（纺织工程专业论文）基于伺服控制的经编电子横移系统的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 经编电子横移系统是通过伺服电机驱动梳栉横移运动来满足编织需要的系统。梳栉横 移机构是经编机中最重要的装置之一。论文主要研究梳栉横移规律和经编电子横移系统的 控制原理，并设计开发基于伺服控制的经编电子横移系统。 论文首先分析了国内外经编横移系统的应用现状，指出国内外经编生产存在差距。接 着对经编机横移规律进行分析，对几种常用经编机横移时间主轴转角的测量以此作为电 子横移系统设计的参考准则。为了研究经编编织过程中梳栉动态受力的变化规律，论文设 计了一种基于计算机的经编机梳栉动态受力数字化测试方法，绘制出一个花型循环横移撑 杆所受压缩力变化曲线，结果表明一个成圈过程中受力出现四对波峰，在针前横移阶段出 现梳栉受力最大值。接着论文分析各个类型的横移系统，特别是对电子横移装置的控制原 理和特点进行分析。结合横移运动规律，对伺服控制系统深入分析，对横移梳栉伺服控制 的静态设计，选择伺服系统控制方式，并建立了动态控制的数学模型，选型系统伺服电机。 最后是论文的重点，阐述经编电子横移控制系统的设计与实现。对系统硬件和软件分别进 行分层和模块化设计；提出以单片机作为系统控制核心，工控机为系统支撑和三菱伺服为 执行机构电子横移系统；采用现场总线结构，各梳栉控制单元分散控制，由上位机对其统 一管理。人机界面负责输入输出工艺参数，基于单片机的控制板作为梳栉控制单元负责所 有现场数据采集和实时监控，使用工控机实现高效花型传输，存储以及参数设定、生产监 控等，交流伺服电机作为执行电机控制梳栉横移运动。 关键词：经编；横移规律；伺服控制；电子横移 江南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew a r pk n i u m ge l e c t r o n i cg u i d eb a rs y s t e mi sas y s t e mw h i c hd r i v eg u i d eb a rs h o g g i n g m o t i o nb ys g t v om o t o r ，a n di t so n eo f t h em o s th n p o r t a n tp a r t si nt h ew a r pk n i t t i n gm a c h i n e g u i d eb a r ss h o g g i n gr u l ea n dt h ed o m i n a t i o np r i n c i p l eo f e l e c t r o n i cg u i d eb a rc o n t r o li nw a r p k n i t t i n ga r es t u d i e d , b a s e do nw b j e hs e r v oc o n t r o le l e c t r o n i cg u i d eb a rc o n t r o ls y s t e mi s d e v e l o p e d f i r s tt h ed e v e l o p m e n to f t h eg i l i d eb a rs y s t e mc o n t r o ls y s t e mi nw a r pk n i t t i n gm a c h i n ei s i n t r o d u c e d , a n dt h ea p p l i c a t i o no f g u i d eb a rs y s t e mc o n t r o ls y s t e mi nh o m ea n da b r o a da r e a n a l y - d , t h eg a pb e t w e o nw h i c hc a r lb es 嘲o b v i o u s l y t h e nt h eg u i d eb a r ss h o g g i n gr e g u l a r i t y o f w a r p k n i t r i n gm a c h i n ei sa n a l y z e d , t e s t i n gs h o g g i n gm o t i o n t i m eo f c o m m o nw a r p k n i t t i n g m a c h i n e s ，w h i c hi sr e f e r e n c et od e s i g n n gt h ec o n t r o ls y s t e m i no r d e rt os t u d yt h ed y n a m i cg u i d e b a rs l - e s s ，ad i g i t a lm e t h o dt e s t i n gd y n a m i cg i i l d eb a rs t r e s sb a s e do nc o m p u t e ri sd e s i