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織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助分析
王友江 孫輝
紡織學(xué)院化纖工程，佐治亞理工學(xué)院，亞特蘭大，佐治亞州30332，美國(guó)
摘要：分析和設(shè)計(jì)打緯機(jī)構(gòu)對(duì)提高織機(jī)性能是極為重要的。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析工具用于研究不同種類(lèi)的打緯機(jī)構(gòu)， 包括四連桿和六連桿機(jī)構(gòu)，并且和共軛凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較。從不同的幾何參數(shù)模型可以得到結(jié)果，揭示了合理的操作計(jì)算機(jī)工具是有效的分析和設(shè)計(jì)打緯機(jī)構(gòu)的方法?？梢詫?shí)現(xiàn)低的噪音和振動(dòng)，還有更高的速度。
過(guò)去十年，紡織產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)率高的資本密集型產(chǎn)業(yè)。在制造織物時(shí)，對(duì)高性能織機(jī)有一個(gè)恒定的要求，它是快速，高效節(jié)能，可靠的，高度自動(dòng)化的，安靜的，耐用，低維修。在過(guò)去幾十年中，織機(jī)的生產(chǎn)效率大幅度增加，最大引緯效率從200到超過(guò)2000米/分鐘。這樣一個(gè)在性能上的顯著改善是由于技術(shù)的創(chuàng)新（例如，無(wú)梭織），使用新技術(shù)（例如，計(jì)算機(jī)和材料），及其更好的機(jī)械設(shè)計(jì)。
無(wú)論是哪種織機(jī)，它的技術(shù)狀態(tài)或者是模式要被編織，基本內(nèi)容包括四個(gè)步驟：脫落，采取，打緯，和行動(dòng)/燃放[2]。脫落操作通過(guò)形成一個(gè)流束來(lái)提高或者降低具體的經(jīng)紗。在采摘步驟，新的緯紗通過(guò)棚被插入。開(kāi)始打緯時(shí)，通過(guò)筘座的安裝彈簧片把新插入的填充紗被推到位。最后，整理后的織物被卷成布束。但是更多的經(jīng)紗紗線被彎曲。這四個(gè)步驟會(huì)不斷的重復(fù)排列。
打緯對(duì)織造過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量非常重要。一個(gè)正常的打緯運(yùn)行會(huì)給堅(jiān)固，統(tǒng)一的織物結(jié)構(gòu)。此外，簧片的運(yùn)動(dòng)由筘座帶動(dòng)，通過(guò)打緯的完成，對(duì)脫落和采摘操作的光滑度有很打的影響。在高速織造中，采取操作的每個(gè)周期相對(duì)時(shí)間比上采摘應(yīng)該盡量減少。簧片應(yīng)該停留盡可能長(zhǎng)時(shí)間在后面，就可以留下更多的時(shí)間引緯，然后可以盡快的打新的緯紗。這對(duì)現(xiàn)代寬幅織機(jī)是非常重要的。然而，較高的力量和振動(dòng)是和運(yùn)動(dòng)呢相關(guān)的，設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)是實(shí)現(xiàn)織機(jī)平衡和平穩(wěn)運(yùn)行所必須的。筘座運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)分析對(duì)織布機(jī)的設(shè)計(jì)和制造是十分重要的。
一般有三種基本的打緯機(jī)構(gòu)：四連桿，六連桿和共軛凸輪，如圖1所示。四連桿機(jī)構(gòu)是用的最廣的，比如梭機(jī)，噴氣和劍桿織機(jī)。因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造簡(jiǎn)單。六連桿機(jī)構(gòu)可以提供更長(zhǎng)的停留時(shí)間，主要用在噴氣織機(jī)。在無(wú)梭織機(jī)中共軛凸輪機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣的，是因?yàn)樗芎腕刈目烧{(diào)停留時(shí)間。
圖1 打緯機(jī)構(gòu)類(lèi)型：四連桿（a） 六連桿（b） 共軛凸輪（c）
打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尤其它們的質(zhì)量分布和幾何，對(duì)織機(jī)的性能有顯著的影響。傳統(tǒng)分析這些機(jī)構(gòu)的方法是依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，但是往往涉及長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析工具為分析復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)提供了一種簡(jiǎn)單的方式。
一個(gè)關(guān)于知識(shí)革命的軟件產(chǎn)品[1]-工作模式，結(jié)合了先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)與先進(jìn)的編輯能力來(lái)提供一個(gè)有用的工具和動(dòng)畫(huà)模擬。一個(gè)機(jī)構(gòu)可以轉(zhuǎn)換成一套剛體，在計(jì)算機(jī)上約束建立模型。這個(gè)軟件模擬機(jī)構(gòu)議案，基于集合約束和牛頓力學(xué)原理。工程量定義在模擬量出來(lái)之前，在模擬過(guò)程的進(jìn)一步分析之中。對(duì)象的性能可以調(diào)整通過(guò)圖形用戶(hù)界面以至形成新的模式和理想的結(jié)果。
在這項(xiàng)研究中，我們首先分析了四連桿機(jī)構(gòu)使用工作模型軟件。一個(gè)參數(shù)的研究探索了筘座運(yùn)動(dòng)的幾何影響。我們還建立一個(gè)六連桿模型來(lái)確定能延長(zhǎng)在一個(gè)織造循環(huán)中插入時(shí)期的集合配置。最后，我們用不同的打緯機(jī)構(gòu)來(lái)比較筘座的運(yùn)動(dòng)。
打緯機(jī)構(gòu)
四連桿機(jī)構(gòu)
