基于Pro/E的噴氣織機(jī)六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真

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)

0 引言

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。

1 六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)的工作原理和工作要求

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)

2 基于PRO/E的開(kāi)口機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模與運(yùn)動(dòng)仿真

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。

3 六連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果

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。

4 結(jié)束語(yǔ)

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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