多梳经编机复合针运动机构的设计

多梳经编机复合针运动机构的设计

0复合针运动装置的设计通过编织机编织编织材料通常包括成圈运动、牵引运动（涂层）和水平移动运动，相应的有成圈运动装置、牵引装置和水平移动装置。成圈运动又由梳栉、织针、沉降和脱圈的运动组成。经编机中一般将梳栉数少于10把的称为少梳(栉),多于10把的称为多梳(栉),由槽针和针芯所构成的织针称为复合针。少梳经编机的梳栉数少,质量和转动惯量小,一般采用其往复摆动的方案,与经编机成圈运动中的其它运动——织针的运动、成降运动和脱圈运动相配合实现编织织物所需的运动要求。多梳经编机的梳栉数多,质量和转动惯量较大,一般采用其不运动的方案,将其运动叠加到复合针,这样复合针的运动就由原有的运动(一般称上下运动)与梳栉的往复摆动叠加而成,属于平面内两个自由度运动问题。复合针由槽针和针芯组成,两者在结构上,槽针有扁平沟槽状结构,针芯为扁平柱状结构,针芯位于槽针的沟槽内,按照经编工艺要求,两者在运动上,沿槽针沟槽作往复相对直线运动,以实现针芯对槽针针尖口处的封闭与开口。显然,由梳栉附加到复合针上的往复摆动,对槽针和针芯是一样的。所以,多梳经编机复合针的运动应包括:复合针的往复摆动、槽针的上下运动和针芯相对于槽针的往复直线运动。成圈运动是经编机的最主要运动,复合针的运动是成圈运动的核心,因此,复合针运动装置的设计是经编机设计的关键。以往的研究主要对少梳栉经编机的成圈原理进行分析,对进口或仿制的少梳栉经编机成圈运动装置进行运动学分析,研究少梳栉经编机成圈运动装置中的四套连杆机构的动力学问题,或研究少梳栉经编机成圈运动连杆机构的运动学优化设计。上述已有的各种研究中,未对多梳栉经编机成圈原理、各运动之间的配合关系和成圈运动装置的设计问题进行研究。从现代经编机的发展方向来看,随着编织织物花型的复杂性和层次感的提高,对经编机梳栉数的要求也越来越高,最高已达90把以上,基于此,需研究多梳经编机的成圈原理和对复合针的运动要求,以适应研发新机型的需要。本文根据多梳经编机成圈运动工艺,分析复合针的运动要求,对已选用的运动实现机构类型,确定机构尺度或设计出相应凸轮。1复合针运动机构的结构图1是多梳经编机复合针常用的运动机构之一,26是槽针床,其上C点是槽针针尖点,36是针芯床,其上Z点是针芯针尖点,槽针床和针芯床在T点有移动副实现两者之间的相对直线移动,由26和36构成的是针床。针床与摆臂13之间有移动副,摆臂13的摆动就是针床的摆动。图1(a)是针床摆动机构,1是摆动凸轮,使摆臂11摆动,通过平面四连杆机构B0B1D1D0实现摆臂13的摆动,即针床的摆动。图1(b)是槽针上下运动机构,2是槽针上下运动主动凸轮,使摆臂21摆动,通过平面四连杆机构B0B2C2C0使摆臂23摆动,再通过杆25在槽针床上Q点铰接,驱动槽针床上下运动。图1(c)是针芯运动机构,3是针芯运动主动凸轮,使摆臂31摆动,通过平面四连杆机构B0B3C3C0使摆臂33摆动,再通过杆35在针芯床上E点铰接,驱动针芯床相对槽针床作往复直线运动。针床摆动机构、槽针床上下运动机构和针芯运动机构分别是自由度为1的平面机构,所以,整个复合针运动机构是自由度为3的平面机构,机构的3个运动输入分别是三个凸轮,即摆动凸轮、槽针凸轮和针芯凸轮,实际机器中,三个凸轮固定安装在同一根主轴A0上由一台电机驱动,但3个凸轮之间有相位角要求。由于针床摆动机构、槽针上下运动机构和针芯运动机构都是自由度为1的平面机构,所以,可以根据结构需要和可能由不同结构类型的机构实现。