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浙j 上i 业人学i ，r # 硕 ：学位论文 压电陶瓷电子提花机系统应用研究 摘要 纺织机械技术装备是我国纺织工业的物质技术基础，是纺织科技的重要载 体，纺织机械技术装备的发展关系到我国纺织工业的总体水平和竞争力。近十几 年来，作为纺织机械的重点之一电子提花机有了较大的发展。我国国内电子提花 机企业，通过科技攻关、技术引进、消化吸收及合作生产，技术水平有了很大提 高，能够满足国内中低档和少部分高档产品的需要。但是与国际先进技术水平仍 有较大差距，国内企业任重而道远。 本课题主要任务是将压电陶瓷双晶片驱动器应用到电子提花领域，开发一套 适合压电陶瓷双晶片驱动的选针机构和控制电路。并在这个基础上进行了选针参 数的测试。 本文首先介绍电子提花机国内外的发展现状。指出了目前电磁阀选针元件存 在的问题。接着介绍了压电驱动器的特点，其响应频率快、驱动电流小，不发热 等物理特性，决定了它作为电子提花选针元件的可能性，对国内外的压电陶瓷双 晶片进行了实际测试，其驱动力和位移符合电子提花选针的设计要求。在此基础 上设计了压电陶瓷选针机构并丌出了模具。然后设计了压电陶瓷选针控制系统， 并对压电陶瓷的驱动电源的一些关键元件进行校核计算，针对压电陶瓷的驱动特 点，对功率放大元件的热阻进行计算，最终通过对各部分的连接组合完成了一套 压电陶瓷电予提花控制系统。最后在自制的电子提花选针试验台上进行测试，使 用r 本的p h o t r o nf a s t c a m s u p e rf o ra n di o k c 高速影像仪进行一些提花参数 的测量，试验结果表明压电陶瓷双品片动作基本稳定。作用原理基本符合我们当 初的设计要求。 关键词：电子提花选针元件； 压电驱动器； 逆压电效应： 压电陶瓷双晶 片；功率放大器：直流稳压电源 塑垫! ：些叁堂! ：型堡竺堕堡苎 s t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sb i m o r p h i ne l e c t r i c a lj a c q u a r ds y s t e m a b s t r a c t t h et e c h n i c a le q u i p m e n to ft e x t i l em a c h i n e r yi s af o u n d a t i o n o f m a t e r i a la n dt e c h n i c a lo ft e x t i l ei n d u s t r yi nc h i n a a n dt h e r ea y ea n i m p o r t a n tc a r r i e ro ft e x t i l es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n i c a le q u i p m e n to ft e x t i l em a c h i n e r yi sr e l a t e dt ot h et e c h n i c a l l e v e la n dt h ec o m p e t i t i r ep o w e ro ft e x t i l ei n d u s t r y ，n e a rf o rm o r et h a n t e ny e a r s ，a so n ei m p o r t a n tp a r to ft e x t i l e m a c h i n e r y ，e l e c t r o n i cj a c q u a r d l o o mh a v e m a d eag r e a t i m p r o v e m e n t t h r o u g ht e c h n i c a la t t a c k ，t h e t e c h n i c a li n t r o d u c t i o n ，d i g e s t i o na n d a b s o r p t i o n ，a n dc o o p e r a t i v e p r o d u c t i o n ，t h et e c h n i c a ll e v e lo ft h ed o m e s t i ce n t e r p r i s eo fe l e c t r o n i c j a c q u a r dl o o mh a sab i ge n h a n c e m e n t i tc a ns a t i s f yt h en e e d so ft h e l o w g r a d ea n df e wp a r t so ft h eh i g h g r a d ep r o d u c t s 。