毕业设计（论文）-立式开幅机结构和控制系统的设计.doc

毕 业 设 计（论 文）题 目 立式开幅机结构和控制系统的设计 姓 名 学 号 0810111712 所在学院 机械工程学院 专业班级 08 机电6 班 指导教师 日 期 2012年 5月 30 日 毕业设计（论文）任务书院（系）机械工程学院指 导教 师职 称副教授学生姓名华而实专业（班级）机电六班学 号0810111712设计题目立式开幅机结构与控制系统设计设计内容、目标和要求（设计内容目标和要求、设计进度等）一、内容：1 设计一种适用于针织及圆筒布的立式开幅机，通过控制伞架旋转速度，使其与导布辊运动速度同步，保证剖布刀沿布匹的漏针线开剪；2 运用CAD等软件绘制开幅机机械图纸；3 绘制电气控制原理图并编制相关控制程序；4 撰写毕业论文，要求观点正确，字迹清楚、工整；5 完成至少5000字符以上的相关英文资料翻译。二、目标：通过设计，培养学生调研、文献检索及应用的独立工作能力，使学生掌握机电一体化系统设计的一般方法及步骤，熟练掌握各类资料、手册以及软硬件的计算机开发工具等使用方法，增强动手能力。三、要求：1 必须以认真负责的态度对待毕业设计，努力保证自己设计的技术先进性和合理性；2 设计力求有一定创新，相关文档和毕业论文条理清晰，文笔流畅。指导教师签名：孙国栋2011年10月18日基层教学单位审核 院 （系）审 核毕业设计（论文）学生开题报告课题名称 立式开幅机结构与控制设计课题来源 E课题类型Y指导教师孙国栋学生姓名 华而实学 号0810111712专业班级08机电六班（1） 本课题的研究现状、研究目的及意义：立式开幅机开幅机由电源、舒解机构、传感器组、单片机模块、跟踪执行机构、超限报警及处理机构、切割控制、卷布控制组成。准备开幅的布要经过舒解机构去捻,基本上保证输入机器的布没有卷捻,进入导布花篮,针织筒子被撑开,使织物保持足够的张力。经过由光电传感器组成的传感头及单片机组成的智能模块随时判断开幅线的位置,并发出各种控制指令,以驱动纠偏电机旋转,及时校正开幅线,使其始终对准剪切刀口,开幅控制与卷布控制同步,当开幅线超出检测范围时,超限报警,并控制开幅和卷布机构自动停止,单片机处理程序驱动跟踪电机自动寻缝,当开幅线回到正常位置后,重新启动开幅控制和卷布运动,系统继续运行。开幅机的关键是开幅的速度和开幅的精度,归根到底是检测的精度和执行机构的响应速度。因而传感器的设计和执行机构的选择就决定了整个机器的性能。织物引导线跟踪器是圆筒型织物开幅机实现自动化的核心部件，目前国内开幅机大部分采用人工调节引导线的方式，效率低并且劳动强度大。位置敏感探测器PSD是一种精密光电位置探测器，它具有位置分辨率高，响应速度快、可连续输出模拟信号、无死区等优点，因此被广泛应用于各种精密测量领域。本课题在深入研究织物引导线识别跟踪原理的基础上，设计了一种基于位置敏感探测器PSD的织物引导线跟踪器，并进行实验。本课题的现状开幅是纺织工业中的一道重要工序，经过开幅之后的织物才能进行染色、清洗、定型等其他工序。开幅速度高低关系着整个生产过程的效率，目前国内外很多厂家都在研究和生产具有一定自动化程度的开幅机。国外的自动化程度较高，有的开幅机将退捻、开幅、清洗等工序集成在一台机器上，开幅的速度一般是6090mmin，在实际生产过程中，一个操作工可以同时负责23台机器运行。国内的开幅机起步比较晚，目前生产的产品自动化程度比较低，一般需要手工调节和人工干预，开幅的效率比较低，工人的劳动强度也比较大，对工人的操作技能有很高的要求。国内很多公司将退捻、开幅、清洗等作为单独的工序进行处理，这样机器结构可以比较简单，自动化程度要求降低，但是导致工序复杂，生产线较长。国外生产开幅机的公司主要有：Mahlo公司、m-tec公司、Erhardt+Leimer公司、Corino公司等。2004年奥利就公司推出了50G新机，由于新技术的引入，50G新机是一个全新的设备，主要特点是具有良好的易接近性。经过重新设计的开幅装置简化了挡车工的操作，方便了布卷的取出；其支架是倾斜的，并进行了加固、降低高度等改进，革新和改进后的织物卷取机构可获得织物完美的效果，并可避免织物卷曲变形和布边折皱；同时，最新设计的平幅导布机构避免了圆机织物上常见的卷曲变形现象。与现有的其他开幅机一样，新设备同样装有一个布卷自动卷取系统。意大利CORINO公司研制了一种多功能绳状织物开幅机，可以完成脱水、退捻、开幅、卷布四个工序，主要用于半成品棉织物或者纤维织物的处理。基本的工作流程：将需要退捻开幅的绳状织物装载到运布篮中，然后将其固定在旋转台上，在机器工作过程中旋转台会根据运布篮的重心变化而进行调整，保证织物顺利的进行输送。