季海彬，周香琴，成小軍

(1. 浙江理工大學現(xiàn)代紡織裝備重點實驗室，杭州 310018；2. 萬利紡織機械研究院，杭州 311243)

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基于開口工藝要求的多臂機機構參數(shù)分析

季海彬1，周香琴1，成小軍2

(1. 浙江理工大學現(xiàn)代紡織裝備重點實驗室，杭州 310018；2. 萬利紡織機械研究院，杭州 311243)

為了探尋多臂機機構參數(shù)與開口工藝要求的關系，采用基本原理分析、機構運動學分析等方法，對法國Staubli公司的2658型多臂機的提綜機構進行分析。研究結果表明：偏心盤控制單元應設計成無急回特性的曲柄搖桿機構，相鄰綜框對應的曲柄相位差應為180°，確保了綜平位置和綜平時刻的一致性，且綜平時刻偏心方向與提綜臂方向平行,但是上下開口極限動程無法一致,下開口極限動程大于上開口極限動程；綜平時刻，綜框調節(jié)機構的提綜臂圓弧中心應在送桿和大刀片的鉸接點；通過合理設計綜框機架與大刀片中心的相對位置，可以確保上下開口動程的一致性；共軛凸輪旋轉變速機構的引入增加了開口的靜止時期，延長了緯紗通過梭口的時間。

開口機構；多臂機；工藝要求；機構參數(shù)

0　引　言

開口機構是織機的五大機構之一，運行速度快，載荷大，動力消耗多，需與打緯機構和引緯機構密切配合工作。開口機構是做上下往復運動的機構，當部分綜框帶動經紗往上運動時，另一部分綜框帶動經紗往下運動，形成由上下層經紗組成的梭口，以供緯紗從中穿過。開口機構具有多種類型，用以織造不同類型的織物，通常有曲柄連桿開口機構、凸輪開口機構、多臂開口機構和提花開口機構4種類型[1]。其中，多臂開口機構適用于織造較復雜的小花紋織物[1]，被越來越多的織機廠家所使用。目前，Staubli公司生產的電子多臂機是行業(yè)領先產品，而國產多臂機的生產和研發(fā)仍處于仿制國外多臂機的階段，產品的多樣性、適應性、壽命和價格與國外相比還存在較大差距。

近些年，國內對多臂機的研究仍以運動學為主[2-3]，多臂機機構參數(shù)與開口工藝要求之間的關系研究相對較少。開口機構要適應多品種和高速化生產，應具有結構簡單、性能可靠、調節(jié)方便、運行平穩(wěn)、梭口清晰、相鄰兩次綜平位置和綜平時刻一致等特點[4]。本文以法國Staubli公司的2658型多臂機為研究對象，從新型織機開口工藝要求入手，分析2658型多臂機各個機構參數(shù)，探尋機構參數(shù)與開口工藝參數(shù)之間的關系，為織機開口機構的設計和性能優(yōu)化提供指導。

1　多臂機簡介

圖1是2658型多臂開口機構的三維模型。此多臂機是一個共軛凸輪旋轉變速機構與相互并聯(lián)的多組連桿機構的組合，如圖2所示。其中編號5—14是一套多組并聯(lián)的連桿機構(圖中只畫出了一組)，都連接于O1軸。多臂機主軸通過一對1∶2的過渡齒輪減速，帶動轉盤1勻速轉動。搖塊3和3′與轉盤鉸接于O2和O2′點，與搖塊鉸接的轉子與共軛凸輪嚙合。共軛凸輪固定在機架上，相對機架靜止不動。搖塊一端有滑槽，它的運動通過滑槽中滑塊帶動O1軸和偏心盤做變速轉動。由于O1軸在整周轉動中有兩次停歇，因此綜框在極限位置處有了停頓時間。此處的偏心盤相當于開口曲柄，通過盤形連桿帶動提綜臂來回擺動，通過送桿8、大刀片9、連桿11、小刀片12、撐桿10及13帶動綜框上升或下降，實現(xiàn)開口運動。

圖1　多臂開口機構模型

1-轉盤　2-共軛凸輪　3’-搖塊　4’-滑塊　5-偏心盤　6-盤形連桿　7-提綜臂　8-送桿　9-大刀片　11-連桿　12-小刀片　13-撐桿　14-綜框圖2　多臂機提綜機構簡圖

2　工藝參數(shù)分析

普通開口運動規(guī)律如圖3所示。為了使開口、引緯、打緯等各運動相互協(xié)調，達到最佳配合，要求每次開口過程中綜平位置一致，綜平時刻一致，上梭口動程與下梭口動程盡可能接近。由于復動式開口機構與單動式開口機構相比降低了一半的轉速，因此現(xiàn)代織機多數(shù)采用復動式開口。但是復動式開口機構可能會出現(xiàn)連續(xù)兩次綜平不一致的情況，如圖3中開口過程的第一次綜平位置C和第二次綜平位置D。因此，若綜框運動規(guī)律曲線完全關于D點中心對稱，且關于θ=180°或θ=540°軸對稱，則該運動規(guī)律完全滿足開口機構的要求。所以，綜框運動規(guī)律應盡可能設計成完全對稱。

