磁懸浮式驅(qū)動(dòng)提花織針的控制策略與實(shí)驗(yàn)方法

李 爽，吳曉光，張 馳，朱 里，張成俊

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

針織提花選針?lè)绞侥壳爸饕繖C(jī)械方式完成選針，如圖 1所示。圖中，由三角（凸輪）、挺針片、提花片與織針配合實(shí)現(xiàn)織針的特定運(yùn)動(dòng)軌跡。選針時(shí)則由片踵與選針器上刀頭完成提花“三功位”編織原理，從而完成針織提花選針功位。由于織針運(yùn)動(dòng)軌跡與選針?lè)绞街饕蕾囉跈C(jī)械機(jī)構(gòu)的剛性接觸（凸輪），產(chǎn)生摩擦力、沖擊力將直接影響到選針機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，制約了選針頻率的進(jìn)一步提高。

本文提出一種在前期研究單織針控制原理[1]基礎(chǔ)上，開(kāi)展多針織磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針的控制及驅(qū)動(dòng)懸浮織針的試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)懸浮織針控制策略以及懸浮織針實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了多織針磁懸浮驅(qū)動(dòng)織針協(xié)同和不協(xié)同運(yùn)動(dòng)的可行性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了理論模型與實(shí)驗(yàn)過(guò)程的一致性。本文提出的多織針懸浮驅(qū)動(dòng)研究，將磁懸浮理論與技術(shù)應(yīng)用針織機(jī)械領(lǐng)域，取代傳統(tǒng)的編織機(jī)構(gòu)與選針模式，為新一代針織圓緯機(jī)提花選針研究，提供理論基礎(chǔ)與實(shí)用化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖1 針織提花機(jī)選針機(jī)件結(jié)構(gòu)圖

1 磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針工作原理

磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針裝置是基于電磁-永磁理論的裝備，如圖 2所示。圖中可以看出多織針及永磁體和電磁體是完全無(wú)接觸，即沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)織針的原理是利用電磁體和永磁體的特性[2]，向電磁裝置中通入電流，通過(guò)改變電流方向和電流大小來(lái)控制電磁裝置的磁性以及磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而控制電磁裝置與永磁體之間的吸引力以及排斥力的大小[3]，直接達(dá)到控制織針上下的運(yùn)動(dòng)（三功位）的目的，同時(shí)織針在豎直方向懸浮并進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，其受力大小、方向、速度等均可控。

圖2 多織針“三功位”編織運(yùn)動(dòng)軌跡圖

2 單磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針運(yùn)動(dòng)規(guī)律

如圖3所示為織針在三角（凸輪）內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡(傳統(tǒng)的指針的運(yùn)動(dòng)軌跡)展開(kāi)圖。磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，同樣需要滿足“三功位”工作要求，即實(shí)現(xiàn)成圈，集圈和浮線的運(yùn)動(dòng)軌跡，織針上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡的高度，分別在起始位置以及3mm和9mm處進(jìn)行浮現(xiàn)以及集圈和成圈。如圖3所示為成圈，集圈，浮線位置關(guān)系。

圖3 磁懸浮織針的運(yùn)動(dòng)軌跡展開(kāi)圖

圖4 單磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針系統(tǒng)框圖

2.2 磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

如圖4所示為單磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針系統(tǒng)框圖。按照系統(tǒng)框圖搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示為單磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針裝置的實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鹤尶椺樐軌虬凑疹A(yù)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。下面給出手動(dòng)調(diào)試和自動(dòng)控制調(diào)試兩種實(shí)驗(yàn)方案。

方案一：手動(dòng)調(diào)試。

如圖6為系統(tǒng)在手動(dòng)調(diào)試時(shí)的部分電路圖。

圖5 單磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針裝置的實(shí)物圖

圖6 手動(dòng)調(diào)試部分電路圖

表1 織針位移-電流關(guān)系表

調(diào)節(jié)電位器R1，LM2575adj的輸出端2腳的電壓會(huì)隨著變化。通過(guò)觀察記錄永磁體分別在高度(3,4,5,6,7,8,9)毫米處的電流值，測(cè)十組數(shù)據(jù)取平均值如表1所示。

將表1中的數(shù)據(jù)表示成電流與永磁體高度關(guān)系曲線圖，如圖7所示；從圖7中可以看出，織針的位移與電流是成正比關(guān)系的。方案一通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)提供了一定的數(shù)據(jù)作為參考，方便了對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

方案二：自動(dòng)控制調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制器，采用傳感器進(jìn)行反饋控制，將指定的數(shù)據(jù)以 ROM表的形式存入單片機(jī)內(nèi)部，由程序控制單片機(jī)每隔10微秒時(shí)間從ROM表里中取出一個(gè)值，并將這個(gè)值賦給P1口，使D/A每隔10微秒時(shí)間輸出一個(gè)電壓值，該電壓值與單片機(jī)P1口的值具有固定的關(guān)系。若設(shè)這個(gè)電壓值為V，單片機(jī)P1口的值為A，D/A所接的參考電壓是5V，最后輸出的電壓為V=A／256*5。