织物首先通过脱水装置，使用高压负荷脱水，既保证织物具有一定的含湿量，又保证在开幅过程中不会因为含有过多的水分而产生过大的重力；然后绳状织物进行退捻，退捻装置是一个罗拉盘机构，并且安装了接近开关，根据接近开关的信号调整伺服电机的转向，从而达到退捻的目的；撑布装置将退捻后的织物撑开，使其具有一定的张力，割布刀安装在引导线跟踪器的下方，引导线跟踪器实时检测引导线的位置，如果引导线偏离剖布刀，那么就控制调整机构来纠正引导线的位置。开幅完成的织物通过清洗之后，在导布机构的驱动下装入运布篮中，以便进行后续的加工工序。国内生产开幅机的厂家也很多，例如晋江市伍威王电子机械有限公司、绍兴劲龙机械工业有限公司、香港名豪机械工程有限公司、江苏苏州兴宏翔有限公司等等。其中大部分公司生产的产品只能完成某一功能，如宏翔有限公司的高速剖布机，伍威王电子机械有限公司的自动退捻展幅机等。国内生产的多功能开幅机，该机器可以完成脱水、退捻、开幅和定型四道工序，其中脱水、退捻和织物定型可以实现自动控制，开幅过程需要人工操作，开幅过程如下：经过脱水、退捻之后的织物被提升到距离地面56m的高度，依靠织物的重力保持垂直；有一定的张力，这样方便剖布刀将织物剖开；经过脱水、退捻之后的织物被提升到距离地织物被撑布机构撑开成圆筒状，并使织物具织物在导布滚筒的带动下，自上而下高速运动，剖布刀安装在调整机构的下方，这样织物就被剖布刀剖开。为了使织物具有最大的利用率，一般在纺织过程中预留一条经线(宽度约lmm的缝隙)作为引导线，在开幅过程中，沿着该引导线将织物剖开。由于在开幅过程中，引导线的位置随时可能偏离剖布刀，所以需要工人及时调整引导线的位置。本课题的目的和意义纺织工业是我国传统的支柱产业，在国民经济发展中起到举足轻重的作用。针织机可以分为扁机和圆纬机，由于圆纬机独特的优点，在现代纺织应用中占有很大的比例。所谓圆纬机是指织针配置在圆形针筒上，用以生产圆筒形纬编织物的针织机。这种织机对纱线的适应能力很强，能织制的花色品种很广泛，还可编织出单件的部分成形衣片；并且机器结构简单、易于操作、生产效率高、占地面积较小，在针织机器中占有很大的比重。用圆纬机织出的坯布成圆筒状，需要开幅定型之后才可以进一步使用。为了后续织物的开幅定型，在针织过程中都要预置一条引导线，开幅时剖布刀沿该引导线将织物剖开。织物引导线包括织物上的预制缝，如布缝、皮革缝等，或者与织物本身颜色差异很大的预制线条等。一般厂家都是在针织的过程中预留一条经线作为开幅引导线，宽度约lmm。为了提高圆筒型织物的利用率，开幅机上的剖布刀沿织物上引导线将织物剖开。目前国外的开幅机自动化程度比较高，使用CCD作为引导线识别和跟踪传感器，同时将退捻、开幅、清洗和定型几道工序集中在一台机器上，但是成本较高，很多企业难以承受，如意大利的CORINO公司生产的多功能退捻开幅机。目前国内生产的机器大部分只能完成其中的一个工序，如退捻机，开幅机等，也有少数的机器可以同时完成几个工序，如江都市印染机械厂生产的ASMA281型绳状退捻开幅机，该机器实现了自动退捻功能，但是开幅过程仍然需要人工干预。国内大部分染整企业开幅过程采用人工监视与手动调节的方式，使引导线对准剖布刀。开幅机运行时，操作人员需要时刻注意织物上的引导线，如果引导线偏离剖布刀位置，则需及时手动控制引导线调整机构，将引导线调整到剖布刀位置。由于开幅机上织物是高速运行的，最高可以达到6090mmin，运行过程中引导线随时会偏离剖布刀，操作人员很难长时间及时加以纠正，并且对准精度低、废品率较高，操作人员工作强度大。近些年来，国内关于引导线跟踪器的研究也有很多的报道，并取得了一定的成果，但是目前市场上还没有成熟的产品出现。1993年，何福友等人研制了一种适用于针织毛巾、汗衫、棉毛、毛棉等织物跟踪器，该引导线跟踪器要求织物的引导线缝隙的透光性与织物其他位置的透光性有比较显著的差异。跟踪器系统由红外光源构成的发射头、硅光电池组构成的检测头及其信号放大和转换部分组成。当织物的引导线对准硅光电池组的正中间时，若红外光透过被剖织物，留有引导线的地方对应的光电池得到的电势信号就与周围光电池不同，经过对信号放大和数据采集，由单片机系统识别引导线的位置，并且用其控制调整机构，从而调节引导线对准剖布刀位置。2006年，黄立华等人设计了一种以光电探测器阵列作为传感器的织物引导线跟踪器，它由照明系统、光电探测系统和信号处理系统三部分组成。入射光线透过织物之后照射到光电探测器阵列上，透过织物上引导线的位置的光强要大于透过织物上其他位置的光强，根据传感器的输出从而判断引导线的位置。引导线跟踪器的研究是实现开幅自动化的关键，鉴于纺织工业对国民经济的重要性和目前国内开幅自动化程度较低的现状，具有实用价值的引导线跟踪器研究具有广阔的发展前景和巨大的经济价值。