采用桿組法的織機開口機構(gòu)運動學(xué)分析及其仿真

陳育明

(黎明職業(yè)大學(xué) 智能制造工程學(xué)院， 福建 泉州 362000)

織機的綜框由上下橫梁、左右綜桿及驅(qū)動件構(gòu)成，是織機中的重要組成部分。經(jīng)紗穿入綜框上配置的片綜匯成一體，跟隨織機的提綜機構(gòu)進(jìn)行運動，此時綜框根據(jù)織機開口機構(gòu)的設(shè)計按照一定規(guī)律上下往復(fù)運動，隨著緯紗在經(jīng)紗中來回往復(fù)穿梭、經(jīng)紗分層開口，經(jīng)紗與緯紗不斷交織形成織物的不同花紋，驅(qū)動綜框上下有規(guī)律運動的開口機構(gòu)的運動狀態(tài)直接關(guān)系到織物的編織質(zhì)量、生產(chǎn)效率。因此，對開口機構(gòu)的運動學(xué)分析顯得尤為重要。常見的織機開口機構(gòu)通常采用平面連桿開口機構(gòu)、凸輪開口機構(gòu)等機構(gòu)形式。平面連桿開口機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、機構(gòu)磨損小、適應(yīng)高速等優(yōu)點?？棛C開口機構(gòu)的運動學(xué)分析設(shè)計主要有解析法和軟件建模仿真等方法[1-2]。目前，國內(nèi)的織機開口機構(gòu)運動學(xué)分析主要采用幾何建模運動仿真的方法，而采用解析法較少[3-4]。解析法需要進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并進(jìn)而求解，這種方式難度大但結(jié)果精確。SolidWorks軟件具有功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點?；诖耍疚膶⒁云矫媪鶙U織機機構(gòu)為例，采用桿組法對機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析，并運用Solidworks軟件來進(jìn)行織機開口機構(gòu)的幾何建模，并對機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)仿真。將理論分析和建模仿真的結(jié)果進(jìn)行對照，以確認(rèn)理論分析的準(zhǔn)確性和仿真結(jié)果的可靠性。

1 織機開口機構(gòu)的桿組法運動學(xué)分析

圖1為織機開口機構(gòu)的簡圖，為平面六桿機構(gòu)。桿件AB為曲柄，是機構(gòu)主動件，在外力驅(qū)動下做360°回轉(zhuǎn)。桿件CF在搖桿DE與連桿BD的帶動下驅(qū)動擺臂FG(即雙臂桿HI)做往復(fù)擺動進(jìn)而驅(qū)動兩個綜框KM及JN按照一定的規(guī)律上下往復(fù)運動。根據(jù)桿組法，AB桿與機架轉(zhuǎn)動副連接，是LINK一級桿組；BD與DE構(gòu)成RRRⅡ級桿組；擺臂FG與連桿FC構(gòu)成RRRⅡ級桿組；桿件HK與綜框KM構(gòu)成RRPⅡ級桿組(同理，桿件IJ與綜框JN也構(gòu)成RRPⅡ級桿組)。

圖1 織機開口機構(gòu)簡圖

1.1 織機開口機構(gòu)運動學(xué)分析步驟

從主動件曲柄AB入手，以θ1為起點，令θ1從0°到360°進(jìn)行循環(huán)，后采用桿組法分析，具體步驟如下。

步驟1 調(diào)用LINK子程序，求出點B的位置參數(shù)及運動參數(shù)；

步驟2 調(diào)用RRR(BDE) Ⅱ級桿組子程序(BDE代表該桿組B、D、E三點按照逆時針順序進(jìn)行裝配排列)，可求得BD桿的運動參數(shù)θ2、ω2、ε2及DE桿的運動參數(shù)θ3、ω3、ε3，角度為桿件與OX正向間的夾角，下同；

步驟3 根據(jù)前兩個步驟求得的BD桿件的運動參數(shù)，再調(diào)用LINK子程序，可求得C點的位置及運動參數(shù)；

步驟4 調(diào)用RRR(CFG) Ⅱ級桿組子程序，可求出CF桿及FG桿的運動學(xué)參數(shù)；

步驟5 根據(jù)步驟4求出的FG桿件的運動學(xué)參數(shù)，可確定GH桿件的運動參數(shù)θ6、ω6、ε6，進(jìn)而調(diào)用LINK子程序求得H點的位置參數(shù)及運動學(xué)參數(shù)；

步驟6 根據(jù)H的參數(shù)，調(diào)用RRP(HK) Ⅱ級桿組子程序，可求得桿件HK的運動規(guī)律；

步驟7 以H為基點再次調(diào)用LINK子程序，求得K點的位置參數(shù)以及運動學(xué)參數(shù)。

1.2 實例

以44英寸(111.76 cm)的噴氣式織機為例，結(jié)合圖1，得已知條件：點A坐標(biāo)XA=0，YA=0；點E坐標(biāo)XE=-360，YE=-127；點G坐標(biāo)XG=-248，YG=-274；各桿件長度LAB=60 mm，LBC=190 mm，LBD=360 mm，LDE=140mm，LCF=280 mm，LFG=55 mm，LGH=LGI=110 mm、LHK=LIJ=520 mm。擺臂GF和雙臂桿IH為同一構(gòu)件，二者間偏角(即θ5-θ6)為20°；KM導(dǎo)軌與機架原點A偏距為170 mm。由于桿組程序采用TrueBasic進(jìn)行編寫，過程中無法輸入希臘字母，因此各桿件的角度θ、角速度ω及角加速度ε分別用形近的字母Q、W、E表示；綜框KM和JN運動規(guī)律應(yīng)為一致，時間錯開，故僅以KM為例進(jìn)行分析，JN類同。

