（机械设计及理论专业论文）压电陶瓷电子提花机的开发.pdf

摘要 摘要 电子提花机是一种先进的纺织设备，目前国内企业使用的提花机主要是电磁铁式提花 机。本文阐述了电磁式电子提花机存在的问题和压电陶瓷式电子提花机的优越性，指出了 压电陶瓷式电子提花机是电磁铁式提花机的替代产品。本论文是在已有的电磁铁式电子提 花机的基础上，开发压电陶瓷式电子提花机，主要内容包括以下几部分； 1 根据已有提花机的结构特点，结合工厂实际应用环境，设计一组四针的 压电陶瓷选针机构。 2 设计制作适合本压电陶瓷电子提花机的驱动电路板和控制电路板，并根据提花工 序，编制单片机程序，配合上位机控制软件，实现对压电陶瓷电子提花机的控制。 3 编制上位机控制软件，实现对压电陶瓷电子提花机的实时控制，并监视提花机的 工作状态，如工作进程等。 实验测试表明，本论文所设计的压电陶瓷电子提花机具有较高的节能和抗干扰能 力。编制的上位机控制软件实现了预期功能。 关键词：逆压电效应；压电陶瓷；选针机构；m s c o m m a b s t ra c c p i e z o - e l e c t r i cc e r a m i c se l e c t r o n i cj a c q u a r dm a c h i n ei sak i n do fa d v a n c e ds p i n n i n g e q u i p m e n t ，a sa l la l t e r n a t eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cj a c q u a r dm a c h i n eg e n e r a l l yu s e di no u r e n t e c p 6 s e s b u t ，t h ed o m e s t i cp r o d u c t so ft h ep i e z o - e l e c t r i cc e r a m i c sd r i v e np i c k - n e e d l e m e c h a n i s mf o rt h ee l e c t r o n i cj a c q u a r dm a c h i n ea r ed e f e c t i v ei nn o i s i n e s s ，i n a c c u r a c y , a n d p o w e rc o n s u m i n g t h et h e s i sw o r ki st o d e v e l o p a l le l e c t r o n i c j a c q u a r dm a c h i n ee q u i p p e dw i t h p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c st oc o p ew i t ht h es h o r t c o m i n g sm e n t i o n e da b o v e f o l l o w i n gi st h e c o n t e n to ft h et h e s i s ： 1 t h ef o u r - p i c k i n g - n e e d l em e c h a n i s mw i t hp i e z oe l e c t r i cc e r a m i c si sd e s i g n e d , i n m o r d a n c ew i t ht h ec o n f i g u r a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a l j a c q u a r dm a c h i n e 2 t h ec i r c u i tb o a r do f t h ed r i v i n ga n dt h ec o n t r o l l i n gs y s t e m sa t ed e s i g n e da n d f a b r i c a t e d t h es o f t w a r eo ft h es i n # e - c h i pc o m p u t e ri si m o e m e n t e d 3 t h et o p - c o m p u t e ri s e q u i p p e dw i t h t h es o f t w a r e s y s t e m ，a s s o c i a t e dw i t h t h e s i i l g b c h i pc o m p u t e r , t oc o n t r o lt h ep i e z o - e l e c t r i cc e r a m i c sd e c t r o n i cj a c q u a t dl o o m ， a n dt om o n i t o rt h ew o r k i n gc o n d i t i o n r u n n i n gt e s t o nt h ep r o t o t y p