基于ADAMS的三維剛性劍桿織機引緯機構的設計

韓斌斌，王益軒，梁瑜洋，陳榮榮

（西安工程大學 機電工程學院，西安 710048）

0 引言

引緯速度是影響剛性劍桿織機織造效率的重要因素。采用雙劍機構，兩側布置中央交接的引緯方式，在相同的引緯速度條件下，引緯時間可以縮短［1］，但是接緯劍（送緯劍）的運動曲線是一條弧線并非直線，增大了織口的高度，同時接緯劍的運動存在空行程，減小了劍桿的有效動程。因此，劍桿引緯機構適應于織造普通織物，對于多緯織物及三維織物的織造就顯得不太適應了。

提高剛性劍桿織機的織造效率，可以通過提高引緯速度的方式實現(xiàn)。提高引緯速度，劍桿工作行程和空行程的速度同時提高，但是過大的引緯速度反而會增加紗線的沖擊，導致緯紗斷頭率增加，不僅未達到縮短引緯時間的效果，反而降低了織造效率。而保持工作速度不變，減小回程時間（增加速度），相對而言也是提高了引緯速度，縮短了引緯時間。鑒于此采用牛頭刨床的導桿機構作為剛性劍桿織機的引緯機構。該機構工作時速度較慢且平穩(wěn)，回程時速度較快，對開發(fā)劍桿織機和三維織機引緯機構具有較大的研究價值。

1 導桿機構的工作原理

傳統(tǒng)剛性劍桿織機的劍桿傳動是由打緯機構的筘座運動和引緯機構合成，打緯機構和引緯機構聯(lián)動。本文采用的劍桿傳動導桿機構與打緯機構分離，各自獨立傳動，打緯機構采用六連桿打緯，由主軸直接傳動；兩套導桿機構分別裝在兩側墻板外側，由兩臺伺服電機分別傳動控制。因而，送緯劍和接緯劍的運動與筘座運動無關，當筘座接近后死心時，劍桿對準梭口完成引緯。

導桿機構的最大優(yōu)點是具有急回特性，即空程速度快于工作行程的速度，與劍桿機構相比，該機構應用到剛性劍桿織機引緯上，可以縮短引緯時間，提高織造效率。

導桿機構的工作原理如圖1所示，各構件的尺寸為：L1＝125 mm，L3＝600 mm，L4＝150 mm。原動件曲柄作圓周運動，通過滑塊帶動擺桿左右擺動，擺桿在擺動時，又借助連桿推動劍桿左右移動，完成送緯和接緯。

2 引緯機構的虛擬樣機模型及仿真

2.1 引緯機構的虛擬樣機模型

在ADAMS中建立了引緯機構的虛擬樣機模型，如圖2所示，引緯機構采用雙側布置，中央交接的引緯方式，送緯劍裝于送緯側，接緯劍裝于接緯側?？棛C工作時，送緯劍由送緯側平穩(wěn)地向中央交接處運動，在送緯劍達到交接處時，接緯劍也剛好運動到此進行交接，且接緯劍到達最大動程的時間要稍早于送緯劍；完成交接后送緯劍快速地回到送緯側，與此同時接緯劍攜帶著緯紗平穩(wěn)地返回引緯側，完成整個引緯過程。整個過程花費的時間只是引緯工作行程所需要的時間，即接緯劍和送緯劍攜帶緯紗運動的時間，省去了劍桿空行程消耗的時間。這兩個導桿機構分別由兩臺獨立的伺服電機控制，通過合理地控制伺服電機，可以滿足上述運動規(guī)律的要求，大大縮短引緯時間，提高織造效率。

圖1 導桿機構工作簡圖

圖2 引緯機構的虛擬樣機模型

2.2 引緯機構的仿真

在ADAMS中對引緯機構的虛擬樣機模型添加約束后進行仿真，仿真時將兩臺電機的轉速都設置為360°／s，轉向相反，仿真時間為2 s，且送緯劍比接緯劍的運動時間遲0.1 s（因為送緯劍從送緯側向中央交接處的運動為工作行程，接緯劍從接緯側向交接處運動為空行程，且空行程的速度比工作行程的速度大，為了保證兩劍桿能夠順利交接，因此設置了時間差），分別得到了引緯機構的位移曲線、送緯劍（或接緯劍）的運動規(guī)律曲線及引緯機構的壓力角 變化曲線，如圖3～圖5所示。

圖3 引緯機構的位移曲線

圖4 送緯劍的運動曲線

圖5 引緯機構的壓力角曲線

雙劍桿織機上，送緯劍與接緯劍通常在筘幅的中央交接緯紗。為了改善交接的條件，有些劍桿織機采用接力交接的方法，即設計時讓兩劍有一段的交接沖程，且送緯劍開始退劍的時刻晚于接緯劍開始退劍的時刻［1］。由圖3可知，接緯劍先到達梭口中央A處開始近似短暫停頓至B點，接緯劍自B點開始后退的過程中，在B點與送緯劍（還未到達梭口中央）相遇開始交接，接緯劍繼續(xù)后退而送緯劍繼續(xù)前進（兩劍同向運動），接緯劍和送緯劍同向運動到C點再次相遇而完成交接，這時送緯劍幾乎到達梭口中央開始短暫停頓，至D點送緯劍開始后退，兩劍桿之間存在交接沖程。采用這種交接方式，使兩劍在交接時不易失誤，并且交接時緯紗所受到的沖擊力也小?？椩觳煌N類的紗線及不同組織的織物時，兩劍的相對運動規(guī)律有所差異，通過調整伺服電機的控制方式，可以達到預計的運動規(guī)律。

