基于開(kāi)口工藝要求的多臂機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)分析

季海彬，周香琴，成小軍

(1. 浙江理工大學(xué)現(xiàn)代紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018；2. 萬(wàn)利紡織機(jī)械研究院，杭州 311243)

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基于開(kāi)口工藝要求的多臂機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)分析

季海彬1，周香琴1，成小軍2

(1. 浙江理工大學(xué)現(xiàn)代紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018；2. 萬(wàn)利紡織機(jī)械研究院，杭州 311243)

為了探尋多臂機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)與開(kāi)口工藝要求的關(guān)系，采用基本原理分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方法，對(duì)法國(guó)Staubli公司的2658型多臂機(jī)的提綜機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：偏心盤(pán)控制單元應(yīng)設(shè)計(jì)成無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，相鄰綜框?qū)?yīng)的曲柄相位差應(yīng)為180°，確保了綜平位置和綜平時(shí)刻的一致性，且綜平時(shí)刻偏心方向與提綜臂方向平行,但是上下開(kāi)口極限動(dòng)程無(wú)法一致,下開(kāi)口極限動(dòng)程大于上開(kāi)口極限動(dòng)程；綜平時(shí)刻，綜框調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的提綜臂圓弧中心應(yīng)在送桿和大刀片的鉸接點(diǎn)；通過(guò)合理設(shè)計(jì)綜框機(jī)架與大刀片中心的相對(duì)位置，可以確保上下開(kāi)口動(dòng)程的一致性；共軛凸輪旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)的引入增加了開(kāi)口的靜止時(shí)期，延長(zhǎng)了緯紗通過(guò)梭口的時(shí)間。

開(kāi)口機(jī)構(gòu)；多臂機(jī)；工藝要求；機(jī)構(gòu)參數(shù)

0　引　言

開(kāi)口機(jī)構(gòu)是織機(jī)的五大機(jī)構(gòu)之一，運(yùn)行速度快，載荷大，動(dòng)力消耗多，需與打緯機(jī)構(gòu)和引緯機(jī)構(gòu)密切配合工作。開(kāi)口機(jī)構(gòu)是做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，當(dāng)部分綜框帶動(dòng)經(jīng)紗往上運(yùn)動(dòng)時(shí)，另一部分綜框帶動(dòng)經(jīng)紗往下運(yùn)動(dòng)，形成由上下層經(jīng)紗組成的梭口，以供緯紗從中穿過(guò)。開(kāi)口機(jī)構(gòu)具有多種類型，用以織造不同類型的織物，通常有曲柄連桿開(kāi)口機(jī)構(gòu)、凸輪開(kāi)口機(jī)構(gòu)、多臂開(kāi)口機(jī)構(gòu)和提花開(kāi)口機(jī)構(gòu)4種類型[1]。其中，多臂開(kāi)口機(jī)構(gòu)適用于織造較復(fù)雜的小花紋織物[1]，被越來(lái)越多的織機(jī)廠家所使用。目前，Staubli公司生產(chǎn)的電子多臂機(jī)是行業(yè)領(lǐng)先產(chǎn)品，而國(guó)產(chǎn)多臂機(jī)的生產(chǎn)和研發(fā)仍處于仿制國(guó)外多臂機(jī)的階段，產(chǎn)品的多樣性、適應(yīng)性、壽命和價(jià)格與國(guó)外相比還存在較大差距。

近些年，國(guó)內(nèi)對(duì)多臂機(jī)的研究仍以運(yùn)動(dòng)學(xué)為主[2-3]，多臂機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)與開(kāi)口工藝要求之間的關(guān)系研究相對(duì)較少。開(kāi)口機(jī)構(gòu)要適應(yīng)多品種和高速化生產(chǎn)，應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、調(diào)節(jié)方便、運(yùn)行平穩(wěn)、梭口清晰、相鄰兩次綜平位置和綜平時(shí)刻一致等特點(diǎn)[4]。本文以法國(guó)Staubli公司的2658型多臂機(jī)為研究對(duì)象，從新型織機(jī)開(kāi)口工藝要求入手，分析2658型多臂機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)參數(shù)，探尋機(jī)構(gòu)參數(shù)與開(kāi)口工藝參數(shù)之間的關(guān)系，為織機(jī)開(kāi)口機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1　多臂機(jī)簡(jiǎn)介

