基于伺服控制的立體織機(jī)張力補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)

周其洪， 于文崗， 萬(wàn)德軍， 孫志宏， 陳　革

(1. 東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620；2. 揚(yáng)州遠(yuǎn)睿精密機(jī)械有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225235)

三維復(fù)合材料因采用整體織造的增強(qiáng)體而具有良好的仿形性和整體性.相比傳統(tǒng)壓層復(fù)合材料，三維復(fù)合材料的綜合力學(xué)性極其優(yōu)越，因而被廣泛應(yīng)用于能源環(huán)保、交通運(yùn)輸?shù)确矫?，尤其是在航空航天和軍工方面發(fā)揮了重大作用.因此，如何織造具有三維交織結(jié)構(gòu)的機(jī)織物已成為研究重點(diǎn)[1].

三維織機(jī)在織造過(guò)程中，由于緯密和織造速度不同，送經(jīng)機(jī)構(gòu)以一定的速度將經(jīng)紗從經(jīng)軸上退繞下來(lái)，并在經(jīng)紗送出的過(guò)程中保持經(jīng)紗張力的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，以保證持續(xù)織造[2].其中能否保持經(jīng)紗張力的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，是衡量送經(jīng)系統(tǒng)性能的重要標(biāo)志[3].

織機(jī)織造時(shí)，經(jīng)紗伸縮量的補(bǔ)償和張力控制非常重要，紗線的張力大小直接影響織物的品質(zhì)和產(chǎn)量，甚至造成無(wú)法織造，這主要取決于送經(jīng)機(jī)構(gòu)補(bǔ)償裝置的方法和性能.當(dāng)前送經(jīng)補(bǔ)償裝置主要采用比較傳統(tǒng)的機(jī)械式消極補(bǔ)償，或者擺動(dòng)后梁式補(bǔ)償[4].機(jī)械式補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)件多，因此比較復(fù)雜，而且構(gòu)件之間的摩擦力和慣性力會(huì)對(duì)張力控制的精確度有很大影響[5].擺動(dòng)后梁式補(bǔ)償可以主動(dòng)補(bǔ)償部分因?yàn)殚_(kāi)口和綜框運(yùn)動(dòng)引起的經(jīng)紗張力變化，但只適合織造層數(shù)少、補(bǔ)償量較小的織造運(yùn)動(dòng)[6].運(yùn)用伺服控制的補(bǔ)償也正在研究，但反饋過(guò)程較慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)口變化的隨動(dòng)控制，張力控制的時(shí)效性不足[7].由于立體織機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且每個(gè)組織循環(huán)綜框的動(dòng)程是變化的，造成傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)立體織機(jī)的張力補(bǔ)償.為此，本文提出了一種基于伺服控制的隨動(dòng)送經(jīng)補(bǔ)償裝置.

1　開(kāi)口及送經(jīng)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)紗張力的影響

織機(jī)的五大運(yùn)動(dòng)均會(huì)對(duì)經(jīng)紗的張力產(chǎn)生影響，導(dǎo)致控制經(jīng)紗張力時(shí)要考慮的因素較多，研究送經(jīng)補(bǔ)償裝置的目的即是保持經(jīng)紗張力的穩(wěn)定[8].

1.1　送經(jīng)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)紗張力的影響

在送經(jīng)過(guò)程中，電機(jī)帶動(dòng)經(jīng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使經(jīng)紗從經(jīng)軸上退繞下來(lái)，然后以一定的速度送出，進(jìn)而使送經(jīng)過(guò)程中的經(jīng)紗張力保持恒定.

在織造時(shí)，每緯的送經(jīng)量與織物的緯密和經(jīng)紗縮率有關(guān)，可以得出每打一次緯紗，經(jīng)紗應(yīng)送出的長(zhǎng)度Ls為

(1)

式中：θs為送經(jīng)電機(jī)在一緯中應(yīng)該轉(zhuǎn)過(guò)的角度；Rs為經(jīng)軸的實(shí)時(shí)直徑；ρw為織物的緯密；ss為經(jīng)紗的織造縮率.

