基于陶瓷压电电子提花机设计
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摘要从古到今,提花机都是纺织业不可或缺的设备。现存的提花机包括普通提花机和电子提花机两种,而电子提花机又有压电陶瓷电子提花机、电磁铁电子提花机。在本设计中,我们以压电陶瓷电子提花机的优点为基础,论述其选针原理、设计其选针机构、通过实验得出所选压电陶瓷是否能够实现驱动压电陶瓷、设计控制系统等。并且再此设计中,用步进电机取代凸轮机构使结构简化。压电陶瓷电子提花机的选针装置的内核将传统的电磁体替换成压电陶瓷片,同时配合电路控制系统的控制,完成选针的目的,其中,整个过程利用到了压电陶瓷片自身的逆压电效应,通过这种效应产生的弯矩和挠度效果,做到选针的环境。选用的压电陶瓷自身的耗能非常低,具有较强的稳定性和抗干扰性能、发热小,电流瞬变时的过渡过程不会发生有害震动,也不会有带电磁场干扰现象。特别是高速运作的提花机动作稳定、出错率低 ,因而有利于提高速度、减少功率消耗。一些电介质当在一点方向受到外力作用时会发生变形,内部将产生极化现象,这时其两个相对表面出现正负相反的电荷。撤掉外力后又恢复为不带电的状态,这种现象叫做正压电效应。电荷极性随作用力方向的改变而变化。当在电介质的计划方向上施加电场时,电介质也发生变形,随着电场的消失变形消失,这种现象为逆压电效应。关键字:电子提花机;电子选针装置;压电陶瓷;压电效应IABSTRACTElectronic jacquard machine as cottonocracy more important part,. has existed since ancient time. At present,electronic jacquard machine includes piezoelectric ceramic jacquard machine and electromagnetic jacquard machine.Discusses the design of electronic jacquard based piezoelectric ceramics have the advantage , and the control system is designed based on a piezoelectric ceramic electronic jacquard machines and mechanical systems. Type piezoelectric ceramic mainly needle selector , the needle selection principles are discussed by experiment , to achieve a driving piezoelectric ceramics . And a cam mechanism instead of the stepping motor , so that the structure is simplified electronic jacquard machine .The piezoelectric ceramic electronic jacquard machine, using a low-power piezoelectric ceramic plate instead of a conventional electromagnet core needle selecting means, the inverse piezoelectric effect of the deflection and moment generated using a piezoelectric ceramic , the combination of the control circuit system, needle selection process.Some dielectric deformed by an external force that direction, the polarization of the internally generated , when the surface of its two opposite and opposite charge . After removing the external force , will return to the uncharged state , called the piezoelectric