韓斌斌，王益軒，路 超，趙 梅

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048)

三維織機(jī)開口機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

韓斌斌，王益軒，路 超，趙 梅

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048)

為了滿足三維織物織造要求，介紹了織機(jī)開口型式、選擇依據(jù)以及電子開口機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)、工作原理，并對(duì)安裝32頁綜框的電子開口機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機(jī)模擬及仿真，以織造2D平紋織物為例進(jìn)行分析。指出：三維織機(jī)理想的開口機(jī)構(gòu)是采用多綜眼綜絲和多頁綜框相結(jié)合的方式；電子開口機(jī)構(gòu)的綜框運(yùn)動(dòng)規(guī)律較好，由單獨(dú)伺服電機(jī)控制；合理設(shè)置電機(jī)運(yùn)行函數(shù)，可織造2D平紋、斜紋、緞紋及復(fù)雜的3D織物。

三維織機(jī)；電子開口機(jī)構(gòu)；連桿；伺服電機(jī)；多頁綜框；多眼綜絲；仿真；運(yùn)動(dòng)規(guī)律；2D平紋；三維織物

0 引言

三維機(jī)織物作為紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的預(yù)制件,織物中經(jīng)、緯紗線不僅沿面內(nèi)分布,而且沿厚度方向分布,形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[1]?？椢锏慕Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且織物形狀也較多，采用傳統(tǒng)的織機(jī)很難織造，但是可以在稍加改造的普通織機(jī)上生產(chǎn)，尤其是剛性劍桿織機(jī)，主要針對(duì)開口機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)及打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

開口機(jī)構(gòu)可采用多頁綜框或多眼綜絲。引緯機(jī)構(gòu)根據(jù)織機(jī)幅寬的不同而不同：如織機(jī)的幅寬為100 cm時(shí)，可采用多劍桿剛性引緯和導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；幅寬為150 cm時(shí)，可采用導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和電磁引緯；幅寬為190 cm時(shí)，最好采用電磁引緯。打緯機(jī)構(gòu)主要采用既在后死心位置具有較長靜止時(shí)間，又具有良好動(dòng)態(tài)特性及安裝制造性能的六連桿機(jī)構(gòu)[2]。該機(jī)構(gòu)有長筘座腳和短筘座腳之分，采用哪種型式主要依據(jù)引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行選?。蝗绮捎枚鄤U剛性引緯時(shí)，選用長筘座腳；采用導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和電磁引緯時(shí)，選用短筘座腳。

下文主要對(duì)開口機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，在電子開口機(jī)構(gòu)上安裝32頁綜框,每頁綜框安裝單綜眼綜絲(綜眼在綜絲中間位置的單綜眼、綜眼位置不同的單綜眼)，根據(jù)三維織物經(jīng)紗層數(shù)的不同，每頁綜框上綜絲綜眼的位置不同，但每頁綜框的動(dòng)程相同，這樣有利于有序形成多層梭口，既可以織造2D復(fù)雜織物，又可以織造復(fù)雜的3D織物。設(shè)計(jì)時(shí)，首先在pro/E軟件中建立電子開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，然后導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行仿真，仿真以織造典型平紋織物為主，研究綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)于三維織物的織造，具有較大參考價(jià)值。

1 開口機(jī)構(gòu)概述

1.1 選擇開口機(jī)構(gòu)型式的依據(jù)

開口機(jī)構(gòu)是織機(jī)的五大機(jī)構(gòu)之一，是形成織物必需的重要機(jī)構(gòu)，開口機(jī)構(gòu)可以采用多頁綜框和多綜眼綜絲兩種型式。