圖3　普通開口運動規(guī)律

3　機構參數(shù)分析

3.1偏心盤控制單元機構特征分析

偏心盤控制單元等效于曲柄搖桿機構，提綜臂即為搖桿。當其轉到左極限時，綜框在最下端，當其轉到右極限時，綜框在最上端，兩個時刻之間多臂主軸應該正好相差一周才能保證綜平度一致，即曲柄轉角相差180°。因此，具有無急回特性的曲柄搖桿機構恰好滿足上述要求，其行程速度變化系數(shù)K=1。圖4是無急回特性的曲柄搖桿機構簡圖，圖中A1、O1、 A2、 B1、 B2在一條直線上。

圖4　無急回特性曲柄搖桿機構簡圖

(1)

求解式(1)可得：

(2)

a2+d2=b2+c2

(3)

因曲柄搖桿機構曲柄必為最短桿[5]，所以要使式(3)成立，d必為4個數(shù)中的最大值，即機架為最長桿。

3.2偏心盤控制單元機構運動分析

為了得到理想的搖桿擺動曲線來適應開口運動的要求，需要對偏心盤控制單元機構進行研究。圖5為曲柄搖桿機構運動分析矢量圖。

圖5　曲柄搖桿機構運動分析矢量圖

設構件O1A、AB、O3B與O1O3方向的轉角分別為θ1、θ2、θ3，列矢量方程式為：

(4)

投影到坐標軸上的方程式為：

(5)

消去θ2，解方程得：

Lsinθ3+Mcosθ3=N

(6)

其中：

(7)

3.3提綜臂運動規(guī)律特征分析

3.3.1提綜臂函數(shù)方程分析

已知偏心盤控制單元機構應設計成無急回特性的曲柄搖桿機構，則若相鄰綜框的連桿傳動結構及參數(shù)完全相同，差別僅是物理結構上兩曲柄相差180°角，則相鄰綜框的位移運動曲線完全相同，僅在相位上相差180°，即可確保綜框運動曲線的兩次交點相隔180°出現(xiàn)在同一高度，從而保證了綜平時刻和綜平位置的一致性。通過式(6)可以得出θ3關于θ1的函數(shù)，則形成開口運動的兩提綜臂的函數(shù)方程為：

(8)

其中：θ3∈(0,π)。

將式(6)代入式(8)得：

因此，可知綜平時刻，提綜臂與曲柄處于平行的位置，如圖4、圖6所示。

圖和函數(shù)曲線

3.3.2綜平時刻與極值時刻的主軸相位差

(10)

若要使式(10)等于π/2,則：

?b2+c2=d2

?a=0

(11)

因為a=0時機構不成立，所以綜平時刻與極值時刻的主軸相位差不可能為90°。所以綜框從一個極限位置運動到綜平位置，再從綜平位置運動到另一極限位置，兩者轉角不等。根據(jù)式(11)可知，a值越小，兩者轉角差越小。

3.3.3提綜臂上下開口極限動程分析

已知第一次極限位置時，θ2=θ1=β，第二次極限位置時，θ2=β,θ1=π+β，根據(jù)式(5)，分別可求出兩次極限位置時θ3的大小為：

(12)

(13)

(14)

=θ3c-θ3a

(15)

所以：

Δ2-Δ1=2θ3c-(θ3a+θ3b)

(16)

因為b2-d2≤0，所以根據(jù)凹函數(shù)的性質得：

(17)

所以(θ3a+θ3b)∈[180°,360°]。

因為y=cosx在區(qū)間[180°,360°]為增函數(shù)，所以可以通過求cos(2θ3c)-cos(θ3a+θ3b)來判斷式(16)的大小。

(18)

cos(θ3a+θ3b)=cosθ3acosθ3b-sinθ3asinθ3b

(19)

因為

(20)

所以：

(21)

所以：

cos(2θ3c)-cos(θ3a+θ3b)

(22)

所以Δ2-Δ1>0。

因此，下開口極限動程大于上開口極限動程，上下開口極限動程無法相等。根據(jù)式(22)可知，a/d的值越小，Δ2-Δ1的值也就越小。因此，若a值越小，d值越大，則上下開口極限動程差越小。

3.4綜框調節(jié)機構的分析

現(xiàn)代織機為了能夠適應不同織物的需求和方便形成清晰梭口，往往需要較便捷地改變織機開口動程的大小，因此需要具有綜框動程調節(jié)機構，其簡圖如圖7所示。設定織機開口機構在綜平位置時，提綜臂圓弧的圓心恰好在送桿和大刀片的鉸接點G。則調節(jié)送桿F端在提綜臂圓弧上的不同位置，大刀片9并不會擺動，因此綜框的綜平位置不變，而綜框的動程大小隨之變化。當F點往上調，提綜臂O3F變大，綜框動程隨之變大；當F點往下調，提綜臂O3F變小，綜框動程隨之變小。

