全自動電腦橫機成圈機構的分析與運動仿真

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(浙江理工大學材料與紡織學院、絲綢學院，杭州 310018)

0 引 言

全自動電腦橫機是集計算機技術、自動化技術及編織工藝于一體的高性能機械設備，可用于編織羊毛衫成形針織產品。在毛衫編織過程中，毛衫可在全自動電腦橫機上編織成形衣片，經縫合等工序成為毛衣產品。全自動電腦橫機具有自動收放針成形編織功能，毛衫產品檔次高，深受消費者的青睞[1-2]。但長期以來，國外廠商一直對高性能電腦橫機進行技術壟斷，嚴重制約了我國新型電腦橫機的研制，成為我國毛衫產業(yè)進一步發(fā)展的技術瓶頸[3]。為了突破國外對電腦橫機的技術壟斷，國內企業(yè)相繼對電腦橫機關鍵技術進行了研發(fā)，橫機產品的技術水平正在不斷提高。例如，寧波慈星股份有限公司已收購了瑞士一流制造企業(yè)斯坦格(Steiger SA)，研制的全自動電腦橫機產品已成為國內先進電腦橫機的典范，但與國外先進電腦橫機相比，技術上仍存在一定的差距，因此對全自動電腦橫機技術的研究具有十分重要的意義[4]。

本文對全自動電腦橫機的編織工藝進行了研究，在對關鍵編織工藝點進行計算分析的基礎上，采用Solidworks軟件建立了織針與三角的三維實體模型，并應用Solidworks Motion進行仿真分析，輸出走針運動位移、速度以及加速度曲線，并通過高速攝影實驗，對電腦橫機織針與三角仿真研究的正確性進行了驗證。研究結果可為電腦橫機的設計與優(yōu)化提供借鑒。

1 成圈機件配置與成圈工藝過程分析

1.1 成圈機件及其配置

全自動電腦橫機中參與成形編織的主要機件有織針、三角、沉降片、選針片、挺針片和針床等?？椺槨⑦x針片、挺針片和彈簧針腳等零件依次排列在針床上的針槽中，如圖1所示。在挺針片2的作用下，織針1在針槽內作上下滑動，針槽底部的卡槽將織針1和挺針片2的缺口連接在一起，使織針1在挺針片2與三角的作用下進行編織。彈簧針腳3位于挺針片2的上方，挺針片4位于彈簧針腳3的上部，根據花型要求，彈簧針腳3在選針片4的作用下被推至A、B、H三個位置之一，完成成圈、集圈、浮線的編織[5]。

1-織針；2-挺針片；3-彈簧針腳；4-選針片；5-針床圖1 成圈結構的配置

各個成圈機件按照一定的運動配合關系，整體安裝在橫機機頭內。在編織過程中，織針在選針裝置和三角系統(tǒng)的共同作用下進行選針編織，進行織物收放針成形編織[6]。圖2是全自動電腦橫機三角結構圖。

1-選針片導針三角；2-選針片三角；3-織針選針器；4-復位三角；5-壓針板；6-集圈壓針板；7-接圈壓針板；8-小線圈壓針板；9-起針三角；10-集圈三角；11-壓針三角；12-挺針三角；13-移圈三角；14-移圈護針三角圖2 橫機三角結構圖

1.2 成圈運動過程分析

全自動電腦橫機的編織步驟為退圈、墊紗、閉口、套圈、脫圈、彎紗、成圈和牽拉。彈簧針腳所處的A、H、B位置與三角壓針板的運動狀態(tài)的相互配合可以實現橫機在一個橫列內達到成圈、集圈、“三功位”選針編織，以及收放針成形編織[7]。電腦橫機的選針作用過程如圖3所示。

圖3 選針作用過程示意

在選針過程中，機頭的兩系統(tǒng)分別用S1、S2表示，四個選針器分別用C1、C2、C3、C4表示。當機頭從左向右運動，系統(tǒng)S2進入編織狀態(tài)。選針由選針器C2、C3完成。C2選針器將需要參加編織工作的選針片選上，選針片的下片踵沿著半起針三角上升，推動相應的選針片將彈簧針腳由B位推至A位的選針位置。

在成圈編織過程中，被選針器所選中的織針在三角的作用下沿針槽上升到達退圈高度，此時移圈三角處于不工作狀態(tài)。在選針過程中，根據花型編織的要求，選針器相應的擺片發(fā)生擺動，此時選針片保留在起針三角作用位置，織針在選針片片踵作用下進入針道。當彈簧針腳位于A位時，織針由挺針片帶動沿成圈三角進行成圈編織。成圈編織走針軌跡如圖4所示。集圈編織時被選針器選中的織針在集圈壓針板的作用下沿三角上升達到集圈高度。在選針過程中，根據花型編織的要求，選針器相應的擺片發(fā)生擺動，使織針在選針片片踵作用進入上升通道。當彈簧針腳推至H位時，集圈壓針板將彈簧針腳和挺針片的片踵壓入針槽內，織針進入集圈編織。

