趙 梅 王益軒 路 超 韓斌斌 陳榮榮

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

三維織機(jī)雙向開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)研究*

趙 梅 王益軒 路 超 韓斌斌 陳榮榮

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

構(gòu)建用于織造完全交織的三維機(jī)織預(yù)制件的雙向開口機(jī)構(gòu)的原理模型，介紹其工作原理并進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。建立雙向開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，以研究雙向開口機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在ADAMS中仿真時(shí)，以織造雙向平紋預(yù)制件為例，通過合理控制伺服電機(jī)，達(dá)到了織造要求并得到了較好的開口機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為三維機(jī)織預(yù)制件的織造提供了參考。

三維織機(jī)，雙向開口機(jī)構(gòu)，虛擬樣機(jī)，ADAMS

近年來，先進(jìn)紡織復(fù)合材料預(yù)制件廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，對(duì)復(fù)合材料預(yù)制件的形狀和力學(xué)性能要求也越來越高。一些特殊紡織復(fù)合材料預(yù)制件的應(yīng)用除了要求具有特定的性能，如高交織度和合適定向連續(xù)紗線之外，還要求具有復(fù)雜或非常規(guī)的外形。傳統(tǒng)織機(jī)只能實(shí)現(xiàn)一些規(guī)則外形預(yù)制件的織造，要得到任何所需形狀紡織復(fù)合材料的預(yù)制件，只有通過在高交織度的織物塊上裁剪，并且要求不會(huì)松散。紡織復(fù)合材料預(yù)制件使用這種方法較容易得到并且具有較好的力學(xué)性能，這一進(jìn)步在預(yù)制件生產(chǎn)中具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)[1]。

完全交織的織物塊又稱作網(wǎng)格狀織物塊，它是由多層經(jīng)紗和兩組正交的緯紗相互交織而成的。要織出這種網(wǎng)格狀織物結(jié)構(gòu)，織造過程中開口機(jī)構(gòu)要采用雙向開口方式。Nandan Khokar[2]提出了使織物的多層經(jīng)紗與兩組正交緯紗充分交織的三維織造技術(shù)，該技術(shù)不但可以形成織物寬度方向的橫向開口，而且可以形成織物厚度方向的縱向開口，當(dāng)橫、縱向開口形成后引入緯紗，這樣交替進(jìn)行可以織出完全交織的三維織物。在此基礎(chǔ)上提出了三維織機(jī)采用雙向開口方式[2]。

本文主要介紹了三維織機(jī)上的開口機(jī)構(gòu)，建立了采用雙向開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。根據(jù)傳統(tǒng)綜框的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了長為1 800 mm、 寬為1 360 mm、厚為13.5 mm的綜框。兩個(gè)方向都采用多頁綜框的形式，在兩個(gè)方向的開口機(jī)構(gòu)上各安裝了8頁綜框。由于穿過兩個(gè)方向的綜框的紗線既要作水平運(yùn)動(dòng)又要作豎直運(yùn)動(dòng)，因此，綜框上的綜眼、綜絲都比較特殊。兩個(gè)方向的開口機(jī)構(gòu)都采用了電子開口機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)的綜框尺寸，在Pro/E中建立了雙向開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，將建立好的三維模型通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入到ADAMS中，在ADAMS中建立了參數(shù)化電子開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行了優(yōu)化，得到了各桿件的尺寸。仿真時(shí)以織造雙向平紋織物為主，研究雙向綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1 雙向開口機(jī)構(gòu)織造法

利用雙向開口織造法提高了織物組織的復(fù)雜程度，可以更好地滿足產(chǎn)業(yè)用紡織品的需求，尤其是一些尖端科學(xué)領(lǐng)域。雙向開口織造法使得平紋、斜紋、緞紋等組織可以進(jìn)行自由組合，例如雙向平紋、一向斜紋一向平紋、一層斜紋一層平紋、一向平紋一向緞紋等，這樣織造出的織物具有廣泛的應(yīng)用性。

三維織機(jī)采用雙向開口機(jī)構(gòu)可以織造出高交織度的織物塊。多層經(jīng)紗分別形成縱向開口和橫向開口，引入兩組正交緯紗，多層經(jīng)紗的選定經(jīng)紗基本上為直線，而其余一些與兩組正交緯紗交織的紗線呈螺旋形，這樣得到的織物是網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。以織造雙向平紋織物為例，說明雙向開口機(jī)構(gòu)織造法。圖1為雙向開口機(jī)構(gòu)的開口形成過程，圖2為得到的雙向平紋織物組織圖。

