毛慧敏， 孫 磊， 屠佳佳， 史偉民

浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018)

為確保針織產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中圓機(jī)的持續(xù)循環(huán)工作，紗筒更換時(shí)需將新紗筒的頭線與同層正在工作中紗筒的尾線進(jìn)行接頭。目前，紗線的接頭方式主要有機(jī)械式接頭和氣捻式接頭。氣捻式接頭由于其在產(chǎn)品可靠性和成本上具有一定優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這方面的研究較多。梁藝瑩等[1]對(duì)氣捻打結(jié)器關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[2-3]分析了不同條件下，不同種類紗線的捻接強(qiáng)度和捻接效果，確定紗線尾部的長(zhǎng)度和紗線線密度等參數(shù)對(duì)紗線捻接有重要影響。文獻(xiàn)[4-5]通過(guò)軟件仿真，對(duì)紗線捻接的可視化和模擬技術(shù)、壓縮空氣的流動(dòng)規(guī)律，以及紗線與高壓空氣接觸時(shí)的情況進(jìn)行研究，以此來(lái)提高接頭的穩(wěn)定性和紗線接頭的質(zhì)量。

雖然氣捻式接頭可解決大部分紗線接頭問(wèn)題，但滌綸等幾種無(wú)捻化纖長(zhǎng)絲接頭仍無(wú)法解決。文獻(xiàn)[6-7]創(chuàng)新設(shè)計(jì)了采用粘膠黏結(jié)的粗紗打結(jié)裝置和基于磁懸浮的打結(jié)器，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜實(shí)現(xiàn)難度大，僅停留在實(shí)驗(yàn)階段。黃杰[8]針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械接頭機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種分離式四機(jī)構(gòu)的蠶絲打結(jié)機(jī)器人。紗架中紗線的自動(dòng)接頭是針對(duì)自由端不同類型紗線的接頭，接頭機(jī)的成果研制影響針織車間的自動(dòng)化水平。

本文通過(guò)模擬人工打結(jié)方式，提出了由吸線機(jī)構(gòu)、壓線機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、打結(jié)機(jī)構(gòu)和挑線機(jī)構(gòu)組成的小型機(jī)械式自動(dòng)接頭機(jī)。此外，將傳統(tǒng)復(fù)雜的單電動(dòng)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化為多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，以期實(shí)現(xiàn)自由端紗線的自動(dòng)接頭，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人工廠和紡織智能制造提供新的解決方案。

1 接頭機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械接頭原理

2根紗線接頭打結(jié)方式主要有織布結(jié)、單結(jié)、自緊結(jié)、稱人結(jié)、單揢結(jié)等[9-10]。其中單結(jié)是基礎(chǔ)繩結(jié)，采用模擬人工打結(jié)方式，其工藝是通過(guò)將2根紗線并攏，再將2根紗線旋轉(zhuǎn)成圈，紗線尾端從圈口穿過(guò)并剪去多余的尾線，之后紗線收緊成結(jié)，如圖1所示。

1—并攏； 2—成圈； 3—成結(jié)； 4—修剪。

1.2 接頭機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)接頭原理可知，紗線在接頭過(guò)程中涉及并攏、成圈、成結(jié)、修剪 4個(gè)步驟，由吸線機(jī)構(gòu)、紗線檢測(cè)傳感器、引導(dǎo)桿、引導(dǎo)座、壓線機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、打結(jié)機(jī)構(gòu)和挑線機(jī)構(gòu)組成接頭機(jī)，如圖2所示。

1—吸線機(jī)構(gòu)； 2—張緊機(jī)構(gòu)； 3—引導(dǎo)桿； 4—挑線機(jī)構(gòu)； 5—打結(jié)機(jī)構(gòu)； 6—壓線機(jī)構(gòu)； 7—引導(dǎo)座。

