三維織機電子開口系統的研制

錢永明，閆紅霞，閆 江，陳 革

(1.南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019;2.東華大學紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620;3.東華大學機械工程學院，上海 201620)

織制具有三維交織結構的整體機織物已經成為現代紡織的研究熱點，尤其是研發數字化、自動化的立體織機，實現三維機織物的規模化生產成為纖維增強復合材料領域急待解決的重要課題［1－2］。開口系統是立體織機最重要的系統之一，現有的研究較少涉及立體織機開口機構運動規律的分析。根據立體織機綜框的特點，分析了立體織機的綜框在3種運動規律驅動下的瞬態動力學響應特性，尋找到適合立體織機電子開口系統的理想運動規律。結合立體織機特殊的工藝要求，設計一種計算機控制、伺服電動機驅動的三維織機電子開口系統。

1 三維織機織造原理

三維織機的織造原理如圖1所示。在織造過程中，經紗由經軸架上引出，按一定規律穿過綜框上的綜絲眼，再穿過鋼筘后，由織物夾具夾持;開口系統彈簧控制綜框升降，使經紗形成多個梭口;引緯劍夾持緯紗穿過梭口;引緯劍退出后，鋼筘將緯紗推向織口;織物引離機構將形成的織物引離，從而完成1個引緯循環。通過經紗在綜絲眼中的特殊分布，以及不同的引緯動程的控制，可織制多種不同組織結構、不同截面形狀的立體機織物。

圖1 三維織機的織造原理Fig.1 Weaving principle of 3－D loom

織造三維立體織物，隨著垂直方向上的經紗層數增多，所需綜框的頁數增多，經紗開口幅度也變大，梭口變形大大增加，梭口的清晰度降低。這些問題可通過裝有多眼綜絲的綜框來解決，其中每個綜框相對獨立運動，在垂直方向上形成多個清晰梭口，這對開口機構的設計提出了新的要求［1］。

織機開口機構的作用是使經紗在綜框的控制下，將經紗上下分開形成梭口，并根據織物上機圖所設定的順序，控制綜框的升降次序，使織物獲得所需要的組織結構。織機的開口機構一般采用凸輪開口機構、曲柄連桿開口機構、多臂開口機構、提花開口機構等［3－4］。這些傳統的開口機構結構復雜，而且機構的具體結構決定了綜框的運動規律，在工作過程中無法根據織物的不同組織結構進行方便的修改，尤其無法滿足織造三維立體織物的多樣性。在織機的電子開口領域，伺服電動機與計算機控制技術相結合，可精確控制綜框的位移、速度和加速度，因而在機電一體化領域得到越來越廣泛的應用［5］，雖然文獻［6］提出了將伺服電動缸應用于立體織造裝備開口機構的思路，但由于開口裝置安裝空間的限制，該方案難以實現。

2 三維織機電子開口系統設計

在織造立體織物時，由于織物層數的增加，梭口增多，綜框的運動規律也相對增多。針對織造立體織物對開口機構的特殊要求，根據立體織造速度不高的特點，本文設計了一種基于伺服控制的立體織機電子開口系統，如圖2所示。

圖2 基于伺服電動機的開口系統結構Fig.2 Servomotor－based loom shedding structure

如圖2所示，選用PLC作為控制器，開口系統中具有多個綜框，每頁綜框都由一個獨立的伺服電動機控制其運動［7－9］。伺服電動機均安裝在綜框上方的機架上，通過吊繩繞過導輪與安裝在伺服電動機軸端上的凹槽輪相連。伺服電動機的正反轉帶動綜框的上下運動，通過控制伺服電動機的轉動量和轉動速度可改變綜框的運動規律，靈活控制每一頁綜框的靜止角、閉口時間及開口形式，從而提高立體織機開口系統的靈活性。綜框下方安裝了彈簧回綜裝置，在開口過程中，隨著綜框的上升，彈簧逐漸伸長，當梭口滿開時，彈簧伸長量達到最大。梭口開始閉合時，綜框在回綜彈簧恢復力的作用下降到原位。