ed e m o n s t r a t e st h a tt h en e w l yd e v e l o p e dm a c h i n ei s e f f e c t i v ei ne n e r g y s a v i n ga n da n t i - d i s t u r b a n c e k e y w o r d s ：p i o z o - o i c o t r i cc e r a m i c s ：e i e c t r o n i cj a c q u a r dr o a c h i n o ：p i c k i n g - n e e d i e m e c h a nis l i t j 关于硕士学位论文使用授权的说明 论文题目： 压鱼陶瓷皇壬握垄扭的珏蕉 本学位论文作者完全了解大连轻工业学院有关保留、使用学位论文的 规定，大连轻工业学院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、汇 编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 是否保密( 谚) ，保密期至 年月日为止。 学生签名：主医她 导师签名： 伽否年乍月，le t 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 近十几年来，随着电子技术的广泛应用，传统的机械产品发生了重大的变革，例如 工业机器人、数控机床、医疗器械等等。这些巨大的变革正是由于机械和电子技术密切 结合的结果。这两者的高度结合称为机电一体化技术，它的应用范围很广从近几年的 国际纺织机械展览会上可以明显看出纺织机械新产品主要的改观和功能的提高无不体 现机电一体化技术的应用“1 ，而当前各国纺织机械厂商研究的焦点聚集在如何通过机电 一体化的途径实现高度的自动化。总之，机电一体化产品的优越性是传统机械产品无法 比拟的。 1 2 我国纺织机械的发展水平 我国的纺织机械工业是依赖于纺织工业的发展而发展的。因此，入世将给纺织机械 工业带来新的机遇和更为猛烈的冲击。与国外先进的纺织机械设备相比，目前我国纺织 机械工业有以下不足： 1 产品技术含量较低； 2 机电一体化程度不高，特别是新型纺织机械的开发生产才刚刚起步； 3 产品的内在质量和可靠性与国外同类型产品相比仍有一定的差距。 但也应看到，我国纺织机械产品技术水平不高、技术含量低的一个重要原因是投入 不足，采用先进加工技术和先进加工设备的力度不大。在今后，我们要更多地利用国际 投资，为我国纺机工业注入新的活力嘲。 随着技术改革投资力度的加大、产品结构的调整，我国纺织机械产品的质量、水平、 档次将会有较大幅度的提高，这一优势必定会大有可为。 一1 - 第一章绪论 1 3 提花织造技术简介 提花织物是利用复杂的织物组织配以不同颜色或种类的经纱和纬纱编织而成的具 有复杂图案的织物，其中织物组织是由提花机( 俗称提花龙头) 控制经纱的提升和不提 升的不同组合而实现的。因此提花机是织造提花织物的核心设备。在纺织业的发展史中 提花技术经历了一个手动一机械一自动的漫长的发展历程，近几年随着计算机技术的发 展，它也和其它生产设备一样，在融合了现代机械、信息、电子技术的基础上逐步走向 成熟叫。 1 3 1 电子提花织造技术的发展状况 提花织物有着非常悠久的历史，在丝织，色织、毛织等行业中均有大量生产，深受 人们喜爱。提花织造行业是世界各国古老的传统行业之一，但提花织物织造技术在1 9 世纪以前的发展却异常缓慢，织造提花织物基本都是用人工以手提脚踏的方式来完成的， 工作非常辛苦，而且效率又低，提花织物的价格非常昂贵娜。 历史上记载的最早的提花机构出现在1 6 世纪左右。当时称之为“拉花机”，由两个 人一组进行织造，拉花工在织机上方引起必要的经纱，在下面的织工进行织机的操作， 两人互相配合，织出提花织物。当时为了减少劳动力，人们考虑是否可以用某种机械设 备代替拉花工，1 9 世纪初，法国人约瑟夫贾卡制造了首台可控制的提花机，采用可更 换的打孔纹版储存提花信息，控制经丝提升。它是纹版提花技术的萌芽，为近代纹版提 花织造的蓬勃发展提供了一个雏形。在此基础上，1 9 世纪末，另一位法国人韦多尔改进 了读取机构，用较薄和轻的纸版来替代纹版，使设计更节省空间这种精巧的纸版直至 今天仍在传统的纹版提花机上广泛应用。 接下来的一个多世纪，这种机械式提花机被人们接受，并在提花织造行业占据主导 地位，它采用老式的穿孔纹版，再将穿孔纹版通过花筒横针的机械往复运动控制花筒竖 针的升降，完成提花织造。 在计算机控制技术没有采用以前，纹版的制作都是通过脚踏、手摇机械来完成的。 纹版的手工制作需要耗费大量人力物力，一套纹版少则几百片，多n - - ，三万片一个 花型的提花纹版，其制作从意匠图的绘制、人工按图冲制纹版、将纹版一片片连接起来， 往往要耗时数月甚至一年以上的时间，而且要专门技术人员才能胜任 随着计算机电子技术的迅速发展并广泛应用于工业生产的各个行业，自然就有人想 2 - 第一章绪论 到如果能用计算机来制作纹版是非常理想的，因此计算机技术也比较早地进入这个领 域。