b u ti nc o m p a r i s o nw i t h t h ea d v a n c e di n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yl e v e l ，t h ed o m e s t i ce n t e r p r i s e sa r e s t i l lah e a v yr e s p o n s i b i l i t y t h em a i nw o r ko f t h i ss u b j e c ti st h ea p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i c c e r a m i c sb i m o r p hi ne l e c t r i c a lj a c q u a r d ，w ed e s i g nt h eh e a l d h o o k s s e l e c t i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o l s y s t e m w h i c hi ss u i t a b l et ot h e c h a r a c t e r i s t i co fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ，a n dt e s tt h es t a b i l i z a t i o na n d r e l i a b i l i t yo ft h i ss y s t e ma c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o n i cj a c q u a r d i n t r o d u c e dh e r ea r et h es t a t u so fe l e c t r o n i cj a c q u a r di nt h ew o r l d ， i a n a l y z e st h ep r o b l e me x i s ti ne l e c t r o m a g n e th e a l dh o o k ss e l e c t i o n c o m p o n e n t t h e ng e n e r a li z et h ep r o p e r t yo fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ，s u c h a sf a s tr e s p o n s e 、l i t t l ed r i v e rc u r r e n t 、n o n h e a t w h i c hm a k ei tm o r e s u i t a b l ea sh e a l d h o o k ss e l e c t i o nc o m p o n e n t ，a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t o fd r i v e rd is p l a c e m e n ta n df o r c e 。w h i c hm e e tt h ed e m a n do fj a c q u a r d 。w e d e s i g nt h eh e a l dh o o k ss e l e c t i o nm e c h a n i s ma n dm a k et h ep l a s t i cm o d u l e ， 浙江i ：业人学i 。拌硕十学何论文 一。_ 。_ 。_ _ - 。_ _ _ - _ _ 。- 。_ _ - 。_ _ _ - 。- _ _ _ 1 _ - _ - 。_ _ _ - 。- _ _ _ _ - 。一 a n dd e v e l o pt h ed r i v e rs y s t e m ，ic a l c u l a t et h ek e y c o m p o n e n ti nt h i s s y s t e m ，e s p e c i a l i y t h ep o w e ra m p l i f i e ra n di t sh e a t e d - r e s i s t a n c e a t l a s t ，t h ep i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rs y s t e mo fe l e c t r o n i c j a c q u a r di s a s s e m b l e db ya llp a r t s w eu s et h ep h o t r o nf a s t c a m - s u p e ri o ka n di o k ch i g h s p e e d i m a g es y s t e mo fj a p a nt og e tt h ee x p e r i m e n td a t a ，t h er e s u l ti n d i c a t e t h a tt