磁懸浮拉幅定型傳送單元

吳 強， 馬蘇揚， 廖 萍

(南通大學 機械工程學院, 江蘇 南通 226019)

磁懸浮拉幅定型傳送單元

吳 強， 馬蘇揚， 廖 萍

(南通大學 機械工程學院, 江蘇 南通 226019)

為解決傳統拉幅定型傳送裝置采用接觸式導軌副存在的傳送精度低、接觸磨損大、運行穩定性差等問題，提出一種新型的用于拉幅定型機中的磁懸浮拉幅定型傳送單元。介紹了該傳送單元的結構及其工作原理，分析了磁懸浮垂直支承系統和水平導向系統的工作過程及受力情況。水平導向系統包括直線和弧形水平導向2部分，由于懸浮氣隙和運動方式不同，使得水平導向系統比垂直支承系統復雜。結果表明：與傳統拉幅定型傳送裝置相比，該傳送單元具有傳送精度高、抗干擾能力強、能耗低等優點，符合現代紡織機械精密化、高速化的發展要求。

磁懸浮； 傳送單元； 拉幅定型； 摩擦； 磨損

拉幅定型機是織物后整理的重要設備，拉幅定型傳送單元是其極為重要的功能部件之一[1-2]，主要功能是將織物通過針板拉伸至所要求的幅寬后送熱定型烘房進行烘燥及固化，以消除織物在練漂和印染過程中由于經受多次徑向拉力作用而造成的幅寬不勻、布邊不齊、緯紗歪斜等缺陷[3]。目前，織物的后整理加工工藝對拉幅定型傳送單元的響應速度、運動精度、傳送速度穩定及張力恒定性等提出了越來越高的要求[4]，但傳統的拉幅定型傳送裝置大多設計成針鋏鏈的結構形式，即將針板通過針鋏座安裝在鏈條上，再由電動機驅動鏈條沿運行導軌運動，從而帶動刺在針板上的織物在烘房內傳送[5]，由于采用了接觸式導軌副，不僅使鏈條在運行過程中產生接觸磨損和振動，降低了系統運行時穩定性，對織物加工質量造成影響，還使驅動電動機的能耗較高，為克服上述缺陷，本文提出一種以磁懸浮技術為主要特征的磁懸浮拉幅定型傳送單元，可滿足織物后整理加工工藝要求。

1 結構及工作原理

新型磁懸浮拉幅定型傳送單元的結構如圖1所示。其主要由支撐部件和傳送部件組成，根據運動和實現磁懸浮的要求，將若干個滑動塊1的側面與柔性傳送帶6相連，柔性傳送帶6的上表面密集的分布著針板7，滑動塊1通過驅動塊13坐落在支承座21上。工作時，首先給滑動塊的垂直支承電磁鐵10、15、26、31和位于支承導軌直線段的直線導向電磁鐵4、19、24及位于支承導軌圓弧段的弧形導向電磁鐵3、20、23通電，滑動塊穩定懸浮后，驅動系統工作，通過驅動塊13、29和驅動電磁鐵12、14及28、30帶動柔性傳送帶6及各滑動塊沿如圖1(a)所示的環狀軌跡做循環運動，從而使針板1帶動刺于其上的織物隨滑動塊前進。傳送單元工作結束時，驅動系統停止工作，待滑動塊停止進給運動后，逐漸減小各電磁鐵中線圈電流的大小，直至所有滑動塊中的驅動塊13坐落在支承座21上。

注：1—滑動塊；2—弧形位移傳感器；3、20、23—弧形導向電磁鐵；4、19、24—直線導向電磁鐵；5、9、16—直線位移傳感器；8、18、25—導向導軌；6—柔性傳送帶；7—針板；11、17、27、32—支承導軌；10、15、26、31—垂直支承電磁鐵；12、14、28、30—驅動電磁鐵；13、29—驅動塊；21—支承座；22—支架。圖1 磁懸浮拉幅定型傳送單元結構示意圖Fig.1 Sketch diagram of magnetic transport unit of tentering and setting machine.(a)Top view of tentering and setting machine;(b)A-A view

