采用電子凸輪的多梳櫛經(jīng)編機成圈運動

牛善宇， 曹清林

(江蘇理工學(xué)院 機械工程學(xué)院， 江蘇 常州 213001)

采用電子凸輪的多梳櫛經(jīng)編機成圈運動

牛善宇， 曹清林

(江蘇理工學(xué)院 機械工程學(xué)院， 江蘇 常州 213001)

為解決多梳櫛經(jīng)編機成圈機構(gòu)運動鏈較長、整機適應(yīng)性差的問題，采用電子凸輪驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的傳動方案實現(xiàn)多梳櫛經(jīng)編機槽針的復(fù)合運動。根據(jù)經(jīng)編工藝、梳櫛排布特點選定理論關(guān)鍵點位置，以擬合出槽針針鉤點理論軌跡，其中鎖邊花梳櫛針前墊紗理論關(guān)鍵點位置，低于針背墊紗理論關(guān)鍵點位置，且不能超過槽針針頭圓弧半徑大小。低速試驗狀態(tài)下，實測43/1型經(jīng)編機槽針針鉤點運動軌跡。結(jié)果表明，地梳櫛和賈卡梳櫛排布區(qū)間實際關(guān)鍵點與理論關(guān)鍵點在X方向的偏差在允許偏差±0.25 mm范圍內(nèi)，花梳櫛針背墊紗的偏差在X方向允許偏差在0～0.25 mm范圍內(nèi)，鎖邊花梳櫛針前墊紗的偏差在X方向允許偏差1.95 mm范圍內(nèi)，所有情況在Y方向的偏差都在允許的偏差范圍±0.25 mm內(nèi)。

經(jīng)編機； 多梳櫛； 電子凸輪； 成圈

采用復(fù)合針的多梳櫛經(jīng)編機成圈有3個運動，分別為針床擺動、槽針上下和針芯運動，采用3個自由度為1的平面連桿或連桿-凸輪組合機構(gòu)實現(xiàn)這些運動[1-3]。3個機構(gòu)的主動件凸輪或偏心輪安裝在整機主軸上，在機器整個幅寬上平行安裝有多組完全相同的機構(gòu)以驅(qū)動槽針床和針芯床運動。這種結(jié)構(gòu)目前存在的問題：運動實現(xiàn)機構(gòu)傳動鏈較長，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且有較大累積誤差，影響槽針與針芯、復(fù)合針與導(dǎo)紗針之間的位置精度；多組平行相同機構(gòu)驅(qū)動同一針床，同步要求很高，對零件加工、成圈裝置安裝精度等提出了更高要求；一組共軛凸輪對應(yīng)一種機型，適應(yīng)性和柔性差。

目前，不帶壓紗板多梳櫛經(jīng)編機選用平面連桿機構(gòu)實現(xiàn)針床擺動，并進一步采用斯蒂芬森型平面六連桿機構(gòu)代替平面八連桿機構(gòu)[4]，以縮短運動鏈長度。某些多梳櫛經(jīng)編機機型，3種運動機構(gòu)全采用平面多連桿機構(gòu)[5-6]，避免采用具有高副結(jié)構(gòu)的共軛凸輪機構(gòu)，以降低制造成本和提高整機轉(zhuǎn)速。幅寬較寬機型采用分段針床，降低多組平行且相同機構(gòu)的同步性要求。

無論是平面多連桿機構(gòu)還是平面連桿-凸輪組合機構(gòu)，主動件需采用偏心輪或共軛凸輪結(jié)構(gòu)，多組完全相同的偏心輪和共軛凸輪安裝在同一主軸上，置于油箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝和調(diào)試要求高，一種機型需對應(yīng)一組偏心輪和凸輪，機器的柔性差，本文采用電子凸輪直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的方案，縮短了傳動鏈，降低了多組平行機構(gòu)之間同步性要求，而且通過改變輸入數(shù)據(jù)就可實現(xiàn)織針的不同運動，提高了機器的柔性。

