蔡錫松， 胥光申

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料[1]因其輕質(zhì)、比剛度高和比強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[2]。三維機(jī)織物作為一種特殊的復(fù)合材料預(yù)制體，是通過多組纖維紗在空間方向依據(jù)一定規(guī)律相互交織而成。在三維機(jī)織物的實(shí)際織造過程中，由于引入了多層經(jīng)紗，對(duì)其形成的經(jīng)紗群進(jìn)行逐層有序的開口工作顯得十分復(fù)雜，這也極大地制約了三維織機(jī)的織造效率。為完成三維機(jī)織工藝的開口任務(wù)，多眼綜絲開口方式已成為一種有效的開口手段，通過一根綜絲可完成對(duì)多根經(jīng)紗纖維的縱向控制。開口作為5個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中必不可少的工藝過程，其關(guān)鍵任務(wù)是通過開啟清晰的梭口，從而保證引緯工作。采用多眼綜絲開口方式能實(shí)現(xiàn)奇、偶數(shù)列經(jīng)紗的切換，但對(duì)形成清晰梭口的任務(wù)上仍存在難點(diǎn)。

近年來，眾多學(xué)者針對(duì)多眼綜絲開口方式展開研究。張志毅等[3]在設(shè)計(jì)的三維劍桿織機(jī)中提出了采用多眼綜絲參與開口，但未提出形成清晰梭口的方式；錢永明等[4]提出了一種電子開口系統(tǒng)，通過多頁綜框與多眼綜絲的相互配合達(dá)到開口目的，但在多次的開口任務(wù)中， 經(jīng)紗群容易與綜絲形成不良摩擦， 從而影響織物的整體質(zhì)量。薛進(jìn)[5]在多綜眼多劍桿織機(jī)的設(shè)計(jì)方案中采用8頁綜框的開口方式， 這對(duì)各經(jīng)紗在綜框升降過程中的張力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整提出了很高的要求。

課題組設(shè)計(jì)了一種基于多眼綜絲開口方式的輔助開口系統(tǒng)，旨在解決多眼綜絲無法開啟梭口的問題，同時(shí)減少了因增加綜框造成纖維與綜絲之間摩擦加劇的情況[6]。

1 三維織物織造原理

圖1所示為2種典型的三維機(jī)織織物結(jié)構(gòu)：正交三向與多層角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)[7]。

圖1 三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)

為避免開口機(jī)構(gòu)在升降過程中對(duì)經(jīng)紗造成較大的張力波動(dòng)，要求織口與多眼綜絲開口機(jī)構(gòu)存在一段較長的距離，這導(dǎo)致作為柔性體的紗線在織造過程中會(huì)如圖2所示，呈懸垂?fàn)顟B(tài)[8]。為防止紗線在織造過程中與多眼綜絲產(chǎn)生較大摩擦，往往需在織造前的準(zhǔn)備階段測(cè)算好紗線的具體用量，紗線一端由夾板夾持，另一端再與張緊紗線綁定，即定長掛紗方式[9]。

圖2 經(jīng)紗群的懸垂?fàn)顟B(tài)

三維機(jī)織物形成的交織形式主要是由綜框上下循環(huán)升降得到。課題組以多層角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)為例描述三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)形成方式。圖3所示為織物織造過程中多眼綜絲的相對(duì)位置示意圖，由2頁綜框共控制根數(shù)為a×b經(jīng)紗，奇、偶數(shù)列綜絲分別由一綜框進(jìn)行控制，通過前后2頁綜框上下位置的相互交替，由奇、偶數(shù)列控制的梭口位置也隨即轉(zhuǎn)變。在交替形成的梭口中引入緯紗，即可制得多層角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)。

圖3 多眼綜絲相對(duì)位置

2 輔助開口機(jī)構(gòu)工作原理

圖4所示為多眼綜絲上機(jī)掛紗情況，圖中e表示任意2綜絲綜眼的孔距。由生產(chǎn)工藝可知，經(jīng)紗在一定張力控制下，配合一定的綜絲孔距，各層經(jīng)紗層之間會(huì)形成一道清晰的孔道，利用抬紗桿穿入該通道，在織口方向(X軸方向)與垂直方向(Y軸方向)兩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，上層經(jīng)紗被緩緩抬起，任意兩相鄰經(jīng)紗層即可形成一被擴(kuò)大的清晰梭口以供引緯。

圖4 多眼綜絲掛紗

為達(dá)到輔助開口的目的，課題組設(shè)計(jì)了如圖5所示的輔助開口機(jī)構(gòu)。輔助開口機(jī)構(gòu)主要由3部分組成：沿梭口方向運(yùn)動(dòng)的水平驅(qū)動(dòng)裝置、向上垂直運(yùn)動(dòng)的抬升裝置以及完成抬紗工作的抬紗桿。其中水平驅(qū)動(dòng)裝置與垂直驅(qū)動(dòng)裝置皆由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿執(zhí)行；抬紗桿的運(yùn)動(dòng)則通過伺服電機(jī)、齒輪組與齒輪齒條完成傳遞。

