三维织机电子开口系统的研制

钱永明，闫红霞，闫 江，陈 革

(1.南通大学机械工程学院，江苏南通 226019;2.东华大学纺织装备教育部工程研究中心，上海 201620;3.东华大学机械工程学院，上海 201620)

织制具有三维交织结构的整体机织物已经成为现代纺织的研究热点，尤其是研发数字化、自动化的立体织机，实现三维机织物的规模化生产成为纤维增强复合材料领域急待解决的重要课题［1－2］。开口系统是立体织机最重要的系统之一，现有的研究较少涉及立体织机开口机构运动规律的分析。根据立体织机综框的特点，分析了立体织机的综框在3种运动规律驱动下的瞬态动力学响应特性，寻找到适合立体织机电子开口系统的理想运动规律。结合立体织机特殊的工艺要求，设计一种计算机控制、伺服电动机驱动的三维织机电子开口系统。

1 三维织机织造原理

三维织机的织造原理如图1所示。在织造过程中，经纱由经轴架上引出，按一定规律穿过综框上的综丝眼，再穿过钢筘后，由织物夹具夹持;开口系统弹簧控制综框升降，使经纱形成多个梭口;引纬剑夹持纬纱穿过梭口;引纬剑退出后，钢筘将纬纱推向织口;织物引离机构将形成的织物引离，从而完成1个引纬循环。通过经纱在综丝眼中的特殊分布，以及不同的引纬动程的控制，可织制多种不同组织结构、不同截面形状的立体机织物。

图1 三维织机的织造原理Fig.1 Weaving principle of 3－D loom

织造三维立体织物，随着垂直方向上的经纱层数增多，所需综框的页数增多，经纱开口幅度也变大，梭口变形大大增加，梭口的清晰度降低。这些问题可通过装有多眼综丝的综框来解决，其中每个综框相对独立运动，在垂直方向上形成多个清晰梭口，这对开口机构的设计提出了新的要求［1］。

织机开口机构的作用是使经纱在综框的控制下，将经纱上下分开形成梭口，并根据织物上机图所设定的顺序，控制综框的升降次序，使织物获得所需要的组织结构。织机的开口机构一般采用凸轮开口机构、曲柄连杆开口机构、多臂开口机构、提花开口机构等［3－4］。这些传统的开口机构结构复杂，而且机构的具体结构决定了综框的运动规律，在工作过程中无法根据织物的不同组织结构进行方便的修改，尤其无法满足织造三维立体织物的多样性。在织机的电子开口领域，伺服电动机与计算机控制技术相结合，可精确控制综框的位移、速度和加速度，因而在机电一体化领域得到越来越广泛的应用［5］，虽然文献［6］提出了将伺服电动缸应用于立体织造装备开口机构的思路，但由于开口装置安装空间的限制，该方案难以实现。

2 三维织机电子开口系统设计

在织造立体织物时，由于织物层数的增加，梭口增多，综框的运动规律也相对增多。针对织造立体织物对开口机构的特殊要求，根据立体织造速度不高的特点，本文设计了一种基于伺服控制的立体织机电子开口系统，如图2所示。

图2 基于伺服电动机的开口系统结构Fig.2 Servomotor－based loom shedding structure

如图2所示，选用PLC作为控制器，开口系统中具有多个综框，每页综框都由一个独立的伺服电动机控制其运动［7－9］。伺服电动机均安装在综框上方的机架上，通过吊绳绕过导轮与安装在伺服电动机轴端上的凹槽轮相连。伺服电动机的正反转带动综框的上下运动，通过控制伺服电动机的转动量和转动速度可改变综框的运动规律，灵活控制每一页综框的静止角、闭口时间及开口形式，从而提高立体织机开口系统的灵活性。综框下方安装了弹簧回综装置，在开口过程中，随着综框的上升，弹簧逐渐伸长，当梭口满开时，弹簧伸长量达到最大。梭口开始闭合时，综框在回综弹簧恢复力的作用下降到原位。