1 傳動方案

圖1(a)示出多梳櫛經(jīng)編機槽針運動的執(zhí)行機構(gòu)。為討論方便，將槽針簡化為圖1(b)所示結(jié)構(gòu)。設(shè)針頭圓弧半徑為R1，圓心C稱為針鉤點，與針頭圓弧外表面相切的平面m稱為槽針針平面。根據(jù)經(jīng)編編織工藝[7-8]，槽針針鉤C點的運動由2部分復(fù)合而成，即相對整機機前、機后方向的擺動(相對梳櫛的墊紗運動)和相對脫圈針(固定安裝在槽針床導(dǎo)向擺臂1上)的上下直線運動。

注：1—槽針床導(dǎo)向擺臂；2—槽針針床和槽針組件；其上C點是槽針針鉤點；3—槽針上下運動驅(qū)動桿；4—槽針上下運動擺臂。圖1 執(zhí)行機構(gòu)傳動方案及槽針Fig.1 Transmission scheme of performing mechanism(a) and groove pin(b)

槽針針鉤C點的運動軌跡為二維平面曲線，不同梳櫛數(shù)和排布方式的多梳經(jīng)編機，C點軌跡形狀要求不同。平面多連桿或平面凸輪-連桿組合機構(gòu)驅(qū)動的多梳櫛經(jīng)編機，機構(gòu)的運動輸出件分別驅(qū)動構(gòu)件1和4擺動?，F(xiàn)采用在A0和D0點電子凸輪驅(qū)動的傳動方案，使擺臂1和4擺動，作為圖1所示執(zhí)行機構(gòu)的2個運動輸入。

2 機構(gòu)逆解

2.1 逆解分析

(1)

(2)

(3)

l1eiφ1+l2eiφ2+l2′ei(φ2-α)=l6eiφ6

(4)

展開后可求得

(5)

又由封閉矢量多邊形A0CBDD0，有

(6)

l2′eiφ2′+l3eiφ3+l4eiφ4=l5+l6eiφ6

(7)

式中，φ3和φ4為未知量，展開后可求得

(8)

式中:a=l2′cosφ2′-l5-l6cosφ6；b=l2′sinφ2′-l6sinφ6；c=2bl4；d=2al4；e=a2+b2+l42-l32。

式(5)和(8)的φ1和φ4為槽針運動執(zhí)行機構(gòu)的逆解。

2.2 要求軌跡及逆解

由多梳櫛經(jīng)編機槽針針鉤C點運動軌跡的離散點數(shù)據(jù)，求取執(zhí)行機構(gòu)相應(yīng)逆解，系列離散逆解值是電子凸輪運動的基礎(chǔ)。

對于不同多梳櫛經(jīng)編機機型，槽針針鉤軌跡形狀取決于梳櫛數(shù)量、梳櫛排布、橫移時間等。具體設(shè)計時，根據(jù)主要工藝(關(guān)鍵)點位置，擬合出在一個成圈周期內(nèi)槽針針鉤C點的運動軌跡(理論軌跡)。圖2(a)示出43/1型賈卡多梳櫛經(jīng)編機選定的槽針針鉤運動關(guān)鍵點1～15。1至3點過程為槽針從最低點上升階段；3至9點之間排布各類梳櫛，槽針經(jīng)由該階段為針背墊紗過程；槽針由9點運動至10點即刻反向至11點，在此期間梳櫛針前橫移；11至12點是針前墊紗階段；12至1點之間為槽針牽引紗線完成套圈和脫圈過程。

圖2 擬合與實測軌跡Fig.2 Curve of fitting(a) and actual (b)

2.3 各關(guān)鍵點位置的確定

先在圖2(a)中根據(jù)梳櫛排布確定3至9點區(qū)間，并在其中選定了6個點，所選點數(shù)一般少于該區(qū)間內(nèi)梳櫛工作線條數(shù)，點數(shù)過多增加擬合曲線難度，實際應(yīng)用時，根據(jù)擬合曲線對梳櫛排布在該區(qū)間內(nèi)進行微調(diào)。