由于三維織造工藝的特殊性，立體織機運行速度不高，本文提出的基于伺服控制的立體織機電子開口系統的響應特性足以滿足三維織造工藝的要求。

綜框數量由立體織物的組織結構來確定，圖3示出三維織物組織結構。要織造如圖所示的三維織物，可采用4頁綜框。交結經紗2、4、6、8分別穿入第1頁綜框上的4個綜絲眼中;交結經紗3、5、7、9分別穿入第2頁綜框上的4個綜絲眼中。穿有交結經紗的2頁綜框分別由伺服電動機控制，能夠進行小幅度上下運動，使相鄰2層經紗間形成梭口;垂紗1穿入第3頁綜框的一個綜絲眼中;垂紗0穿入第4頁綜框的一個綜絲眼中。穿有垂紗的2頁綜框由伺服電動機控制，能夠進行大幅度上下運動，將交結形成的各層織物捆綁到一起［10］。

圖3 三維織物組織結構Fig.3 Three－dimensional structures of fabric

主控制方案如圖4所示。首先通過人機界面輸入要執行的工藝動作，然后通過MOD－BUS協議把執行動作數據信息傳遞給PLC，PLC根據所得到的數據執行相關程序，輸出模擬量，使伺服控制器精準控制伺服電動機的轉速。

圖4 電子開口系統的控制方案Fig.4 Main control chart of electronic shedding system

伺服電動機將接收到的控制信號轉換為軸的角位移或角速度輸出，并通過測量反饋元件傳遞實時數據給控制器，通過比較得到位置誤差，控制電動機并給予誤差補償，這樣提高了系統控制的可靠性和精確度。

3 三維織機綜框運動規律設計

綜框的運動規律不但決定織物的組織結構，還與經紗張力的變化密切相關。設計合理的綜框運動規律，可使經紗運動平穩，減少斷頭。經紗張力在平綜時最小，滿開時張力最大。在設計綜框運動規律時，應充分改善綜框運動對經紗張力的不利影響，應當滿足:經紗滿開口時速度最小，經紗平綜時速度最大;在開口終了及開始閉口的瞬時，經紗的加速度盡可能小;其余時間內加速度變化應盡量緩和。

3.1 綜框運動規律的加速度方程

傳統織機的綜框運動規律有橢圓比運動、簡諧運動、正弦加速度運動3種形式。設H為綜框的位移，Hmax為綜框的最大位移，v為綜框運動的速度，a為綜框運動的加速度，ω為織機回轉的角速度，t為時間，θ為輔助圓半徑的轉角，α為織機主軸的轉角，ɑ0為綜框從一個極限位置運動到另一極限位置時織機主軸的轉角，那么:橢圓比運動的加速度方程為

簡諧運動的加速度方程為

正弦加速度運動的方程為

將以上3種運動規律的加速度作為加速度驅動，加載到ANSYS軟件瞬態動力學分析工具中，可進行綜框的瞬態動力學分析。

3.2 綜框在3種運動規律下的動力學分析

由于立體織機綜框的高度明顯高于傳統織機的綜框高度，而其寬度又比傳統織機綜框的寬度短很多，因此，通過分析立體織機的綜框在3種運動規律作用下的瞬態動力學特性，從中優選一種運動規律用于綜框的運動控制。

圖5示出綜框模型，在有限元軟件ANSYS中建立綜框和綜絲的模型。綜框高700 mm，長540 mm，厚10 mm;綜框材料為鋁合金，密度為7 890 kg/m3，彈性模量為0.717×1011Pa，泊松比為0.33，綜框采用殼單元。綜絲直徑為1 mm，材料為不銹鋼絲，密度為7 900 kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3;綜絲采用梁單元進行建模;為減少計算機的計算量，綜絲取40根。綜框下端有2個回綜彈簧單元。

圖5 綜框模型Fig.5 Heald frame model

用瞬態動力學分析確定結構在穩態載荷、瞬態載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、應變、應力及力，因此，將彈簧單元固定在綜框下端，分別在綜框上端吊綜鋼絲接頭處施加簡諧運動規律的力、橢圓比運動規律的力、正弦加速度運動規律的力，分析綜框的瞬態響應。

