電腦針織橫機(jī)作為一種高科技機(jī)電一體化產(chǎn)品，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)毛衫生產(chǎn)的自動(dòng)化控制，還可極大程度地提高毛衫產(chǎn)品的檔次與技術(shù)附加值。

    成圈機(jī)構(gòu)是電腦橫機(jī)最重要的機(jī)構(gòu)之一，它應(yīng)用了高精度選針技術(shù)、三功位編織技術(shù)以及伺服控制技術(shù)，在高速編織時(shí)其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此，如何減少運(yùn)動(dòng)沖擊，提高編織速度和穩(wěn)定性等問(wèn)題成為成圈機(jī)件的動(dòng)力學(xué)研究重點(diǎn)。由于成圈機(jī)件之間的運(yùn)動(dòng)屬于復(fù)雜的非線性問(wèn)題，采用一般的圖解法和解析法很難解決此類問(wèn)題，且設(shè)計(jì)耗時(shí)多，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本高，制約了電腦橫機(jī)技術(shù)水平的提高。本文通過(guò)對(duì)電腦橫機(jī)成圈機(jī)構(gòu)和原理深入分析，運(yùn)用NX/Motion分析技術(shù)對(duì)電腦橫機(jī)成圈機(jī)構(gòu)進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，探尋電腦橫機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，以提高其整機(jī)性能。

1 成圈機(jī)構(gòu)組成及成圈工藝分析

    1.1 成圈機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)組成

    電腦橫機(jī)主要由喂紗機(jī)構(gòu)、成圈機(jī)構(gòu)、針床橫移機(jī)構(gòu)、牽拉機(jī)構(gòu)、密度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成。電腦橫機(jī)成圈機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 成圈三角系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    機(jī)頭前后各有2個(gè)三角系統(tǒng)，每個(gè)成圈三角系統(tǒng)都可以單獨(dú)成圈。成圈三角系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中帶陰影部分的三角為活絡(luò)三角，它們由程序進(jìn)行自動(dòng)控制，其他均為固定三角。

    1.2 成圈機(jī)構(gòu)的成圈工藝

    成圈機(jī)構(gòu)是電腦橫機(jī)的關(guān)鍵編織機(jī)構(gòu)，采用電子控制技術(shù)對(duì)導(dǎo)針片進(jìn)行選針，從而控制織針運(yùn)動(dòng)。織針通過(guò)選針上升到不同編織高度，在各三角的精密配合下進(jìn)行各種編織。電腦橫機(jī)成圈工藝包括：起針→退圈→墊紗→套圈→彎紗→脫圈→成圈，走針軌跡和關(guān)鍵工藝點(diǎn)見(jiàn)圖2。

圖2 電腦橫機(jī)成圈關(guān)鍵工藝點(diǎn)

    以筒口線（圖2中K-K線）為基準(zhǔn)，根據(jù)織針尺寸參數(shù)和電腦橫機(jī)的工藝要求，可計(jì)算得到主要工藝點(diǎn)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 電腦橫機(jī)主要工藝點(diǎn)參數(shù)

2 成圈機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

    根據(jù)織針的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，可以把針桿看成1個(gè)等截面均勻的直桿，如圖3所示。假設(shè)針桿長(zhǎng)為l，它的兩端y=0和y=l處經(jīng)受某種方式的約束，考慮圖3所示的織針針釬為等截面均勻直桿，應(yīng)力是均勻分布的，應(yīng)力波沿針釬縱向進(jìn)行均勻傳遞，圖中A-A、B-B為任意截面的2個(gè)截面，截面所受到的應(yīng)力為

    式中A為針桿的截面積。

圖3 等截面均勻的理想直桿

    假定：1）變形前的平截面在變形過(guò)程中始終保持平面；2）除了沿截面上恒為均勻分布的軸向應(yīng)力σy外，其它應(yīng)力分量均為0。

    在這些假定下，簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)方程得到針桿的動(dòng)力學(xué)平衡方程

    式中：Y為y方向的剛體力；Uy為針桿的軸向位移；p為針桿的材料密度。式(1)可從圖3中考慮微元段的動(dòng)量守恒，得到運(yùn)動(dòng)方程。軸向應(yīng)力σy=Py/A（Py為針桿的軸向力）。引用胡克定律：

    式中：ε為軸向應(yīng)變：E為彈性模量。則式(2)變?yōu)?/p>

    式中：

    通常稱其為針桿的波速。在剛體力為常數(shù)pQ的情況下，得到縱向自由振動(dòng)的控制方程式

    定義其通解的形式為：Uy=Y(y)T(t)。此處Y(y)稱為主函數(shù)或正規(guī)函數(shù)，它定義了振動(dòng)的模態(tài)，代入式(4)得