9與10點之間的距離也稱橫移距離，是反映梳櫛橫移運動特點的重要參數(shù)，根據(jù)不同機型進行選擇。

由于槽針在通過8至9點時梳櫛對其進行針背墊紗，針前橫移后又對其進行針前墊紗(針前墊紗位置用11和12點標(biāo)記)，為保證良好的針背和針前墊紗效果，理論上針背和針前墊紗深度應(yīng)相等，也稱針背和針前應(yīng)有相同的吃針深度，即8和9點位置應(yīng)分別與12和11點重合，但由于在12點位置針前墊紗結(jié)束后槽針應(yīng)立刻下降，為保證槽針上下運動機構(gòu)的平緩性，8和12點之間可不完全重合，也即針背和針前墊紗吃針深度可不相同，如圖2(a)中，12點位置低于8點位置，根據(jù)工藝結(jié)合實際機器調(diào)試經(jīng)驗，針背墊紗應(yīng)為滿孔、針前墊紗至多可為1/2孔。對43/1機型，8點位置為鎖邊花梳櫛，導(dǎo)紗針孔形狀為圖3(a)所示的對稱腰形孔，設(shè)其長為L，且L=2R1。設(shè)對稱腰形孔的中心為P點，8點位置鎖邊花梳櫛對槽針針背墊紗時，槽針針鉤C點與P點重合，由于L=2R1，槽針上針平面m與導(dǎo)紗針孔最上表面持平，稱為滿孔墊紗，如圖3(b)所示。8點位置鎖邊花梳櫛對槽針針前墊紗時，圖3(c)示出1/2孔墊紗的情況，槽針上針平面m位于導(dǎo)紗針孔長度L一半位置，此時C點與P點不重合，距離S=R1。顯然，為保證針前墊紗效果，應(yīng)有S≤R1，也即12點在8點向下垂直偏移量不得超過R1大小。對43/1機型，R1=0.85mm，L=1.7 mm，12點位置在8點位置下方，根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)距離為396.4 mm-395.8 mm=0.6 mm處，滿足要求。

圖3 鎖邊花梳櫛墊紗位置分析Fig.3 Position analysis oflockedguide bar. (a)Guideneedle;(b)Lapping of full hole;(c)Lapping of half hole

關(guān)鍵點序號主軸轉(zhuǎn)角/(°)理論關(guān)鍵點坐標(biāo)(x1,y1)/mm實際關(guān)鍵點坐標(biāo)(x2,y2)/mm位置偏差(x1-x2,y1-y2)/mm10.0(373.1,90.3)(373.1,90.3)(0,0)254.7(381.3,90.9)(381.2,90.7)(0.1,0.2)378.3(387.1,86.0)(387.0,85.9)(0.1,0.1)493.5(390.1,81.5)(390.0,81.4)(0.1,0.1)5108.5(392.7,75.7)(392.7,75.7)(0,0)6123.1(394.4,69.8)(394.4,69.8)(0,0)7139.3(395.8,63.0)(395.8,63.0)(0,0)8151.5(396.4,58.4)(396.4,58.4)(0,0)9162.7(396.8,54.7)(396.8,54.7)(0,0)10201.3(397.2,48.6)(397.2,47.6)(0,1)11240.2(396.8,54.7)(396.8,54.7)(0,0)12254.0(395.8,58.4)(395.8,58.4)(0,0)13272.6(392.2,65.2)(392.2,65.2)(0,0)14293.1(386.1,72.8)(386.3,73.0)(-0.2,-0.2)15315.6(378.9,80.5)(379.2,80.8)(-0.3,-0.3)

槽針由12點向下到達1點階段為套圈和脫圈過程，具體包括針芯封閉槽針針口、套圈和脫圈，最低點1位置的選取需確保這些動作能順利完成，結(jié)合預(yù)先排布好的梳櫛，可確定1點相對10點之間的位置關(guān)系。圖2(a)中1點至10點之間在X方向的距離也稱為槽針上下運動動程，整個軌跡在Y方向的距離稱為復(fù)合針前后運動動程，為使機器具有較好的動力學(xué)運動特性，應(yīng)盡可能使上下和前后動程較小。根據(jù)動態(tài)模擬，43/1機型1至3點在X方向取14 mm左右，上下和前后動程分別取24 mm和44 mm左右，可滿足成圈要求。

