磁悬浮式驱动提花织针的控制策略与实验方法

2013-11-15吴晓光张成俊

武汉纺织大学学报 2013年6期

李爽，吴晓光，张驰，朱里，张成俊

（武汉纺织大学机械与自动化学院，湖北武汉 430073）

针织提花选针方式目前主要靠机械方式完成选针，如图 1所示。图中，由三角（凸轮）、挺针片、提花片与织针配合实现织针的特定运动轨迹。选针时则由片踵与选针器上刀头完成提花“三功位”编织原理，从而完成针织提花选针功位。由于织针运动轨迹与选针方式主要依赖于机械机构的刚性接触（凸轮），产生摩擦力、冲击力将直接影响到选针机构的稳定性，制约了选针频率的进一步提高。

本文提出一种在前期研究单织针控制原理[1]基础上，开展多针织磁悬浮式驱动织针的控制及驱动悬浮织针的试验方法，通过对悬浮织针控制策略以及悬浮织针实验验证，得到了多织针磁悬浮驱动织针协同和不协同运动的可行性。经实验数据分析，验证了理论模型与实验过程的一致性。本文提出的多织针悬浮驱动研究，将磁悬浮理论与技术应用针织机械领域，取代传统的编织机构与选针模式，为新一代针织圆纬机提花选针研究，提供理论基础与实用化应用奠定基础。

图1 针织提花机选针机件结构图

1 磁悬浮式驱动织针工作原理

磁悬浮式驱动织针装置是基于电磁-永磁理论的装备，如图 2所示。图中可以看出多织针及永磁体和电磁体是完全无接触，即没有机械传动机构，其驱动织针的原理是利用电磁体和永磁体的特性[2]，向电磁装置中通入电流，通过改变电流方向和电流大小来控制电磁装置的磁性以及磁场强度，从而控制电磁装置与永磁体之间的吸引力以及排斥力的大小[3]，直接达到控制织针上下的运动（三功位）的目的，同时织针在竖直方向悬浮并进行直线运动，其受力大小、方向、速度等均可控。

图2 多织针“三功位”编织运动轨迹图

2 单磁悬浮式驱动织针实验模型

2.1 磁悬浮式驱动织针运动规律

如图3所示为织针在三角（凸轮）内的运动轨迹(传统的指针的运动轨迹)展开图。磁悬浮式驱动织针时的运动轨迹，同样需要满足“三功位”工作要求，即实现成圈，集圈和浮线的运动轨迹，织针上下往复运动轨迹的高度，分别在起始位置以及3mm和9mm处进行浮现以及集圈和成圈。如图3所示为成圈，集圈，浮线位置关系。

图3 磁悬浮织针的运动轨迹展开图

图4 单磁悬浮式驱动织针系统框图

2.2 磁悬浮式驱动织实验模型建立

如图4所示为单磁悬浮式驱动织针系统框图。按照系统框图搭建实验平台，如图5所示为单磁悬浮式驱动织针装置的实物图。实验目的：让织针能够按照预定的轨迹进行运动。下面给出手动调试和自动控制调试两种实验方案。

方案一：手动调试。

如图6为系统在手动调试时的部分电路图。

图5 单磁悬浮式驱动织针装置的实物图

图6 手动调试部分电路图

表1 织针位移-电流关系表

调节电位器R1，LM2575adj的输出端2脚的电压会随着变化。通过观察记录永磁体分别在高度(3,4,5,6,7,8,9)毫米处的电流值，测十组数据取平均值如表1所示。

将表1中的数据表示成电流与永磁体高度关系曲线图，如图7所示；从图7中可以看出，织针的位移与电流是成正比关系的。方案一通过手动调节提供了一定的数据作为参考，方便了对电路进行改进实现自动控制。

方案二：自动控制调节。

实验采用STC89C52单片机作为核心控制器，采用传感器进行反馈控制，将指定的数据以 ROM表的形式存入单片机内部，由程序控制单片机每隔10微秒时间从ROM表里中取出一个值，并将这个值赋给P1口，使D/A每隔10微秒时间输出一个电压值，该电压值与单片机P1口的值具有固定的关系。若设这个电压值为V，单片机P1口的值为A，D/A所接的参考电压是5V，最后输出的电压为V=A／256*5。

图7 电流与永磁体高度关系图

图8 放大环节电路图

由于 D/A输出的电流过小无法驱动电磁体，所以需要在 D/A的后级添加一个放大环节，如图8所示。

该放大环节仅将电流放大，电压保持不变。D/A输出的值经过放大器再接入三极管的基极。在未接入负载时，能够测量到三极管的发射极电压与输入电压大小是相同的。若接入负载，可测量出D/A输出电压值与负载线圈电压值如表2所示。

从表2中可看出负载线圈的电压值与D/A的输出值成比例关系。通过测量负载线圈的电阻值，计算可得该比例的理论值约为0.25，将理论值与实际测量值相比较可得出该实验数据是一致的。可得到D/A输出值与电磁线圈两端电压成比例关系的结论。

如图9所示，单织针处于悬浮状态的实验实物图。图中，在线圈负载接入后，悬浮织针是按照程序的设计驱动单针织运动（织针处于“三功位”状态）。

表2 D/A输出电压与负载线圈电压关系表

图9 单悬浮驱动织针悬浮实物图

图10 多悬浮式驱动织针控制系统框图

图11 多悬浮式驱动织针实验装置结构图

3 多织针磁悬浮式驱动控制实验模型

基于单磁悬浮式驱动织针自动悬浮模型的基础上，针对多织针实验方案，开展多织针的控制的目标。图 10为多悬浮式驱动织针控制系统框图。如图11为多悬浮式驱动织针装置结构图所示（图中列举8个悬浮织针，也可一次实验24个织针）。

针对多悬浮式驱动织针控制系统分析。该系统采用八路D/A控制，锁存器的输入端接入 STC89C52的 P0口，锁存器的输出端分别接入八路D/A，同时D/A后级接入放大电路负载。控制器选择当前需要工作的 D/A，该路永磁体和织针即进行上下悬浮，同时其他未被选中的D/A通过锁存器的输出端接收到一个定值，让永磁体可以悬浮在当前高度保持不变。

系统中将使用位移传感器，该传感器主要是检测织针当前高度；传感器测量的数据通过A/D模块进行模数转换，并接入单片机的P1口，单片机中对数据进行处理，再将指令传给锁存器，如此便形成了一个闭环控制系统。

同时为了便于每一路织针的控制，图10中在控制系统中加入了上位机控制，通过串口与单片机的连接，可以直接通过在PC机上调节数据从而控制每一路织针的运动。

如图12所示为单片机与1路锁存器和D/A后级放大电路。