电脑针织横机作为一种高科技机电一体化产品，不仅能够实现毛衫生产的自动化控制，还可极大程度地提高毛衫产品的档次与技术附加值。
成圈机构是电脑横机最重要的机构之一，它应用了高精度选针技术、三功位编织技术以及伺服控制技术，在高速编织时其运动的稳定性至关重要，因此，如何减少运动冲击，提高编织速度和稳定性等问题成为成圈机件的动力学研究重点。由于成圈机件之间的运动属于复杂的非线性问题，采用一般的图解法和解析法很难解决此类问题，且设计耗时多，开发周期长，成本高，制约了电脑横机技术水平的提高。本文通过对电脑横机成圈机构和原理深入分析，运用NX/Motion分析技术对电脑横机成圈机构进行了瞬态动力学分析，探寻电脑横机的机构设计与优化方法，以提高其整机性能。
1 成圈机构组成及成圈工艺分析
1.1 成圈机构的系统组成
电脑横机主要由喂纱机构、成圈机构、针床横移机构、牵拉机构、密度调节机构、传动机构、控制系统等组成。电脑横机成圈机构的结构如图1所示。
图1 成圈三角系统结构
机头前后各有2个三角系统，每个成圈三角系统都可以单独成圈。成圈三角系统结构如图1所示。图中带阴影部分的三角为活络三角，它们由程序进行自动控制，其他均为固定三角。
1.2 成圈机构的成圈工艺
成圈机构是电脑横机的关键编织机构，采用电子控制技术对导针片进行选针，从而控制织针运动。织针通过选针上升到不同编织高度，在各三角的精密配合下进行各种编织。电脑横机成圈工艺包括：起针→退圈→垫纱→套圈→弯纱→脱圈→成圈，走针轨迹和关键工艺点见图2。
图2 电脑横机成圈关键工艺点
以筒口线（图2中K-K线）为基准，根据织针尺寸参数和电脑横机的工艺要求，可计算得到主要工艺点参数，见表1。
表1 电脑横机主要工艺点参数
2 成圈机构的瞬态动力学分析
根据织针的运动性质，可以把针杆看成1个等截面均匀的直杆，如图3所示。假设针杆长为l，它的两端y=0和y=l处经受某种方式的约束，考虑图3所示的织针针钎为等截面均匀直杆，应力是均匀分布的，应力波沿针钎纵向进行均匀传递，图中A-A、B-B为任意截面的2个截面，截面所受到的应力为
式中A为针杆的截面积。
图3 等截面均匀的理想直杆
假定：1）变形前的平截面在变形过程中始终保持平面；2）除了沿截面上恒为均匀分布的轴向应力σy外，其它应力分量均为0。
在这些假定下，简化运动方程得到针杆的动力学平衡方程
式中：Y为y方向的刚体力；Uy为针杆的轴向位移；p为针杆的材料密度。式(1)可从图3中考虑微元段的动量守恒，得到运动方程。轴向应力σy=Py/A（Py为针杆的轴向力）。引用胡克定律：
式中：ε为轴向应变：E为弹性模量。则式(2)变为
式中：
通常称其为针杆的波速。在刚体力为常数pQ的情况下，得到纵向自由振动的控制方程式
定义其通解的形式为：Uy=Y(y)T(t)。此处Y(y)称为主函数或正规函数，它定义了振动的模态，代入式(4)得
式中k为某一常数。式(5)的解为：
式(6)中的常数A和B与初始条件相关，C和D由针杆端的约束条件确定。假定两端边界条件为：
若初始条件为Uy(y，0)=φ(y)，Uy(l)(y，0)=φl(y)，则得到针杆的纵向振动方程：
式中，
通过针杆的瞬态动力学分析，可知织针在振动过程中遵循一种非线性多变量的运动规律。这种运动规律会给成圈机构的动力学求解带来很大困难，需要寻找一种更为高效便捷的模型求解方法，以实现成圈机构的优化设计。
3 成圈机构NX/Motion建模仿真
3.1 成圈机构的NX建模
NX软件是一套集CAD/CAM/CAE技术于一体的计算机辅助软件。NX CAD/CAM/CAE系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从建模、装配、仿真到加工真正实现数据的无缝集成，从而优化了产品的设计与制造。
因此，针对电脑横机成圈机构的建模，本文采用NX软件进行设计、装配和仿真。图4示出成圈机构仿真实体模型。
图4 成圈机构仿真实体模型
3.2 NX/Motion仿真
在进行成圈机构编织过程仿真分析时，NX/Motion直接在NX内进行运动模拟，可对任何二维或三维的机构进行复杂的运动学/动力分析、有限元分析和设计仿真，对运动机构进行大量的装配分析和运动合理性分析工作，如干涉检查、轨迹包络等。允许同时控制最多5个运动副，可以分析反作用力，系统的位移、速度和加速度，反作用力可以输入到FEA中，它是一个综合的机构运动元素库，可设置运动副、载荷力和定义三角的轮廓。NX/Motion嵌入了机构动力学公司的ADAMS/Kinematics解算器，它可作为ADAMS/Solver的完全动力学解算器，实现输入文件的创建。
3.3 成圈编织仿真过程分析
由于前后针床成圈运动情况相同，左右2个机头系统同时成圈，所以本文只分析单个系统的成圈过程，设定上述的结构参数，成圈仿真过程如图5所示。