g n e di nt h i s p a p e r a n dt h er e l a t i o nd i a g r a m sb e n v e e ng u i d eb a rs t r e s sa n dp r i n c i p a la x i s a n g l e ；t h et e s tr e s u l t i n d i c a t e sf o u rc o u p l ew a v ec r e s t so c c u rd u r i n gt w ol o o pf o r m i n gp e r i o d s ，a n dt h em a x i m u mv a l u e o c c u rd u r i n go v e r l a p t h e nt h i sp a p e ra n a l y 勰st h ep r i n c i p l eo f e l e c t r o n i cg u i d eb a rc o n t r o ls y s t e m i nw a r pk n i t t i n g , e s p e c i a l l ye l e c t r o n i cg u i d eb a rs y s t e m a n a l y z i n gt h es a v oc o n t r o lp r i n c i p l e s e p a r a t e l yi nd e t a i la n dg u i d eb a rm o t i o n , c o n s t r u c tt h em a t h e m a t i cm o d e lo f t h eg u i d eb a r ss e r v o c o n t r o ls y s t e m ，s e l e c tc o n t r o lm o d ea n ds e r v om o t o lt h ee m p h a s i so f t h i sp a p e ri sp u tf o r w a r di n t h ea n d , w h i c hd e s c r i b e st h ed e s i g na n dp r a c t i c eo f c o n t r o le l e c 仰n i cg u i d eb a rc o n t r o ls y s t e m t h eh a r d w a r ea n dc o m m u n i c a t i o ns o r w a r eo f c o n t r o ls y s t e mb a s e do nm o d u l a r i z a t i o na r e d e s i g u e d ；as y s t e mo f e l c t r o n i cg u i d eb a rc o n t r o l ，w h i c hi sb a s e do nt h es i n 蓟ec h i p m i c r o c o m p u t c r a n dm i t s u b i s h is e r v od r i v e rs u p p o r t e db yi n d u s t r i a l 碑c ，w a sp r o p o s e d w h i c hu s e sf i e l dc o n t r o l s y s t e mt e c h n o l o g y , e a c hg u i d eb a ri sc o n t r o l l e ds e p a r a t e l yb ye a c hg u i d eb a rc o n t r o lu n i t , w h i l e e a c hc o n t r o lu n i ti sm a n a g e dc e n t r a l l yb yt h es u p e rc o n t r o l l e r t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r ei n p u t a n do u t p u tt h r o u g hh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，w h i l et h ef i e l dd a m a c q u i s i t i o na n dr e a l - t i m e c o m p u t a t i o na r em a n a g e db yt h ec o n n o l l e rb a s e do ns i n g l ec h i p ，a cs e r v om o t o rd r i v eg u i d eb a r s h o g g j n gm o t i o n k e y w o r d s ：w a r p k n i t t i n g ，g u i d eb a r ss h o g g i n gr e g u l a r i t y ：s e r v oc o n t r o l ，e l e c t r o n i cg n i d eb a r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 加d 了年月午日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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。 