橢圓齒輪曲柄搖桿的引緯機構(gòu)運動學(xué)分析

1、<p>　　橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構(gòu)的運動學(xué)建模與特性分析</p><p>　　陳建能趙 雄徐 賓趙 勻</p><p>　　浙江理工大學(xué)，杭州，310018</p><p>　　摘要：為了分析筆者發(fā)明的橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構(gòu)的運動學(xué)特性，建立了該機構(gòu)的運動學(xué)數(shù)學(xué)模型，編寫了輔助分析軟件，分析了一些重要參數(shù)對該機構(gòu)運動學(xué)特性的影響。得

2、到了一組較佳參數(shù)并進(jìn)行運動分析，并和比利時PICANOL公司生產(chǎn)的GTM劍桿織機的引緯機構(gòu)進(jìn)行比較分析，證明了該機構(gòu)能滿足引緯要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：引緯機構(gòu)；運動學(xué)；橢圓齒輪；曲柄搖桿</p><p>　　中圖分類號：TH112.1文章編號:</p><p>　　Establishment of kinematics models and per

3、formances analysis of elliptic-gear & crank-rocker weft insertion mechanism</p><p>　　Chen Jianneng Zhao XiongXu BinZhao Yun</p><p>　　Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018</p&

4、gt;<p>　　Abstract：In order to analyze the kinematics performances of elliptic-gear & crank-rocker weft insertion mechanism which had been invented by the authors, kinematics mathematical models of the mechanis

5、m were established, and an aided analytic software was compiled. Influences to the kinematics characteristics of the mechanism by some important parameters were analyzed. A group of preferable parameters were obtained an

6、d its kinematics performances were analyzed. Comparisons of kinematics performan</p><p>　　Key words：weft insertion mechanism; kinematics; elliptic-gear; crank-rocker</p><p><b>　　0 引言</b

7、></p><p>　　劍桿引緯機構(gòu)是劍桿織機的五大核心機構(gòu)之一，它將緯紗引入梭口，形成織物所需的紋理，其作用是將織機主軸的勻速旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為劍頭的非勻速有規(guī)律的直線往復(fù)移動[1]。目前劍桿織機常用的典型引緯機構(gòu)主要有：共軛凸輪引緯機構(gòu)，它很容易滿足引緯要求的運動規(guī)律，但是凸輪廓線加工精度要求相當(dāng)高，如存在誤差就產(chǎn)生沖擊，而且共軛安裝麻煩；變螺距螺旋傳動引緯機構(gòu)，該類型機構(gòu)的變螺距螺旋副加工困難，而且對于不

8、同的織幅要求，螺桿不能通用；差動輪系六連桿送緯、四連桿接緯機構(gòu)，可方便實現(xiàn)“接力”引緯，其傳動路線長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采用非分離筘座式結(jié)構(gòu)不利于車速的提高，且引緯運動規(guī)律設(shè)計靈活性不如共軛凸輪引緯機構(gòu)；空間四連桿引緯機構(gòu)，最大筘幅受限制，且其引緯運動規(guī)律設(shè)計靈活性不如平面六連桿送緯、四連桿接緯機構(gòu)。</p><p>　　本文提出一種新型的引緯機構(gòu)[2]，并對該機構(gòu)的運動學(xué)特性進(jìn)行分析。</p><p

9、>　　1 橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構(gòu)</p><p>　　圖1為橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構(gòu)的簡圖及其初始位置。主動橢圓齒輪1裝在織機主軸O上，其旋轉(zhuǎn)中心為橢圓齒輪的一個焦點，安裝角為（兩橢圓齒輪轉(zhuǎn)動中心連線AO與x軸的夾角）、主動橢圓齒輪長軸偏角（角為主動橢圓齒輪長軸與AO連線夾角）。通過橢圓齒輪1和2的傳動，將運動和動力傳到軸A上，A為從動橢圓齒輪2的一個焦點；然后通過曲柄搖桿機構(gòu)ABCD，將運動轉(zhuǎn)化

10、為主動圓柱齒輪Z1的非勻速往復(fù)擺動（曲柄AB與從動橢圓齒輪2固結(jié)，A點為橢圓齒輪2的轉(zhuǎn)動中心，該初始位置（C在AB的延長線）時AB與AD的夾角為β（可由曲柄搖桿的參數(shù)計算）；C點位于圓柱齒輪Zl上的一段圓弧，當(dāng)處于中央交接緯紗的極限位置時（即當(dāng)B處于CA的延長線時）該圓弧的圓心為B點，半徑為連桿BC的長度，這樣調(diào)整C點在圓弧的位置，可以調(diào)整劍頭的動程，但不改變交接緯紗的位置，并通過優(yōu)化角來滿足引緯要求）。然后經(jīng)過圓柱齒輪Z1、Z2和圓錐