圖1是2658型多臂開(kāi)口機(jī)構(gòu)的三維模型。此多臂機(jī)是一個(gè)共軛凸輪旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)與相互并聯(lián)的多組連桿機(jī)構(gòu)的組合，如圖2所示。其中編號(hào)5—14是一套多組并聯(lián)的連桿機(jī)構(gòu)(圖中只畫(huà)出了一組)，都連接于O1軸。多臂機(jī)主軸通過(guò)一對(duì)1∶2的過(guò)渡齒輪減速，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。搖塊3和3′與轉(zhuǎn)盤(pán)鉸接于O2和O2′點(diǎn)，與搖塊鉸接的轉(zhuǎn)子與共軛凸輪嚙合。共軛凸輪固定在機(jī)架上，相對(duì)機(jī)架靜止不動(dòng)。搖塊一端有滑槽，它的運(yùn)動(dòng)通過(guò)滑槽中滑塊帶動(dòng)O1軸和偏心盤(pán)做變速轉(zhuǎn)動(dòng)。由于O1軸在整周轉(zhuǎn)動(dòng)中有兩次停歇，因此綜框在極限位置處有了停頓時(shí)間。此處的偏心盤(pán)相當(dāng)于開(kāi)口曲柄，通過(guò)盤(pán)形連桿帶動(dòng)提綜臂來(lái)回?cái)[動(dòng)，通過(guò)送桿8、大刀片9、連桿11、小刀片12、撐桿10及13帶動(dòng)綜框上升或下降，實(shí)現(xiàn)開(kāi)口運(yùn)動(dòng)。

圖1　多臂開(kāi)口機(jī)構(gòu)模型

1-轉(zhuǎn)盤(pán)　2-共軛凸輪　3’-搖塊　4’-滑塊　5-偏心盤(pán)　6-盤(pán)形連桿　7-提綜臂　8-送桿　9-大刀片　11-連桿　12-小刀片　13-撐桿　14-綜框圖2　多臂機(jī)提綜機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2　工藝參數(shù)分析

普通開(kāi)口運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖3所示。為了使開(kāi)口、引緯、打緯等各運(yùn)動(dòng)相互協(xié)調(diào)，達(dá)到最佳配合，要求每次開(kāi)口過(guò)程中綜平位置一致，綜平時(shí)刻一致，上梭口動(dòng)程與下梭口動(dòng)程盡可能接近。由于復(fù)動(dòng)式開(kāi)口機(jī)構(gòu)與單動(dòng)式開(kāi)口機(jī)構(gòu)相比降低了一半的轉(zhuǎn)速，因此現(xiàn)代織機(jī)多數(shù)采用復(fù)動(dòng)式開(kāi)口。但是復(fù)動(dòng)式開(kāi)口機(jī)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)連續(xù)兩次綜平不一致的情況，如圖3中開(kāi)口過(guò)程的第一次綜平位置C和第二次綜平位置D。因此，若綜框運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線完全關(guān)于D點(diǎn)中心對(duì)稱，且關(guān)于θ=180°或θ=540°軸對(duì)稱，則該運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全滿足開(kāi)口機(jī)構(gòu)的要求。所以，綜框運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成完全對(duì)稱。

圖3　普通開(kāi)口運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3　機(jī)構(gòu)參數(shù)分析

