吳曉光， 朱 里， 張 馳， 孔令學(xué)， 萬(wàn)道玉

(武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430073)

零傳動(dòng)模式的高速軸向懸浮織針運(yùn)動(dòng)控制與試驗(yàn)分析

吳曉光， 朱 里， 張 馳， 孔令學(xué)， 萬(wàn)道玉

(武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430073)

針對(duì)傳統(tǒng)針織圓緯機(jī)復(fù)雜的機(jī)械加工架構(gòu)及高能耗編織模式，提出利用電磁-永磁懸浮直接驅(qū)動(dòng)織針編織模式，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)圓緯機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。在已有工作的基礎(chǔ)上，分析電磁力驅(qū)動(dòng)的永磁織針受力模型，揭示多織針軸向懸浮運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，建立懸浮織針軸向驅(qū)動(dòng)模型及控制算法，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)圓機(jī)的三功位編織工藝并以零傳動(dòng)無(wú)損模式高速驅(qū)動(dòng)織針；探索織針陣列懸浮驅(qū)動(dòng)編織的特定方式，為懸浮驅(qū)動(dòng)織針取代傳統(tǒng)編織工藝，實(shí)現(xiàn)編織工藝的全程可控可調(diào)提供理論參考和試驗(yàn)方法指導(dǎo)。

高速軸線(xiàn)懸浮織針； 三功位編織工藝； 零傳動(dòng)模式； 運(yùn)動(dòng)軌跡

現(xiàn)代針織裝備在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了工藝原理的創(chuàng)新和控制方法的革命性突破，集成了多項(xiàng)前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了針織裝備的精密、高速、高效及關(guān)鍵器件靈活配置核心技術(shù)，取代了目前低效率、高能耗、環(huán)境污染嚴(yán)重的傳統(tǒng)機(jī)械裝置的低附加值產(chǎn)品。本課題組提出磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針的構(gòu)想，利用磁懸浮技術(shù)零件之間無(wú)需機(jī)械傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)可控等空出特點(diǎn)[1-2]，驅(qū)動(dòng)織針高速可控編織。目前磁懸浮技術(shù)已廣泛用于醫(yī)療、航天航空及鐵路傳輸上，但大部分文獻(xiàn)主要討論平衡條件下的磁懸浮物體在一定水平高度下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)[3]。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，分析電磁力驅(qū)動(dòng)的永磁織針受力模型，揭示多織針軸向懸浮運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，建立懸浮織針軸向高速驅(qū)動(dòng)模型及控制算法，設(shè)計(jì)懸浮織針的驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)裝備，實(shí)現(xiàn)零傳動(dòng)的高速編織模式，為新型圓緯機(jī)裝備研發(fā)提供理論參考。

1 磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針機(jī)制研究

1.1 圓緯機(jī)機(jī)械式選針原理

傳統(tǒng)圓緯機(jī)選針主要由2個(gè)機(jī)構(gòu)共同完成，一是織針的編織機(jī)構(gòu)，二是選針器選針動(dòng)作[1]?？椺樮壽E圖如圖1所示。圖中，織針嵌入三角槽內(nèi)并沿此槽運(yùn)動(dòng)，以此改變織針上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)織針三功位編織。由于織針進(jìn)入三角槽內(nèi)會(huì)產(chǎn)生沖擊與摩擦及側(cè)向力，當(dāng)織針與三角本身的強(qiáng)度、耐磨性達(dá)到了極限時(shí)，限制了轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高。

圖1 機(jī)械傳動(dòng)模式織針軌跡圖Fig.1 Knitting needle trajectory in mechanical transmission mode

為進(jìn)一步提高針織裝備中的關(guān)鍵核心技術(shù)指標(biāo)，需要采用新的織針編織理論，探索新的織針技術(shù)原理。

1.2 新型磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針編織原理

磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針編織方式基于電磁-永磁混合驅(qū)動(dòng)模式[4-5]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