圖1 雙向開口形成過程

圖中Z為水平經(jīng)紗，X、 Y為相互垂直的兩組緯紗。圖1(a)中的經(jīng)紗穿過綜框上綜眼呈多層水平狀態(tài)，水平運(yùn)動(dòng)綜框向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過水平運(yùn)動(dòng)綜框的經(jīng)紗隨著綜框一起移動(dòng)，這樣就與不移動(dòng)的經(jīng)紗形成了水平開口，如圖1(b)所示。將豎直緯紗引入，這時(shí)水平綜框再向左移動(dòng)，回到初始位置，這樣豎直緯紗與多層經(jīng)紗交織起來，如圖1(d)所示。豎直運(yùn)動(dòng)的綜框向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過豎直運(yùn)動(dòng)綜框的經(jīng)紗隨著綜框一起移動(dòng)，這就與不移動(dòng)的經(jīng)紗形成了豎直開口，如圖1(f) 所示。將水平緯紗引入，這時(shí)豎直綜框再向下移動(dòng)，回到初始位置，這樣水平緯紗就與多層經(jīng)紗交織起來，如圖1(h)所示。同樣，水平運(yùn)動(dòng)綜框再向左移動(dòng)，引入豎直緯紗，豎直運(yùn)動(dòng)綜框再向下移動(dòng)，引入水平緯紗，形成完全交織的織物組織，如圖1(i)所示[3]。

利用這種織造法可以織造出高交織度、高整合度的織物塊，任何所需形狀的紡織復(fù)合材料預(yù)制件都可以從其上裁剪出來，并且裁剪下來的預(yù)制件不再需要在外表面進(jìn)行任何接結(jié)操作以提高織物的整體性。雙向開口機(jī)構(gòu)織造法極大地簡化和加速了紡織復(fù)合材料預(yù)制件的生產(chǎn)[4]。

(a) 立體圖

(b) 經(jīng)向圖

2 雙向開口機(jī)構(gòu)的工作原理

和普通的2D織機(jī)開口機(jī)構(gòu)一樣,雙向平紋開口機(jī)構(gòu)也有幾種形式，機(jī)械式(連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu))、電子式(伺服電機(jī)傳動(dòng))。本文構(gòu)造的雙向開口機(jī)構(gòu)的基本原理如圖3所示。

1、 1′—小齒輪； 2、 2′—大齒輪； 3、 3′ —曲柄； 4、 4′—連桿； 5、 5′—三臂擺桿； 6、 6′—連桿； 7、 7′—二臂擺桿； 8、 8′、 9、 9′—綜框連桿； 10—水平運(yùn)動(dòng)綜框； 11—豎直運(yùn)動(dòng)綜框圖3 雙向開口機(jī)構(gòu)的工作原理圖

圖3中的雙向開口機(jī)構(gòu)由曲柄3、連桿4、三臂擺桿5和機(jī)架組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，三臂擺桿5、綜框連桿9、綜框11和機(jī)架組成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，以及三臂擺桿5、連桿6、二臂擺桿7和機(jī)架組成的平行四邊形機(jī)構(gòu)三個(gè)機(jī)構(gòu)組成。伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩通過聯(lián)軸器傳遞給小齒輪1；通過小齒輪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帶動(dòng)三臂擺桿5擺動(dòng)；三臂擺桿5通過綜框連桿9使安裝在其上的綜框11作上下開口運(yùn)動(dòng)。另一個(gè)方向的機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)綜框的機(jī)構(gòu)完全相同，只是綜框10作水平運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的綜框在兩個(gè)平行的平面內(nèi)。每頁綜框都由獨(dú)立的伺服電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。通過多功能操作盤不僅可對(duì)開口形式，還可對(duì)每頁綜框的靜止角、閉口時(shí)間等進(jìn)行設(shè)定。

3 開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型及仿真

首先在Pro/E中建立雙向開口機(jī)構(gòu)，兩個(gè)方向各安裝8頁綜框，如圖4所示。建立的三維模型通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入到ADAMS中，添加約束和參數(shù)化設(shè)置后的仿真模型如圖5所示。

圖4 雙向開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型

圖5 添加約束和參數(shù)化設(shè)置后的仿真模型

4 仿真分析與設(shè)計(jì)

為簡單起見，本文只對(duì)3對(duì)綜框進(jìn)行了仿真，即水平方向3頁綜框和豎直方向3頁綜框。水平方向各綜框的動(dòng)程相同，豎直方向各綜框的動(dòng)程也相同，這樣有利于形成清晰的多層梭口，使得多劍桿引緯順利進(jìn)行。仿真時(shí)根據(jù)織物組織結(jié)構(gòu)的不同，每臺(tái)伺服電機(jī)的運(yùn)行函數(shù)可以設(shè)置不同，但同時(shí)同方向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相同，這樣就能保證形成清晰的梭口。

根據(jù)織造織物組織的不同，需要給伺服電機(jī)添加不同的運(yùn)行函數(shù)?？椩斓目椢锝M織越復(fù)雜，需要的綜框頁數(shù)越多，編寫運(yùn)行函數(shù)也越難。在此以織造雙向平紋織物為例，說明兩個(gè)方向綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。兩個(gè)方向的綜框都安裝在總動(dòng)程的中心位置，將控制水平運(yùn)動(dòng)綜框的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為：

step(time,0,0,2,0)+step(time,2,0,4,175d)+step(time,4,0,6,0) +step(time，6,0,8,162d);

