课程设计2011-12-16

继续教育学院 机电控制及自动化课程设计设计 题 目 高档阿克明斯特 地毯织机的控制系统设计 专 业 机电一体化 姓 名 陈秀珠 学 号 160102367 指导教师 田永庆 起讫日期       阿克明斯特地毯织机的卷曲送经结构的控制系统设计 目  录 第一章 简要介绍织机的运动组成    1 第二章 送经卷曲结构的系统分析    2 第三章 卷曲系统的设计    3 第四章 送经系统的控制系统设计    7 第一章 简要介绍织机的运动组成 地毯因制作不同可分为机制地毯、手工地毯。 机制地毯又包括簇绒地毯和机织威尔顿地毯、机织阿克明斯特地毯。 阿克明斯特地毯是通过经纱、纬纱、绒头纱三纱交织，后经上胶、剪绒等后道工序整理而成。织机包括五大运动:开口，引纬，打纬，送经和卷取。 (1)开口运动 将经纱按织物组织的要求分成上下两层，两层纱之间菱形的空间称为“梭口”。综框是常用的开口的部件，每一页综框中有若干根综丝，经纱穿于综丝的孔眼中，几页综框按织物组织的要求分别作上下运动，从而将经纱分开，形成梭口。绞杆一般为2-3根，用来分清经纱的排列顺序，并且作为梭口的后端。由于剑杆织机多用于花色织物的织造，所以通常采用多臂开口机构来带动综框，或采用提花开口机构来单独升降每根经纱。 (2)引纬运动 将纬纱穿过梭口。在剑杆织机上，由附带着在剑带上的送纬剑头夹持着纬纱，在剑带盘的驱动下，沿着导轨穿入梭口;与此同时，接纬剑头也进入梭口，两剑头在梭口的中央交接，送纬剑头松开纬纱，而接纬剑头夹持纬纱。然后，两剑头退出梭口，从而完成一次引纬运动。在高档剑杆织机上，基本上都采用分离箱座引纬方式，即剑头不随箱座运动，引纬时箱座完全静止不动。 (3)打纬运动 把引入梭口的纬纱推至“织口”，织口是经纱和织物的分界。梳形的箱是常用的打纬部件，它是一个摆杆机构，当向前摆动时，将已经引入梭口中的纬纱推至织口，同时，综框反向运动，使织口闭合，经纱与纬纱交织。 经过一次开口、引纬和打纬，一根纬纱就和经纱进行了一次交织。此后经纱又另分成两层，形成另一次梭口，再引纬和打纬。这样反复进行就逐渐形成了织物。 如果形成的织物不及时拉走，其后的纬纱就无法正常进入织口，导致交织无法进行。所以，要使织造连续进行，还应有以下两个运动。 (4)卷取运动 随着织造的进行，将织物牵引离开织口，卷成圆柱状布卷。通常是由卷布辊来完成牵引动作，卷布辊表面粗糙，用来增加与织物之间的摩擦力。 (5)送经运动 随着织物向前牵引，织轴由一定机构驱动，送出所需长度的经纱，并使经纱具有一定的张力。 开口、引纬和打纬三个运动是任何一种织造都不可缺少的，称为三个主运动。而送经和卷取两个运动使织造连续进行所必需的，称为副运动。 第二章 送经卷曲结构的系统分析 图2-1 一个典型的送经卷曲系统建模图 从图2-1可以看出在纺织工业中，特别是织机上卷曲机构和送经机构是紧密联系的。在纺织过程中卷曲机构把完成的织物引走。卷曲机构的卷曲速度横向簇绒密度（同时也与纺织效率有关）。在卷曲的同时送经机构通过经轴的运动给纺织系统提供经线。这其中就涉及一个织机一个很重要的概念经线张力。在织机上保持合适的经线张力是完成纺织任务保证织物质量很重要的一环。张力的大小与稳定直接关系开口质量的好坏。 第三章 卷曲系统的设计 首先是卷曲机构。地毯织机的卷曲机构通常包括机内卷曲机构和机外卷曲机构。这两部分中外卷曲机构相对来说对精度要求不高。其功能主要是把机内卷曲机构引出的已完成的织物卷成团（地毯由于有绒毛所以体积和质量都比较大）。传统的机械式地毯织机是通过主轴的链传动完成机外卷曲。结构既复杂又笨重而且由于涉及到整体发生故障维修极为不方便。所以说将卷曲机构模块化很有意义。下图3-1是本设计的机械结构三维图： 图3-1 机外卷曲机构的设计过程中有两种供选择：一是通过传感器。当地毯松弛碰到下面的传感器时，通过张力检测装置，然后是信号放大器放大信号给控制电路然后驱动继电器从而给三相交流电机通电。电机开始运转开始卷曲地毯，当地毯卷曲到碰到上面的传感器时开始发送信号给继电器使电机停止运转，地毯不被运转。第二种方案是在下面安装触发开关当地毯碰到下面的触发开关时继电器接通电机运转。开始卷曲地毯。待地毯被卷曲到张紧时碰到上面的触点是继电器断。电机停止运转。显然综合两种方案。方案二从成本上考虑比较占优势。所以本设计采用的是方案二。其电路原理图如图3-2： 图3-2 然后三相交流电机通过继电器启动。这样就完成了机外卷曲机构的设计。传统的机械式卷曲机构实现起来极为复杂。其传动原理图如图3-3： 图3-3 接着是对卷曲电机的选取，考虑到这种电机必须满足适应频繁启动而且提供的扭矩较大但占有的空间要小，这儿最终选取了型号为GKS-4的GKS圆柱斜齿轮-锥齿轮减速机，外形如下图3-4 图3-4 相关参数如下表1 表1  GKS圆柱斜齿轮-锥齿轮减速机参数 减速级数 机座号 速比范围 04 05 06 07 09 11 14 输出扭矩[Nm] GKS-3 190 331 702 1330 3080 6072 11790 5～328 GKS-4   325 702 1330 3080 6072 11639 97～1510                   接下来是机内卷曲系统的设计，机内卷曲的设计要考虑到地毯的相关参数。