圖5 輔助開口機(jī)構(gòu)三維模型

當(dāng)開始進(jìn)入織造流程，抬紗桿首先沿著綜絲眼孔形成的通道伸入經(jīng)紗層，當(dāng)抬紗桿完全穿過定量幅寬的經(jīng)紗后觸碰到限位開關(guān)，水平推進(jìn)裝置與垂直抬升裝置先后運(yùn)動(dòng)，抬起經(jīng)紗，從而形成可供引緯劍桿引入緯紗的梭口。圖6所示為輔助開口機(jī)構(gòu)在抬紗到達(dá)指定位置時(shí)經(jīng)紗系統(tǒng)的示意圖。當(dāng)某一層引緯工序完成后，水平驅(qū)動(dòng)裝置和抬升裝置共同回退到開始抬紗的起始點(diǎn)，同時(shí)在抬紗桿到達(dá)起始點(diǎn)后，垂直驅(qū)動(dòng)裝置下移一個(gè)綜絲眼孔的間距，開始下一次的抬紗開口工作。

圖6 抬紗過程示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使輔助開口機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)開口，則需要有效配置好水平、垂直以及緯向3個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置的啟停時(shí)間、運(yùn)動(dòng)順序，為此課題組引入西門子S7—200 SMART參與控制任務(wù)。

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)輔助開口系統(tǒng)的工作原理以及3軸之間的配合關(guān)系，可設(shè)計(jì)如圖7所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。所選PLC需要同時(shí)控制3組伺服驅(qū)動(dòng)器，針對(duì)系統(tǒng)控制要求，采用具備脈沖高速輸出功能，晶體管輸出的ST40型號(hào)CPU。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)輔助開口系統(tǒng)的控制方案，課題組采用環(huán)網(wǎng)伺服模式對(duì)各伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，即PLC通過以太網(wǎng)口與X軸伺服驅(qū)動(dòng)器的以太網(wǎng)口1連接；X軸伺服驅(qū)動(dòng)器的以太網(wǎng)口2與Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器的以太網(wǎng)口1連接；Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器的以太網(wǎng)口2與Z軸伺服驅(qū)動(dòng)起的以太網(wǎng)口1連接。

在設(shè)計(jì)具體的PLC控制程序之前，首先將順序控制中的各步驟用工序表示，根據(jù)對(duì)輔助開口系統(tǒng)工作原理的描述，得到圖8所示工作流程。

圖8 工作流程圖

在實(shí)現(xiàn)輔助開口任務(wù)的過程中，3軸進(jìn)程抬紗與回程退至單次抬紗初始點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行程是循環(huán)的，所以針對(duì)此循環(huán)運(yùn)動(dòng)行程可通過子程序的方式完成。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在SMART中，可通過STEP7-Micro/ WIN SMART軟件中的“運(yùn)動(dòng)向?qū)А盵10]模塊創(chuàng)建各運(yùn)動(dòng)軸的全部組態(tài)，從而讓用戶免于編寫復(fù)雜的邏輯程序。在運(yùn)動(dòng)控制向?qū)е校謩e對(duì)3軸(軸0～3)進(jìn)行程序設(shè)置。在完成“向?qū)А痹O(shè)置后，PLC自動(dòng)給3軸分配脈沖和方向輸出口，為了便于對(duì)輔助開口機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的邏輯編程，現(xiàn)將軸0、軸1與軸2分別作為X軸、Y軸與Z軸的對(duì)應(yīng)軸。

3.2.1 限位開關(guān)

輔助開口系統(tǒng)共需要6個(gè)限位開關(guān)，其中3個(gè)限位開關(guān)分別設(shè)置在各軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)程的正向端點(diǎn)，起到保護(hù)作用；另外3個(gè)限位開關(guān)則設(shè)置在坐標(biāo)系原點(diǎn)位置，即3軸開始運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)，而該處也作為3軸的負(fù)向限位開關(guān)位置與參考位置點(diǎn)。

3.2.2 電機(jī)選擇

輔助開口系統(tǒng)的水平驅(qū)動(dòng)裝置以及垂直驅(qū)動(dòng)裝置都采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中，垂直驅(qū)動(dòng)裝置不僅需要帶動(dòng)抬紗桿裝置逐層托舉起經(jīng)紗層，同時(shí)在抬紗桿子回退出層間間隙時(shí)，還需要準(zhǔn)確下降一個(gè)綜絲眼孔的距離，所以垂直裝置的控制精度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的控制精度。由于伺服電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，加速性能較好，采用閉環(huán)控制，不容易丟步或過沖等特點(diǎn)，課題組將其作為輔助開口系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)。

伺服電機(jī)的選型根據(jù)以下公式計(jì)算得到：

T=F·S/2π;