織針上下編織完全基于電磁激勵(lì)，摒棄傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式。微控制芯片(microcontrol unit,MCU，即為單片機(jī))控制電磁線(xiàn)圈中的電流脈沖，上層軟件改變電磁裝置的加載電流大小、方向，實(shí)現(xiàn)織針功位的精密控制，電磁裝置與永磁體產(chǎn)生吸引力和排斥力控制織針徑向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，織針在軸向位置高速上下運(yùn)動(dòng)，形成三功位編織[6-7]。

2 磁懸浮式織針運(yùn)動(dòng)的分析

2.1 單織針軸向懸浮運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖3示出根據(jù)三角軌跡優(yōu)化后的磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針的運(yùn)動(dòng)軌跡。橫坐標(biāo)軸代表織針的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，縱坐標(biāo)軸為織針對(duì)應(yīng)的功位高度。表1示出單織針運(yùn)動(dòng)分解過(guò)程。其動(dòng)態(tài)編織過(guò)程為：成圈上升—保持—下降至浮線(xiàn)—集圈上升—下降至浮線(xiàn)工位，形成完整的工序，實(shí)際過(guò)程中，可依據(jù)實(shí)際工況對(duì)編織工序進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 單織針運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Single knitting needle motion trajectory

表1 單織針運(yùn)動(dòng)過(guò)程Tab.1 Process of single knitting needle motion

基于圖3和表1，織針在一個(gè)周期(時(shí)間段A—G內(nèi))完成1個(gè)成圈、集圈和浮線(xiàn)的軌跡，1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期可分為7個(gè)時(shí)間段。

2.2 多織針軸向懸浮運(yùn)動(dòng)規(guī)律

以我國(guó)常見(jiàn)圓機(jī)機(jī)型E24為例，該提花圓緯機(jī)針筒直徑為76.2 cm，針筒轉(zhuǎn)速為15～20 r/min，72路選針(共計(jì)織針2 256枚)[8]。多磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針系統(tǒng)將每8枚織針?lè)譃橐唤M。

為實(shí)現(xiàn)編織提花三功位的工藝要求，每枚織針的運(yùn)動(dòng)軌跡需滿(mǎn)足如圖3所示的運(yùn)動(dòng)軌跡，為提高編織效率，可對(duì)工序進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。同時(shí)每組織針在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)必須是連續(xù)的。圖4示出一組織針在一個(gè)周期內(nèi)8個(gè)時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)示意圖。其中：圖4(a)為在時(shí)間A點(diǎn)時(shí)一組織針中每枚織針(圖中為1～8枚織針)所對(duì)應(yīng)的高度位置；圖4(b)為在時(shí)間B點(diǎn)時(shí)一組織針中每枚織針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的高度位置，以此類(lèi)推。由于織針在編織過(guò)程中是周期循環(huán)的，因此將每枚織針在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的高度連接起來(lái)，即可得到整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的編織功位。

圖4 一個(gè)周期內(nèi)8枚織針在不同時(shí)間點(diǎn)的高度示意圖Fig.4 Height diagram of 8 knitting needles at different time point

3 電磁線(xiàn)圈-永磁織針驅(qū)動(dòng)模型

3.1 電磁線(xiàn)圈模型

圖5示出電磁鐵和永磁體之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。電磁體驅(qū)動(dòng)永磁結(jié)構(gòu)的織針，實(shí)現(xiàn)三功位的編織過(guò)程。圖6示出電磁線(xiàn)圈在軸向P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度示意圖[9]。

圖5 電磁鐵與永磁體之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.5 Structure diagram between electromagnet and permanent magnet

圖6 電磁線(xiàn)圈在軸向P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度Fig.6 Magnetic induction intensity of electromagnetic coil generates a point P axial

以電磁線(xiàn)圈圓心O為原點(diǎn)，在中心軸線(xiàn)上分布各點(diǎn)的磁感強(qiáng)度，P點(diǎn)在軸線(xiàn)上距中心原點(diǎn)x，由畢奧-薩瓦爾定律，線(xiàn)圈電流元在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度[9-11]為：

