碳纤维立体织机打纬机构运动特性仿真

杨建成，姜海涛，蒋秀明（1.天津工业大学机械工程学院，天津 300387；2.天津工业大学现代机电装备技术天津市重点实验室，天津 300387）



碳纤维立体织机打纬机构运动特性仿真

杨建成1，2，姜海涛1，2，蒋秀明1，2
（1.天津工业大学机械工程学院，天津 300387；2.天津工业大学现代机电装备技术天津市重点实验室，天津 300387）

针对现有碳纤维立体织机打纬机构打纬力不足的弊端，提出利用矢量法来分析，并在Simulink环境下采用不同输入信号将对心式和偏置式曲柄滑块打纬机构进行运动学仿真对比分析，得到了2种情况下滑块的运动曲线.实验结果表明：当曲柄输入状态为匀角速度时，采用偏置式曲柄滑块打纬机构不仅满足织机所需的运动规律，而且相较于对心式机构更能满足织机对打纬力的要求。

碳纤维；立体织机；打纬机构；矢量法

碳纤维及其立体织物的复合材料［1-4］具有一系列优异的性能，近年来在航空、汽车、能源、航天、运动器材、交通等许多领域得到飞速发展.本文针对课题“碳纤维多层角联机织装备及技术研究”重点突破碳纤维多层角联机织装备等关键技术，实现了碳纤维复合材料［5-8］预制件的机械化生产实验.打纬是织造工艺中关键环节，为进一步提高立体织机的织造性能，对打纬机构的研究分析具有明显的必要性.

一般打纬机构［9-12］从结构上，通常划分为连杆式和共轭凸轮式两大类，并且连杆打纬机构又可划分为四连杆、六连杆两种形式.现有碳纤维立体织机打纬机构采用的是一组平行放置的偏置式曲柄滑块装置同步驱动钢筘打纬，通过控制曲柄滑块机构伺服电机的输入参数实现变打纬力输出，可适应不同层数、不同规格立体织物的打纬力需求.然而，织机实际运行过程中，在曲轴转速一定的情况下，会发现织出的织物略显松散，考虑到不能一味通过提高车速的方法来提高打纬力，给整机带来额外的震动，影响织机运作，本文通过矢量法来分析，并在simulink模块下输入不同信号对对心式和偏置式2种不同形式的曲柄滑块打纬机构进行仿真对比分析，得到作为打纬机构主要构件滑块的运动曲线，从而更加直接地观察到打纬机构运动特性，为打纬机构的动力分析［13-15］和优化分析提供实验基础.

1　打纬机构矢量模型的建立

打纬机构模型如图1所示，打纬机构对应的向量模型如图2所示.图2中：牵手R2，向量R2的模为r2，转角θ2，推杆R3，向量R3的模为r3，转角θ3；R1为滑块的位移，模为r1；R4为偏距，模为r4.

图1　打纬机构模型Fig.1　Model of beating-up mechanism

图2　打纬机构向量模型Fig.2　Vector model of beating-up mechanism

通过闭环矢量法由上图求解出的偏置式打纬机构的方程为：

分解矢量方程到y和x坐标轴上，

对式（2）、式（3）式求导后得到打纬机构速度方程分别为：

式中：ω3表示推杆角速度；r.1为R1矢量变化率.改为矩阵形式为

式中：ω2表示曲柄角速度.对式（2）和式（3）求二阶导数，并将求解出的打纬机构的加速度方程改成矩阵形式：

2　Simulink仿真模型的建立

2.1建立Simulink仿真模型

图3为编写完成的机构仿真模型.

图3　打纬机构仿真模型Fig.3　beating-up mechanism simulation model

将式（6）编写的函数导入Function模块中，其中输入参数为5个，分别为曲柄转速ω2、曲柄角加速度α2、推杆转速ω3、连杆转角θ3和曲柄转角θ2；输出参数为2个，分别为滑块的加速度r¨1和连杆的角加速度α3.

程序如下：

2.2运动学仿真结果及分析

通过观察几何关系及编写相应的程序求出需要的初始条件.通过以下2种情况来进行分析：一种为曲柄在特定角加速度的情况下运转；另一种情况为曲柄匀速运转.

（1）曲柄以188.5 rad/s匀速运转，运行时间为0.07 s，表1为初始条件.

