三維剛性劍桿織機(jī)引緯和打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

韓斌斌，王益軒，路 超，梁瑜洋，趙 梅

（1.北京星航機(jī)電裝備有限公司 研發(fā)中心，北京 100600；2.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，許多應(yīng)用領(lǐng)域都對復(fù)合材料的性能提出更高要求，同時(shí)，也引領(lǐng)著復(fù)合材料的發(fā)展——輕量化是復(fù)合材料發(fā)展的重要趨勢。傳統(tǒng)的輕質(zhì)復(fù)合材料預(yù)成型件，主要是采用鋪層縫制的方法，在使用過程中通常會(huì)因低速?zèng)_擊或剪切載荷等原因發(fā)生分層破壞［1］。為了克服這些不足，采用了三維織造方法制成的三維間隔機(jī)織物作為復(fù)合材料預(yù)成型件；該織物結(jié)構(gòu)不但具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特性，還具有良好的整體性、層間性及抗沖擊等性能［2］。

三維間隔機(jī)織物可以在稍加改造的二維織機(jī)上織造，尤其宜采用剛性劍桿織機(jī)對其開口機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)及打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造。鑒于篇幅的原因，筆者僅介紹引緯和打緯機(jī)構(gòu)。針對不同幅寬的織物，引緯機(jī)構(gòu)的形式有：空間連桿引緯，導(dǎo)桿引緯及電磁引緯。打緯機(jī)構(gòu)主要采用既在后死心位置具有較長靜止時(shí)間，又具有良好安裝制造性能的六連桿打緯機(jī)構(gòu)，而六連桿打緯機(jī)構(gòu)又有長筘座腳和短筘座腳之分，其適用性各不相同。由此可見，研究不同形式的引緯和打緯機(jī)構(gòu)及其最佳組合形式是十分必要的。

1 引緯和打緯機(jī)構(gòu)的組合

開口、引緯和打緯機(jī)構(gòu)相互配合，使織造過程順利進(jìn)行。筆者設(shè)計(jì)的用于織造間隔機(jī)織物的三維織機(jī)，采用由伺服電機(jī)控制的多頁綜框的電子開口機(jī)構(gòu)。在確定開口機(jī)構(gòu)的型式后，根據(jù)織物幅寬確定引緯和打緯機(jī)構(gòu)是否聯(lián)動(dòng)（聯(lián)動(dòng)情況下，劍桿的運(yùn)動(dòng)由筘座運(yùn)動(dòng)和引緯機(jī)構(gòu)合成；分離情況下，引緯和打緯機(jī)構(gòu)各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，劍桿運(yùn)動(dòng)和筘座運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立）；保證順利引緯的情況下確定引緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸及空間布局，確定采用哪種形式的引緯機(jī)構(gòu)，之后再確定打緯機(jī)構(gòu)的形式。筆者在大量仿真分析的基礎(chǔ)上提出了如表1所示的組合。圖1是其中一種組合形式下的三維織機(jī)機(jī)身虛擬樣機(jī)模型。

表1 不同幅寬織物所采用的引緯和打緯機(jī)構(gòu)

圖1 三維織機(jī)虛擬樣機(jī)模型

2 剛性劍桿引緯機(jī)構(gòu)

引緯機(jī)構(gòu)均采用雙側(cè)布置、中央交接的引緯方式，送緯側(cè)、接緯側(cè)同時(shí)各引4支劍；還可以根據(jù)織物所需的緯紗數(shù)，安裝不同數(shù)量的劍。

2.1 空間連桿引緯

空間連桿引緯是傳統(tǒng)剛性劍桿織機(jī)所采用的引緯方式，劍桿傳動(dòng)是由打緯機(jī)構(gòu)的筘座運(yùn)動(dòng)和引緯機(jī)構(gòu)合成、打緯機(jī)構(gòu)和引緯機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)。