吸線機(jī)構(gòu)通過(guò)負(fù)壓吸取自由狀態(tài)下的2根紗線，其上方裝有紗線檢測(cè)傳感器，用于判斷吸嘴是否吸取到紗線以及吸取的紗線根數(shù)。之后，通過(guò)引導(dǎo)桿將頭尾紗線并攏，并將紗線帶入挑線機(jī)構(gòu)、打結(jié)機(jī)構(gòu)、壓線機(jī)構(gòu)和引導(dǎo)座中，其中引導(dǎo)桿、引導(dǎo)座和挑線機(jī)構(gòu)支軸的凹槽處于同一水平面，促使紗線在打結(jié)過(guò)程中保持在同一水平面中。隨后，壓線機(jī)構(gòu)將紗線尾部壓住，張緊機(jī)構(gòu)則帶動(dòng)張緊桿向上運(yùn)動(dòng)，使紗線保持一定的張力。最后，紗線在打結(jié)機(jī)構(gòu)和挑線機(jī)構(gòu)的配合下完成接頭。

2 接頭機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)

2.1 打結(jié)機(jī)構(gòu)

打結(jié)機(jī)構(gòu)是接頭機(jī)的關(guān)鍵組成部分，其能否成功打結(jié)由打結(jié)刀決定。打結(jié)刀由打結(jié)刀柱、打結(jié)刀片和打結(jié)刀附件組成。打結(jié)刀片位于打結(jié)刀柱和打結(jié)刀附件中間，與安裝在打結(jié)刀座中的打結(jié)刀扣相接觸，打結(jié)刀扣中間呈不規(guī)則的圓形，隨著打結(jié)刀的轉(zhuǎn)動(dòng)，打結(jié)刀片隨刀扣中間的圓形前后擺動(dòng)，形成大小不同的刀口，完成打結(jié)并剪斷多余的紗線，如圖3所示。

1—打結(jié)刀； 2—打結(jié)刀扣； 3—打結(jié)刀套； 4—打結(jié)刀座； 5—打結(jié)齒輪。

打結(jié)成功與否受打結(jié)刀刀口開(kāi)閉時(shí)機(jī)的影響，打結(jié)刀是由打結(jié)刀扣的開(kāi)口槽驅(qū)動(dòng)張開(kāi)與閉合的，如圖4所示。

圖4 打結(jié)刀輪廓曲線與打結(jié)刀引導(dǎo)槽軌跡曲線

打結(jié)刀工作位置為圓弧a1b1與圓弧c1d1，其軌跡方程分別為：

(x-3.5)2+(y+8)2=72

(x+7.5)2+(y+3.5)2=142

打結(jié)刀引導(dǎo)槽由圓弧e2f2、f2h2、h2g2、g2e2組成，其軌跡方程分別為：

x2+(y-1.5)2=52

x2+y2=6.52

(x-3.5)2+y2=32

(x-0.49)2+(y-8.49)=122

打結(jié)刀初始狀態(tài)為刀口垂直向上，完成打結(jié)運(yùn)動(dòng)需要繞軸心旋轉(zhuǎn)2圈。第1圈時(shí)，刀口將紗線卷繞成圈；第2圈時(shí)，打結(jié)刀旋轉(zhuǎn)至1/4圈時(shí)剪斷紗線尾部，隨后將剪斷后的尾部紗線帶入線圈內(nèi)拉緊成結(jié)，旋轉(zhuǎn)至3/4圈時(shí)松開(kāi)紗線完成成圈。打結(jié)刀旋轉(zhuǎn)至90°時(shí)刀口開(kāi)到最大，隨后開(kāi)始閉合刀口；旋轉(zhuǎn)至270°時(shí)，刀口開(kāi)始張開(kāi)。

2.2 挑線機(jī)構(gòu)

打結(jié)刀在打結(jié)過(guò)程中需要與挑線機(jī)構(gòu)相配合，使紗線在打結(jié)過(guò)程中形成圈口，挑線機(jī)構(gòu)如圖5所示。挑線支座中間有1個(gè)凹槽，與引導(dǎo)桿和引導(dǎo)座凹槽處于同一水平面，使紗線穩(wěn)固處于打結(jié)區(qū)域中。挑線器上端通過(guò)滾珠與挑線凸輪相接觸，在挑線凸輪的帶動(dòng)下挑線器帶動(dòng)紗線向外運(yùn)動(dòng)，使紗線在打結(jié)過(guò)程中可以成圈。此外挑線器中部與固定在箱板內(nèi)部的彈簧相連，與凸輪一起帶動(dòng)挑線器進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1—挑線器； 2—挑線凸輪； 3—滾珠； 4—挑線支座； 5—挑線彈簧。

