，，，，

(浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院、絲綢學(xué)院，杭州 310018)

0 引 言

全自動(dòng)電腦橫機(jī)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及編織工藝于一體的高性能機(jī)械設(shè)備，可用于編織羊毛衫成形針織產(chǎn)品。在毛衫編織過程中，毛衫可在全自動(dòng)電腦橫機(jī)上編織成形衣片，經(jīng)縫合等工序成為毛衣產(chǎn)品。全自動(dòng)電腦橫機(jī)具有自動(dòng)收放針成形編織功能，毛衫產(chǎn)品檔次高，深受消費(fèi)者的青睞[1-2]。但長期以來，國外廠商一直對高性能電腦橫機(jī)進(jìn)行技術(shù)壟斷，嚴(yán)重制約了我國新型電腦橫機(jī)的研制，成為我國毛衫產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸[3]。為了突破國外對電腦橫機(jī)的技術(shù)壟斷，國內(nèi)企業(yè)相繼對電腦橫機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)，橫機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)水平正在不斷提高。例如，寧波慈星股份有限公司已收購了瑞士一流制造企業(yè)斯坦格(Steiger SA)，研制的全自動(dòng)電腦橫機(jī)產(chǎn)品已成為國內(nèi)先進(jìn)電腦橫機(jī)的典范，但與國外先進(jìn)電腦橫機(jī)相比，技術(shù)上仍存在一定的差距，因此對全自動(dòng)電腦橫機(jī)技術(shù)的研究具有十分重要的意義[4]。

本文對全自動(dòng)電腦橫機(jī)的編織工藝進(jìn)行了研究，在對關(guān)鍵編織工藝點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，采用Solidworks軟件建立了織針與三角的三維實(shí)體模型，并應(yīng)用Solidworks Motion進(jìn)行仿真分析，輸出走針運(yùn)動(dòng)位移、速度以及加速度曲線，并通過高速攝影實(shí)驗(yàn)，對電腦橫機(jī)織針與三角仿真研究的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果可為電腦橫機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供借鑒。

1 成圈機(jī)件配置與成圈工藝過程分析

1.1 成圈機(jī)件及其配置

全自動(dòng)電腦橫機(jī)中參與成形編織的主要機(jī)件有織針、三角、沉降片、選針片、挺針片和針床等?？椺?、選針片、挺針片和彈簧針腳等零件依次排列在針床上的針槽中，如圖1所示。在挺針片2的作用下，織針1在針槽內(nèi)作上下滑動(dòng)，針槽底部的卡槽將織針1和挺針片2的缺口連接在一起，使織針1在挺針片2與三角的作用下進(jìn)行編織。彈簧針腳3位于挺針片2的上方，挺針片4位于彈簧針腳3的上部，根據(jù)花型要求，彈簧針腳3在選針片4的作用下被推至A、B、H三個(gè)位置之一，完成成圈、集圈、浮線的編織[5]。

1-織針；2-挺針片；3-彈簧針腳；4-選針片；5-針床圖1 成圈結(jié)構(gòu)的配置

各個(gè)成圈機(jī)件按照一定的運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系，整體安裝在橫機(jī)機(jī)頭內(nèi)。在編織過程中，織針在選針裝置和三角系統(tǒng)的共同作用下進(jìn)行選針編織，進(jìn)行織物收放針成形編織[6]。圖2是全自動(dòng)電腦橫機(jī)三角結(jié)構(gòu)圖。

1-選針片導(dǎo)針三角；2-選針片三角；3-織針選針器；4-復(fù)位三角；5-壓針板；6-集圈壓針板；7-接圈壓針板；8-小線圈壓針板；9-起針三角；10-集圈三角；11-壓針三角；12-挺針三角；13-移圈三角；14-移圈護(hù)針三角圖2 橫機(jī)三角結(jié)構(gòu)圖

1.2 成圈運(yùn)動(dòng)過程分析

全自動(dòng)電腦橫機(jī)的編織步驟為退圈、墊紗、閉口、套圈、脫圈、彎紗、成圈和牽拉。彈簧針腳所處的A、H、B位置與三角壓針板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相互配合可以實(shí)現(xiàn)橫機(jī)在一個(gè)橫列內(nèi)達(dá)到成圈、集圈、“三功位”選針編織，以及收放針成形編織[7]。電腦橫機(jī)的選針作用過程如圖3所示。

