié)刀扣中間呈不規(guī)則的圓形，隨著打結(jié)刀的轉(zhuǎn)動，打結(jié)刀片隨刀扣中間的圓形前后擺動，形成大小不同的刀口，完成打結(jié)并剪斷多余的紗線，如圖3所示。

1—打結(jié)刀； 2—打結(jié)刀扣； 3—打結(jié)刀套； 4—打結(jié)刀座； 5—打結(jié)齒輪。

打結(jié)成功與否受打結(jié)刀刀口開閉時機的影響，打結(jié)刀是由打結(jié)刀扣的開口槽驅(qū)動張開與閉合的，如圖4所示。

圖4 打結(jié)刀輪廓曲線與打結(jié)刀引導(dǎo)槽軌跡曲線

打結(jié)刀工作位置為圓弧a1b1與圓弧c1d1，其軌跡方程分別為：

(x-3.5)2+(y+8)2=72

(x+7.5)2+(y+3.5)2=142

打結(jié)刀引導(dǎo)槽由圓弧e2f2、f2h2、h2g2、g2e2組成，其軌跡方程分別為：

x2+(y-1.5)2=52

x2+y2=6.52

(x-3.5)2+y2=32

(x-0.49)2+(y-8.49)=122

打結(jié)刀初始狀態(tài)為刀口垂直向上，完成打結(jié)運動需要繞軸心旋轉(zhuǎn)2圈。第1圈時，刀口將紗線卷繞成圈；第2圈時，打結(jié)刀旋轉(zhuǎn)至1/4圈時剪斷紗線尾部，隨后將剪斷后的尾部紗線帶入線圈內(nèi)拉緊成結(jié)，旋轉(zhuǎn)至3/4圈時松開紗線完成成圈。打結(jié)刀旋轉(zhuǎn)至90°時刀口開到最大，隨后開始閉合刀口；旋轉(zhuǎn)至270°時，刀口開始張開。

2.2 挑線機構(gòu)

打結(jié)刀在打結(jié)過程中需要與挑線機構(gòu)相配合，使紗線在打結(jié)過程中形成圈口，挑線機構(gòu)如圖5所示。挑線支座中間有1個凹槽，與引導(dǎo)桿和引導(dǎo)座凹槽處于同一水平面，使紗線穩(wěn)固處于打結(jié)區(qū)域中。挑線器上端通過滾珠與挑線凸輪相接觸，在挑線凸輪的帶動下挑線器帶動紗線向外運動，使紗線在打結(jié)過程中可以成圈。此外挑線器中部與固定在箱板內(nèi)部的彈簧相連，與凸輪一起帶動挑線器進行往復(fù)運動。

1—挑線器； 2—挑線凸輪； 3—滾珠； 4—挑線支座； 5—挑線彈簧。

挑線器和挑線凸輪的運動規(guī)律在配合打結(jié)刀工作時起到關(guān)鍵作用，其運動簡圖和凸輪輪廓線如圖6所示。

圖6 挑線凸輪輪廓線及挑線機構(gòu)簡圖

2.3 吸線機構(gòu)

吸線機構(gòu)示意圖如圖7所示。吸嘴尾部與風機相連，風機啟動時在吸嘴中形成負壓，吸嘴旋轉(zhuǎn)至初始位置吸取頭線，隨后轉(zhuǎn)至中間位置吸取尾線；當吸嘴吸取頭尾紗線后將紗線沿引導(dǎo)桿帶入打結(jié)區(qū)域中，打結(jié)模組完成打結(jié)后，廢紗通過風機排入至廢紗儲存袋中。

1—吸嘴； 2—末位傳感器； 3—初始位傳感器； 4—吸嘴電動機； 5—吸嘴座； 6—紗線檢測傳感器。

在吸線機構(gòu)中，吸嘴風道形狀是根據(jù)吸嘴的運動進行設(shè)計的。吸嘴吸取紗線后需要將紗線帶入打結(jié)區(qū)域中，轉(zhuǎn)動的角度約為300°，因此，吸嘴安裝在接頭機上方，其基礎(chǔ)形狀為“L”形。吸嘴在吸取頭尾紗線過程中，由于紗架的位置空間有限，吸嘴口與紗筒呈垂直狀態(tài)時無法有效吸取紗線，因此，設(shè)計吸嘴形狀為“Z”形，使吸嘴口與紗筒平行便于吸取紗線。此外，吸嘴尾部通過風管與風機相連，若吸嘴尾部呈水平狀態(tài)與風管相連，吸嘴轉(zhuǎn)動過程中風管對吸嘴轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生較大的阻力，若吸嘴尾部垂直與風管相連，吸嘴轉(zhuǎn)動過程中風管對吸嘴轉(zhuǎn)動的阻力較小，因此，最終設(shè)計吸嘴的形狀為類“之”字形。