挑線器和挑線凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在配合打結(jié)刀工作時(shí)起到關(guān)鍵作用，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖和凸輪輪廓線如圖6所示。

圖6 挑線凸輪輪廓線及挑線機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.3 吸線機(jī)構(gòu)

吸線機(jī)構(gòu)示意圖如圖7所示。吸嘴尾部與風(fēng)機(jī)相連，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)在吸嘴中形成負(fù)壓，吸嘴旋轉(zhuǎn)至初始位置吸取頭線，隨后轉(zhuǎn)至中間位置吸取尾線；當(dāng)吸嘴吸取頭尾紗線后將紗線沿引導(dǎo)桿帶入打結(jié)區(qū)域中，打結(jié)模組完成打結(jié)后，廢紗通過(guò)風(fēng)機(jī)排入至廢紗儲(chǔ)存袋中。

1—吸嘴； 2—末位傳感器； 3—初始位傳感器； 4—吸嘴電動(dòng)機(jī)； 5—吸嘴座； 6—紗線檢測(cè)傳感器。

在吸線機(jī)構(gòu)中，吸嘴風(fēng)道形狀是根據(jù)吸嘴的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。吸嘴吸取紗線后需要將紗線帶入打結(jié)區(qū)域中，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度約為300°，因此，吸嘴安裝在接頭機(jī)上方，其基礎(chǔ)形狀為“L”形。吸嘴在吸取頭尾紗線過(guò)程中，由于紗架的位置空間有限，吸嘴口與紗筒呈垂直狀態(tài)時(shí)無(wú)法有效吸取紗線，因此，設(shè)計(jì)吸嘴形狀為“Z”形，使吸嘴口與紗筒平行便于吸取紗線。此外，吸嘴尾部通過(guò)風(fēng)管與風(fēng)機(jī)相連，若吸嘴尾部呈水平狀態(tài)與風(fēng)管相連，吸嘴轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中風(fēng)管對(duì)吸嘴轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的阻力，若吸嘴尾部垂直與風(fēng)管相連，吸嘴轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中風(fēng)管對(duì)吸嘴轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力較小，因此，最終設(shè)計(jì)吸嘴的形狀為類“之”字形。

此外在吸線機(jī)構(gòu)中，吸嘴形狀與內(nèi)徑大小影響紗線吸取效果，因此，先對(duì)不同形狀和大小的吸嘴進(jìn)行流體仿真和實(shí)驗(yàn)，選擇合適的形狀與內(nèi)徑。為研究不同形狀的吸嘴對(duì)風(fēng)道內(nèi)部流動(dòng)的影響，建立相同面積的圓形、方形和橢圓形管道模型，采用Fluent軟件分別對(duì)吸嘴進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同形狀吸嘴仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，在相同的負(fù)壓載荷下，方形管道氣流場(chǎng)最小且4個(gè)角所受載荷較大，橢圓形和圓形管道流速較大且各點(diǎn)受力均勻，但圓形管道口氣流范圍比橢圓形大，因此，管道形狀選擇圓型管道。

在確定管道形狀后，考慮到成本與適用性，分別建立內(nèi)徑為6、8、12、16、21和25 mm的吸嘴模型。采用Fluent軟件分別對(duì)吸嘴進(jìn)行仿真，部分仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同內(nèi)徑吸嘴仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，隨著吸嘴內(nèi)徑的增大，吸嘴內(nèi)部的氣流流速越均勻，其內(nèi)部的氣流流速逐漸減小。吸嘴內(nèi)徑為12和16 mm的吸嘴內(nèi)部流速均勻且流速較大，符合要求。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，內(nèi)徑為12 mm的吸線效果好于內(nèi)徑為16 mm的吸嘴，因此，接頭末端機(jī)構(gòu)中吸線機(jī)構(gòu)的吸嘴內(nèi)徑采用12 mm。