驅動系統的工作原理如圖2所示。多對驅動電磁鐵均勻對稱地分布在驅動塊兩側的支承導軌內，1對驅動塊對稱地安裝在滑動塊上下位置的內側，相鄰驅動電磁鐵之間留有一定的間隙。工作前，所有驅動電磁鐵和驅動塊均不通電，工作時，驅動塊首先通電，若驅動塊處于圖2(a)所示的位置時，驅動電磁鐵Ⅱ-Ⅱ通電，對驅動塊產生電磁吸力，使驅動塊沿進給方向運動，當驅動塊運動至圖2(b)位置時，驅動電磁鐵Ⅱ-Ⅱ停止通電，驅動塊在慣性作用下繼續沿進給方向運動，當滑動塊運動至圖2(c)位置時，驅動電磁鐵Ⅲ-Ⅲ通電，從而重復上述動作，使驅動塊繼續沿進給方向運動。工作結束時，驅動塊和所有通電的驅動電磁鐵同時斷電，驅動系統停止工作。另外，驅動系統僅設計在支承導軌的直線段上，即僅位于支承導軌直線段上的滑動塊才具有驅動力，當滑動塊運動至支承導軌圓周段時，依靠位于支承導軌直線段上滑動塊的驅動力和柔性傳送帶的作用帶動其沿實現進給運動。

注：1、4—驅動電磁鐵；2—驅動塊；3—支承導軌。圖2 驅動塊工作原理示意圖Fig.2 Working principle diagram of drive block.(a)Initial status；(b)Moving status-1；(c)Moving status-2

根據傳送單元運動軌跡，滑動塊在運行過程中既有直線運動又有圓弧運動，因此在滑動塊中設計了直線導向系統和弧形導向系統，實際運行時，二者是交替工作，即滑動塊在直線段運行時僅直線導向系統工作，在圓弧段運行時僅弧形導向系統工作。為了實現2個水平導向系統之間的順利轉換，在設計時要合理選擇各滑動塊之間的距離，如圖3所示。當滑動塊中的直線導向電磁鐵1、3運動至直線導向導軌2終點時，應保證與其相鄰的前一滑動塊處于弧形導向導軌4中，此時，后一滑動塊中的直線導向電磁鐵1、3停止通電，待依靠前一滑動塊中弧形導向電磁鐵5、6和齒形帶的作用進入弧形導向導軌4后，開啟弧形導向系統。

注：1、3—直線導向電磁鐵；2—直線導向導軌；4—弧形導向導軌；5、6—弧形導向電磁鐵。圖3 直線-弧形導向系統切換示意圖Fig.3 Switch schematic diagram of between straight and circular guidance systems

2 磁懸浮垂直支承系統

磁懸浮垂直支承系統是本傳送單元實現垂直方向非接觸、平穩運動的關鍵部件，其結構示意圖如圖4所示。共包括2對支承電磁鐵，要求安裝在滑動塊中的直線位移傳感器9和16能及時檢測到外界對滑動塊在垂直方向的擾動，并反饋給控制器，通過控制器的作用使滑動塊在垂直方向始終處于穩定懸浮狀態[6-7]，因此采用響應速度快、控制性能優越的差動控制技術[8]，其原理如圖5所示。

注：1—滑動塊；9、16—直線位移傳感器；11、17、27、32—支承導軌；10、15、26、31—垂直支承電磁鐵。圖4 磁懸浮垂直支承系統結構示意圖Fig.4 Sketch diagram of magnetic vertical bearing system

圖5 磁懸浮垂直支承系統控制原理圖Fig.5 Control principle diagram of magnetic vertical bearing system

由于每對支承電磁鐵的結構參數和控制原理完全一致，因此僅取左側1對支承電磁鐵進行介紹。由圖5可知，在差動控制系統中，上、下支承電磁鐵10、31分別對支承導軌11、32產生電磁吸力，為克服滑動塊的總重力G實現穩定懸浮，要求下支承電磁鐵31對支承導軌32產生的電磁吸力F31必須大于上支承電磁鐵10對支承導軌11產生電磁吸力F10，F31和F10通過重力控制電流ig調節[9-10]，即：

