可簡便調(diào)幅的劍桿織機引緯機構(gòu)參數(shù)特征

周香琴， 顧葉琴， 吳震宇

(1. 浙江理工大學(xué) 教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研發(fā)中心， 浙江 杭州 310018； 2. 萬利紡織機械研究院， 浙江 杭州 311243)

劍桿織機的引緯系統(tǒng)負責(zé)將緯紗從梭口的一側(cè)引到另一側(cè)，實現(xiàn)與經(jīng)紗的交織，其中劍頭帶著緯紗穿越梭口的運動是劍桿織機引緯過程中的主要運動，也是決定劍桿織機性能的關(guān)鍵運動。驅(qū)動劍頭運動的機構(gòu)稱引緯機構(gòu)，其類型很多，有凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)等，隨著織機速度的提高，其中球面連桿引緯機構(gòu)越來越受歡迎，目前Sulzer公司生產(chǎn)的G6300型劍桿織機、Picanol公司生產(chǎn)的GT-max、GAMA、Opti劍桿織機的引緯機構(gòu)均屬球面連桿引緯機構(gòu)，對該引緯機構(gòu)的運動特征、載荷特征等研究不斷深化。分別針對球面連桿引緯機構(gòu)的劍頭運動規(guī)律[1-2]、引緯機構(gòu)運動精確度[3]、引緯機構(gòu)載荷特征[4-5]，構(gòu)件彈性動力學(xué)仿真[6]、通過減輕引緯機構(gòu)中高速運動構(gòu)件的慣性載荷實現(xiàn)劍桿織機提速[7]等開展研究。引緯運動規(guī)律與緯紗張力變化規(guī)律關(guān)系密切[8-9]、引緯運動工藝參數(shù)的設(shè)置直接影響劍頭交接緯紗的成功率[10]。在引緯機構(gòu)的運動學(xué)設(shè)計中，凸輪引緯機構(gòu)可以根據(jù)劍頭的運動規(guī)律需求設(shè)計凸輪廓線，滿足引緯工藝的要求，連桿機構(gòu)只能通過調(diào)整構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，部分地滿足要求，引緯曲線無法隨意設(shè)計。其中文獻[1]詳細探討了根據(jù)引緯運動曲線中選緯時刻、進梭口時刻以及門幅等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計引緯機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，文獻[8]詳細探討了不同引緯運動規(guī)律對緯紗張力變化的影響，文獻[10]詳細探討了提高劍頭交接成功率的引緯工藝參數(shù)設(shè)置。這些都是從織造工藝要求出發(fā)，研究引緯機構(gòu)參數(shù)與劍頭運動性能之間的關(guān)系。

劍桿織機引緯系統(tǒng)還包含一些輔助運動，如緯紗選擇、緯紗剪切、緯紗釋放等等。當織物幅寬變化時，與劍頭運動相關(guān)的一系列動作執(zhí)行裝置在織機上的位置也需要隨之改變，設(shè)備調(diào)整工作量較大。為減少調(diào)整織物幅寬時，設(shè)備調(diào)整的工作量，本文擬通過引緯過程中各動作的關(guān)聯(lián)性分析，提出滿足織機調(diào)幅前后劍頭輔助動程和緯紗交接時刻的劍頭位置保持不變的引緯機構(gòu)設(shè)計新準則，通過引緯機構(gòu)的運動學(xué)分析和論證，提煉符合上述設(shè)計準則的引緯機構(gòu)參數(shù)特征，為設(shè)計新的引緯機構(gòu)提供方法，減少改變織造幅寬時的設(shè)備調(diào)整工作量，提高工作效率。

1 引緯運動工藝特征分析

1.1 引緯運動過程

圖1示出引緯過程示意圖。目前，絕大部分劍桿織機由雙側(cè)劍桿共同完成引緯，左劍頭在左側(cè)引緯機構(gòu)的驅(qū)動下，從起始位置T1開始，沿導(dǎo)軌運動，到達位置T2時，接上由選色器選中、從儲緯器退解出來的緯紗；到達位置T3時，劍頭進入梭口，緯紗與布邊連接端被緯紗剪刀剪斷，左劍頭帶著緯紗繼續(xù)向織幅中間T4位置(即左劍頭最遠位置)運動；右劍頭在右側(cè)引緯機構(gòu)的驅(qū)動下，從起始位置T7沿導(dǎo)軌向織幅中間位置T5(即右劍頭最遠位置)運動，左右劍頭在梭口中間位置(T4、T5)相遇，交接緯紗后各自返回。當右劍頭運動到T6位置時，在緯紗釋放裝置的作用下右劍頭釋放緯紗(見圖1(c))，右劍頭離開梭口；左右劍頭繼續(xù)運動，回到各自的起始位置，完成一次引緯。左劍頭在起始位置附近由吸塵裝置清除殘留在鉗緯口上的纖維(見圖1(b))，防止下次夾紗失敗。