表1　仿真的初始条件Tab.1　Simulation initial conditions

曲柄运动速度比较快故在0.07 s内，曲柄可运动2周.通过simulink模块对偏置式曲柄滑块打纬机构进行仿真.能够得到滑块随曲柄运转时的位移，速度和加速度的图像，结果如图4、图5和图6所示.

图4　滑块位移曲线Fig.4　Slider displacement curve

图5　滑块速度曲线Fig.5　Slider speed curve

（2）输入状态为匀角加速度时，仿真模型与匀角速度相似.仿真时间为4 s，输入角加速度为10 rad/s2，则打纬机构滑块位移、速度、加速度变化曲线如图7、图8和图9所示.

图6　滑块加速度曲线Fig.6　Slider acceleration curve

图7　匀角加速度时滑块位移曲线Fig.7　Displacement curve of sliding block when uniform angular acceleration

图8　匀角加速度滑块速度曲线图Fig.8　Angular acceleration slider velocity curve

图9　匀角加速度滑块加速度曲线Fig.9　Angular acceleration curve

同样的方法，可以得到对心式曲柄滑块在相同条件下的对应曲线.由于本文主要是针对打纬力的研究，并且通过观察得到的曲线后发现两者曲线大体相似，只是数值不同，故不再位移、速度等分析对象进行赘述，下文只给出相同条件下，对心式曲柄滑块加速度曲线图如图10所示，便于分析两种情况下打纬力变化.

图10　对心曲柄滑块加速度曲线Figure 10　Crack slider acceleration curve

3　结果分析

本文提出运用矢量法的方法来分析碳纤维立体织机不同排布形式下的打纬机构动力性能，降低了不必要的动力消耗，提高打纬机构稳定性，并通过Solidworks三维建模及Simulink运动学仿真对几种方案进行分析对比，验证了本文提出的方案的可行性及预期效果，并得到以下结论：

（1）通过对比得出的曲线可以分析出，不同输入状态下，曲线变化较大.

（2）在输入状态分别为匀角速度和角加速度时，通过对比发现，两种排布形式的打纬机构中，滑块速度在匀角速度时都要比匀角加速度的变化时要慢.所以，匀角速度信号状态下机构稳定性更好，精确度更高.

（3）输入状态为匀角速度时，当4 s仿真时间结束时，曲柄转速为40 rad/s，曲柄旋转80 rad，约为13圈，通过观察图7与图8可以看出，确定的曲柄旋转圈数和给出的周期数相吻合.观察滑块位移曲线可以得到滑块所经历的各个位置，能够看出机构间是否有干涉，并且由滑块速度仿真曲线可分析出滑块的机构特性，验证机构是否满足设计要求，而滑块加速度仿真曲线则能够为惯性力的求解提供便利.

（4）在曲轴转速相同并且为匀速的条件下，在本织机特定环境下对心式比偏置式曲柄滑块最大加速度高近15%，所以采用对心排布形式的曲柄滑块在同等条件下所能提供的打纬力更足，利于织造过程的高效进行.

4　结语

通过改变Function函数，能够得到不同时刻的速度、加速度和位置的值，而且便于分析它们在运动周期内的变化.并且，运用MATLAB软件强大的矩阵计算功能进行的运动分析，能够得到不同运动参数间的相互关系，为以后研究打纬机构的机构动力性能分析及运动协调性等方面提供了基础.

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Kinematics simulation in carbon fiber multilayer loombeating-up mechanism

YANG Jian-cheng1，2，JIANG Hai-tao1，2，JIANG Xiu-ming1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin City Key Laboratory of Modern Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Aiming at the disadvantages of the existing carbon fiber three-dimensional loom beating-up mechanism of beating up force being insufficient，the vector method is proposed，and using different input signals of heart type and offset slipscrank beating up mechanism kinematic analysis of simulation under Simulink environment，the motion curve under the two conditions of the slider are obtained.The experimental results show that when the crank input state for uniform angular velocity，slipscrank beating up mechanism can meet the desired motion of the loom，compared to the heart of mechanism，can also meet the requirements of loom beating up force.

carbon fiber；multilayer woven；beating up mechanism；vector method

TS103.134A

1671－024X（2016）03－0084－05

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.03.016

2016-01-15

国家十二五科技支撑项目“碳纤维多层角联机织造装备及技术研发”（2011BAF08B02）

杨建成（1962—），男，教授，主要研究方向为新型纺织机械及自动化应用等.E-mail：yjcq@yahoo.cn