陳 革，張景慧，周其洪

(東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620)

三維機織物用于紡織結構復合材料的預制件，具有良好的整體性和仿形性，用它制備的復合材料的抗層間剪切強度、抗沖擊性、損傷容限、斷裂韌性、可靠性等綜合力學性能皆優(yōu)于傳統(tǒng)的層壓復合材料，可廣泛用于航空航天、軍工、交通運輸、通用機械、建筑能源等領域，因此，如何織制具有三維交織結構的整體機織物已成為現代紡織的研究熱點。要實現三維機織物的機械化生產，必須研發(fā)高效率、高度自動化的立體織機［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梭口，在打緯之前一般需要多對劍桿同時引緯，或1對劍桿多次引緯;對于異形截面的三維立體織物，往往要求引緯動程是在線變化的，并且不同的劍桿需要有不同的引緯動程，因此，這些特殊的織造工藝對引緯系統(tǒng)的靈活性和可靠性提出了很高的要求。對于三維織造引緯系統(tǒng)，文獻［3］提出一種氣缸控制的多劍桿氣動引緯方法，雖然可以簡化引緯機構，但是不能實現變動程引緯;文獻［4］提出一種計算機控制的電子引緯系統(tǒng)，可以實現變動程引緯，但其針對傳統(tǒng)的平面織物的單梭口引緯，沒有涉及立體織物的多梭口引緯。

本文通過分析劍桿引緯的運動規(guī)律以及劍桿織機引緯機構的特點，根據織造立體織物對引緯機構的特殊要求，設計了一種基于伺服電動缸的劍桿織機引緯方法。

1 劍桿引緯機構的運動規(guī)律

劍桿引緯運動規(guī)律必須滿足3個方面的要求。

1)位移規(guī)律。進劍時，劍頭從梭口兩側運動到梭口中央時，要求達到規(guī)定的最大動程;退劍時，劍頭從梭口中央退回到梭口兩側時，要達到規(guī)定的位置。送緯劍的最大動程 Ssmax和接緯劍的最大動程Sjmax分別為

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

2)速度規(guī)律。進劍時，劍桿從靜止開始，速度逐漸增至最大，然后又逐漸減小，當劍頭到達規(guī)定最大動程時，速度又降為零;退劍過程，劍桿從靜止開始，速度逐漸增加到最大，然后又逐漸減小，當劍頭退到梭口兩側規(guī)定位置時，速度又降為零。劍桿的速度受緯紗拾取與交接性能影響，劍頭兩端的運動速度要低而平緩。

3)加速度規(guī)律。由速度規(guī)律可看出，進劍和退劍的前半段為加速階段，后半段為減速階段。進劍啟動時加速度不能太大，因為緯紗從靜止啟動時，加速度過大易引起斷緯。

根據織機對劍桿運動規(guī)律的要求，現有的劍桿運動規(guī)律一般采用正弦加速度、五次多項式和修正梯形加速度運動規(guī)律［5］。

1.1 正弦加速度運動規(guī)律

正弦加速度運動規(guī)律基本能滿足劍桿運動的性能要求，其各運動段連續(xù)、光滑過渡，沒有剛性沖擊和柔性沖擊。

進劍運動方程為

退劍時運動方程為

式中：l為劍桿行程;φ為主軸轉角;φ0為進劍過程占用的主軸轉角;φ0'為退劍過程占用的主軸轉角。

正弦加速度運動規(guī)律的極值參數比較大，限制了該規(guī)律在高速劍桿織機上的使用，主要應用于低速劍桿織機上(轉速低于300 r/min)。

1.2 五次多項式運動規(guī)律

五次多項式運動的運動方程為

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

從而可進一步解出該規(guī)律的速度和加速度方程。

五次多項式運動規(guī)律與正弦加速度規(guī)律類似，但其極值參數有所改善，使得劍桿的運動更加平穩(wěn)，振動降低，優(yōu)化了劍桿運動的動力學性能，適合于中高速的劍桿織機。