h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sb i m o r p ha c ts t a b l y ，s a t i s f yt h ed e m a n d o fo u rd e s i g ni nt h ef i r s tp l a c e k e y w o r d s ：e l e c t r o n i c j a c q u a r d h e a l dh o o k ss e l e c t i o n c o m p o n e n t ： p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ：c o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t ：p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c sb i m o r p h ：p o w e r a m p l i f i e r ；d i r e c tc u r r e n ts t a b i l i z e dp o w e rs o u r c e i i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 吖镅筇 日期岬钏月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保删 ( 请在以上相应方框内打“”) 储繇叶酬 别磴各每f 优 一， 月ov lf 月汐日 f ( 月钞日 嗲 期期日日 浙江1 ：业人学l ：科硕十学位论文 第一章绪论 提花机是一种利用各种颜色不同的经纱、纬纱相互交织形成大花纹组织织 物的机电一体化产品。随着人民生活水平的提高，对提花织物的需求也越来越 大，而且随着计算机技术的发展，提花技术经历了一个漫长的发展历程，在融 合现代机械、信息、电子技术的基础上逐步走向成熟。发展至今，提花机的技 术也更加成熟，电子提花机的市场将会迎柬春天。 1 1 目前纺织机械的发展前景 纺织机械技术装备是我国纺织工业的物质技术基础，是纺织科技的重要载 体，纺织机械技术装备的发展关系到我国纺织工业的总体水平和竞争a t ”。近 十几年来，作为纺织机械的重点之一电子提花机有了较大的发展。我国国内电 子提花机企业，通过科技攻关、技术引进、消化吸收及合作生产，技术水平有 了很大提高，量大面广的传统纺织纤维加工机械基本实现了自给，能够满足国 内中低档和少部分高档产品的需要。国产纺机设备国内市场份额保持在5 0 左 右。由于产品技术水平的提高，产品出口量值大幅增长，企业产销形势良好， 行业经济运行取得了历史最好业绩。目i ；i ，我国纺织机械制造业在整个机械制 造业中己达较高水平，其中很多品种如无梭织机、自动落筒机及轻钢联设备等 已可替代进口设备，价格又比进口同类产品平均低3 0 。 但是权威人士指出，我纺织机械制造水平与国际先进水平仍有相当差距。 机械制造业作为一种综合的产业，其水平的提高还有赖于原材料、电子元器件等 相关产业水平的提高。总体上，随着经济全球化趋势的发展和纺织工业外向型产 业的转变，国产纺机器材还不能满足纺织工业结构调整的需要，每年仍然要从发 达国家引进先进的纺织机械装备。在未来几年内，我国纺织企业对进口设备仍会 有较大的现实需求。 1 2 国内外提花技术的研究现状 电子提花机与新型无梭织机配套，可制织各种原料的大花纹提花织物。特 别是满足少批量、多品种的个性花生产的需要。国外从六十年代丌始对电子提 花机进行研究，七十年代便出现了第一代电子提花机。较著名的如博纳斯、史 陶比尔、g r o g s 等公司生产的电子提花机。目前国际上主流提花机的生产现状 浙江1 ：业人学i ：程硕十学 市论文 如表1 1 【4 】- 【8 】所示。 德国g r o s s法国s t a u b l i英国b o n a s 型号 e j p 一2 型c x 8 8 0 i ) s j 2 犁 赢速、高效电子提花机，新犁高性能电子提花机。电子只有多到1 2 1 梭口设定。 模块式经纱方向提刀结控制式烈提刀提花机，带史陶舣提刀全开梭口提花机。 结构构。每把提刀控制6 4 根 比尔c x 组件，方便的i 业接5 0 0 系列及5 5 0 系列可与 与特经纱保持载荷恒定。独 头。适埘高速的喷气织机。设 b o n a s网络及p c 占 立的提综方式，且提综时计原理全面地满足了现代化 e d i t w e a v e 系统兼容接 弹簧不受力。选针原理更 织造对丁止反运转速度以及近无限的花样。 加先进。 维修的优化要求。 系统 共轭凸轮带动的复动式共轭凸轮带动的复动式提花曲轴和偏心轮驱动 原理提花机机 适用高速剑杆、喷气、片梭 剑杆，喷气，片梭 范罔 剑杆、片梭喷气 电子式，独立控制箱，与电子式，独立控制箱，与织机 网络化的提花控制系统。 织机同步。同步。程式储存颦按1 3 4 4 针为 控制 程式储存苗按1 3 4 4 针为 稃式储存颦按1 9 0 8 针为2 0 0 0 ， 2 0 0 0 。