多綜眼綜絲的一根綜絲上有多個(gè)綜眼，可穿入多根經(jīng)紗，且經(jīng)紗的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，這種結(jié)構(gòu)形式的綜絲特別適合于織造含有相同浮沉規(guī)律經(jīng)紗層數(shù)較多的織物。對(duì)于同一種組織結(jié)構(gòu)來說,多眼綜絲的應(yīng)用不僅大大減少織造織物所需綜框的頁數(shù)，也減少了開口機(jī)構(gòu)占用的空間，使機(jī)構(gòu)更加緊湊，而且將織物所需經(jīng)紗分為多個(gè)層次,降低了經(jīng)紗排列密度,減少了經(jīng)紗之間以及經(jīng)紗與綜絲之間的磨損[1]。雖然多綜眼綜絲上穿過紗線的初始位置不同，但運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相同的。當(dāng)織造更為復(fù)雜的織物時(shí)，要求每頁綜框都有不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，多綜眼綜絲就有一定的局限性了。此時(shí)，多綜眼綜絲只有分紗作用，雖有利于開清梭口，但不能滿足復(fù)雜織物的織造要求；更重要的是多綜眼綜絲及安裝綜框的結(jié)構(gòu)型式需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，不能采用常規(guī)的綜框和綜絲(我們已經(jīng)對(duì)常規(guī)的綜框和安裝多綜眼綜絲的綜框，進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)分析)，且材料和工藝方面也要經(jīng)過嚴(yán)格考慮，極大地限制了其應(yīng)用。

傳統(tǒng)開口機(jī)構(gòu)安裝多頁綜框也存在一系列問題，如各頁綜框運(yùn)動(dòng)規(guī)律控制難、開口機(jī)構(gòu)占據(jù)空間較大、綜框動(dòng)程調(diào)整不方便等。鑒于此，設(shè)計(jì)采用電子開口機(jī)構(gòu)，安裝32頁綜框(較多綜框頁數(shù)確保開口清晰程度)；每頁綜框由單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，極大地提高了織物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；綜框間距為12 mm，整個(gè)開口機(jī)構(gòu)只占用384 mm的空間，機(jī)構(gòu)較為緊湊；更重要的是，綜框動(dòng)程可調(diào)，增大了織物品種的適應(yīng)性。

理論上，最好的開口機(jī)構(gòu)是采用多綜眼綜絲和多頁綜框相結(jié)合的方式。在電子開口機(jī)構(gòu)上，根據(jù)不同三維織物組織的規(guī)律，安裝不同數(shù)量的綜框，且在綜框上選擇性地安裝不同型式的綜絲，比如單綜眼、多綜眼及單綜眼和多綜眼的混合綜絲。鑒于篇幅所限，本文只對(duì)安裝32頁綜框(單綜眼綜絲、每頁綜框上綜眼位置可不同)的電子開口機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與研究。

1.2 電子開口機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

電子開口機(jī)構(gòu)由32個(gè)獨(dú)立伺服電機(jī)控制開口運(yùn)動(dòng)，采用偏心盤四連桿開口方式[3]，無論是在控制、機(jī)構(gòu)還是工藝上都具有一定的特點(diǎn)。

就控制而言，通過多功能操作盤和主控制器CPU的結(jié)合，可對(duì)各頁綜框的開口型式、靜止角度、閉口時(shí)間及動(dòng)程進(jìn)行單獨(dú)控制，擴(kuò)大了通用性[4]。對(duì)于機(jī)構(gòu)而言，開口機(jī)構(gòu)主要由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(曲柄并非整周轉(zhuǎn)動(dòng))及平行四邊形機(jī)構(gòu)組成。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，調(diào)整曲柄的長度，可以改變搖桿的擺動(dòng)幅度，從而調(diào)節(jié)綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。實(shí)際上曲柄采用偏心盤固定在大齒輪上，調(diào)整起來并不方便；所以，通常將搖桿設(shè)置為可調(diào)的，就驅(qū)動(dòng)綜框的單側(cè)機(jī)構(gòu)而言，應(yīng)該是由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成的六桿機(jī)構(gòu)。改變搖桿尺寸后，綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生變化，通常會(huì)出現(xiàn)兩種情況：綜框動(dòng)程增大，速度波動(dòng)較大；綜框動(dòng)程減小，速度變化平緩，不能較好地滿足三維織物的織造要求(綜框動(dòng)程較大，速度變化平緩)，因此需將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)也設(shè)置成可調(diào)的，這樣可同時(shí)調(diào)節(jié)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄，以得到較好的綜框運(yùn)動(dòng)規(guī)律。采用無偏距的對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，可避免由于偏心導(dǎo)致綜框提綜和回綜運(yùn)動(dòng)速度的差異對(duì)紗線產(chǎn)生的較大沖擊。兩個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)通過一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)連接，極大地保證了兩側(cè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的同步性；對(duì)于工藝而言，開口機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件以連桿為主，充分地發(fā)揮了連桿良好的安裝制造性能。