1.3 修正梯形加速度運動規(guī)律

修正梯形加速度運動規(guī)律在于劍桿運動時的加速度峰值可以事先給定，以降低劍桿運動時的慣性沖擊，使其適應高速劍桿織機的需要。設計重點在于過渡曲線的設計，以使整條曲線連續(xù)和光滑，既無剛性沖擊，也無柔性沖擊，該規(guī)律較廣泛地應用于現代劍桿織機上。

2 典型引緯機構的特點

由于只要符合劍桿運動規(guī)律及要求的機構就可以用作劍桿引緯機構，因此，劍桿引緯機構形式較多，典型的有共軛凸輪引緯機構、變導程螺旋引緯機構、空間四連桿引緯機構［5］等。

凸輪式傳劍機構的劍頭運動規(guī)律在理論上可以按照需要來設計，其結構比較復雜，對凸輪廓線加工精度要求相當高，制造難度大，一旦凸輪廓線確定下來，傳劍的運動規(guī)律也就被確定了，不能根據所織造織物的變化而變化。

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

連桿式傳劍機構結構簡單，安裝簡便，維護也比較方便，但其運動規(guī)律不能按照理想要求設計，運動副較多，運動誤差和噪聲都大。

綜上所述，在以上幾種劍桿引緯機構中，劍頭的運動規(guī)律主要取決于機構本身，在使用過程中無法根據立體織物的不同結構進行相應的修改，局限性比較大，無法滿足所織造立體織物的多樣性。

3 一種立體織機引緯系統(tǒng)的設計

在織造立體織物時，由于織物層數為多層，存在多個梭口，需要1個劍桿對應多個梭口引緯，甚至需要多個劍桿同時引緯，而且還可能存在不同的梭口要求不同的引緯動程，因此，對劍桿引緯系統(tǒng)的靈活性和可靠性提出了很高的要求。而伺服電動缸為立體織機引緯系統(tǒng)的設計提供了全新的思路。

3.1 伺服電動缸的原理

伺服電動缸主要由伺服電動機、減速器、缸體、絲杠、推桿等組成(如圖1所示)，通過絲桿把伺服電動機的轉動轉化為推桿的直線運動(如圖2所示)。

將伺服電動機與計算機控制技術相結合，可實現對推桿的加速度、速度、位移的高精度控制，為利用伺服電動缸實現多劍桿引緯提供了良好的基礎。

圖1 伺服電動缸外形結構Fig.1 External structure of servo-cylinder

圖2 伺服電動缸缸體內部結構Fig.2 Inside structure of servo-cylinder

3.2 立體織機引緯系統(tǒng)的總體設計

本文設計了一種新型的立體織機引緯系統(tǒng)，如圖3所示。采用伺服電動缸［7-8］控制立體織機的引緯動作，根據立體織物的組織結構，通過計算機編程，由計算機控制驅動器驅動伺服電動缸動作，劍桿與伺服電動缸推桿連接，并在推桿的帶動下實現往復運動，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，相鄰的2層經紗間形成4個梭口［9］，劍桿沿垂直方向，在4個梭口中逐次引緯。如圖3所示，伺服電動缸負責劍頭在梭口中的引緯運動。伺服電動缸在垂直方向上的運動由1對齒輪、齒條機構控制，齒輪的轉動由1臺伺服電動機驅動，伺服電動機不同的轉動量使得電動缸的推桿逐一對準所形成的4個梭口，依次完成引緯動作。

圖3 伺服電動缸控制的立體織機引緯機構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構Fig.4 Structure of three-dimensional fabric

相比較于傳統(tǒng)劍桿引緯機構，將伺服電動缸驅動裝置引入引緯機構，采用2個伺服電動缸分別控制接緯劍劍桿和送緯劍劍桿，不僅簡化了引緯機構，引緯動作還可以由計算機根據立體織物的不同結構進行調節(jié)，從而解決了立體織機的品種適應性和規(guī)格多樣性問題。