由于三维织造工艺的特殊性，立体织机运行速度不高，本文提出的基于伺服控制的立体织机电子开口系统的响应特性足以满足三维织造工艺的要求。

综框数量由立体织物的组织结构来确定，图3示出三维织物组织结构。要织造如图所示的三维织物，可采用4页综框。交结经纱2、4、6、8分别穿入第1页综框上的4个综丝眼中;交结经纱3、5、7、9分别穿入第2页综框上的4个综丝眼中。穿有交结经纱的2页综框分别由伺服电动机控制，能够进行小幅度上下运动，使相邻2层经纱间形成梭口;垂纱1穿入第3页综框的一个综丝眼中;垂纱0穿入第4页综框的一个综丝眼中。穿有垂纱的2页综框由伺服电动机控制，能够进行大幅度上下运动，将交结形成的各层织物捆绑到一起［10］。

图3 三维织物组织结构Fig.3 Three－dimensional structures of fabric

主控制方案如图4所示。首先通过人机界面输入要执行的工艺动作，然后通过MOD－BUS协议把执行动作数据信息传递给PLC，PLC根据所得到的数据执行相关程序，输出模拟量，使伺服控制器精准控制伺服电动机的转速。

图4 电子开口系统的控制方案Fig.4 Main control chart of electronic shedding system

伺服电动机将接收到的控制信号转换为轴的角位移或角速度输出，并通过测量反馈元件传递实时数据给控制器，通过比较得到位置误差，控制电动机并给予误差补偿，这样提高了系统控制的可靠性和精确度。

3 三维织机综框运动规律设计

综框的运动规律不但决定织物的组织结构，还与经纱张力的变化密切相关。设计合理的综框运动规律，可使经纱运动平稳，减少断头。经纱张力在平综时最小，满开时张力最大。在设计综框运动规律时，应充分改善综框运动对经纱张力的不利影响，应当满足:经纱满开口时速度最小，经纱平综时速度最大;在开口终了及开始闭口的瞬时，经纱的加速度尽可能小;其余时间内加速度变化应尽量缓和。

3.1 综框运动规律的加速度方程

传统织机的综框运动规律有椭圆比运动、简谐运动、正弦加速度运动3种形式。设H为综框的位移，Hmax为综框的最大位移，v为综框运动的速度，a为综框运动的加速度，ω为织机回转的角速度，t为时间，θ为辅助圆半径的转角，α为织机主轴的转角，ɑ0为综框从一个极限位置运动到另一极限位置时织机主轴的转角，那么:椭圆比运动的加速度方程为

简谐运动的加速度方程为

正弦加速度运动的方程为

将以上3种运动规律的加速度作为加速度驱动，加载到ANSYS软件瞬态动力学分析工具中，可进行综框的瞬态动力学分析。

3.2 综框在3种运动规律下的动力学分析

由于立体织机综框的高度明显高于传统织机的综框高度，而其宽度又比传统织机综框的宽度短很多，因此，通过分析立体织机的综框在3种运动规律作用下的瞬态动力学特性，从中优选一种运动规律用于综框的运动控制。

图5示出综框模型，在有限元软件ANSYS中建立综框和综丝的模型。综框高700 mm，长540 mm，厚10 mm;综框材料为铝合金，密度为7 890 kg/m3，弹性模量为0.717×1011Pa，泊松比为0.33，综框采用壳单元。综丝直径为1 mm，材料为不锈钢丝，密度为7 900 kg/m3，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3;综丝采用梁单元进行建模;为减少计算机的计算量，综丝取40根。综框下端有2个回综弹簧单元。

图5 综框模型Fig.5 Heald frame model

用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力，因此，将弹簧单元固定在综框下端，分别在综框上端吊综钢丝接头处施加简谐运动规律的力、椭圆比运动规律的力、正弦加速度运动规律的力，分析综框的瞬态响应。

采用大质量法进行综框运动模拟。大质量法的基本思路是:在施加加速度的位置节点附属很大的质量来带动结构的响应。该节点在激励方向不要约束。在质量单元上施加适当的力使该点产生所需加速度。只需为每一荷载步指定时间和相应的力即可。通过这种方法，可在任意多的位置施加不同的加速度激励，只要质量单元的质量足够大，就可满足精度要求。

在ANSYS模拟中，综框在3种不同运动规律的力的激励下，有相同的位移，同时得出在3种不同运动规律下受到的反作用力。在简谐运动和椭圆比运动中，在综框开口瞬间，加速突变，综框受到较大的冲击，综框在初始运动时有较大的振动，而正弦加速度运动比以上2种运动优越，速度和加速度曲线都符合综框运动所提出的要求。仿真结果如图6～8所示。

图6 简谐运动仿真结果Fig.6 Simulation results of simple harmonic motion.(a)Loading force;(b)Acceleration