將控制豎直運(yùn)動(dòng)綜框的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為：

step(time,0,0,2,174d)+step(time,2,0,4,0)+step(time,4,0,6,187d)+step(time,6,0,8,0) 。

仿真時(shí)間設(shè)置為8 s。在8 s內(nèi)兩個(gè)方向的綜框各完成了一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，如圖6所示?？椩爝^程完成一個(gè)周期需要四步：①水平運(yùn)動(dòng)綜框向右運(yùn)動(dòng)，豎直運(yùn)動(dòng)綜框靜止，多層梭口形成后引入豎直緯紗，水平綜框回到初始位置；②水平運(yùn)動(dòng)綜框靜止，豎直運(yùn)動(dòng)綜框向上運(yùn)動(dòng)，多層梭口形成后引入水平緯紗，豎直綜框回到初始位置；③水平運(yùn)動(dòng)綜框向左運(yùn)動(dòng)，豎直運(yùn)動(dòng)綜框靜止，多層梭口形成后引入豎直緯紗，水平運(yùn)動(dòng)綜框回到初始位置；④水平運(yùn)動(dòng)綜框靜止，豎直運(yùn)動(dòng)綜框向下運(yùn)動(dòng)，多層梭口形成后引入水平緯紗，豎直運(yùn)動(dòng)綜框回到初始位置。從圖6中可以看出，綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律服從簡諧運(yùn)動(dòng)。

(a) 位移

(b) 速度

(c) 加速度

圖7、圖8為兩個(gè)方向綜框的綜合運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。從圖中可以看出：在綜框開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度、加速度迅速增大，這有利于多層經(jīng)紗迅速分離、形成梭口；當(dāng)開口形成后綜框的速度為零，這有利于多劍桿同時(shí)引緯；在開口終了和開始閉口時(shí)，加速度變化比較平緩，這有利于減小綜框的振動(dòng)[5]。

圖7 豎直運(yùn)動(dòng)綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

圖8 水平運(yùn)動(dòng)綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

5 結(jié)語

三維織機(jī)采用雙向開口機(jī)構(gòu)提高了可織造織物組織的復(fù)雜程度，可以更好地滿足一些尖端科技領(lǐng)域的需求。本文設(shè)計(jì)了雙向開口機(jī)構(gòu)，在Pro/E中建立了雙向開口機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)，以織造雙向平紋織物為例，得到了綜框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的雙向開口機(jī)構(gòu)能夠滿足織造要求。雙向開口機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)其運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)關(guān)鍵因素：一是雙向綜框安裝在總動(dòng)程的中心；二是控制每頁綜框運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)運(yùn)行函數(shù)的編寫。

根據(jù)織物組織結(jié)構(gòu)的不同，可適當(dāng)增減兩個(gè)方向的綜框頁數(shù)?？椢锝M織結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，選用的綜框數(shù)越多，并且綜絲上的綜眼也越復(fù)雜。由于雙向開口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體性，其可以應(yīng)用于任何形式的三維織機(jī)，這對(duì)紡織預(yù)制件的生產(chǎn)具有很大優(yōu)勢(shì)。雙向開口機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的建立，為加快三維織機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

[1] 比蒂姆股份公司．網(wǎng)格狀織造的3D織物材料：中國，97181940.8[P]．1997-03-03．

[2] NANDAN Khokar. Woven 3D fabric material： US， 6338367 B1[P]．2002-06-15．

[3] 王美紅．三維機(jī)織預(yù)型件的織造技術(shù)[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2013，31(4)：1-9．

[4] 楊彩云，李嘉祿．復(fù)合材料用 3D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)預(yù)制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新型織造技術(shù)[J]．東華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，31(5)：53-58．

[5] 邱海飛，王益軒，劉欣．綜框模態(tài)頻率優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)，2012，29(5)：35-38．

Research on the virtual prototype of the bidirectional shedding mechanism of three-dimensional loom

ZhaoMei，WangYixuan，LuChao，HanBinbin，ChenRongrong

(School of Mechanical and Electrical Engineering， Xi’an Polytechnic University)

The principle model of bidirectional shedding mechanism for weaving a fully intertwined three-dimensional textile perform was constructed，related working principle was introduced and simulation in ADAMS had been completed for study the motion characteristics of the bidirectional shedding mechanism. During the simulation in ADAMS， bidirectional plain woven perform was woven as an example，weaving requirements could be met by controlling the motion of servo motor reasonably and good motion characteristics was obtained, which provided a reference for the weaving of three-dimensional perform.

three-dimensional loom， the bidirectional shedding mechanism， virtual prototype model， ADAMS

* 陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(2013JC17)

2014-08-13

趙梅，女，1987年生，在讀碩士研究生。研究方向?yàn)镃AD/CAE/CAM及虛擬樣機(jī)技術(shù)。

TS103.8

A

1004-7093(2015)12-0027-05