此外，相對于傳統(tǒng)織機引緯機構的恒定引緯動程，由伺服電動缸控制的引緯系統(tǒng)可以實現變動程引緯，為異形截面立體織物的織造提供全新的引緯方法。總之，伺服電動缸具有系統(tǒng)構成簡單、維護成本低、控制性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點，為整機的高速化、自動化和數字化控制奠定了良好的基礎。

伺服電動機的轉動角度與推桿的位移成線性關系，由于劍桿被固接在推桿上，所以伺服電動機的轉角與劍桿的位移也成線性關系。由于立體織機的運行速度不快，選擇正弦加速度規(guī)律作為劍桿的運動規(guī)律，則相應的伺服電動機的運動規(guī)律也為正弦加速度規(guī)律。

如圖5所示，用專用控制器來控制伺服電動機帶動進給螺桿回轉，通過螺母推動滑臺沿臺座型直線導軌做往復直線運動。送緯劍劍桿與滑臺固接，在滑臺帶動下送緯劍劍桿沿水平方向自由移動，實現引緯。根據伺服電動缸的工作原理可知，伺服電動機的轉角變化量與劍桿的位移變化量成線性正比關系，這樣根據劍桿的運動規(guī)律就可知伺服電動機的運動規(guī)律?？墒褂迷O定軟件(PC)向控制器輸入位置、速度、加速度等參數及動作程序，以實現對送緯劍劍頭運動規(guī)律的精確控制，取代傳統(tǒng)的傳劍運動機構通過改變復雜的運動機構來獲得所需的劍頭運動規(guī)律。

圖5 基于伺服電動缸的引緯系統(tǒng)結構示意圖Fig.5 Weft-insertion system based on servo-cylinder

伺服電動缸具有精確的速度、位置、推力控制等優(yōu)點，容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，可實現高精密的引緯運動控制。由于設計的織機最大筘幅為500 mm，伺服電動缸頂桿的最大動程可選300 mm。伺服電動缸的具體參數如表1所示。系統(tǒng)上位控制單元為PC機和PCI控制卡。

表1 伺服電動缸的參數Tab.1 Concrete parameters of servo-cylinder

3.3 新型引緯系統(tǒng)的軟件控制設計

為了使引緯機構能夠滿足劍頭的運動規(guī)律及要求，更好地完成引緯動作，采用三參量控制模式控制劍桿的運動。引緯機構控制原理方框圖如圖6所示。

圖6 引緯機構控制原理方框圖Fig.6 Diagram of control principle of weft-insertion system

輸入所需要的劍桿運動規(guī)律信號，并與劍桿所反饋的位移、速度、加速度一起進入PC機控制單元產生控制信號，帶動伺服電動機驅動器，控制電動缸的推桿實現伸縮運動，進而帶動劍桿完成引緯動作。

對于不同結構的立體織物，可以根據其結構分別調節(jié)三參量的PID控制參數，從而獲得所需要的劍桿運動規(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個周期初始化重要參數。根據織機主軸運動的角度來判定劍桿的進劍時間和退劍時間，并向伺服放大器發(fā)送相應的進劍脈沖和退劍脈沖，從而驅動送緯劍和接緯劍運動，完成系統(tǒng)的引緯動作。

圖7 引緯機構控制原理流程圖Fig.7 Diagram of control program for weft-insertion

4 結語

本文通過分析劍桿引緯的運動規(guī)律以及劍桿織機引緯機構的特點，根據織造三維機織物對立體織機引緯機構的特殊要求，設計了一種新型的劍桿引緯系統(tǒng)。該引緯系統(tǒng)采用PC機和PCI控制卡作為控制單元，采用伺服電動機驅動來控制立體織機的劍桿運動，不但簡化了引緯機構，還可實現變動程引緯，以適應織造不同結構織物時對劍桿運動的要求，增強了織機織造不同品種織物的能力，大大擴展了織物的品種類型和規(guī)格。該引緯系統(tǒng)已應用到研發(fā)成功的立體織機樣機中。

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