effect . When the force direction is changed , the charge polarity changes. Whereas, when the applied electric field the direction of polarization of the dielectric , the dielectric is deformed , the electric field removed, the deformation will disappear, as the inverse piezoelectric effect.Keywords: electronic jacquard; electronic needle selection device; piezoelectric ceramics; piezoelectric effectII目录摘要IABSTRACTII1. 绪论.- 1 -1.1 设计背景.- 1 -1.2 选题意义.- 1 -2. 压电陶瓷的选择.- 2 -2.1 压电陶瓷的压电效应.- 2 -2.2 压电陶瓷的选择.- 3 -2.3 压电双晶片的结构和工作原理.- 3 -2.4 压电双晶片性能计算.- 4 -3、结构部分.- 6 -3.1 基于陶瓷压电电子提花机传动原理.- 6 -3.2 压电陶瓷式电子提花机经纱提升机构设计.- 6 -3.3 压电陶瓷式电子提花机龙头设计.- 11 -4、压电陶瓷电子提花机控制系统的设计.- 18 -4.1 总体控制框架设计.- 18 -4.2 通信模块.- 18 -4.3 压电陶瓷片驱动模块.- 19 -4.4 数字显示模块.- 21 -5结论与展望.- 26 -参考文献.- 27 -附录 1:外文译文.- 28 -附录 2:外文原文.- 33 -致谢.- 40 -I基于陶瓷压电电子提花机设计1. 绪论1.1 设计背景国外在二十世纪六十年代已经有人开始研究电子提花机,第一代电子提花机出现在七十年代。七十年代以来,随着物质水平的逐渐提高,同时人们也对提花织物有了更高的质量要求,从而迫切需要制造商改进织物技术,提好织物水平,制造与其速度相适应的提花装置。目前我国国内只有低速织机,只能从国外高家引进中高档剑杆织机上的提花机。我国曾经在实验室成功研制出计算机控制压电陶瓷片的少数针的选针机构,后来因为经费问题而被搁置。所以在理论及实践上有一些基础但不够成熟。对于压电陶瓷电子提花机,我国目前还没有厂家正式投入生产制造。1.2 选题意义大多数的电子提花机采用电磁体选针机构,也就是由电磁铁的吸合来控制选针过 程,但是这种机构有很多缺陷,也对运行的提花机产生许多不利的影响。主要有:一, 电磁铁选针耗电大,因为提花机通常情况下自身带有的针超过数百,工作量大,就需要更多数量的电磁铁投入到工作中,工作所用到的电磁铁的工作电流高达几十毫安,有的甚至更大,这会使得总的电源消耗巨大,同时会产生很大的冲击电流。二,感性负载的电磁铁在电流瞬变时的过渡过程中会产生无益振动。三,提花机上电磁铁排列密度高, 运作工程中产生的大量热量难以及时排除。四,车间中的很多电器在工作工程中产生的电磁场会干扰提花机上电磁铁通放电产生的的电磁场。以上都是影响正常控制电磁铁选针的的因素。压电陶瓷陶瓷电子提花机选针的实现是采用压电陶瓷片,而不是传统的电磁铁,这种新型的选针装置内核低耗能,采用的压电陶瓷技术和电子控制系统,充分利用了压电陶瓷本身的特质,运用逆压电效应产生能够选针的挠度位移环境以及弯矩环境,达到选针目的。因为压电陶瓷没有电磁铁的一些缺点,例如产生冲击电流、发热量大、电流瞬变时过渡过程产生有害振动、存在电磁场干扰等现象,因此压电陶瓷电子提花机即使在高速转织机中动作稳定,出错率低,有利于提高织机速度、减少功率消耗。1.3 设计所做的工作(1) 根据旧时电子提花机的框架,确定合理的压电陶瓷提花机的机械运动方案。(2) 选择合适的压电陶瓷,根据实验得出该压电陶瓷的电压位移曲线,算得压电系数,并尽可能克服压电陶瓷的迟滞和蠕变。- 9 -(3) 设计多套选针机构,比较其优缺点,定出一套方案,进行选针的机械运动参数设计,并绘制运动机构的装配图及其零件图。(4) 根据单片机原理设计压电陶瓷的驱动控制电路,编写程序控制压电陶瓷选针过程。2. 压电陶瓷的选择2.1 压电陶瓷的压电效应一些电介质当在一点方向受到外力作用时会发生变形,内部将产生极化现象,这时其两个相对表面出现正负相反的电荷。撤掉外力后又恢复为不带电的状态,这种没有电场作用只因形变产生的现象叫做正压电效应。