图1中摆动机构由凸轮机构驱动一平面四连杆机构实现针床摆动,也可以由单自由度平面多连杆机构实现,如平面六连杆机构。槽针上下运动机构和针芯运动机构在不同机型中,C0点位置可以不同,如有的机型置于与D0点同一垂直线上,一般在D0点正下方。图1(b)中的槽针上下运动机构也可以通过构件25直接连接B2点于E点,省去平面四连杆机构B0B2C2C0,结构更简单和紧凑,但槽针的上下运动动程较小,应用于梳栉数不是特别多的机型。2针的复合运动要求分析2.1通过旋转速度至轴类物质的方向发展在复合针运动机构中,当主轴转一周时,槽针针尖和针芯针尖配合完成一个动作周期。在一个动作周期中,槽针针尖需经过若干关键位置以实现预定的钩纱动作要求。图2中的圆圈是某经编机一个运动周期内槽针需到达的点的位置,称之为工艺要求到达点,分别是1,2,3,…,26,27。图中标注的角度是相应主轴的转角,如图2所示。图2中位置1为主轴0°时槽针针尖的位置,以该点为坐标原点O,水平方向为X轴,垂直方向为Y轴,建立图示直角坐标系XOY,可得到槽针针尖要求的各工艺要求到达点坐标位置。2.2拟合曲线的拟合为了设计凸轮廓线,需要根据槽针针尖的工艺要求到达点拟合出其相应运动轨迹曲线,即槽针针尖的运动轨迹。图2中槽针针尖工艺要求到达点共有27个,拟合时取其中几个关键点,这样拟合出的曲线可以满足实际应用要求。拟合曲线时,曲线需通过关键点并光滑,曲率方向变化应尽可能少,这样可以减少机构运动时构件中惯性力方向的改变次数,使机构运动平稳,减小冲击和振动。如图3所示为根据关键点拟合出的槽针针尖运动轨迹及离散采样后的点。2.3结构参数及h值的计算在槽针针尖和针芯针尖配合完成一个动作周期过程中,在不同的主轴运动位置,针芯针尖与槽针针尖之间有相对位置要求。图4所示是只含有槽针和针芯末端执行点(槽针针尖和针芯针尖)的机构局部(图1的局部)。根据工艺要求,槽针(构件36)与针芯(构件36)的摆动相同,即它们之间没有相对转动,槽针针尖和针芯针尖之间只有沿摆臂13在R(Q)U方向上的相对直线移动。在结构上,图中平行于R(Q)U。图4(b)和(c)分别是槽针和针芯。设槽针针尖C相对Q点,并以R(Q)U及其垂直方向表示其位置为Cx和Cy,夹角αc为:如图4(b)所示。同样,设针芯针尖Z相对E点,并以及其垂直位置方向表示其位置分别为Zx和Zy,夹角αZ为:如图4(c)所示。根据工艺要求,针芯针尖Z点相对于槽针针尖C点的运动方向平行于(或R(Q)U),且它们的相对运动应平行于因此,在结构上,应有下述尺寸关系:设槽针针尖C和针芯针尖Z点之间沿(或R(Q)U)方向的相对位移为h,在主轴不同转动位置,h值要求不同。对某型经编机,要求主轴转角38觷时,h=7mm;主轴转角50觷~280觷时,h=8~11mm;主轴转角310觷~360觷时,h=0,即在310觷~360觷,槽针针尖与针芯针尖闭合。按照该要求,结合图2取主轴若干转角位置为关键点,产生与槽针针尖轨迹点相对应的h值,图5是产生的h的线图,相邻两点之间区段上等分点相对应的h值按线性变化得到。得到h的曲线后也需对其进行采样,各区段等分数按等分间隔为主轴转角0.2觷计算,这样也是1801个点,与槽针针尖轨迹拟合后离散采样的点数一样。3针座的设计3.1针床摆动原则图6(a)所示针床摆动机构和槽针上下运动机构需要设计确定的参数有:各机架点的位置,各杆件的长度及针床摆动凸轮和槽针上下运动凸轮的轮廓线。机构中A0、B0、C0和D0点的位置根据机器结构需要和可能选取,连杆的尺寸根据传动角和运动范围限制选取。