圖4 成圈編織走針軌跡圖

1.3 成圈關鍵工藝點計算與分析

在成圈編織過程中，各部件的運動配合十分重要，否則在編織過程中會發(fā)生撞針、漏針或喂紗困難等問題。因此，需對電腦橫機工藝參數、喂紗器的紗嘴工藝點高度以及成圈編織過程中關鍵工藝點等進行計算與分析，為成圈機件的三維實體建模提供準確的理論依據。WSG225C型全自動電腦橫機成圈關鍵工藝點的位置如圖5所示，以針筒口線K-K為基準，計算分析結果如下：

起針三角起點與成圈點距離：S1=9.40。

成圈點F離筒口線的距離：

S=L1+ZKmax-φ=107.15+4.51-0.50=111.16

(1)

其中：S為成圈點F離筒口線的距離，mm；L1為針身長度，mm；φ為針鉤直徑，mm；ZKmax為彎紗深度，mm。

成圈高度：

H=H1+HK+L4-L2=

19.70+19.69+2.01-11.50=29.90

(2)

集圈高度：

H1=L2+ZKmax+S1-L3-φ-L4=11.50+4.51+

9.40-3.20-0.50-2.01=19.70

(3)

其中：H為成圈高度，mm；H1為集圈高度，mm；L2為針鉤頭端至針舌末端的長度，mm；L4為針舌末端至筒口線的長度，mm；L3為集圈片踵高度，mm；HK為織針位于最高點時，針鉤至筒口線的長度，mm。

頂針三角的高度：

H2=HK-L2+L4=

19.69-11.50+2.01=10.20

(4)

其中：H2為頂針三角的高度，mm。

喂紗點離針床齒口線的距離：

C1=L1-L2-β=107.15-11.50-1.20

=94.45

(5)

其中：β為針舌尖高出針床筒口線距離，mm；C1為喂紗點離針床齒口線的距離，mm。

圖5 成圈關鍵工藝點位置

2 成圈機件的受力分析

與普通電腦橫機相比，全自動電腦橫機編織要求更高，機器的運動平穩(wěn)性極為重要。但在成圈編織過程中，織針在三角作用的瞬間會受到較大的沖擊力，嚴重影響電腦橫機的運動平穩(wěn)性[8]。同時，織針在受力作用過程中會產生一定的彈性變形，不同于傳統(tǒng)力學分析中的剛體范疇，因此須采用彈性動力學對成圈機件進行力學分析，才能得到準確的織針運動規(guī)律[9]?？椺樀牧W模型如圖6所示。

圖6 織針與三角受力模型

在這一彈性系統(tǒng)中，將織針視為質量為m1和m2的兩個質點相互串聯，則織針與三角的動態(tài)受力近似于雙自由度彈性振動系統(tǒng)，其受力平衡方程為：

(6)

其中：x1(t)為質量m1的質點位移；x2(t)為質量m2的質點位移；m1為織針在上段部分的質量；m2為織針在下段部分的質量；K1為上段部分的彈性系數；K2為下段部分的彈性系數；y為織針上升的高度。

(7)

其中：y(t)為針踵y方向的位移；h為位移過程中的針踵動程，p為運動的特征頻率。

對式(6)進行拉氏轉換，得：

(8)

(9)

二次導數：

(10)

(11)

從式(10)可知，ξ越大，織針與三角之間的沖擊就越大，過大的沖擊力將嚴重影響機器的平穩(wěn)運行。由于織針在受力情況下屬于雙自由度系統(tǒng)，受力情況復雜，影響變量多，一般采用傳統(tǒng)的力學分析無法準確的得到織針與三角的具體受力，因此，要借助專用分析軟件對織針與三角的運動作進一步分析。

3 基于Solidworks的實體建模研究與運動仿真

SolidWorks軟件具有很強的實體建模功能，可以對各種復雜機構進行動力學研究，求解輸出機構的位移、速度、加速度等運動參數[10]。其中，Solidworks Motion是SolidWorks中專門用于運動仿真的工具[11]。電腦橫機中參與成圈編織的主要機件為織針與挺針片、三角、沉降片等，本文基于Solidworks進行成圈機構的實體建模，首先在系統(tǒng)中建立成圈機件的三維實體模型，在系統(tǒng)裝配完成后，施加約束，給定仿真條件，調取仿真程序，進行仿真求解。仿真流程如圖7所示。