2 電子開口機(jī)構(gòu)的工作原理

電子開口機(jī)構(gòu)的工作原理如圖1所示，伺服馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力矩通過連軸器傳遞給小齒輪1；借助小齒輪1和大齒輪2的嚙合，驅(qū)使與大齒輪同軸固定的曲柄3(即偏心盤)作整周轉(zhuǎn)動(dòng)；曲柄3通過連桿4使三臂擺桿5擺動(dòng)；三臂擺桿5通過綜框連桿6使安裝在其上的綜框8作上下開口運(yùn)動(dòng)。其中：3，4，5為機(jī)架—曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；5，6，8，為機(jī)架—曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；5，6，9為機(jī)架—平行四邊形機(jī)構(gòu)；8，9，10為機(jī)架—曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

1—小齒輪；2—大齒輪；3—曲柄；4—連桿；5—三臂擺桿；6，10—綜框連桿；7—連桿；8—綜框；9—二臂擺桿。圖1 電子開口機(jī)構(gòu)的工作原理

3 電子開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型及仿真

首先在pro/E軟件中建立了安裝32頁綜框的電子開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，如圖2所示，然后導(dǎo)入到ADAMS軟件中添加約束和參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行仿真，如圖3所示。

圖2 電子開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型

圖3 ADAMS軟件中添加約束和參數(shù)設(shè)置后的模型

4 仿真分析

4.1 單頁綜框的仿真分析

仿真時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 600°/s(600 r/min)，由于大小齒輪的傳動(dòng)比為1∶10，則偏心盤的速度是360°/s(60 r/min),仿真時(shí)間設(shè)置為2 s，在此期間綜框完成兩個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，如圖4所示。

1—位移曲線；2—速度曲線；3—加速度曲線。圖4 單頁綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

由圖4可知，綜框運(yùn)動(dòng)服從簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在平綜時(shí)，綜框的速度最大，有利于上下層經(jīng)紗迅速分離，開清梭口；梭口滿開時(shí)，綜框速度最小，有利于引緯；在開口終了和開始閉口時(shí)，加速度變化平穩(wěn)緩和，有利于減小綜框的振動(dòng)?？梢婋娮娱_口機(jī)構(gòu)具有較好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使經(jīng)紗運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，張力波動(dòng)較小，綜框振動(dòng)較小，斷頭率也相應(yīng)下降[5-7]。

4.2 織造平紋織物時(shí)綜框的仿真分析

織造不同組織的織物時(shí)，為了得到綜框不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，需要給伺服電機(jī)添加不同的運(yùn)行函數(shù)，織物組織越復(fù)雜，綜框頁數(shù)越多，運(yùn)行函數(shù)的編寫越困難。為了減輕編程的工作量，安裝時(shí)盡量將各頁綜框安裝在同一高度，可以是平綜位置，也可以是兩個(gè)極限位置，并以此位置作為參考，根據(jù)不同織物的組織要求，編寫伺服電機(jī)的運(yùn)行函數(shù)。

下文以織造平紋織物，綜框安裝在最低位置為例，來觀察綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。仿真時(shí)間設(shè)置為2 s，控制奇數(shù)頁綜框的伺服電機(jī)設(shè)置為3 600°/s,控制偶數(shù)頁綜框的伺服電機(jī)設(shè)置為step(time,0,0 d,1,3 600 d)，其綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，如圖5所示。

a) 位移曲線

b) 速度曲線

由圖5可知，對(duì)于織造平紋織物來說，奇數(shù)頁和偶數(shù)頁綜框的運(yùn)動(dòng)時(shí)序控制比較準(zhǔn)確，同時(shí)到達(dá)平綜及滿開位置；平綜時(shí)，速度最大；梭口滿開時(shí)，速度最小，加速度變化平緩(除奇數(shù)頁綜框在起始位置和

c) 加速度曲線

d) 綜合曲線1—奇數(shù)頁綜框；2—偶數(shù)頁綜框。圖5 綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

