三維織機(jī)電子開口系統(tǒng)的研制

錢永明，閆紅霞，閆 江，陳 革

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019;2.東華大學(xué)紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620;3.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

織制具有三維交織結(jié)構(gòu)的整體機(jī)織物已經(jīng)成為現(xiàn)代紡織的研究熱點(diǎn)，尤其是研發(fā)數(shù)字化、自動化的立體織機(jī)，實現(xiàn)三維機(jī)織物的規(guī)?；a(chǎn)成為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域急待解決的重要課題［1－2］。開口系統(tǒng)是立體織機(jī)最重要的系統(tǒng)之一，現(xiàn)有的研究較少涉及立體織機(jī)開口機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律的分析。根據(jù)立體織機(jī)綜框的特點(diǎn)，分析了立體織機(jī)的綜框在3種運(yùn)動規(guī)律驅(qū)動下的瞬態(tài)動力學(xué)響應(yīng)特性，尋找到適合立體織機(jī)電子開口系統(tǒng)的理想運(yùn)動規(guī)律。結(jié)合立體織機(jī)特殊的工藝要求，設(shè)計一種計算機(jī)控制、伺服電動機(jī)驅(qū)動的三維織機(jī)電子開口系統(tǒng)。

1 三維織機(jī)織造原理

三維織機(jī)的織造原理如圖1所示。在織造過程中，經(jīng)紗由經(jīng)軸架上引出，按一定規(guī)律穿過綜框上的綜絲眼，再穿過鋼筘后，由織物夾具夾持;開口系統(tǒng)彈簧控制綜框升降，使經(jīng)紗形成多個梭口;引緯劍夾持緯紗穿過梭口;引緯劍退出后，鋼筘將緯紗推向織口;織物引離機(jī)構(gòu)將形成的織物引離，從而完成1個引緯循環(huán)。通過經(jīng)紗在綜絲眼中的特殊分布，以及不同的引緯動程的控制，可織制多種不同組織結(jié)構(gòu)、不同截面形狀的立體機(jī)織物。

圖1 三維織機(jī)的織造原理Fig.1 Weaving principle of 3－D loom

織造三維立體織物，隨著垂直方向上的經(jīng)紗層數(shù)增多，所需綜框的頁數(shù)增多，經(jīng)紗開口幅度也變大，梭口變形大大增加，梭口的清晰度降低。這些問題可通過裝有多眼綜絲的綜框來解決，其中每個綜框相對獨(dú)立運(yùn)動，在垂直方向上形成多個清晰梭口，這對開口機(jī)構(gòu)的設(shè)計提出了新的要求［1］。

織機(jī)開口機(jī)構(gòu)的作用是使經(jīng)紗在綜框的控制下，將經(jīng)紗上下分開形成梭口，并根據(jù)織物上機(jī)圖所設(shè)定的順序，控制綜框的升降次序，使織物獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)?？棛C(jī)的開口機(jī)構(gòu)一般采用凸輪開口機(jī)構(gòu)、曲柄連桿開口機(jī)構(gòu)、多臂開口機(jī)構(gòu)、提花開口機(jī)構(gòu)等［3－4］。這些傳統(tǒng)的開口機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)決定了綜框的運(yùn)動規(guī)律，在工作過程中無法根據(jù)織物的不同組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行方便的修改，尤其無法滿足織造三維立體織物的多樣性。在織機(jī)的電子開口領(lǐng)域，伺服電動機(jī)與計算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，可精確控制綜框的位移、速度和加速度，因而在機(jī)電一體化領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用［5］，雖然文獻(xiàn)［6］提出了將伺服電動缸應(yīng)用于立體織造裝備開口機(jī)構(gòu)的思路，但由于開口裝置安裝空間的限制，該方案難以實現(xiàn)。

2 三維織機(jī)電子開口系統(tǒng)設(shè)計

在織造立體織物時，由于織物層數(shù)的增加，梭口增多，綜框的運(yùn)動規(guī)律也相對增多。針對織造立體織物對開口機(jī)構(gòu)的特殊要求，根據(jù)立體織造速度不高的特點(diǎn)，本文設(shè)計了一種基于伺服控制的立體織機(jī)電子開口系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 基于伺服電動機(jī)的開口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Servomotor－based loom shedding structure