0 0 0 纬2 6 8 8 针为1 ，8 0 0 0 0 0 纬 l ，0 0 0 ，0 0 0 纬 机器 1 4 0 8 。2 6 8 8 针( 单体) ，现在二种型号1 3 4 4 ，2 6 8 8 ， 规格 最人可至1 3 4 4 0 针虽人可至1 2 2 8 8 针3 2 0 0 针，电子板可装、 以及中间针数绵台拆 辅助可选的电子控制的自动 与润自动寻纬装置，中央润滑系统润滑装置及清闲空气系 滑 统 生产被浙江舟山弘通精密机 现行生产现行生产 现状械有限公司收购 目前国际上在电子提花机上处于领先的s 1 _ a u b l i 公司，其研制的u n i v a l 1 0 0 已经在2 0 0 4 年的纺机展览会上展出，其最大的创新之处在于在用单独的步 进电机来控制每根经纱，这样既减小了冲击，又能使经纱的运动完全独立，而 且从控制角度柬说，也更加容易实现。 纺织机械技术装备是我国纺织工业的物质技术基础，是纺织科技的重要载 体，纺织机械技术装备的发展关系到我国纺织工业的总体水平和竞争力。目前 国内各大纺织企业纷纷丌发6 0 0 转m i n 剑杆和喷气织机，见表1 2 、表1 3 。【9 1 - 【“l 。 表1 2 机电一体化高速剑杆织机的调查情况 l生产单位 项目名称 立项部门 项目进展 f 中国纺织机械股份有限公 万事达新龙剑杆织机中外合作项目 己批域生产，是国内较为成| l 司熟的产品。 浙江j ：业人学i ：稃硕十学位论文 经纬纺织机械股份有限公 高速剑杆织机白选 己完成样机试制。小批鼙生 司 卢 高泞纺织机械有限公司g j 6 0 0 剑轩织机国家科技部已通过鉴定，小批量生产 苏州纺织机械有限公司g a 7 3 3 a 剑杆织机江苏省科技厅已通过鉴定，小批荜生产 项目按计划如期进行，目前 g t 4 0 7 型高速电子多臂 江苏省科技厅止处丁批量中试和改进阶 常熟纺织机械厂有限公司 装置 段。 g t 5 l1 型l 乜千提花装置国家经贸委 已通过鉴定，小批晕生产 浙江泰坦股份有限公司t t 2 0 0 0 剑轩纵机国家科技部已通过鉴定。小批鼙生产 浙江万利纺织机械有限公 w l 4 5 0 剑杆织机白选 项目完成，按计划处丁批耸 司 中试和改进阶段。 聊城吕润纺织机械有限公 c r l 0 0 0 剑朴织机白选项目完成，小批簧生产 司 人连市外经贸样机己研制完成，通过样机 人连恒为电子有限公司织物疵点侄线检测系统 娄试验验证，计划明年初鉴定 广东丰凯机械制造有限公 k t 5 6 6 剑杆织机j t 尔省科委已通过鉴定小批譬生产 司 r 州柏迪纺织( 机械) 公 p a ll e i p s 6 0 0 剑杆织机白选 项目按计划完成，目前止处 司 丁| 小批量生产阶段。 表1 3 机电一体化喷气的调查情况 生产单位项目名称立项部】项目进展 己完成样机试制止在 中国纺织机械股份有限公司高档喷气织机上海市经委 。艺验证 经纬纺织机械股份有限公司 喷气纵机臼选已完成样机试制。 愉次分公司 经纬纺机股份公司沈r 1 宏人 喷气织机 技术引进，自主开己完成样机试制，小批 纺织机械公司 发鼙生产 经纬纺机股份公司咸阳织机 喷气织机 技术引进，自土开 先后引进和研制多种型 号， 公司 发 批鼙生产 已通过鉴定，小批量生 苏州纺织机械有限公司a s g a t 0 1 喷气织机江苏省科技厅 产 无锡龙力机械有限公司喷气织机自选已通过机械鉴定。 江苏省科技_ | 丁、江已通过鉴定，小批鼙生 江苏万翻斗技集团有限公司w 6 2 0 0 0 喷气织机 苏省经贸委 产 浙江泰坦股份有限公司t t 8 0 0 喷气织机臼选样机完成 样机完成，处丁1 ：艺验 浙江日发纺织机械有限公司r f j m o 喷气织机臼选 证 己通过鉴定，小批鼙生 广东丰凯机械制造有限公司喷气纵机白选 产 近期已通过鉴定，小批 f i 家庄市纺织机械有限公司s g a 2 1 1 喷气织机河北省科委 苗试制 已完成样机试制，小批 陕两普声电气公司 喷气织机臼选 鲑生产 高速剑杆和喷气织机的研制，客观上要求有高速高效的电子提花机配套。 但是国内电子提花机研究起步比较迟，8 0 年代丌始提上议事r 程。至今，国内 浙江l ：业人学i + 拌硕+ 学付论文 对提花机的生产已有一定的基础。如常熟纺机厂生产的2 6 8 8 针电子提花机、杭 州奇汇生产的q h 系列提花机，浙江舟山弘通精密机械有限公司生产的c c j 系 列智能提花机等。其性能较以往已有了较大的提高，但与s t a u b l i 及b o n a s 等国际品牌相比还有一定的差距。另一面，国内现有的电子提花机的技术原创 性很少，特别是对提花机中的关键部件( 电信号到机械量转化部件) ，没有进 行更多有效的研究。 1 3 目前电子提花控制元件发展现状 上一节提到的s 1 a u b l i 、b o n a s 、g r o s s 三家公司代表了国际提花机的 先进技术【2 】，那我们现在来看一下他们提花机中的关键部件控制阀的结构。如 图1 1 中的( 1 ) 结构是s t a u b l i 的电磁阀选针元件的结构简图，其原理主要 是：通过提刀1 2 的上下运动带动竖针6 做上下往复运动，在提刀达到最高位置 时，电磁阀通电，竖针6 使固定钩4 上部靠向电磁阀5 ，弹簧3 被压缩。