設(shè)送經(jīng)電機(jī)與經(jīng)軸的減速比為is，織機(jī)轉(zhuǎn)速為nz，可以得出送經(jīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ns為

(2)

根據(jù)式(2)可以看出，送經(jīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與織機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，與經(jīng)軸的半徑成反比.由于經(jīng)軸的半徑在不斷減小，所以要對(duì)經(jīng)紗的輸出不斷地補(bǔ)償，從而滿(mǎn)足經(jīng)紗張力的恒定.

1.2　開(kāi)口機(jī)構(gòu)對(duì)經(jīng)紗張力的影響及建模計(jì)算

立體織機(jī)在織造時(shí)，經(jīng)紗為了和緯紗交織，綜框進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)使經(jīng)紗從水平位置上下拉伸，形成梭口.但由于三維織物的不同形狀變化，在織造時(shí)導(dǎo)致綜框的多動(dòng)程運(yùn)動(dòng)，而且綜框每次上下運(yùn)動(dòng)的幅度都不盡相同，形成不同的梭口形狀，給紗線伸縮量的補(bǔ)償帶來(lái)困難.

在此，為了方便計(jì)算，假設(shè)梭口在高度方向保持上下對(duì)稱(chēng)，上下層的經(jīng)紗伸長(zhǎng)率也相等，即等張力梭口(如圖1所示)，圖中A為織口，C為絞桿，綜平時(shí)，綜眼在O處，BB′為梭口高度H，則BO為半個(gè)梭口的高度h=H/2.

圖1　經(jīng)紗開(kāi)口模型Fig.1　Warp opening model

因此經(jīng)紗伸長(zhǎng)量為

(3)

從式(3)可以看出，經(jīng)紗的伸長(zhǎng)量與綜框的橫向位置和縱向位置有關(guān).縱向位置就是梭口的高度，也就是滿(mǎn)開(kāi)時(shí)綜眼的位置.

相較傳統(tǒng)織機(jī)，立體織機(jī)開(kāi)口更為復(fù)雜.三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變(如圖2所示)，致使織物在織造時(shí)需要不同的開(kāi)口幅度，導(dǎo)致經(jīng)紗張力不斷變化，給織造帶來(lái)困難.

圖2　三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)的紗線組成Fig.2　Yarn composition of three dimensional woven fabric structure

2　送經(jīng)機(jī)構(gòu)隨動(dòng)補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)

送經(jīng)系統(tǒng)主要進(jìn)行送經(jīng)及紗線張力的補(bǔ)償，目前立體織機(jī)的補(bǔ)償方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足織造要求.針對(duì)立體織機(jī)的特殊要求，本文設(shè)計(jì)一種立體織機(jī)送經(jīng)機(jī)構(gòu)的隨動(dòng)補(bǔ)償裝置，將開(kāi)口運(yùn)動(dòng)中綜框的位置和速度實(shí)時(shí)發(fā)送給送經(jīng)機(jī)構(gòu)，使補(bǔ)償裝置對(duì)紗線的伸縮進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償.

綜框和送經(jīng)補(bǔ)償張力輥之間運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖3所示.

圖3　綜框及張力輥運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖Fig.3　Sketch of the motion of frame and tension roller

綜框從圖3右部分的實(shí)線位置1′移動(dòng)到虛線位置3′，紗線伸長(zhǎng)，這時(shí)送經(jīng)補(bǔ)償裝置的張力輥也由圖3左部分的實(shí)踐位置1移動(dòng)到虛線位置3，使紗線路徑變短，從而補(bǔ)償由于開(kāi)口運(yùn)動(dòng)造成的紗線伸長(zhǎng)量.同理，綜框從圖3右部分的虛線位置4′移動(dòng)到實(shí)線位置1′，紗線路徑變短，這時(shí)送經(jīng)補(bǔ)償裝置的張力輥也由圖3左部分的虛線位置4移動(dòng)到實(shí)線位置1，使紗線路徑變長(zhǎng)，從而補(bǔ)償由于綜框運(yùn)動(dòng)造成的紗線縮短量.總結(jié)分析得知，當(dāng)綜框向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，送經(jīng)補(bǔ)償裝置中的張力輥向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)綜框向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，送經(jīng)補(bǔ)償?shù)膹埩佅蛳逻\(yùn)動(dòng)，即綜框和送經(jīng)補(bǔ)償裝置中的張力輥的運(yùn)動(dòng)方向相反.在應(yīng)用中，可以結(jié)合實(shí)際通過(guò)設(shè)定指令脈沖參數(shù)得到正確的旋轉(zhuǎn)方向.在實(shí)際中，張力輥到停經(jīng)架的距離較遠(yuǎn)，紗線的伸長(zhǎng)和張力輥的補(bǔ)償相對(duì)較大，而經(jīng)軸與張力輥間的距離很近，所以經(jīng)軸與張力輥間紗線的伸長(zhǎng)可忽略不計(jì).