将老式的冲孔机改造，由一台计算机或单版微机来控制，纹织工作站将设计好的意 匠图转换成纹版文件，冲孔电脑与c a d 工作站之间用软盘进行信息传递，只需将纹版数 据文件存人计算机，启动冲孔程序即可控制冲孔机自动冲出所需纹版。计算机和自动纹 版冲孔机之间的同步问题由冲孔机上的光电传感器或霍尔传感器检测信号来协调。 自动纹版制作系统比人工设计制作纹版已经大大前进了一步，但是仍然保留使用纹 版，因此它还有许多不足之处，由于纹版笨重，因此运输，使用、更换、保管都极不方 便。如果仅仅做试样或小批量生产，制作纹版造成的成本就非常惊人，对花型进行修改 也极其麻烦。由于纹版数量多，冲制纹版需要较多的时间，在对外贸易中经常有因无法 及时提供样品而导致不能成交的事情因此这种自动纹版制作系统还不够理想 事实上，从意匠设计到提花织造的整个过程中冲孔纹版只是作为信息载体，并不是 必需的，而且纹版冲孔是提花过程中既枯燥又费时的一个环节。假如将计算机与提花机 直接联接起来，不用纹版直接控制提花机进行织造，既能降低成本，又能节约冲孔时间， 使花型输入到开始制造的时间缩短啪嘲。 1 3 2 国内外电子提花技术的发展状况 国外从六十年代开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。例如，1 9 7 9 年英国b o n a s 公司成功地研制出了1 3 4 4 针和2 6 8 8 针的电子提花机，经 过四年后又开发出第二代电子提花机商标机，b o n a s 公司当时开发的电子提花机属于电 磁铁式的。日本是最早进行压电陶瓷电子提花机研究的，日本的w a cd a t as e r v i c e s 公 司于1 9 9 1 年申请美国专利，它是利用薄片型压电陶瓷作致动元件，以取代以往的电磁 铁选针机构。日本n a g a t as e i k i 公司于1 9 9 1 年申请美国专利，它利用多层加强型压电陶 瓷做为致动元件，以取代以往的电磁铁选针机构。 在先进的压电陶瓷电子提花机方面，日本和意大利已经走在了前列。八十年代末日 本神村制作所的高速电子提花机问世，他们用压电陶瓷片代替电磁铁，对原选针机构进 行了改造，其性能远远超过了采用电磁铁做选针机构的电子提花机。目前，国内引进的 少量压电陶瓷式电子提花机大部分都是这两个国家的产品 较国外提花机的发展状况，国内生产的提花机比较落后。从六十年代起就不断有人 探索用计算机控制实现无纹版提花织造，但是由于受到当时计算机电子技术发展水平的 限制，以及机械工艺技术水平落后等原因，所以一直没有取得理想的成果，和当时的世 3 - 第一章绪论 界水平相比尚有较大的差距这主要表现在： 1 国产的提花机选针机构都采用电磁铁选针机构，这种机构，相对于目前国外流行 的压电陶瓷选针机构有耗电量大、噪音大、选针不够准确等缺点。 2 由于技术原因，国产的提花机往往没有开发相配套的上位机控制软件及其相适应 的电子控制系统，这种半自动化的状况，严重限制了提花机的效率。 我国曾在试验室成功地实现了由计算机控制压电陶瓷片的少数针的选针机构；后因 经费问题而搁置。因而在理论和实践上都已有一定基础，但是还不成熟。 1 4 本课题的研究意义 目前国内的电子提花机多采用电磁式选针机构，即由电磁铁的吸合来控制选针。但 这种电磁式选针机构有其不可弥补的缺陷，对提花机的发展带来了直接的影响。其原因 有： 第一，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。 第二，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，电磁铁在工作中产生的大量热量很 难及时排除。 第三，织布车间中的电机、电灯及其它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机构的正常 控制。 总之采用电磁铁式选针机构用于提花时，由于上述种种原因，其抗干扰和温度稳定 性差，容易产生误动作，从而废品率很高，特别是转速越高，这种现象越严重。 压电陶瓷电子提花机，其选针时采用新型的压电陶瓷片来代替传统的电磁铁制作选 针机构，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。具有如下优 点： 第一，由于压电陶瓷片本身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； 第二，由电能转换为机械能的反映时间低于百万分之一秒内，比以往电磁铁的响应 速度快，故可使用在高速针织机上。 4 第一章绪论 第三，制动时所需的电能极小，仅是驱动半导体的电能，大大节省了电能。 压电陶瓷的制造技术日益成熟，已经产品化、批量化生产，其成本也日趋降低，为 压电陶瓷电子提花机的发展提供了条件。以上说明，用压电陶瓷来代替电磁铁，是提高 电子提花机性能要求的必然趋势，它将对提高产品质量和生产自动化方面带来巨大影 响。开发我国自主产权的压电陶瓷电子提花机迫在眉睫，它将成为我国提花产业发展的 关键。 