签名： 豇i 盘噩 导师签名 日期：，) 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍经编横移机构的发展概况，国内外对经编电子横移的研究和开发现状， 最后介绍本课题的目的、意义和任务。 1 1 经编横移机构的发展概况【1 】 在介绍梳栉横移机构的发展前，首先简要介绍经编横移系统在经编生产过程中的作用。 经编织物花型的形成过程，其实就是梳栉在横移机构的控制下有规律的横移，在不同的织 针上垫上纱线，从而使纱线按照设计的花型有规律地成圈和串套的过程。横移运动决定着 各把梳栉的经纱所形成的线圈在织物中的分布规律，从而形成不同组织结构与花纹，亦即 梳栉横移机构的性能好坏直接决定了经编产品花式效果、性能和档次。梳栉横移机构对经 编产品的多样化、产品档次以及产品开发人员的创作空间都起着很关键的作用。 自1 7 7 5 年世界上第一台经编机诞生至今已有两百多年历史，我国于1 9 4 6 从美国进口 第一台经编机 2 】。在此期间，经编技术取得了明显进步；尤其是在最近二十年，随着电力 电子技术的进步，微机技术的应用和新型控制策略的出现，经编技术有了飞速发展。就横 移机构而言，从早期的机械式横移机构发展到后来的电子式横移机构。横移机构在横移距 离、性能以及自动化程度等多方面都取得了长足的进步，由最初的机械式横移系统经过不 断改进与完善，发展到如今功能完善、种类齐全、可适用于不同场合的电子横移系统，为 生产更多花型品种提供了可能。下面主要详细介绍电子横移机构的发展，对机械式横移机 构只作简要叙述。 1 1 1 传统的机械式横移机构 自从1 7 7 5 年英国的克莱思( c r a 北) 发明第一台特里科经编机，机械式梳栉横移机构就产 生了。机械式梳栉横移机构历史悠久，技术成熟，运行稳定可靠，能够很好地满足梳栉横移 运动的要求，直到现在在各种经编机上仍有着十分广泛的应用。根据机型不同，各种机械式 梳栉横移机构在结构上和性能上都有很大的差异。主要有链块滚筒式和花盘凸轮式两种，都 是应用了凸轮的原理。 1 1 2s u 电子横移机构 s u 德文为“s u m m eb l e c h ( 累计叠加板) ”，是由德国k a dm a y e r 公司于1 9 7 9 年开发 成功的电子横移机构，广泛应用于多梳经编机。它是由计算机控制机械累加动作的数字式 横移机构，提高了生产效率；具有较高的横移精度。每次最大针背横移为1 6 针距累积最 大针背横移达4 7 针距。据k a r lm a y e r 公司资料，目前全球已有4 0 0 0 0 多套s u 横移机构用 于花边生产。应该说s u 装置是梳栉横移机构发展史上一个里程碑式产品。 江南大学硕士学位论文 随着多梳经编机的改进和提高，宽花边产品的开发，s u 横移机构由于采用了磁铁一 机械转换装置实现其主要功能，有适应机速不高( 最大机速只能达到4 5 0 r p m ) ，横移距离 不够的缺点；另外，其传动机构上比较复杂，运行噪音也比较大。 1 1 3 甩型电子梳栉横移机构 e l 型电子梳栉横移机构( e l e c t r o n i cg u i d eb a rc o n t r o ls y s t e m ) 是由k a r lm a y e r 公司 开发。它不是通过主轴传动运行，而是应用了新型伺服电机驱动，并由计算机实现控制。 e l 型横移机构应用的是新型的直线伺服电机驱动。直线电机可以直接得到直线运动，实现 了“零传动”，可以直接驱动梳栉。 用线性电机控制，尤其适用于连续的、快速的花型变换。e l 型梳栉横移机构适应机速 最高为1 5 0 0 r p m ，还不能完全代替花盘式梳栉横移机构。但相比传统方式性能提高了3 0 ， 有更大的横移针距。以e 2 8 的机器为例，针背横移可达1 2 针，最大累计横移距离可达5 0 m m ， 而且运行稳定、可靠。 1 1 4e l s 型电子梳栉横移机构 早在1 9 8 7 年，在巴黎举办的国际纺机展会( i t m a ) 上，l i b a 公司推出了第一款全电 脑控制的经编机c o p c e n t r ae l s e b c e a c ，配备了e l s 型电子梳栉横移机构( e l s e l e c t r o n i c g u i d e b a r c o n t r 0 1 ) 。它采用高性能的液压传动，使横移运动精确、可靠；最大横 移距离可达1 5 英寸。它还拥有一套花纹准备系统，使花型的设计和开发十分容易，电子 系统的高存储能力使一个花纹完全组织可达3 0 0 0 0 横列，花型开发空间大大扩展。 