2.1.1 空間連桿引緯的工作原理

空間連桿引緯機(jī)構(gòu)主要由兩套平面四連桿機(jī)構(gòu)、一套搖桿滑塊機(jī)構(gòu)及空間連桿組成，如圖2所示。機(jī)構(gòu)的工作原理：主軸O1通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（1，2，6和機(jī)架）使搖桿6（筘座）相對于O點(diǎn)擺動(dòng)，同時(shí)借助帶傳動(dòng)軸O2；軸O2通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（8，9，10和機(jī)架）帶動(dòng)連桿9作平面運(yùn)動(dòng)；空間連桿7通過球面副A和B將連桿9與角形擺臂桿3連接起來，并將連桿的運(yùn)動(dòng)傳遞給角形擺臂桿；角形擺臂桿3的短臂O4A繞O4點(diǎn)上下擺動(dòng)時(shí)，角形擺臂的長臂帶動(dòng)投劍桿4左右擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)安裝在投劍板上的劍桿往復(fù)擺動(dòng)，投劍桿的下端則在滑槽內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)［3－4］。圖2為ADAMS平臺(tái)上的仿真設(shè)計(jì)模型。

圖2 ADAMS中的空間連桿引緯機(jī)構(gòu)

2.1.2 空間連桿引緯的仿真及分析

仿真時(shí)，主軸O1的轉(zhuǎn)速設(shè)置為180°／s，仿真時(shí)間設(shè)置為2s，在此期間主軸一轉(zhuǎn)，引緯機(jī)構(gòu)完成一次引緯。圖3為接緯劍的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。

由接緯劍（送緯劍）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線可知，劍桿的有效動(dòng)程為623.12mm，超出了接緯劍動(dòng)程的460mm～530mm；同時(shí)，動(dòng)程可調(diào)，符合織機(jī)幅寬為100cm的要求；空動(dòng)程的最大值為55mm，在20mm～70mm適宜的范圍內(nèi)；在要求暫停的區(qū)域285°～310°中，劍桿位移的均方差值小于0.5mm，相對靜止較為理想；無回跳問題［5］。

圖3 接緯劍的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

2.2 導(dǎo)桿引緯

采用牛頭刨床式導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)作為三維織機(jī)的剛性劍桿引緯機(jī)構(gòu)，兩套導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)分別裝在墻板外側(cè)，由兩臺(tái)伺服電機(jī)分別傳動(dòng)控制，引緯和打緯機(jī)構(gòu)各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，劍桿運(yùn)動(dòng)和筘座運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立。劍桿工作時(shí)速度平穩(wěn)，減小對緯紗的沖擊，有利于引緯；回程時(shí)速度較快，減少引緯時(shí)間，提高織造效率。

2.2.1 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的工作原理

導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的工作原理如圖4所示，在ADAMS平臺(tái)仿真設(shè)計(jì)模型中，原動(dòng)件曲柄作圓周運(yùn)動(dòng)，通過滑塊帶動(dòng)擺桿左右擺動(dòng)；擺桿在擺動(dòng)時(shí)，又借助連桿推動(dòng)劍桿左右移動(dòng)，完成送緯和接緯。

2.2.2 導(dǎo)桿引緯的仿真及分析

仿真時(shí)將兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速都設(shè)置為360°／s、轉(zhuǎn)向相反；且為了保證送緯劍和接緯劍準(zhǔn)確交接，設(shè)置了時(shí)間差，仿真時(shí)間為2s；分別得到引緯機(jī)構(gòu)的位移曲線、送緯劍（或接緯劍）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，如圖5、圖6所示。

圖4 ADAMS中的導(dǎo)桿引緯機(jī)構(gòu)

圖5 引緯機(jī)構(gòu)的位移曲線

圖6 送緯劍的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

由圖5可知，接緯劍先到達(dá)梭口中央A處開始近似短暫停頓至B點(diǎn)；之后自B點(diǎn)開始后退的過程中，在B點(diǎn)與送緯劍（還未到達(dá)梭口中央）相遇并開始交接；接緯劍繼續(xù)后退而送緯劍繼續(xù)前進(jìn)（兩劍同向運(yùn)動(dòng)），接緯劍和送緯劍同向運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)再次相遇而完成交接；這時(shí)送緯劍幾乎到達(dá)梭口中央開始短暫停頓，至D點(diǎn)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(shí)不易失誤，并且交接時(shí)緯紗所受到的沖擊力也小。