1 5 本课题研究开发的主要内容 1 分析国内外压电陶瓷电子提花机的发展情况； 2 通过对压电陶瓷特性的研究，来选定提花机所用的压电陶瓷种类，根据选择的 压电陶瓷的种类，计算在不同电压下压电陶瓷的变形量，绘制压电陶瓷的电压位移曲线； 选用激光测量仪，测定压电陶瓷在不同电压下的实际变形量，确定压电陶瓷的工作 电压，尽量克服压电陶瓷的迟滞与蠕变 3 提花机构的设计制作； 借鉴法国s t a u b l i 的电磁铁式选针机构，用压电陶瓷代替电磁铁，与现有的电子 提花机尺寸相配合，设计几种选针机构，并比较他们的优缺点，选定一套方案。 4 设计压电陶瓷式电子提花机的控制系统电路及其驱动电路，并制作控制电路板 及驱动电路板。编写单片机程序，并进行调试，实现对硬件系统的驱动。 5 用v b 编写上位机控制软件，结合硬件控制系统进行调试。软件实现纺织c a d 与提花机接口； 上位机软件能实现以下功能：基本文件操作，对提花机的实时控制，上位机对下位机 进行间断的花行数据传输，上位机对提花进程的监控，创建数据库对员工信息及提花过程 做历史纪录。 6 对现有的提花机进行改进，结合上位机控制软件，控制电路，驱动电路进行通 调。 5 - 第二章压电陶瓷 2 1 压电陶瓷介绍 第二章压电陶瓷 压电陶瓷属于压电晶体，而能产生压电效应的晶体叫压电晶体。一类压电晶体是单 晶，如石英( s i 0 2 ) ，酒石酸钾钠( 又称洛瑟盐，n a k c 4 h 4 0 6h 2 0 ) ，锗酸铋( b i l 2 g e 0 2 0 ) 等；另一类压电晶体就是压电陶瓷，如钛酸钡( b a t i 0 3 ) ，锆钛酸铅 p b ( z r x x i r x ) 0 3 ，代 号p z t ，日本制成的铌镁锆钛酸铅 p 州9 1 3 m 2 3 ) 0 3 加入p z t ，代号p c m ，中国 制成的锑锰锆钛酸铅 p b ( m n l 2 s b 2 3 ) 0 3 加入p r r 代号p m s 等。 压电效应是1 8 8 0 年由居里兄弟在石英晶体上首先发现的。它是反映压电晶体的弹 性和介电性相互耦合作用的，当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应 的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的现象称为正压电效应。 当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变 的现象称为逆压电效应，逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内 部产生了应力，这应力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变，实验证明凡是具有 正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应，两者一一对应。 任何介质在电场中，由于诱导极化的作用，都会引起介质的形变，这种形变与逆压 电效应所产生的形变是有区别的。电介质可能在外力作用下而引起弹性形变，也可能受 外电场的极化作用而产生形变，由于诱导极化作用而产生的形变与外电场的平方成正 比，这是电致伸缩效应。它所产生的形变与外电场的方向无关。逆压电效应所产生的形 变与外电场成正比例关系，而且当电场反向时，形变也发生变化( 如原来伸长可变为缩 短，或者原来缩短可变为伸长) 此外，电致伸缩效应在所有的电介质中都具有，不论 是非压电晶体还是压电晶体；只是不同结构的电介质晶体的电致伸缩效应的强弱不一 样。而逆压电效应只有在压电晶体中才具有。 压电陶瓷不是在任何方向都存在压电效应，只有垂直于极化方向的表面上才能产生 电荷，如图2 - 1 所示。设极化方向为3 ，沿z 轴方向的作用力产生电荷g - d 。e ；沿x 、 y 轴方向的作用力f 1 和f 2 也在z 方向产生电荷，可写为蜴d 。e - d 。f 2 d 的脚标： 第一位表示压电效应方向：第二位表示力的方向。而在x y 轴方向不产生电荷。压电陶 瓷的逆效应，如图2 - 2 所示。若在陶瓷片上施加一个与极化方向相同的电场e ，则电场的 6 - 第二章压电陶瓷 作用将使极化强度增大，陶瓷内的正负束缚电荷之间的距离也相应增大，就是说，陶瓷片 将沿极化方向伸长( 图2 - 2 中虚线) ，同理，如果外加电场方向与极化方向相反，则陶瓷片 将沿极化方向缩短这种由电能转化为机械能的现象，就是逆压电效应。 图2 - 1 压电效应图2 - 2 压电陶瓷片的逆压电效应 f i g u r e2 - 1p i e z o e l e c t r i ce f f e c t f i g u r e2 - 2p i e z o e l e c t r i ce f f e c to fp i e z o e i e o t r i c c e r a m i c sp i e c e 2 2 压电陶瓷的选择 目前压电陶瓷在针织机上的应用类型主要有两种，一种为叠层型压电陶瓷，另一种 为薄片型压电陶瓷( 压电双晶片型) 。 域唇 7 第二章压电陶瓷 电的陶瓷作为制动元件，以取代以往的电磁针选针机构，除具有压电陶瓷的一般优点之 外，还具备有下列优点： 1 由电能转换为机械能的过程中，不会产生任何磁场，因此对电脑控制系统无干扰 问题。 2 由电能转换为机械能的反映时间低于百万分之一秒内，比以往电磁机的响应速度 快，故可使用任何高速针织机上。 