压电效应是居里兄弟在 1880 年在石英晶体上首先发现的,电荷极性随作用力方向的改变而变化。当在给电介质施加电场时,不仅产生极化也发生变形,随着电场的消失变形消失,这种因为电场产生变形的现象为逆压电效应。根据电介质的压电效应研制的传感器叫做压电传感器。由于诱导极化的作用,任何介质都在电场中发生形变,与逆压电效应产生的变化有所出入,在外电场或者是外力等的影响之下,电介质会产生概率上的形变,因为诱导极化的影响,导致的形变,和外电场的平方呈正相关关系,也就是所说的电致伸缩效应, 形变的产生与外电场的方向无关。而逆压电效应与外电场成正比关系,当电场反向时, 形变由原来的伸长变为缩短或者由原来的缩短变为伸长。除此之外,不论是压电晶体还是非压电晶体在所有的电介质中都具有电致伸缩效应,只是电致伸缩效应的强弱随电介质晶体的不同而不一样,但是只有在压电晶体中才具有逆压电效应。压电陶瓷只在垂直于极化方向的表面才产生电荷,如图 2-1,如果设极化方向是 F3, 则沿 Z 轴的作用力产生 Q3=d33F3 电荷,沿 X、Y 轴的作用力 F1 和 F2 也同样在 Z 方向产生 Q3=d31F1=d32F2。(d 脚标的第一位代表压电效应方向,第二位代表力的方向)。而X、Y 轴方向不产生电荷。压电陶瓷的逆效应,如图 2-2 所示。如果施加给陶瓷片一个与极化方向相同的电场 E,那么陶瓷片沿极化方向伸长即正负电荷间的距离随着在电场作用下极化强度的增大而增大(图 2-2 中虚线),同样的,陶瓷片在外加电场方向与极化方向相反缩短;这种将电能转化为机械能的现象也就是逆压电效应。图 2-1 压电效应图 2-2 压电陶瓷片的逆压电效应2.2 压电陶瓷的选择目前应用在提花机上的压电陶瓷主要有两种类型:叠层型压电陶瓷、薄片型压电陶瓷即压电双晶片型。主要由多片压电圆板组成的叠层型压电陶瓷的结构如图 2-3 所示,作为电场的电极加到薄板之间采用多层的作用是能够增加它的变形量。由叠层型的结构我们可以知道直接作为选针压片作动的是压电材料的伸缩变形,比薄片型更来得直接,尺寸来得也小, 结构也简单,但是制作成本比薄片型大因为变形量须作精密设计。叠层型压电陶瓷虽然有点很多,但因其变形量需要精密设计、成本高,所以我们选择同样具有很多优点的薄片型压电陶瓷即压电双晶片。图 2-3 叠层型压电陶瓷2.3 压电双晶片的结构和工作原理主要成分为铝镍结铁酸铅的压电双晶片是由固熔体陶瓷片做成,其极化方向与两面形成的电极垂直,若在其极间施加电压,则其振子在长度方向会由于逆压电效应而伸长。按相关的极性要求将两块压电陶瓷片固定在薄金属片两侧制成压电双晶片振子。多层双晶片结构也就是把相同厚度的几层压电换能器叠加成叠层体,并在电气上并联和机械上串联,加电场时在长度方向的总位移量为每层位移量的几倍。多层双晶片结构不仅推力大且有机械增益因此位移量大于块体涨缩位移,有较大偏转位移。其结构和施加电压方向如图 2-4 所示,压电陶瓷换能器在当施加电压方向与极化方向相同时伸长,相反时收缩。我们需要的偏转位移的压电双晶片振子可以根据压电陶瓷片的极化方向,适当固定压电陶瓷片和改变施加电压方向而得到。压电双晶片自由端随施加电压方向向 B 偏转,相反时自由端向相反方向 A 偏转,如图 2-4。图 2-4 压电双晶片结构2.4 压电双晶片性能计算如图 2-5 所示,根据所选的压电陶瓷材料得电压 V 和变位 U 关系图,可得知,其应变量与电压曲线关系具有类似“迟滞现象”,不过值得庆幸的是我们所需的致动元件精密定位的控制并不是必须的,只是以 on 或 off 的方式运动,因此我们只要将其曲线的斜率即比值求出,就能得到压电系数 M 值约为 0.025mm/V。图 2-5 V 与 U 关系图本设计中施加 60V 的电压给压电陶瓷材料,在这种条件下压电陶瓷片可产生约1.5mm 的变位,压电陶瓷片挠度变形力度为:Fb =Sn =USnnS E ( 4 l 3wt 3 ) m N 其中: S E :弹性柔顺系数 mnNl :压电陶瓷片对角线长度w :压电陶瓷宽度Sn =15.9 10-10t :压电陶瓷片厚度4 0.6330.02 (0.5 10-3 )3 =5.910-3 m N =1.5 10-3Fb5.9 10-30.25N 根据计算可得,改压电陶瓷片所产生的力度和挠度变形可以带动杠杆机构实现选针,因此能够实现控制电子选针装置。