11、齒輪Z3、Z4的行程放大（其中圓錐齒輪Z3、Z4還起換向作用，轉(zhuǎn)過90°）；最后通過與從動圓錐齒輪Z4共軸的劍輪3驅(qū)動劍帶4作滿足劍頭運動規(guī)律的非勻速往復(fù)直線運動。通過優(yōu)化橢圓齒輪的偏心率k、、支座AD和水平線</p><p>　　圖1橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構(gòu)及其初始位置</p><p>　　該引緯機構(gòu)利用了橢圓齒輪的加工方便、運動平穩(wěn)的非勻速傳動特性，其簡單可靠，動程調(diào)整方

12、便，能滿足劍桿織機引緯工藝要求；通過參數(shù)匹配，完全可以實現(xiàn)送緯和接緯劍頭的不同運動規(guī)律，實現(xiàn)“接力”引緯，改善交接緯時緯紗張力變化大或緯紗松弛導(dǎo)致交接失誤現(xiàn)象；由于曲柄搖桿的“急回”特性，使劍頭不載緯時（送緯劍頭退劍和接緯劍頭進(jìn)劍）平均速度比載緯時快，減少緯紗平均張力。</p><p>　　2 橢圓齒輪——曲柄搖桿的引緯機構(gòu)運動學(xué)模型的建立</p><p>　　為分析方便，將相關(guān)參數(shù)列于表

13、1。</p><p>　　2.1 從動橢圓齒輪角位移、角速度和角加速度數(shù)學(xué)模型建立[3]</p><p>　　如圖2，O和A分別為橢圓齒輪1和2的一個同相焦點，為橢圓齒輪轉(zhuǎn)動中心。嚙合點P任何時刻都處于OA的連線上，因此兩齒輪在任意位置嚙合時，既不會分離也不會切入，故傳動平穩(wěn)，這是橢圓齒輪實現(xiàn)非勻速傳動的最大優(yōu)點。主動輪1勻速逆時針轉(zhuǎn)動時，從動輪2作順時針變速轉(zhuǎn)動。設(shè)主動輪1轉(zhuǎn)過角，從動輪

14、2轉(zhuǎn)過角，這時兩橢圓瞬心線在、接觸（重合）。經(jīng)推導(dǎo)得：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　(在~之間變化，在0~-2之間變化)</p><p>　　由橢圓齒輪的傳動特性得：</p><p><b&

15、gt;　?。?）</b></p><p><b>　　即（4）</b></p><p>　　由式（1）~（4）可計算從動輪角位移與主動輪角位移的關(guān)系。</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　對(5)式求導(dǎo)得：</b></p&

16、gt;<p><b>　　（6）</b></p><p><b>　　式（6）中：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　2.2搖桿的角位移、角速度和角加速度數(shù)學(xué)模型建立</p><p>　　曲柄與從動橢圓齒輪固接，故曲柄的角速度

17、和角加速度與從動橢圓齒輪一樣，即、。</p><p>　　圖3 曲柄搖桿機構(gòu)及參數(shù)</p><p><b>　　由圖3可列方程：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式（8）中（9）</p><p><b>　?。?0）&

18、lt;/b></p><p><b>　　由（10）得：</b></p><p><b>　　=0</b></p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　在BDC中，根據(jù)余弦定理有：</p><p><b>　?。?1）

19、</b></p><p><b>　?。?2）</b></p><p>　　根據(jù)（11）、（12）兩式可求得和，則和已知。</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　建立速度及加速度方程：</p><p><b>　?。?4）&l

20、t;/b></p><p><b>　　（15）</b></p><p><b>　?。?6）</b></p><p><b>　　（17）</b></p><p><b>　?。?8）</b></p><p><b&g

21、t;　　（19）</b></p><p><b>　?。?0）</b></p><p><b>　　（21）</b></p><p>　　式（20）和（21）中：</p><p>　　2.3 劍頭的位移、速度和加速度數(shù)學(xué)模型的建立</p><p>　　劍頭的運動由

22、搖桿擺動經(jīng)輪系和傳劍輪放大而成，放大系數(shù)為，則在一個運動周期內(nèi)劍頭的位移、速度和加速度為：</p><p><b>　　（22）</b></p><p>　　上式中為初始時刻搖桿的角位移。</p><p><b>　?。?3）</b></p><p><b>　?。?4）</b>

