付正飛，韓立人，馬 莉

FU Zheng-fei1,2, HAN Li-ren1, MA Li1

(1.湖北文理學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，襄陽 441053；2.湖北文理學(xué)院 省級協(xié)同創(chuàng)新中心，襄陽 441053)

0 引言

由于六連桿開口機構(gòu)的加工方便、剛度高、運動平穩(wěn)，因此噪聲低且磨損少，被廣泛應(yīng)用在造平紋織物的噴氣織機織中。開口機構(gòu)運動的平穩(wěn)性直接關(guān)系到布面的編織質(zhì)量，開口機構(gòu)運動出現(xiàn)波動會在布面上形成瑕疵，甚至造成斷經(jīng)而應(yīng)影響生產(chǎn)效率，所以對開口機構(gòu)進行運動學(xué)分析十分重要。作圖法和實驗法誤差很大且設(shè)計時間長，不能滿足設(shè)計精度和現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)的要求[1]；運用復(fù)極矢量法建立機構(gòu)的解析方程組、用高級語言編寫程序來求解綜框運動特性的方法[2]，既復(fù)雜費時又需要高深的數(shù)學(xué)知識，不易被工程技術(shù)人員所掌握。本文借助三維的Pro/E軟件，通過建立開口機構(gòu)的三維參數(shù)化模型和各構(gòu)件之間的連接關(guān)系，并進行運動仿真，可直接獲得綜框的運動特性和各結(jié)構(gòu)點的運動軌跡曲線等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對機構(gòu)的運動特性分析和結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整。

1 六連桿開口機構(gòu)的工作原理和工作要求

開口機構(gòu)是紡織機五大機構(gòu)之一，是形成織物所必需的重要機構(gòu)[3,4]。在棉紡織過程中，開口機構(gòu)的任務(wù)是依照織物組織要求，順次驅(qū)動綜框上下運動，把穿入各頁綜框內(nèi)的經(jīng)紗上下分開成兩層，以形成梭口，待緯紗引入后再使梭口閉合，構(gòu)成經(jīng)紗、緯紗的交織狀。

六連桿開口機構(gòu)是在四連桿開口機構(gòu)的基礎(chǔ)上改進成，一般用于織造平紋織物，如圖1 所示。其工作原理是[5]：曲軸O1A繞O1軸作360°旋轉(zhuǎn)運動，O2B桿繞軸作往復(fù)擺動，連桿AB則作平面運動；當(dāng)鉸鏈C隨AB桿作平面運動時，由中連桿CD將運動傳遞到三臂擺桿DEE′，使其繞機架上的支點O3擺動，然后通過綜框長臂連桿EF、E′F′, 驅(qū)動綜框作上下運動形成開口；該開口機構(gòu)由一個六桿機構(gòu) O1A BO2CDO3和兩個曲柄滑塊機構(gòu)O3EF 和O3E ′F′組合而成，六桿機構(gòu)是在曲柄搖桿機構(gòu)上并接一組Ⅰ級桿件 C DO3而成。當(dāng)各鉸鏈位置和連桿長度給定后, 可以確定綜框的運動規(guī)律。

梭口是指開口時自停經(jīng)架中導(dǎo)棒至織口、經(jīng)紗被上下分開所形成的菱形空間，梭口形成分為三個時期：開口時期、靜止時期和閉口時期。經(jīng)紗離開經(jīng)位置線到梭口滿開時稱為開口時期，這時綜框運動的速度應(yīng)由快到慢逐漸減小，經(jīng)紗張力由小到大逐漸增加；當(dāng)梭口滿開后，經(jīng)紗在梭口上下兩個極限位置上處于靜止?fàn)顟B(tài)，以便引緯器通過梭口；之后梭口開始閉合，經(jīng)紗由靜止進入運動狀態(tài)，直至綜平，經(jīng)紗張力逐漸減小，其傳動函數(shù)曲線如圖2 的實線所示，φ為主動曲柄的轉(zhuǎn)角，s為綜框的位移。若采用四連桿機構(gòu)，傳動函數(shù)曲線為圖2中虛線所示，因中間無停歇時間較短而不能滿足織機的工藝要求，為此常采用六連桿機構(gòu)，平滑在開口兩極限位置處的速度，從而增加開口的相對靜止時間，使其基本滿足工藝要求。

圖2 開口機構(gòu)要求的傳動函數(shù)

2 基于PRO/E的開口機構(gòu)參數(shù)化建模與運動仿真

六連桿開口機構(gòu)的運動特性是否滿足實際需求，傳統(tǒng)的方法是利用建立復(fù)極矢量來建立機構(gòu)的解析方程組，通過編寫程序進行求解綜框的位移、速度和加速度數(shù)值，該方法復(fù)雜費時、需要高深的數(shù)學(xué)知識。本文借助三維的PRO/E軟件，通過建立開口機構(gòu)的三維參數(shù)化模型，并進行裝配和運動仿真，實現(xiàn)對機構(gòu)的運動特性分析和結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整。其過程如下[6,7]：

1) 測繪噴氣織機的結(jié)構(gòu)尺寸?，F(xiàn)以44英寸的噴氣織機為例，各連桿長度為O1A =60mm ，O2B =140mm ，AB =360mm ，AC =190mm ，CD = 280mm ，O3D =55mm ，O3E =110mm ，EF =520mm， O2和 O3相對于 O1的位置坐標(biāo)分別為(-360,-127),(-248,-274)，織機轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分。

2) 建立各構(gòu)件的三維模型。在Pro/E中，首先根據(jù)上述數(shù)據(jù)建立關(guān)系式，以實現(xiàn)模型的參數(shù)化造型；再利用拉伸、旋轉(zhuǎn)和陣列等工具，依次指定截面草圖、深度、方向等參數(shù)，構(gòu)建出六連桿開口機構(gòu)的各個構(gòu)件。