当下 一次竖针运动到这里，若电磁阀不通电，则弹簧3 使固定钩4 复位。只有两边 的竖针都处于上方的时候，经纱j 被提升，形成丌口。s t a u b i l i 公司在精密 制造方面都是采用国际一流的加工设备，保证了其加工精度，并且把选针阀做 成模块化一c x 组件，每个组件包括两根竖针，两个固定钩，两个弹簧和一个 电磁阀，特别是下面的工业接头，s t a u b l i 都把它做成了标准化，和公司的工 业机器人工业接头做成同一个标准，可以说，s 1 i a u b l i 在精密机械电子领域的 技术优势，使得其电子提花选针元件在国际上处于领先的位置。 图1 1 的( 2 ) 是b o n a s 的选针元件的结构简图，b o n a s 的选针元件在 原理上与s t a u b l i 基本相同，都是属于复动式丌口，其主要的区别在于b o n a s 4 浙江j ，业人学i ：群硕十学位论文 ( 1 ) s t a u b l ! 控制阀 ( 2 ) b o n a s 控制阀 ( 3 ) g r o s s 控制阀 图1 1 各种选针阀结构图 的竖针3 是有弹性的钢片，其复位靠竖针的自身的弹性来达到。这样的电磁阀 的机构可以更加简单，但是对于电磁阀的磁力要求更高，需要比s 1 a u b l i 选 针元件的力要大，这就要求通过电磁阀线圈的电流要大，因而要消耗更大的能 量。 图1 1 中的( 3 ) 是g r o s s 的选针元件机构简图，g r o s s 公司前期并不是 做纺织行业的，所以它进军电子提花行业，没有在以往机械式提花机上做修补， 而是开发了全新的电子控制系统和结构，在电磁阀的设计上，采用了可靠的竖 针结构，在加上片簧8 和电磁阀1 构成了阀体的基本模块。选针原理和上述的 两种结构基本相同。主要区别在与提刀4 、5 是径向运行，而且提刀的长度相同， 所以不管提花机竖针数目的多少，也只是提刀数目的变化，提刀受到的应力水 平都是相同的。这对系统的稳定和保证提针的效果是很有好处的。 1 4 目前电子提花机控制元件存在的问题及本课题研究意义 目前国内外电子提花机普遍是采用电磁阀柬控制选针的，其工作原理如图 1 2 所示【1 3 】。以往提花机的机械选针方式是通过多环节的机械传动，便通丝升降， 0日m渊川圳粹bllij描nmm鞘缔m三二 浙江i ：业人学j ：稃硕十学位论文 其复位是消极式的， 电磁阀电子板，如图 1 2 由提刀a 、b 带动 左右片钩a 、b 做周 期上下运动，当提刀 8 向上运动的顶点位 置时，给电磁阀加 电，产生吸力吸住左 片钩，使其挂在挂钩 6 上，这时提刀b 上 升就带动滑轮3 往上 运动，形成梭口高度 因而在高速运动的时候。容易发生错位和磨换。现在改用 鳓劬 c ) 锄 图l 2电磁阀工作原理图 h 。电磁阀断电时， 1 一电避阀2 一l | 皮带3 一i 轮4 一下皮带，一斟定颦6 - - 就由弹簧1 0 弹性回 挂钩7 一凸台8 一综丝9 一经纱1 0 一弹忡i 口j 综a 8 一一左台 综。这种选针方式很 片钩8 b 一左右刀， “一纾纱开u 高度 简单，电子化程度高，大大减少机械活动部件，动作可靠敏捷，磨损少，维修 方便。更换电磁阀不必拆卸通丝，虽然有这么多的优点，但是这种电磁式选针 装置有其不可弥补的缺陷，对它的发展带来了直接的影响。其原因有： 由于提花机针数很多，一般在几百针以上，所以需要的电磁铁也就很多。 通常每个电磁铁线圈大约需几十毫安的电流或更大，因此电磁选针部分的 耗电很大，而且会产生几十安培的冲击电流。 由于电磁铁属于感性负载，电流瞬变时会产生过渡过程，有时会发生有害 的振动。特别是由于电子提花机上电磁铁排列密度高、速度快，电磁铁在 工作中产生的剩磁很难完全及时排除。 织布车间中的电机、电灯及其他电器等在工作中的电磁场的干扰以及提花 机上的电磁铁通、断电时产生的电磁场的相互干扰，这些都会影响电磁选 针装置和其他控制机构的币常运作。 6 浙江j ：业人学i ：群硕十学位论文 既然电磁选针存在了这么些问题，那有没有合适的选针元件的能替代电磁 阀呢? 答案是肯定的。我们从针 织选针元件一压电陶瓷得到启 示，压电陶瓷能否应用到电子提 花机的选针上来。下面图1 3 是 压电陶瓷片在袜机上的应用情况 【1 4 】- 【1 郇，通过压电陶瓷片的来回摆 动来确定袜机的提花针是否沿着 组合三角运动。其选针的速度可 以达到1 5 0 0 转m i n ，最高可达 2 8 图1 3 压电双晶片在袜机上的应用 到3 0 0 0 转m i n ，而且动作稳定，压电陶瓷选针器在国外针织上已经成功应用 了1 0 多年的时间，已经算是比较成熟的技术。 虽然在选针机理上针织和机织的提花有本质的区别，针织提花针数一般都 比较小( 几针到几十针) ，由于针织是旋转运动，所以其选针元件的频率更加高。 但是可以为我们的实验提供参考。 而且压电陶瓷双晶片有很多内在优点，驱动电流小，耗电量为电磁阀驱动 图1 4 国产针织压电陶瓷选针阀 的1 1 1 0 ，不发热，没 有电磁干扰，完全可 以解决电磁阀式机 器散热的问题。