雙路進線電腦襪機成圈機構的建模研究與運動仿真

方 園，劉建邦，王國慶，伍 仲

(1.浙江理工大學材料與紡織學院，浙江 杭州 310018;2.金隆機械制造有限公司，浙江 紹興 312030)

雙路進線電腦襪機成圈機構的建模研究與運動仿真

方 園1，劉建邦1，王國慶2，伍 仲1

(1.浙江理工大學材料與紡織學院，浙江 杭州 310018;2.金隆機械制造有限公司，浙江 紹興 312030)

針對國內現有雙路進線電腦襪機結構設計方法較傳統，缺乏機構動力學分析和仿真研究，存在運動平穩性不高的問題，在對雙路進線電腦襪機成圈機制和關鍵工藝點研究的基礎上，分析了織針和三角瞬時受力狀況，采用SolidWorks三維建模技術創建了雙路進線襪機成圈機構的三維模型，進行了機構動力學研究。運用ANSYS有限元分析技術，對主要成圈機件進行了運動模擬仿真，得到了織針位移、速度、加速度曲線，并根據仿真結果對成圈機件進行了設計優化。結果表明，在成圈編織0.19 s(轉速為300 r/min)時，加速度最大值為0.75×102m/s2，此值比優化設計前有明顯減小，提高了雙路進線電腦襪機的運動平穩性。

雙路進線;電腦襪機;成圈機件;SolidWorks;ANSYS

雙路進線電腦襪機主要用于生產休閑襪、提花襪等產品，該類襪機具有提花功能強，編織性能優，生產效率高等優點，得到了廣泛應用。雙路進線電腦襪機采用先進的機械設計技術，具有兩路可同時成圈的編織系統，結合成圈、集圈復合編織技術［1］，不僅大大提高了編織速度，而且解決了單針筒襪機提花織物浮線過長，影響穿著的難題，提高了襪類產品的檔次和技術附加值，滿足電腦襪機高效、節能、優質的使用要求。由于雙路進線電腦襪機結構設計更為緊湊，與普通單針筒電腦襪機相比，機械結構的設計難度更大，因而在襪機編織速度較高時，織針和三角接觸瞬間易產生劇烈的碰撞運動，不利于雙路進線襪機的高速平穩運行。應用現代機械設計技術和機構彈性動力學分析［2］，能使成圈機件獲得最佳的受力條件，達到提高雙路進線襪機的運動平穩性和延長使用壽命的目的。

本文綜合運用SolidWorks、ANSYS等現代機械設計分析手段，通過成圈機構關鍵工藝點的分析及機構的建模研究、運動仿真，對雙路進線襪機成圈機構進行了優化設計，進一步提升了雙路進線襪機的整機性能。

ANSYS是一款基于有限元技術的仿真軟件［3－4］。將 SolidWorks建模技術和 ANSYS 分析技術相結合，既能實現成圈機構進行三維建模研究，又能對成圈機構運動進行模擬仿真，并在建模、仿真分析的基礎上，達到對雙路進線襪機成圈機構優化設計的目的。

1 雙路進線襪機成圈原理分析

在編織一般織物時，雙路進線電腦襪機同時能兩路進行成圈編織，如圖1所示。此時，S1、S2系統將需要成圈的織針推動上升，完成退圈，在起針刀三角和添紗閘刀三角配合下，S1、S2系統進行成圈編織，織針在左右菱角的作用下彎紗成圈。

圖1 三角實物和走針軌跡Fig.1 Cam's object(a)and needle's movement trail(b)

雙路進線電腦襪機的提花編織與傳統單針筒襪機不同，針對傳統單針筒襪機的單面提花襪存在浮線較長的問題，雙路進線電腦襪機在浮線編織時，可在同一橫列相應的織針上進行集圈編織，此時，S1、S2系統同時參加工作，S1系統編織產生的長浮線，通過S2系統的集圈編織，浮線的中間紗線部分被集圈圈弧所束縛，從而避免橫列中浮線過長的問題，并使織物反面線圈更為平整。編織的織物組織和提花織物效果如圖2所示。

織針和三角是成圈機構的主要機件，襪子的不同組織編織和線圈配置取決于織針和三角不同運動配合。織針和三角的成圈關鍵工藝點位置如圖3所示。成圈編織時，在S1系統中，K-K為針筒筒口線，當織針運行到右菱角正下方時，織針針鉤頂端與筒口線K-K的距離用符號ZK1max表示，ZK1max的大小可根據成圈工藝要求來確定，根據式(1)求出成圈點與筒口線的距離:

