一种立体织机平行打纬机构的设计与优化

徐昊月，孙志宏

(东华大学 机械学院，上海 201620)

目前比较普遍的织机打纬机构有四连杆打纬机构、六连杆打纬机构和共轭凸轮打纬机构[1]。其中：结构最简易的为四连杆打纬机构，但其筘座在后心位置的相对静止时间较短，因此不利于引纬器飞行[2]；六连杆打纬机构的筘座可在后心位置近似停顿较长时间，有利于引纬[3-4]；共轭凸轮打纬机构在引纬时筘座绝对静止，可通过设计凸轮廓线为引纬提供最大的引纬角，有利于引纬。但无论是连杆打纬机构还是共轭凸轮打纬机构，都是通过连杆机构将织机主轴的转动转换为钢筘打纬时的前后摆动。对于立体织机而言，这种打纬方式导致钢筘作用于各层纬纱上的打纬力不均，不仅很难将多根纬纱同时打入织口，还会导致纬纱与经纱相互摩擦，从而使碳纤维、玻璃纤维等特种纱线起毛[5]。许多学者针对多层织物织造时各层纬纱的受力均匀性问题进行了研究。韩斌斌等[6]提出了几种不同形式的六连杆平行打纬机构，并进行运动学建模和仿真分析。李佳[7]基于平行四连杆机构的水平运动特性，改进了传统的单摆打纬方式，但该机构在打纬时钢筘的运动方向并不是完全水平，存在轻微的上下摆动，可能会造成织物瑕疵。袁汝旺等[8]针对碳纤维多层织物打纬的特点，提出无急回特性的轴向六连杆打纬机构，但筘座运动无绝对静止时间，不利于引纬器的引纬。

本文提出了八连杆平行打纬机构，在满足钢筘打纬动程和在后死心位置静止时间的条件下，对打纬机构进行运动学分析和参数优化，以确定合理的机构尺寸，从而实现多层织物的垂直均匀打纬。

1 打纬机构工艺要求

为实现多层立体织物织造时的平行打纬运动，打纬机构应符合以下要求：(1)钢筘需有足够的打纬行程，以将纬纱准确地打入织口；(2)打纬机构须确保钢筘在后心位置有足够的近似停留时间(即钢筘在后死心位置附近位移Δs≤5 mm时，主轴所转过的角度)，并且与织机的开口运动和引纬运动相配合，在满足打纬的条件下尽量提供较长的引纬时间；(3)为了使钢筘作用于各层纬纱的打纬力均匀，同时减少纬纱与经纱间的摩擦，钢筘应将纬纱垂直均匀地打入织口。

2 打纬机构的组成及工作原理

在基于WG 2000型喷气织机的四连杆打纬机构所设计的六连杆打纬机构[9](如图1所示)基础上，本文提出八连杆平行打纬机构，即保持原有的固定铰接点(O1、O2、O3)与布局不变，通过增加摇杆滑块机构，将钢筘的摆动转变成平动，实现打纬机构的平行打纬。所设计的八连杆立体织机平行打纬机构示意图如图2所示。其由2个四连杆机构O1ABO2、O2CDO3与摇杆滑块机构O3EF串联而成。电机驱动主轴(曲柄O1A)匀速转动，通过连杆AB使双BO2C臂杆(杆BO2与杆O2C之间的夹角为θ)绕固定轴O2转动；同时，双臂杆BO2C通过连杆CD使双臂杆DO3E(杆DO3与杆O3E之间的夹角为180°)绕固定轴O3转动；双臂杆DO3E牵动连杆EF驱动滑块F沿机架水平向右移动。钢筘安装在滑块上，随着滑块沿水平方向将纬纱垂直打入织口。

3 八连杆平行打纬机构的运动分析

建立八连杆打纬机构的简化三维模型，如图3所示。各杆件初始参数设定如表1所示，其中固定铰接点O2的坐标为(22，-140)，O3的坐标为(-10，165)。

表1 八连杆打纬机构各杆件的初始长度和角度

通过三维软件仿真可以观察到打纬机构在打纬时各构件之间的运动情况，并测得钢筘的运动规律曲线，如图4所示，其中，主轴转角φ=0°时，钢筘在前死心位置。由图4可知，筘座打纬动程s约为235 mm，钢筘接近织口处的加速度最大，有利于惯性打纬，但筘座在后心位置附近位移Δs≤5 mm时，主轴转动角度Δφ约为60°，表明近似静止时间较短，不利于引纬器的引纬。故需要在保证打纬动程的前提下，对机构参数进行优化，以增加筘座在后死心位置处的近似静止时间。

4 八连杆平行打纬机构的优化

钢筘的最大位移由各构件的尺寸决定，其函数关系[10]如式(1)所示。

S=lEFcos(180-γ2)-lO3Ecos(180-φ2)-

[lEFcos(180-γ1)-lO3Ecos(180-φ1)]