在深入研究开幅机引导线跟踪器对织物引导线识别跟踪原理的基础上，结合企业横向项目，设计了一种基于位置敏感探测器PSD的引导线跟踪器，并在二维实验平台上，通过平台带动织物移动来模拟开幅机的实际工作过程，对跟踪器系统进行了标定和实验。本课题的研究为引导线跟踪器的设计提供了新的思路，对于提高开幅自动化具有重要的现实意义。（二）研究方案及预期结果： 主体思路 设计的目标和任务本课题的研究内容主要包括以下几个方面：(1) 综述了织物引导线跟踪器的研究背景和意义；阐述了国内外开幅机的研究现状；对常用的几种光电位置传感器进行了研究和比较；论述了本论文的主要研究内容。(2) 对织物引导线识别原理进行了研究，选择位置敏感探测器PSD作为跟踪器的传感器；分析了PSD的结构和工作原理，为后续电路设计和程序设计奠定了基础。9通过对PSD性能参数的分析，结合实验方案进行了PSD选型。(3) 设计了引导线跟踪器实验系统整体方案；根据引导线识别原理，设计了系统所需要的平行光源并对点光源选型；设计了信号处理电路包括：前置处理电路和AD转换电路，同时也设计了实验平台驱动电路和串口通信电路。(4) 开发了实验系统软件，包括下位机程序和上位机软件设计两部分。下位机程序主要包括：AD采样程序、串口通信程序和实验平台驱动程序；上位机软件设计主要包括：数据处理和显示模块、串口通信模块、实验平台控制模块和人机交互界面的设计。(5) 对跟踪器实验系统进行了标定；然后进行了一系列实验，主要包括：系统长时间稳定性实验，织物颜色、密度以及高速运行时对系统检测精度的影响实验；分析了影响系统检测精度的因素，并提出了改进的方法和途径。本课题研究的实施方案、进度安排开幅机设备庞大，结构复杂，主要包括：传感器、控制器、执行结构和其他辅助机构。本文研究对象是自动开幅机上用于引导线识别的传感器，研究目的是设计一种具有实用价值的、可以实现开幅自动化的引导线跟踪器。由于开幅机设备庞大，实验研究不可能在实际开幅机上进行，本文设计了二维工作台，通过平台的移动来模拟实际开幅机的运行过程。由于平台的移动位移是已知的，所以很方便的通过平台一维运动或者插补运动来对跟踪器系统进行实验。本文的主要工作包括引导线跟踪器的整体方案设计、系统光源设计、硬件电路设计、软件设计以及系统检测精度实验。实验系统选择位置敏感探测器PSD作为传感器，本文在深入研究了PSD的结构原理，性能特性、电路以及信号处理方法的基础上，设计了一种基于PSD的织物引导线跟踪器，丰富了PSD的应用，提供了一种用于织物引导线识别跟踪的传感器设计方案。本课题主要研究内容如下：(1) 综述了织物引导线跟踪器的研究背景和意义；分析了国内外开幅机的发展现状；概述了常用的光电位置探测器：电荷藕合器件CCD，四象限探测器、位置敏感探测器PSD；最后论述了本论文的主要研究内容。(2) 首先根据引导线的识别跟踪机理，结合光电传感器的特点，选择合适的传感器作为跟踪器的核心部件；然后阐述了PSD的结构和工作原理，同时分析了PSD的主要性能参数；最后根据本课题的实际需要，依据PSD的性能参数进行了PSD的选型。(3) 首先设计了引导线跟踪器实验系统的整体方案；然后设计了系统光源并对点光源和滤光片进行了选型；设计引导线跟踪器系统信号处理电路，包括：前置处理电路、AD转换电路；最后设计了实验平台驱动电路和串口通信电路。(4) 主要是实验系统软件开发，包括下位机程序设计和上位机软件设计两部分。下位机程序设计包括：AD转化程序、串口通信程序和实验平台驱动程序；上位机软件设计包括：数据处理和显示模块、实验平台控制模块、串口通信模块和入机养面设计。使用上位机软件参与引导线跟踪器实验，使实验操作更加方便、实验结果的显示更加直观。(5) 对实验系统进行了标定；进行了一系列实验主要包括：系统长时间稳定性实验，织物颜色、密度以及运行速度对系统检测精度的影响实验；分析了影响系统检测精度的因素，并提出了改进的措施和方法。应用前景本课题在深入分析了织物引导线跟踪器的研究现状之后，提出了一种基于位置敏感探测器PSD的跟踪器设计方法。本文通过实验平台模拟开幅机实际运行过程，从而对跟踪器系统进行研究，论述了该系统的整体设计方案和实验原理，根据系统要求完成了软件、硬件设计，并进行了跟踪器系统实验。结果表明，该实验系统设计方案可行，系统检测综合定位误差小于2mm，满足纺织行业中剖布精度10.Omm的要求，为自动开幅机的核心部件引导线跟踪器设计提供了一种新方案。存在的问题和改进建议 结合研究工作以及国内外相关研究领域的发展状况和趋势，认为以下几方面工作亟待进一步深入研究。(1)系统需要的光源是均匀的平行光源，需要进一步提高光源的均匀性，可以设计光源调制控制电路，通过增加电压反馈部分来保证光源的稳定性，有利于提高系统的精度。