式中:S1表示筒口線K-K與成圈點的距離;L1表示織針長度;φ表示針鉤直徑。將各個三角的尺寸參數代入式(1)，可得:

同理在副編織系統(第2路成圈系統)中，筒口線與成圈點的距離S2為

通過雙路進線電腦襪機主、副編織系統成圈原理的分析，可計算得到成圈關鍵工藝點參數，為成圈機件的SolidWorks三維建模提供準確的設計依據。

圖2 浮線編織工藝圖Fig.2 Float knitting process diagram.(a)Fabric structure;(b)Fabric renderings

圖3 雙路進線電腦襪機成圈工藝位置Fig.3 Dual line hosiery machine's knitting processing positions

2 織針與三角的受力分析

織針在三角針道中的運動速度較高，當織針與三角接觸瞬間會產生碰撞現象，織針受力沿三角斜面上升，此時織針針踵與三角會產生很大的沖擊力［6－7］。要使織針保持平穩運行，需要研究織針與三角的動態受力狀況。圖4示出織針與三角的受力示意圖。

織針的慣性力表達式為

縱向力學平衡方程為

水平力學平衡方程為

圖4 織針與三角受力示意圖Fig.4 Needle and cam's force conditions

力矩平衡方程為

即

將上式代入式(2)可得

式中，H為紗線張力、針槽潤滑油黏性阻力、針的重力、針槽夾緊力(Fd)的總和，看做一個常數。

假設此時針筒轉過vt，織針位移為y，則

式中，δ為織針位移偏距。

織針位移偏距和織針與針槽間隙關系如下:

式中:K為比例系數;Δ為針槽與織針的間隙。

將式(6)代入(5)可得

將δ代入整理為微分方程，可得

所求得微分方程的解為

式中:Fd為織針所受到的縱向作用力;S為織針受到針槽壁的作用力;Rk為織針受到針槽下部的橫向作用力;a、b分別為R和S的力矩臂;δ為織針位移偏距;μ1、μ2為摩擦因數;θ為三角傾斜角度;α =2a/b－1。

R值的大小反映了三角對織針作用力的強弱，式(9)表示三角對織針作用力的大小和各個影響因素之間的關系，當R值越大時，織針受力越大，織針與三角的沖擊越強烈，襪機穩定性就越差。

通過織針與三角的靜態受力分析可以對襪機機械結構進行改進設計，提高襪機運動平穩性;但由于是靜力學分析，不能夠完全反映織針與三角的真實受力狀況，因此必須通過建模和仿真研究才能真正實現成圈機構的優化設計。

3 成圈機件的建模與仿真研究

利用SolidWorks和ANSYS軟件分析技術相結合，將SolidWorks建模結果導入ANSYS系統，可以實現成圈機構的建模與仿真研究，并根據仿真研究結果能真實反映織針與三角的實際受力情況，以此對成圈機件進行優化設計。

3.1 成圈機件SolidWorks建模

SolidWorks建模技術分為平面草圖建模技術和工程圖建模技術，本文采用工程圖建模技術，根據雙路進線電腦襪機成圈機構的結構特征和參數，分別對三角、選針器、選針片、導針片以及織針進行三維實體建模，在SolidWorks的裝配環境下完成成圈機件部件的組裝，并得到成圈機件三維模型，如圖5所示。

3.2 成圈機件運動仿真

雙路進線電腦襪機成圈機件之間的受力分析是非線性動力學問題，對成圈機構進行三維建模后，可利用有限元分析技術實現機構彈性動力學分析和仿真研究［7－8］，ANSYS有限元求解和仿真過程如圖6所示。

圖5 成圈機件三維實體模型Fig.5 3-D structure of knitting elements

圖6 ANSYS運動仿真步驟圖Fig.6 Step figures of ANSYS motion simulation

前處理是通過SolidWorks完成各零件的特征化建模，后處理使用ANSYS的GUI把IGES格式的三維模型導入到ANSYS/LS-DYNA系統中求解，并對其進行網格化處理，求解時需要把網格化的模型以Jobname.k文件形式導出，對k文件進行相應修改，再把修改好的k文件導入LS-DYNA970求解器求解，設定機器轉速為300 r/min，求解可得到仿真結果［9］。通過LS-PREPOST輸出雙路進線電腦襪機織針運動仿真曲線，如圖7所示。