3 无电磁针般的机械性吸附接触，因此使用寿命已超过使用者的需求。 4 致动时所需的电能极小，仅似驱动半导体的电能相当，十分节省电能。 叠层型压电陶瓷优点很多，但是成本较高，并且变形量的放大机构很难精确设计， 所以本文选择市面上较为普遍的薄片型压电陶瓷( 压电双晶片型) ，它同层叠型压电陶 瓷相比，同样具有很多优点，如绪论所述。 2 3 压电陶瓷片的结构和工作原理 2 3 1 工作原理 压电双晶片是用铝镍与铁酸铅为主要成分的固熔体陶瓷片做成的，它的两面形成电 极，极化方向与电极垂直，如果在它的电极间加上电压，由于逆压电效应，则它的振子 便会在长度方向产生位移。 图2 - 4 压电陶瓷片结构 f i g u r e2 - 4c o n f i g u r a t i o no fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sp i e c e 将两块压电陶瓷片按一定的极性要求粘贴在薄金属片的两面，就制成压电双晶片振 8 第二章压电陶瓷 子。采用多层双晶片结构，是把几层厚度相同的压电换能器，叠合成叠层体，并在电气 上并联和机械上串联构成，在上面加电场时在长度方向伸长，它的总位移量为每层位移 量的几倍。这种结构不但推力很大，而且因有机械增益，但位移量都大于块体的涨缩位 移，所以有较大的偏转位移。其结构和施加电压方向如图2 4 所示 当施加电压的方向与极化方向相同时，压电陶瓷换能器则伸长，反之，则收缩。根 据压电陶瓷片的极化方向，适当粘贴压电陶瓷片的位置和施加电压的方向，即可得到我 们所需要偏转位移的压电双晶片振子。如图2 - 4 所示的施加电压方向，压电双晶片的自 由端将向b 方向偏转；如果施加电压的方向相反，则自由端将向a 偏转。对压电陶瓷片 施加电压产生变形的同时，产生与变形方向相同的力r 2 3 2 压电陶瓷片性能测试 压电陶瓮片征一足电监f 严生挠度燹彤u 和力r 阳计算公式为： 【，一酣，。2 ( 1 + 钐y c m 瓦一( ) 【n 】 s - s 矗( 4 3 ) m t n 其中：d ，。：压电系数( 描述电荷灵敏度) 【m v y ： 施加电压r 川 磷： 弹性柔顺系数 彤。 【m 1 r 1 】 l l 瑶： 弹性系数 石矗) 瞰o 】 ： 中心电极系数 其它参数参照图2 - 5 。 本文使用的压电陶瓷片的尺寸为： l = 6 c | m m ： w = 2 0 m m ： t - - o 5 m m ； t - - o 1 m m ； 【m 】 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 图2 _ 5 压电陶瓷片尺寸示意图 f i g u r e2 - 5 s i z es c h e m a t i cd r a w i n g 9 第二章压电陶瓷 m _ k 述公式可以看出挠度变形u 跟施加的电压矿和长度l 的平方成正比例，又力e 跟施加电压矿成正比例。 常温时，最大施加电压p _ 眦 一 一易：孚【y 】 ( 2 3 4 ) 二 研：旅加的极限电场【v m m 】 y 与【，的关系见图2 - 6 - 口 7 - ， ， 彳 ， ， 。 ，尹 么 图2 - 6u 与v 关系图 f i i p j r e2 - 6t h er 6 l a t i o no fua n dv 根据上述公式计算并查表( 本文附录a ) ，可以得出结论：给此压电陶瓷片施加5 0 v 以上的电压时，可以产生1 5 r a m 左右的挠度变形【厂 选定工作电压位6 0 v ，采用p m c 8 2 压电陶瓷材料。 经查附录表得： 磷。觞。必，1 0 “ 代入公式( 2 3 1 ) 得： m v 】 【m 2 伽 x 2 6 0 x 1 0 - ”( s 叶+ 等) 一“，瑚8 1 0 - m 乩6 2 i r a 小】眨s 1 0 第二章压电陶瓷 代八公式( 2 3 3 ) 得： s 。- 5 9 x 1 0 - 1 。x 面不4 x 0 磊0 6 3 而- 5 8 6 x l o - 3 m n c z 。6 ， 代入公式( 2 3 2 ) 得： 瓦一罴筹观2 洲 ( 2 3 7 ) 在本设计中，主要利用压电陶瓷的变形来推动杠杆动作，而设计的杠杆机构如图2 - 7 所示，轻质杠杆的重量为5 0 9 。要推动杠杆，假设需要在杠杆右端加的力为e ，则： f b x 2 0 o 0 5 x 9 8 x 4 0 x + 2 0 + 2 0 e 苫o 1 啦】 所以兄 五，即选择的压电陶瓷片在6 0 v 电压驱动下，产生的力矩满足推动杠杆 的需要。i l l j 理论上满足选针机构的要求。 图2 7 杠杆示意图 f i g u r e2 - 7 t h er e l a t i o no fua n dv 通过以上计算可知，此压电陶瓷片在6 0 v 电压驱动下，所产生的挠度变形和力度均 达到所需的要求，可以用它实现电子选针机构的控制。 