送經(jīng)機(jī)構(gòu)隨動(dòng)補(bǔ)償裝置采用伺服電動(dòng)推桿、張力輥及支撐軸等組成，如圖4所示，每個(gè)經(jīng)軸均有一個(gè)補(bǔ)償裝置，達(dá)到對(duì)每根紗線進(jìn)行張力控制的目的.由圖4可知，電動(dòng)推桿底端固定在機(jī)架上，推桿與連桿1通過(guò)導(dǎo)軌和滑塊連接，滑塊可繞推桿轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可在導(dǎo)軌內(nèi)滑動(dòng)，導(dǎo)軌在連桿1上，連桿1另一端與支撐軸鍵連接，支撐軸通過(guò)軸承及軸承座安裝在機(jī)架上，作為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，支撐軸通過(guò)連桿2與張力輥連接，最終形成一個(gè)“Z”字形杠桿機(jī)構(gòu).通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿的伸縮量，控制張力輥的上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使經(jīng)紗張力得到補(bǔ)償.綜框向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，張力輥向下運(yùn)動(dòng)，推桿向上推出，從而控制了經(jīng)紗張力，同時(shí)減小了紗線在分紗輥上的磨損.立體織機(jī)的結(jié)構(gòu)和織物的組織結(jié)構(gòu)決定了經(jīng)軸和綜框的數(shù)量[9].連桿與機(jī)架間裝有彈簧，可以起到緩沖的作用.利用該補(bǔ)償裝置可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定送經(jīng)，有利于提高織機(jī)速度和效率.

圖4　補(bǔ)償裝置示意圖Fig.4　Diagram of compensation equipment

送經(jīng)補(bǔ)償模型如圖5所示，其中，左側(cè)圓弧代表張力輥的運(yùn)動(dòng)軌跡，半徑為r，MA為張力輥到分紗架的初始距離L2，MA→AC是補(bǔ)償前紗線的路徑，KA→AB→BC是補(bǔ)償后紗線的路徑.織機(jī)織造時(shí)，開(kāi)口運(yùn)動(dòng)會(huì)引起紗線的張力增大，給織造帶來(lái)了困難，因此運(yùn)用張力輥補(bǔ)償裝置進(jìn)行經(jīng)紗張力的補(bǔ)償.

圖5　送經(jīng)補(bǔ)償模型Fig.5　Warp compensation model

通過(guò)圖5中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以得到計(jì)算結(jié)果：

即

由圖5可知

即

(4)

(5)

式(5)中，L2、r已知，可以通過(guò)式(5)得到補(bǔ)償量δ與轉(zhuǎn)角α的關(guān)系.根據(jù)實(shí)際情況，取L2=1 000 mm，r=300 mm，運(yùn)用Matlab軟件可繪制出補(bǔ)償量與轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖，如圖6所示.由圖6可知，補(bǔ)償量δ隨轉(zhuǎn)角α的增大而增大，反之，當(dāng)張力減小時(shí)，補(bǔ)償量δ隨張力輥轉(zhuǎn)角α的減小而減小.而在本試驗(yàn)中，假設(shè)開(kāi)口時(shí)綜框的最大位移為200 mm，停經(jīng)架到綜框的距離為300 mm，開(kāi)口長(zhǎng)度為700 mm，由式(3)可以得出紗線的最大伸長(zhǎng)量約為108 mm.由圖6可以看出，紗線的最大補(bǔ)償量約為200 mm，故此補(bǔ)償機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)紗線張力的有效補(bǔ)償.

圖6　補(bǔ)償量與轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.6　Relationship between the compensation volume and the rotation angle

3　補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制綜框和送經(jīng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)的伺服系統(tǒng)都選用Panasonic公司的MINAS A4系列產(chǎn)品，電機(jī)型號(hào)為MHMD042P1C，額定功率為0.4 kW[10]，所適用的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MBDDT2210.選用增量式編碼器，分辨率為10 000 p/r.