由圖6可知，單側(cè)劍桿的動(dòng)程接近550mm，采用兩側(cè)布置的形式，劍桿的總動(dòng)程為1 100mm，適用于幅寬為100cm的織機(jī)；劍桿工作時(shí)，加速度波動(dòng)較小、速度較為平穩(wěn)，有利于引緯、減少斷頭率；劍桿回程時(shí)，速度較高，縮短了回程的時(shí)間，提高引緯效率。

2.3.1 單邊扁平型永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的組成及工作原理

單邊扁平型永磁直線同步電動(dòng)機(jī)主要由初級（動(dòng)子）、繞組、永磁體和次級（定子）組成。移動(dòng)初級是一個(gè)三相線圈，繞組封裝于環(huán)氧樹脂中，運(yùn)動(dòng)線圈繞組配備位置霍爾傳感器，用于電動(dòng)機(jī)繞組電壓電流控制；次級定子由多極磁軛構(gòu)成任意長度的軌道如圖7所示。其工作原理為：直線電動(dòng)機(jī)繞組通入三相正弦電流后產(chǎn)生氣隙磁場，通常稱之為行波磁場，永磁體的勵(lì)磁磁場與行波磁場相互作用后產(chǎn)生電磁推力；在電磁推力的作用下，初級動(dòng)子就會(huì)沿行波磁場運(yùn)動(dòng)方向做直線運(yùn)動(dòng)［7］。圖7為Ansoft Maxwell 2D平臺(tái)上的仿真設(shè)計(jì)模型。

2.3 電磁引緯

對于三維織機(jī)采用的多劍桿引緯而言，電磁引緯就是利用直線電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)多個(gè)剛性劍桿同時(shí)進(jìn)行引緯；而直線電動(dòng)機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能、且不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。直線電動(dòng)機(jī)憑借結(jié)構(gòu)簡單、高速、大推力、精度高等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、民用、軍事及其它各種直線運(yùn)動(dòng)的場合［6］。

剛性劍桿固定在動(dòng)子上與其一起運(yùn)動(dòng)，通過直接控制動(dòng)子運(yùn)動(dòng)順利引緯；可選用美國Baldor公司的永磁直線同步電動(dòng)機(jī)，也可自行設(shè)計(jì)，傳劍速度最大可達(dá)5m／s，引緯和打緯機(jī)構(gòu)各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，劍桿運(yùn)動(dòng)和筘座運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立。本文的引緯方式采用單邊扁平型永磁直線同步電動(dòng)機(jī)，下面介紹它的組成及工作原理，并進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

圖7 Ansoft Maxwell 2D中的單邊扁平型永磁直線同步電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)

2.3.2 單邊扁平型永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的仿真

對自行設(shè)計(jì)的單邊扁平型永磁直線同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真，以說明采用直線電動(dòng)機(jī)引緯的可行性。仿真速度設(shè)為2m／s，提取了0.05s和0.1s時(shí)的磁力分布線圖，如圖8所示。

3 打緯機(jī)構(gòu)

目前，織機(jī)一般采用四連桿、六連桿及共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)。四連桿打緯機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但不能保證在打緯后死心位置有較長的停頓時(shí)間；共扼凸輪打緯機(jī)構(gòu)可使筘座在后死心位置處完全靜止，并且根據(jù)需要靜止時(shí)間可達(dá)200°以上（較長的靜止時(shí)間有利于引緯），但凸輪的安裝及制造精度很高；六連桿打緯機(jī)構(gòu)既能保證筘座在打緯后死心位置附近有較長的停頓時(shí)間，又具有良好的機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能及制造安裝性能［8－9］。

圖8 磁力分布線圖

3.1 打緯機(jī)構(gòu)的工作原理

六連桿打緯機(jī)構(gòu)由兩套四連桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成，如圖9所示。以長筘座腳的六連桿打緯機(jī)構(gòu)為例，其工作原理為：主軸電機(jī)通過帶傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給曲柄，驅(qū)動(dòng)曲柄繞主軸O整周回轉(zhuǎn)；隨著曲柄回轉(zhuǎn)，通過第一連桿使第一搖桿繞中間軸O1擺動(dòng)；再通過第二連桿，使安裝在第三搖桿上的筘座繞搖軸O2往復(fù)擺動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行打緯。