(2)背景光和暗电流的处理，因为从PSD输出的信号是微弱的电流信号，经过前置放大之后转换为可以处理的电压信号；同时由于实验过程中，当引导线移动时，PSD两输出电极电流变化很小，需要进一步研究消除背景光和暗电流的硬件电路设计方法以及相应的软件处理方法。(3)进一步优化软件，提高软件的容错性，改进算法，减少中间的计算误差，提高系统检测精度。(4)由于实验条件的限制，在实验过程中，织物的运动速度没有能达到实际开幅机的运行速度，需要在高速平台上进一步试验。这些都有待于我们深入的研究，使该系统更加稳定，更加完善，进一步提高系统的检测精度。课题类型：（1）A工程实践型；B理论研究型；C科研装置研制型；D计算机软件型；E综合应用型（2）X真实课题；Y模拟课题；（1）、（2）均要填，如AY、BX等。 查阅的主要参考文献：1 新型系列绳状退捻开幅机问世J. 张立荣. 纺织机械, 19962 国内首创绳状退捻开幅机J. 张立荣. 天津纺织科技, 1995 3 技术鉴定J. 纺织导报, 1995 4 特宽涤棉染色布绳状练漂工艺J.王建峡, 冯伟. 染整技术, 1998 5 用多极电感移相器测试步进电动机步距角精度J. 屈其溱. 微电机, 19766 基于AT89C2051的步进电动机恒频恒流斩波控制J. 刘川, 刘景林, 王凌. 微电机, 2009 7 功率步进电动机测试电源J .倪德林.电气应用, 1986 8 步进电动机及其驱动线路J. 制造技术与机床, 1973 指导教师意见指导教师签名： 年 月 日毕业设计（论文）学生申请答辩表课 题 名 称立式开幅机结构和控制系统设计指导教师（职称）孙国栋（副教授）申 请 理 由学生所在学院机械工程学院专业班级08机电6班学号0810111712 学生签名： 日期：毕业设计（论文）指导教师评审表序号评分项目（理工科、管理类）评分项目(文科)满分评分1工作量外文翻译152文献阅读与外文翻译文献阅读与文献综述103技术水平与实际能力创新能力与学术水平254研究成果基础理论与专业知识论证能力255文字表达文字表达106学习态度与规范要求学习态度与规范要求15是否同意参加答辩：总分评语 指导教师签名： 另附毕业设计（论文）指导记录册 年 月 日毕业设计（论文）评阅人评审表学生姓名华而实专业班级08机电6班学号0810111712设计（论文）题目立式开幅机结构和控制系统设计评阅人评阅人职称序号评分项目（理工科、管理类）评分项目(文科)满分评分1工作量外文翻译152文献阅读与外文翻译文献阅读与文献综述103技术水平与实际能力创新能力与学术水平254研究成果基础理论与专业知识论证能力255文字表达文字表达106学习态度与规范要求学习态度与规范要求15总分评语 评阅人签名： 年 月 日毕业设计（论文）答辩表学生姓名华而实专业班级08机电6班学号0810111712设计（论文）题目立式开幅机结构和控制系统设计序号评审项目指 标满分评分1报告内容思路清新；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。402报告过程准备工作充分,时间符合要求。103创 新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。104答 辩回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确，深入。40总分答辩组评语答辩组组长（签字）： 年 月 日 答辩委员会意见答辩委员会负责人（签字）： 年 月 日毕业设计（论文）成绩评定总表 学生姓名： 华而实 专业班级： 08机电6班 毕业设计（论文）题目： 立式开幅机结构和控制系统设计成绩类别成绩评定指导教师评定成绩评阅人评定成绩答辩组评定成绩总评成绩40%+20%+40%评定等级注：成绩评定由指导教师、评阅教师和答辩组分别给分(以百分记)，最后按“优(90-100)”、“良(80-89)”、“中(70-79)”、“及格(60-69)”、“不及格(60以下)”评定等级。其中， 指导教师评定成绩占40%，评阅人评定成绩占20%，答辩组评定成绩占40%。摘 要圆筒布开幅机是当今印染行业中不可缺少的设备，它是一类将圆筒布切开然后展开的的机器，为之后布匹的染色等工序奠定了基础。在开幅机开幅过程中由于布重和电机等因素，刀具可能会偏离其开幅轨迹，因此如何使开幅精度达到要求是研究的首要问题。在卷布的过程中，布匹可能产生卷布偏差，需要设计一个对中装置可以调节布匹的卷布偏差。在本文中首先论述课题的研究意义，并介绍国内外的开幅机发展情况和其的研究内容。然后介绍了本课题的机器的总体分布和主要机械部分的设计：退捻机构设计、开幅机构设计和对中装置的设计。并对开幅刀进行了选择，选择并校验了开幅辊。