圖3 選針作用過程示意

在選針過程中，機(jī)頭的兩系統(tǒng)分別用S1、S2表示，四個(gè)選針器分別用C1、C2、C3、C4表示。當(dāng)機(jī)頭從左向右運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)S2進(jìn)入編織狀態(tài)。選針由選針器C2、C3完成。C2選針器將需要參加編織工作的選針片選上，選針片的下片踵沿著半起針三角上升，推動(dòng)相應(yīng)的選針片將彈簧針腳由B位推至A位的選針位置。

在成圈編織過程中，被選針器所選中的織針在三角的作用下沿針槽上升到達(dá)退圈高度，此時(shí)移圈三角處于不工作狀態(tài)。在選針過程中，根據(jù)花型編織的要求，選針器相應(yīng)的擺片發(fā)生擺動(dòng)，此時(shí)選針片保留在起針三角作用位置，織針在選針片片踵作用下進(jìn)入針道。當(dāng)彈簧針腳位于A位時(shí)，織針由挺針片帶動(dòng)沿成圈三角進(jìn)行成圈編織。成圈編織走針軌跡如圖4所示。集圈編織時(shí)被選針器選中的織針在集圈壓針板的作用下沿三角上升達(dá)到集圈高度。在選針過程中，根據(jù)花型編織的要求，選針器相應(yīng)的擺片發(fā)生擺動(dòng)，使織針在選針片片踵作用進(jìn)入上升通道。當(dāng)彈簧針腳推至H位時(shí)，集圈壓針板將彈簧針腳和挺針片的片踵壓入針槽內(nèi)，織針進(jìn)入集圈編織。

圖4 成圈編織走針軌跡圖

1.3 成圈關(guān)鍵工藝點(diǎn)計(jì)算與分析

在成圈編織過程中，各部件的運(yùn)動(dòng)配合十分重要，否則在編織過程中會(huì)發(fā)生撞針、漏針或喂紗困難等問題。因此，需對電腦橫機(jī)工藝參數(shù)、喂紗器的紗嘴工藝點(diǎn)高度以及成圈編織過程中關(guān)鍵工藝點(diǎn)等進(jìn)行計(jì)算與分析，為成圈機(jī)件的三維實(shí)體建模提供準(zhǔn)確的理論依據(jù)。WSG225C型全自動(dòng)電腦橫機(jī)成圈關(guān)鍵工藝點(diǎn)的位置如圖5所示，以針筒口線K-K為基準(zhǔn)，計(jì)算分析結(jié)果如下：

起針三角起點(diǎn)與成圈點(diǎn)距離：S1=9.40。

成圈點(diǎn)F離筒口線的距離：

S=L1+ZKmax-φ=107.15+4.51-0.50=111.16

(1)

其中：S為成圈點(diǎn)F離筒口線的距離，mm；L1為針身長度，mm；φ為針鉤直徑，mm；ZKmax為彎紗深度，mm。

成圈高度：

H=H1+HK+L4-L2=

19.70+19.69+2.01-11.50=29.90

(2)

集圈高度：

H1=L2+ZKmax+S1-L3-φ-L4=11.50+4.51+

9.40-3.20-0.50-2.01=19.70

(3)

其中：H為成圈高度，mm；H1為集圈高度，mm；L2為針鉤頭端至針舌末端的長度，mm；L4為針舌末端至筒口線的長度，mm；L3為集圈片踵高度，mm；HK為織針位于最高點(diǎn)時(shí)，針鉤至筒口線的長度，mm。

頂針三角的高度：

H2=HK-L2+L4=

19.69-11.50+2.01=10.20

(4)

其中：H2為頂針三角的高度，mm。

喂紗點(diǎn)離針床齒口線的距離：

C1=L1-L2-β=107.15-11.50-1.20

=94.45

(5)

其中：β為針舌尖高出針床筒口線距離，mm；C1為喂紗點(diǎn)離針床齒口線的距離，mm。

圖5 成圈關(guān)鍵工藝點(diǎn)位置

2 成圈機(jī)件的受力分析

與普通電腦橫機(jī)相比，全自動(dòng)電腦橫機(jī)編織要求更高，機(jī)器的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性極為重要。但在成圈編織過程中，織針在三角作用的瞬間會(huì)受到較大的沖擊力，嚴(yán)重影響電腦橫機(jī)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性[8]。同時(shí)，織針在受力作用過程中會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形，不同于傳統(tǒng)力學(xué)分析中的剛體范疇，因此須采用彈性動(dòng)力學(xué)對成圈機(jī)件進(jìn)行力學(xué)分析，才能得到準(zhǔn)確的織針運(yùn)動(dòng)規(guī)律[9]。織針的力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 織針與三角受力模型