3、结构部分3.1 基于陶瓷压电电子提花机传动原理压电陶瓷电子提花机提刀固定在同步齿型带上并随其作上下往复运动,而同步齿型带由步进电机带动做往复转动,同时牵引着提钩完成上下运动,此时的提刀牵引着部件, 进行上下运动,产生开口,具体结构见 3-1.9384 76 512图 3-1 主传动示意图1-步进电机2-大带轮3-小带轮4-同步齿型带5-开口6-提刀7-提钩8-提花组件9-主轴3.2 压电陶瓷式电子提花机经纱提升机构设计设计提花机构前首先考虑场合及需求,本设计的提花机需考虑: 1、空间小,每组选针只能容纳长 2cm、宽 2cm、高 5cm 左右的空间2、制动距离大,每组选针组件要顺利完成选针工作需要 3cm 以上的上下制动距离3、反应变动极快,选针器必须有每秒变动 800 次以上的能力才能满足选针的需要, 这容易达到,但是机械传动机是设计的重心。3.2.1 CX 组件本设计参考采用 CX 组件的法国 STAUBLI 电子提花机机构,固定电磁阀控制棘爪实现选挂竖针并弹簧复位。CXModule 的选针过程,简述如下:位置过程位置 A开始时,运动钩 6 停在提刀 12、13 上并处于顶端的位置,使得固定钩4 的下端处于向外状态, 同时上端接近电磁阀 5, 复式滑轮 11 在较低的位置,对弹簧 3 进行压缩,导致电磁阀 5 给电,经纱的位置在下层位置 B进行首次开口操作 时,提刀 12、13 带动运动钩6 做向上、向下运动,所以,电磁阀 5 会给电,复式滑轮 11 依旧处于较低的位置,固定钩 4 和固定钩 6 之间不连接经纱的位置在下层位置 C当提刀 13 提升到满开位置时,运动钩 6 使固定钩 4 上端靠近电磁阀5,压缩弹簧 3,电磁阀 5不给电,固定钩 4 在弹簧3 作用下复位,竖够 6 被固定钩 4 所挂住,经纱的位置在下层位置 D再次进行开口操作时开始阶段,提刀 12 作提升经纱向上运动,提刀 13 作向下运动,复式滑轮 11 吧固定钩4 的一个爪作为支点,完成上升动作位置 E提刀 12 处于满开的位置状态固定钩4 被运动钩 6 提升靠近电磁阀 5, 压缩弹簧 3,电磁阀 5 不给电,弹簧 3 使运动钩 4复位,运动钩 4 挂住运动钩 6,复式滑轮 H 处于高位经纱位于上层经纱位置位置 F第三次开口开始,提刀 12 作向下运动,提刀13 作向上运动,出现电磁阀停止给电的情况时,挂住两个运动钩,此时的复式滑轮在高位,经纱在上层;如果电磁阀给电,因为运动钩 6 和固定钩 4 两者接触固定状态,导致复式滑轮下降经纱处于下降状态实现选针目的依据是开口动作是否完成以及电磁阀通电与否。3.2.2 压电陶瓷式电子提花机经纱提升机构的方案论证设计方案一:图 3-2 提针的工作原理1-壳体 2-电子板 3-弹簧 4-固定钩 5-电磁铁 6-运动钩 7-连接件8-绳索 9-首线 10-固定点 11-滑轮 1213-提刀提刀带动运动钩 5 在导轨中上下运动,不提刀不向压电陶瓷提供电压,运动钩 5 不与固定钩 3 接触,不提升经纱且不形成开口;提刀时,提供+60V 电压给压电陶瓷片 1, 压电陶瓷片向下弯曲且带动杠杆 3 运动,固定钩 3 的位移经过杠杆机构放大而加倍,正常控制时序下运动钩 5 被固定钩 3 准确挂住并保持最高位,形成开口,若接下来不提刀, 则通-60V 电压给压电陶瓷片 1,压电陶瓷片不弯曲,在弹簧 7 作用下杠杆使固定钩 3 下移且不形成开口。设计方案二:运动钩随提刀在导轨上下运动到最高位时,与固定钩接触并被挂住形成开口; 接下来要求不提刀时,通+60V 电压给压电陶瓷使之弯曲,带动杠杆运动,在经过杠杆机构放大后使钢丝向内拉动固定钩,使之同运动钩脱离不形成开口;若下一过程要求提刀, 则通-60V 电压给压电陶瓷片使之不弯曲,这时在弹簧作用下固定钩用运动钩接触,形成开口。1-压电陶瓷2-支点3-杠杆与固定钩4-压电陶瓷底座5-运动钩6-导轨7-弹簧图 3-3 方案一的提针原理比较设计方案:方案一优点:固定钩同杠杆机构结合,使整体机构简单,并且放大倍数相对容易改变,只需改变支点的位置(改变力臂)。缺点:要求杠杆与支点的横向定位较高。方案二优点:和 CX 组件有着类似的结构,拥有简单的结构以及加工时方便。缺点:所需较高的放大倍数,因此会迫使机构的空间增大,这样的话会使得钢丝延长,导致提针误差。经比较,选择方案一。- 19 -图 3-4 方案二的提针原理3.3 压电陶瓷式电子提花机龙头设计本节要完成带轮的选择,步进电机的选择,主轴的校核,轴承寿命的较核。3.3.1 带轮的选择(1) 大带轮的选择要求提刀能在皮带轮转动半周是从最低位置提高到最高位置,考虑到余量取h上 - h下 = 110mmpr = 110mm求得 r=35.03mm,d=2r=70.06mm 选圆弧齿带轮(JB/T 7512.2-1994)带轮外径d 0=70.48mm,节径 d=71.62mm,齿数 45,型号 5M,轮宽代号:15(2) 小带轮的选择由于是单侧提刀,所以对四个小带轮大小的要求不多,但必须保证它们的垂直度。