最后介绍了立式开幅机伞架步进电机控制部分的设计和调试,简述了单片机的功能、设计了单片机最小系统、以及单片机是如何控制步进电机的运行。调试部分是根据开幅机对其伞架调节电机而作的模拟实际调节，进一步的表达出控制的好处。总体机械的设计、伞架电机的选择、开幅辊的设计验算和单片机对开幅伞架电机的控制是本文研究的核心内容，单片机和各个机构构成了一个完整的开幅机。关键词：单片机；步进电机；开幅AbstractCylinder cloth of machine is open todays printing and dyeing the indispensable equipment in the trade, it is a kind of machine can cut the cylinder fabric, and it is the foundation of piece dyeing. In the process of scutching, cutting tools may deviate from its scutching track. So how to meet requirements is a key problem. In the process of roll up the fabric, we can design an installation to afford the rolling up deviation.In this paper we firstly discusses the significance of the issue, and introduce the current situation of scutcher. And then I plans the general structure distribution and the design of main mechanism, such as entwist back mechanism, scutcher mechanism and centering device. At last, I design the control system and debug it. We also describe the function of the single chip microcomputer, design the single chip computer minimum system, and MCU is how to control the step motor running. Commissioning is part of the machine according to the picture frame regulation for the simulation of the practical motor regulation, further express control of benefits.General machinery design and single chip microcomputer picture frame of motor, outside of the motor control device design this paper studies the core contents of single-chip microcomputer and various institutions compose a complete picture of a machine.Key words: MCU; the step motor; scutching II目 录1 绪 论11.1本课题研究的目的和意义11.1.1开幅机的工作特点及其种类11.1.2开幅机研究的目的与意义11.2国内开幅机的发展状况和发展趋势31.3国外开幅机的发展状况和发展趋势41.4本课题研究的内容42 立式开幅机的结构设计62.1开幅机的结构组成62.2立式开幅机的主要技术参数72.3立式开幅机的总体结构分布82.4退捻机构的设计92.4.1退捻机构的作用92.4.2退捻机构的设计92.4.2退捻机构电机的选择102.5开幅机构的设计102.5.1开幅机构的作用102.5.2开幅伞架的机械设计112.5.3伞架电机的选择112.5.4开幅刀具的选择122.5.5开幅辊的设计122.6对中装置的设计142.6.1对中装置的原理和作用142.6.2对中装置的结构设计143立式开幅机伞架电机控制系统的设计163.1 伞架控制系统的总体设计163.1.1 步进电机控制方案的确定163.1.2 伞架系统方案的总框183.2 系统的设计183.2.1系统的设计要求183.2.2系统的组成及其对应功能简述193.3 