如圖2所示，選用PLC作為控制器，開口系統(tǒng)中具有多個綜框，每頁綜框都由一個獨(dú)立的伺服電動機(jī)控制其運(yùn)動［7－9］。伺服電動機(jī)均安裝在綜框上方的機(jī)架上，通過吊繩繞過導(dǎo)輪與安裝在伺服電動機(jī)軸端上的凹槽輪相連。伺服電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動綜框的上下運(yùn)動，通過控制伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動量和轉(zhuǎn)動速度可改變綜框的運(yùn)動規(guī)律，靈活控制每一頁綜框的靜止角、閉口時間及開口形式，從而提高立體織機(jī)開口系統(tǒng)的靈活性。綜框下方安裝了彈簧回綜裝置，在開口過程中，隨著綜框的上升，彈簧逐漸伸長，當(dāng)梭口滿開時，彈簧伸長量達(dá)到最大。梭口開始閉合時，綜框在回綜彈簧恢復(fù)力的作用下降到原位。

由于三維織造工藝的特殊性，立體織機(jī)運(yùn)行速度不高，本文提出的基于伺服控制的立體織機(jī)電子開口系統(tǒng)的響應(yīng)特性足以滿足三維織造工藝的要求。

綜框數(shù)量由立體織物的組織結(jié)構(gòu)來確定，圖3示出三維織物組織結(jié)構(gòu)。要織造如圖所示的三維織物，可采用4頁綜框。交結(jié)經(jīng)紗2、4、6、8分別穿入第1頁綜框上的4個綜絲眼中;交結(jié)經(jīng)紗3、5、7、9分別穿入第2頁綜框上的4個綜絲眼中。穿有交結(jié)經(jīng)紗的2頁綜框分別由伺服電動機(jī)控制，能夠進(jìn)行小幅度上下運(yùn)動，使相鄰2層經(jīng)紗間形成梭口;垂紗1穿入第3頁綜框的一個綜絲眼中;垂紗0穿入第4頁綜框的一個綜絲眼中。穿有垂紗的2頁綜框由伺服電動機(jī)控制，能夠進(jìn)行大幅度上下運(yùn)動，將交結(jié)形成的各層織物捆綁到一起［10］。

圖3 三維織物組織結(jié)構(gòu)Fig.3 Three－dimensional structures of fabric

主控制方案如圖4所示。首先通過人機(jī)界面輸入要執(zhí)行的工藝動作，然后通過MOD－BUS協(xié)議把執(zhí)行動作數(shù)據(jù)信息傳遞給PLC，PLC根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)執(zhí)行相關(guān)程序，輸出模擬量，使伺服控制器精準(zhǔn)控制伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖4 電子開口系統(tǒng)的控制方案Fig.4 Main control chart of electronic shedding system

伺服電動機(jī)將接收到的控制信號轉(zhuǎn)換為軸的角位移或角速度輸出，并通過測量反饋元件傳遞實時數(shù)據(jù)給控制器，通過比較得到位置誤差，控制電動機(jī)并給予誤差補(bǔ)償，這樣提高了系統(tǒng)控制的可靠性和精確度。

3 三維織機(jī)綜框運(yùn)動規(guī)律設(shè)計

綜框的運(yùn)動規(guī)律不但決定織物的組織結(jié)構(gòu)，還與經(jīng)紗張力的變化密切相關(guān)。設(shè)計合理的綜框運(yùn)動規(guī)律，可使經(jīng)紗運(yùn)動平穩(wěn)，減少斷頭。經(jīng)紗張力在平綜時最小，滿開時張力最大。在設(shè)計綜框運(yùn)動規(guī)律時，應(yīng)充分改善綜框運(yùn)動對經(jīng)紗張力的不利影響，應(yīng)當(dāng)滿足:經(jīng)紗滿開口時速度最小，經(jīng)紗平綜時速度最大;在開口終了及開始閉口的瞬時，經(jīng)紗的加速度盡可能小;其余時間內(nèi)加速度變化應(yīng)盡量緩和。

3.1 綜框運(yùn)動規(guī)律的加速度方程

傳統(tǒng)織機(jī)的綜框運(yùn)動規(guī)律有橢圓比運(yùn)動、簡諧運(yùn)動、正弦加速度運(yùn)動3種形式。設(shè)H為綜框的位移，Hmax為綜框的最大位移，v為綜框運(yùn)動的速度，a為綜框運(yùn)動的加速度，ω為織機(jī)回轉(zhuǎn)的角速度，t為時間，θ為輔助圓半徑的轉(zhuǎn)角，α為織機(jī)主軸的轉(zhuǎn)角，ɑ0為綜框從一個極限位置運(yùn)動到另一極限位置時織機(jī)主軸的轉(zhuǎn)角，那么:橢圓比運(yùn)動的加速度方程為