2.4 壓線機(jī)構(gòu)

壓線機(jī)構(gòu)示意圖如圖10所示。下壓件由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。壓盤(pán)表面與引導(dǎo)桿和引導(dǎo)座凹槽口處于同一水平面，吸嘴將紗線帶入至打結(jié)區(qū)域后，紗線剛好位于壓盤(pán)表面上。壓盤(pán)與下壓件表面均裝有海綿，下壓時(shí)2片海綿接觸壓住紗線增加紗線的摩擦力，使紗線在打結(jié)過(guò)程中不易滑動(dòng)。

1—滑塊； 2—下壓件； 3—海綿片； 4—壓盤(pán)； 5—壓盤(pán)固定件； 6—下壓傳感器； 7—連桿； 8—曲柄塊； 9—壓線電動(dòng)機(jī)。

2.5 張緊機(jī)構(gòu)

紗線在打結(jié)過(guò)程中需要保持一定的張力，當(dāng)吸嘴把紗線帶入打結(jié)區(qū)域且紗線尾部被壓住后，紗線的張力幾乎為0，因此，需要對(duì)紗線進(jìn)行張緊。張緊桿末端呈V型，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，張緊桿V型末端帶動(dòng)紗線向上運(yùn)動(dòng)使紗線保持一定的張力。

在紗線張緊過(guò)程中，張緊桿的直徑大小與張緊角度影響紗線打結(jié)的效果，因此，對(duì)不同直徑的張緊桿和張緊角度進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)張緊桿直徑為1.8 mm，張緊角度為60°時(shí)，張緊效果最好。

3 打結(jié)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 打結(jié)傳動(dòng)過(guò)程

挑線機(jī)構(gòu)和打結(jié)機(jī)構(gòu)相互配合完成打結(jié)，二者的傳動(dòng)依靠齒輪完成，打結(jié)剪刀與凸輪的傳動(dòng)比為1KG-*7〗∶2，即挑線凸輪轉(zhuǎn)1圈，打結(jié)刀轉(zhuǎn)2圈，其傳動(dòng)示意圖如圖11所示。打結(jié)電動(dòng)機(jī)與打結(jié)電動(dòng)機(jī)齒輪相連，打結(jié)電動(dòng)機(jī)齒輪與傳動(dòng)齒輪相連。傳動(dòng)齒輪則分別與打結(jié)齒輪和打結(jié)傳動(dòng)齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，打結(jié)傳動(dòng)齒輪通過(guò)軸承與傘齒輪2相連，并通過(guò)傘齒輪2與傘齒輪1進(jìn)行傳動(dòng)，傘齒輪1通過(guò)軸承與挑線凸輪相連，即通過(guò)打結(jié)電動(dòng)機(jī)可分別帶動(dòng)挑線機(jī)構(gòu)和打結(jié)機(jī)構(gòu)。

1—打結(jié)齒輪； 2—傳動(dòng)齒輪； 3—打結(jié)電動(dòng)機(jī)； 4—打結(jié)電動(dòng)機(jī)齒輪； 5—打結(jié)傳動(dòng)齒輪； 6—傘齒輪2； 7—傘齒輪1。