圖7　綜框動程調節(jié)機構簡圖

圖8　調節(jié)機構極限位置

該機構參數(shù)與織機結構布局及提綜臂形狀有關，同一型號的多臂，配不同織機時，其機構參數(shù)差異較大。

3.5綜框與大刀片的相對位置分析

(23)

圖9　綜框機架與大刀片示意

3.6共軛凸輪旋轉變速機構分析

凸輪旋轉變速機構簡圖如圖10所示，輸入轉角與輸出轉角函數(shù)關系如圖11所示，綜框運動規(guī)律如圖12所示。若無共軛凸輪旋轉變速機構，由轉盤1直接帶動O1軸做勻速圓周運動，則梭口在滿開時綜框無靜止時間，不利于織機的寬幅化。因此，共軛凸輪旋轉變速機構的引入就是使一個勻速旋轉運動轉變?yōu)樵O定的中間有兩次停歇的變速旋轉運動，從而使綜框在極限位置處有了一段靜止時間，其設計思路可由圖11來表示。設定函數(shù)自變量為轉盤1的轉角φ，函數(shù)因變量為O1軸的轉角θ1，其關系式可由θ1=g(φ)表示，且在一個周期內，自變量和因變量均增加360°。為了消除共軛凸輪旋轉變速機構在運動過程中產生的不平衡現(xiàn)象，可以采用對稱設計的方法，即在相位相差180°處安置一組相同的搖塊，如圖10所示。因此該機構在[0，180°]與[180°，360°]兩個區(qū)間中，運動規(guī)律完全相同，所以綜框上下開口過程中的靜止時間完全相同。

圖10　凸輪旋轉變速機構簡圖

圖11　輸入轉角與輸出轉角函數(shù)關系

通過共軛凸輪旋轉變速機構，綜框運動在極限位置處有了停頓時間，增加了緯紗從梭口通過的時間，使圖12中沒有靜止時間的綜框運動規(guī)律變成圖13中的理想運動規(guī)律。若要增加綜框的靜止時間，則只需在設計關系式θ1=g(φ)時增大靜止區(qū)段。

圖12　無靜止時期的綜框運動曲線

圖13　理想綜框運動曲線

4　結　論

本文通過對織機開口工藝及Staubli公司的2658型多臂機的機構分析，得出了一些機構特征及運動規(guī)律特征：

a)偏心盤機構的無急回特性和相鄰綜框對應的曲柄相位相差180°，保證了開口運動的綜平位置和綜平時刻一致性。綜框上下開口極限動程不一致，下開口極限動程要大于上開口極限動程。綜框從一個極限位置運動到綜平位置，再從綜平位置運動到另一極限位置，兩者轉角不等。而綜平時刻偏心盤的偏心方向與提綜臂方向恰好平行。

b)綜平時刻，綜框動程調節(jié)機構的提綜臂圓弧中心應盡量位于送桿與大刀片的鉸接中心，以利于綜框動程調節(jié)時，綜平位置不變。綜框動程調節(jié)機構的對稱性有待進一步研究。

c)合理布置綜框與大刀片轉動中心的相對位置，可以獲得上下開口動程的對稱分布。

d)凸輪旋轉變速機構的設計，增加了開口的靜止時期。

上述結論可為國內自主設計開發(fā)多臂機和其他開口機構提供了理論基礎和指導意義。

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(責任編輯： 康鋒)

Analysis on Mechanism Parameters of Dobby Based on Requirement of Opening Process

JIHaibin1，ZHOUXiangqin1，CHENXiaojun2

(1.Zhejiang Key Laboratory of Textile Equipment, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China; 2.Wanli Textile Machinery Research Institute, Hangzhou 311243,China)

In order to explore the relationship between dobby mechanism parameters and the opening process requirements, kinematics analysis and other methods were used to analyze the heald lifting mechanism of French Staubli Company’s type 2658 dobby. The research result shows that the eccentric disc control unit should be designed to be the crank rocker mechanism without quick-return characteristic and the crank phase difference corresponding to adjacent heald frames shall be 180°,which ensures the consistency between flat heald position and flat heald moment, and at the moment of flat heald, the eccentric direction parallels lifting heald arm. But the limit strokes of upper and lower openings cannot be consistent, the lower limit stroke is bigger than the upper one. At the moment of flat heald, the arc center of lifting heald arm of heald frame regulating mechanism should at the hinged point between feed bar and big blade. Properly designing the relative position between heald frame rack and the center of big blade can ensure the consistency between the strokes of upper and lower openings. The introduction of conjugate cam rotating variable speed mechanism increases the rest period of opening, and prolongs the time of weft yarns going through the shed.

opening mechanism; dobby; requirement of process; mechanism parameter

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.03.009

2015-05-14

浙江省重大科技專項項目(2013C01027)

季海彬(1989-),男，浙江諸暨人，碩士研究生，主要從事織機機械機構學方面的研究。

周香琴，E-mail:zhouxiangqin@zstu.edu.cn

TH112.1

A

1673- 3851 (2016) 02- 0205- 06 引用頁碼： 030402