选圆弧齿带轮(JB/T 7512.2-1994)带轮外径d0 = 35.47mm ,节径d = 36.61mm ,齿数 23,型号 5M,轮宽代号:15(3) 皮带的选择圆弧齿(JB/T 7512.1-1994)型号 5M,带宽代号:153.3.2 皮带张紧部分的设计如图 3-5 所示,光轮在螺栓杆的带动下沿侧板槽移动,移动方向始终与皮带垂直, 由于螺栓杆后有弹簧支撑,从而使皮带处于张紧状态。为防止弹簧脱落,在螺栓杆上加工一与弹簧外径相配合的弹簧槽;在横向方向上,带轮一侧加工有轴肩,卡在侧板槽上, 而另一侧有螺母施加一定的力来保证螺栓杆能在弹簧的作用下稳定地顶住皮带。3.3.3 轴的设计与校核(1) 选择轴的材料选择主轴的材料为 45 钢,调质处理。由表 6-1-1 6 查得:s b = 590MPa,s s = 295MPa,s -1 = 255MPa,t -1 = 140MPa(2) 初步定轴端直径取 A=126(按表 6-1-19 6 选取,因轴双向旋转,并启停频繁)T=9550000P/n 9 得P=0.58kW1- 侧板槽2-弹簧3-螺栓杆4-弹簧槽5-光轮6-同步带图 3-5 带轮张紧机构d=A70.58=1263 =12.45mm,虑到键槽削弱,取轴端直径增大 5%7%,600为 15mm。(3) 轴的结构设计选择各轴段配合与表面粗糙度:带轮配合处为H 7 6r6, Ra = 1.6mm轴承处为 f6, Ra = 1.6mm 。带轮的轴向固定,采用轴肩固定,定位轴肩的高度 h 一般取为 h=(0.070.1)d,d 为与零件相配合处的轴的直径。1. 由于轴承受的轴向力较小,径向力较大,所以选用深沟球轴承。2. 轴承座与轴承端盖的总厚度为 13mm,根据对轴承端盖的拆卸和便于 3.加润滑油, 取端盖外端面与带轮的距离为 23mm。轴上带轮的固定,采用普通平键连接,查手册6 b h = 5mm 5mm ,为使带轮与轴有较紧连接,轴和毂为 P9 。用过渡配合来保证滚动轴承的周向定位,选轴公差为 m6 的直径尺寸。(4) 键联接的强度校核这里挑选的平键为 A 型,型号为 GB/T 1096-1979,联结带轮的按键尺寸为b h L = 5 518 。它的主轴是对称的外形,因此可以在校对是测传递扭矩的一端。校核键联接强度时依照的公式为表 5-3-16 6 ,下列为各个参数:键联接传递的转矩 T 为: T = 9550 0.58 600 9.2N m键工作表面的压 p = 2000T dkl = 2000 9.215 2.513 = 37.7 MPa s pp键连接强度通过。(5) 按弯扭合成强度条件计算1. 做出轴的计算简图2. 做出轴的弯矩图3. 做出扭矩图如图 3-6 所示:A查手册,由表 15-37 7 得工作情况系数 K =1.7,故Pd = KA P =1.70.58=0.992Kw带速 nn = pdn= 3.14 70.48 600 =2.21m/s60 100060 1000作用在轴上的力F = 1000Pdrn= 448.9N根据轴的结构图和弯矩图、扭矩图中可以看出截面 A 和截面 B 是轴的危险截面。现将计算出的截面 A 和 B 的 M 和 T 的值列于下表 3-1表 3-1载荷截面 A截面 B支反了力 F448.9N448.9N弯矩 M23341.2Nmm23341.2Nmm扭矩 T15819.2 Nmm15819.2 Nmm图 3-6 强度校核图校核 A,B 面的强度:根据公式7o =W进行计算,其中s 为轴的计算应力,单位MPa ;M 为所受的弯矩,单位为N mm ; T 为所受的扭矩,单位为N mm ;W 为轴的抗弯截面系数,单位为mm3 ;对于圆轴,W 为pd 332 0.1d 3=337.5mm3,对于折合系数a取 0.7,计算s 得:72.87 MPa 。s s 0 102MPa 。3.3.4 轴承的寿命校核承轴受最大的径向力为 Frh计算寿命为 L =6000h 1.求比值= 450N ;机器微震动,轴向力最大为 Fa = 100N ,预计rFa F = 100N 450N = 0.22F依照表格数据 13-6,可知深沟球的轴承最大值是 e=0.44,因此: Far 6000h 所以所选轴承满足要求。3.3.5 步进电机的选择本实验所涉及到的步进电机是一种开环控制元步进电机件,它的作用是为了把电脉冲信号转化成角位移或者是线位移。