i i 5 钢绳花梳横移机构 2 0 0 3 年，在英国伯明翰第十四届国际纺机展( i t m a ) ，德国k a r lm a y e r 公司推出的 两款新型全电脑控制的多梳花边机t l 6 6 i 3 6 和f l 2 0 1 6 中，采用了新开发的钢绳花梳导 纱系统，可取代沿用多年的s u 梳栉横移机构。它拥有更高速度，更大范围花型，以及更 好产品质量；能够生产具有更迷人花型的花边产品。给设计师和生产厂商提供了开发更具 魅力的外观和结构的高品质花边的空间。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对经编电子横移系统的研究已经相当成熟，产品性能亦很稳定，电子横移系统已 经成为高档经编机的基本配置。 2 第一章绪论 目前国外的电子横移系统主要是德国k a r l m a y e r 公司和l f b a 公司所生产的电子横移系 统除了早期的s u 横移机构，均采用伺服控制系统。用于多梳经编机分别是s u 横移机构 和钢绳花梳横移机构。用于高速经编机的电子梳栉横移机构分别是两家公司开发的e l 型 电子横移机构和e l s 型电子横移机构；e l 使用直线伺服电机驱动而e l s 使用电液伺服控 制驱动。 1 2 2 国内研究现状 自二十世纪六十年代国内才开始对经编梳栉横移理论进行初步研究，七十年代进行了 一系列深入研究，如经编机上垫纱条件对坯布结构的影响、导纱梳栉横移方向对线圈长度 的影响；以及后来研究槽针经编机垫纱可靠性分析、横移花板的设计等为经编梳栉横移的 技术革新打下了基础。 从2 0 世纪9 0 年代开始，国内也开始了对经编电子横移系统的研究工作，并取得了一定 成果。国内已经应用变频技术、电子送经、电子卷取，但电子提花、电子横移还处于研发阶 段【3 】o 国内多数还是限于专利研究，如福州大学的黄耀志等人申请了_ 种微机控制多梳栉 提花经编机”( 申请号：2 0 0 4 1 0 0 0 7 1 3 5 ) 、福建长乐市湖南镇的郑依福申请了“多梳栉带贾卡经 编机”( 申请号：0 3 2 5 5 0 2 3 ) 、厦门华铃公司的陈腾敏申请了“多梳节花边机花型梳节移动控制 装置”( 申请号：2 0 0 4 2 0 0 3 8 5 9 0 9 ) 。福州大学和华中科技大学对经编电子横移系统做了一定研 究，只是对控制部分进行调试性实验；常州市润源经编机械有限公司开发出了类似产品，但 存在一定的缺陷，譬如，只用在提花经编机上，且速度偏低。江南大学也对经编电子横移系 统进行了深入研究，并在实验室内试用该系统，控制原理和控制思想调试符合初衷，但在机 速较高的情况下，控制效果仍不够理想。目前国内还没有开发出性能优良，功能完善的经编 电子横移系统。 1 3 本课题的目的、任务与意义 随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展，机电一体化成为趋势，经编机在近些 年来有了巨大的发展，经编机正向着机器高速化、控制现代化、操作便利化，设计电脑化 等方面发展。经编机的自动化程度也越来越高，经编c a d c a m ，电子送经机构 ( e b a e b c ) 、电子牵拉卷取机构( e a c ) 也发展并在实际的生产中广泛应用，为了提高 经编机的自动化程度，研究和开发适应要求的电子梳栉横移机构也势在必行。 梳栉横移机构的性能好坏直接决定了经编产品花式效果、性能和档次。电子梳栉横移 机构能够很容易地解决传统机械式所难以克服的生产难题，而且具有改换花型方便、能产 生更大的横移距离等明显的优势。对经编新产品的开发具有巨大的推动作用，所以研究和 开发梳栉横移机构具有十分重要的意义。 传统机械式梳栉横移机构由链块或花盘凸轮控制，在实际生产中仍存在很多难以克服 的缺点，如：翻改花型周期长、成本高等。随着社会经济的迅速发展，行业竞争日益激烈， 江南大学硕士学位论文 消费者对织物质量、种类丰富的要求不断提高，这些都对横移机构提出了新的要求，以实 现进行高效、高质的生产。而电子横移机构最大的特点就是花型循环不受限制，且花型变 化十分方便，只要插入带有工艺参数的软盘就可以实现花型变换。电子梳栉横移机构代替 机械式横移机构，在生产准备上节约了大量的时间和人力物力，极大地提高了经编生产的 效率，特别是适合于现在市场所要求的小批量、多品种产品的生产要求。另外，省去了链 块、花盘等机械设备的维护、保养和储藏的成本，给经编生产企业也会带来良好的经济效 益。 目前，国外经编企业已开发了多种适合不同机型的电子梳栉横移产品，但是其价格十 分昂贵，我国经编企业大多是中小型企业，引进国外电子梳栉横移产品对企业来说成本太 高a 所以开发新的电子梳栉横移机构对于我国的经编业来说也是非常有意义的，而且具有 十分广阔的市场前景。 当前，国内对经编电子梳栉横移机构系统的开发因为各种原因，都没有成功实现产业 化，经编生产车间除了从国外进1 ：3 的电子梳栉横移系统外，就是机械式梳栉横移系统。如 今，在石油、化工、汽车制造业、纺织印染业，都提倡国际产品国产化，所谓国产化，就 是在消化吸收引进国外先进技术和设备的基础上，形成本国的技术研发和制造能力。