响应 频率快，频率达到兆 级。 为此我们对压电 陶瓷双晶片的情况 进行了调研，期日j 我 们去了重庆，他们曾 参加开发过压电陶瓷在针织行业中的应用。当时由于种种原因没有丌发成功。 但是他们相信这个项目是可行的。而且我们也有幸看到他们以前开发模型，如 图1 4 所示，压电陶瓷双晶片和模型都是自主开发的，也已经应用到了实际的 浙江 ：业人学l ：程硕十学位论文 生产应用，但最终没有作为产品推出。后来我们找到了同本的w a c 选针器， 在针织上已经应用了很多年，如在横机，袜机等上都有应用，我们购买了w a c l 6 针的选针器，其实物如图1 5 所示。 图1 5 日本w a c 选针器实物图 从实物中可以看得出w a c 选针器的设计与制造都是非常精密的，但是在 袜机和横机上选针器都是运动的，其所用的选针器个数并不多，所用的压电陶 瓷双晶片尺寸也比较大，长宽高分别为6 0 x 2 6 x 0 6 ( m m ) ，这在电子提花机上是 致命的，而且w a c 选针器所用的压电陶瓷双晶片，全部都是r 本进口的，价 格非常高，这也是我们所不能承担的。因此我们在国内寻找压电陶瓷的研究开 发机构，终于找到了非常有实力的国产开发压电陶瓷的公司，通过我们与公司 的接触，了解到他们目前也在开发在针织上应用的压电陶瓷双晶片，得知我们 的来意之后，公司对我们的项目也非常支持，给我们提供了一些不同规格的压 电陶瓷双晶片进行测试。 1 5 基于压电陶瓷电子提花机的开发设想 上一小节我们主要分析了目前电子提花机存在的一些缺陷，我们可以比较一 下压电陶瓷在这方面的优势，从理论上分析压电陶瓷驱动电流小，功耗低， 浙江l 业人学l ：程硕十学位论文 对冲击电流的抗干扰性很强，并且发热小。不存在电流瞬变时的过渡过程而发 生的有害振动，更不存在受电磁场干扰等现象，而且其响应的频率非常高，空 载的时候频率能达到几兆每秒，在高速织造中动作稳定，可靠性高，因而有利 于进一步提高提花织机的速度。 本论文主要在以下方面展开工作： 1 由于压电陶瓷属于精密驱动元件，在提花机上作为从电信号到机械量转化 的部件，位移量达到了m i l l 的级别，这对压电陶瓷来说是属于大量程，而且 压电陶瓷属于容性器件。这就对电源提出了要求，需要设计一个符合压电陶 瓷量程的驱动电源。 2 压电陶瓷的位移达到了m m 的级别，但是对提花选针的机械控制来说还是 太小。这就需要设计一套合理的放大机构和选针机构束满足提花选针的设计 要求，这也是本论文的创新之处。 3 压电陶瓷和以往的电磁驱动有本质的区别，所以要求重新设计驱动电路， 对一些关键的元件进行校核设计。 4 为了完成选针测试，必须对原有的提针机构改装为压电陶瓷选针测试试验 台，并画出c a d 图纸交由厂家生产。 1 6 本章小结 本章首先介绍了一些提花机的基本知识，分析了国内外电子提花技术的发展 概况，介绍代表电子提花机国际先进技术三家公司的典型产品及其优势，并且 简述了国内纺织机械行业近年来取得的技术成果。在此基础上。指出目前电子 提花关键元件电磁阀存在的问题，并由此引出压电陶瓷选针元件研究的必要性 和可行性。本章的最后概述了本论文所要解决的主要问题。 9 浙江f ：业人学f j 警硕十学位论文 第二章压电陶瓷原理与测试 压电陶瓷是一种将电能转换成机械能或相反过程的一种陶瓷功能材料。压 电陶瓷这项技术目| j i 已在国外广泛应用于电子产品、航空等关键控制装置中， 其基本理论、原理、结构方法已只趋成熟，稳定性、可靠性已大大的提高。压 电陶瓷技术同样可应用在纺织机械行业中。常用电子提花机关键装置一选针装 置大多采用电磁阀式选针装置【9 1 ，其缺点是能耗大，发热量大且不容易排除， 电磁线圈闭合、断开时产生的反电动势会对电路有较大的冲击等缺点。压电传 动利用压电陶瓷片代替传统的电磁铁作为选针装置。压电陶瓷材料具有明显的 位移传感特性，表现为j 下、反两个方面：一方面给压电陶瓷施加一个压力产生 位移，得到信号，称为正压电效应【l o l ；另一方面是给压电陶瓷施加电场产生位 移，称为逆压电效应。利用压电陶瓷的逆压电效应产生的挠度位移和弯矩来控 制选针。由于压电陶瓷片本身对冲击电流抗干扰性很强，并且发热小。不存在 电流瞬变时的过程而发生的有害振动，更不存在受电磁场干扰等现象，特别是 在高速运转织机中动作稳定，差错率低，因而有利于进一步提高提花织机的速 度和减小功率消耗。 2 1 压电陶瓷片的压电效应和性能参数 2 1 1 压电陶瓷片的压电效应 压电陶瓷最大的特性是具有萨压电性和逆压电性。j 下压电性是指某些电介 质在机械外力作用下，介质内部f 负电荷中心发生相对位移而引起极化，从而 导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。图2 1 所示。在外力不太大 的情况下，其电荷密度与外力成正比，遵循公式l ： 占= d t( 2 一1 ) 其中万为面电荷密度，d 为压电常数，r 为伸缩应力。 0 一上一j r 一1 放电 圈破电 图2 1 正压电效应示意图 l o 浙江1 ：业大学l ：样硕十学位论文 反之，当给具有压电性的电介质加上外电场时，电介质内部f 负电荷中心 不但发生相对位移而被极化，同时，由于此位移而导致电介质发生形变，这种 效应称之为逆压电性。