1—左劍頭；1′—右劍頭；Ⅰ—鋼筘；Ⅱ—導(dǎo)軌；Ⅲ—緯紗釋放裝置；Ⅳ—選色器；Ⅴ—吸塵裝置；Ⅵ—儲緯器；Ⅶ—緯紗剪刀；Ⅷ—經(jīng)紗；Ⅸ—布面；Ⅹ—緯紗；T1～T7引緯過程中的工藝位置點。圖1 引緯過程示意圖Fig.1 Weft insertion process.(a) Process of rapier motion; (b) Relative position between dust collector and rapier; (c) Relative position between releasing bar and rapier; (d) Relationship between cloth width and motion process of rapier

左右劍頭的運動總動程SZ1和SZ2包含2部分，梭口內(nèi)的動程(即有效動程)和梭口外的動程(SK1和SK2，即輔助動程)，見圖1(d)。要實現(xiàn)緯紗的正常交接，左右劍頭在織幅中間相遇，需要有一個重疊量R，因此織物筘幅W與劍頭動程之間的關(guān)系需滿足：

W=SZ1+SZ2-SK1-SK2-R

劍頭進梭口的時刻受筘座運動及開口運動的限制，在打緯和開口運動允許的情況下，劍頭進梭口越早越好。因此針對一種機型，進梭口的時刻一般是定值。

劍頭在梭口外運動時，需要完成與劍頭運動位置匹配的動作有：送緯劍鉗緯口的清潔動作、送緯劍接緯動作、緯紗剪切動作、接緯劍的緯紗釋放動作等。一般情況下，織物幅寬由鋼筘確定?？椢锓鶎捲綄?，需要劍頭有效動程越大，輔助動程也越大。執(zhí)行引緯輔助動作的執(zhí)行裝置的位置也需要根據(jù)鋼筘邊緣位置的變化而調(diào)整，如吸塵裝置、選色器、緯紗釋放裝置的位置。因此織物幅寬變化時，需要調(diào)整一系列的附件相對于鋼筘邊緣的位置，這是一項動作繁瑣、要求精細的工作。

1.2 劍頭運動規(guī)律曲線上的工藝位置分析

在引緯過程中，劍頭有3個比較重要的位置，即劍頭進梭口時刻、緯紗交接時刻和劍頭出梭口時刻的位置。在引緯運動規(guī)律曲線上分別對應(yīng)K、Z、V點，劍頭運動規(guī)律如圖2所示。對應(yīng)的劍頭位移規(guī)律曲線上的坐標點為(θK，SK)、(θZ，SZ)、(θV，SV)。在很多劍桿織機引緯機構(gòu)中，存在以下關(guān)系式：

即劍頭的運動規(guī)律關(guān)于軸線θ=θZ對稱，劍頭運行的最遠位置在主軸處于θZ處，并且此時實現(xiàn)緯紗交接。

圖2 劍頭運動規(guī)律曲線Fig.2 Motion curve of rapier

1.3 引緯機構(gòu)調(diào)幅工藝特征

假設(shè)劍頭進梭口時刻不變，若劍頭的輔助動程不隨筘幅變化而改變，即劍頭起始位置相對于鋼筘邊緣的距離不變，這將會為劍桿織機調(diào)幅帶來很多便利，減少很多調(diào)整動作，如不需要調(diào)整劍頭清潔裝置及緯紗釋放裝置在導(dǎo)軌上的相對位置?？椢锓鶎捳{(diào)整過程中，若緯紗交接時刻劍頭位置保持不變，那么改變門幅只涉及劍頭的起始位置的變化，劍帶與劍輪的相對位置不需要調(diào)整。因此，為簡化調(diào)整織物幅寬的過程，本文在常規(guī)引緯機構(gòu)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，提出2條引緯機構(gòu)設(shè)計新準則：1)調(diào)整織物幅寬前后，劍頭輔助動程(SK1、SK2)保持不變；2)在調(diào)整織物幅寬過程中，緯紗交接時刻劍頭位置保持不變。

2 空間連桿引緯機構(gòu)