圖2顯示了計(jì)算機(jī)獲得的圖形，在執(zhí)行了所以四連桿機(jī)構(gòu)用這個(gè)工作模式，根據(jù)實(shí)際尺寸和質(zhì)量和連接類(lèi)型。通過(guò)仿真筘座位移，速度，加速度和力的作用進(jìn)行數(shù)量測(cè)量和記錄。為了驗(yàn)證模型，我們從模型仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中比較結(jié)果，發(fā)向沒(méi)有明顯差異。
圖2 四連桿打緯機(jī)構(gòu)電腦模型
六連桿打緯機(jī)構(gòu)
我們根據(jù)采用六連桿驅(qū)動(dòng)筘座織機(jī)的實(shí)際機(jī)構(gòu)制定了一個(gè)模型，如圖3所示。我們?cè)噲D通過(guò)調(diào)整一些幾何參來(lái)增加填充插入時(shí)間。在一組實(shí)驗(yàn)后，我們改進(jìn)了模型，在圖3中顯示。兩個(gè)模型之間角位移的比較在圖4中顯示。當(dāng)筘座的位移到達(dá)最大值的一半的時(shí)候標(biāo)記，當(dāng)位移達(dá)到至少最大值的一半的時(shí)候，兩個(gè)模型被顯示出來(lái)。很顯然，在改進(jìn)模型中，筘座在背面停留的時(shí)間比原來(lái)的長(zhǎng)一些。修改后，插入時(shí)期從199°，55%的時(shí)間增加到240°，67%的時(shí)間在一個(gè)織造循環(huán)中。這對(duì)高速操作很有幫助。
圖3 六連桿機(jī)構(gòu)的電腦模型：原來(lái)的配置（左），修改后的配置（右）
圖4 六連桿角位移的比較
在不用的機(jī)構(gòu)中比較筘座的運(yùn)動(dòng)特性
為了比較筘座在不同機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)，我們制定了一個(gè)共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)的模型[3]。這里，我們比較共軛凸輪引，四連桿和六連桿機(jī)構(gòu)筘座的運(yùn)動(dòng)特性。圖5顯示了筘座在三個(gè)不同驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下的角位移和加速度。
圖5 不同機(jī)構(gòu)下的筘座運(yùn)動(dòng)比較：（a）角位移 （b）角加速度
在圖5中，我們看到凸輪筘座完成它的運(yùn)動(dòng)在130°的回升周期。駐留（保持靜止）在后面的位置230°（確切時(shí)間取決具體的設(shè)計(jì)）。相對(duì)四連桿和六連桿，驅(qū)動(dòng)筘座經(jīng)常移動(dòng)在整個(gè)挑選周期(0°-360°)。連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)筘座與共軛凸輪機(jī)構(gòu)比，一個(gè)類(lèi)似棚大小緯線，線束要取消/降低到更大距離。因?yàn)楣曹椡馆喸试S填充的紗線插入附近的線束。在較高的織機(jī)速度或者較寬的引緯比率時(shí)，緯線必須穿越棚在更短的時(shí)間內(nèi)。共軛凸輪筘座預(yù)留更長(zhǎng)的時(shí)間，大于200°在一個(gè)插入循環(huán)中，使引緯更容易，也能允許提高織機(jī)速度，縮短線束升降距離，降低經(jīng)紗張力。
另一方面，我們很清晰從圖5中看到，凸輪驅(qū)動(dòng)的筘座加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于那些連桿驅(qū)動(dòng)的。因?yàn)橥馆嗱?qū)動(dòng)的筘座已經(jīng)完成向前和向后運(yùn)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)筘座不到一半的時(shí)間內(nèi)（130°對(duì)凸輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而360°對(duì)連桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）。高加速度可以適用于凸輪驅(qū)動(dòng)筘座，這可以更小更輕比那些連桿驅(qū)動(dòng)的。用超高的剛度和超輕復(fù)合材料，筘座機(jī)構(gòu)的慣性質(zhì)量可以進(jìn)一步減少，一提高織機(jī)的速度。
總結(jié)
高速織機(jī)有一個(gè)快速緯線插入和快速脫落和打緯動(dòng)作。一個(gè)關(guān)于織機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜工程設(shè)計(jì)是需要快速.平滑和有效的織機(jī)操作。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具提供了一個(gè)快速和可靠的方法研究機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的機(jī)制。在本文中，我們使用這模型軟件來(lái)分析四連桿和六連桿打緯機(jī)構(gòu)。通過(guò)分析筘座運(yùn)動(dòng)特性的幾何參數(shù)的影響，我們論證在計(jì)算機(jī)模型上調(diào)整某些幾何參數(shù)。在一個(gè)織造循環(huán)中，該系統(tǒng)可以很容易的做到調(diào)整來(lái)允許一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的填充插入。我們還可以比較連桿機(jī)構(gòu)和共軛凸輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。
引用文獻(xiàn)
[1] Knowledge Revolution. Working Model User’s Manual.1992
[2] Lord, P. R. and Mohamed, M. H. "Weaving: Conversion of Yarn to Fabric," 2nd ed. Merrow Publishing Co. Ltd.1982
[3] Sun, H. Computer Aided Design and Analysis of Loom Beat-ing-up Mechanisms, Masters thesis, School of Textile & Fiber Engineering, Georgia Institute of Technology, 1997.