付正飛,韓立人,馬 莉
FU Zheng-fei1,2, HAN Li-ren1, MA Li1
(1.湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,襄陽(yáng) 441053;2.湖北文理學(xué)院 省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新中心,襄陽(yáng) 441053)
由于六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)的加工方便、剛度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),因此噪聲低且磨損少,被廣泛應(yīng)用在造平紋織物的噴氣織機(jī)織中。開(kāi)口機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性直接關(guān)系到布面的編織質(zhì)量,開(kāi)口機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)會(huì)在布面上形成瑕疵,甚至造成斷經(jīng)而應(yīng)影響生產(chǎn)效率,所以對(duì)開(kāi)口機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析十分重要。作圖法和實(shí)驗(yàn)法誤差很大且設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng),不能滿足設(shè)計(jì)精度和現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的要求[1];運(yùn)用復(fù)極矢量法建立機(jī)構(gòu)的解析方程組、用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序來(lái)求解綜框運(yùn)動(dòng)特性的方法[2],既復(fù)雜費(fèi)時(shí)又需要高深的數(shù)學(xué)知識(shí),不易被工程技術(shù)人員所掌握。本文借助三維的Pro/E軟件,通過(guò)建立開(kāi)口機(jī)構(gòu)的三維參數(shù)化模型和各構(gòu)件之間的連接關(guān)系,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,可直接獲得綜框的運(yùn)動(dòng)特性和各結(jié)構(gòu)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線等數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析和結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整。
開(kāi)口機(jī)構(gòu)是紡織機(jī)五大機(jī)構(gòu)之一,是形成織物所必需的重要機(jī)構(gòu)[3,4]。在棉紡織過(guò)程中,開(kāi)口機(jī)構(gòu)的任務(wù)是依照織物組織要求,順次驅(qū)動(dòng)綜框上下運(yùn)動(dòng),把穿入各頁(yè)綜框內(nèi)的經(jīng)紗上下分開(kāi)成兩層,以形成梭口,待緯紗引入后再使梭口閉合,構(gòu)成經(jīng)紗、緯紗的交織狀。
六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)是在四連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)成,一般用于織造平紋織物,如圖1 所示。其工作原理是[5]:曲軸O1A繞O1軸作360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),O2B桿繞軸作往復(fù)擺動(dòng),連桿AB則作平面運(yùn)動(dòng);當(dāng)鉸鏈C隨AB桿作平面運(yùn)動(dòng)時(shí),由中連桿CD將運(yùn)動(dòng)傳遞到三臂擺桿DEE′,使其繞機(jī)架上的支點(diǎn)O3擺動(dòng),然后通過(guò)綜框長(zhǎng)臂連桿EF、E′F′, 驅(qū)動(dòng)綜框作上下運(yùn)動(dòng)形成開(kāi)口;該開(kāi)口機(jī)構(gòu)由一個(gè)六桿機(jī)構(gòu) O1A BO2CDO3和兩個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)O3EF 和O3E ′F′組合而成,六桿機(jī)構(gòu)是在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)上并接一組Ⅰ級(jí)桿件 C DO3而成。當(dāng)各鉸鏈位置和連桿長(zhǎng)度給定后, 可以確定綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
