有结针织设备上钩针运动机构设计
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摘要：有结针织设备中上钩针的运动包括摆动和转动，是两个运动的复合运动。根据有结渔网机编织工艺对上钩针的运动要求，分别选择了实现上钩针摆动和上钩针转动的机构结构类型，具体为平面连杆-凸轮组合机构、圆柱凸轮-连杆-齿轮齿条组合机构。机构尺度综合时先对上钩针的运动要求进行了处理，使运动要求曲线的加速度连续。进一步，采用解析法研究了机构尺度综合方法。通过实例说明了具体设计过程，得到了两种机构中凸轮的轮廓曲线数据。
关键词：上钩针；渔网机；针织；有结；组合结构
中图分类号：TS183.3
文献标志码：A
Designing the Mechanism of the Upper Hooks for a Knotted Knitting Machine
Abstract： According to the movement requirements of upper hooks during the net-forming process of a fishing net machine， different types of mechanisms with different structures respectively for implementing oscillation and rotation movements of upper hooks are chosen. Practically they are a planar linkage-cam combined mechanism and a cylindrical cam-linkage-gear rack combined mechanism. The movement requirements are primarily disposed during the dimensional synthesis， so that the acceleration curves of the movement requirements can continue. Furthermore the dimensional synthesis is studied by employing the analytical method. To obtain the data of cam contours and curves of both mechanisms， an example is given to illustrate the process of the specific design.
Key words： upper hooks； fishing net machine； knitting； knot； combined mechanism
有结针织物，如渔网主要用于渔业捕捞、渔业养殖、建筑（安全网）等行业，由有结针织设备（也称渔网机）编织。有结渔网机的上钩针、下钩针和孔板3个编织机件的运动及它们之间的配合是整机的主要运动和关键，其中上钩针的主要作用是摆动勾线、旋转成圈、摆动脱钩和旋转复位。设计结构合理的上钩针运动机构和装置是成功开发有结渔网机的重要任务。
有结渔网的编织运动要求多，动作复杂，特别是各个编织机件之间的运动配合要求高，国内有结渔网机生产厂家不具备完全自主设计或改变机器的结构以利于提升整机性能的技术能力，至今仍采用进口机器上的凸轮仿制凸轮母轮，再靠模加工传动凸轮的方法，显然无法对编织机件传动机构进行优化设计而具有明显的局限性。本文对有结渔网机的上钩针运动机构的设计问题进行研究，为整机设计奠定基础。
1上钩针运动要求
图1是有结渔网机中编织机件的结构示图，其中，1是上钩针，2是下钩针，3是孔板，4是梳钩，5和6分别是线盘和梭子，7和8分别是纬线和经线，9是过网角铁，10是编织好的网片。根据编织工艺，上钩针的运动分两部分，一是具有停歇的往复摆动，二是绕自身的轴线间歇正、反转动。
若以垂直线H为上钩针摆动角度Ψb的0°位置、逆时针方向为正建立其摆动的坐标系；以上钩针针尖指向机后方向位置时为其转角0°位置、逆时针方向为转角Ψz的正方向建立其转动的坐标系。根据分析，上钩针摆动和转动的运动要求曲线分别如图2（a）和图2（b）所示，其中φ为主轴转角，φb1、φb2、φb3、φb4、φz1、φz2和φz3为与工艺有关的主轴转角，Ψbmax和Ψbmin分别为上钩针摆动的最大值和最小值，Ψzmax为上钩针转动的动程。
2机构结构选型
2.1上钩针摆动机构（图3）