图6(b)是由图6(a)中独立出的带有槽针针尖C点的开式链机构D0UQC,以D0点为原点,垂直方向和水平方向分别为x2和y2方向建立图示直角坐标系之间夹角αc由式(1)确定,如图6所示。设槽针针尖C点需实现轨迹上任一点坐标为(x2,y2),并设机构中各构件为如图所示的矢量,则有:写成指数形式为:式中:φe为矢量的幅角,Ssx为矢量的模,φsx为其幅角,且:φc为矢量的幅角,且:r为矢量的模,φ为其幅角,且:将式(5)写成复数形式并展开,等式两边实部和实部相等,虚部与虚部相等,从而有:在上式中消去Ssx,可求得未知量φe为:式中,a=rsinφ,b=rcosφ,c=lccosαc-e。φe有两解,结合图6中φe的相位,可选择其中的某一个φe值为满足C点坐标(x2,y2)要求的解。进一步,将φe值代入式(6),可求得Ssx。在图6中,对机构B0B1D1D0以B0点为原点,为坐标轴x1方向建立直角坐标系x1B0y1,各构件为如图所示的矢量,则有:进一步,有:式中,φ11、φ12和φ13分别为构件11、12和13的幅角,且φ13=φe-α1b+α1,α1b是构件13中之间的夹角,如图6所示,l11、l12、l13和l14分别是构件11、12、13和14的长度,α1为x1轴与垂直方向(x2轴)之间的夹角,且:φ14=0°,将式(9)展开后,得:式中,a=2l11l13sinφ13,b=2l11(l13cosφ13+l14),c=l212-l211-l213-l214-2l13l14cosφ13,φ11即为针床摆动凸轮机构摆动从动件的摆角。在图6的坐标系x1B0y1中,机构C0C2QUD0中各构件为图示的矢量,有矢量方程:进一步,可写成:式中,l23、l25和l27分别是构件23、25和27的长度,φ23和φ25分别为构件23和25的幅角,φ27为机架线矢量的幅角,大小为:将式(13)展开后,可求得:式中：a=-2d2l23，在坐标系x1B0y1中,对机构B0B2C2C0,各构件为图示的矢量,从而有矢量方程:进一步,可写成:式中,l21、l22、l23和l24分别是构件21、22、23和24的长度,φ21、φ22和φ23分别为构件21、22和23的幅角,φ24为机架线矢量的幅角,大小为:式(17)展开后,可求得:式中:a=-2d2l21,φ21即为槽针上下运动凸轮机构摆动从动件的摆角。3.2针芯摆动从动件形状和长度图7所示为针芯机构,其中,A0、B0、C0和D0点与槽针机构中相应点完全相同,连杆机构部分的尺度也是根据机构的传动角和运动范围限制选取。在图7(a)中,过E点作的垂线交于V点,在坐标系x1B0y1中对矢量多边形C0D0UVEC3,有:进一步写成:式中,l33、l35和l37分别是构件33、35和37的长度,φ33和φ35分别为构件33和35的幅角,φ37=φ27同式(14),S为E和Q点在R(Q)U方向的位移,如图7(b)所示,与槽针针尖C和针芯针尖Z之间的位置有如下的关系:将式(21)展开后,可求得:式中:a=-2d2l33,进一步,在坐标系x1B0y1中对矢量多边形B0B3C3C0,有:进一步,可写成:式中:l31、l32、l33和l34分别是构件31、32、33和34的长度,φ31和φ32分别为构件31和32的幅角,φ34=φ24同式(18),将上式展开后,可求得:式中:a=-2d2l31,φ31即为针芯运动凸轮机构摆动从动件的摆角。将2.1~2.3分析得到的槽针针尖的运动轨迹离散化后的坐标值和槽针针尖与针芯针尖之间的相对位移离散化后的值,代入上述分析得到的公式中,可求得针床摆动凸轮、槽针上下