圖3示出一款劍桿織機空間連桿與平面連桿組合的引緯機構(gòu)。該機構(gòu)由4個子機構(gòu)串聯(lián)而成。即：機構(gòu)一，球面連桿機構(gòu)，由固定于主軸上的曲柄、空間連桿、搖擺座、箱體組成，實現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成搖擺座的擺動；機構(gòu)二，平面連桿機構(gòu)，由搖擺座、平面連桿、扇形齒輪和箱體組成，實現(xiàn)引緯筘幅的調(diào)整，稱引緯調(diào)幅機構(gòu)；機構(gòu)三，齒輪傳動機構(gòu)，由扇形齒輪、小齒輪組成，實現(xiàn)引緯動程的放大；機構(gòu)四，齒輪齒條機構(gòu)，由固連在小齒輪上的傳劍輪、劍帶組成，實現(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成固連在劍帶上的劍頭的往復(fù)直線運動。劍桿織機正常工作時，固定在主軸上的曲柄繞軸線轉(zhuǎn)動，通過機構(gòu)一、機構(gòu)二、機構(gòu)三和機構(gòu)四，帶動劍頭往復(fù)直線運動，實現(xiàn)劍桿織機的循環(huán)引緯。通過調(diào)節(jié)引緯調(diào)幅機構(gòu)中F點在扇形齒輪上的位置，獲取不同織物幅寬需要的引緯動程。

1—劍頭；2—劍帶；3—劍輪；4—小齒輪；5—扇形齒輪；6—平面連桿；7—搖擺座；8—空間連桿；9—曲柄；10—箱體。圖3 劍桿織機球面連桿引緯機構(gòu)簡圖Fig.3 Spatial linkage used for weft insertion in rapier loom

3 機構(gòu)運動分析

以O(shè)點為坐標原點，以O(shè)C為X1軸建立O-X1Y1Z1坐標系，以O(shè)G為X軸建立O-XYZ坐標系，在C處建立C-X2Y2Z2坐標系與O-X1Y1Z1平行。圖4為引緯機構(gòu)分析示意圖。以CA與Y2軸負向重合為起始位置，CA在C-Y2Z2平面內(nèi)以ω角速度逆時針方向繞X2軸整周旋轉(zhuǎn)，以θ角表達CA的運動位置(即主軸轉(zhuǎn)角)，A′為A點在Y2軸上的投影。圖中有方向的角度以逆時針方向為正，各機構(gòu)參數(shù)符號含義見圖4。

圖4 引緯機構(gòu)分析示意圖Fig.4 Schematic view of weft insertion mechanism

3.1 球面四連桿機構(gòu)運動分析

已經(jīng)有文獻[2]對機構(gòu)一進行過詳細的運動學(xué)分析，獲得機構(gòu)運動方程：

cosγ-cosδcosφ+sinδsinφcosθ=0

(1)

根據(jù)式(1)，可獲取φ與θ的對應(yīng)關(guān)系。在此不詳細介紹，為描述方便，假設(shè)φ與θ的關(guān)系式為：

φ=f1(θ,δ,γ)

則構(gòu)件7搖擺座的動程：

Δφ=f1(θ,δ,γ)-f1(0,δ,γ)

3.2 平面四連桿機構(gòu)運動分析

引緯機構(gòu)中的機構(gòu)二為平面四連桿機構(gòu)OEFG，該機構(gòu)可能存在2種狀態(tài)，見圖5。在O-XY坐標系下建立矢量方程：

(2)

由圖4可知：μ1=φ+η+ε-360°

圖5 引緯調(diào)幅機構(gòu)分析示意圖Fig.5 Analysis schematic view of adjusting mechanism for weft insertion. (a) The first location of adjusting mechanism for weft insertion; (b) The second location of adjusting mechanism for weft insertion

矢量方程(2)對X、Y軸投影得：

(3)

式中：μ1為自變量，μ2、μ3是μ1的函數(shù)。l1、l2、l3、l4為結(jié)構(gòu)參數(shù)，不隨μ1變化。其中l(wèi)3可以通過調(diào)節(jié)F點在扇形齒輪上的位置改變。根據(jù)引緯工藝的要求，機構(gòu)OEFG為雙搖桿機構(gòu)，μ3與μ1的運動曲線具有相同的對稱位置。由式(3)求解得：

(4)

當l1≠l4時，

(5)

根據(jù)式(5)可得：

λ=180°+ρ

(6)

式(5)代入式(4)整理得：

(7)

根據(jù)機構(gòu)的初始位置及機構(gòu)運行的連續(xù)性取舍式(7)中的正負號。為便于討論，把該求解過程假設(shè)為函數(shù)：

μ3=f2(θ,δ,γ,η,ε,l1,l2,l3,l4)

則構(gòu)件9曲柄的運動動程為：

S=Δμ3ir

(8)