另外，為控制軌跡的基本形狀，在1點和3點之間取有2點，12點和1點之間取有13、14和15點，這些點具體取多少個以及具體位置可根據(jù)實際三維模擬效果進行調(diào)整。

表1示出了43/1型賈卡多梳櫛經(jīng)編機槽針針鉤運動的15個關(guān)鍵點具體坐標(biāo)值。由這些點擬合出槽針針鉤運動軌跡，如圖2(a)所示，進一步離散化得軌跡的系列點坐標(biāo)(x，y)，代入式(5)和(8)，得逆解φ1和φ4變化曲線如圖4所示。

圖4 逆解曲線Fig.4 Inverse diagram of inverse solution

3 電子凸輪運動

圖5 伺服運動曲線Fig.5 Servo motion curves. (a) Swing of needle bed; (b) Up and down motions of groove pin

設(shè)經(jīng)編機主軸為電子凸輪系統(tǒng)的主動軸，從動軸為執(zhí)行機構(gòu)中運動輸入軸，即φ1和φ42個運動輸入。 對主動軸一個運動周期進行等分，1個等分點對應(yīng)1個脈沖，取等分點N為3 600，即有3 600脈沖數(shù)。進一步將2個從動軸的運動，也即離散化的逆解值φ1和φ4轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的單元數(shù)(也對應(yīng)為3 600個)，得到圖5所示的伺服運動曲線，作為從動軸的位置命令。

將φ1和φ4對應(yīng)的伺服運動曲線分別記為凸輪表Cam1和Cam4，導(dǎo)入到臺達ASDA-A2伺服系統(tǒng)(電子凸輪)CANopenBuilder中。在具體編寫程序時，通過虛軸指令(VirtualAxis)建立虛擬主動軸，并按照預(yù)定的時間間隔△t向從動軸電動機的伺服驅(qū)動器發(fā)出執(zhí)行指令，以調(diào)用凸輪表Cam1和Cam4中伺服曲線相應(yīng)單元數(shù)的值?！鱰與脈沖數(shù)N和經(jīng)編機主軸轉(zhuǎn)速n(r/min)有關(guān)，具體為

(9)

由于有2個從動軸φ1和φ4，在電子凸輪系統(tǒng)中選擇多軸→凸輪表(CamTableSelect)→凸輪關(guān)聯(lián)(CamIn)指令，建立起2個對應(yīng)的凸輪關(guān)系。當(dāng)主動軸發(fā)出脈沖命令時，對應(yīng)的2個從動軸會按照凸輪表Cam1和Cam4中的運動規(guī)律運動。

4 試驗與測試結(jié)果

4.1 試驗系統(tǒng)

整個試驗系統(tǒng)包括機械傳動、控制(包括電子凸輪)和測試系統(tǒng)3部分，如圖6所示。

圖6 試驗系統(tǒng)Fig.6 Test system. (a) Machine driven system; (b) E-cam control system; (c) Measurement system of trajectory of groove pin tip

圖6(a)示出機械傳動系統(tǒng)。左、右兩側(cè)各由1組具有E-Cam(電子凸輪)功能的伺服電動機1和2、減速器1和2、聯(lián)軸器1和2等組成的傳動系統(tǒng)分別驅(qū)動擺軸A0和D0擺動，槽針床導(dǎo)向擺臂和槽針上下運動擺臂分別固裝在擺軸A0和D0上，當(dāng)擺軸A0和D0擺動時，分別使槽針床導(dǎo)向擺臂和槽針上下運動擺臂擺動。槽針床固定安裝在托架上，托架上有導(dǎo)柱，插在槽針床導(dǎo)向擺臂的導(dǎo)套中，二者構(gòu)成相對移動關(guān)系。槽針上下運動擺臂通過驅(qū)動桿使槽針床相對于導(dǎo)向擺臂(導(dǎo)套)上下直線移動。