圖7 Solidworks運動仿真流程

3.1 成圈機構Solidworks建模

根據計算分析所得的關鍵編織工藝點參數，運用Solidworks對三角、織針和挺針片等零部件進行建模，并根據約束條件進行組裝，經過干涉檢查，加載力、運動副后，得到成圈機構的三維實體模型，如圖8所示。

圖8 成圈機構三維模型圖

3.2 成圈機構運動仿真

進行三維實體建模后，在Solidworks中載入Solidworks Motion插件，建立運動仿真模型。在運動仿真前，首先對成圈機構添加動力源，然后在運動仿真管理器Motion Manager工具欄中設定仿真時間，本文中設定的仿真時間為51.5 ms，織針走針速度為1.20 m/s，最后運用Solidworks中的運動算例功能對織針與三角之間的運動受力進行計算[12]。完成計算后，輸出織針運動位移、速度、加速度結果。圖9為織針仿真運動曲線。

圖9 織針仿真運動曲線

圖9(a)所示為織針仿真運動輸出位移曲線，最大位移動程為21.70 mm，起針最高點為11.82 mm；圖9(b)和圖9(c)分別為速度、加速度仿真運動曲線。在0.4～1.4 ms，織針與起針三角發(fā)生碰撞，碰撞瞬間使水平運動的織針的縱向速度突然發(fā)生改變，引起速度和加速度的突變，織針的最大速度達到1.86 m/s，最大加速度達到1.48 m/s2。在8.4～10.4 ms，織針沿三角運動過程中受到針槽阻力作用，織針速度逐漸降低。在10.4 ms時織針受力達到平衡，速度和加速度減為0。在15.0 ms時，織針與挺針三角之間再次受到沖擊力的作用，織針與起針三角之間受力過程與0.4～1.4 ms時織針與起針三角之間受力過程基本相似。之后，織針在運動過程中由于受到阻力的作用，受力逐漸平衡，縱向的速度和加速度也慢慢趨于一致。

4 實驗測試與分析

4.1 實驗方法

通過實驗可以測試分析電腦橫機編織過程中的真實運動狀況，便于進一步研究織針與三角的實際受力情況，本文采用高速攝像實驗來采樣測試全自動電腦橫機實際編織運動的基本參數。實驗對象為WSG225C型全自動電腦橫機，實驗儀器采用日本PHOTRON公司的FASTCAM SA3高速攝像儀，測試全自動電腦橫機在空車運行時織針的運動參數，并運用專業(yè)圖形處理軟件對所記錄的圖像進行處理，得到織針運動位移、速度和加速度曲線[13]。橫機高速攝像實驗裝置如圖10所示。

圖10 橫機高速攝像實驗裝置

4.2 實驗測試過程與結果分析

高速攝影實驗獲得的數據，在專業(yè)圖像軟件中進行處理，以時間為橫坐標，位移(速度、加速度)為縱坐標，進行圖像擬合，得到織針的位移、速度、加速度曲線，具體結果如圖11所示。在電腦橫機編織速度為1.20 m/s時，所得織針最大加速度1.56 m/s2，而織針成圈編織時最大走針高度為22.10 mm，所對應的時間約為0.027 s，實驗測試結果表明：實驗測試結構與運動仿真結果相吻合，橫機編織運動穩(wěn)定性良好。

圖11 擬合曲線

5 結 論

本文以WSG225C型全自動電腦橫機為研究對象，重點研究了電腦橫機的編織工藝，分析了織針與三角受力狀況，在對關鍵編織工藝點計算分析的基礎上，基于SolidWorks軟件建立了織針與三角的三維實體模型，進行了成圈機構彈性動力學研究，并應用Solidworks Motion進行運動仿真，得到了走針運動位移、速度以及加速度曲線。結論如下：

a) 通過分析電腦橫機在成圈編織過程中選針片、織針和三角等機件的相互配合關系，計算得到了關鍵編織工藝點參數：成圈時織針動程為29.90 mm，集圈編織時織針動程為19.70 mm，為織針與三角的建模研究提供了準確的工藝參數。

b) 基于Solidworks實現了成圈機件的實體建模，運用Solidworks Motion進行運動仿真，求解出走針運動的位移、速度、加速度曲線。由仿真結果可知，全自動電腦橫機編織速度為1.20 m/s，織針最大速度為1.86 m/s，最大加速度為1.48 m/s2。

c) 通過高速攝影實驗分析，在編織速度為1.20 m/s，測試所得得到最大加速度1.56 m/s2，實驗測試分析的結果與理論分析結果基本相同。

本文采用計算機建模、力學分析、運動仿真等現代設計方法，解決了成圈機構彈性動力學分析的難題，為提升現代針織技術裝備的性能進行積極地探索。