在未超载的工作情况之下,电机的停止位置以及电机转速均不会因为负载的变化而变化,这两种因素只会受到脉冲信号及脉冲数的影响, 给步进驱动器发送一个脉冲信号,可以使得步进电机按要求转至设定的角度,这就是所谓的步距角,按照设定的固定大小进行旋转。利用特定数量的脉冲数,实现角位移量的精准控制,最终控制脉冲频率的情况下就可以控制电机的加速度以及转速。步进电机的特点:1、步进电机的运动状态不容易受到电源电压波动、电流大小和波形变化、温度等因素的影响,只要这些影响因素的大小不至于引起步进电机“丢步” 就不影响其正常工作;2、步进电机在长期的工作中不会产生积累误差:3.拥有良好的操控性,能够做到随启随停。只要确定了步进电机的步距角、静转距电流三大要素即确定其型号。电机的步距角的大小,由电机的负载精度控制,从电机轴的角度去考量负载的最小分辨率,也就是当量电机应该旋转的角度大小,步距角大小就会小于它。就目前的市场来看,存在的步距角大小是 0.9 度/1.8 度(二、四相电机)、0.36 度/0.72 度(五相电机)、1.5 度/3 度(三相电机)等。一般情况之下,需要首先计算电机的静力距,因为电机的动态力矩是不容易被确定的。参考电机负载,选择出合理的静力距,这里负载分为两种,一个是摩擦负载,另一个是惯性负载。当然,没有单一的惯性负载或摩擦负载的情况发生。在直接启动时,就需要考虑到这两种负载,至于何时考虑哪种负载,则是:加速启动对应惯性负载;恒速运行对应摩擦负载。通常情况下想,摩擦负载是静力距的 1/21/3,静力距的大小确定电机的长度和机座。因为参数的差异,即使是拥有一致静力距的电机,他们的运行特性也会存在差异。参考矩频特性曲线图,可以确定电机电流大小。1. 步距角的选择2. 静力矩的选择步进电机的负载有外力负载(提刀,综线)摩擦负载和惯性负载,电机必须克服这些负载才能正常运动。我们选取静力矩为摩擦负载(包括外力负载)的 3 倍。综线最大能承受1N 力;提刀,同步带的总质量约为1.2kg ,所以克服转距2(116 +1.29.8) 36 10-3 = 0.85N m ,最大静力矩0.85 3 = 2.55N m ,步进电机的最3. 电流的选择采用小电流、大电感和低电压驱动,以适应电机小于 600PS 的工作强度,依上述标准在步进电机资料里选择。为了把单排的提花机龙头可以扩展为多排的提花机龙头,这里选择最大静力矩为step9.8N m 的电动机。这里选择 110BC380C 型号步进电机,相数:3;步距角:0.75。;电流 6A;电压:80300V。图 3-7 步进电机外型图4、压电陶瓷电子提花机控制系统的设计4.1 总体控制框架设计此次论文设计研究中,控制系统需要拥有的四个模块分别是:压电陶瓷片驱动模块、通讯模块、数字显示模块以及提花数据存储模块。下图 4-1 为每一个模块之间的联系。计算机通信模块步进电机驱动压电陶瓷驱动提花组件图 4-1 各模块框图4.2 通信模块4.2.1 硬件电路本控制系统中,上下即位采用串行通信方式、标准通信接口,这样可以将 PC 机和单片机方便的连接起来。本系统利用由美国电子工业协会正式公布的在串行通信应用最广的标准总线 RS-232C。RS-232C 所设置的逻辑电平,相比于通常情况下的微处理器以及单片机均有所差异, 因此实际的使用过程,需要对微处理器的信号进行转换,变成 RS-232C 电平信号。4.2.2 下位机通信程序通信双方要通过一系列的规则,确保完成成功通信,例如:发送的一方必须对所发送的信息进行了解,知道何时发送信息,确定接收方是否接收成功,所收内容是否为发送内容,是否需要重新发送信息,告知接收方的结束方式等等。这种内容被称之为通讯协议。此次论文设计,使用的是软件“握手”的方式。波特率能够体现出串行通讯的速率,这是一个在串 行通讯中意义重大的指标,波特率也可以侧面体现出对传输通信的要求。传输通道频带宽大小和波特率成正相关。通常情况下,异步通信波特率的大小在 50b/s-9600b/s 的范围内。进行异步通信的两方,各自均有独立的时钟源,在确保性价比的情况下尽可能使用高频率时钟,以满足信号的获取。通常情况下的时钟频率会高出比特率 16 或者是 64 倍, 因为频率相等,就会因为一点点的偏差而出现失误。4.3 压电陶瓷片驱动模块因为采用串行方式传送数据,所以把串行数据用 8 位串行移位寄存器 74HC595 变成并行数据,74LS595 有级连功能,将数据一直送到最末端寄存器,最后给一个信号释放所有数据。本设计位 16 针提花机,只需 2 芯片。