零傳動模式的高速軸向懸浮織針運動控制與試驗分析

吳曉光， 朱 里， 張 馳， 孔令學， 萬道玉

(武漢紡織大學 機械工程與自動化學院， 湖北 武漢 430073)

零傳動模式的高速軸向懸浮織針運動控制與試驗分析

吳曉光， 朱 里， 張 馳， 孔令學， 萬道玉

(武漢紡織大學 機械工程與自動化學院， 湖北 武漢 430073)

針對傳統(tǒng)針織圓緯機復雜的機械加工架構(gòu)及高能耗編織模式，提出利用電磁-永磁懸浮直接驅(qū)動織針編織模式，簡化傳統(tǒng)圓緯機的機械傳動結(jié)構(gòu)。在已有工作的基礎上，分析電磁力驅(qū)動的永磁織針受力模型，揭示多織針軸向懸浮運動的規(guī)律，建立懸浮織針軸向驅(qū)動模型及控制算法，實現(xiàn)傳統(tǒng)圓機的三功位編織工藝并以零傳動無損模式高速驅(qū)動織針；探索織針陣列懸浮驅(qū)動編織的特定方式，為懸浮驅(qū)動織針取代傳統(tǒng)編織工藝，實現(xiàn)編織工藝的全程可控可調(diào)提供理論參考和試驗方法指導。

高速軸線懸浮織針； 三功位編織工藝； 零傳動模式； 運動軌跡

現(xiàn)代針織裝備在傳統(tǒng)工藝的基礎上，實現(xiàn)了工藝原理的創(chuàng)新和控制方法的革命性突破，集成了多項前沿技術，實現(xiàn)了針織裝備的精密、高速、高效及關鍵器件靈活配置核心技術，取代了目前低效率、高能耗、環(huán)境污染嚴重的傳統(tǒng)機械裝置的低附加值產(chǎn)品。本課題組提出磁懸浮式驅(qū)動織針的構(gòu)想，利用磁懸浮技術零件之間無需機械傳動和運動可控等空出特點[1-2]，驅(qū)動織針高速可控編織。目前磁懸浮技術已廣泛用于醫(yī)療、航天航空及鐵路傳輸上，但大部分文獻主要討論平衡條件下的磁懸浮物體在一定水平高度下的穩(wěn)態(tài)運動[3]。本文在前期研究的基礎上，分析電磁力驅(qū)動的永磁織針受力模型，揭示多織針軸向懸浮運動的規(guī)律，建立懸浮織針軸向高速驅(qū)動模型及控制算法，設計懸浮織針的驅(qū)動試驗裝備，實現(xiàn)零傳動的高速編織模式，為新型圓緯機裝備研發(fā)提供理論參考。

1 磁懸浮式驅(qū)動織針機制研究

1.1 圓緯機機械式選針原理

傳統(tǒng)圓緯機選針主要由2個機構(gòu)共同完成，一是織針的編織機構(gòu)，二是選針器選針動作[1]?？椺樮壽E圖如圖1所示。圖中，織針嵌入三角槽內(nèi)并沿此槽運動，以此改變織針上下運動，實現(xiàn)織針三功位編織。由于織針進入三角槽內(nèi)會產(chǎn)生沖擊與摩擦及側(cè)向力，當織針與三角本身的強度、耐磨性達到了極限時，限制了轉(zhuǎn)速的進一步提高。

圖1 機械傳動模式織針軌跡圖Fig.1 Knitting needle trajectory in mechanical transmission mode

為進一步提高針織裝備中的關鍵核心技術指標，需要采用新的織針編織理論，探索新的織針技術原理。

1.2 新型磁懸浮式驅(qū)動織針編織原理

磁懸浮式驅(qū)動織針編織方式基于電磁-永磁混合驅(qū)動模式[4-5]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

織針上下編織完全基于電磁激勵，摒棄傳統(tǒng)機械驅(qū)動方式。微控制芯片(microcontrol unit,MCU，即為單片機)控制電磁線圈中的電流脈沖，上層軟件改變電磁裝置的加載電流大小、方向，實現(xiàn)織針功位的精密控制，電磁裝置與永磁體產(chǎn)生吸引力和排斥力控制織針徑向的往復運動，織針在軸向位置高速上下運動，形成三功位編織[6-7]。

2 磁懸浮式織針運動的分析

2.1 單織針軸向懸浮運動規(guī)律

圖3示出根據(jù)三角軌跡優(yōu)化后的磁懸浮式驅(qū)動織針的運動軌跡。橫坐標軸代表織針的運動時間，縱坐標軸為織針對應的功位高度。表1示出單織針運動分解過程。其動態(tài)編織過程為：成圈上升—保持—下降至浮線—集圈上升—下降至浮線工位，形成完整的工序，實際過程中，可依據(jù)實際工況對編織工序進行優(yōu)化。