圖6(b)示出控制系統(tǒng)。圖中1表示伺服驅(qū)動器，5表示多軸運動控制器，2、3、4和6分別為繼電器、開始和急停開關(guān)、熔斷器和變頻器。其中的電子凸輪采用臺達ASDA-A2伺服系統(tǒng)中的A2驅(qū)動器PR模式，由DVP-10MC11T多軸運動控制器、SD-A2-0721-M伺服驅(qū)動器和ECMA-C10807RS伺服電動機組成[9]。

4.2 測試方法及結(jié)果

在實際裝置調(diào)試過程中，以槽針最低位置為運動起始位置，通過2組點動程序分別控制擺臂1和4擺動，當(dāng)D點和C點至試驗臺上平面高度分別為124.86 mm和470.36 mm時，開始讓伺服電動機在運轉(zhuǎn)。設(shè)經(jīng)編機主軸以30 r/min速度運轉(zhuǎn)(對應(yīng)△t=1/1 800 s)，采用活圖隆MC2.1型數(shù)字高速攝影機記錄槽針針鉤點的運動，如圖6(c)所示，并將運動軌跡以數(shù)字坐標(biāo)形式存儲，圖2(b)示出實際記錄的槽針針鉤點運動軌跡。

為檢驗實際與理論運動軌跡之間的偏差，以2種情況下軌跡最低點重合、第9與10點之間軌跡近似重合為基準(zhǔn)，比較15個關(guān)鍵點之間的位置偏差。具體為，作理論軌跡上關(guān)鍵點處曲線的法線，與實測軌跡的交點認(rèn)為是對應(yīng)實際運動關(guān)鍵點，理論關(guān)鍵點(x1，y1)與實際關(guān)鍵點(X2，Y2)在X和Y方向的偏差值(x1-x2，y1-y2)如表1中所示。

5 運動偏差與墊紗的關(guān)系

由于槽針針鉤點的實際運動軌跡與理論軌跡不一定完全重合，需分析實際關(guān)鍵點位置相對理論關(guān)鍵點位置偏差對墊紗、成圈等的影響。

一般情況下，擬合軌跡上1、2、10、13、14、15點實際位置與理論位置之間的偏差對墊紗沒有影響，對成圈效果影響不大，所以，重點討論其余點實際位置對墊紗效果的影響。

在3至9點之間所排布的梳櫛類型包括：3和9點位置為地梳櫛、4點(或左右)位置為賈卡梳櫛、 5至8點之間位置為花梳櫛。

地梳櫛和賈卡梳櫛導(dǎo)紗針針孔一般為圓形，如圖7(a)所示。設(shè)針孔半徑為R2，圓心為O，43/1機型R2為0.6mm。根據(jù)經(jīng)編工藝，地梳櫛和賈卡梳櫛對槽針至少應(yīng)滿孔墊紗。假設(shè)槽針針鉤點實際位置C與理論關(guān)鍵點(導(dǎo)紗針孔圓心O)位置重合，如圖7(b)所示，由于R1>R2，槽針上針平面高于導(dǎo)紗針孔上平面，超過滿孔墊紗要求，針背墊紗可靠；若槽針針鉤點實際位置C低于理論關(guān)鍵點(導(dǎo)紗針孔圓心O)位置，最低不能超過圖7(c)所示槽針上針平面與導(dǎo)紗針孔上平面平齊，也即正好滿孔墊紗，此時，C點低于O點距離為R1-R2，對43/1機型為0.25mm。當(dāng)槽針針鉤點實際位置C高于理論關(guān)鍵點(導(dǎo)紗針孔圓心O)位置過多時，槽針有可能與導(dǎo)紗針側(cè)面之間擠壓紗線，所以，實際應(yīng)用中規(guī)定C點高于O點距離不超過R1-R2距離為宜。如此，3、4、9和11點位置偏差，在X方向±0.25 mm，在Y方向按經(jīng)驗也取±0.25 mm，據(jù)此判斷表1中3、4、9和11點位置偏差，滿足要求。

圖7 地梳櫛和賈卡梳櫛吃針深度分析Fig.7 Analysis of land and jacquard guide needlingfeed depth.(a)Land(jacquard) guide needle;(b)Superposition of actual and theoretical key points; (c) Lapping of full holes