3.1偏心盤(pán)控制單元機(jī)構(gòu)特征分析

偏心盤(pán)控制單元等效于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，提綜臂即為搖桿。當(dāng)其轉(zhuǎn)到左極限時(shí)，綜框在最下端，當(dāng)其轉(zhuǎn)到右極限時(shí)，綜框在最上端，兩個(gè)時(shí)刻之間多臂主軸應(yīng)該正好相差一周才能保證綜平度一致，即曲柄轉(zhuǎn)角相差180°。因此，具有無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)恰好滿足上述要求，其行程速度變化系數(shù)K=1。圖4是無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖中A1、O1、 A2、 B1、 B2在一條直線上。

圖4　無(wú)急回特性曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(1)

求解式(1)可得：

(2)

a2+d2=b2+c2

(3)

因曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄必為最短桿[5]，所以要使式(3)成立，d必為4個(gè)數(shù)中的最大值，即機(jī)架為最長(zhǎng)桿。

3.2偏心盤(pán)控制單元機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

為了得到理想的搖桿擺動(dòng)曲線來(lái)適應(yīng)開(kāi)口運(yùn)動(dòng)的要求，需要對(duì)偏心盤(pán)控制單元機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。圖5為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析矢量圖。

圖5　曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析矢量圖

設(shè)構(gòu)件O1A、AB、O3B與O1O3方向的轉(zhuǎn)角分別為θ1、θ2、θ3，列矢量方程式為：

(4)

投影到坐標(biāo)軸上的方程式為：

(5)

消去θ2，解方程得：

Lsinθ3+Mcosθ3=N

(6)

其中：

(7)

3.3提綜臂運(yùn)動(dòng)規(guī)律特征分析

3.3.1提綜臂函數(shù)方程分析

已知偏心盤(pán)控制單元機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，則若相鄰綜框的連桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)完全相同，差別僅是物理結(jié)構(gòu)上兩曲柄相差180°角，則相鄰綜框的位移運(yùn)動(dòng)曲線完全相同，僅在相位上相差180°，即可確保綜框運(yùn)動(dòng)曲線的兩次交點(diǎn)相隔180°出現(xiàn)在同一高度，從而保證了綜平時(shí)刻和綜平位置的一致性。通過(guò)式(6)可以得出θ3關(guān)于θ1的函數(shù)，則形成開(kāi)口運(yùn)動(dòng)的兩提綜臂的函數(shù)方程為：

(8)

其中：θ3∈(0,π)。

將式(6)代入式(8)得：

因此，可知綜平時(shí)刻，提綜臂與曲柄處于平行的位置，如圖4、圖6所示。

圖和函數(shù)曲線

3.3.2綜平時(shí)刻與極值時(shí)刻的主軸相位差

(10)

若要使式(10)等于π/2,則：

?b2+c2=d2

?a=0

(11)

因?yàn)閍=0時(shí)機(jī)構(gòu)不成立，所以綜平時(shí)刻與極值時(shí)刻的主軸相位差不可能為90°。所以綜框從一個(gè)極限位置運(yùn)動(dòng)到綜平位置，再?gòu)木C平位置運(yùn)動(dòng)到另一極限位置，兩者轉(zhuǎn)角不等。根據(jù)式(11)可知，a值越小，兩者轉(zhuǎn)角差越小。

3.3.3提綜臂上下開(kāi)口極限動(dòng)程分析

已知第一次極限位置時(shí)，θ2=θ1=β，第二次極限位置時(shí)，θ2=β,θ1=π+β，根據(jù)式(5)，分別可求出兩次極限位置時(shí)θ3的大小為：

(12)

(13)

(14)

=θ3c-θ3a

(15)

所以：

Δ2-Δ1=2θ3c-(θ3a+θ3b)

(16)

因?yàn)閎2-d2≤0，所以根據(jù)凹函數(shù)的性質(zhì)得：

(17)

所以(θ3a+θ3b)∈[180°,360°]。

因?yàn)閥=cosx在區(qū)間[180°,360°]為增函數(shù)，所以可以通過(guò)求cos(2θ3c)-cos(θ3a+θ3b)來(lái)判斷式(16)的大小。