虽然 国内已对经编横移技术做了大量实践工作，但电子梳栉横移系统的开发仍未取得成功，带 电子梳栉横移机构的高档经编机仍然大量依赖进口。目前国内经编企业存在大量二手经编 机，大都采用了机械式横移系统，因此需要在吸收国内外先进技术的基础上，自主开发设 计先进易控制、成本合理的电子横移系统，取代落后的经编机械式横移机构。 本课题的目的在于提高经编机械机电一体化水平，开发适合国内经编企业成本低廉、 性能稳定并且具有自主知识产权的电子梳栉横移系统。本课题的意义在于：提高国产经编 机的机电一体化水平，发展计算机在经编行业中的应用；推动我国经编企业的产业升级： 缩小与国外先进技术的差距，同时有助于打破国外的技术垄断地位，有效降低该系统在国 内市场的价格；增强我国经编产品的国际竞争力。 4 第二章经编梳栉横移规律研究 第二章经编梳栉横移规律研究 为了对经编电子横移系统进行深入研究，本章从梳栉横移运动工艺要求入手，分析了 编织过程中导纱梳栉的运动规律。主要从以下方面展开：梳栉与针平面配合运动分析，横 移时间的计算，测量几种常用经编机横移时间主轴转角，横移回复弹簧的工作分析；并开 创性地用计算机数据采集技术对横移撑杆压缩力进行数字化测试，研究梳栉在经编机运转 中的动态受力。梳栉横移运动规律是任何一种横移机构设计的本质，每一种横移装置都必 须以适应梳栉的运动规律作为其设计目标。 2 1 梳栉横移运动工艺要求 无论采用何种梳栉横移机构，它的最终目的是控制导纱梳栉的运动，而导纱梳栉的运 动必须与成圈运动相配合，所以梳栉横移机构必须按照导纱梳栉的运动规律来对梳栉进行 驱动和控制。 在成圈过程中，为了完成垫纱，梳栉除了在针间摆动外( 某些多梳经编机由于梳栉众 多，梳栉只作横移运动，不作摆动，由针床作前后摆动，但梳栉与织针仍然作相对的摆动) 声 还必须按照花型组织的要求在针前和针背沿针床进行横向移动。 梳栉的横移运动一般应满足下列工艺和生产要求： ( 1 ) 在编织一个横列的时间内，梳栉必须在针前移动( 针前垫纱，o v e r l a p ，简写为 o l ) 一次，在针背也至少要移动( 针背垫纱，u n d e r l a p ，简写为u l ) 一次。针前垫纱一般 来说为一个针距，最多不超过两个针距，只有当编织重经组织时才是两个针距；针背垫纱 可以是一个针距、两个针距或者更多。针前垫纱或者针背垫纱的针距数也可以为零，这j ； 要根据坯布组织结构而定。 ( 2 ) 梳栉横移时间应和其摆动密切配合，横移时导纱针不能在针的侧向区域( 针平 面) 内进行。 ( 3 ) 在编织过程中，梳栉移动时间极为短促，所以应保证梳栉的横移运动平稳速 度无急剧变化。梳栉每次横移的距离为针距的整数倍，每次移动后导纱针应处于针间隙的 适当位置，以免在针间摆动时，导纱针和针上的纱线碰撞或摩擦”j 。 2 2 梳栉横移运动规律分析 梳栉横移运动最重要的是允许横移的时间，在垫纱阶段，梳栉从针背停顿位置向针前 方向摆动，如图2 1 所示。当后梳栉g b 4 后边缘摆至织针针背时，导纱梳栉开始进入织针 侧向平面。此时梳栉不能进行横移，否则会与织针发生碰撞。直至前梳g b i 前边缘摆出针 钩，可以进行针前横移，从梳栉摆入织针侧向平面到摆出，梳栉经过的距离为b ，b 主要 由导纱针和织针的有关参数确定。 江南大学硕士学位论文 b 一 一e 卜一 瓣 z 图2 - 1 织针摆过导纱针时的示意图 b = n a + ( n 1 ) b + e 式中： 纱针下端宽度( m m ) b - 相邻两梳栉间的间距( r a m ) e _ 针钩头端宽度( m ) n _ 纱梳栉数( 图中为4 把梳栉，即n = 4 ) 导纱梳栉摆过上述距离b 所需要的时间根据各种类型经编机而异，主要决定其导纱梳 栉横移规律，图2 - 2 为一槽针经编机导纱梳栉摆动曲线图。由图可以看出导纱梳栉从针背 最远处( 此时后梳导纱针l 4 孔眼中心位于纵坐标零处) 开始向针前摆动。当导纱针摆过 织针平面达到织针最前面位置时，导纱针摆幅h 为： h = m + ( n 一1 ) b + e + l + 2 = b + l + 2 式中： l 前梳前边缘离针钩前端距离 r 舌梳后边缘离针背距离允许横移时间确定 寻秒竹叠甚m l薹一 ，、 - 4 ，一二 吖、心 l ：二 七i ：3 ： i 可 l t i1d r o 一鲳1 6 0 ? 2 6 6 _ 1 嚣转题工j 1 e2 图2 - 2 导纱梳栉摆动曲线图 6 第二章经编梳栉横移规律研究 从图2 2 梳栉位移曲线图还可以确定允许横移及不允许横移的时间，方法如下：c l 、c 2 、c 3 和c t 。 当梳栉向针前摆动距离2 ，使后梳导纱针孔眼后边缘摆至织针针背( 当时后梳导纱针 g b 4 孔眼中心纵坐标为2 ) 。此时导纱梳栉开始进入织针侧向平面。此后继续向针前摆动距 离b ，前梳导纱针o b i 前边缘摆至针钩前边缘( 其时后梳导纱针孔眼中心纵坐标为2 + b ) ， 在这段时间内导纱针不能进行横移。它们对应的时间( 考虑主轴转动角速度均匀，故可用主 轴转角表示时间) 可用下列方法确定：离横坐标轴为2 和2 + b 处分别画出两条水平线，它 们与梳栉位移曲线相交得到交点c l c 2 、c 3 和c 4 。