图5 成圈仿真过程图
用Markers功能按钮选择挺针片下针踵模型上与三角接触的节点，再用trace跟踪功能绘制节点随时间变化的位移、速度、加速度曲线，所得曲线即为成圈时挺针片和织针在y方向上的位移、速度、加速度变化曲线，如图6所示。
舌针的位移变化曲线如图6(a)所示，水平轴为时间，图中所示位移最高点和起针最高点分别为22.35mm和12.49mm，与理论设计值基本相符，图中的轨迹显示导针片的运动轨迹，表明挺针片片踵在三角作用下严格按照三角预定的轨道运行。当机头三角运行速度为1.2m/s时，针踵垂直方向上的速度、加速度变化见图6(b)、(c)。挺针片先与起针三角作用，从而引起速度的较大变动，加速度也相应地产生很大变动，由于挺针片始终受到针槽阻力作用，做减速运动，逐渐进入平稳区，加速度也逐渐趋于0。由于织针针踵贴附在三角表面滑行，三角表面的光滑度不一样，所以速度在很小的范围内波动，图6(b)、(c)中0.002～0.010s时间段的速度和加速度变化曲线很清楚地表明这点。设机头的最大速度为1.2m/s，起针三角角度为53°，理论上导针片在纵向的速度为vtanθ=1.6m/s，图6(b)曲线所示的速度值与理论分析值基本相符。
随着机头的继续运动，导针片片踵运动至起针三角最高点，之后由于挺针片在针槽中达到受力平衡，垂直方向上速度减为0，加速度也相应的趋于0，导针片与挺针三角相碰撞。由图可知，碰撞瞬间导针片受到挺针三角冲击力的大小不低于第1次与起针三角的冲击力。由于三角为直线三角，针踵在起针点碰撞三角，冲击力必然较大，而挺针三角是以圆弧面起始的，接触碰撞时，三角对针踵的冲击力与起针时差不多，说明挺针三角过渡段的圆弧设计不够合理，产生了较大的冲击力，影响了机器高速运动的稳定性与可靠性。导针片继续沿着挺针三角上升，垂直方向上的速度、加速度逐渐趋于稳定。
当挺针片沿着三角针道继续运行，接着与弯纱三角相碰撞，如图6(b)、(c)所示，接触瞬间速度、加速度明显改变，说明存在较大的冲击力，然后又慢慢进入平稳区。其他阶段的冲击基本合理，针踵与其他三角冲击瞬间达到的速度和贴附在三角表面运动的速度基本符合运动规律。
图6 织针y方向运动变化曲线
3.4 织针最大受力分析
上述模型分析初速度定义时，成圈模型取机头在X方向上速度为1.2m/s。由织针加速度变化曲线可知机头在不同速度条件下，三角对针踵的冲击力不同。所以在机头速度为0.2～1.2m/s时，得到垂直方向导针片针踵最大受力情况，见图7所示。
图7 不同速度条件下针踵垂直方向最大受力
从图中可看出，当机速处于0.2m/s至1.0m/s时，针踵垂直方向上的最大受力呈缓慢的线性增长趋势。但当机速大于1.0m/s时，针踵垂直方向上的最大冲击力值有很大变化，因此，针踵与三角间的冲击力大小成为制约机速提高的关键因素。
4 实验过程与结果分析
通过采用高速摄影的实验方法，记录下电脑横机成圈机件在编织过程中的实际位移情况，可以获取导针片与织针的运动参数，以验证NX/Motion的电脑横机成圈机构建模与仿真研究的正确性。
实验仪器选用日本PHOTRON公司的SUPER 100K型高速摄影机。高速摄影过程中，机头处于无编织往复运动状态，实验过程如图8所示。
图8 电脑横机织针动态高速摄像
将图像处理后得到的实验数据导入MatLab中，通过MatLab的Ployfit函数曲线拟合得到成圈机件的各运动曲线，如图9所示。
图9示出实验得出的成圈运动位移曲线拟合图，从图中可以看出织针最大位移发生在0.038s处，为0.0226m。其位移、速度以及加速度变化规律与NX运动仿真结果基本一致，说明NX/Motion的分析结果是准确的，可采用NX/Motion仿真分析软件进行电脑横机成圈机构各部件的设计与优化。
图9 成圈运动曲线拟合结果
5 结论
1)根据电脑横机成圈机构的工艺研究，运用弹性动力学分析成圈机件之间的瞬态运动，得到三角对导针片垂直方向上的冲击力Pv随时间t的变化方程，Pv值的大小表明了织针沿三角运动的稳定性。
2)运用NX/Motion的分析软件模拟成圈机构三角与导针片的瞬态受力状况，得出成圈过程中导针片的位移、速度以及加速度的变化曲线。
3)由NX/Motion的分析结果得到织针最大位移为37.14mm，发生在0.039s处，由速度、加速度曲线得出，起始阶段的瞬态冲击力较大，随后趋于稳定，第2次瞬态受力发生在0.025s处，然后逐渐趋于稳定。
4)通过高速摄像实验得出织针成圈过程中位移、速度以及加速度变化曲线，与NX/Motion分析的导针片位移、速度以及加速度变化曲线一致，验证了NX/Motion分析结果的准确性，为电脑横机的设计与优化提供了理论分析方法。
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