(18)

cos(θ3a+θ3b)=cosθ3acosθ3b-sinθ3asinθ3b

(19)

因?yàn)?/p>

(20)

所以：

(21)

所以：

cos(2θ3c)-cos(θ3a+θ3b)

(22)

所以Δ2-Δ1>0。

因此，下開(kāi)口極限動(dòng)程大于上開(kāi)口極限動(dòng)程，上下開(kāi)口極限動(dòng)程無(wú)法相等。根據(jù)式(22)可知，a/d的值越小，Δ2-Δ1的值也就越小。因此，若a值越小，d值越大，則上下開(kāi)口極限動(dòng)程差越小。

3.4綜框調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的分析

現(xiàn)代織機(jī)為了能夠適應(yīng)不同織物的需求和方便形成清晰梭口，往往需要較便捷地改變織機(jī)開(kāi)口動(dòng)程的大小，因此需要具有綜框動(dòng)程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)圖如圖7所示。設(shè)定織機(jī)開(kāi)口機(jī)構(gòu)在綜平位置時(shí)，提綜臂圓弧的圓心恰好在送桿和大刀片的鉸接點(diǎn)G。則調(diào)節(jié)送桿F端在提綜臂圓弧上的不同位置，大刀片9并不會(huì)擺動(dòng)，因此綜框的綜平位置不變，而綜框的動(dòng)程大小隨之變化。當(dāng)F點(diǎn)往上調(diào)，提綜臂O3F變大，綜框動(dòng)程隨之變大；當(dāng)F點(diǎn)往下調(diào)，提綜臂O3F變小，綜框動(dòng)程隨之變小。

圖7　綜框動(dòng)程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖8　調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)極限位置

該機(jī)構(gòu)參數(shù)與織機(jī)結(jié)構(gòu)布局及提綜臂形狀有關(guān)，同一型號(hào)的多臂，配不同織機(jī)時(shí)，其機(jī)構(gòu)參數(shù)差異較大。

3.5綜框與大刀片的相對(duì)位置分析

(23)

圖9　綜框機(jī)架與大刀片示意

3.6共軛凸輪旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)分析

凸輪旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖10所示，輸入轉(zhuǎn)角與輸出轉(zhuǎn)角函數(shù)關(guān)系如圖11所示，綜框運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖12所示。若無(wú)共軛凸輪旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)，由轉(zhuǎn)盤(pán)1直接帶動(dòng)O1軸做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則梭口在滿開(kāi)時(shí)綜框無(wú)靜止時(shí)間，不利于織機(jī)的寬幅化。因此，共軛凸輪旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)的引入就是使一個(gè)勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)定的中間有兩次停歇的變速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使綜框在極限位置處有了一段靜止時(shí)間，其設(shè)計(jì)思路可由圖11來(lái)表示。設(shè)定函數(shù)自變量為轉(zhuǎn)盤(pán)1的轉(zhuǎn)角φ，函數(shù)因變量為O1軸的轉(zhuǎn)角θ1，其關(guān)系式可由θ1=g(φ)表示，且在一個(gè)周期內(nèi)，自變量和因變量均增加360°。為了消除共軛凸輪旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的不平衡現(xiàn)象，可以采用對(duì)稱設(shè)計(jì)的方法，即在相位相差180°處安置一組相同的搖塊，如圖10所示。因此該機(jī)構(gòu)在[0，180°]與[180°，360°]兩個(gè)區(qū)間中，運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全相同，所以綜框上下開(kāi)口過(guò)程中的靜止時(shí)間完全相同。

圖10　凸輪旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖11　輸入轉(zhuǎn)角與輸出轉(zhuǎn)角函數(shù)關(guān)系