3) 構(gòu)建噴氣織機的裝配模型。在Pro/E中，使用“銷釘”和“滑動桿”約束方式，定義組件中各零件間的相對自由度，建立一定的約束關(guān)系，從而確定構(gòu)件在整個裝配體中的相對位置，織機裝配模型如圖3所示。實際設(shè)計的六連桿開口機構(gòu)均采用雙側(cè)傳動形式。

4) 開口機構(gòu)的運動仿真。進入PRO/E機構(gòu)操作環(huán)境，通過設(shè)置旋轉(zhuǎn)運動伺服電動機為機構(gòu)提供“動力”，選擇“運動學(xué)”類型，并設(shè)置時間周期和運動增量，就可進行機構(gòu)的運動仿真。

圖3 織機的裝配模型

圖4 綜框的運動學(xué)特性

5) 測量綜框的運動分析結(jié)果。在Pro/E中，利用分析測量功能即可方便地獲得機構(gòu)中各個部件的位移、速度、加速度的測量值。在此需要對綜框進行運動學(xué)分析，分別選擇“位置”、 “速度”、“加速度”測量類型，由于綜框做直線運動，可以選擇綜框上任意一點作為測量點，測量的結(jié)果如圖4所示。

3 六連桿開口機構(gòu)運動分析結(jié)果

通過在Pro/E軟件機構(gòu)分析模塊中對六連桿開口機構(gòu)的運動學(xué)分析，得出了綜框的運動曲線，可以發(fā)現(xiàn)：其運動特性與曲柄四連桿機構(gòu)類似，綜框的位移、速度和加速度曲線連續(xù)而光滑，運動平穩(wěn)、沒有絕對靜止過程，而且各頁綜框動程相等。同時為了保證機構(gòu)本身的剛度和強度，設(shè)計了雙側(cè)機構(gòu)形式來傳遞運動，保證雙側(cè)機構(gòu)相位同步，避免機構(gòu)出現(xiàn)死點而無法運行。

六連桿開口機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是確定C點的位置，C點的運動規(guī)律決定了O3軸的相應(yīng)擺角大小和綜框的特性。在Pro/E軟件里，使用“插入—＞軌跡曲線”工具，可以生成機構(gòu)上任意一點的運動軌跡，C點的運動軌跡如圖5所示。從圖5中可以看出：C點的軌跡呈類橢圓形狀，而且隨AC長度的增大, 橢圓形狀越扁，軌跡橢圓的長軸長度不變，即O3軸的擺角不變、棕框的極限位置不變；其短軸長度縮短，這可為增加綜框在極限位置附近的相對靜止時間創(chuàng)造條件。

圖5 C點的運動軌跡圖

通過機構(gòu)運動仿真，可以觀察到CD桿對機構(gòu)的影響：根據(jù)橢圓形狀，當(dāng)增加CD桿的長度，將使O3D桿向下面擺動時的相對靜止時間增加，而向上面擺動時的相對靜止時間減少；反之，如果縮短CD桿長度則O3D桿向下面擺動時的相對靜止時間減少，而向上面擺動時的相對靜止時間增加。調(diào)節(jié)CD桿的長度，使上下兩方向的相對靜止時間接近相等為益。改變O3D桿的長度時，只能改變O3軸的擺角大小，它對綜框的運動規(guī)律并無影響，因此在結(jié)構(gòu)允許的情況下，適當(dāng)減小O3D桿長度，就可增大O3軸的擺角，在綜框行程不變時，可通過減小雙臂杠桿 EE ′長度來增加EF桿對綜框的傳動角，從而能夠增大綜框向上運動的有效分力，減少使綜框前后晃動的水平分力，也有利于減少綜框在導(dǎo)軌中的磨損。

通過對結(jié)構(gòu)點位置的正確選擇，能夠使二次綜平時間達到一致；也可以適當(dāng)調(diào)整機械結(jié)構(gòu)尺寸，如增加EF桿長度，能增大綜框行程即梭口高度，以彌補滿開時的綜框相對靜止時間較短的不足。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代新型織機的快速發(fā)展，對織機的設(shè)計要求會愈來愈高，應(yīng)用Pro/E三維軟件建模工具實現(xiàn)了六連桿開口機構(gòu)的參數(shù)化建模, 對織機開口機構(gòu)的運動特性作進行了深入分析，可以直接獲得綜框的運動速度、加速度特性和各結(jié)構(gòu)點的運動軌跡曲線等數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，提出了對結(jié)構(gòu)點位置和結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整的方法和措施，以增大綜框行程或梭口高度，使二次綜平時間達到一致，為機構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

為織機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種切實可行的可視化、實時化設(shè)計新思路，能夠使設(shè)計更加直觀、簡潔，降低了設(shè)計難度，有利于一般工程人員掌握和應(yīng)用。

[1] 劉裕宣,陳人哲.紡織機械設(shè)計原理[M].北京:中國紡織出版社,1996:34-88.

[2] 曹惟慶.連桿機構(gòu)的分析與綜合[M].北京:科學(xué)出版社,2002:74-116.

[3] 王衛(wèi)東.紡織機械共軛凸輪反求設(shè)計研究[J]. 制造業(yè)自動化,2012,(23):65-66.

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[5] 邱海飛,王益軒.前死心位置處的六連桿開口機構(gòu)振動分析[J].機械傳動,2013,37(2):84-86.

[6] 張俊,劉亞麗.基于范成運動的平行分度凸輪機構(gòu)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2013,(8下):134-136.

[7] 盧志珍.基于Pro/E伸縮折疊起重機虛擬設(shè)計與運動仿真[J].制造業(yè)自動化,2012,(6):75-76.