根據(jù)上述的運動學(xué)分析步驟及織機實例，可編制下列主程序，以求得綜框KM的位置及運動參數(shù)，進(jìn)而可分析綜框的運動規(guī)律。

FOR Q1=0 TO 360 STEP 5

CALL LINK(0，0，0，0，0，0，Q1*PI/180，350，0，60，XB，YB，VBX，VBY，ABX，ABY)

CALL RRR(XB，YB，VBX，VBY，ABX，ABY，-360，-127，0，0，0，0，360，140，Q2，W2，E2，Q3，W3，E3)

CALL LINK(XB，YB，VBX，VBY，ABX，ABY，Q2，W2，E2，190，XC，YC，VCX，VCY，ACX，ACY)

CALL RRR(XC，YC，VCX，VCY，ACX，ACY，-248，-274，0，0，0，0，280，55，Q4，W4，E4，Q5，W5，E5)

LET Q6=Q5-20*PI/180

CALL LINK(-248，-274，0，0，0，0，Q6，W5，E5，110，XH，YH，AHX，VHY，AHX，AHY)

CALL RRP(-1，-170，520，XH，VHX，AHX，Q7，W7，E7)

CALL LINK(XH，YH，AHX，VHY，AHX，AHY，Q7，W7，E7，520，XK，YK，VKX，VKY，AKX，AKY)

PRINT Q1，XK，YK，VKX，VKY，AKX，AKY

NEXT Q1

END

根據(jù)程序運算得出綜框KM的位移、速度及加速度數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Excel生成綜框KM的位移變化、速度變化及加速度變化曲線圖分別如圖2-4所示。

圖2 KM位移-時間計算曲線 圖3 KM速度-時間計算曲線

圖4 KM加速度-時間計算曲線

根據(jù)圖2-4可知，在主動曲柄AB勻速回轉(zhuǎn)驅(qū)動下，綜框KM的運動規(guī)律，綜框JN同理。除此之外，也可利用桿組法求得其余個桿件的位置參數(shù)及運動規(guī)律。

2 織機開口機構(gòu)的運動仿真

2.1 開口機構(gòu)建模

運用Solidworks軟件的零件設(shè)計模塊、裝配模塊以及運動仿真模塊。在建模階段，先根據(jù)測繪尺寸進(jìn)行零件建模，再按照各個零件的約束方式進(jìn)行裝配，最后通過運動學(xué)仿真來驗證分析該開口機構(gòu)的運動狀態(tài)。建立的織機開口機構(gòu)幾何模型如圖5所示。

圖5 織機開口機構(gòu)幾何模型

2.2 開口機構(gòu)運動學(xué)仿真

通過在圖1中主動曲柄AB添加馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動來控制裝配體的運動以實現(xiàn)裝配體運動模擬。同時采用軟件的仿真和實時測量功能，得到綜框(以KM為例)的位移、速度及加速度的變化曲線，如圖6-8所示。

圖6 KM位移-時間仿真曲線

由圖7可知，綜框KM的速度正向峰值為67 mm·s-1，反向峰值為-70 mm·s-1，說明綜框的運動規(guī)律、穩(wěn)定。由圖8可知，綜框KM的加速度正向峰值為116 mm·s-2，反向峰值為-65 mm·s-2，說明綜框向上的工作行程的沖擊大于回程。

圖7 KM速度-時間仿真曲線

圖8 KM加速度-時間仿真曲線

比較由桿組法得到的綜框KM運動規(guī)律圖，與利用Solidworks仿真得到的綜框KM運動規(guī)律圖，二者運動規(guī)律圖基本吻合，形成相互驗證。

3 結(jié) 論

采用桿組法建立織機開口機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，對其進(jìn)行運動學(xué)分析，計算得出輸出構(gòu)件綜框的運動規(guī)律。借助Solidworks軟件對輸出構(gòu)件綜框進(jìn)行建模與仿真，仿真結(jié)果與分析計算結(jié)果互相驗證，說明利用桿組法對工程機構(gòu)進(jìn)行分析行之有效，利用Solidworks對工程機構(gòu)仿真結(jié)果可靠。從分析計算和仿真結(jié)果來看，該開口機構(gòu)輸出構(gòu)件綜框運動到極限位置時速度接近于0，但加速度值偏大，具有一定沖擊性，與實際生產(chǎn)的理想狀態(tài)還有差距，將在今后進(jìn)一步探討綜框減少運動沖擊的方法。