第一次梭口達(dá)到滿開時(shí)外)。由此可知，綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全符合織造平紋織物的要求，并且綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律較好。

5 結(jié)論

5.1 三維織機(jī)理想的開口機(jī)構(gòu)是采用多綜眼綜絲和多頁綜框相結(jié)合的方式，即在電子開口機(jī)構(gòu)上安裝不同數(shù)量的綜框，同時(shí)在綜框上有選擇性的安裝不同型式的綜絲。

5.2 電子開口機(jī)構(gòu)的綜框具有較好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且每頁綜框由單獨(dú)的伺服電機(jī)控制，不僅能織造2D平紋、斜紋、緞紋等復(fù)雜織物，也能織造更為復(fù)雜的3D 織物。

5.3 織造不同組織的織物，要求綜框有不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，合理地設(shè)置電機(jī)的運(yùn)行函數(shù)，可以滿足織造的不同要求。

5.4 電子開口機(jī)構(gòu)的每頁綜框由單獨(dú)的伺服電機(jī)控制，即在電子開口機(jī)構(gòu)上安裝多少頁綜框，就能產(chǎn)生多少種不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而可以織造出較為復(fù)雜的織物，再加上在綜框上安裝不同型式的綜絲，織造織物的復(fù)雜程度更高。因此，多眼綜絲和多頁綜框結(jié)合的方式，將在三維織物的織造過程中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)。

[1] 柳寶琴．基于多劍桿織機(jī)的三維織物織造工藝研究[D]．上海：東華大學(xué)，2014.

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[4] 嚴(yán)鶴群，戴繼光．噴氣織機(jī)原理與使用[M]．北京：中國紡織出版社，2006.

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?標(biāo)準(zhǔn)園地

紡織器材分技術(shù)委員會(huì)2013～2014年完成的紡織器材國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目

2013～2014年，全國紡織機(jī)械與附件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)紡織器材分技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC215/SC2)共完成紡織器材國家標(biāo)準(zhǔn)制訂2項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂6項(xiàng)，明細(xì)見下表。

2013～2014年完成的紡織器材國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目

類別序號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱制、修訂國家標(biāo)準(zhǔn)12紡織機(jī)械與附件 梳理機(jī)用金屬針布齒條截面主要尺寸 第1部分：普通基部紡織機(jī)械與附件 梳理機(jī)用金屬針布齒條截面主要尺寸 第2部分：自鎖基部制定制定國際標(biāo)準(zhǔn)123456撓性劍桿織機(jī)用導(dǎo)劍鉤氨綸長絲用圓柱形筒管針織機(jī)用針 第1部分：舌針針織機(jī)用針 第2部分：鉤針針織機(jī)用針 第3部分：復(fù)合針針織機(jī)用針 第4部分：輔助件制定制定修訂修訂修訂修訂

陜西紡織器材研究所

The Design of the 3D Shedding Mechanism

HAN Binbin,WANG Yixuan,LU Chao,ZHAO Mei

(The Mechtronic Engineering College Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

In order to meet the requirement of 3D woven fabric,introduction is made to the loom shedding forms as to the selection basis and the characteristics of the electronic shedding mechanism,the working-how.The virtual prototyping simulation is done to the mounting electronic shedding mechanism with 32 herald frames,sampling the weaving 2D woven fabric as an example for analysis.It is pointed out that the ideal 3D loom shedding mechanism is equipped with combination of heddles with multi eyes and multi herald frame.The electronic shedding mechanism of herald frame is in regular motion,driven by separated servo motor.Proper setting of the motor running function can produce plain weave,twill,satin and 2D complex,even 3D fabric.

3D loom;electronic shedding mechanism;connecting rod;servo motor;multi herald frame;multi eye heddles;simulation;movement law;2D plain;3D fabric

2014-06-11

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào)：2013JC17)

韓斌斌(1985—)，男，河北泊頭人，碩士，主要研究CAD/CAE/CAM及虛擬樣機(jī)技術(shù)。

TS103.113

A

1001-9634(2015)01-0012-04