式中:μ0為真空磁導率；N為線圈匝數；I為偏置電流；ig為克服自重的控制電流；S為電磁鐵磁極總面積；δ為穩定懸浮時的空氣隙厚度；G為所有滑動塊、針板以及柔性傳送帶的總質量；n為滑動塊的個數。由于每個滑動塊中有兩對支承電磁鐵，因此每對支承電磁鐵承擔一半的質量。

若某一時刻在垂直方向出現向上的擾動，使得滑動塊向上偏離平衡位置x，經直線位移傳感器9檢測后，通過控制器同時施加給上、下支承電磁鐵10、31一控制電流ic，使上電磁鐵產生的電磁力F10增大的同時，下電磁鐵產生的電磁力F31減小，即：

此時，支承電磁鐵所產生的電磁合力為

根據式(1)～(6)可計算出，若每個滑動塊的重力為200 N，支承電磁鐵穩定懸浮時的空氣隙厚度δ為0.6 mm，線圈匝數N為192，偏置電流I為2 A，電磁鐵磁極總面積S為1 570 mm2，則每個滑動在垂直方向最大可承受600 N的擾動力，而傳統的拉幅定型傳送裝置在工作時沿垂直支承方向的局部擾動力一般不超過100 N，因此，磁懸浮垂直支承系統的設計滿足實際要求。

3 磁懸浮水平導向系統

磁懸浮水平導向系統是本傳送單元決定織物拉幅張力精確、穩定控制以及消除水平方向接觸磨損的關鍵結構，包括直線和弧形2部分，二者由于懸浮氣隙和運動形式的不同而存在差異，因此需分別對其進行分析。

3．1 直線水平導向系統

直線水平導向系統主要用于滑動塊在直線導向導軌上進給時的精確導向，采用的電磁鐵形狀與支承電磁鐵一致，均為直線，但由于滑動塊的結構特點，直線導向系統中電磁鐵的安裝不能像支承電磁鐵一樣對稱地安裝在磁懸浮工作臺的兩側，其結構示意圖如圖6所示。

注：1—滑動塊；4、19、24—直線導向電磁鐵；5—直線位移傳感器；8、18、25—導向導軌。圖6 磁懸浮直線導向系統結構示意圖Fig.6 Sketch diagram of magnetic straight guidance system

由圖6可知，直線導向系統由直線導向電磁鐵4、19、24組成，工作時，3個電磁鐵分別對導向導軌8、18、25產生電磁吸力，吸力分別記為F4、F19、F24，且滿足以下關系：

由式(7)、(8)可知，由于滑動塊在做直線進給運動時，其導向方向不受任何外力，因此，F4、F19、F24的合外力為零，且電磁鐵19、24產生的電磁力為電磁鐵4產生電磁力的一半。為便于控制系統的實施，在對電磁鐵4、19、24設計時，一般在保證電磁鐵的結構尺寸以及線圈參數一致的情況下，通過改變線圈電流的大小調節各電磁鐵的電磁力，因此，F4、F19、F24的大小分別為

實際工作時，通過張力控制電流iz調節織物的張力，由于織物的張力方向與F4方向相反，因此，織物被拉幅時，iz將得F4減小，F19和F24增大，即：

若某一時刻滑動塊在導向方向上受到一水平向右的擾動偏離平衡位置，則直線位移傳感器5立即將該信號傳送至控制器，由控制器發出控制電流ic，在增大F19和F24的同時，減小F4的大小，使得滑動塊迅速回到平衡位置，即：

由式(13)、(14)可知，直線導向系統與支承系統的控制原理基本相似。此外，電磁鐵4的中心至電磁鐵19中心的距離a1，應與電磁鐵4的中心至電磁鐵24中心的距離a2相等，以使F19和F24對電磁鐵4處產生的力矩相等，保證滑動塊在做直線進給時，始終處于正常運行狀態。

根據式(7)～(14)，若每個滑動塊中直線導向電磁鐵穩定懸浮時的空氣隙厚度δ為0.6 mm，線圈匝數N為192，偏置電流I為2 A，電磁鐵磁極總面積S為1 570 mm2，織物拉幅張力為150 N，則每個滑動塊在直線水平方向上最大可承受250 N的擾動力。