圖7 電流與永磁體高度關(guān)系圖

圖8 放大環(huán)節(jié)電路圖

由于 D/A輸出的電流過(guò)小無(wú)法驅(qū)動(dòng)電磁體，所以需要在 D/A的后級(jí)添加一個(gè)放大環(huán)節(jié)，如圖8所示。

該放大環(huán)節(jié)僅將電流放大，電壓保持不變。D/A輸出的值經(jīng)過(guò)放大器再接入三極管的基極。在未接入負(fù)載時(shí)，能夠測(cè)量到三極管的發(fā)射極電壓與輸入電壓大小是相同的。若接入負(fù)載，可測(cè)量出D/A輸出電壓值與負(fù)載線圈電壓值如表2所示。

從表2中可看出負(fù)載線圈的電壓值與D/A的輸出值成比例關(guān)系。通過(guò)測(cè)量負(fù)載線圈的電阻值，計(jì)算可得該比例的理論值約為0.25，將理論值與實(shí)際測(cè)量值相比較可得出該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是一致的。可得到D/A輸出值與電磁線圈兩端電壓成比例關(guān)系的結(jié)論。

如圖9所示，單織針處于懸浮狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖。圖中，在線圈負(fù)載接入后，懸浮織針是按照程序的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)單針織運(yùn)動(dòng)（織針處于“三功位”狀態(tài)）。

表2 D/A輸出電壓與負(fù)載線圈電壓關(guān)系表

圖9 單懸浮驅(qū)動(dòng)織針懸浮實(shí)物圖

圖10 多懸浮式驅(qū)動(dòng)織針控制系統(tǒng)框圖

圖11 多懸浮式驅(qū)動(dòng)織針實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

3 多織針磁懸浮式驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

基于單磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針自動(dòng)懸浮模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)多織針實(shí)驗(yàn)方案，開(kāi)展多織針的控制的目標(biāo)。圖 10為多懸浮式驅(qū)動(dòng)織針控制系統(tǒng)框圖。如圖11為多懸浮式驅(qū)動(dòng)織針裝置結(jié)構(gòu)圖所示（圖中列舉8個(gè)懸浮織針，也可一次實(shí)驗(yàn)24個(gè)織針）。

針對(duì)多懸浮式驅(qū)動(dòng)織針控制系統(tǒng)分析。該系統(tǒng)采用八路D/A控制，鎖存器的輸入端接入 STC89C52的 P0口，鎖存器的輸出端分別接入八路D/A，同時(shí)D/A后級(jí)接入放大電路負(fù)載。控制器選擇當(dāng)前需要工作的 D/A，該路永磁體和織針即進(jìn)行上下懸浮，同時(shí)其他未被選中的D/A通過(guò)鎖存器的輸出端接收到一個(gè)定值，讓永磁體可以懸浮在當(dāng)前高度保持不變。

系統(tǒng)中將使用位移傳感器，該傳感器主要是檢測(cè)織針當(dāng)前高度；傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并接入單片機(jī)的P1口，單片機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將指令傳給鎖存器，如此便形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

同時(shí)為了便于每一路織針的控制，圖10中在控制系統(tǒng)中加入了上位機(jī)控制，通過(guò)串口與單片機(jī)的連接，可以直接通過(guò)在PC機(jī)上調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)從而控制每一路織針的運(yùn)動(dòng)。

如圖12所示為單片機(jī)與1路鎖存器和D/A后級(jí)放大電路。

圖12 單片機(jī)與1路鎖存器和D/A后級(jí)放大電路

在搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，調(diào)試過(guò)程中可以看出八枚織針是按照程序設(shè)定的路徑在上下懸浮。但由于每個(gè)織針之間存在磁場(chǎng)耦合問(wèn)題，結(jié)果存在一定的影響，在后期的工作中需要進(jìn)行更深入的研究。

4 結(jié)論

（1）文中提出的電磁與永磁混合力直接作用于織針上，建立懸浮織針“零級(jí)傳動(dòng)”代替“多級(jí)機(jī)械傳動(dòng)”的針織提花織針原理。

（2）通過(guò)單織針、多織針試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證，在手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制調(diào)節(jié)兩種方法對(duì)織針的運(yùn)動(dòng)軌跡是一致的，完全滿足傳統(tǒng)的指針的運(yùn)動(dòng)軌跡所需達(dá)到的功能。其中，通過(guò)可編程實(shí)現(xiàn)織針的自動(dòng)懸浮，并用控制電路實(shí)現(xiàn)了織針的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

（3）關(guān)于多織針運(yùn)動(dòng)中的電磁耦合及耦合屏蔽問(wèn)題將作為下一步深入研究，通過(guò)多物理場(chǎng)的耦合模型加于解決，以達(dá)到預(yù)期磁懸浮驅(qū)動(dòng)織針實(shí)用化的目的。

[1]朱文斌, 吳曉光，等. 磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針裝置理論研究與設(shè)計(jì)[D]. 武漢: 武漢紡織大學(xué), 2011.

[2]肖帥飛, 何培祥，等. 電磁永磁混合結(jié)構(gòu)排斥力的特性[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010，（29）:71-77.

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