(1)

式中：φ1、φ2分别为筘座在后死心和前死心位置时摇杆O3E与x轴正向的夹角；γ1、γ2分别为筘座在后死心和前死心位置时连杆EF与x轴正向的夹角。

式中：β1、β2分别为筘座在后死心和前死心位置时连线lCO3与y轴正向的夹角。

其中：

式中：X0、Y0分别为固定铰接点O2的横、纵坐标值；X1、Y1分别为固定铰接点O3的横、纵坐标值。

本文利用Matlab工具箱中的fmincon函数对打纬机构进行优化[11]。为了测试每个参数对打纬机构打纬动程及近似静止时间的影响，通过每次仅改变单个连杆尺寸的方法研究钢筘运动规律对各连杆尺寸敏感程度。9个设计变量(lO1A，lAB，lO2B，lO2C，lCD，lDO3，lO3E，lEF，θ)在一定的范围内各取4个值，对设计变量分别进行设计研究，通过Matlb编程，可得钢筘的位移相对于这9个设计变量的变化规律。通过对比分析可知，lO1A、lAB、lCD、lDO3及双臂杆BO2C间的夹角θ是打纬动程s以及钢筘在后心位置近似静止时间的敏感参数，因此将lO1A、lAB、lCD、lDO3及θ作为设计变量，令设计变量x=(lO1A，lAB，lCD，lDO3，θ)，其他参数作为已知量。

打纬机构在后心位置停留时间长对织机引纬运动虽然有利，但打纬的运动时间就短，会增大钢筘运动时的加速度，从而加剧织机的振动。因此，钢筘在后心位置停留时间不宜过长。钢筘在后死心位置停留时间，还需依据织机转速、引纬方式、织物幅宽以及织造工艺等决定。本文在优化过程中，八连杆平行打纬机构要求主轴转动140°，且筘座在后死心位置的近似静止位移Δs最小，故建立目标函数functionf=fun(x)。同时由图3可知，八连杆平行打纬机构中第1个四连杆机构为曲柄摇杆机构。对第1个四连杆机构进行杆长约束，以满足曲柄存在的条件，并对钢筘的打纬动程、构件间的几何关系、2个四连杆机构与摇杆滑块机构的传动角(γ>40°)进行约束，建立约束函数functionn=non(x)，得到优化结果为

x=(lO1A，lAB，lCD，lDO3，θ)=

(56.44，100.86，117.77，20.00，1.93)

f=4.29

对得到的优化结果进行圆整，圆整后各参数值如表2所示。

表2 八连杆打纬机构优化后各杆件的长度和角度

5 优化后的八连杆打纬机构特性分析

根据优化后得到的各参数值，建立八连杆平行打纬机构的三维模型并进行运动仿真，得到如图5所示的钢筘运动规律曲线。

由图5可以看出：优化后打纬机构的筘座在后死心位置附近(Δs≤5 mm)，主轴转动角度Δφ>140°，相比优化前(60°)的近似静止时间有显著提高，为引纬器提供了足够的运行时间，也有利于织物幅宽的增加。由加速度曲线可以看出，筘座位于前死心位置时，加速度最大为-572 mm/s2，相比优化前(-289 mm/s2)，最大加速度增加了98%。在织机打纬机构中，筘座打纬时的加速度越大，机构的惯性打纬力也越大，故优化后的打纬机构更有利于形成紧密织物。优化后的打纬机构，在钢筘到达前死心位置以后的返回过程中，钢筘正向加速度最大可达到380 mm/s2，钢筘快速回到后死心位置；而钢筘向前打纬时，钢筘最大正向加速度为222 mm/s2。钢筘向前打纬时的加速度比钢筘退回时加速度减小72%，这种“快-静止-慢”的急回特性，使引纬器能在梭口满开后尽快引纬，改善了开口机构和打纬机构之间的运动滞后问题。但是优化后的打纬机构在后死心位置附近，钢筘加速度有小幅度波动，不利于织机的高速运行。

6 结 语

本文针对立体织物的织造特点，在已有的六连杆打纬机构的基础上增加RRP Ⅱ级杆组(摇杆滑块机构)进而成为八连杆机构，可实现钢筘平行打纬，且作用于各层纬纱的打纬力均匀。对该八连杆平行打纬机构进行机构运动学分析，并根据打纬机构的工艺要求，利用Matlab的fmincon函数，对该打纬机构进行参数优化。优化后的打纬机构具有下述优点：延长了筘座在后死心位置的近似停留时间，提高了引纬器引纬时间，有利于宽幅织物的织造；增大了钢筘的惯性打纬力，有利于织造紧密织物；具有“快-静止-慢”的急回特性。但是打纬机构优化后钢筘在后心位置附近的加速度有小幅波动，不适用于高速织机的打纬。