1 1 1 i 旦 第三章压电陶瓷选针机构 3 1 概述 第三章压电陶瓷选针机构 电子提花机由步进电动机直接带动同步齿型带做往复转动，提刀固定在同步齿型带 上，随着同步齿型带做上下往复运动，从而使提钩做上下运动，提刀带动组件的滑轮上 下运动，选针机构工作，配合提刀，形成开口，如图3 - 1 所示： 1 步进电机2 大带轮3 一小带轮 4 - r 步齿型带5 - 开口6 - 提刀7 - 撮钧纠针机构卜主轴 图3 - j 提花机工作示意图 f i g u r e3 - i s k e t c hi m po fp i c kn e e d l ee q u i l m n t 设计压电陶瓷选针机构之前，必须先考虑其应用的场合与技术要求。以本实例而言， 压电陶瓷选针机构是在横编针织机的提花机上使用，因此需要考虑下列限制条件： 1 空间小，假设四针为组，每一个选针组件可分配的空间仅有长2 c m ，宽2 c m 、 高2 5 c m ，所以在设计选针机构时，应充分考虑选针机构的体积因素。 2 需要的致动距离有一定的要求，即需要把压电陶瓷片产生的1 5 m 的位移放大到 3 砌以上才能顺利实现选针工作。 3 激励电源不宜过大，由于电路系统的支流电源无法提供d c2 4 v 以上的电压，故 1 2 第三章压电陶瓷选针机构 无法利用极大的电压去提升致动距离，除非是另外使用独立的供电系统。 4 由高速提花机的要求，选针机构必须拥有每秒内可响应8 0 0 次以上的能力，压电 陶瓷足以满足要求，因此机械传动方面则是考虑与设计的重心。 根据第二章内容可知，在d c 6 0 v 下，压电陶瓷的变形量能达到1 5 r a m ，而要实现 准确选针，需要3 r a m 以上的变形量，于是需要设计放大系数为2 的杠杆。 3 2 选针机构设计 在设计压电陶瓷选针机构时，参考了法国s t a u b l i 电子提花机的选针机构，它采 用c x 组件，即固定电磁阀控制棘爪( 固定钩) 进行选挂竖针，弹簧复位。 c xm o d u l e 的选针过程，简述如下( 图3 2 ) ： 卜壳体2 一电子板3 一弹簧4 - 固定钧5 一电磁铁 6 - 运动钩7 - 连接件8 - 绳索9 _ 首线1 0 _ 固定点1 1 - 滑轮1 2 1 3 - 提刀 图3 - 2 选针机构的工作原理 f i g u r o3 - 2p r i n c i p l eo fp i c kn e e d l e 位置a ；初始时，运动钩6 分别停在提刀1 2 、1 3 上，此时挂在提刀1 2 上的运动钩 6 在最高位置，且将固定钩4 下端向外，上部靠向电磁阀m o d u l e 5 ，弹簧3 被压缩，此 1 3 晶犒附懒1品 晶孺附带、占 第三章压电陶瓷选针机构 时电磁阀5 给电，复式滑轮n 处于低位，经纱处于下层经纱位置； 位置b ：第一次开口开始，运动钩6 随提刀1 2 和1 3 作向上、向下运动，因为此时 电磁阀5 给电，固定钩4 下端不挂住运动钩6 ，复式滑轮1 1 保持低位，经纱仍在下层经 纱位置； 位置c ：当提刀1 3 提升到满开位置时，运动钩6 使固定钩4 上部靠向电磁阀5 ，弹 簧3 被压缩，若此时电磁阀5 不给电，弹簧3 使固定钩4 复位，竖钩6 被挂在固定钩4 上，经纱仍在下层经纱位置； 位置d ：第二次开口开始，提刀1 2 、1 3 作向上、向下运动，复式滑轮1 1 以固定钩 4 的爪为支点上升，经纱被向上提升。 位置e ：提刀1 2 升到满开位置，运动钩6 使固定钩4 上部向电磁阀5 ，弹簧3 被压 缩，电磁阀5 仍不给电，弹簧3 使固定钩4 复位，运动钩6 被挂在固定钩上，复式滑轮 h 处于高位，经纱位于上层经纱位置。 位置f ：第三次开口开始，提刀1 3 、1 2 作向上、向下运动，若此时电磁阀不给电， 左右运动钩6 均被挂住，复式滑轮1 1 保持在高位，经纱则仍在上层经纱位置；而若此 时电磁阀给电，则复式滑轮由于运动钩6 从固定钩4 上松开而下沉，使经纱下降。该选 针是以上二次开口动作是否结束，电磁阀是否通电来实现。 3 2 1 压电陶瓷选针机构方案论证 根据以上分析，参考c x 组件，设计两个方案，具体如下： 设计方案一： 方案一的原理图如图3 3 ，压电陶瓷片通过夹块固定，运动钩在提刀带动下，在导 轨内严格按照轨道上下运动。因为压电陶瓷片的体积比较大，为了节省空间采取单侧提 刀。提刀带动运动钩5 在导轨中( 导轨6 高于压电陶瓷片) 上下运动，如果不提刀时， 不向压电陶瓷提供+ 6 0 v 电压，这时运动钩5 与固定钩3 不接触，不提升经线，不形成 开口；如果要求提刀，则向压电陶瓷片1 提供+ 6 0 v 电压，压电陶瓷片1 向下弯曲，带 动杠杆3 运动，并经过杠杆机构的放大，固定钩3 的位移加倍( 如图3 3 固定钩3 向上 运动) ，在正确的控制时序这下，固定钩3 可以准确地挂住运动钩5 ，这时运动钩5 保持 在最高位置，形成开口，如果下一过程不提刀，则给压电陶瓷片1 通6 0 v 电压，压电 陶瓷片1 不弯曲( 复位) ，杠杆在弹簧7 作用下使固定钩3 下移( 复位) ，不形成开口。 - 1 4 第三章压电陶瓷选针机构 卜压电陶瓷2 - 支点3 - 杠杆与固定钩4 - 压电陶瓷底座5 一运动钧6 - 导轨7 - 弹簧 图3 - 3 方案一的选针原理 f i g u r e3 3p r i n o i p i eo fp i c kn e e d i en o 1 方案- - ； 方案二的原理如图3 - 4 ，运动钩随提刀在导轨中上下运动，当运动钩到最高点时， 同固定钩接触，并被挂住，形成开口；当下一过程要求不提刀时，给压电陶瓷通+ 6 0 v 电压，压电陶瓷片弯曲，带动杠杆运动，并且经杠杆机构放大，使钢丝( 钢丝固定在杠 杆一端，如图3 - 4 ) 向内拉动固定钩，使固定钩同运动钩脱离，不形成开口；如果再下 一过程要求提刀，则给压电陶瓷片通6 0 v 电压，使陶瓷片不弯曲( 复位) ，这时固定钩 在弹簧作用下，又会同运动钩接触，形成开口。 