簡諧運(yùn)動的加速度方程為

正弦加速度運(yùn)動的方程為

將以上3種運(yùn)動規(guī)律的加速度作為加速度驅(qū)動，加載到ANSYS軟件瞬態(tài)動力學(xué)分析工具中，可進(jìn)行綜框的瞬態(tài)動力學(xué)分析。

3.2 綜框在3種運(yùn)動規(guī)律下的動力學(xué)分析

由于立體織機(jī)綜框的高度明顯高于傳統(tǒng)織機(jī)的綜框高度，而其寬度又比傳統(tǒng)織機(jī)綜框的寬度短很多，因此，通過分析立體織機(jī)的綜框在3種運(yùn)動規(guī)律作用下的瞬態(tài)動力學(xué)特性，從中優(yōu)選一種運(yùn)動規(guī)律用于綜框的運(yùn)動控制。

圖5示出綜框模型，在有限元軟件ANSYS中建立綜框和綜絲的模型。綜框高700 mm，長540 mm，厚10 mm;綜框材料為鋁合金，密度為7 890 kg/m3，彈性模量為0.717×1011Pa，泊松比為0.33，綜框采用殼單元。綜絲直徑為1 mm，材料為不銹鋼絲，密度為7 900 kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3;綜絲采用梁單元進(jìn)行建模;為減少計算機(jī)的計算量，綜絲取40根。綜框下端有2個回綜彈簧單元。

圖5 綜框模型Fig.5 Heald frame model

用瞬態(tài)動力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力，因此，將彈簧單元固定在綜框下端，分別在綜框上端吊綜鋼絲接頭處施加簡諧運(yùn)動規(guī)律的力、橢圓比運(yùn)動規(guī)律的力、正弦加速度運(yùn)動規(guī)律的力，分析綜框的瞬態(tài)響應(yīng)。

采用大質(zhì)量法進(jìn)行綜框運(yùn)動模擬。大質(zhì)量法的基本思路是:在施加加速度的位置節(jié)點(diǎn)附屬很大的質(zhì)量來帶動結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。該節(jié)點(diǎn)在激勵方向不要約束。在質(zhì)量單元上施加適當(dāng)?shù)牧κ乖擖c(diǎn)產(chǎn)生所需加速度。只需為每一荷載步指定時間和相應(yīng)的力即可。通過這種方法，可在任意多的位置施加不同的加速度激勵，只要質(zhì)量單元的質(zhì)量足夠大，就可滿足精度要求。

在ANSYS模擬中，綜框在3種不同運(yùn)動規(guī)律的力的激勵下，有相同的位移，同時得出在3種不同運(yùn)動規(guī)律下受到的反作用力。在簡諧運(yùn)動和橢圓比運(yùn)動中，在綜框開口瞬間，加速突變，綜框受到較大的沖擊，綜框在初始運(yùn)動時有較大的振動，而正弦加速度運(yùn)動比以上2種運(yùn)動優(yōu)越，速度和加速度曲線都符合綜框運(yùn)動所提出的要求。仿真結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 簡諧運(yùn)動仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of simple harmonic motion.(a)Loading force;(b)Acceleration

從以上分析可知，正弦加速運(yùn)動是立體織機(jī)電子開口系統(tǒng)最理想的運(yùn)動規(guī)律。在傳統(tǒng)織機(jī)的開口機(jī)構(gòu)中，之所以較少采用正弦加速運(yùn)動規(guī)律，是因為實現(xiàn)正弦加速運(yùn)動的凸輪精度較另外2種運(yùn)動規(guī)律要高得多。本文研究設(shè)計的電子開口系統(tǒng)采用PLC控制、伺服電動機(jī)驅(qū)動的方法來控制立體織機(jī)的綜框運(yùn)動，不是通過凸輪來驅(qū)動綜框的運(yùn)動，簡化了開口機(jī)構(gòu)。綜框的運(yùn)動規(guī)律通過編程實現(xiàn)，伺服電動機(jī)根據(jù)程序直接控制綜框的運(yùn)動，達(dá)到所需的運(yùn)動規(guī)律，提高了立體織機(jī)開口系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

圖7 橢圓比運(yùn)動仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of elliptical motion.(a)Loading force;(b)Acceleration

圖8 正弦加速度運(yùn)動仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of since acceleration law.(a)Loading force;(b)Acceleration