圖7 運動仿真結果Fig.7 Results of motion simulation.(a)Needle's displacement;(b)Needle's velocity;(c)Needle's acceleration

從圖7(b)中可發現，由于織針在三角針道中依次和各三角發生碰撞，從而使織針速度在不同時刻產生一定的變化。從圖7(c)可看出織針加速度始終以0為軸線進行上下振蕩變化，這是由于織針和各三角以及導針片反復碰撞的結果。

LS-DYNA970仿真求解時，設定織針速度為1.2 m/s，已知各三角角度為θ，可根據織針與三角的受力分析計算織針理論速度值，同時通過仿真求解得到織針真實運動參數，二者對比見表1。

表1 織針速度理論值與仿真結果對比表Tab.1 Comparison of needle's theoretical speed and stimulated speed

4 成圈機件的設計與優化

由ANSYS/LS-DYNA系統輸出的仿真結果可知，成圈過程中織針的加速度呈現不斷的變化，當針筒轉過 345°時，加速度達到最大值為 1.0×102m/s2，表明此時三角對織針有較大的沖擊，因此有必要對主要成圈機件進行相應的設計優化，減小織針與三角的沖擊力，提高成圈機構的運動穩定性。本文著重對主要成圈機件織針和三角進行優化設計。

4.1 織針的優化設計

織針與三角作用力作用于織針針踵，圖8示出織針與三角作用力示意圖。

圖8 強度校核Fig.8 Strength check.(a)Contact analysis;(b)Contact point position

考慮到針踵與三角碰撞的運動極限情況，本文以織針受到最大作用力的情況進行分析。假設針踵與三角的接觸點為P，接觸角為θ，根據彈性動力學原理可求得針踵受到的最大應力σmax，表達式為

式中:Enp表示相當彈性模數，Enp=;ρnp表示綜合曲率半徑，ρnp=

在P點處，它的切線應力的最大值為

根據式(10)、(11)可知，當 ρnp增大時，σmax和ζmax減小，因此可以在三角和織針針踵的接觸面上構造一個內接圓弧，從而達到增大ρnp的目的，這樣既可減小三角對針踵的沖擊力，也可減小三角對織針針踵的摩擦損耗。

4.2 三角的優化設計

由于雙路進線電腦襪機三角采用的是傳統的直線-圓弧三角，容易造成織針受力過大，襪機運動平穩性變差，襪機速度受到限制;為此，可采用三角運動曲線的優化來改善織針受力。本文擬采用直線B樣條曲線對三角曲線進行優化設計，B樣條曲線的方程定義為

式中:Pi(i=0，1，…，n)為曲線控制頂點;Ni，k(t)(i=0，1，…，n)為 k階(k－1)次 B 樣條基函數。

根據織針在三角軌道中的位移值可得到數據點xi(i=0，1，2，…，n)，這些數據點一般是不均勻的，必須進行參數化，可以采用弦長參數化，即:

然后將這些參數化結果加以運算:

則［t0，tn］=［0，1］，此時非均勻樣條曲線可以寫成:

式中:i為第i段曲線;Pi為控制點。

式中:(t－x)n+是截斷冪函數，將工藝點參數化后，可得到B樣條曲線的表達式:

式中:u是參數且 u∈［0，1］;i是第 i段曲線，i=0，1，2，…，n －3;Pi為第 i個控制點。

得到控制點 V0，V1，V2，V3，……后，將各控制點代入B樣條基函數，得到B樣條曲線的端點P0，P1，P2，P3……，連接各端點可得B樣條曲線，圖9示出選取4個工藝點時B樣條曲線的示意圖。

圖9 襪機三角B樣條曲線的設計優化Fig.9 B-spline curve design optimization of hosiery machine

當采用直線-圓弧三角時，如圖10所示，設織針與三角的接觸點為M，在三角角度為53°，織針正常編織的水平速度為1.2 m/s時，可得

式中:ν1為織針縱向速度;σ為織針受到的沖擊應力;ρ為織針的密度;c為應力波傳播速度。

圖10 襪機三角曲線設計優化示意圖Fig.10 Curve design optimization of hosiery machine's cam

用B樣條曲線的方法對直線-圓弧三角進行改進得到MN段曲線，取代原來的折線，使三角傾斜角減小，從而有效減小了織針針踵對三角碰撞的沖擊力，此時織針的縱向速度和沖擊應力為