直線水平導向系統是磁懸浮拉幅定型傳送單元中最重要的系統，直接決定了拉幅張力的精度和穩定性。織物在拉幅定型時的平均張力一般不超過150 N，水平方向的局部擾動力一般不超過200 N，因此，直線水平導向系統的設計滿足實際要求。

3．2 弧形水平導向系統

弧形水平導向系統主要用于滑動塊在支承導軌中弧形段上進給時的精確導向，由于此處的懸浮氣隙為圓環狀，因此滑動塊運動至該處時，需采用由弧形導向電磁鐵構成的弧形水平導向系統，其結構示意圖如圖7所示。

注：1—滑動塊；2—弧形位移傳感器；3、20、23—弧形導向電磁鐵；8、18、25—導向導軌。圖7 弧形水平導向系統結構示意圖Fig.7 Sketch diagram of magnetic circular guidance system

由圖7可知，弧形水平導向系統由弧形導向電磁鐵3、20和25組成，所產生的電磁力分別記為F3、F20和F25，由于滑動塊在弧形段上需依靠向心力才能保證其工作的正常進行，因此，F3、F20和F25在導向方向上的電磁合力不能為零，應滿足以下關系

式中：m為所有滑動塊、針板以及柔性傳送帶的總質量；n為滑動塊的個數；v為滑動塊作直線進給運動時的線速度；r為弧形導向導軌中心線處的半徑。

式中：I1為電磁鐵3的偏置電流；I2為電磁鐵20和25的偏置電流。將式(17)、(18)代入式(15)即可得出I1和I2之間的關系

(19)

當某一時刻滑動塊在弧形段受到一水平導向的擾動，通過控制電流ic的作用，使得滑動塊迅速回到平衡位置。同理，為了抵消F20和F25分別對電磁鐵3處的力矩作用，要求電磁鐵3的中心至電磁鐵20中心的距離a3等于電磁鐵3的中心至電磁鐵25中心的距離a4。

根據式(15)～(19)，若每個滑動塊的質量為10 kg，弧形導向導軌中心線的半徑r為0.6 m，滑動塊作直線進給運動時的線速度v為2.75 m/s，弧形導向電磁鐵穩定懸浮時的空氣隙厚度δ為0.6 mm，線圈匝數N為192，偏置電流I1、I2分別為3.6、2 A，電磁鐵磁極總面積S為1 570 mm2，則每個滑動換在弧形水平方向最大可承受460 N的擾動力。

弧形水平導向系統是為實現滑塊的循環運動而設置的，不對織物產生拉幅張力，主要承受滑塊沿圓弧段運行時的向心力，傳統的拉幅定型傳送裝置在運行至圓弧段時的向心力及局部擾動力之和一般不超過200 N，因此，弧形水平導向系統的設計滿足實際要求。

4 結束語

根據提出的新型磁懸浮拉幅定型傳送單元，試制了樣機模型，并初步對其運動穩定性和運動精度等進行了試驗測試，結果表明：

1)在滑動塊垂直方向施加10～200 N的擾動力時，滑動塊在垂直方向上偏離平衡位置的最大偏移量不超過0.4 mm，支承系統的穩定性較好。

2)在直線導向系統中，織物的拉幅張力由50 N逐漸升至200 N時，直線導向系統運行平穩，滑動塊在直線水平方向上偏離平衡位置的最大偏移量不超過0.2 mm，滑動塊在直線和弧形水平導向導軌之間轉換時的穩定性較好。

3)與傳統拉幅定型傳送系統相比，磁懸浮拉幅定型傳送單元由于采用了磁懸浮技術，使得結構更為緊湊，工作時的能耗可降低27%左右，系統運行時的噪音和磨損得到有效改善，對提高操作工人的工作環境和降低設備的維護成本具有重要意義。

在下一階段的工作中，將對導軌的幾何精度、滑動塊的模態和剛度以及電磁鐵的布局等進行深入的研究與優化，使得磁懸浮拉幅定型傳送單元工作時支承系統的穩定性、導向系統的導向精度以及抗干擾等性能得到進一步的提高。

FZXB

[1] 屈穩太,張森林.熱定型機的多變量模糊控制技術[J].紡織學報,2005,26(4):79-82. QU Wentai, ZHANG Senlin. Multivariable fuzzy control technology of heat setting machine[J] Journal of Textile Research,2005,26(4):79-82.