进行正常操作发送数据发送地址低字节发送地址高字节启动信号发送控制字节停止信号图 4-2 x24256 写操作流程图 4-3 应答信号处理流程图- 29 -调用发送n个字节规定传送字规定传送字节数图 4-4 x24256 数据传输框图4.4.1 硬件介绍(74HC595)压电陶瓷驱动电路的工作原理:当驱动电路收到信号后,信号分两路行进,当信号为“1”时,Q1、Q3 导通,而 Q2、Q4 截止,形成回路,压电陶瓷被驱动;相反,当信号为“0”时,Q2、Q4 导通,Q1、Q3 截止,形成反方向的回路。因此假设信号为“1”时, 陶瓷接到 60V,那么当信号为“0”时,陶瓷接到-60V。所以只要控制单片机输出正确的提花数据,就可以实现选针。图 4-13 中的四个反向二极管起保护作用,防止三极管被反向击穿,因为当给陶瓷片电压后,再到撤消电压时,会形成很大的反向电流,这时电流可以从二极管流出。4.4 数字显示模块4.4.1 硬件介绍(HD7279A)因为本系统同时应用了键盘和数码管,所以选用 HD7279A,它是集两项功能为一体的芯片,并且它占用的接口数少。(1) 主要特性HD7279A 单片机的生产公司是比高公司,该单片机拥有串行接口,自身能够运行八位共阴式数码管,也可以驱动 64 个独立的 LED,是一个具有高性能的显示用智能芯片, 该芯片连接的键盘矩阵可以达到 74 键,仅仅一片 HD7279A 单片机的性能,就可以抵过比 D 显示和键盘接口。该单片机的串行接口设置,极大地方便了其和外界的连接,在和微处理器以及外围电路进行连接时,所用口线少,性价比高,应用范围广。(2) 控制指令和接口时序HD7279A 单片机有两种两种控制指令,分别是带数据指令以及纯指令。1. 纯指令由单片机 HD7279A 发送出来的各类指令中,部分是属于纯指令类型,主要有 A0H(右移指令)、A4H(复位指令)、A1H(左移指令)。这些指令的作用分别是:A4H(复位指令)的功能是控制清除显示器上正在显示的数据,以及控制字符闪烁消隐;芯片完成指令所对应的操作之后,自身会变为和上电时一样的状态。左移指令 A1H 对各位所设置的消隐及闪烁属性不起作用,可以使所有的显示自右向左(从第一位向第八位)移动一位。类似的,右移指令的效果是自左到右移动一位,移至最左一位时为空。2. 附带数据指令这一类附带数据的指令,按差异分出五种(1) 数据下载,译码方式为方式 0指令格式如下图所示:改数据,由二字节组成,且指令构成前半部分,这里的 a2a0 是表示地址,d0d3 表示数据,单片机 HD7279A 接收指令,开始以规则进行译码操作。即:0000:显示 0;1001:显示 91010:显示;1111:显示空白(2) 数据下载同时按照方式 1 进行译码操作类似于前一天指令,差异在于译码的方法不同。具体的译码方式如下:(3) 下载数据但不译码该指令的格式如下:在该指令格式中,a2,a1,a0 为位地址,AG 和DP 为显示数据,分别对应 7 段LED 数码管的各段:当相应的数据位为 1 时,该段点亮,否则,该段不亮实际上,此指令是比较灵活的,设计时可以通过造字形表来显示用户所需的字符(4) 闪烁控制 88H此命令用于控制各个数码管的闪烁属性,d1-d8 分别对应数码管 1-8。在相应的各位中,0 表示闪烁,1 表示不闪烁。开机后的缺省状态为各位均不闪烁。具体指令格式如下:(5) 读键盘数据指令 15H该指令的格式如下:该指令主要用于从 HD7279A 读出当前的按键代码。与其它指令不同的是,此命令的前一个字节 00010101B 为微控制器传送到 HD7279A 的指令,而后一个字节 d0d7 才是 HD7279A 返回的按键代码,该代码的具体范围是 03FH(当无键按下时,为 0xFF)。依照之前所述的信息,可以确定的是,HD7279A 单片机发出的纯指令,其指令宽度为 8BIT,该宽度的意思是发送八个 CLK 脉冲。带有数据的指令,其宽度,也就是需要发送的 CLK 脉冲数量为 16 个。这十六个 CLK 脉冲,前八个由微处理器发送给单片机,用来对键盘数据进行数据获取,而后八个则是代码,用于单片机返回键盘。对该指令进行执行操作时,第九个 CLK 脉冲发出时,单片机的 DATA 端口由上升沿转换成输出状态,发出第十六个脉冲时再变为输入状态,此时开始等待下一个脉冲的到来。下图4-15,示意的是单片机三种指令的接口时序图。4.5 总程序框图图 4-5 总程序框图5. 结论与展望此次论文设计的研究课题是基于陶瓷压电电子提花机的工作原理探究,实验中设计了机械部分和控制部分。本设计的特点有:(1) 采用步进电机代替凸轮作为电子提花机的驱动源;(2) 采用单片机和 PC 机通讯,可以对提花数据进行储存分析,对每个针进行控制。