23、;</p><p>　　3 橢圓齒輪——曲柄搖桿的引緯機構(gòu)輔助分析軟件的編寫</p><p>　　利用VB軟件編制了可視化的橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構(gòu)輔助分析軟件，如圖4。該軟件的輸入?yún)?shù)為、k、、主動輪轉(zhuǎn)速n、、、、和。</p><p>　　圖4運動學(xué)輔助分析軟件</p><p>　　軟件界面右邊分布3個圖片框，用來輸出劍桿位移、速度和加

24、速度曲線。對參數(shù)輸入框中參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時，劍桿位移、速度和加速度曲線會得到實時更新。單擊“暫?！卑粹o會在當(dāng)前位置停下，并在圖片框顯示當(dāng)前位置時劍桿的位移、速度和加速度；單擊“進(jìn)”或“退”，可以以步進(jìn)的方式觀察機構(gòu)的位置和劍桿的運動學(xué)參數(shù)；單擊“運動模擬”按鈕會出現(xiàn)機構(gòu)運動的動畫，設(shè)計人員可初步考慮機構(gòu)各構(gòu)件的運動干涉情況。程序運行中會根據(jù)引緯運動要求優(yōu)化出主動輪長軸偏角，并輸出顯示。</p><p>　　4 幾個重

25、要參數(shù)對運動學(xué)特性的影響分析</p><p>　　4.1 四桿機構(gòu)桿長對劍桿最大行程的影響</p><p>　　劍桿最大行程（為運動周期中搖桿的擺角），由四桿機構(gòu)的運動特性知： </p><p><b>　　=arcos</b></p><p><b>　?。璦rcos</b></p>

26、<p>　　從上式中可見，調(diào)節(jié)圖1中C點位置，即變化的長度可有效地調(diào)節(jié)引緯幅寬，從而滿足不同的筘幅要求。圖5為1=150mm、2=400mm、4=400mm，3從550mm變化到650mm時的劍頭最大行程變化曲線。</p><p>　　圖5 調(diào)整對箭頭最大行程影響</p><p>　　可見搖桿長度的改變必然影響到運動曲線的改變，但不能通過單獨改變的來滿足最大行程的要求，應(yīng)與角的

27、優(yōu)化調(diào)整一并實施，才能滿足引緯工藝要求。</p><p>　　4.2 角的計算與選取</p><p>　　在主動橢圓齒輪處于初始位置時，劍頭的位移在整個周期內(nèi)必須最小，因此角為非獨立變量，其值由四桿機構(gòu)尺寸確定，為四桿機構(gòu)兩個極位角之一，取值視引緯機構(gòu)在織機中處于哪一側(cè)而定，來保證引緯劍朝向正確方向運動。</p><p><b>　　=arccos或<

28、;/b></p><p>　　arccos（25）</p><p>　　4.3 角對搖桿轉(zhuǎn)角的影響</p><p>　　是一個重要的參數(shù)，它的選取對引緯曲線至關(guān)重要。一般引緯曲線有三個衡量指標(biāo)：最大動程時間角、進(jìn)劍位移（對應(yīng)主動輪轉(zhuǎn)角75°左右時箭頭的位移）、出劍位移（對應(yīng)主動輪轉(zhuǎn)角285°左右時箭頭的位移）。通常織造工藝要求為175&

29、#176;~190°。因此對應(yīng)的的選取要滿足三點要求：1)當(dāng)主動輪從0°轉(zhuǎn)動到175°~190°時，搖桿完成從最小位置角到最大位置角的運動；2)主動輪轉(zhuǎn)角75°時，劍頭位移在允許的變化范圍內(nèi)；3)主動輪轉(zhuǎn)角285°時，劍頭位移在允許變化范圍內(nèi)。</p><p>　　當(dāng)=時，曲柄搖桿無急回特性，在正行程和反行程中曲柄轉(zhuǎn)角均為180，此時等于即可滿足要求。&

30、lt;/p><p>　　當(dāng)時，的選取要使主動輪轉(zhuǎn)動到175°~190°時，從動輪轉(zhuǎn)角達(dá)到</p><p>　　當(dāng)=0.95，=60mm，=130mm，=340mm，=320mm時，得到圖6的對搖桿轉(zhuǎn)角影響曲線?？梢娫谠?0附近時能滿足織造性能要求，它的取值受四桿長度影響。</p><p>　　圖6 對搖桿轉(zhuǎn)角的影響</p><p&

