陳 革，張景慧，周其洪

(東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620)

三維機(jī)織物用于紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的預(yù)制件，具有良好的整體性和仿形性，用它制備的復(fù)合材料的抗層間剪切強(qiáng)度、抗沖擊性、損傷容限、斷裂韌性、可靠性等綜合力學(xué)性能皆優(yōu)于傳統(tǒng)的層壓復(fù)合材料，可廣泛用于航空航天、軍工、交通運(yùn)輸、通用機(jī)械、建筑能源等領(lǐng)域，因此，如何織制具有三維交織結(jié)構(gòu)的整體機(jī)織物已成為現(xiàn)代紡織的研究熱點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)三維機(jī)織物的機(jī)械化生產(chǎn)，必須研發(fā)高效率、高度自動(dòng)化的立體織機(jī)［1-2］。

要織造高厚度的三維立體織物，由于在垂直方向上有多個(gè)梭口，在打緯之前一般需要多對(duì)劍桿同時(shí)引緯，或1對(duì)劍桿多次引緯;對(duì)于異形截面的三維立體織物，往往要求引緯動(dòng)程是在線變化的，并且不同的劍桿需要有不同的引緯動(dòng)程，因此，這些特殊的織造工藝對(duì)引緯系統(tǒng)的靈活性和可靠性提出了很高的要求。對(duì)于三維織造引緯系統(tǒng)，文獻(xiàn)［3］提出一種氣缸控制的多劍桿氣動(dòng)引緯方法，雖然可以簡(jiǎn)化引緯機(jī)構(gòu)，但是不能實(shí)現(xiàn)變動(dòng)程引緯;文獻(xiàn)［4］提出一種計(jì)算機(jī)控制的電子引緯系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)變動(dòng)程引緯，但其針對(duì)傳統(tǒng)的平面織物的單梭口引緯，沒(méi)有涉及立體織物的多梭口引緯。

本文通過(guò)分析劍桿引緯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及劍桿織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)織造立體織物對(duì)引緯機(jī)構(gòu)的特殊要求，設(shè)計(jì)了一種基于伺服電動(dòng)缸的劍桿織機(jī)引緯方法。

1 劍桿引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

劍桿引緯運(yùn)動(dòng)規(guī)律必須滿足3個(gè)方面的要求。

1)位移規(guī)律。進(jìn)劍時(shí)，劍頭從梭口兩側(cè)運(yùn)動(dòng)到梭口中央時(shí)，要求達(dá)到規(guī)定的最大動(dòng)程;退劍時(shí)，劍頭從梭口中央退回到梭口兩側(cè)時(shí)，要達(dá)到規(guī)定的位置。送緯劍的最大動(dòng)程 Ssmax和接緯劍的最大動(dòng)程Sjmax分別為

式中：a為送緯劍到達(dá)梭口的距離;b為接緯劍到達(dá)梭口的距離;w為上機(jī)筘幅;d為交接沖程，即送緯劍和接緯劍進(jìn)足時(shí)，2個(gè)劍頭的鉗紗點(diǎn)位移重疊距離;s0為接力距離，即接緯劍退劍時(shí)，送緯劍跟隨前進(jìn)的距離(某些劍桿織機(jī)采用這種方法，確保緯紗交接牢固)。

2)速度規(guī)律。進(jìn)劍時(shí)，劍桿從靜止開始，速度逐漸增至最大，然后又逐漸減小，當(dāng)劍頭到達(dá)規(guī)定最大動(dòng)程時(shí)，速度又降為零;退劍過(guò)程，劍桿從靜止開始，速度逐漸增加到最大，然后又逐漸減小，當(dāng)劍頭退到梭口兩側(cè)規(guī)定位置時(shí)，速度又降為零。劍桿的速度受緯紗拾取與交接性能影響，劍頭兩端的運(yùn)動(dòng)速度要低而平緩。

3)加速度規(guī)律。由速度規(guī)律可看出，進(jìn)劍和退劍的前半段為加速階段，后半段為減速階段。進(jìn)劍啟動(dòng)時(shí)加速度不能太大，因?yàn)榫暭啅撵o止啟動(dòng)時(shí)，加速度過(guò)大易引起斷緯。

根據(jù)織機(jī)對(duì)劍桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求，現(xiàn)有的劍桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律一般采用正弦加速度、五次多項(xiàng)式和修正梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律［5］。

1.1 正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律

正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本能滿足劍桿運(yùn)動(dòng)的性能要求，其各運(yùn)動(dòng)段連續(xù)、光滑過(guò)渡，沒(méi)有剛性沖擊和柔性沖擊。

進(jìn)劍運(yùn)動(dòng)方程為

退劍時(shí)運(yùn)動(dòng)方程為

式中：l為劍桿行程;φ為主軸轉(zhuǎn)角;φ0為進(jìn)劍過(guò)程占用的主軸轉(zhuǎn)角;φ0'為退劍過(guò)程占用的主軸轉(zhuǎn)角。