(1)

根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，在線(xiàn)圈圓環(huán)周線(xiàn)上，每個(gè)電荷元對(duì)稱(chēng)分布，在軸向P點(diǎn)所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)水平方向分量大小相等，方向相反，只保留豎直方向分量。針對(duì)圖6所示的磁感強(qiáng)度，對(duì)電磁線(xiàn)圈做二重積分，先積分電磁線(xiàn)圈內(nèi)徑至外徑，再積分整個(gè)電磁線(xiàn)圈高度，得到總的電磁線(xiàn)圈在軸線(xiàn)P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度。

(2)

(3)

圖7 永磁織針耦合模型Fig.7 Coupling model of permanent magnetic needle

安培環(huán)路定律則有如下表達(dá)：

(4)

(5)

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；a為基于永磁體截面積逐漸增大的取值范圍。

永磁材料在磁場(chǎng)中被磁化后，內(nèi)部存在磁化電流，材料表面存在表面磁化電流，其磁化電流密度和表面磁化電流密度分別為δv，δs，其中：

δv=△ ×Mδs=-n×M

式中：△為微分算子；M為介質(zhì)磁化強(qiáng)度；n為表面法向矢量。則磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)磁材料的作用力為

(6)

B為磁場(chǎng)強(qiáng)度保持不變，對(duì)于永磁介質(zhì)有：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率4π×10-7；μr為磁介質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率。經(jīng)矢量計(jì)算可得：

由于體積積分可改為面積積分×法向梯度微分，因此：

(7)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試參數(shù)如下：電磁線(xiàn)圈匝數(shù)為1 000，線(xiàn)圈高度為(19±0.1) mm，電磁線(xiàn)圈通電直流電流為(300±1) mA，電磁線(xiàn)圈內(nèi)直徑為6.5 mm，電磁線(xiàn)圈外直徑為11.5 mm，永磁體材料為釹鐵硼，半徑為 5 mm，電磁線(xiàn)圈端面中心點(diǎn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度為7.86 mT，經(jīng)過(guò)CH3600型三維高斯儀(測(cè)量方式如圖8所示)，實(shí)際測(cè)量線(xiàn)圈軸線(xiàn)豎直方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度如表2所示。

圖8 基于高斯儀的磁場(chǎng)測(cè)量方式Fig.8 Magnetic field measurement based on Gauss instrument

永磁體磁化后，永磁材料表面存在表面磁化電流，在表面基于各項(xiàng)同性方向產(chǎn)生內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度，與電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度一起，共同驅(qū)動(dòng)織針高速上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

表2 驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈豎直方向磁感強(qiáng)度分布Tab.2 Magnetic intensity distribution in vertical direction of driving coil

4 控制方案及磁力分析

基于以上工作，針對(duì)已裝配好的磁懸浮織針控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)豎直方向的懸浮織針編織試驗(yàn)。設(shè)計(jì)電路時(shí)，盡量減小印刷電路板的電路尺寸，考慮電磁兼容設(shè)計(jì)，該電路作為8路輸出，同時(shí)驅(qū)動(dòng)8路織針進(jìn)行各種時(shí)序的編織，提供RS232串口通信，USB外擴(kuò)采集卡，電路板可根據(jù)實(shí)際情況并聯(lián)使用，同時(shí)控制288路織針懸浮運(yùn)動(dòng)。

在控制算法上，基于比例-積分-微分反饋控制程序，以MCU+可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)8路織針的同步/異步輸出，以MCU作為主控芯片，設(shè)置織針的機(jī)械響應(yīng)頻率，以可編程邏輯器件設(shè)置多路織針的狀態(tài)輸出。配以LabView平臺(tái)界面和MPS-10602型號(hào)的多功能AD采集卡進(jìn)行上下位機(jī)通信，實(shí)時(shí)采集電壓及位移狀態(tài)，作為反饋信號(hào)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。圖9所示為系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖9 多磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針控制測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9 Control testing experiment system of multi magnetic suspension driving needle