由圖4可知，單側劍桿的動程接近550 mm，采用兩側布置的形式，劍桿的總動程為1100 mm，適用于幅寬為1000 mm的劍桿織機；劍桿工作時，加速度波動較小，速度較為平穩(wěn)，有利于引緯，減少斷頭率；劍桿回程時，速度較高，縮短回程的時間，提高引緯效率。

在連桿機構中常用傳動角的大小及變化情況來衡量機構傳力性能的好壞，傳動角r越大，對機構的傳力性能愈有利，為保證機構的傳力性能良好，應使rmin不小于40°、不大于50°［2］。由圖5可知壓力角a的變化范圍為－9.5815°～15.7315°，同時壓力角a與傳動角r互余，滿足rmin不小于40°，不大于50°的要求，說明該機構的傳動性能良好。

3 加速度和動程的優(yōu)化分析

在引緯過程中，速度變化越小，劍桿運動越平穩(wěn)，引緯效果越好，而加速度的大小反映速度的波動程度［3］。因此，減小工作行程加速度的最大值，有利于減小速度的波動，但是減小加速度的同時，又會導致劍桿的動程減小，影響織造織物的幅寬。為了探索加速度和動程的相互影響程度如何，以及影響程度有多大，有必要對加速度和動程進行靈敏度優(yōu)化分析。

由機構的運動分析可知，曲柄長度的變化對機構的加速度和動程影響最大，所以通過參數(shù)化A、B點（參見圖1導桿機構簡圖）的坐標值，實現(xiàn)對曲柄長度的變化，從而對加速度的最小值和動程的最大值進行優(yōu)化。參數(shù)化后各點的坐標值如圖6所示，各點的變化區(qū)間為（－10，10），取定初始值后進行設計研究。

圖6 參數(shù)化各點的坐標值

優(yōu)化后得到表1中的數(shù)據(jù)，對比優(yōu)化前后的加速度可知，加速度最大值從28285.7989 mm／s2減小到16169.5436 mm／s2，減小了近42.84%；然而速度的最大值只減小了3.35%，優(yōu)化可以減小速度的波動，但是不明顯；同時劍桿的最大動程減小了92.9585 mm，減小了近17.06%，使劍桿的動程不能滿足織造幅寬為1000 mm織物的要求。對比優(yōu)化前后動程的數(shù)據(jù)可知，動程增大近62 mm，擴大了織造幅寬的范圍；與此同時速度和加速度也相應地增大了39.52%和93.52%，速度波動較大，不利于引緯。

因此，在進行機構的設計時，不能盲目地追求某一方面的最優(yōu)，要綜合各個方面的因素進行考慮。很多學者在進行導桿機構設計時，只針對其中的某一參數(shù)優(yōu)化后，如動程、加速度以及壓力角等，就得出增大或減小該參數(shù)的值可使機構的運動達到最優(yōu)的結論并不合理。

表1 優(yōu)化前后動程、速度、加速度的最大值

4 結論

4.1 采用導桿機構作為剛性劍桿織機的引緯機構，可以實現(xiàn)引緯的要求，并且引緯過程平穩(wěn)，回程速度快，縮短了引緯時間，更重要的是該機構的設計、仿真及優(yōu)化比較容易。

4.2 通過對引緯機構進行動程和加速度優(yōu)化后，可知減小劍桿的加速度可使速度的波動變小，有利于引緯，但同時劍桿動程也會減小，使劍桿適用于織造織物幅寬的范圍變??；相反增大劍桿的動程后，加速度也相應增大，與此同時速度波動較大，不利于引緯。因此，盲目地追求某一參數(shù)的最大化，并不合理。應根據(jù)該機構在引緯過程的需求，對機構的尺寸進行適當調整。

4.3 通過調整伺服電機的控制方式，可以實現(xiàn)引緯劍和送緯劍準確地交接，但是電機的控制比較復雜。

5 結語

利用機械系統(tǒng)動力學仿真軟件ADAMS建立了導桿機構的虛擬樣機模型，并進行仿真及優(yōu)化分析，得到該機構的運動規(guī)律曲線。通過分析曲線，證實了導桿機構的運動情況適用于剛性劍桿織機的引緯，不僅如此，在導桿機構上安裝多個劍桿，還可以作為三維織機的引緯機構，用于織造多緯織物及三維織物。導桿的優(yōu)點及應用領域，隨著三維織機的開發(fā)還有待于進一步研究。

［1］陳人哲，陳明.紡織機械設計原理［M］.北京：中國紡織出版社，1996.

［2］孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］范彩霞，楊金峰.基于Adams的牛頭刨床擺動導桿機構仿真及優(yōu)化［J］.煤礦機械，2003，34（4）：69－70.

［4］陳峰華.ADAMS2012虛擬樣機技術從入門到精通［M］.北京：清華大學出版，2013.

［5］謝珣，史景釗，李祥付，等.基于ADAMS的牛頭刨床運動仿真及優(yōu)化設計［J］.河南科學，2014，32（2）：204－206.