    式中k為某一常數(shù)。式(5)的解為：

    式(6)中的常數(shù)A和B與初始條件相關(guān)，C和D由針桿端的約束條件確定。假定兩端邊界條件為：

    若初始條件為Uy(y，0)=φ(y)，Uy(l)(y，0)=φl(y)，則得到針桿的縱向振動(dòng)方程：

    式中，

    通過(guò)針桿的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，可知織針在振動(dòng)過(guò)程中遵循一種非線性多變量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)給成圈機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)求解帶來(lái)很大困難，需要尋找一種更為高效便捷的模型求解方法，以實(shí)現(xiàn)成圈機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 成圈機(jī)構(gòu)NX/Motion建模仿真

    3.1 成圈機(jī)構(gòu)的NX建模

    NX軟件是一套集CAD/CAM/CAE技術(shù)于一體的計(jì)算機(jī)輔助軟件。NX CAD/CAM/CAE系統(tǒng)提供了一個(gè)基于過(guò)程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從建模、裝配、仿真到加工真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成，從而優(yōu)化了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。

    因此，針對(duì)電腦橫機(jī)成圈機(jī)構(gòu)的建模，本文采用NX軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、裝配和仿真。圖4示出成圈機(jī)構(gòu)仿真實(shí)體模型。

圖4 成圈機(jī)構(gòu)仿真實(shí)體模型

    3.2 NX/Motion仿真

    在進(jìn)行成圈機(jī)構(gòu)編織過(guò)程仿真分析時(shí)，NX/Motion直接在NX內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，可對(duì)任何二維或三維的機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力分析、有限元分析和設(shè)計(jì)仿真，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行大量的裝配分析和運(yùn)動(dòng)合理性分析工作，如干涉檢查、軌跡包絡(luò)等。允許同時(shí)控制最多5個(gè)運(yùn)動(dòng)副，可以分析反作用力，系統(tǒng)的位移、速度和加速度，反作用力可以輸入到FEA中，它是一個(gè)綜合的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)元素庫(kù)，可設(shè)置運(yùn)動(dòng)副、載荷力和定義三角的輪廓。NX/Motion嵌入了機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)公司的ADAMS/Kinematics解算器，它可作為ADAMS/Solver的完全動(dòng)力學(xué)解算器，實(shí)現(xiàn)輸入文件的創(chuàng)建。

    3.3 成圈編織仿真過(guò)程分析

    由于前后針床成圈運(yùn)動(dòng)情況相同，左右2個(gè)機(jī)頭系統(tǒng)同時(shí)成圈，所以本文只分析單個(gè)系統(tǒng)的成圈過(guò)程，設(shè)定上述的結(jié)構(gòu)參數(shù)，成圈仿真過(guò)程如圖5所示。

圖5 成圈仿真過(guò)程圖

    用Markers功能按鈕選擇挺針片下針踵模型上與三角接觸的節(jié)點(diǎn)，再用trace跟蹤功能繪制節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化的位移、速度、加速度曲線，所得曲線即為成圈時(shí)挺針片和織針在y方向上的位移、速度、加速度變化曲線，如圖6所示。

    舌針的位移變化曲線如圖6(a)所示，水平軸為時(shí)間，圖中所示位移最高點(diǎn)和起針最高點(diǎn)分別為22.35mm和12.49mm，與理論設(shè)計(jì)值基本相符，圖中的軌跡顯示導(dǎo)針片的運(yùn)動(dòng)軌跡，表明挺針片片踵在三角作用下嚴(yán)格按照三角預(yù)定的軌道運(yùn)行。當(dāng)機(jī)頭三角運(yùn)行速度為1.2m/s時(shí)，針踵垂直方向上的速度、加速度變化見(jiàn)圖6(b)、(c)。挺針片先與起針三角作用，從而引起速度的較大變動(dòng)，加速度也相應(yīng)地產(chǎn)生很大變動(dòng)，由于挺針片始終受到針槽阻力作用，做減速運(yùn)動(dòng)，逐漸進(jìn)入平穩(wěn)區(qū)，加速度也逐漸趨于0。由于織針針踵貼附在三角表面滑行，三角表面的光滑度不一樣，所以速度在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，圖6(b)、(c)中0.002～0.010s時(shí)間段的速度和加速度變化曲線很清楚地表明這點(diǎn)。設(shè)機(jī)頭的最大速度為1.2m/s，起針三角角度為53°，理論上導(dǎo)針片在縱向的速度為vtanθ=1.6m/s，圖6(b)曲線所示的速度值與理論分析值基本相符。