比较以上两种设计方案： 方案一： 优点：固定钩同杠杆机构结合，使整体机构简单，巧妙地把传动机构和发达机构合 并在一起，从而，减少了机构传动，能有效地增加选针机构的寿命 1 5 k浊圄罔斟 7 一 第三章压电陶瓷选针机构 缺点：杠杆同支点的横向定位要求较高。 卜钢丝2 - 固定点3 - 压电陶瓷4 - 杠杆纠尊簧卜上绳索7 _ 捷刀8 一运动钩卜固定钩 图3 - 4 方案二的选针原理 f i g u r e3 - 4p r i n c i p i eo fp i c kn e e d i en o 2 方案- - 优点：该机构同c ：) ( 组件相近，结构简单，加工方便。 缺点：对放大倍数要求很高，导致机构空间很大，长时间使用，有可能导致钢丝伸 长，不能正确选针。 经比较，选择方案一。 设计的选针机构如图3 - 3 所示。主要是由压电陶瓷片、杠杆、滑道、复位弹簧、滑 轮组及支撑部分等组成。滑轮组采用上海超越电子技术研究所生产的滑轮组。四针为一 组，用螺栓连接。 3 2 2 选针机构工作原理 选针机构工作原理如图3 5 所示，图中，上部分为侧视图。根据纺织c a d 生成的 花形数据，在控制系统的控制下，给压电陶瓷片加6 0 v 或6 0 v 直流电，当加6 0 v 直流 电时，压电陶瓷片产生；s m m 的位移，推动杠杆动作，经杠杆的放大，在杠杆末端的 1 6 第三章压电陶瓷选针机构 位移达到3 m m 。当加- 6 0 v 直流电时，压电陶瓷产生反向位移，杠杆在复位弹簧的作用 下，迅速复位。配合提刀的上下运动，实现提花。具体选针过程如下： 趣 abcd 1 夏位弹膏2 压电陶瓷片3 压电陶瓷片夹块 4 上拉综线5 滑轮组6 下拉综线7 杠杆8 运动钩9 提7 j 图3 _ 5 选针机构工作原理 f i g u r e3 - 5p r i n c i p i eo fp i c kn e e d l ee q u i p m e n t 位置a ：开机前，运动钩8 停在提刀9 上方，运动钩8 在最低位置，弹簧1 处在自 由状态，此时压电陶瓷片2 不给电，复式滑轮5 处于低位，经纱处于下层经纱位置。 位置b ：开机后，运动钩8 随提刀9 作向上运动，若此时压电陶瓷片2 通o o v 直流 电，运动钩8 被提刀9 带到最上端，若此时压电陶瓷片2 依旧通o o v 电，运动钩8 在 下一步随着提刀向运动，复式滑轮5 保持低位，经纱仍在下层经纱位置，不形成开口； 若此时压电陶瓷片2 给+ 6 0 v 直流电，杠杆7 被压电陶瓷片推出，弹簧被拉伸，杠杆末 端卡住运动钩8 ，在下一步时不随着提刀向下运动，复式滑轮组5 保持高位，经纱放抬 起形成开口。 位置c ：当提刀9 向下运动时，给+ 6 0 v 电的单元运动钩被卡住，经纱被抬起，给一6 0 v 1 7 1iiijijju，、jllll 坦同坩刑州甩川e 隔删wh 、，0 隔舛息门 r斟n馘一 第三章压电陶瓷选针机构 电的单元运动钩随着提刀运动下去经纱依旧在下面，所以就形成开口。 位置d ：提刀9 作向上运动，当运动钩8 到达最高位时，压电陶瓷片都被加6 0 v 直 流电，压电陶瓷片产生反向位移，复位弹簧带动杠杆复位。 位置e ：提刀9 带着所有的运动钩回到最低处，经纱也同时回到原始位置，提花组 件处在初始位置，并等待下次提花。 提刀带动运动钩5 在导轨中( 导轨6 高于压电陶瓷片) 上下运动，如果不提刀时， 不向压电陶瓷提供+ 6 0 v 电压，这时运动钩5 与固定钩3 不接触，不提升经线，不形成开 1 3 ；如果要求提刀，则向压电陶瓷片2 提供+ 6 0 v 电压，压电陶瓷片1 向下弯曲，带动杠 杆3 运动，经过杠杆机构的放大，固定钩3 的位移加倍( 如图3 - 5 固定钩3 向上运动) ， 在正确的控制时序下，固定钩3 可以准确地挂住运动钩5 ，这时运动钩5 保持在最高位 置，形成开口，如果下一过程不提刀，则给压电陶瓷片2 通一6 0 v 电压，压电陶瓷片2 不弯曲( 复位) ，杠杆在弹簧7 作用下使固定钩3 下移( 复位) ，不形成开口。 本选针机构已经申请发明专利，经过试验，动作准确，没有出现漏针现象。 1 8 第四章压电陶瓷电子提花机控制系统设计 第四章压电陶瓷电子提花机控制系统设计 4 1 总体控制框架 本设计的控制系统主要涉及到四大模块：通信模块，提花数据的存储模块，压电陶 瓷片驱动模块，数字显示模块。各模块的关系如图4 _ l 所示。 图4 - 1 系统组成图 f i g u r e4 - 1c o n s t i t u t i o nd i a g r a mo fs y s t e m 通信模块：该模块主要负责上位机和下位机之间的通讯，包括上位机发送给下位机 的控制命令，上下位机之间的提花数据的传输等等； 提花数据的存储模块：主要是单片机把收到的上位机发出的花行数据转存到1 2 存储 器，并在提花过程中根据提花进程提取花形数据； 压电陶瓷驱动模块：向驱动接口分配提花数据； 数字显示模块：显示提刀次数及其控制命令。 