从以上分析可知，正弦加速运动是立体织机电子开口系统最理想的运动规律。在传统织机的开口机构中，之所以较少采用正弦加速运动规律，是因为实现正弦加速运动的凸轮精度较另外2种运动规律要高得多。本文研究设计的电子开口系统采用PLC控制、伺服电动机驱动的方法来控制立体织机的综框运动，不是通过凸轮来驱动综框的运动，简化了开口机构。综框的运动规律通过编程实现，伺服电动机根据程序直接控制综框的运动，达到所需的运动规律，提高了立体织机开口系统的灵活性和可靠性。

图7 椭圆比运动仿真结果Fig.7 Simulation results of elliptical motion.(a)Loading force;(b)Acceleration

图8 正弦加速度运动仿真结果Fig.8 Simulation results of since acceleration law.(a)Loading force;(b)Acceleration

4 电子开口系统硬件设计

控制综框运动的PLC选取LG公司Master－120S系列的K7M－DRT20U。该PLC具有控制伺服电动机的位置控制模块等各种专用功能模块，且内置了PID控制模块，可实现电动机速度、转矩的PID控制。所设计的电子开口系统采用伺服电动机及与之配套的驱动器作为驱动单元。由于所设计的织机最大经纱数为1 000根，设单根经纱最大张力为40 g，则输出力为392 N。伺服电动机选松下MHMJ系列，型号为MHMJ042P1C，额定功率为0.4 kW;驱动器型号为MBDJT2210，额定功率为400 kW。系统上位控制单元为PC机，下位控制单元为PLC。

电子开口控制系统的硬件框图如图9所示。将从PLC上的脉冲输出端连接到综框所对应的伺服电动机驱动器控制信号输入端子上，再以高速脉冲来实现伺服电动机速度位置及方向信号的输入。由于综框的位移与伺服电动机的转角成线性关系，根据综框的运动规律很容易就可得到伺服电动机转角的运动规律曲线，并将编好的电动机加速度、速度、位移曲线程序输入到PLC中，就可完成织机的提综过程。

图9 硬件组成框图Fig.9 Block diagram of hardware

主PLC在接收上位机信号后，将指令串行发给每个从PLC。从PLC在接收信号前后时间上的误差一般可以忽略，这样就保证了综框运动的同步性。从PLC在分析所得信号后确定是否有执行指令，如果有指令，则发送脉冲到相应的伺服驱动器，驱动伺服电动机回转带动综框按照设定的运动规律运动到指令要求的位置。反之，从PLC不发送指令，驱动器不工作，伺服电动机静止，从而实现三维织机的开口运动。所开发的三维织机的电子开口装置如图10所示。

图10 三维织机的电子开口系统Fig.10 Electronic shedding system of 3－D Loom

5 电子开口系统控制程序设计

所设计的立体织机开口系统的程序框图如图11所示。首先，在程序的第1个扫描周期初始化重要参数，根据伺服电动机转轴的角度来判断综框的位置，然后根据故障检测中各传感器的信号反馈来判断接下来是否可正常运行下面的步骤。如果可正常运行下一步，则可根据纹板图修改程序中的设定来选择综框的通断，然后向驱动器发送出相应的开口信号或者闭合信号，从而驱动相应的综框实现织机开口机构的开闭动作。

图11 开口机构控制原理流程图Fig.11 Flow chart of shedding control principle

三维织机开口系统控制软件的主界面主要显示工艺参数、工艺步骤和织机所处的运行状态，包括纬密、纬纱数、纬纱循环梭数、织造步骤以及实时纹板图等。此外，主界面还包含有流动纹板模块，打开绘制纹板，即可打开子界面。在子界面中，可绘制根据不同织物组织结构设计的纹板图，设定每个综框的运动规律参数。

6 结束语

本文研究的三维织机电子开口系统的每个综框分别由独立的伺服电动机控制驱动，大大简化了开口系统的结构。采用基于PLC的伺服电动机控制系统来控制开口机构，在保证了织机稳定运转的同时，提高了系统的灵活性和适应性;通过对综框的运动进行数字化控制，有利于增强对立体织物品种和规格的适应性。由于三维织造工艺的特殊性，立体织机运行速度不高，本文研究设计的基于伺服控制的立体织机电子开口系统的响应特性足以满足三维织造工艺的要求，所开发的新型立体织机电子开口系统已成功应用于立体织造设备中。

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