圖3 單織針運動軌跡Fig.3 Single knitting needle motion trajectory

表1 單織針運動過程Tab.1 Process of single knitting needle motion

基于圖3和表1，織針在一個周期(時間段A—G內(nèi))完成1個成圈、集圈和浮線的軌跡，1個運動周期可分為7個時間段。

2.2 多織針軸向懸浮運動規(guī)律

以我國常見圓機機型E24為例，該提花圓緯機針筒直徑為76.2 cm，針筒轉(zhuǎn)速為15～20 r/min，72路選針(共計織針2 256枚)[8]。多磁懸浮式驅(qū)動織針系統(tǒng)將每8枚織針分為一組。

為實現(xiàn)編織提花三功位的工藝要求，每枚織針的運動軌跡需滿足如圖3所示的運動軌跡，為提高編織效率，可對工序進行適當優(yōu)化。同時每組織針在一個周期內(nèi)的運動必須是連續(xù)的。圖4示出一組織針在一個周期內(nèi)8個時間點的運動示意圖。其中：圖4(a)為在時間A點時一組織針中每枚織針(圖中為1～8枚織針)所對應的高度位置；圖4(b)為在時間B點時一組織針中每枚織針所對應的高度位置，以此類推。由于織針在編織過程中是周期循環(huán)的，因此將每枚織針在每個時間點所對應的高度連接起來，即可得到整個運動周期的編織功位。

圖4 一個周期內(nèi)8枚織針在不同時間點的高度示意圖Fig.4 Height diagram of 8 knitting needles at different time point

3 電磁線圈-永磁織針驅(qū)動模型

3.1 電磁線圈模型

圖5示出電磁鐵和永磁體之間的結(jié)構(gòu)關系。電磁體驅(qū)動永磁結(jié)構(gòu)的織針，實現(xiàn)三功位的編織過程。圖6示出電磁線圈在軸向P點產(chǎn)生的磁感強度示意圖[9]。

圖5 電磁鐵與永磁體之間的結(jié)構(gòu)關系圖Fig.5 Structure diagram between electromagnet and permanent magnet

圖6 電磁線圈在軸向P點產(chǎn)生的磁感強度Fig.6 Magnetic induction intensity of electromagnetic coil generates a point P axial

以電磁線圈圓心O為原點，在中心軸線上分布各點的磁感強度，P點在軸線上距中心原點x，由畢奧-薩瓦爾定律，線圈電流元在P點產(chǎn)生的磁感強度[9-11]為：

(1)

根據(jù)對稱性，在線圈圓環(huán)周線上，每個電荷元對稱分布，在軸向P點所產(chǎn)生的場強水平方向分量大小相等，方向相反，只保留豎直方向分量。針對圖6所示的磁感強度，對電磁線圈做二重積分，先積分電磁線圈內(nèi)徑至外徑，再積分整個電磁線圈高度，得到總的電磁線圈在軸線P點產(chǎn)生的磁感強度。

(2)

(3)

圖7 永磁織針耦合模型Fig.7 Coupling model of permanent magnetic needle

安培環(huán)路定律則有如下表達：

(4)

(5)

式中：H為磁場強度，A/m；a為基于永磁體截面積逐漸增大的取值范圍。

永磁材料在磁場中被磁化后，內(nèi)部存在磁化電流，材料表面存在表面磁化電流，其磁化電流密度和表面磁化電流密度分別為δv，δs，其中：

δv=△ ×Mδs=-n×M

式中：△為微分算子；M為介質(zhì)磁化強度；n為表面法向矢量。則磁場對導磁材料的作用力為

(6)

B為磁場強度保持不變，對于永磁介質(zhì)有：

式中：μ0為真空磁導率4π×10-7；μr為磁介質(zhì)相對磁導率。經(jīng)矢量計算可得：

由于體積積分可改為面積積分×法向梯度微分，因此：

(7)

實驗平臺測試參數(shù)如下：電磁線圈匝數(shù)為1 000，線圈高度為(19±0.1) mm，電磁線圈通電直流電流為(300±1) mA，電磁線圈內(nèi)直徑為6.5 mm，電磁線圈外直徑為11.5 mm，永磁體材料為釹鐵硼，半徑為 5 mm，電磁線圈端面中心點驅(qū)動產(chǎn)生的磁感強度為7.86 mT，經(jīng)過CH3600型三維高斯儀(測量方式如圖8所示)，實際測量線圈軸線豎直方向的磁感應強度如表2所示。