通過(guò)共軛凸輪旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)，綜框運(yùn)動(dòng)在極限位置處有了停頓時(shí)間，增加了緯紗從梭口通過(guò)的時(shí)間，使圖12中沒(méi)有靜止時(shí)間的綜框運(yùn)動(dòng)規(guī)律變成圖13中的理想運(yùn)動(dòng)規(guī)律。若要增加綜框的靜止時(shí)間，則只需在設(shè)計(jì)關(guān)系式θ1=g(φ)時(shí)增大靜止區(qū)段。

圖12　無(wú)靜止時(shí)期的綜框運(yùn)動(dòng)曲線

圖13　理想綜框運(yùn)動(dòng)曲線

4　結(jié)　論

本文通過(guò)對(duì)織機(jī)開(kāi)口工藝及Staubli公司的2658型多臂機(jī)的機(jī)構(gòu)分析，得出了一些機(jī)構(gòu)特征及運(yùn)動(dòng)規(guī)律特征：

a)偏心盤(pán)機(jī)構(gòu)的無(wú)急回特性和相鄰綜框?qū)?yīng)的曲柄相位相差180°，保證了開(kāi)口運(yùn)動(dòng)的綜平位置和綜平時(shí)刻一致性。綜框上下開(kāi)口極限動(dòng)程不一致，下開(kāi)口極限動(dòng)程要大于上開(kāi)口極限動(dòng)程。綜框從一個(gè)極限位置運(yùn)動(dòng)到綜平位置，再?gòu)木C平位置運(yùn)動(dòng)到另一極限位置，兩者轉(zhuǎn)角不等。而綜平時(shí)刻偏心盤(pán)的偏心方向與提綜臂方向恰好平行。

b)綜平時(shí)刻，綜框動(dòng)程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的提綜臂圓弧中心應(yīng)盡量位于送桿與大刀片的鉸接中心，以利于綜框動(dòng)程調(diào)節(jié)時(shí)，綜平位置不變。綜框動(dòng)程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性有待進(jìn)一步研究。

c)合理布置綜框與大刀片轉(zhuǎn)動(dòng)中心的相對(duì)位置，可以獲得上下開(kāi)口動(dòng)程的對(duì)稱分布。

d)凸輪旋轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，增加了開(kāi)口的靜止時(shí)期。

上述結(jié)論可為國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)多臂機(jī)和其他開(kāi)口機(jī)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯： 康鋒)

Analysis on Mechanism Parameters of Dobby Based on Requirement of Opening Process

JIHaibin1，ZHOUXiangqin1，CHENXiaojun2

(1.Zhejiang Key Laboratory of Textile Equipment, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China; 2.Wanli Textile Machinery Research Institute, Hangzhou 311243,China)

In order to explore the relationship between dobby mechanism parameters and the opening process requirements, kinematics analysis and other methods were used to analyze the heald lifting mechanism of French Staubli Company’s type 2658 dobby. The research result shows that the eccentric disc control unit should be designed to be the crank rocker mechanism without quick-return characteristic and the crank phase difference corresponding to adjacent heald frames shall be 180°,which ensures the consistency between flat heald position and flat heald moment, and at the moment of flat heald, the eccentric direction parallels lifting heald arm. But the limit strokes of upper and lower openings cannot be consistent, the lower limit stroke is bigger than the upper one. At the moment of flat heald, the arc center of lifting heald arm of heald frame regulating mechanism should at the hinged point between feed bar and big blade. Properly designing the relative position between heald frame rack and the center of big blade can ensure the consistency between the strokes of upper and lower openings. The introduction of conjugate cam rotating variable speed mechanism increases the rest period of opening, and prolongs the time of weft yarns going through the shed.

opening mechanism; dobby; requirement of process; mechanism parameter

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.03.009

2015-05-14

浙江省重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目(2013C01027)

季海彬(1989-),男，浙江諸暨人，碩士研究生，主要從事織機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)學(xué)方面的研究。

周香琴，E-mail:zhouxiangqin@zstu.edu.cn

TH112.1

A

1673- 3851 (2016) 02- 0205- 06 引用頁(yè)碼： 030402