如图2 2 所示。当电场不是很强时形变与外电场呈线性 关系，遵循公式： x = d ，e ( 2 2 ) 一 其中z 为压电应变常数，e 。为外加电场，x 为应变。 图2 2 逆压电效应示意图 压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之i 丑j 的耦合程度，即机 械效应与电效应之间的耦合程度，用机电偶合系数k 表示。 2 1 2 压电陶瓷的压电方程 1 2 1 极化后的压电陶瓷是横向各向同性的，一般规定极化方向为z 轴方向。其 电弹常数矩阵和六方晶系6 m m 点群压电晶体的电弹常数矩阵形式完全相同。由 电弹常数矩阵可写成压电陶瓷的压电方程。 x l ：s 膏x i + s i e 2 x2 + j 5 x 3 + d3 i 3 ， ( 2 3 ) x 2 = j ：l + j i x2 + s i z 3 + d3 l e 3 ， ( 2 4 ) x 3 = s 占x 1 + j 矗x 2 + s 蠡x 3 + d ”e 3 ， 工4 = s 二x 4 + d t ，e 2 ， x 5 = ，“e x5 + d 1 5 e l ， = 2 g 异一s 盘弦。， d l = d j 5 x ，+ f i e l ， ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 浙江i ：业人学i ：稗硕十学倚论文 d 2 = d i ，x4 + 占j e 2 ， ( 2 - 1 0 ) d ，= d 3 l x i + d 3 x2 + d ”x ，+ 占五e 3 ， ( 2 1 1 ) 若在垂直于z 轴方向的表面加上会属电极，当在电极上加上电压时，这时 所产生的电场可近似认为只有，= e 0 ( 忽略了电极的边界效应) 。由上 列方程组的f i i 两个方程式可知，这时将会在x 和y 方向产生正应变而和工：，如 果所加电压是交变的，晶片将产生沿x 和y 方向的振动，这种振动称为横向振 动模式( 电场垂至于振动方向) 。由上列方程组的第三个方程式可知，这时还将 会在z 方向产生正应变x 。，这种振动称为纵向振动模式。 若平行于z 轴方向的表面加上会属电极( 去掉原极化电极) ，当在电极上加 上电压时，这时所产生的电场可近似认为只有e 0 或e ，0 ( 忽略了电极的 边界效应) 。由上列方程组的第五或第四个方程式可知，这时将会产生切应变 x 5 = 而3 = x 。或x 4 = x 2 ，= x 。，这种振动称为厚度切变振动。 2 1 3 压电陶瓷片参数 我们对国产的压电陶瓷片进行分析，压电陶瓷片包括压电双晶片和基板两 部分。国产的压电陶瓷片的参数如表2 1 所示。 压电陶瓷的最佳工作状态位于谐振频率区域。当所加电压的频率与压电陶 瓷的固有机械振动频率相同时，就会引起共振，使振幅大大增加。在工作中应该 回避这种状态。当要求谐振状态出现在电源回路的表现为：压电陶瓷的电阻抗最 小，电流最大。 但是与此现象相对应地，压电陶瓷也存在一个反谐振频率，此时电源回路 表现为电流最小，而阻抗最大。 表2 1 压电陶瓷片参数 1 2 浙江f ：业人学i ：挫硕十学何论文 2 1 4 压电振子等效电路及谐振特性 如图2 3 所示，其中厶为谐振频率， 为反谐振频率。 欧姆 n 基 蛊 图2 3 压电陶瓷频率图 由参考文献1 1 4 1 明给出的主要动态参数一谐振频率，的计算公式如下： ，：三羔 7 。4 7 c l 2等搿r 治 4 ( 1 + b ) 2 ( b c + 1 ) j 。 式中的 为频率系数。 对于该公式代入上表中有关参数的具体数值，计算如下： 告 、 1 诊告 浙江l + 业人学i 程硕十学 市论文 障4 0 蒜筹1r【+ b ) 2 c 8 c + ) j ：坚幽旦型堕尘型r ：o 9 9 l 4 ( 1 + o 2 ) 2x ( 0 2 1 1 + 1 ) l 岳= 。l 熙l o x l o ：圳蚯s ( 2 - 1 3 ) ( 2 一1 4 ) 当i = 1 时，有 = 1 8 7 5 ，则；= ：嬲。9 9 2 1 9 6 5 = 1 5 8 3 ( 2 - 1 5 ) 当i _ 2 时，有如= 4 6 9 4 ，则厶= 当4 n 嬲 x 6 2x x n 9 9 2 1 9 6 5 = 9 9 1 9( 2 1 6 ) l o ” 计算得到理论谐振频率 石= 1 5 8 3 h z 正= 9 9 1 9 胁 2 2 压电陶瓷双晶片测试结果与分析 目前国内外学者对压电双晶片的基本理论与应用进行了研究。提出了压电 双晶片结构的静态本构方程f 3 7 】1 3 8 1 ，并对其动态特性进行了分析，所研究的双晶片 结构是两片压电片直接粘贴在一起，没有考虑中| 日j 弹性梁。针对有央层弹性梁的 情况，并没有推导出具体计算公式。目前，压电片和弹性梁的选择还是凭经验和用 实验验证的方法。在实际应用中压电执行器最主要的指标是驱动位移和驱动 力。在参考了目l j i 的推导的一些计算压电陶瓷片( 没有中间弹性梁) 的计算公 式3 9 1 。