正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的極值參數(shù)比較大，限制了該規(guī)律在高速劍桿織機(jī)上的使用，主要應(yīng)用于低速劍桿織機(jī)上(轉(zhuǎn)速低于300 r/min)。

1.2 五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律

五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為

式中，pi(i=0、1、2、3、4、5) 為待定系數(shù)，可通過(guò)邊界條件確定。在始點(diǎn)處，φ =0，s=0，v=0，a=0;在終點(diǎn)處，φ = φ0，s=l，v=0，a=0，代入五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)方程中，解得 p0=p1=p2=0，p3=10l/，p4=-15l/p5=6l/，其位移方程為

從而可進(jìn)一步解出該規(guī)律的速度和加速度方程。

五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律與正弦加速度規(guī)律類似，但其極值參數(shù)有所改善，使得劍桿的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，振動(dòng)降低，優(yōu)化了劍桿運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性能，適合于中高速的劍桿織機(jī)。

1.3 修正梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律

修正梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律在于劍桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度峰值可以事先給定，以降低劍桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性沖擊，使其適應(yīng)高速劍桿織機(jī)的需要。設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于過(guò)渡曲線的設(shè)計(jì)，以使整條曲線連續(xù)和光滑，既無(wú)剛性沖擊，也無(wú)柔性沖擊，該規(guī)律較廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代劍桿織機(jī)上。

2 典型引緯機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

由于只要符合劍桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律及要求的機(jī)構(gòu)就可以用作劍桿引緯機(jī)構(gòu)，因此，劍桿引緯機(jī)構(gòu)形式較多，典型的有共軛凸輪引緯機(jī)構(gòu)、變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)、空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)［5］等。

凸輪式傳劍機(jī)構(gòu)的劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律在理論上可以按照需要來(lái)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)凸輪廓線加工精度要求相當(dāng)高，制造難度大，一旦凸輪廓線確定下來(lái)，傳劍的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也就被確定了，不能根據(jù)所織造織物的變化而變化。

螺桿式傳劍機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)鏈短，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，但螺桿加工要求高，難度大，螺紋副的傳動(dòng)效率也低，此外，變節(jié)距螺桿引緯機(jī)構(gòu)在不同筘副上不能通用。

連桿式傳劍機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便，維護(hù)也比較方便，但其運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能按照理想要求設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)副較多，運(yùn)動(dòng)誤差和噪聲都大。

綜上所述，在以上幾種劍桿引緯機(jī)構(gòu)中，劍頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要取決于機(jī)構(gòu)本身，在使用過(guò)程中無(wú)法根據(jù)立體織物的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的修改，局限性比較大，無(wú)法滿足所織造立體織物的多樣性。

3 一種立體織機(jī)引緯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在織造立體織物時(shí)，由于織物層數(shù)為多層，存在多個(gè)梭口，需要1個(gè)劍桿對(duì)應(yīng)多個(gè)梭口引緯，甚至需要多個(gè)劍桿同時(shí)引緯，而且還可能存在不同的梭口要求不同的引緯動(dòng)程，因此，對(duì)劍桿引緯系統(tǒng)的靈活性和可靠性提出了很高的要求。而伺服電動(dòng)缸為立體織機(jī)引緯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了全新的思路。

3.1 伺服電動(dòng)缸的原理

伺服電動(dòng)缸主要由伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、缸體、絲杠、推桿等組成(如圖1所示)，通過(guò)絲桿把伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推桿的直線運(yùn)動(dòng)(如圖2所示)。

將伺服電動(dòng)機(jī)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)推桿的加速度、速度、位移的高精度控制，為利用伺服電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)多劍桿引緯提供了良好的基礎(chǔ)。

圖1 伺服電動(dòng)缸外形結(jié)構(gòu)Fig.1 External structure of servo-cylinder

圖2 伺服電動(dòng)缸缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Inside structure of servo-cylinder

3.2 立體織機(jī)引緯系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種新型的立體織機(jī)引緯系統(tǒng)，如圖3所示。采用伺服電動(dòng)缸［7-8］控制立體織機(jī)的引緯動(dòng)作，根據(jù)立體織物的組織結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，由計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)缸動(dòng)作，劍桿與伺服電動(dòng)缸推桿連接，并在推桿的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成引緯。

在織造如圖4所示的三維正交組織立體織物時(shí)，相鄰的2層經(jīng)紗間形成4個(gè)梭口［9］，劍桿沿垂直方向，在4個(gè)梭口中逐次引緯。如圖3所示，伺服電動(dòng)缸負(fù)責(zé)劍頭在梭口中的引緯運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)缸在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)由1對(duì)齒輪、齒條機(jī)構(gòu)控制，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)由1臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電動(dòng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)量使得電動(dòng)缸的推桿逐一對(duì)準(zhǔn)所形成的4個(gè)梭口，依次完成引緯動(dòng)作。

圖3 伺服電動(dòng)缸控制的立體織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)Fig.3 Weft-insertion system of three-dimensional loom based on servo-cylinder

圖4 一種三維織物的組織結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of three-dimensional fabric