此外在吸線機構(gòu)中，吸嘴形狀與內(nèi)徑大小影響紗線吸取效果，因此，先對不同形狀和大小的吸嘴進行流體仿真和實驗，選擇合適的形狀與內(nèi)徑。為研究不同形狀的吸嘴對風道內(nèi)部流動的影響，建立相同面積的圓形、方形和橢圓形管道模型，采用Fluent軟件分別對吸嘴進行仿真，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同形狀吸嘴仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，在相同的負壓載荷下，方形管道氣流場最小且4個角所受載荷較大，橢圓形和圓形管道流速較大且各點受力均勻，但圓形管道口氣流范圍比橢圓形大，因此，管道形狀選擇圓型管道。

在確定管道形狀后，考慮到成本與適用性，分別建立內(nèi)徑為6、8、12、16、21和25 mm的吸嘴模型。采用Fluent軟件分別對吸嘴進行仿真，部分仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同內(nèi)徑吸嘴仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，隨著吸嘴內(nèi)徑的增大，吸嘴內(nèi)部的氣流流速越均勻，其內(nèi)部的氣流流速逐漸減小。吸嘴內(nèi)徑為12和16 mm的吸嘴內(nèi)部流速均勻且流速較大，符合要求。在實際應(yīng)用過程中，內(nèi)徑為12 mm的吸線效果好于內(nèi)徑為16 mm的吸嘴，因此，接頭末端機構(gòu)中吸線機構(gòu)的吸嘴內(nèi)徑采用12 mm。

2.4 壓線機構(gòu)

壓線機構(gòu)示意圖如圖10所示。下壓件由曲柄滑塊機構(gòu)帶動進行上下往復(fù)運動。壓盤表面與引導(dǎo)桿和引導(dǎo)座凹槽口處于同一水平面，吸嘴將紗線帶入至打結(jié)區(qū)域后，紗線剛好位于壓盤表面上。壓盤與下壓件表面均裝有海綿，下壓時2片海綿接觸壓住紗線增加紗線的摩擦力，使紗線在打結(jié)過程中不易滑動。

1—滑塊； 2—下壓件； 3—海綿片； 4—壓盤； 5—壓盤固定件； 6—下壓傳感器； 7—連桿； 8—曲柄塊； 9—壓線電動機。

2.5 張緊機構(gòu)

紗線在打結(jié)過程中需要保持一定的張力，當吸嘴把紗線帶入打結(jié)區(qū)域且紗線尾部被壓住后，紗線的張力幾乎為0，因此，需要對紗線進行張緊。張緊桿末端呈V型，電動機啟動時，張緊桿V型末端帶動紗線向上運動使紗線保持一定的張力。

在紗線張緊過程中，張緊桿的直徑大小與張緊角度影響紗線打結(jié)的效果，因此，對不同直徑的張緊桿和張緊角度進行測試發(fā)現(xiàn)，當張緊桿直徑為1.8 mm，張緊角度為60°時，張緊效果最好。

3 打結(jié)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 打結(jié)傳動過程

挑線機構(gòu)和打結(jié)機構(gòu)相互配合完成打結(jié)，二者的傳動依靠齒輪完成，打結(jié)剪刀與凸輪的傳動比為1KG-*7〗∶2，即挑線凸輪轉(zhuǎn)1圈，打結(jié)刀轉(zhuǎn)2圈，其傳動示意圖如圖11所示。打結(jié)電動機與打結(jié)電動機齒輪相連，打結(jié)電動機齒輪與傳動齒輪相連。傳動齒輪則分別與打結(jié)齒輪和打結(jié)傳動齒輪進行傳動，打結(jié)傳動齒輪通過軸承與傘齒輪2相連，并通過傘齒輪2與傘齒輪1進行傳動，傘齒輪1通過軸承與挑線凸輪相連，即通過打結(jié)電動機可分別帶動挑線機構(gòu)和打結(jié)機構(gòu)。

1—打結(jié)齒輪； 2—傳動齒輪； 3—打結(jié)電動機； 4—打結(jié)電動機齒輪； 5—打結(jié)傳動齒輪； 6—傘齒輪2； 7—傘齒輪1。