通過對直線-圓弧三角的優化設計，可使織針的沖擊應力明顯下降，使織針和三角的動力學性能得到明顯提升，減小了織針和三角的磨損，成圈機件運行更加平穩，噪聲更小，襪機穩定性和可靠性得到提升。

5 實驗和結果分析

5.1 實驗儀器與實驗方法

使用美國Cooke公司的Pro.1200s高速攝影儀測試成圈運動曲線，采用MatLab7.5軟件進行圖形處理，繪制得到織針位移、速度、加速度曲線［10］。拍攝時襪機無紗線喂入，通過MatLab7.5圖像擬合處理可以得到織針的各運動參數，測試實驗裝置如圖11所示。

圖11 測試實驗裝置Fig.11 Test experimental device

5.2 實驗數據與結果分析

測試時，設定雙路進線襪機的機速為1.2 m/s，將拍攝頻率設置在2000 fps。經高速攝影實驗得到織針成圈過程位移參數，將參數記錄在Excel表格中，并以M文件的形式導入MatLab7.5，結合ployfit擬合函數和函數微分得到織針各運動曲線，如圖12所示。對比圖7、12發現，通過ANSYS系統得到的仿真運動曲線和高速攝影得到的實際位移曲線變化規律相同，得到的各個參數十分相似，精度誤差約為5%，驗證了仿真研究的分析結果。結果表明，在成圈編織進行到0.19 s(機器轉速為300 r/min)時，加速度達到最大值為0.75×102m/s2。

6 結論

1)雙路進線電腦襪機有2個成圈編織系統，編織平針織物時，襪機編織效率提高近1倍;當提花組合編織時，可主系統進行提花編織，副系統同時進行集圈編織，不僅解決了提花組織浮線過長影響穿著的難題，還提高了編織效率和產品檔次。

2)基于SolidWorks建模技術和成圈機件關鍵工藝點的分析，實現了雙路進線襪機成圈機件三維建模分析;并結合ANSYS有限元分析技術，實現了成圈機件的運動仿真，為雙路進線電腦襪機成圈機構的優化提供了理論分析的方法。

圖12 運動擬合曲線圖Fig.12 Motion fitting curves.(a)Needle's displacement curve;(b)Needle's velocity curve;(c)Needle's acceleration curve

3)經成圈機構的建模研究與運動仿真，對雙路進線襪機成圈主要成圈機件進行了優化設計，明顯改進了雙路進線襪機的平穩性，提升了整機性能。高速攝像實驗結果表明:當成圈編織0.19 s(機器轉速為 300 r/min)時，加速度最大值為 0.75×102m/s2，此值比優化前有明顯減小。

4)高速攝影實驗所得的實際運動曲線與ANSYS系統仿真所得的運動曲線基本一致，驗證了仿真研究結果的正確性。

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Modeling and motion simulation of dual line computerized hosiery machine's knitting element

FANG Yuan1，LIU Jianbang1，WANG Guoqing2，WU Zhong1
(1.College of Textiles and Materials，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China;2.Jinlong Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Shaoxing，Zhejiang 312030，China)

The design methods of domestic dual input computerized hosiery machine was conventional.It was not only lack of appropriate analysis and simulation research for institutional dynamics，but also its stability needed to be improved.The instantaneous force status of needle and cams was analyzed based on the dual input computerized hosiery machine's knitting theory and key process points.3-D model of knitting element was created with Solid Works 3-D modeling technology，and then the research of mechanics dynamics was conducted.ANSYS finite-element analysis technology was employed to simulate the movement of main knitting element.The curve of needle's displacement，velocity and acceleration were acquired by the above analyses.According to the simulation parameters of needle's movement，the knitting element was optimized.The results reveal that acceleration reaches a maximum of 0.75 ×102m/s2when knitting time is 0.19 s.In comparison with the value before design optimization of knitting element，it reduces significantly，and the smoothness of dual input computerized hosiery machine improves.

dual line;computerized hosiery machine;knitting element;SolidWorks;ANSYS

TS 183.5

A

10.13475/j.fzxb.20140302408

2014－03－11

2015－02－09

浙江理工大學產學研合作項目(13010263-J(2013年))

方園(1958—)，男，教授，碩士。主要研究方向為針織機械。E-mail:fyuan123@126.com。

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