以織針的成圈高度為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)線(xiàn)圈兩端電壓以及電路輸出值進(jìn)行記錄，計(jì)算織針高度與通電線(xiàn)圈電流之間的關(guān)系，列出表格，設(shè)置在MCU中，織針高度與線(xiàn)圈電流/電壓關(guān)系如表3所示。

表3 織針高度與線(xiàn)圈中電流及線(xiàn)圈兩端電壓的關(guān)系表Tab.3 Relation of knitting needle height and current in coil and voltage in both ends of coil

織針的運(yùn)動(dòng)與電磁線(xiàn)圈中電流是成正向關(guān)系的，織針在0～9 mm內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可通過(guò)控制芯片實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)表3所示的懸浮織針軌跡以及上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)置三功位對(duì)應(yīng)的軌跡數(shù)據(jù)于MCU內(nèi)存中，數(shù)模轉(zhuǎn)換的雙極性的輸出電壓波形呈現(xiàn)如圖10所示效果。從波形圖中可看出，懸浮工作效果與實(shí)際要求相符。

圖10 多織針懸浮式三功位工作示意波形Fig.10 Waveform schematic of multi-needle in trip-position station

運(yùn)行系統(tǒng)，觀察織針三功位工作狀態(tài)?？椺樤谡麄€(gè)過(guò)程中按軌跡規(guī)律進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)，每個(gè)周期內(nèi)織針高速運(yùn)動(dòng)到9 mm成圈功位，編織一個(gè)花點(diǎn)后迅速下降至浮線(xiàn)功位，之后高速運(yùn)行至6 mm集圈功位，再次回到零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)浮線(xiàn)，如此高速往復(fù)，形成編織工藝。機(jī)械運(yùn)動(dòng)頻率可通過(guò)MCU進(jìn)行調(diào)試，測(cè)試懸浮織針的工作頻率。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)課題組已提出的利用電磁-永磁懸浮式直接驅(qū)動(dòng)織針提針模式，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)圓機(jī)的三功位編織工藝并以零傳動(dòng)模式高速運(yùn)動(dòng)；基于電磁線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)模型，以及電磁-永磁織針耦合模型，以安培環(huán)路定律求解永磁織針上受到的驅(qū)動(dòng)力大小，并進(jìn)一步探討織針在高速運(yùn)動(dòng)中織針的位移與運(yùn)動(dòng)軌跡關(guān)系，編織過(guò)程按軌跡規(guī)律進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)織針功位運(yùn)動(dòng)全程可調(diào)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

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Motion control and experiment analysis of high speed axial suspension knitting needle in zero transmission

WU Xiaoguang, ZHU Li, ZHANG Chi, KONG Lingxue, WAN Daoyu

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,WuhanTextileUniversity，Wuhan,Hubei430073,China)

According to the complicated mechanical processing architecture and high energy consumption of the knitting pattern of conventional circular jacquard knitting machine, it presented weaving pattern using electromagnetic-permanent directly driving knitting needle, and simplifying conventional mechanical transmission structure of circular weft knitting machine. This paper analyzed permanent knitting needle force model driven by electromagnetic force on the basis of previous work, revealed the law of multi-needle suspension motion in axial direction, established suspension knitting needle axially driving model and control algorithm, realized conventional circular machine knitting process in "trip-work station" and drove needles in "zero-transmission" in lossless model, explored multi-needle suspension driving woven in particular way, and provided theoretical guidance for further exploring suspension driving needle to replace conventional technology in weaving process and for the realization of control and adjustment in whole knitting process.

high speed axial suspension needle; trip-position knitting technology; zero transmission; motion trajectory

10.13475/j.fzxb.20150202806

2015-02-15

2015-12-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175384，51305309)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2014CFA099)

吳曉光(1954—)，男，教授。主要研究方向?yàn)閿?shù)字化針織裝備及關(guān)鍵技術(shù)。E-mail：2006wist@163.com。

TS 131.9

A