3.2 打結(jié)過程仿真模擬

接頭機具體打結(jié)過程如圖12所示。打結(jié)刀處于初始狀態(tài)時，打結(jié)刀刀口微張且垂直向上，紗線位于打結(jié)刀下方。此時，挑線凸輪圓弧e3j3與挑線滾珠接觸，挑線器最深處部位與挑線支軸凹槽內(nèi)部處于同一平面。打結(jié)刀順時針旋轉(zhuǎn)90°時，其旋轉(zhuǎn)至水平方向且刀口張開，紗線剛好位于打結(jié)刀內(nèi)側(cè)，打結(jié)刀刀片與紗線無接觸(見圖12(a))。之后打結(jié)刀繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，挑線凸輪隨打結(jié)刀的旋轉(zhuǎn)開始工作，帶動挑線器引導(dǎo)紗線向接頭機前方運動。打結(jié)刀旋轉(zhuǎn)至270°時，挑線器帶動紗線運動至最前方，紗線則沿打結(jié)刀片圓弧a1b1向前滑動，在打結(jié)刀刀口處逐漸形成線圈(見圖12(b))。打結(jié)刀繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在挑線器的作用下從紗線靠內(nèi)側(cè)穿過，完成成圈動作(見圖12(c))。打結(jié)刀繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至450°時，刀口張開至最大，由于打結(jié)刀外側(cè)對紗線的牽引作用，靠近壓線機構(gòu)的紗線正好處于刀口下方(見圖12(d))。紗線進入刀口后，打結(jié)刀閉攏并夾持紗線，夾持處的紗線由于牽拉作用被打結(jié)刀片切斷，紗線末端則被打結(jié)刀夾持住隨打結(jié)刀運動而運動，完成牽引紗線入圈動作。此后挑線器在彈簧的作用下向內(nèi)運動，末端紗線因打結(jié)刀的夾持作用穿過紗圈，打結(jié)刀旋轉(zhuǎn)至630°時紗圈縮小到極致，紗線末端從打結(jié)刀口脫離，從而完成2根紗線的打結(jié)動作。

圖12 打結(jié)刀打結(jié)過程示意圖

4 實驗測試

為驗證自動接頭機的接頭效果以及對紗線的適應(yīng)性，搭建實驗平臺對紗線接頭效果進行測試，如圖13(a)所示。紗線的接頭過程如圖13(b)～(d)所示。打結(jié)刀旋轉(zhuǎn)270°時，紗線在打結(jié)刀上形成圈口；旋轉(zhuǎn)450°時，紗線尾端位于刀口，打結(jié)刀準備將紗線剪斷；旋轉(zhuǎn)720°時，紗線從圈口穿過完成接頭，打結(jié)刀回復(fù)至初始位置。

圖14(a)、(b)示出不同線密度的滌綸、棉紗和氨綸紗線的接頭結(jié)果，圖14(c)示出不同類型紗線混合接頭結(jié)果。實驗結(jié)果證明，自動接頭機可對不同種類的紗線進行接頭。此外，對紗線自動接頭機進行了1 000次重復(fù)性接頭實驗，接頭成功992次，成功率高于99%。

圖14 不同紗線接頭結(jié)果

5 結(jié) 論

本文研究了圓機生產(chǎn)線中紗筒自動接頭技術(shù)，通過模擬人工打結(jié)過程，設(shè)計了一種依靠打結(jié)機構(gòu)和挑線機構(gòu)相互配合完成打結(jié)的機械式自動接頭機。對接頭機的關(guān)鍵機構(gòu)進行研究，分析了打結(jié)機構(gòu)與挑線機構(gòu)運動軌跡,以及吸線機構(gòu)吸嘴與張緊機構(gòu)張緊桿和張緊角度的選擇；對打結(jié)過程進行仿真模擬，接頭機在打結(jié)過程中依靠打結(jié)機構(gòu)和挑線機構(gòu)相互配合完成打結(jié)；對不同類別的紗線進行接頭實驗，證明接頭機可對不同種類紗線進行接頭。

目前還未見有小型的機械式自動接頭機對不同種類紗線進行打結(jié)的報道，本文介紹的接頭機不僅可應(yīng)用在圓機生產(chǎn)線中，之后還可以推廣應(yīng)用至機織生產(chǎn)線中，有廣泛的應(yīng)用前景。