梭口是指開(kāi)口時(shí)自停經(jīng)架中導(dǎo)棒至織口、經(jīng)紗被上下分開(kāi)所形成的菱形空間,梭口形成分為三個(gè)時(shí)期:開(kāi)口時(shí)期、靜止時(shí)期和閉口時(shí)期。經(jīng)紗離開(kāi)經(jīng)位置線到梭口滿開(kāi)時(shí)稱為開(kāi)口時(shí)期,這時(shí)綜框運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)由快到慢逐漸減小,經(jīng)紗張力由小到大逐漸增加;當(dāng)梭口滿開(kāi)后,經(jīng)紗在梭口上下兩個(gè)極限位置上處于靜止?fàn)顟B(tài),以便引緯器通過(guò)梭口;之后梭口開(kāi)始閉合,經(jīng)紗由靜止進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài),直至綜平,經(jīng)紗張力逐漸減小,其傳動(dòng)函數(shù)曲線如圖2 的實(shí)線所示,φ為主動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)角,s為綜框的位移。若采用四連桿機(jī)構(gòu),傳動(dòng)函數(shù)曲線為圖2中虛線所示,因中間無(wú)停歇時(shí)間較短而不能滿足織機(jī)的工藝要求,為此常采用六連桿機(jī)構(gòu),平滑在開(kāi)口兩極限位置處的速度,從而增加開(kāi)口的相對(duì)靜止時(shí)間,使其基本滿足工藝要求。
圖2 開(kāi)口機(jī)構(gòu)要求的傳動(dòng)函數(shù)
六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性是否滿足實(shí)際需求,傳統(tǒng)的方法是利用建立復(fù)極矢量來(lái)建立機(jī)構(gòu)的解析方程組,通過(guò)編寫(xiě)程序進(jìn)行求解綜框的位移、速度和加速度數(shù)值,該方法復(fù)雜費(fèi)時(shí)、需要高深的數(shù)學(xué)知識(shí)。本文借助三維的PRO/E軟件,通過(guò)建立開(kāi)口機(jī)構(gòu)的三維參數(shù)化模型,并進(jìn)行裝配和運(yùn)動(dòng)仿真,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析和結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整。其過(guò)程如下[6,7]:
1) 測(cè)繪噴氣織機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸?,F(xiàn)以44英寸的噴氣織機(jī)為例,各連桿長(zhǎng)度為O1A =60mm ,O2B =140mm ,AB =360mm ,AC =190mm ,CD = 280mm ,O3D =55mm ,O3E =110mm ,EF =520mm, O2和 O3相對(duì)于 O1的位置坐標(biāo)分別為(-360,-127),(-248,-274),織機(jī)轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分。
2) 建立各構(gòu)件的三維模型。在Pro/E中,首先根據(jù)上述數(shù)據(jù)建立關(guān)系式,以實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化造型;再利用拉伸、旋轉(zhuǎn)和陣列等工具,依次指定截面草圖、深度、方向等參數(shù),構(gòu)建出六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件。
3) 構(gòu)建噴氣織機(jī)的裝配模型。在Pro/E中,使用“銷釘”和“滑動(dòng)桿”約束方式,定義組件中各零件間的相對(duì)自由度,建立一定的約束關(guān)系,從而確定構(gòu)件在整個(gè)裝配體中的相對(duì)位置,織機(jī)裝配模型如圖3所示。實(shí)際設(shè)計(jì)的六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)均采用雙側(cè)傳動(dòng)形式。
4) 開(kāi)口機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。進(jìn)入PRO/E機(jī)構(gòu)操作環(huán)境,通過(guò)設(shè)置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)為機(jī)構(gòu)提供“動(dòng)力”,選擇“運(yùn)動(dòng)學(xué)”類型,并設(shè)置時(shí)間周期和運(yùn)動(dòng)增量,就可進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。
圖3 織機(jī)的裝配模型
圖4 綜框的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性
5) 測(cè)量綜框的運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果。在Pro/E中,利用分析測(cè)量功能即可方便地獲得機(jī)構(gòu)中各個(gè)部件的位移、速度、加速度的測(cè)量值。在此需要對(duì)綜框進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,分別選擇“位置”、 “速度”、“加速度”測(cè)量類型,由于綜框做直線運(yùn)動(dòng),可以選擇綜框上任意一點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn),測(cè)量的結(jié)果如圖4所示。