(1)

Ts=(2～3)T。

(2)

式中：F為滾珠絲杠所需承受負(fù)載，N；S為絲杠導(dǎo)程，mm/r；T為勻速運(yùn)動(dòng)力矩，N·m；Ts為電機(jī)選型力矩，N·m。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)完成配置后，根據(jù)該開口系統(tǒng)的控制要求以及系統(tǒng)控制流程圖，進(jìn)行如表1所示的I/O地址分配。

表1 I/O地址分配

3.3.1 手動(dòng)模式梯形圖設(shè)計(jì)

在織造三維織物之初，首先需要通過手動(dòng)控制X軸與Y軸的實(shí)際位置，從而調(diào)整抬紗桿到達(dá)抬紗起始點(diǎn)位置。為此特通過“向?qū)А痹O(shè)置點(diǎn)動(dòng)模式，X和Y軸點(diǎn)動(dòng)模式如圖9和10所示。由圖9～10結(jié)合表1可知，X軸正負(fù)方向的點(diǎn)動(dòng)控制分別由I1.5與I1.6完成；Y軸正負(fù)方向的點(diǎn)動(dòng)控制分別由I2.0與I2.1完成。

圖9 X軸點(diǎn)動(dòng)梯形圖

圖10 Y軸點(diǎn)動(dòng)梯形圖

3.3.2 自動(dòng)模式梯形圖設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)輔助開口系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)的抬紗工作，依據(jù)圖8的系統(tǒng)控制要求，設(shè)計(jì)如圖11所示的自動(dòng)模式主程序梯形圖，其中查找參考點(diǎn)子程序主要在初始化程序后，基于設(shè)置的原點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行快速歸零。當(dāng)3軸迅速回歸原點(diǎn)后，即進(jìn)入循環(huán)的自動(dòng)抬紗過程。

圖11 自動(dòng)模式主程序梯形圖

在循環(huán)子程序中，根據(jù)各軸的運(yùn)動(dòng)特性，嵌套基于控制要求的各軸運(yùn)動(dòng)子程序，同時(shí)設(shè)置該子程序的循環(huán)條件以及返回條件。圖12所示為嵌套子程序的流程圖，說明了抬紗進(jìn)程-引緯運(yùn)動(dòng)-抬紗回程這一循環(huán)的單一開口過程。

圖12 嵌套子程序

4 運(yùn)動(dòng)仿真

輔助開口機(jī)構(gòu)在完成抬紗工作過程中，由于3軸承擔(dān)任務(wù)不同，所以對(duì)該3軸要求的運(yùn)動(dòng)特性存在差異。為模擬3軸的運(yùn)動(dòng)特性，采用MATLAB/Simulink搭建了基于伺服電機(jī)位置環(huán)的運(yùn)動(dòng)模型，得出如圖13～15所示的3軸的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果。

圖13 Z軸前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)特性

圖13所示為控制Z軸運(yùn)動(dòng)方向伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在Z軸電機(jī)控制下，抬紗桿開始運(yùn)動(dòng)。該軸處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)速度為0.07 m/s，在t=2 s時(shí)控制Z軸的電機(jī)停止運(yùn)行，此時(shí)位移達(dá)到0.126 m，抬紗桿完全通過棕眼孔道。

圖14所示為控制X軸運(yùn)動(dòng)方向伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)Z軸運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，X軸隨即開始運(yùn)動(dòng)。該軸處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)速度為0.10 m/s，在t=6 s時(shí)控制X軸的電機(jī)停止運(yùn)行，此時(shí)位移達(dá)到0.325 m。

圖14 X軸前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)特性

圖15所示為控制Y軸運(yùn)動(dòng)方向伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)X軸運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，Y軸開始運(yùn)動(dòng)。該軸處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)速度為0.052 m/s，在t=9 s時(shí)控制X軸的電機(jī)停止運(yùn)行，此時(shí)位移達(dá)到0.146 m。

圖15 Y軸前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)特性

綜上所述，電機(jī)在運(yùn)行過程中準(zhǔn)確且穩(wěn)定，同時(shí)滿足3軸對(duì)應(yīng)所需的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而有效提高了輔助開口機(jī)構(gòu)在抬紗過程中的可靠性。

5 結(jié)語

課題組設(shè)計(jì)的輔助開口系統(tǒng)，在不影響原有織造工藝的基礎(chǔ)上，有效利用了多眼綜絲與各經(jīng)紗層之間形成綜眼孔道，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大梭口開啟的目的。采用基于PLC的的伺服電機(jī)控制3軸的順序運(yùn)動(dòng)，保證了輔助開口機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性；依據(jù)定長法掛紗工藝，輔助開口機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)各類型高性能纖維三維機(jī)織過程中具有通用性。課題組的研究成果對(duì)三維織機(jī)的改良優(yōu)化提供了參考。