单片机最小系统193.3.1AT89S51简介193.3.2单片机最小系统设计213.4 接口电路的设计233.4.1 系统整图233.4.2 电源部分243.4.3 按键部分253.4.4 驱动部分263.5 控制系统软件设计263.5.1 系统开发软硬件环境263.5.2 系统主程序263.5.3 查键部分273.5.4 前进部分283.5.5 后退部分293.5.6 加速部分303.5.7 减速部分314 立式开幅机控制系统的调节演示32总 结36致 谢37参考文献38毕业设计（论文）专用纸1 绪 论1.1本课题研究的目的和意义1.1.1开幅机的工作特点及其种类开幅是纺织工业中的一道重要工序，经过开幅之后的织物才能进行染色、清洗、定型等其他工序。为适应当今纺织市场的需求，圆筒针织毛坯布以其制作工序简单、样式多变而被国内外作为主要的布匹生产形势，圆筒布开幅机应运而生。圆筒布的开幅是在毛坯布进行印染前一道十分重要的工序，它的特点是将布匹按照一条特定的线裁剪开，然后将布匹展开卷起。因此其开幅的精度和将布匹卷起的精度，直接影响布匹的印染质量。目前市场上主要运用的有两类开幅机，从开幅机的开幅方式分为卧式开幅机和立式开幅机。立式开幅机因减小了布匹重力对其开幅的影响而深受各个厂家的欢迎。 图1.1 立式圆筒布开幅机 图1.2 卧式圆筒布开幅机 1.1.2开幅机研究的目的与意义纺织工业是我国传统的支柱产业，在国民经济发展中起到举足轻重的作用。针织机可以分为扁机和圆纬机，由于圆纬机独特的优点，在现代纺织应用中占有很大的比例。所谓圆纬机是指织针配置在圆形针筒上，用以生产圆筒形纬编织物的针织机。这种织机对纱线的适应能力很强，能织制的花色品种很广泛，还可编织出单件的部分成形衣片；并且机器结构简单、易于操作、生产效率高、占地面三积较小，在针织机器中占有很大的比重。用圆纬机织出的坯布成圆筒状，需要开幅定型之后才可以进一步使用。为了后续织物的开幅定型，在针织过程中都要预置一条引导线，开幅时剖布刀沿该引导线将织物剖开。织物引导线包括织物上的预制缝，如布缝、皮革缝等，或者与织物本身颜色差异很大的预制线条等。一般厂家都是在针织的过程中预留一条经线作为开幅引导线，宽度约l mm。为了提高圆筒型织物的利用率，开幅机上的剖布刀沿织物上引导线将织物剖开。目前国外的开幅机自动化程度比较高，使用CCD作为引导线识别和跟踪传感器，同时将退捻、开幅、清洗和定型几道工序集中在一台机器上，但是成本较高，很多企业难以承受，如意大利的CORINO公司生产的多功能退捻开幅机。目前国内生产的机器大部分只能完成其中的一个工序，如退捻机，开幅机等，也有少数的机器可以同时完成几个工序，如江都市印染机械厂生产的ASMA281型绳状退捻开幅机，该机器实现了自动退捻功能，但是开幅过程仍然需要人工干预。国内大部分染整企业开幅过程采用人工监视与手动调节的方式，使引导线对准剖布刀。开幅机运行时，操作人员需要时刻注意织物上的引导线，如果引导线偏离剖布刀位置，则需及时手动控制引导线调整机构，将引导线调整到剖布刀位置。由于开幅机上织物是高速运行的，最高可以达到6090mmin，运行过程中引导线随时会偏离剖布刀，操作人员很难长时间及时加以纠正，并且对准精度低、废品率较高，操作人员工作强度大。近些年来，国内关于引导线跟踪器的研究也有很多的报道，并取得了一定的成果，但是目前市场上还没有成熟的产品出现。1993年，何福友等人研制了一种适用于针织毛巾、汗衫、棉毛、毛棉等织物跟踪器，该引导线跟踪器要求织物的引导线缝隙的透光性与织物其他位置的透光性有比较显著的差异。跟踪器系统由红外光源构成的发射头、硅光电池组构成的检测头及其信号放大和转换部分组成。当织物的引导线对准硅光电池组的正中间时，若红外光透过被剖织物，留有引导线的地方对应的光电池得到的电势信号就与周围光电池不同，经过对信号放大和数据采集，由单片机系统识别引导线的位置，并且用其控制调整机构，从而调节引导线对准剖布刀位置。2006年，黄立华等人设计了一种以光电探测器阵列作为传感器的织物引导线跟踪器，它由照明系统、光电探测系统和信号处理系统三部分组成。入射光线透过织物之后照射到光电探测器阵列上，透过织物上引导线的位置的光强要大于透过织物上其他位置的光强，根据传感器的输出从而判断引导线的位置。引导线跟踪器的研究是实现开幅自动化的关键，鉴于纺织工业对国民经济的重要性和目前国内开幅自动化程度较低的现状，具有实用价值的引导线跟踪器研究具有广阔的发展前景和巨大的经济价值。在深入研究开幅机引导线跟踪器对织物引导线识别跟踪原理的基础上，结合企业横向项目，设计了一种基于位置敏感探测器PSD的引导线跟踪器，并在二维实验平台上，通过平台带动织物移动来模拟开幅机的实际工作过程，对跟踪器系统进行了标定和实验。