圖8 基于高斯儀的磁場測量方式Fig.8 Magnetic field measurement based on Gauss instrument

永磁體磁化后，永磁材料表面存在表面磁化電流，在表面基于各項同性方向產(chǎn)生內(nèi)稟磁感應強度，與電磁線圈產(chǎn)生的磁感強度一起，共同驅(qū)動織針高速上下往復運動。

表2 驅(qū)動線圈豎直方向磁感強度分布Tab.2 Magnetic intensity distribution in vertical direction of driving coil

4 控制方案及磁力分析

基于以上工作，針對已裝配好的磁懸浮織針控制平臺實現(xiàn)豎直方向的懸浮織針編織試驗。設計電路時，盡量減小印刷電路板的電路尺寸，考慮電磁兼容設計，該電路作為8路輸出，同時驅(qū)動8路織針進行各種時序的編織，提供RS232串口通信，USB外擴采集卡，電路板可根據(jù)實際情況并聯(lián)使用，同時控制288路織針懸浮運動。

在控制算法上，基于比例-積分-微分反饋控制程序，以MCU+可編程邏輯器件實現(xiàn)8路織針的同步/異步輸出，以MCU作為主控芯片，設置織針的機械響應頻率，以可編程邏輯器件設置多路織針的狀態(tài)輸出。配以LabView平臺界面和MPS-10602型號的多功能AD采集卡進行上下位機通信，實時采集電壓及位移狀態(tài)，作為反饋信號實時補償。圖9所示為系統(tǒng)實物圖。

圖9 多磁懸浮式驅(qū)動織針控制測試試驗系統(tǒng)Fig.9 Control testing experiment system of multi magnetic suspension driving needle

以織針的成圈高度為標準，對線圈兩端電壓以及電路輸出值進行記錄，計算織針高度與通電線圈電流之間的關系，列出表格，設置在MCU中，織針高度與線圈電流/電壓關系如表3所示。

表3 織針高度與線圈中電流及線圈兩端電壓的關系表Tab.3 Relation of knitting needle height and current in coil and voltage in both ends of coil

織針的運動與電磁線圈中電流是成正向關系的，織針在0～9 mm內(nèi)的運動可通過控制芯片實現(xiàn)。

根據(jù)表3所示的懸浮織針軌跡以及上述試驗數(shù)據(jù)，設置三功位對應的軌跡數(shù)據(jù)于MCU內(nèi)存中，數(shù)模轉(zhuǎn)換的雙極性的輸出電壓波形呈現(xiàn)如圖10所示效果。從波形圖中可看出，懸浮工作效果與實際要求相符。

圖10 多織針懸浮式三功位工作示意波形Fig.10 Waveform schematic of multi-needle in trip-position station

運行系統(tǒng)，觀察織針三功位工作狀態(tài)?？椺樤谡麄€過程中按軌跡規(guī)律進行周期運動，每個周期內(nèi)織針高速運動到9 mm成圈功位，編織一個花點后迅速下降至浮線功位，之后高速運行至6 mm集圈功位，再次回到零點實現(xiàn)浮線，如此高速往復，形成編織工藝。機械運動頻率可通過MCU進行調(diào)試，測試懸浮織針的工作頻率。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)課題組已提出的利用電磁-永磁懸浮式直接驅(qū)動織針提針模式，實現(xiàn)傳統(tǒng)圓機的三功位編織工藝并以零傳動模式高速運動；基于電磁線圈驅(qū)動模型，以及電磁-永磁織針耦合模型，以安培環(huán)路定律求解永磁織針上受到的驅(qū)動力大小，并進一步探討織針在高速運動中織針的位移與運動軌跡關系，編織過程按軌跡規(guī)律進行周期運動，實現(xiàn)織針功位運動全程可調(diào)的試驗模型。

[1] 吳曉光, 張弛, 朱里, 等. 磁懸浮式驅(qū)動織針的關鍵技術與試驗模型[J]. 紡織學報， 2014, 35(10): 129-135. WU Xiaoguang, ZHANG Chi, ZHU Li, et al. Key technologies of magnetic suspension driving knitting needles and experiment model[J]. Journal of Textile Research，2014, 35(10): 129-135.

[2] 吳曉光, 孔令學, 朱里, 等. 磁懸浮式針織提花驅(qū)動方式理論研究與探討[J]. 紡織學報，2012, 33(10): 128-133. WU Xiaoguang, KONG Lingxue, ZHU Li, et al. Theoretical research on propulsion mode of magnetic suspension needles for jacquard knitting[J]. Journal of Textile Research, 2012, 33(10): 128-133.