图2（a）所示的上钩针摆动要求在机构学中属于具有停歇的往复摆动，且在一个运动周期中，从动件的停歇时间较长，连杆机构不能满足这一要求，现选用图3（a）所示的平面连杆-凸轮组合机构实现这一要求。由构件1、2和3构成凸轮机构，凸轮1为主动件，构件2、3和4构成摇杆摆块机构，连杆2为主动件，摇杆4为从动件。当主动凸轮1转动时，从动摇杆4摆动，主动凸轮1的轮廓线保证从动摇杆4按照预定的变化规律运动。
2.2上钩针转动机构
图2（b）所示上钩针转动运动要求在机构学中属于具有停歇的往复转动，采用图4所示的凸轮-连杆-齿轮齿条组合机构实现。具体为，由构件1和2构成圆柱凸轮机构，圆柱凸轮1为主动件，将主动件1的转动转变为构件2的往复摆动；构件2、3、4和机架构成平面四杆机构，将构件2的往复摆动转变为构件4的往复直线移动；构件4上的齿条和构件5上的齿轮构成齿条-齿轮机构，将构件4的往复直线移动转变为构件5的正、反向转动。
3机构尺度综合
3.1上钩针摆动机构
根据图2（a）所示运动要求确定图3所示实现机构中的各个构件的尺度和凸轮廓线。如图3（a）所示，上钩针安装在摆臂4上的C2点，当上钩针摆动处于垂直线H位置时，线C0C2与线H垂直，另外，构件4在结构上有C0、C1和C23个点位于一条直线上，且在该位置，线C1B平行于H线，即线C0C1垂直于线C1B。
以A点为坐标原点，平行于H线为y轴建立如图3（b）所示直角坐标系x0y，根据机器的结构可能性先定出固定支点C0点相对A点的位置为（-xC0，yC0），并根据结构需要确定构件2的长度为l2，构件4上C0C1的长度为l4。设上钩针摆动位于0°位置时，线C0C1与线AC0之间的夹角为Ψb0，由图3（a），得
当上钩针摆动角度为Ψb时，如图3（b），∠AC0C1=Ψb0+Ψb，由ΔAC0C1，构件2上A点至C1点距离AC1
构件2上A点至B点距离AB为。
设滚子半径为rT，凸轮1上B点的理论廓线坐标（xB，yB）和实际轮廓曲线K（x’，y’）的坐标为
于外轮廓线。
为了使设计出的凸轮廓线光滑，需对上钩针摆动机构的运动要求（图2（a））进行处理，具体分为3段，首先对第2段进行处理。第2段主轴的转角范围为[φb1，φb2]，第2段采用简谐运动规律，式中s为曲线偏移的距离，A和T分别为简谐运动的幅值和周期，e为转角φ偏移的角度，t为简谐函数从起始点偏移的角度。已知当φ=φb1时，
第1段主轴的转角范围为[0，φb1]，采用五次多项式Ψb（φ）=C0+C1φ+C2φ2+C3φ3+C4φ4+C5φ5，边界条件
系数C3、C4和C5由相应矩阵确定。
第3段主轴的转角范围为[φb2，φb3]，第3段也采用五次多项式，边界条件为当φ=φb2时，
3.2上钩针转动机构
设上钩针正、反转动起始点对应构件2摆动极限位置为图4（b）中C1和C2点，以线BC1为杆2摆角θ的起始位置。设小齿轮模数为m，齿数为z，则其分度圆半径。当上钩针转角为Ψz时，齿条移动位移s=rΨz。
设B点至构件4直线运动导路方向之间的距离为h，上钩针转角幅值Ψzmax对应杆2摆动幅值Ψ2max为
摆角θ为图4（a）所示圆柱凸轮机构摆动从动件2的摆角，设构件2上AB长度为l2’，则根据摆角θ可以设计出圆柱凸轮1的轮廓线。
如图5所示，圆柱凸轮从动件AB的两个极限位置和中间位置所对应的滚子中心点分别为A0、Af和Am，当构件2上AB摆过其摆角的一半时，AB垂直，即图中B0Am位置。D为A0Af与B0Am的中点且在轴线pg与圆柱凸轮回转轴线pg的交点。M为DAm上。坐标系的x轴线与圆柱凸轮回转轴线pg重合，y轴线通过摆杆起始位置时的滚子中心A0点，x轴线与y轴线的交点为此坐标系的零点，则展开的理论轮廓曲线和实际轮廓线坐标为
式中，Rb为圆柱凸轮基圆半径，rr为滚子半径，λ为符号系数。对轮廓曲线s1，取λ=1，可求得k1点坐标；对轮廓曲线s2，取λ=-1，可求得k2点坐标，
为了使设计出的凸轮廓线光滑，需对上钩针转动机构的运动要求进行处理，共分为两段。第1段采用四次多项式Ψz（φ）=C0+C1φ+C2φ2+C3φ3+C4φ4，边界条件为当φ=0时，
第2段采用五次多项式φz（φ）=C0+C1φ+C2φ+
系数C0、C1、…、C5由相应矩阵确定。
4设计示例
现编织网目范围为20～200mm的渔网机，对上钩针摆动机构，要求Ψbmax=8，Ψbmin=6.2，φb1=23，φb2=48，φb3=30，φb4=259。选定C0（-286，495），l4=157mm，rT=36mm。对上钩针摆动机构的运动要求处理之后可得到其曲线方程，从而导出上钩针的实际摆动曲线，如图6（a）所示，图6（b）是相应摆动凸轮廓线。