c l 和c 4 分别表示后梳导纱针后边缘在向 针前及向针后摆动时进入及摆离针背的工作点，而c 2 和c 3 则分别表示前梳导纱针前边缘摆 离及进入针钩前端的工作点【，】。因此可从上述各点所对应的横坐标确定为不允许横移及允 许横移时间( 图中不允许横移时间用阴影线表示) 。 翅、 场 c 2 岛加 图2 3 一槽针经编机梳栉横移时间饼状图 图2 - 3 为一槽针经编机c l 、c 2 、c ，和c 4 饼状图，从图中可看出，当主轴转角为9 8 。 1 6 0 0 及2 0 4 0 2 6 6 0 时梳栉不容许横移。而转角1 6 0 。2 0 4 。期间可以作针前横移，即针前容 许横移角度区间大小为“o ，而实际为了确保横移的安全和可靠，一般梳栉针前允许横移 的角度区间应适当小于4 4 。( 阴影部分为主轴一转不允许横移角度，空白部分为允许横移动 角度) 。经编机一个成圈过程中允许针前横移的角度一般在2 6 0 5 1 0 时间很短暂只有几毫秒 到几十毫秒；设主轴转速为n 转份( r p m ) ，针前横移4 4 0 为例，故针前横移允许时间t 为： t = 嘉扣= 詈c 柳 以经编主轴转速6 0 0 转，分( r p m ) 为例：t 毋0 1 2 2 秒= 1 2 2 2 毫秒 7 江南大学硕士学位论文 由以上分析知，经编机梳栉横移运动简言之有“三高”，亦即高速、高频率、高精度。 虽然各个型号机器的导纱梳栉摆动曲线图和梳栉配置不同，其梳栉横移允许时间也会 不同，梳栉针前横移的时间十分短促；针背横移时间相比针前横移稍长，其时间限制没有 针前横移那么严格，但其横移时间也是比较短促的。所以，如何在主轴规定转角内如此 短促的时间内使梳栉按花型要求横移到适当的位置，并且保持横移的准确是开发电子梳栉 横移机构必须仔细考虑的。 2 3 对几种常用经编机横移时间主轴转角的测量实验 由上节分析可知：在梳栉横移时间确定时，找准某一特定机型的c i 、c 2 、c 3 和c 4 尤 为重要。 2 3 1 横移时间测量准备 测量工具与机器：分度盘、对位针、电动机手动扳手 测量机型：h k s 3 - m 、k s 4 - 6 w 、s 4 - 9 测量方法： 由于高速经编机一般为四把梳栉，而允许横移时间取决于前梳和后梳的运动，所以可以 只测量前梳和后梳的主轴转角，中间两把梳栉只供数据参考。下面以经编机h k s 3 m 后梳为 例，说明梳栉允许横移时间对应主轴转角的测量方法。 首先将主轴皮带盘拆下，将分度盘换装在主轴外侧，使分度盘能够随主轴一起转动。将 对位针固定端固装在机床上合适位置，调整对位针，使针尖对准分度盘的刻度盘。 手盘机器，使机器主轴缓缓转动，于梳栉侧向正对针平面位置观察梳栉摆动情况。梳 栉摆动的同时，织针也跟着上下运动，当织针下降到最低点时即为主轴转角0 0 ，由于观察 结果对经验的依赖性较强，所以需要重复操作，以得到准确数据。在反复观察后，测定织 针下降到最低点的位置停止转动，松开分度盘，将其零刻度线对准对位针，并将其固装。 主轴零位角定好后，开始测量c j 、c 2 、c 3 和c 4 各点。和测定零位的方法一样：从主 轴零度开始，织针从最低位置上升，导纱针开始向针前移动，c i 点为后梳导纱针针平面前 端与织针平面后端相切时对应的主轴转角，c 2 点为后梳导纱针针平面后端与织针平面前端 相切时对应的主轴转角：然后导纱针在针前停留一段时间，完成针前横移后，导纱针开始 向针后回摆，c 3 点为后梳导纱针针平面后端与织针平面前端相切时对应的主轴转角，c 点为后梳导纱针针平面前端与织针平面后端相切时对应的主轴转角。 2 3 2 测量结果与允许横移时间致据选取 对以下机型测量结果如下 8 第二章经编梳栉横移规律研究 表2 1 经编机横移时间主轴转角的测量单位：度 对于经编机h k s 3 m 来说，不允许横移时间为8 5 0 。1 4 9 5 。( 针前) 和2 0 7 0 。2 7 3 0 。 ( 针背) ；对于经编机h k s 4 - 1 来说，不允许横移时间为1 0 8 0 。1 6 0 0 。( 针前) 和2 1 3 0 0 , - z 2 6 6 0 0 ( 针背) ；对于经编机h k s 3 m 来说，不允许横移时间为8 00 。1 4 7 0 。( 针前) 和 2 0 2 0 a 2 7 4 0 0 ( 针背) 。 表2 2双针床经编机h d r 6 n 横移时间主轴角度测定 单位：度 由于经编机所用梳栉越多，摆动时间越长，其不允许时间就越多。根据测试结果分析， 对于高速经编机设计梳栉允许横移时间取针前横移为主轴转角1 6 1 。- 1 9 9 。( 针前) 、针背横 移主轴转角3 0 0 。6 0 。( 针背) 。准备在双针床经编机h d r 6 n 做电子横移的改装调试，将 9 江南大学硕士学位论文 g i m 改做花梳，因此专门测量了h d r 6 n 的g b 3 和g b 4 的c i 、c 2 、c 3 和c 4 如表2 2 ， 代历 弛。 图2 _ 4 经编机h d r 6 n 梳栉g b 4 横移时间饼状图 根据测试结构，绘制梳栉g b 4 横移时间饼状1 军1 2 - 4 ，其中阴影部分为允许横移的时间的主轴转 角。