采用大質量法進行綜框運動模擬。大質量法的基本思路是:在施加加速度的位置節點附屬很大的質量來帶動結構的響應。該節點在激勵方向不要約束。在質量單元上施加適當的力使該點產生所需加速度。只需為每一荷載步指定時間和相應的力即可。通過這種方法，可在任意多的位置施加不同的加速度激勵，只要質量單元的質量足夠大，就可滿足精度要求。

在ANSYS模擬中，綜框在3種不同運動規律的力的激勵下，有相同的位移，同時得出在3種不同運動規律下受到的反作用力。在簡諧運動和橢圓比運動中，在綜框開口瞬間，加速突變，綜框受到較大的沖擊，綜框在初始運動時有較大的振動，而正弦加速度運動比以上2種運動優越，速度和加速度曲線都符合綜框運動所提出的要求。仿真結果如圖6～8所示。

圖6 簡諧運動仿真結果Fig.6 Simulation results of simple harmonic motion.(a)Loading force;(b)Acceleration

從以上分析可知，正弦加速運動是立體織機電子開口系統最理想的運動規律。在傳統織機的開口機構中，之所以較少采用正弦加速運動規律，是因為實現正弦加速運動的凸輪精度較另外2種運動規律要高得多。本文研究設計的電子開口系統采用PLC控制、伺服電動機驅動的方法來控制立體織機的綜框運動，不是通過凸輪來驅動綜框的運動，簡化了開口機構。綜框的運動規律通過編程實現，伺服電動機根據程序直接控制綜框的運動，達到所需的運動規律，提高了立體織機開口系統的靈活性和可靠性。

圖7 橢圓比運動仿真結果Fig.7 Simulation results of elliptical motion.(a)Loading force;(b)Acceleration

圖8 正弦加速度運動仿真結果Fig.8 Simulation results of since acceleration law.(a)Loading force;(b)Acceleration

4 電子開口系統硬件設計

控制綜框運動的PLC選取LG公司Master－120S系列的K7M－DRT20U。該PLC具有控制伺服電動機的位置控制模塊等各種專用功能模塊，且內置了PID控制模塊，可實現電動機速度、轉矩的PID控制。所設計的電子開口系統采用伺服電動機及與之配套的驅動器作為驅動單元。由于所設計的織機最大經紗數為1 000根，設單根經紗最大張力為40 g，則輸出力為392 N。伺服電動機選松下MHMJ系列，型號為MHMJ042P1C，額定功率為0.4 kW;驅動器型號為MBDJT2210，額定功率為400 kW。系統上位控制單元為PC機，下位控制單元為PLC。

電子開口控制系統的硬件框圖如圖9所示。將從PLC上的脈沖輸出端連接到綜框所對應的伺服電動機驅動器控制信號輸入端子上，再以高速脈沖來實現伺服電動機速度位置及方向信號的輸入。由于綜框的位移與伺服電動機的轉角成線性關系，根據綜框的運動規律很容易就可得到伺服電動機轉角的運動規律曲線，并將編好的電動機加速度、速度、位移曲線程序輸入到PLC中，就可完成織機的提綜過程。

圖9 硬件組成框圖Fig.9 Block diagram of hardware

主PLC在接收上位機信號后，將指令串行發給每個從PLC。從PLC在接收信號前后時間上的誤差一般可以忽略，這樣就保證了綜框運動的同步性。從PLC在分析所得信號后確定是否有執行指令，如果有指令，則發送脈沖到相應的伺服驅動器，驅動伺服電動機回轉帶動綜框按照設定的運動規律運動到指令要求的位置。反之，從PLC不發送指令，驅動器不工作，伺服電動機靜止，從而實現三維織機的開口運動。所開發的三維織機的電子開口裝置如圖10所示。

圖10 三維織機的電子開口系統Fig.10 Electronic shedding system of 3－D Loom

5 電子開口系統控制程序設計

所設計的立體織機開口系統的程序框圖如圖11所示。首先，在程序的第1個掃描周期初始化重要參數，根據伺服電動機轉軸的角度來判斷綜框的位置，然后根據故障檢測中各傳感器的信號反饋來判斷接下來是否可正常運行下面的步驟。如果可正常運行下一步，則可根據紋板圖修改程序中的設定來選擇綜框的通斷，然后向驅動器發送出相應的開口信號或者閉合信號，從而驅動相應的綜框實現織機開口機構的開閉動作。