式中：i為齒輪傳動機構(gòu)速比，r為傳劍輪半徑。

表1示出機構(gòu)參數(shù)。根據(jù)式(8)及表1參數(shù)計算獲得劍頭的運動規(guī)律見圖6中曲線S。

表1 機構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of mechanism

3.3 劍頭運動規(guī)律曲線組成

劍頭的運動規(guī)律曲線S可以看成是由機構(gòu)一和機構(gòu)二的運動規(guī)律疊加而成，結(jié)果見圖6。假設(shè)曲線S(Y)為機構(gòu)一經(jīng)動程放大后產(chǎn)生的劍頭運動規(guī)律曲線，不受機構(gòu)二的影響；S(P)為機構(gòu)二經(jīng)動程放大后產(chǎn)生的劍頭運動規(guī)律，不受機構(gòu)一的影響。

圖6 劍頭運動規(guī)律曲線的組成成分示意圖Fig.6 Composition of rapier motion curve

則：S(P)=(Δμ3-Δφ)ir

文獻[2]已經(jīng)證明S(Y)關(guān)于θ=180°軸線對稱。引緯調(diào)幅機構(gòu)主動件和從動件均作擺動的情況下，曲線S(P)與S具有相同的對稱軸線。

4 引緯調(diào)幅機構(gòu)設(shè)計

4.1 劍頭輔助動程不變的引緯機構(gòu)設(shè)計

假設(shè)：

則劍頭輔助動程：

SK=(N-M)ri

根據(jù)式(7)可得：

(9)

當β=-α?xí)r，

(10)

根據(jù)式(10)可得：

N-M=Q-P

SK=(Q-P)ri

由此可見，劍頭輔助動程SK與機構(gòu)二的參數(shù)無關(guān)，只與機構(gòu)一的參數(shù)θ、δ、γ有關(guān)，因此只要設(shè)計引緯調(diào)幅機構(gòu)的主動擺桿起始位置與進梭口位置相對機架位置對稱，即圖5中的α=-β，即可實現(xiàn)劍頭輔助動程不隨筘幅的改變而改變。

4.2 交接緯時劍頭位置不變的引緯機構(gòu)設(shè)計

當主軸處于180°時，左右劍頭完成緯紗的交接，若此時，調(diào)節(jié)點F只允許在以E為圓心的圓弧上變化，那么無論F在扇形齒輪上的位置如何改變，扇形齒輪的位置保持不變，即劍頭的位置保持不變，因此在扇形齒輪上，設(shè)計一圓弧形長槽，圓弧半徑為l2，當主軸處于180°時，圓弧的圓心位于鉸接點E上，具有這樣機構(gòu)參數(shù)的引緯調(diào)節(jié)機構(gòu)，即可實現(xiàn)調(diào)幅時，緯紗交接時刻劍頭位置保持不變的要求，極大地方便了織物幅寬的調(diào)整。

5 應(yīng)用案例

表2示出1組符合前文提出的引緯機構(gòu)設(shè)計新準則的織機引緯機構(gòu)參數(shù)，該引緯機構(gòu)簡圖見圖7，引緯運動規(guī)律曲線見圖8。

表2 機構(gòu)參數(shù)Tab.2 Parameters of mechanism

1—劍頭；2—劍帶；3—劍輪；4—小齒輪；5—扇形齒輪；6—平面連桿；7—搖擺座；8—空間連桿；9—曲柄；10—箱體。圖7 引緯調(diào)幅機構(gòu)實例Fig.7 Example of adjustment mechanism for weft insertion

注：對應(yīng)對應(yīng)l3=175.400 mm；i1、i2分別為系數(shù)。圖8 具有固定空動程的引緯機構(gòu)運動規(guī)律曲線Fig.8 Rapier curve with unchanged rapier assistant displacement. (a) Curve of rapier displacement; (b) Curve of rapier velocity; (c) Curve of rapier acceleration

圖9 應(yīng)用案例的三維模型Fig.9 3-D Model of application case

圖10 應(yīng)用案例實物Fig.10 Physical display of application case

6 結(jié) 論

1)引緯機構(gòu)中有一平面連桿調(diào)幅機構(gòu)，屬雙搖桿機構(gòu)，機架桿長與主動擺臂桿長不相等(特征1)。

2)引緯調(diào)幅機構(gòu)中，主動擺桿起始位置與進梭口位置相對機架位置對稱(特征2)。

3)當織機主軸處于180°位置時，引緯調(diào)幅機構(gòu)上的F點的調(diào)整軌跡處于以E為圓心，l2為半徑的圓弧上(特征3)。

滿足參數(shù)特征1、2的引緯機構(gòu)，具有調(diào)幅前后劍頭輔助動程保持不變的特征，調(diào)幅時，引緯通道上的吸塵裝置、緯紗釋放裝置在導(dǎo)軌上的安裝位置不需要調(diào)整；滿足參數(shù)特征1、3的引緯機構(gòu)具有調(diào)幅過程中交接緯紗時刻劍頭位置保持不變的特征，調(diào)幅時劍輪與劍帶的相對位置不需要調(diào)整。

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