[3] 朱文斌, 吳曉光, 張馳, 等. 懸浮式提花織針驅(qū)動模型的建立及結(jié)構(gòu)研究[J].針織工業(yè)，2011，(6)：1-4. ZHU Wenbin, WU Xiaoguang, ZHANG Chi,et al. Establishment of suspension driving knitting needle model and structure research[J]. Knitting Industries, 2011(6): 1-4.

[4] 吳曉光, 張馳, 朱里,等. 磁懸浮驅(qū)動織針的控制算法與試驗過程研究[J]. 針織工業(yè), 2013(11): 10-13. WU Xiaoguang, ZHANG Chi, ZHU Li, et al. Control algorithm of magnetic levitated knitting needle and experimental research[J]. Knitting Industries,2013(11): 10-13.

[5] TAN Xiaodong, QIU Jing, LIU Guanjun, et al. A novel approach of testability modeling and analysis for PHM systems based on failure evolution mechanism[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2013, 26(3): 766-776.

[6] 黃振, 吳曉光, 李爽, 等. 磁懸浮驅(qū)動方式的新型織針提花圓緯機控制系統(tǒng)的研究[J]. 武漢紡織大學學報，2012, 25(6): 19-23. HUANG Zhen, WU Xiaoguang, LI Shuang, et al. Research on new jacquard circular knitting machine control system of magnetic suspension drive[J]. Journal of Wuhan Textile University, 2012, 25(6): 19-23.

[7] LI Xiufeng,WANG Yabin. Sensitivity analysis approach to multibody systems described by natural coordi-nates[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2014, 27(2): 1-8.

[8] 吳曉光, 張弛, 朱里, 等. 磁懸浮式驅(qū)動織針原理與試驗方法探討[J]. 針織工業(yè), 2014(6): 10-13. WU Xiaoguang, ZHANG Chi, ZHU Li, et al. Principle of magnetic suspension driving knitting needles and discussion and experiment method[J]. Knitting Industries,2014(6): 10-13.

[9] 吳華春, 胡業(yè)發(fā), 周祖德. 磁懸浮主軸DSP 控制系統(tǒng)的研究[J]. 武漢理工大學學報,2010,32(6):39-42. WU Huachun, HU Yefa, ZHOU Zude. Research on DSP control system for magnetic levitated spindle[J]. Jounal of Wuhan University of Technology, 2010, 32(6):39-42.

[10] 李惠光, 張廣路, 周巧玲, 等. 垂直軸磁懸浮風電懸浮系統(tǒng)的模糊滑?？刂芠J]. 武漢理工大學學報,2010, 32(10): 136-140. LI Huiguang, ZHANG Guanglu, ZHOU Qiaoling, et al. Fuzzy sliding mode control for vertical axis wind power generation suspension system[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2010, 32(10): 136-140.

[11] 楊斌堂, 徐彭有, 孟光, 等. 大行程精密定位超磁致伸縮驅(qū)動器的設計與控制[J]. 機械工程學報, 2012, 48(1): 25-31. YANG Bintang, XU Pengyou, MENG Guang, et al. Deign and control of giant magnetostrictive actuator for long-stroke precision positioning[J]. Jounal of Mechanical Engineering, 2012, 48(1): 25-31.

Motion control and experiment analysis of high speed axial suspension knitting needle in zero transmission

WU Xiaoguang, ZHU Li, ZHANG Chi, KONG Lingxue, WAN Daoyu

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,WuhanTextileUniversity，Wuhan,Hubei430073,China)

According to the complicated mechanical processing architecture and high energy consumption of the knitting pattern of conventional circular jacquard knitting machine, it presented weaving pattern using electromagnetic-permanent directly driving knitting needle, and simplifying conventional mechanical transmission structure of circular weft knitting machine. This paper analyzed permanent knitting needle force model driven by electromagnetic force on the basis of previous work, revealed the law of multi-needle suspension motion in axial direction, established suspension knitting needle axially driving model and control algorithm, realized conventional circular machine knitting process in "trip-work station" and drove needles in "zero-transmission" in lossless model, explored multi-needle suspension driving woven in particular way, and provided theoretical guidance for further exploring suspension driving needle to replace conventional technology in weaving process and for the realization of control and adjustment in whole knitting process.

high speed axial suspension needle; trip-position knitting technology; zero transmission; motion trajectory

10.13475/j.fzxb.20150202806

2015-02-15

2015-12-06

國家自然科學基金項目(51175384，51305309)；湖北省自然科學基金重點項目(2014CFA099)

吳曉光(1954—)，男，教授。主要研究方向為數(shù)字化針織裝備及關鍵技術。E-mail：2006wist@163.com。

TS 131.9

A