在這一彈性系統(tǒng)中，將織針視為質(zhì)量為m1和m2的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)相互串聯(lián)，則織針與三角的動(dòng)態(tài)受力近似于雙自由度彈性振動(dòng)系統(tǒng)，其受力平衡方程為：

(6)

其中：x1(t)為質(zhì)量m1的質(zhì)點(diǎn)位移；x2(t)為質(zhì)量m2的質(zhì)點(diǎn)位移；m1為織針在上段部分的質(zhì)量；m2為織針在下段部分的質(zhì)量；K1為上段部分的彈性系數(shù)；K2為下段部分的彈性系數(shù)；y為織針上升的高度。

(7)

其中：y(t)為針踵y方向的位移；h為位移過程中的針踵動(dòng)程，p為運(yùn)動(dòng)的特征頻率。

對式(6)進(jìn)行拉氏轉(zhuǎn)換，得：

(8)

(9)

二次導(dǎo)數(shù)：

(10)

(11)

從式(10)可知，ξ越大，織針與三角之間的沖擊就越大，過大的沖擊力將嚴(yán)重影響機(jī)器的平穩(wěn)運(yùn)行。由于織針在受力情況下屬于雙自由度系統(tǒng)，受力情況復(fù)雜，影響變量多，一般采用傳統(tǒng)的力學(xué)分析無法準(zhǔn)確的得到織針與三角的具體受力，因此，要借助專用分析軟件對織針與三角的運(yùn)動(dòng)作進(jìn)一步分析。

3 基于Solidworks的實(shí)體建模研究與運(yùn)動(dòng)仿真

SolidWorks軟件具有很強(qiáng)的實(shí)體建模功能，可以對各種復(fù)雜機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，求解輸出機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)[10]。其中，Solidworks Motion是SolidWorks中專門用于運(yùn)動(dòng)仿真的工具[11]。電腦橫機(jī)中參與成圈編織的主要機(jī)件為織針與挺針片、三角、沉降片等，本文基于Solidworks進(jìn)行成圈機(jī)構(gòu)的實(shí)體建模，首先在系統(tǒng)中建立成圈機(jī)件的三維實(shí)體模型，在系統(tǒng)裝配完成后，施加約束，給定仿真條件，調(diào)取仿真程序，進(jìn)行仿真求解。仿真流程如圖7所示。

圖7 Solidworks運(yùn)動(dòng)仿真流程

3.1 成圈機(jī)構(gòu)Solidworks建模

根據(jù)計(jì)算分析所得的關(guān)鍵編織工藝點(diǎn)參數(shù)，運(yùn)用Solidworks對三角、織針和挺針片等零部件進(jìn)行建模，并根據(jù)約束條件進(jìn)行組裝，經(jīng)過干涉檢查，加載力、運(yùn)動(dòng)副后，得到成圈機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，如圖8所示。

圖8 成圈機(jī)構(gòu)三維模型圖

3.2 成圈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

進(jìn)行三維實(shí)體建模后，在Solidworks中載入Solidworks Motion插件，建立運(yùn)動(dòng)仿真模型。在運(yùn)動(dòng)仿真前，首先對成圈機(jī)構(gòu)添加動(dòng)力源，然后在運(yùn)動(dòng)仿真管理器Motion Manager工具欄中設(shè)定仿真時(shí)間，本文中設(shè)定的仿真時(shí)間為51.5 ms，織針走針?biāo)俣葹?.20 m/s，最后運(yùn)用Solidworks中的運(yùn)動(dòng)算例功能對織針與三角之間的運(yùn)動(dòng)受力進(jìn)行計(jì)算[12]。完成計(jì)算后，輸出織針運(yùn)動(dòng)位移、速度、加速度結(jié)果。圖9為織針仿真運(yùn)動(dòng)曲線。