本文控制系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖7所示.補(bǔ)償前先調(diào)整好張力輥、電動(dòng)推桿及綜框的初始位置使綜框處于綜平位置，調(diào)節(jié)張力輥的位置使紗線處于水平位置.將控制系統(tǒng)的脈沖輸出端接到綜框伺服驅(qū)動(dòng)的輸入端上，綜框伺服驅(qū)動(dòng)在位置控制模式下，通過(guò)輸入的高速脈沖數(shù)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，使電機(jī)定位運(yùn)行，通過(guò)輸入的脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可完成綜框的運(yùn)動(dòng).

圖7　硬件組成框圖Fig.7　Block diagram of the hardware

控制系統(tǒng)向綜框伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)以控制綜框的上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將綜框伺服驅(qū)動(dòng)器OA+， OA-， OB+， OB-輸出口的信號(hào)，分別輸入到送經(jīng)補(bǔ)償張力輥伺服驅(qū)動(dòng)器的PULS1， PULS2， SIGN1， SIGN2輸入口.由于送經(jīng)張力輥補(bǔ)償伺服驅(qū)動(dòng)器的指令脈沖輸入方式為正交脈沖A、 B兩相相差90°，所以O(shè)A+， OA-輸出的脈沖控制電機(jī)的速度，OA+， OA-， OB+， OB-兩路差分信號(hào)脈沖的相位差控制電機(jī)的方向.當(dāng)綜框伺服電機(jī)的速度發(fā)生改變時(shí)，OA+， OA-， OB+， OB-兩路差分信號(hào)脈沖的頻率也實(shí)時(shí)發(fā)生改變，所以送經(jīng)補(bǔ)償電機(jī)的速度也相應(yīng)改變.當(dāng)綜框伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向發(fā)生改變時(shí)，輸出的這兩路脈沖的相位差也發(fā)生改變，所以送經(jīng)張力輥補(bǔ)償電機(jī)的方向也隨之發(fā)生改變.也就是將開(kāi)口速度及方向的信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給送經(jīng)補(bǔ)償張力輥伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)張力輥的位置，進(jìn)而積極控制紗線張力.此補(bǔ)償方式縮短了經(jīng)紗張力的控制時(shí)間，保證了張力補(bǔ)償與綜框運(yùn)動(dòng)的同步性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)隨動(dòng)補(bǔ)償.

本文所設(shè)計(jì)的立體織機(jī)補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示.首先，程序?qū)⒅匾獏?shù)初始化，將綜框的位置調(diào)整到水平初始位置，然后，進(jìn)行故障檢測(cè)，根據(jù)各傳感器反饋的信號(hào)，判斷各部分是否運(yùn)行正常，接著控制系統(tǒng)控制送經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使紗線送出，在開(kāi)口系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)向綜框伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)，使綜框上下運(yùn)動(dòng)，完成經(jīng)紗的開(kāi)口或閉口動(dòng)作，同時(shí)綜框伺服驅(qū)動(dòng)器將開(kāi)口速度和方向發(fā)送給送經(jīng)補(bǔ)償張力輥伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)張力輥的上下運(yùn)動(dòng)，從而完成張力的實(shí)時(shí)補(bǔ)償.

圖8　補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8　Flow chart of control principle of compensation device

4　結(jié)　語(yǔ)

本文分析了織機(jī)送經(jīng)及開(kāi)口系統(tǒng)對(duì)經(jīng)紗張力的影響，研究設(shè)計(jì)了一種立體織機(jī)的積極隨動(dòng)送經(jīng)補(bǔ)償裝置，該裝置分別運(yùn)用在每一個(gè)經(jīng)軸上，可用于多軸多綜框的織機(jī)，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性.通過(guò)綜框伺服驅(qū)動(dòng)直接控制送經(jīng)補(bǔ)償張力輥伺服驅(qū)動(dòng)器，將機(jī)械補(bǔ)償轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化補(bǔ)償，提高了織機(jī)的智能化控制水平，縮短了經(jīng)紗張力的控制時(shí)間，保證了張力補(bǔ)償與綜框運(yùn)動(dòng)的同步性，提高了織機(jī)的效率和織物品質(zhì).

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