3.2 打結(jié)過(guò)程仿真模擬

接頭機(jī)具體打結(jié)過(guò)程如圖12所示。打結(jié)刀處于初始狀態(tài)時(shí)，打結(jié)刀刀口微張且垂直向上，紗線位于打結(jié)刀下方。此時(shí)，挑線凸輪圓弧e3j3與挑線滾珠接觸，挑線器最深處部位與挑線支軸凹槽內(nèi)部處于同一平面。打結(jié)刀順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，其旋轉(zhuǎn)至水平方向且刀口張開(kāi)，紗線剛好位于打結(jié)刀內(nèi)側(cè)，打結(jié)刀刀片與紗線無(wú)接觸(見(jiàn)圖12(a))。之后打結(jié)刀繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，挑線凸輪隨打結(jié)刀的旋轉(zhuǎn)開(kāi)始工作，帶動(dòng)挑線器引導(dǎo)紗線向接頭機(jī)前方運(yùn)動(dòng)。打結(jié)刀旋轉(zhuǎn)至270°時(shí)，挑線器帶動(dòng)紗線運(yùn)動(dòng)至最前方，紗線則沿打結(jié)刀片圓弧a1b1向前滑動(dòng)，在打結(jié)刀刀口處逐漸形成線圈(見(jiàn)圖12(b))。打結(jié)刀繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在挑線器的作用下從紗線靠?jī)?nèi)側(cè)穿過(guò)，完成成圈動(dòng)作(見(jiàn)圖12(c))。打結(jié)刀繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至450°時(shí)，刀口張開(kāi)至最大，由于打結(jié)刀外側(cè)對(duì)紗線的牽引作用，靠近壓線機(jī)構(gòu)的紗線正好處于刀口下方(見(jiàn)圖12(d))。紗線進(jìn)入刀口后，打結(jié)刀閉攏并夾持紗線，夾持處的紗線由于牽拉作用被打結(jié)刀片切斷，紗線末端則被打結(jié)刀夾持住隨打結(jié)刀運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，完成牽引紗線入圈動(dòng)作。此后挑線器在彈簧的作用下向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，末端紗線因打結(jié)刀的夾持作用穿過(guò)紗圈，打結(jié)刀旋轉(zhuǎn)至630°時(shí)紗圈縮小到極致，紗線末端從打結(jié)刀口脫離，從而完成2根紗線的打結(jié)動(dòng)作。

圖12 打結(jié)刀打結(jié)過(guò)程示意圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證自動(dòng)接頭機(jī)的接頭效果以及對(duì)紗線的適應(yīng)性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)紗線接頭效果進(jìn)行測(cè)試，如圖13(a)所示。紗線的接頭過(guò)程如圖13(b)～(d)所示。打結(jié)刀旋轉(zhuǎn)270°時(shí)，紗線在打結(jié)刀上形成圈口；旋轉(zhuǎn)450°時(shí)，紗線尾端位于刀口，打結(jié)刀準(zhǔn)備將紗線剪斷；旋轉(zhuǎn)720°時(shí)，紗線從圈口穿過(guò)完成接頭，打結(jié)刀回復(fù)至初始位置。

圖14(a)、(b)示出不同線密度的滌綸、棉紗和氨綸紗線的接頭結(jié)果，圖14(c)示出不同類型紗線混合接頭結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，自動(dòng)接頭機(jī)可對(duì)不同種類的紗線進(jìn)行接頭。此外，對(duì)紗線自動(dòng)接頭機(jī)進(jìn)行了1 000次重復(fù)性接頭實(shí)驗(yàn)，接頭成功992次，成功率高于99%。

圖14 不同紗線接頭結(jié)果

5 結(jié) 論

本文研究了圓機(jī)生產(chǎn)線中紗筒自動(dòng)接頭技術(shù)，通過(guò)模擬人工打結(jié)過(guò)程，設(shè)計(jì)了一種依靠打結(jié)機(jī)構(gòu)和挑線機(jī)構(gòu)相互配合完成打結(jié)的機(jī)械式自動(dòng)接頭機(jī)。對(duì)接頭機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，分析了打結(jié)機(jī)構(gòu)與挑線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡,以及吸線機(jī)構(gòu)吸嘴與張緊機(jī)構(gòu)張緊桿和張緊角度的選擇；對(duì)打結(jié)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，接頭機(jī)在打結(jié)過(guò)程中依靠打結(jié)機(jī)構(gòu)和挑線機(jī)構(gòu)相互配合完成打結(jié)；對(duì)不同類別的紗線進(jìn)行接頭實(shí)驗(yàn)，證明接頭機(jī)可對(duì)不同種類紗線進(jìn)行接頭。

目前還未見(jiàn)有小型的機(jī)械式自動(dòng)接頭機(jī)對(duì)不同種類紗線進(jìn)行打結(jié)的報(bào)道，本文介紹的接頭機(jī)不僅可應(yīng)用在圓機(jī)生產(chǎn)線中，之后還可以推廣應(yīng)用至機(jī)織生產(chǎn)線中，有廣泛的應(yīng)用前景。