本课题的研究为引导线跟踪器的设计提供了新的思路，对于提高开幅自动化具有重要的现实意义。1.2国内开幅机的发展状况和发展趋势国内的开幅机起步比较晚，目前生产的产品自动化程度比较低，一般需要手工调节和人工干预，开幅的效率比较低，工人的劳动强度也比较大，对工人的操作技能有很高的要求。国内很多公司将退捻、开幅、清洗等作为单独的工序进行处理，这样机器结构可以比较简单，自动化程度要求降低，但是导致工序复杂，生产线较长。国内生产开幅机的厂家很多，例如晋江市伍威王电子机械有限公司、绍兴劲龙机械工业有限公司、香港名豪机械工程有限公司、江苏苏州兴宏翔有限公司等等。其中大部分公司生产的产品只能完成某一功能，如宏翔有限公司的高速剖布机，伍威王电子机械有限公司的自动退捻展幅机等。国内生产的多功能开幅机，该机器可以完成脱水、退捻、开幅和定型四道工序，其中脱水、退捻和织物定型可以实现自动控制，开幅过程需要人工操作，开幅过程如下：经过脱水、退捻之后的织物被提升到距离地面56m的高度，依靠织物的重力保持垂直；有一定的张力，这样方便剖布刀将织物剖开；经过脱水、退捻之后的织物被提升到距离地织物被撑布机构撑开成圆筒状，并使织物具织物在导布滚筒的带动下，自上而下高速运动，剖布刀安装在调整机构的下方，这样织物就被剖布刀剖开。为了使织物具有最大的利用率，一般在纺织过程中预留一条经线(宽度约l mm的缝隙)作为引导线，在开幅过程中，沿着该引导线将织物剖开。由于在开幅过程中，引导线的位置随时可能偏离剖布刀，所以需要工人及时调整引导线的位置。国内的开幅机大多数难以完成全自动化管理，但是江阴市南翔机械有限公司和江都市印染机械厂在吸收国外先进设备优点的基础上结合我国国情自行设计并开发研制成功一种新型印染设备NX-SCNT全自动圆筒对线剖布开幅机和ASMA281型的一系列的退捻开幅机，他们都实现了布匹的全自动开幅。该设备采用了微电子技术,具有自动退捻、红外线对中、交流变频调速等功能,解决了国内印染行业长期以来的一大难题,填补了我国绳状退捻开幅设备的综合自动化空白。这也预示我国开幅机的发展趋势是一步一步的走向更加成熟化的全自动控制。1.3国外开幅机的发展状况和发展趋势国外生产开幅机的公司主要有：Mahlo公司、m-tec公司、Erhardt+Leimer公司、Corino公司等。国外的自动化程度较高，有的开幅机将退捻、开幅、清洗等工序集成在一台机器上，开幅的速度一般是6090mmin，在实际生产过程中，一个操作工可以同时负责23台机器运行。2004年奥利就公司推出了50G新机，由于新技术的引入，50G新机是一个全新的设备，主要特点是具有良好的易接近性。经过重新设计的开幅装置简化了挡车工的操作，方便了布卷的取出；其支架是倾斜的，并进行了加固、降低高度等改进，革新和改进后的织物卷取机构可获得织物完美的效果，并可避免织物卷曲变形和布边折皱；同时，最新设计的平幅导布机构避免了圆机织物上常见的卷曲变形现象。与现有的其他开幅机一样，新设备同样装有一个布卷自动卷取系统。国外的开幅机发展趋向成熟，因此他们将更多的精力放在了印染行业中其它的地方，例如，染料的研究、如何更好的保护织物、还有废料对环境的污染。1.4本课题研究的内容 开幅机设备庞大，结构复杂，主要包括：退捻机构、开幅机构、自动对中机构和其他辅助机构。本文研究对象是设计开幅机的整体结构与各个机械结构的控制。具体设计了退捻机构的结构组成、开幅机构的结构组成和开幅机构中单片机对伞架步进电机的控制。由于开幅机设备庞大，实验研究不可能在实际开幅机上进行，本文设计了单片机模板，用灯来表示机器的运转情况，简化了实验，验证程序。本课题主要研究内容如下：（1）立式开幅机的整体结构的分布设计；（2）退捻机构的设计与伞架结构的设计，还有是两个机构电机的配合。布匹在经过退捻机构后会产生一个退捻扭转力，所以在经过伞架的时候伞架需要一直按一个方向转动以平衡这个力矩。（3）在布匹的对称中心发生偏移的时候，需要天界伞架电机的转动频率，从而使刀具可以在漏针缝允许范围内切割。（4）在卷布过程中，可能是布发生偏移，使得卷起来的布匹错位，所以需要一个自动对中装置，监视卷布情况，随时的进行调节。2 立式开幅机的结构设计2.1开幅机的结构组成开幅机机械部分主要由三个主要部分组成，退捻机构（舒解机构）、开幅机构以及卷布机构。退捻机构，也就是舒解机构，将麻花状的布匹通过类似双手错开的方式将麻花状布退捻，使其舒解开来。开幅机构包括了开幅伞架、刀具和开幅辊，该机构是将经过退捻的圆筒布利用伞架结构撑开，然后在伞架不停的旋转调整下按一条规定的直线（开幅线）进行切割将布匹裁剪开，最后经过开幅辊来是布匹完全的展开。