通過(guò)在Pro/E軟件機(jī)構(gòu)分析模塊中對(duì)六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得出了綜框的運(yùn)動(dòng)曲線,可以發(fā)現(xiàn):其運(yùn)動(dòng)特性與曲柄四連桿機(jī)構(gòu)類似,綜框的位移、速度和加速度曲線連續(xù)而光滑,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、沒(méi)有絕對(duì)靜止過(guò)程,而且各頁(yè)綜框動(dòng)程相等。同時(shí)為了保證機(jī)構(gòu)本身的剛度和強(qiáng)度,設(shè)計(jì)了雙側(cè)機(jī)構(gòu)形式來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng),保證雙側(cè)機(jī)構(gòu)相位同步,避免機(jī)構(gòu)出現(xiàn)死點(diǎn)而無(wú)法運(yùn)行。
六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定C點(diǎn)的位置,C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定了O3軸的相應(yīng)擺角大小和綜框的特性。在Pro/E軟件里,使用“插入—>軌跡曲線”工具,可以生成機(jī)構(gòu)上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。從圖5中可以看出:C點(diǎn)的軌跡呈類橢圓形狀,而且隨AC長(zhǎng)度的增大, 橢圓形狀越扁,軌跡橢圓的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度不變,即O3軸的擺角不變、棕框的極限位置不變;其短軸長(zhǎng)度縮短,這可為增加綜框在極限位置附近的相對(duì)靜止時(shí)間創(chuàng)造條件。
圖5 C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖
通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真,可以觀察到CD桿對(duì)機(jī)構(gòu)的影響:根據(jù)橢圓形狀,當(dāng)增加CD桿的長(zhǎng)度,將使O3D桿向下面擺動(dòng)時(shí)的相對(duì)靜止時(shí)間增加,而向上面擺動(dòng)時(shí)的相對(duì)靜止時(shí)間減少;反之,如果縮短CD桿長(zhǎng)度則O3D桿向下面擺動(dòng)時(shí)的相對(duì)靜止時(shí)間減少,而向上面擺動(dòng)時(shí)的相對(duì)靜止時(shí)間增加。調(diào)節(jié)CD桿的長(zhǎng)度,使上下兩方向的相對(duì)靜止時(shí)間接近相等為益。改變O3D桿的長(zhǎng)度時(shí),只能改變O3軸的擺角大小,它對(duì)綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并無(wú)影響,因此在結(jié)構(gòu)允許的情況下,適當(dāng)減小O3D桿長(zhǎng)度,就可增大O3軸的擺角,在綜框行程不變時(shí),可通過(guò)減小雙臂杠桿 EE ′長(zhǎng)度來(lái)增加EF桿對(duì)綜框的傳動(dòng)角,從而能夠增大綜框向上運(yùn)動(dòng)的有效分力,減少使綜框前后晃動(dòng)的水平分力,也有利于減少綜框在導(dǎo)軌中的磨損。
通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)點(diǎn)位置的正確選擇,能夠使二次綜平時(shí)間達(dá)到一致;也可以適當(dāng)調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸,如增加EF桿長(zhǎng)度,能增大綜框行程即梭口高度,以彌補(bǔ)滿開(kāi)時(shí)的綜框相對(duì)靜止時(shí)間較短的不足。
隨著現(xiàn)代新型織機(jī)的快速發(fā)展,對(duì)織機(jī)的設(shè)計(jì)要求會(huì)愈來(lái)愈高,應(yīng)用Pro/E三維軟件建模工具實(shí)現(xiàn)了六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模, 對(duì)織機(jī)開(kāi)口機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性作進(jìn)行了深入分析,可以直接獲得綜框的運(yùn)動(dòng)速度、加速度特性和各結(jié)構(gòu)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線等數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上,提出了對(duì)結(jié)構(gòu)點(diǎn)位置和結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整的方法和措施,以增大綜框行程或梭口高度,使二次綜平時(shí)間達(dá)到一致,為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。
為織機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種切實(shí)可行的可視化、實(shí)時(shí)化設(shè)計(jì)新思路,能夠使設(shè)計(jì)更加直觀、簡(jiǎn)潔,降低了設(shè)計(jì)難度,有利于一般工程人員掌握和應(yīng)用。
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