下面分别对各个模块进行具体说明。 - 1 9 第四章压电陶瓷电子提花机控制系统设计 4 2 通讯模块 串行通讯是上、下位机之间的桥梁，对主机工作的稳定性、可靠性和安全性有很大 的影响，并对系统今后的扩展有重要的意义。 本文以串行通信的物理概念为基础，利用v i s u a lb a s i c 中的m s c o m m 控件实现串口 的消息响应，通过对系统信号传输方向和类型的分析，制定系统的通信协议，满足系统 通信的稳定性要求。本节将结合软、硬件知识介绍控制系统串行通信开发技术及实现串 行通讯的办法啪1 1 3 越。 该系统是由一台计算机上位机与一台5 1 系列单片机，采用r s 2 3 2 通信协议进行串 行通信。该系统由上位机下传代表用户命令的指令，反馈下位机的状态，同时收集下位 机的数据。 4 2 1 硬件电路 鉴于8 9 c 5 2 单片机输入、输出电平为1 1 l 电平，而一般的p c 机配置的是r s - 2 3 2 c 标准串行接口，二者的电气规范不一致，因此要完成p c 机与单片机的数据通讯，须进 行电平转换。图4 2 所示为p c 机与8 9 c 5 2 单片机的接口线路图。 图中m a x 2 3 2 芯片是m a x i m 公司生产的低功耗、单电源双r s 2 3 2 发送接收器， 适用于各e i a - 2 3 2 e 和v 2 8 v 2 4 的通信接口。m a x 2 3 2 芯片内部有一个电源电压变换器， 可以把输入的+ 5 v 电平变换成r s - 2 3 2 c 输出电平所需正负1 0 v ，所以采用此芯片接口的 串行通信系统只要单一的+ 5 v 电源就可以。m a x 2 3 2 外围需要4 个电解电容c 1 ，c 2 , c 3 。 c a 是内部电源转换所需电容，其取值均为1 p f 2 5 v 。应选用电解电容并且应尽量靠近芯 片。c 5 为0 1p f 的去耦电容m a x 2 3 2 的引脚t i i n , t 2 i n , r i o u t , r 2 0 u t 为接 t t i c m o s 电平的引脚。引脚t 1 0 u t , t 2 0 u t , r a i n , r 2 i n 为接r s 2 3 2 c 电平的引脚。 因此t r l c m o s 电平的t i i n , 他矾引脚应接8 9 c 5 2 的串行发送引脚t x d ； r 1 o u t , r 2 0 u t 应接8 9 c 5 2 的串行接收引脚r x d 。与之对应的r s 2 3 2 c 电平的t i o u t , t 2 0 u t 应接p c 机的接收端r d ；r i i n , r 2 1 n 应接p c 机的发送端t d 图5 - _ 5 中p c 机通过m a x 2 3 2 与8 9 c 5 2 单片机的连接是最简单的零调制三线经济型连接( 其中一根为 地线) 。这是进行全双工通讯所必须的最少数目的线路。图中，单片机的1 1 儿电平经 m a x 2 3 2 后，转换为p c 机所能接收的r s 2 3 2 标准的电平。同样，从p c 机发出的r s 2 3 2 标准的电平通过m a x 2 3 2 转换后成为单片机能够接收的1 1 儿电平。 2 0 第四章压电陶瓷电子提花机控制系统设计 图4 - 2 采用m a x 2 3 2 接口的串行通信电路图 f i g u r e4 - 2c ir c u i td i a g r a mo fg o a lb yk j ( 2 3 2 4 2 2 下位机通讯程序框图 t 串行通信广泛运用在工业、通信等领域，是一种非常通用的数据传输方式。串行通 信包括软件设计和硬件配置，要求具备良好的稳定性，保证传输的可靠性和完整性。本 程序不仅能实现计算机与单片机之间的通信，对计算机之间和计算机与调制解调器之间 通信也同样适用。系统串行通信的程序设计思想如图4 - 3 所示。 下位机上位机 图4 - 3 上，下位机通信图 f i g u r e4 - 3c o m m u n l c a t i o ng r a p ho fa l a i na n ds u b s i d i a r yp c 2 1 第四章压电陶瓷电子提花机控制系统设计 从图中可看出，串行通信涉及计算机系统的应用层和硬件层的软件设计。所以，不 仅要了解串行通信的物理方法( 波特率、传输协议、串行接口) ，还要知道如何运用开发 工具设计出3 2 位w i n d o w s 系统的串行通信程序和单片机应用系统的通信程序，以下对 下位机通信程序设计进行介绍。 4 2 3 下位机通讯程序设计 要想保证通信成功，通信双方必须有一定系列的约定，比如：作为发送方，必须知道 什么时候发送信息，发送什么内容，对方是否收到，收到的内容是否正确，是否需要重发， 怎样通知对方结束等等。作为接收方，必须知道对方是否发送了消息，发送信息的内容是 什么，收到的信息是否正确，如果有错怎样通知对方重发，怎样判断结束等等。这种约定 就叫通信协议，在编程之前必须确定下来。本设计采用软件“握手”的形式。本论文中 上下位机约定的握手协议如图