圖11 開口機構控制原理流程圖Fig.11 Flow chart of shedding control principle

三維織機開口系統控制軟件的主界面主要顯示工藝參數、工藝步驟和織機所處的運行狀態，包括緯密、緯紗數、緯紗循環梭數、織造步驟以及實時紋板圖等。此外，主界面還包含有流動紋板模塊，打開繪制紋板，即可打開子界面。在子界面中，可繪制根據不同織物組織結構設計的紋板圖，設定每個綜框的運動規律參數。

6 結束語

本文研究的三維織機電子開口系統的每個綜框分別由獨立的伺服電動機控制驅動，大大簡化了開口系統的結構。采用基于PLC的伺服電動機控制系統來控制開口機構，在保證了織機穩定運轉的同時，提高了系統的靈活性和適應性;通過對綜框的運動進行數字化控制，有利于增強對立體織物品種和規格的適應性。由于三維織造工藝的特殊性，立體織機運行速度不高，本文研究設計的基于伺服控制的立體織機電子開口系統的響應特性足以滿足三維織造工藝的要求，所開發的新型立體織機電子開口系統已成功應用于立體織造設備中。

［1］ SOBHEY B.Development of the waving machine and 3D woven spacer fabric structures for lightweight composites materials ［J］. Technischen Universit?t Dresden Dissertation，2007(9):38－42.

［2］ GOKARNESHAN N，ALAGIRUSAMY.Weaving of 3D fabrics:a critical appreciation of the developments［J］.Textile Progress，2009，41(1):1－58.

［3］ 崔俊芳.三維機織物織造方法的研究［D］.天津:天津工業大學，2002:16－25.CUI Junfang.Research on the weaving method of 3－D fabric［D］.Tianjin:Tianjin Polytechnic University，2002:16－25.

［4］ 陳革，楊建成，鄧大立，等.紡織機械概論［M］.北京:中國紡織出版社，2011:83－85.CHEN Ge， YANG Jiancheng， DENG Dali， et al.Introduce to Textile Machinery［M］.Beijing:China Textile＆ Apparel Press，2011:83－85.

［5］ 徐文燦.電動缸與氣缸［J］.液壓氣動與密封，2006(2):19－23.XU Wencan.Electric cylinder and air cylinder［J］.Hydraulics Pneumatics＆ Seals，2006(2):19－23.

［6］ 張小蓉，梁素蘭.“電驅動+電動缸”系統在立體織物裝備中的應用［J］.中國制造業信息化:學術版，2007(17):63－65.ZHANG Xiaorong，LIANG Sulan.Application of the driving system in 3D textile machinery with motor and jar driven by electron ［J］.Manufacture Information Engineering of China:Academic Edition，2007(17):63－65.

［7］ 陳人哲，陳明.紡織機械設計原理［M］.2版.北京:中國紡織出版社，1996:15－21.CHEN Renzhe，CHEN Ming.Textile Machinery Design Principles［M］.2nd ed.Beijing:China Textile ＆Apparel Press，1996:15－21.

［8］ 陶可瑞，朱連慶.PLC控制伺服電機應用設計［J］.中國高新技術企業，2009(13):14.TAO Kerui，ZHU Lianqing.PLC control servo motor application design ［J］. China High Technology Enterprises，2009(13):14.

［9］ 王鋼飚，吳菁，陳宗農，等.基于伺服電動機的電子開口機構［J］.紡織學報，2009，30(12):117－120.WANG Gangbiao，WU Jing，CHEN Zongnong，et al.Servomotor－based electronic opening mechanism ［J］.Journal of Textile Research，2009，30(12):117 －120.

［10］ 祝成炎，田偉，申小宏.縱向變截面立體機織結構與組織設計［J］.浙江工程學院學報，2003，20(2):96 －99.ZHU Chengyan， TIAN Wei， SHEN Xiaohong.3D woven structures with changing cross－sections in longitudinal direction and their weave design ［J］.Journal of Zhejiang Institute of Science and Technology，2003，20(2):96 －99.