可以看出，在针前横移的时间为2 5 0 左右，时间短促。在电子横移横移设计中，要确定 允许横移的角度，使用接近开关测试按此角度产生使能信号控制电机拉动梳栉进行横移；此 项测试为电子横移的设计实现做准备。 2 4 横移机构回复弹簧的工作分析 本节从传统横移机构的回复弹簧谈起，测试梳栉横移机构回复弹簧的弹性系数，着重分 析伺服控制电子横移装置回复弹簧受力特点。 2 4 1 传统横移机构闭合弹簧力学分析 横移机构的闭合弹簧是极其重要的零件，在弹簧压缩应力不足时，可能造成撑杆转子 与花色凸轮或花板脱开，造成经纱大批断头。而过大的压缩应力则又将导致花色凸轮或花 板急剧磨损。在力封闭凸轮机构中，可以采用弹簧，气( 液) 压或重量来产生封闭力，使 从动件与凸轮在运动中始终保持接触。 横移机构闭合弹簧的计算是根据撑杆转子不脱开花盘凸轮或花板这一条件进行的，略 去梳栉和撑杆在支承和球面接头处的摩擦和经纱张力，可以认为，对于带直进运动撑杆的 横移机构( 见图2 - 4 物理模型) ，可得下述矢量方程： 图2 4 横移机构物理模型 1 0 第二章经编梳栉横移规律研究 图2 4 中1 为花盘或花板2 为梳栉，3 为滑块 f + r + n + q = 0 f 作用在直进运动零件( 梳栉、撑杆) 上的惯性力 亍磷簧应力 丙凸轮或花板对转子压力 蚕由于压力n 的作用线和撑杆运动方向不符引起的支承反作用力 在撑杆转子由凸轮或花板脱开时，其压力等于零，因此得到计算弹簧的条件是： t f 惯性力可由作直进运动的零件的质量m 和其加速度w 的乘积求得： f - - m w 用r ，币，分别表示花色凸轮的矢径，与矢径相应的极角和凸轮回转角速度，对 于撑杆加速度得到下述方程： 矿= 辔d t = 雾譬d t = 雾矿 2 d p 2 2 d p 与带花色凸轮的横移机构不同，在带花板的横移机构中，转子由一块花板转移至另一 块花板上，和由花板的倾斜片段转到到圆弧片段上时将产生冲击。此瞬间撑杆加速度发生 连续性中断。导纱梳栉的回复弹簧示意图如下图2 - 5 。 图2 5 导纱梳栉的回复弹簧示意图 产生的封闭力使从动件与凸轮在运动中始终保持接触。弹簧封闭力一般与从动件的位 移成正比。弹簧刚度与预载的选择有关，应保证总载荷大于零，并有一定裕量。振动力越 大时，这一裕量要越多。大的封闭力虽然对保证经编机编织正确的花型有很大好处r 但是 也带来了不可消除的弊端：如果横移距离很大时，弹簧势必拉动很长，积存大量的弹性势 能，从而机械损耗很大，磨损很大，同时会降低弹簧的使用寿命；变化的回复力也使得梳 栉的运动不能平稳精确。 江南大学硕士学位论文 2 4 2 伺服控制电子横移装置回复弹簧分析 如果使用伺服电机执行横移运动，钢丝拉动梳栉通过弹簧装置进行反方向回复。最理 想的是横移梳栉的回复力，即梳栉另一端反向平衡装置保证钢丝梳在整个横移区间的张力 均匀一致。特别是横移距离很大时，如果使用普通弹簧，横移的最大量和起始点弹簧的拉 力相差太大，以至对梳栉运动的回复力不一样，加速度也不一样，横移不能平稳。此外， 如果梳栉零位，弹簧处于拉紧状态，电机易过载报警反之过松，在高速运行下，弹簧回 复力太小，梳栉回复不到位，产生擦针或错花。因此，要想获得大的横移量必须使用拉力 恒定的弹簧，而带有空气压缩机的气动弹簧能满足这一要求，空压机使得弹簧内的压力恒 定使弹簧的拉力恒定。与一般的弹簧相比，它对梳栉的作用更缓和，梳栉横移平稳、速度 无急剧变化，无冲击。能保证精确恒定的张力，且不会引起系统内的摩擦。 2 5 梳栉受力规律动态测试与分析 测试经编编织过程中研究撑杆受力变化规律，为今后上机条件的分析、横移系统性能 检测做准备。由于梳栉自身的结构特殊，实验仪器不能对梳栉受力直接测量，而横移撑杆 与梳栉为直联结构的硬连接，对横移撑杆的压缩力进行测试，便能反映梳栉受力变化规律。 设计了如下用计算机数据采集技术对横移撑杆进行数字化测试的方法，测试槽针经编机在 一个花型循环过程中梳栉横移撑杆压缩力变化，探讨经编机编织过程中梳栉受力及其波动 与经编机主轴位置的关系。 2 5 1 测试系统组成 测试系统主要由四个部分组成：电桥和传感器；动态电阻应变仪；w s u s b 数据采集 仪：p c 。整个测试系统如图2 - 6 所示： 图2 6 横移撑杆受力测试系统简图 a ) 电桥和传感器 电桥按1 2 0 f i 设计，在电桥盒内有两个1 2 0 q 精密无感线绕电阻作为半桥测量时的内半 桥，外半桥采用两片等阻值的工作电阻应变计，结构如图2 7 所示。u 为供桥电压；u 为输出电压；r l 和r 2 为测量时外接应变电阻计；r 3 和r 4 为内桥电阻。检测头为一受力传 感器，采用一端固定梁式结构，梁的正反面中央各贴一片工作电阻应变计。电阻应变计由 极细的金属电阻丝用粘贴剂牢固地贴在试件上，或用金属箔片印刷在试件上i l l 】。 第二章经编梳栉横移规律研究 b 1 动态电阻应变仪 y d 2 8 a 型动态电阻应变仪的工作原理框图如图2 8 所示，电 压输出端1 与带u s b 接口的数据采集仪的输入端相联。