圖9 ADAMS中的六連桿打緯機(jī)構(gòu)

3.2 打緯機(jī)構(gòu)的仿真及分析

六連桿打緯機(jī)構(gòu)又有長筘座腳和短筘座腳之分，選用哪種形式的打緯機(jī)構(gòu)，主要由引緯機(jī)構(gòu)的形式?jīng)Q定。分別對空間連桿引緯中的四連桿打緯機(jī)構(gòu)和三種形式的六連桿打緯機(jī)構(gòu)在ADAMS中建模，并進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得到它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，見圖10～圖13。

圖10 長筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

圖11 短筘座腳噴氣織機(jī)的六連桿打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

圖12 老機(jī)改造的短筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

圖13 四連桿打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

由圖10、圖13可知，長筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律比四連桿打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律稍好，并未完全發(fā)揮六連桿在后死心位置具有較長靜止時(shí)間的優(yōu)勢；但這并未影響它的應(yīng)用，因?yàn)殚L筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)與引緯機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，即在整個(gè)打緯過程中，劍桿和筘座始終相對靜止有充足的時(shí)間進(jìn)行引緯。

由圖11、圖12可知，噴氣織機(jī)的短筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)和老機(jī)改造的短筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)具有幾乎相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。由位移曲線可知，筘座的相對靜止時(shí)間約為160°，劍桿可以在靜止不動(dòng)的筘座上長時(shí)間飛行而有利于引緯；由速度和加速度曲線可見機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)較為平衡，具有良好的動(dòng)態(tài)性能［10］。雖然老機(jī)改造的短筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)，不會(huì)出現(xiàn)與開口機(jī)構(gòu)和引緯機(jī)構(gòu)干涉的現(xiàn)象；但該機(jī)構(gòu)尺寸較大造成安裝空間較大，盡量不采用。

4 結(jié)論

鑒于篇幅的原因，筆者僅對幅寬為100cm的織物仿真設(shè)計(jì)了三種不同的引緯機(jī)構(gòu)，為了保證機(jī)構(gòu)能達(dá)到預(yù)期的工藝要求，各個(gè)構(gòu)件的尺寸是在參照現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過仿真優(yōu)化后得出的，通過仿真分析并得出以下結(jié)論。

4.1 采用空間連桿引緯時(shí)，選用長筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)；采用導(dǎo)桿引緯和電磁引緯時(shí)，可選用噴氣織機(jī)的短筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)和老機(jī)改造的短筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)。

4.2 長筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)和長筘座腳四連桿打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似，長筘座腳的六連桿打緯機(jī)構(gòu)在后死心位置的靜止時(shí)間不長，不能充分發(fā)揮六連桿打緯機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢，但并不影響引緯；因?yàn)椴捎每臻g連桿引緯時(shí)才選用長筘座腳的六連桿打緯機(jī)構(gòu)，空間連桿引緯的引緯機(jī)構(gòu)和打緯機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，劍桿可在運(yùn)動(dòng)著的筘座上運(yùn)動(dòng)。

4.3 噴氣織機(jī)的短筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)和老機(jī)改造的短筘座腳六連桿打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，但老機(jī)改造的六連桿打緯機(jī)構(gòu)的尺寸較大，占據(jù)較大的安裝空間，實(shí)際中盡量不采用。

4.4 通過不同幅寬系列三維間隔織物織機(jī)整機(jī)虛擬樣機(jī)模型的建立、裝配及協(xié)同仿真分析，可確定不同形式的開口、引緯和打緯機(jī)構(gòu)的最優(yōu)組合。

5 結(jié)語

通過對三種不同形式的引緯和打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，可知這三種引緯和打緯機(jī)構(gòu)不僅能滿足工藝要求，而且各具特點(diǎn)。合理地選擇引緯和打緯機(jī)構(gòu)的組合形式，可以達(dá)到織造不同幅寬三維間隔機(jī)織物的要求，拓寬了織物的應(yīng)用領(lǐng)域，為三維織機(jī)引緯和打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究提供了更為廣闊的思路。

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