卷布机构包括了自动对中装置和一个卷布用的圆辊桶，其要保证在整个开幅的过程中布匹始终保持着一定的张力而且还控制着开幅速度，同时自动对中装置保证了卷布过程中不会出现卷歪、卷折的现象，保证了布匹的品质。开幅机的控制部分主要由单片机模块、传感器组、超限报警及卷布控制、伞架步进电机的调节控制自动对中电机的控正反转制组成。准备开幅的布要经过舒解机构去捻,基本上保证输入机器的布没有卷捻,进入导布花篮,针织筒子被撑开,使织物保持足够的张力。经过由光电传感器组成的传感头及单片机组成的智能模块随时判断开幅线的位置,并发出各种控制指令,以驱动纠偏电机旋转,及时校正开幅线,使其始终对准剪切刀口,开幅控制与卷布控制同步,当开幅线超出检测范围时,超限报警,并控制开幅和卷布机构自动停止,单片机处理程序驱动跟踪电机自动寻缝,当开幅线回到正常位置后,重新启动开幅控制和卷布运动,系统继续运行。图2.1 立式开幅机工作流程图2.2立式开幅机的主要技术参数开幅机的主要技术参数表示了其开幅的能力，立式开幅机的主要参数包括：1) 织物的运行速度：立式开幅机的织物运行速度直接反映一台开幅机的生产能力，更加可以体现出一同控制系统的精密程度。2) 漏针缝的（如图2.2）尺寸：圆筒布有圆布机针织而成，会留下一宽为1mm的经线，开幅机的刀具沿着此条经线进行切割。3) 布匹开幅后宽度为1.3m。4) 开幅误差为+-10mm。 图2.2 两种圆筒布的漏针缝2.3立式开幅机的总体结构分布为适应生产的各种需求，设计开幅机的总体结构时需要考虑到占地面积较小、方便织物彻底的展开、各个机构在紧密配合的时候不会互相的干涉，因此在设计之初计划好各个机构的位置，使机器可以更好的运行。下图为立式开幅机的结构示意。其中，最上端是开幅机的退捻机构，中间的为伞架开幅机构还有切割刀具、对中检测装置，下面的箱体中包括了开幅辊、自动对中装置。图2.3 立式开幅机总体分布图2.4退捻机构的设计2.4.1退捻机构的作用捻的意思就是用手指搓转，像以前人们制造麻绳的时候将多根麻线搓成一体。退捻，顾名思义，就是“捻”的反过程，在印染行业中就是讲麻花状的圆筒布初步的展开方便后续加工。退捻机构的主要作用就是舒解因打湿而扭成麻花状的圆筒布，使其在切割漏针缝之前可以很好的舒展开来。图2.4 退捻机构实物图2.4.2退捻机构的设计退捻机构的原理就是利用一个摩擦转矩把布匹舒解开来。1) 方案一做一个箱体结构，然后装两根空间交错，相距10mm的橡胶轴。两个轴上安装同样的电机，但电机的旋转方向相反，当布匹通过两轴间时，由于摩擦力的作用，使得麻花状布匹展开，从而达到退捻的目的。2) 方案二利用罗拉机构来开幅罗拉是纺织机械中起喂给、牵伸、输出等作用的圆柱形回转零件。布匹通过罗拉内筒然后被罗拉的拉紧，利用内筒的旋转产生一个力矩从而使麻花状布匹得以舒解。3) 方案比较方案一简单易行，两个圆滚筒交错而放可以看成是一个点接触，布匹必须通过这个点才能得到舒解。但是这个条件是难以实现的，布匹在开幅的过程中随时可能偏离开幅点。所以经上述考虑，选则方案二，利用罗拉进行退捻。下图就是基于罗拉结构而设计的退捻机构立体图： 图2.5 Pro-E退捻机构设计图金黄色的零件为电动机，深蓝色的零件为罗拉，绿色的零件为罗拉内筒。电动机与罗拉内筒通过带轮传动连接。2.4.2退捻机构电机的选择在整个工作过程中，退捻机构的电机只需要安一定的速率运行即可，不涉及到变速，因此选择Y系列的三相异步电机。型号Y80M1，转速为1500r/min，功率为0.55Kw。2.5开幅机构的设计2.5.1开幅机构的作用开幅机构为开幅机的核心机构，包含了伞架机构和开幅辊。伞架机构是用来撑开圆筒布然后通过光源检测刀具是否对准漏针缝后，用圆刀沿漏针缝进行切割从而将圆筒布切开成平幅布。开幅辊的作用是使平幅布可以更好的展开，同时也对布匹提供了张力，使布匹能够更好的开幅。 图2.6 布匹通过伞架机构 图2.7 开幅辊实物图2.5.2开幅伞架的机械设计开幅伞架需要将圆筒布从圆筒中心撑开方便之后切割用。而且，在伞架末端和刀具之间有一个检测装置，在漏针缝发生偏移的时候经过调解电机的频率，使得改变伞架转动速率从而进行条中。图2.8 伞架结构的ProE图2.5.3伞架电机的选择为了保证开幅精度、降低开幅劳动强度，本文在此选择开幅自动化。为了达到规定的响应速度,所选电机应有快速响应的特点,实现小调偏量的快速调节。电机本身要具有适当的转矩,才能拖动导布花篮。当转矩选择过大,机电时间常数就增大,随动特性变差;转矩选择过小,拖不动导布花篮,往往造成堵转或烧毁电机,甚至发生转轴被扭断的现象。因此初选步进电机作为执行电机,当矩角特性和矩频特性都适当时,甚至可以不带齿轮减速机构就可以达到拖动的要求。因而避免了减速元件所产生的噪声及振动,同时避免了电机正反转间隙误差和传递误差的产生,提高系统的精度,简化系统结构,也不会产生减速箱漏油造成的织