其主要功能 就是对采集的信号进行放大、滤波【6 】 1 1 毛 图2 - 8 电阻应变仪原理框图 电桥结构示意图 着出1 i 出2 c ) 数据采集仪 北京波谱公司的w s u s b 采集仪是新型外置式a d 产品，它接于计算机的u s b 接e l 工作，由于计算机的u s b 接口能提供电源，所以该采集仪不再需要电源，这样可提高采集 仪的抗干扰性。 d ) p c p c 具有w m d o w s 9 5 及以上版本操作系统，安装北京波谱公司数据采集仪的驱动程序 以及信号采集、处理和分析应用程序b $ y s 。可以利用该软件进行时域绘图显示采集的 时域信号，对采集数据文件标定，把其电压单位转换为实际的工程单位，从而可对数据进 行进一步的分析和处理，如极大值、极小值以及均方根的计算。 2 5 2 测试原理 电阻应变计由极细的金属电阻丝烧成或用金属箔片印刷而成，利用金属材料的特性， 把机械量转换成电量的测量仪器。当测试件受到外力作用时，长度发生相对变化l 几，即 e 粘贴在试件上的电阻应变计也相应发生变化，同时其电阻值也发生相对变化r r 。电 阻值的变化r r 用灵敏的电阻测量仪器电桥测出，经电阻应变仪放大滤波后输出相应的 电压信号，并将电压信号输入信号采集仪进行a d 转换，再经u s b 接口把数字信号输入 1 3 江南大学硕士学位论文 p c t 由此就可以直观地观察应变8 的变化情况。再根据应力应变关系就可以计算得到试件 张力的变化情况【l l 】。 用电阻应变计的“灵敏系数”来表征k 电阻应变计的“应变效应”，即机械量转换成电量 的关系：e = ( l l ) = ( m w k 由于仪器设置的灵敏度系数k = 2 0 0 ，所以当实际使用的电阻应变计的灵敏系数k ( k = 2 0 5 ) 不等于2 0 0 时，对测量值需要进行修正。7 ；2 0 0 x v k 。 因为本实验桥路中有2 片工作片，需要对测量值进行修正。e ”= e7 2 电桥供电电压为u ( u - - - 2 v ) ，电桥的输出电压为u ，采用半桥测量时电桥输出电压 与桥压及应变的关系：u = u ，4 。 实测力与微应变以及u 三者之间为线形关系。 2 5 3 实验与结果 2 5 3 1 实验条件 测试仪器的工作条件是：环境温度为2 0 - 士5 c ，温度变化速度不超过l * c d 、时；环境 湿度为3 0 8 5 。经编生产车间环境温度为2 3 。( 2 左右，湿度在6 5 左右，完全满足仪器 所要求的工作条件。选用德国k a r lm a y e r 公司生产的k s 4 型特里科经编机。该机器送经采 用f a g 机械式积极送经机构，链块横移。传感器采用固定装置固定在机器上，实验前先对 仪器预热3 0 分钟并调零，测试时选择梳栉g b 2 横移撑杆，g b 2 花型为1 - 0 2 3 。 2 5 3 2 成圈过程中梳栉横移撑杆受力的变化 测试g b 2 横移撑杆在快车( 4 8 0 r p m ，花型循环周期为o 2 5 s ) 时，一个花型循环周期 中的撑杆受力变化情况。图2 - 9 所示为一个花型循环周期撑杆受力变化。动态应变仪的放 大增益为2 0 0 0 x 1 6 ，采样频率为1 0 0 0 0 0 0 h z 采集所得。 横 移 撑 杆 所 受 压 缩 应 力 图2 - 9 一个花型循环横移撑杆所受压缩力变化曲线( 机速4 8 0 r p m ) 实测表明，一个花型循环横移撑杆所受压缩力出现四对明显的波峰。 第一次波峰出现在主轴转角为1 6 0 左右，此时是导纱针第一次针前横移1 - o ，由于横移时 1 4 第二章经编梳栉横移规律研究 间短促，梳栉加速度大，撑杆受压缩力也大。 第二对波峰出现在主轴转角为3 0 0 。附近，此时导纱针多针背横移，横移时间相对宽裕， 梳栉加速度相对较小，相对针前横移撑杆所受压缩力小。 第三对波峰出现在主轴第二转转角1 6 0 。附近此时是导纱针第二次针前横移2 - 3 ，和 第一次针前横移类似，梳栉加速度大，撑杆受压缩力大。回复弹簧的变形也最大，因此， 是撑杆压缩力最大值出现在这一阶段。 第三对波峰出现在主轴第二转转角3 0 0 。附近，此时为导纱针第二次针背横移。 四次波谷分别是凸轮远近休止阶段，横移梳栉在这个阶段摆过导纱针间。 对于k s 4e 2 8 经编机凸轮在在0 0 到4 5 0 完成一个完整的花型编织过程，3 6 0 0 内重复8 个 循环。 邑 v 簿 堪 花盘转角( 度) 图2 1 0 梳栉横向位移一花盘转角关系图 通过对经编机横移花盘0 0 到4 5 0 的运动规律分析，就可以得到k s 4e 2 8 型经编机横移运 动在一个花型循环周期内的运动规律。对k s 4e 2 8 经编机花盘上的转角和半径值进行分析可 以得出k s 4e 2 8 经编机花盘在编织花型1 - 0 2 3 时的位移一花盘转角关系图2 - 1 0 。 根据物理学知识可以得出花盘从动件速度和花盘转角的粗略图2 1 1 。 蟹 e 倒 鸶| 0 八、 -il 扩1 0 1 52 5 3 。v 4 花盘转角( 度) 图2 1 1 梳栉横移速度一花盘转角关系图 江南大学硕士学位论文 结合上图分析知，一个花型循环横移撑杆所受压缩力出现四对明显的波峰分别是梳栉 的速度变化引起，8 次速度换向产生横移撑杆所受压缩力4 对波峰；同时由于实验中所测 量的为撑杆的压缩力。不能表征