4 電子開口系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制綜框運(yùn)動的PLC選取LG公司Master－120S系列的K7M－DRT20U。該P(yáng)LC具有控制伺服電動機(jī)的位置控制模塊等各種專用功能模塊，且內(nèi)置了PID控制模塊，可實現(xiàn)電動機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩的PID控制。所設(shè)計的電子開口系統(tǒng)采用伺服電動機(jī)及與之配套的驅(qū)動器作為驅(qū)動單元。由于所設(shè)計的織機(jī)最大經(jīng)紗數(shù)為1 000根，設(shè)單根經(jīng)紗最大張力為40 g，則輸出力為392 N。伺服電動機(jī)選松下MHMJ系列，型號為MHMJ042P1C，額定功率為0.4 kW;驅(qū)動器型號為MBDJT2210，額定功率為400 kW。系統(tǒng)上位控制單元為PC機(jī)，下位控制單元為PLC。

電子開口控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖9所示。將從PLC上的脈沖輸出端連接到綜框所對應(yīng)的伺服電動機(jī)驅(qū)動器控制信號輸入端子上，再以高速脈沖來實現(xiàn)伺服電動機(jī)速度位置及方向信號的輸入。由于綜框的位移與伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，根據(jù)綜框的運(yùn)動規(guī)律很容易就可得到伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)角的運(yùn)動規(guī)律曲線，并將編好的電動機(jī)加速度、速度、位移曲線程序輸入到PLC中，就可完成織機(jī)的提綜過程。

圖9 硬件組成框圖Fig.9 Block diagram of hardware

主PLC在接收上位機(jī)信號后，將指令串行發(fā)給每個從PLC。從PLC在接收信號前后時間上的誤差一般可以忽略，這樣就保證了綜框運(yùn)動的同步性。從PLC在分析所得信號后確定是否有執(zhí)行指令，如果有指令，則發(fā)送脈沖到相應(yīng)的伺服驅(qū)動器，驅(qū)動伺服電動機(jī)回轉(zhuǎn)帶動綜框按照設(shè)定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動到指令要求的位置。反之，從PLC不發(fā)送指令，驅(qū)動器不工作，伺服電動機(jī)靜止，從而實現(xiàn)三維織機(jī)的開口運(yùn)動。所開發(fā)的三維織機(jī)的電子開口裝置如圖10所示。

圖10 三維織機(jī)的電子開口系統(tǒng)Fig.10 Electronic shedding system of 3－D Loom

5 電子開口系統(tǒng)控制程序設(shè)計

所設(shè)計的立體織機(jī)開口系統(tǒng)的程序框圖如圖11所示。首先，在程序的第1個掃描周期初始化重要參數(shù)，根據(jù)伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度來判斷綜框的位置，然后根據(jù)故障檢測中各傳感器的信號反饋來判斷接下來是否可正常運(yùn)行下面的步驟。如果可正常運(yùn)行下一步，則可根據(jù)紋板圖修改程序中的設(shè)定來選擇綜框的通斷，然后向驅(qū)動器發(fā)送出相應(yīng)的開口信號或者閉合信號，從而驅(qū)動相應(yīng)的綜框?qū)崿F(xiàn)織機(jī)開口機(jī)構(gòu)的開閉動作。

圖11 開口機(jī)構(gòu)控制原理流程圖Fig.11 Flow chart of shedding control principle

三維織機(jī)開口系統(tǒng)控制軟件的主界面主要顯示工藝參數(shù)、工藝步驟和織機(jī)所處的運(yùn)行狀態(tài)，包括緯密、緯紗數(shù)、緯紗循環(huán)梭數(shù)、織造步驟以及實時紋板圖等。此外，主界面還包含有流動紋板模塊，打開繪制紋板，即可打開子界面。在子界面中，可繪制根據(jù)不同織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計的紋板圖，設(shè)定每個綜框的運(yùn)動規(guī)律參數(shù)。

6 結(jié)束語

本文研究的三維織機(jī)電子開口系統(tǒng)的每個綜框分別由獨(dú)立的伺服電動機(jī)控制驅(qū)動，大大簡化了開口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。采用基于PLC的伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)來控制開口機(jī)構(gòu)，在保證了織機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的同時，提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性;通過對綜框的運(yùn)動進(jìn)行數(shù)字化控制，有利于增強(qiáng)對立體織物品種和規(guī)格的適應(yīng)性。由于三維織造工藝的特殊性，立體織機(jī)運(yùn)行速度不高，本文研究設(shè)計的基于伺服控制的立體織機(jī)電子開口系統(tǒng)的響應(yīng)特性足以滿足三維織造工藝的要求，所開發(fā)的新型立體織機(jī)電子開口系統(tǒng)已成功應(yīng)用于立體織造設(shè)備中。

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