[2] 李金熱.基于PLC的拉幅定型機控制系統設計[J].制造業自動化,2010,32(11):132-135. LI Jinre. Design of control system for the tentering and setting machine based on PLC[J]. Manufacturing Automation,2010,32(11):132-135.

[3] 陳林,李明才.變頻器在拉幅定型機位置同步上的應用[J].變頻器世界,2005(8):90-92. CHEN Lin, LI Mingcai. The application of inverter in position synchronization of chain tenter[J]. The World of Inverters,2005(8):90-92.

[4] 譚寶成,曾卉.定型機拉幅控制系統研究[J].電子設計工程,2011,19(23):112-115. TAN Baocheng, ZENG Hui. Research of setting machine tentering control system[J]. Electronic Design Engineering,2011,19(23):112-115.

[5] 盛慧英.染整機械[M].北京:中國紡織出版社,1999:36. SHENG Huiying. Dyeing Machine[M]. Beijing: China Textile & Apparel Press, 1999:36.

[6] 張殿峰,魏紹義,段廣仁.磁懸浮系統的自適應控制器設計[J].黑龍江大學自然科學學報,2006,23(2):173-177. ZHANG Dianfeng, WEI Shaoyi, DUAN Guangren. Design of adaptive controllers for magnetic floating systems[J]. Journal of Natural Science of Heilongjiang University,2006,23(2):173-177.

[7] 胡漢輝,譚青.磁懸浮平臺的解耦模糊PID控制[J].中南大學學報：自然科學版,2009,40(4):963-968. HU Hanhui, TAN Qing. Decoupling fuzzy PID control for magnetic suspended table[J]. Journal of Central South University：Science and Technology Edition,2009,40(4):963-968.

[8] ZHANG Yi, MA Shuyuan, ZHANG Lei. Magnetic field analysis and optimization design of magnetic stage[J]. Nanotechnology and Precision Engineering,2010,8(3):221-225.

[9] 吳國慶.用于數控機床的磁懸浮支承系統及其控制技術[D].上海:上海大學,2006:10-14. WU Guoqing. Magnetic suspension supporting system and its control technology used for numerical control machine[D]. Shanghai:Shanghai University,2006:10-14.

[10] MA Suyang, LIAO Ping, WU Guoqing, et al. Research on electromagnetic field analysis of magnetic levitation rail machine [J]. Applied Mechanics and Materials,2010(37/38):1010-1016.

Magnetic transport units of tentering and setting range

WU Qiang， MA Suyang， LIAO Ping

(SchoolofMechanicalEngineering,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019,China)

Considering that the transport units of the traditional tentering and setting range have such drawbacks as low precision, serious contact wear, and poor operational stability due to the adoption of contact auxiliary guide rail, a novel magnetic transport unit for the tentering and setting range was proposed. Its structure and operational principle were introduced. The working process and stress status of the magnetic suspension vertical supporting system and horizontal guide system were analyzed. The horizontal guide system is composed of the linear and arc horizontal guide parts. Because the horizontal guide system has unique suspension air gap and operation mode, it is more complex than the vertical supporting system. The preliminary test indicated that this transport unit has the advantages of high precision, strong anti-interference ability, low energy consumption and so on as compared with the conventional transport unit of the tentering and setting range, thus meeting the development requirement of precision and high-speed in the fields of the modern textile machinery.

magnetic suspension； transport unit； tentering and setting； friction； abrasion

0253- 9721(2013)09- 0139- 06

2013-03-01

2013-05-10

國家自然科學基金資助項目(60974049);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目蘇政辦發(2011)137號;南通市應用研究項目(K2011028)

吳強(1962—)，男，副教授，碩士。主要研究方向為機械設計。E-mail:wu.q@ntu.edu.cn。

TQ 630.5

A