相比較于傳統(tǒng)劍桿引緯機(jī)構(gòu)，將伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)裝置引入引緯機(jī)構(gòu)，采用2個(gè)伺服電動(dòng)缸分別控制接緯劍劍桿和送緯劍劍桿，不僅簡(jiǎn)化了引緯機(jī)構(gòu)，引緯動(dòng)作還可以由計(jì)算機(jī)根據(jù)立體織物的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而解決了立體織機(jī)的品種適應(yīng)性和規(guī)格多樣性問(wèn)題。

此外，相對(duì)于傳統(tǒng)織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的恒定引緯動(dòng)程，由伺服電動(dòng)缸控制的引緯系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變動(dòng)程引緯，為異形截面立體織物的織造提供全新的引緯方法?？傊?，伺服電動(dòng)缸具有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低、控制性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，為整機(jī)的高速化、自動(dòng)化和數(shù)字化控制奠定了良好的基礎(chǔ)。

伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與推桿的位移成線性關(guān)系，由于劍桿被固接在推桿上，所以伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與劍桿的位移也成線性關(guān)系。由于立體織機(jī)的運(yùn)行速度不快，選擇正弦加速度規(guī)律作為劍桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，則相應(yīng)的伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也為正弦加速度規(guī)律。

如圖5所示，用專用控制器來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)進(jìn)給螺桿回轉(zhuǎn)，通過(guò)螺母推動(dòng)滑臺(tái)沿臺(tái)座型直線導(dǎo)軌做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。送緯劍劍桿與滑臺(tái)固接，在滑臺(tái)帶動(dòng)下送緯劍劍桿沿水平方向自由移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)引緯。根據(jù)伺服電動(dòng)缸的工作原理可知，伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角變化量與劍桿的位移變化量成線性正比關(guān)系，這樣根據(jù)劍桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就可知伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?？墒褂迷O(shè)定軟件(PC)向控制器輸入位置、速度、加速度等參數(shù)及動(dòng)作程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)送緯劍劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確控制，取代傳統(tǒng)的傳劍運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)改變復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)獲得所需的劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖5 基于伺服電動(dòng)缸的引緯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Weft-insertion system based on servo-cylinder

伺服電動(dòng)缸具有精確的速度、位置、推力控制等優(yōu)點(diǎn)，容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，可實(shí)現(xiàn)高精密的引緯運(yùn)動(dòng)控制。由于設(shè)計(jì)的織機(jī)最大筘幅為500 mm，伺服電動(dòng)缸頂桿的最大動(dòng)程可選300 mm。伺服電動(dòng)缸的具體參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)上位控制單元為PC機(jī)和PCI控制卡。

表1 伺服電動(dòng)缸的參數(shù)Tab.1 Concrete parameters of servo-cylinder

3.3 新型引緯系統(tǒng)的軟件控制設(shè)計(jì)

為了使引緯機(jī)構(gòu)能夠滿足劍頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及要求，更好地完成引緯動(dòng)作，采用三參量控制模式控制劍桿的運(yùn)動(dòng)。引緯機(jī)構(gòu)控制原理方框圖如圖6所示。

圖6 引緯機(jī)構(gòu)控制原理方框圖Fig.6 Diagram of control principle of weft-insertion system

輸入所需要的劍桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律信號(hào)，并與劍桿所反饋的位移、速度、加速度一起進(jìn)入PC機(jī)控制單元產(chǎn)生控制信號(hào)，帶動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制電動(dòng)缸的推桿實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)劍桿完成引緯動(dòng)作。

對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的立體織物，可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)分別調(diào)節(jié)三參量的PID控制參數(shù)，從而獲得所需要的劍桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

新型引緯系統(tǒng)控制主流程圖如圖7所示。在程序的第1個(gè)周期初始化重要參數(shù)。根據(jù)織機(jī)主軸運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)判定劍桿的進(jìn)劍時(shí)間和退劍時(shí)間，并向伺服放大器發(fā)送相應(yīng)的進(jìn)劍脈沖和退劍脈沖，從而驅(qū)動(dòng)送緯劍和接緯劍運(yùn)動(dòng)，完成系統(tǒng)的引緯動(dòng)作。

圖7 引緯機(jī)構(gòu)控制原理流程圖Fig.7 Diagram of control program for weft-insertion

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析劍桿引緯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及劍桿織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，根據(jù)織造三維機(jī)織物對(duì)立體織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的特殊要求，設(shè)計(jì)了一種新型的劍桿引緯系統(tǒng)。該引緯系統(tǒng)采用PC機(jī)和PCI控制卡作為控制單元，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制立體織機(jī)的劍桿運(yùn)動(dòng)，不但簡(jiǎn)化了引緯機(jī)構(gòu)，還可實(shí)現(xiàn)變動(dòng)程引緯，以適應(yīng)織造不同結(jié)構(gòu)織物時(shí)對(duì)劍桿運(yùn)動(dòng)的要求，增強(qiáng)了織機(jī)織造不同品種織物的能力，大大擴(kuò)展了織物的品種類型和規(guī)格。該引緯系統(tǒng)已應(yīng)用到研發(fā)成功的立體織機(jī)樣機(jī)中。

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