5至8點之間位置的花梳櫛要求針背至少滿孔墊紗，如圖3(b)所示，若槽針針鉤實際運動位置C與針孔中心P點重合，或C點位于P點上方才滿足要求。與地梳櫛一樣，向上最多也取允許偏移量0.25 mm。如此，5、6、7和8點位置偏差，在X方向0～0.25 mm，在Y方向同地梳櫛也取±0.25mm，據(jù)此判斷表1中5、6、7和8點位置偏差，滿足要求。

12點位置對應(yīng)花梳櫛對槽針針前墊紗，由圖3(c)可知至少1/2孔墊紗，所以，槽針針鉤實際位置在X方向最多向上偏移L+0.25=1.95 mm，在Y方向也取±0.25 mm，據(jù)此判斷表1中12點位置偏差滿足要求。

對于軌跡線上點1、2、10、13、14和15，雖然槽針經(jīng)過這些點時，沒有直接針背或針前墊紗，但是，會影響套圈、脫圈或間接影響到墊紗效果。特別地，對43/1機型，第15點關(guān)系到GB1的針前墊紗位置和允許角的大小，因此，也應(yīng)控制這些點實際與理論位置之間的偏差。由調(diào)試機器經(jīng)驗，這些點在X和Y方向的偏差不超過±0.5 mm，可滿足使用要求，由表1可知，實測位置滿足。

在實際開發(fā)機器過程中，槽針針鉤點軌跡確定情況下，往往需要微調(diào)各把梳櫛的位置，通過運動模擬判斷是否滿足墊紗要求。

6 結(jié) 語

低速狀態(tài)下試驗表明，采用2組電子凸輪傳動系統(tǒng)分別實現(xiàn)多梳櫛經(jīng)編機槽針針床擺動和上下運動在技術(shù)上可行，針對43/1機型的實測軌跡關(guān)鍵點位置在X、Y方向的最大偏差為0.3 mm，排布梳櫛區(qū)間內(nèi)各實際關(guān)鍵點與理論關(guān)鍵點位置的偏差都在保證可靠墊紗的允許精度范圍之內(nèi)。

對于不同多梳櫛經(jīng)編機機型，槽針針鉤點運動要求不同，只需求解執(zhí)行機構(gòu)逆解，輸入電子凸輪控制系統(tǒng)就可方便地實現(xiàn)槽針?biāo)蟮倪\動，一套執(zhí)行機構(gòu)可適合各種機型，提高生產(chǎn)柔性，降低設(shè)備使用成本。

本文僅研究了槽針的運動，還需進一步研究針芯、沉降采用電子凸輪實現(xiàn)運動的可行性。另外，試驗時主軸轉(zhuǎn)速較低，實際機器主軸運轉(zhuǎn)速度較之試驗速度高，因此，仍需研究在較高轉(zhuǎn)速下，電子凸輪驅(qū)動成圈主軸對墊紗、成圈效果等的影響。

FZXB

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Knitting motions for multi-bar warp knitting machine driven by E-cam

NIU Shanyu， CAO Qinglin

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou, Jiangsu 213001, China)

In order to solve the problem of long kinematic chain and poor machine adaptability for multi-bar warp knitting machine, E-cam drive actuator was adopted to meet the kinematical requirements of the needle bars. Critical simulation points were selected based on the characteristics of warp knitting technology and guide bar configuration to fit the theoretical track of needle bar tip. Specifically, the offset between front and rear seaming pattern guide bar tip lapping should not exceed the radius of curvature of the tip. The difference between the measured and predicted critical points in piezo jacquard guide bar and land guide bar regions are within±0.25 mm range inxdirection for 43/1 type warp knitting machine. The variation in pattern guide bar tip back lapping is 0-0.25 mm in thexdirection, while seaming pattern guide bar tip front lapping renders variation below 1.95 mm. In theydirection, all the differences are within ±0.25 mm range.

warp knitting machine; multi-bar; E-cam; loop-forming

10.13475/j.fzxb.20160202307

2016-02-24

2016-12-23

牛善宇(1990—)，男，碩士生。主要研究方向為紡織機械。曹清林，通信作者，E-mail：cql@jstu.edu.cn。

TS 183

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