31、gt;　　4.4 偏心率k對箭頭最大加速度的影響</p><p>　　偏心率k對從動橢圓齒輪的角加速度影響很大，隨著k減小，機構(gòu)的動力學(xué)性能顯著下降。當(dāng)l1=60 mm，=130mm，=340mm，=320mm，=20時，一個周期內(nèi)箭頭最大正加速度、最大負(fù)加速度與k有如圖7所示關(guān)系?？芍猭的取值應(yīng)大于0.85。</p><p>　　圖7 k對引緯加速度影響曲線</p><

32、;p>　　5 與PICANOL公司的GTM劍桿織機比較</p><p>　　利用筆者編制的可視化輔助分析軟件，選定一組較佳參數(shù)：=100mm、k=0.95，=60mm、=130mm、=340mm、=320mm、=20、α=60、=10，在要求筘幅2m、織機轉(zhuǎn)速250轉(zhuǎn)/分時得到劍頭運動規(guī)律如圖8。從圖中可看出新的引緯曲線能很好的滿足劍頭進(jìn)出梭口空動程和時間、總動程和劍頭進(jìn)足時間的要求。劍頭在0°到

33、86°做加速運動，在121°達(dá)到速度達(dá)到正峰值，速度最大值為16.39；之后減速，在234°退劍有速度峰值，最大負(fù)速度值為-15.72。在177°時劍頭進(jìn)足，位移達(dá)到最大值。劍頭最大正加速度282.986m/s2，最大負(fù)加速度值為-619.202m/s2。</p><p>　　圖8 一個周期內(nèi)劍頭的運動學(xué)曲線</p><p>　　圖9給出了比利時PI

34、CANOL公司生產(chǎn)的GTM織機在相同筘幅、相同轉(zhuǎn)速下劍頭運動曲線[1]。如圖劍頭在180°時的位移最大，劍頭進(jìn)入梭口在105°時的速度為最大，退出梭口角255°時的速度也是最大，其值均為24.36，劍頭在起始、終止和進(jìn)足時速度均為零；最大正加速度在65°和295°時，數(shù)值為686.2m/s2，負(fù)加速度在145°~215°保持不變，其值約為-830m/s2左右[1]。&

35、lt;/p><p>　　圖9 GTM織機劍頭運動學(xué)曲線</p><p>　　比較圖8和圖9，在相同筘幅、相同轉(zhuǎn)速下，本引緯機構(gòu)箭頭的加速度極值（包括最大正加速度、最大負(fù)加速度）和劍頭速度比GTM的都有了顯著改善，因此其動力學(xué)特性較好。由于本引緯機構(gòu)劍頭加速度運動曲線和GTM的相似，都類似于等腰梯形，因此在劍頭交接時加速度變化平緩，能很好的實現(xiàn)平穩(wěn)接緯。在進(jìn)劍過程中先作加速后減速，不僅避免了送緯

36、劍夾住的緯紗張力增加過大，還有利于減輕劍頭對邊紗的摩擦[4]。</p><p>　　GTM織機引緯機構(gòu)采用空間連桿和平面雙搖桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其引緯工藝的箭頭進(jìn)退運動是對稱的，沒有跟蹤調(diào)整，不能實現(xiàn)“接力”引緯；同時該類型機構(gòu)受其結(jié)構(gòu)的限制，織機的最大筘幅僅為280cm。而橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構(gòu)結(jié)構(gòu)則可以實現(xiàn)在交接緯紗時有一段接力跟蹤的時間，實現(xiàn)“接力”引緯，改善交接緯時緯紗張力變化大或緯紗松弛導(dǎo)致交接失

37、誤現(xiàn)象；同時最大筘幅可達(dá)400cm以上。</p><p><b>　　6 結(jié)論</b></p><p>　　從以上分析與比較可知，橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構(gòu)不僅傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單，還具有較好的引緯性能，能滿足引緯工藝要求。下一步的工作是建立運動優(yōu)化模型，尋找最佳機構(gòu)參數(shù)，繼續(xù)降低加速度的峰值，提高機構(gòu)在高速織造中的適應(yīng)性和綜合性能（限于篇幅，擬另文發(fā)表）。</

38、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　陳元甫，洪海滄．劍桿織機原理與使用（第二版）[M]．北京：中國紡織出版社，2005：102-123.</p><p>　　浙江理工大學(xué)．橢圓齒輪劍桿織機撓性引緯方法及引緯機構(gòu)：中國，200610050718.7[P]. 2006-05-12.</p><p>　

39、　趙勻著．機構(gòu)數(shù)值分析與綜合[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005：177-181.</p><p>　　鄭智毓，陸宜．TT96型劍桿織機引緯系統(tǒng)的測試分析[J]．紡織學(xué)報，2005，25（4）：73-74.</p><p>　　---------------------------------------------------------------</p><p&