，考虑到我们使用的压电双晶片( 有中| 日j 弹性梁) ，并且是大量程的驱 动位移。对计算公式进行了简化如下： 。4 e d 3 i 口= = 一 f z = 5 d 3 1 1 l 2 ( t f + 正一) e e = 百3 d j j w t 2 e ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 式中：口为双晶片末端转角，a z 为双晶片木端位移，疋为双晶片转角为零时 所受力；d 3 。为横向压电常数：s 厅为稳恒电场e 作用下x 轴方向的机械柔顺系 1 4 浙江l ：业人学j ：群硕十学1 奇论文 数：l 、w 、t 分别为双晶片的长、宽、高。 压电陶瓷的介电常数d 。压电陶瓷的d ，。越大， 位移越大。 压电陶瓷几何尺寸。陶瓷厚度小，长度大、相 对位移大：反之位移小。 中间电极层材质及厚度。中间电极越厚、越硬， 位移越小。 图2 a 双晶片变形结构示意田 驱动电压。在一定范围内，位移量与电压成正比。 我们刚开始使用同本w a c 的压电陶瓷片进行钡0 试，由于这种压电陶瓷双 晶片在针织上已经有过成功的应用，所以我们先对w a c 的双晶片进行测试， 测试结果如图2 5 所示。 图2 5 压电双晶片电压一位移图 规格为：长宽高为6 0 x 2 0 x 0 5 ( m m ) ，中心电极瓦印1 m m ：采用p m c - - 8 2 材 料，以= 2 6 。x l 。 m v ；s 厅= 而3 9 r 5 忡2 】；若电压为6 。v 时： z ：5 x 2 6 0 x 1 0 - 9 x 6 0 z _ ( 0 5 + 0 1 一) x 6 0 ：1 3 4 m m 】 ( 2 2 0 ) 0 5 e：3x260 xlo-12x20xo52 x 1 2 0 x l o a ：o 1 9 7 n ( 2 2 1 ) 一 6 0 x 3 9 5 浙江i ：业人学i 稃硕十学何论文 和测量的结果基本吻合，也满足了提花机的设计要求，但是由于压电陶瓷片的 宽度为2 0 r a m ，对提花机整体尺寸影q 自比较大，而且只本进口的双晶片价格也 太高。因此我们在分析原有电磁阀选针元件的基础上，选定了压电陶瓷双晶片 圈z 6 星产压电双晶片电压一位移璺 图z 7 国产压电双晶片力一电压图 的驱动力、驱动位移、基本尺寸和连接方式等，国内公司按照我们的要求为我 们提供了样品，其压电陶瓷双晶片规格为：长宽高为6 7 x 1 5 x 0 6 ( m m ) ，中心电 极为o 1 m m 。我们对其产品进行了测试见图2 6 ，2 7 所示。为了达到我们设计 需要的位移和驱动力，从图中我们可以看出在9 0 v ，z = 0 9 t o n i ，e = 0 2 8 6 n 基本上可以满足我们的设计要求。图2 7 所示的位移曲线也说明了双晶片的电 浙江i ：业人学i ：程硕+ 学位论文 压位移关系并非是线性成比例的。国内的产品相比与同本的w a c 的压电双晶 片明显在驱动电压上要高很多，但是由于价格也相差太大，我们使用了国产的 压电双晶片作为我们丌发电子提花产品的执行元件。 2 3 本章小结 本章对压电陶瓷选针阀的结构原理进行了阐述，分析了选用的压电陶瓷的 逆压电效应以及其性能参数，我们尝试使用压电双晶片作为压电驱动器的执行 元件。对影响压电陶瓷的主要性能参数进行了总结分析，阐明了压电驱动的基 础性问题。并在2 1 3 小节罩面对目前国际国内的压电陶瓷片进行比较和参数测 量，进行了理论核算，最后综合各种因素，我们选择了国产的压电陶瓷双晶片 作为我们电子提花选针的执行元件。 浙江j ：业大学j ：稃硕十学位论文 第三章压电陶瓷双晶片选针机构设计 在前面的一章罩面分析了压电陶瓷双晶片的理论响应频率、电压一出力和 电压一位移曲线，为我们下面设计的压电陶瓷选针机构提供数据参考。本章节 所要设计的选针机构必须符合高速电子提花机的选针原理，而且还要体现压电 陶瓷双晶片本身具有的优势，体积小、重量轻、频率高、驱动电流小、不存在 电磁干扰等。可以说选针机构的设计直接关系到本次设计的成败。 3 1 压电选针机构结构原理 本电子提花机是将电子织纹c a d 处理好的花型文件输入到提花机微机控制 系统，在送给提花组件，组件由压电陶瓷选针阎体自由组合组成。每个选针阀 包括壳体、竖针、 挂钩、滑槽，凸部、条状压电陶瓷双晶片、t 型杆等主要部 件。其工作过程如图3 1 所示，图中在阀体的中间放一个有顶端固定的压电陶 瓷双晶片，通过一个铰链和3 t 型臂连接在一起，在阀体的滑槽罩有两个弹性的 钢片竖针，竖针的尾部分别与滑轮上的绳子相连，竖针和传统的机械提花机一 样，各自放在左右提刀8 a 、8 b 上，阀体l 底部l c 、l d 凸台，保证了在压电陶 瓷双晶片不动作的时候，竖针始终跟随着提刀作上下运动，因提刀的动作关系， 当一根竖针在往上运动的时候，另一根竖针必定在往下运动，所以挂在滑轮底 部的经纱1 1 始终没有被提升。从图上可以看出，要想提升底部的经纱1 l ，左 右竖针同时挂在壳体的1 a 、1 b 左右挂钩上。 对于压电陶瓷双晶片选针阀的提针原理简述如下： 位置( 1 ) ：也就是我们说的综平位