    隨著機(jī)頭的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)針片片踵運(yùn)動(dòng)至起針三角最高點(diǎn)，之后由于挺針片在針槽中達(dá)到受力平衡，垂直方向上速度減為0，加速度也相應(yīng)的趨于0，導(dǎo)針片與挺針三角相碰撞。由圖可知，碰撞瞬間導(dǎo)針片受到挺針三角沖擊力的大小不低于第1次與起針三角的沖擊力。由于三角為直線三角，針踵在起針點(diǎn)碰撞三角，沖擊力必然較大，而挺針三角是以圓弧面起始的，接觸碰撞時(shí)，三角對(duì)針踵的沖擊力與起針時(shí)差不多，說(shuō)明挺針三角過(guò)渡段的圓弧設(shè)計(jì)不夠合理，產(chǎn)生了較大的沖擊力，影響了機(jī)器高速運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性與可靠性。導(dǎo)針片繼續(xù)沿著挺針三角上升，垂直方向上的速度、加速度逐漸趨于穩(wěn)定。

    當(dāng)挺針片沿著三角針道繼續(xù)運(yùn)行，接著與彎紗三角相碰撞，如圖6(b)、(c)所示，接觸瞬間速度、加速度明顯改變，說(shuō)明存在較大的沖擊力，然后又慢慢進(jìn)入平穩(wěn)區(qū)。其他階段的沖擊基本合理，針踵與其他三角沖擊瞬間達(dá)到的速度和貼附在三角表面運(yùn)動(dòng)的速度基本符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖6 織針y方向運(yùn)動(dòng)變化曲線

    3.4 織針最大受力分析

    上述模型分析初速度定義時(shí)，成圈模型取機(jī)頭在X方向上速度為1.2m/s。由織針加速度變化曲線可知機(jī)頭在不同速度條件下，三角對(duì)針踵的沖擊力不同。所以在機(jī)頭速度為0.2～1.2m/s時(shí)，得到垂直方向?qū)п樒�針踵最大受力情況，見(jiàn)圖7所示。

圖7 不同速度條件下針踵垂直方向最大受力

    從圖中可看出，當(dāng)機(jī)速處于0.2m/s至1.0m/s時(shí)，針踵垂直方向上的最大受力呈緩慢的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。但當(dāng)機(jī)速大于1.0m/s時(shí)，針踵垂直方向上的最大沖擊力值有很大變化，因此，針踵與三角間的沖擊力大小成為制約機(jī)速提高的關(guān)鍵因素。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

    通過(guò)采用高速攝影的實(shí)驗(yàn)方法，記錄下電腦橫機(jī)成圈機(jī)件在編織過(guò)程中的實(shí)際位移情況，可以獲取導(dǎo)針片與織針的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以驗(yàn)證NX/Motion的電腦橫機(jī)成圈機(jī)構(gòu)建模與仿真研究的正確性。

    實(shí)驗(yàn)儀器選用日本PHOTRON公司的SUPER 100K型高速攝影機(jī)。高速攝影過(guò)程中，機(jī)頭處于無(wú)編織往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖8所示。

圖8  電腦橫機(jī)織針動(dòng)態(tài)高速攝像

    將圖像處理后得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MatLab中，通過(guò)MatLab的Ployfit函數(shù)曲線擬合得到成圈機(jī)件的各運(yùn)動(dòng)曲線，如圖9所示。

    圖9示出實(shí)驗(yàn)得出的成圈運(yùn)動(dòng)位移曲線擬合圖，從圖中可以看出織針最大位移發(fā)生在0.038s處，為0.0226m。其位移、速度以及加速度變化規(guī)律與NX運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果基本一致，說(shuō)明NX/Motion的分析結(jié)果是準(zhǔn)確的，可采用NX/Motion仿真分析軟件進(jìn)行電腦橫機(jī)成圈機(jī)構(gòu)各部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

圖9 成圈運(yùn)動(dòng)曲線擬合結(jié)果

5 結(jié)論

    1)根據(jù)電腦橫機(jī)成圈機(jī)構(gòu)的工藝研究，運(yùn)用彈性動(dòng)力學(xué)分析成圈機(jī)件之間的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)，得到三角對(duì)導(dǎo)針片垂直方向上的沖擊力Pv隨時(shí)間t的變化方程，Pv值的大小表明了織針沿三角運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

    2)運(yùn)用NX/Motion的分析軟件模擬成圈機(jī)構(gòu)三角與導(dǎo)針片的瞬態(tài)受力狀況，得出成圈過(guò)程中導(dǎo)針片的位移、速度以及加速度的變化曲線。

3)由NX/Motion的分析結(jié)果得到織針最大位移為37.14mm，發(fā)生在0.039s處，由速度、加速度曲線得出，起始階段的瞬態(tài)沖擊力較大，隨后趨于穩(wěn)定，第2次瞬態(tài)受力發(fā)生在0.025s處，然后逐漸趨于穩(wěn)定。

4)通過(guò)高速攝像實(shí)驗(yàn)得出織針成圈過(guò)程中位移、速度以及加速度變化曲線，與NX/Motion分析的導(dǎo)針片位移、速度以及加速度變化曲線一致，驗(yàn)證了NX/Motion分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為電腦橫機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論分析方法。

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