本设计将要设计的是完成三纬起绒考林斯结构的阿克明斯特地毯织成的地毯织机。其常用参数为横向绒簇密度掌握的16~45个/10cm。直向绒簇密度分为6个/in，7个/in和8个/in。这儿要设计的机内卷曲结构具备横向绒簇密度可变的功能。谈到这就得首先了解传统的机内卷曲机构。传统的机内卷曲机构它的动力是主轴通过层层的减速装置传给卷曲机构，由此占有的体积较大，而且由于与主轴相连所以维修起来不方便，而且这就造成了横向绒簇密度不可变。如果换成电子送经结构这一状况就得到改变。自己的设计方案是机内卷曲机构独立于整个主轴运动体系，它只要接受主控制系统的时序脉冲去采取时序运动。下图3-5是计算本设计采用的机械结构，其转轴的半径是90mm。并且卷轴上有小铁钉存在，这样可以增大地毯与卷轴的摩擦力。 图3-5 根据上面的机械结构计算每次卷曲的角度。在本设计中将采用典型的一种横向绒簇密度即：280个/m 幅宽：4米 速度：51r/min 效率：70% 地毯机构：三纬起绒 产量： =2.55m/h 相应的根据每打三次纬卷曲两次则可以计算卷曲一次卷曲轴转过的角度 = *360/60=1.38 选择控制方案。原理简图如下。 图3-6 由于单片机控制的步进电机系统结构不复杂。经过考虑决定并经过计算决定采用的步进电机和驱动器是北京中创天勤科技有限公司的3HB三相步进电机和三相驱动器YKA3722MA。其中步进电机外形和接线如下图3-7： (a) (b) 图3-7 第四章 送经系统的控制系统设计 送经系统在地毯织机的动作过程中主要是提供连续的经线，并且保持一定的经线张力，目前市场上已经有很多大型知名企业从事电子送经的研究和生产。其产品已近非常成熟实用。但是其产品大都是从事高速织机的。而本设计针对的地毯织机不是高速织机。需要说明的是现有阿克明斯特地毯织机采用的是间歇式机械结构进行送经。其原理是经线穿过双后梁结构，双后梁结构通过悬挂重力砝码。当张力大于预定值时，砝码下降，通过棘轮带动一直在空转的控制连接经轴的涡轮蜗杆。只有在此时蜗轮才会运转。此结构类似自行车的防后退结构。由于加了沉重的砝码。加上复杂的机械结构还有润滑。整个结构笨重而且不易维护同时工作是产生大的噪音，加上润滑油的泄漏。空气污浊。严重影响了工人的工作环境，本设计的机械结构如图4-1。 图4-1 现代化的送经结构为了满足高速运转送经是为了满足数百转的纺织速度。所以对经线张力的稳定要求较高。而本织机的转速低于100r/m所以在经线张力建模方面相对可以简化一点。由于时间的关系这儿只做简介。首先本设计的控制方案已经确定如图4-2。采用51系列单片机做为控制系统的中心。键盘显示电路为8279可编程键盘显示芯片。张力传感器通过AD转换元件将张力信号反馈给控制芯片51系列单片机。控制系统通过分析确定给步进电机的脉冲数。来完成送经保证张力。键盘是用来确定保证经线张力大小。 图4-2 经线模型建立图如图4-3： 图4-3 具体的原理接线图将在附录中给出。选用的芯片如下：控制芯片用87C51.具有128BRAM、，4KEPROM：同时选用通用键盘显示芯片8279实现键盘显示电路，8279选用外接四个数码管，键盘采用行列扫描模式。AD转变芯片采用ADC0809.它是一种逐次比较式8路模拟输入，8位数字量输出的AD转换器。其中CBA三地址引脚对应8个地址通道 。在本设计电路中BC连在一起接了P2.5，A连接了P2..6.所以一共可以结4路输入。输入电压为0~5V。具体如何将完成张力的检测值与电压的转换将在采购完成张力检测设备后完成。 不过草图已经形成需要说明的是本系统的步进电机考虑到批量采购的优点和性能的满足。决定采用跟机内卷曲机构相同的步进系列电机。驱动器也一样。 下面将进行自动控制原理方面的分析，如上面的经纱调节回路所示，电机控制的输出是（步进电机）脉冲数是n，然后电机输出的是电机轴的转动角度 ， =0.006*n； 由于电机加了减速设备其减速比设为i； 则实际上 =0.006n/i； 接下来分析经纱纱路： 任一时间织轴退绕点D到后开口A间的纱路长度DCBA间长度的平衡关系式为： （4-1）  式中 为经轴退绕出来的经纱长度； 为卷取辊卷取得经纱长度； 为个段经纱在张力作用下的伸长； 为ABC段经纱的长度变化。 进行拉式变化得；             （4-2） 送经速度 ； / = ；    =   ； = 卷取速度为 ；则 = ； 所以 = /S；                        （4-3） 经纱在动态张力作用下，其力学模型如图（Voigt模型）张力增量 与伸长 之间的关系如下： 图4-4 + 上式中： 为经纱刚度系数； 为经纱粘滞系数。 经过拉式变换得到 最终代入各式得到 继续阅读