圖9 織針仿真運(yùn)動(dòng)曲線

圖9(a)所示為織針仿真運(yùn)動(dòng)輸出位移曲線，最大位移動(dòng)程為21.70 mm，起針最高點(diǎn)為11.82 mm；圖9(b)和圖9(c)分別為速度、加速度仿真運(yùn)動(dòng)曲線。在0.4～1.4 ms，織針與起針三角發(fā)生碰撞，碰撞瞬間使水平運(yùn)動(dòng)的織針的縱向速度突然發(fā)生改變，引起速度和加速度的突變，織針的最大速度達(dá)到1.86 m/s，最大加速度達(dá)到1.48 m/s2。在8.4～10.4 ms，織針沿三角運(yùn)動(dòng)過程中受到針槽阻力作用，織針?biāo)俣戎饾u降低。在10.4 ms時(shí)織針受力達(dá)到平衡，速度和加速度減為0。在15.0 ms時(shí)，織針與挺針三角之間再次受到?jīng)_擊力的作用，織針與起針三角之間受力過程與0.4～1.4 ms時(shí)織針與起針三角之間受力過程基本相似。之后，織針在運(yùn)動(dòng)過程中由于受到阻力的作用，受力逐漸平衡，縱向的速度和加速度也慢慢趨于一致。

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

通過實(shí)驗(yàn)可以測試分析電腦橫機(jī)編織過程中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀況，便于進(jìn)一步研究織針與三角的實(shí)際受力情況，本文采用高速攝像實(shí)驗(yàn)來采樣測試全自動(dòng)電腦橫機(jī)實(shí)際編織運(yùn)動(dòng)的基本參數(shù)。實(shí)驗(yàn)對象為WSG225C型全自動(dòng)電腦橫機(jī)，實(shí)驗(yàn)儀器采用日本PHOTRON公司的FASTCAM SA3高速攝像儀，測試全自動(dòng)電腦橫機(jī)在空車運(yùn)行時(shí)織針的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并運(yùn)用專業(yè)圖形處理軟件對所記錄的圖像進(jìn)行處理，得到織針運(yùn)動(dòng)位移、速度和加速度曲線[13]。橫機(jī)高速攝像實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10 橫機(jī)高速攝像實(shí)驗(yàn)裝置

4.2 實(shí)驗(yàn)測試過程與結(jié)果分析

高速攝影實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，在專業(yè)圖像軟件中進(jìn)行處理，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，位移(速度、加速度)為縱坐標(biāo)，進(jìn)行圖像擬合，得到織針的位移、速度、加速度曲線，具體結(jié)果如圖11所示。在電腦橫機(jī)編織速度為1.20 m/s時(shí)，所得織針最大加速度1.56 m/s2，而織針成圈編織時(shí)最大走針高度為22.10 mm，所對應(yīng)的時(shí)間約為0.027 s，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)測試結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果相吻合，橫機(jī)編織運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性良好。

圖11 擬合曲線

5 結(jié) 論

本文以WSG225C型全自動(dòng)電腦橫機(jī)為研究對象，重點(diǎn)研究了電腦橫機(jī)的編織工藝，分析了織針與三角受力狀況，在對關(guān)鍵編織工藝點(diǎn)計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，基于SolidWorks軟件建立了織針與三角的三維實(shí)體模型，進(jìn)行了成圈機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)研究，并應(yīng)用Solidworks Motion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到了走針運(yùn)動(dòng)位移、速度以及加速度曲線。結(jié)論如下：

a) 通過分析電腦橫機(jī)在成圈編織過程中選針片、織針和三角等機(jī)件的相互配合關(guān)系，計(jì)算得到了關(guān)鍵編織工藝點(diǎn)參數(shù)：成圈時(shí)織針動(dòng)程為29.90 mm，集圈編織時(shí)織針動(dòng)程為19.70 mm，為織針與三角的建模研究提供了準(zhǔn)確的工藝參數(shù)。

b) 基于Solidworks實(shí)現(xiàn)了成圈機(jī)件的實(shí)體建模，運(yùn)用Solidworks Motion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，求解出走針運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度曲線。由仿真結(jié)果可知，全自動(dòng)電腦橫機(jī)編織速度為1.20 m/s，織針最大速度為1.86 m/s，最大加速度為1.48 m/s2。

c) 通過高速攝影實(shí)驗(yàn)分析，在編織速度為1.20 m/s，測試所得得到最大加速度1.56 m/s2，實(shí)驗(yàn)測試分析的結(jié)果與理論分析結(jié)果基本相同。

本文采用計(jì)算機(jī)建模、力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)仿真等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，解決了成圈機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)分析的難題，為提升現(xiàn)代針織技術(shù)裝備的性能進(jìn)行積極地探索。