由于种种原因,本设计应有一些缺憾和不足,主要有以下几个部分:(1) 上位机和下位机的通信功能还不强,软硬件的功能有待于进一步改进;(2) 本设计为单排单侧提花机,当根据需要,需要较多提针时,需要扩展为多排。(3) 由于在综线上加有压力传感器,用于检测是否漏针,当针数达到千针以上时, 对传感器的数目要求很大,对于以后需要有更好的办法进行解决。为了解决电子提花机固有的高耗能缺陷,增强电子提花机的工作稳定性,此次研究把压电陶瓷片替代电磁铁作为电子提花机组件内核进行选针控制的工作原理达到保护 环境,节约能源,低成本,高效率的目的压电陶瓷式电子提花机在节能、抗干扰、散热、减振、可靠性等方面将会占有很大的优势,是一种有发展潜力的新型提花装置;由于压电陶瓷的抗干扰能力强,结构小巧,可以应用于高速,所以在未来电子提花机的发展过程中,它将取代电磁铁式电子提花机而成为新一代的电子提花机产品。参考文献1 贾卫靖等.电子提花机的传动原理与测试J.浙江,杭州.20062 李志祥. 电子提花技术与产品开发M.北京:中国纺织出版社,20003 王克清提花机原装造的改造利用J辽东学院,辽宁,丹东 2007.4 ,5274 陈勇,程悦波.单片微型机原理及应用J.高等教育出版社,2014.35 任续津等.低成本电子提花机控制器设计J.浙江大学电气学院,浙江杭州,2012, 19(5)6 胡弘波,沈炜电子提花机控制数据变换及实现J浙江理工大学,浙江,杭州,2003.37 王克毅基于网络的国产电子提花机的开发和应用东华大学纺织学院,2007.38 卢怡. 电子提花机电源大功率全桥软开关变压器设计J.北京:高等教育出版社常熟理工学院,2004.19 褚祥诚,多层压电陶瓷变压器的振动与疲劳J.清华大学,2010.3 10谭浩强,C 程序设计M,北京:清华大学出版社,2017.811杨陈翔宇素行,压电陶瓷直线驱动器的设计与实验研究,北京:清华大学,2010 12许同乐,机械工程测试技术.机械工业出版社,2016.113 曾励,机电一体化系统设计。北京:高等教育出版社,2016.114 诸葛振荣,吴振谦,电子提花机嵌入式控制技术,浙江大学电气工程学院,浙江, 杭州 2002.915 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Design for manufacture Journal of MaterialsProccessing TechnologyJ,.2002 (Vol122):31832118 SaotomeT,YokoiF,KumabeJ. Preeision Internal Threading on Stainless SteelM. Preeision Engineering,Apr 1982:P73-78.附录 1:外文译文注入导电性胶式柔性位移传感器Kenji Kure ,Takefumi Kanda,Koichi Suzumori,Shuichi Wakimoto自然科学技术与研究生院,冈山大学, 3-1-1 对马仲, 冈山大学 700-8530, 日本摘要这篇论文报告了关于具有柔性结构的传感器的制造工序和评定。最近,因为带有柔性结构的福利机器人不断的发展,在发展各种软执行器方面已经有相当大的进展。不过通常,传感器具有高的刚度并且减少软执行器。在这个研究中,一种软的执行器的位移被通过使用一种用电镀导电性胶薄膜制作的柔性位移传感器来检测。当导电胶薄膜产生变形,传感器的电阻也会发生变化, 产生一个可检测的大变形。最初,制作了一种平面位移传感器,并且评估了他的基础特性曲线。之后,制作了一种改进了传感器直线度信号最优化了的波形传感器。最终,在此柔性位移传感器上组成了一个具有柔性表面的微执行机构。通过柔性位移传感器为软执行器构建了一个私服控制系统,论证了其具有很好的刚性。2007 年所有权归 Elsevier B.V.关键词:柔性微执行机构、导电胶注射系统、柔性位移传感器、导电胶、柔性执行器1. 导论近几年,很多研究聚焦于机器人,包括在执行器进行的各种研究。然而,对于应用于柔性执行器的合适的传感器尚未开发出来。通常,位移传感器具有高的刚性,并且当这样的传感器在外部被连接到柔性执行器将会降低执行期的柔性。尽管很多柔性位移传感器据偶低刚性,但是并不具有实际使用价值。这是因为很多像人造肌肉之类的柔性执行器伸长或收缩变形的同时会产生高应变。这会妨碍柔性执行器的精密控制系统的反馈。在此论文中,两种柔性位移传感器被制作并进行了评估。一个是平面型柔性位移传感器。此柔性位移传感器的基本特性曲线经过测量并进行了改进设计,以获得更好的直线度。另一种传感器,被附加在柔性微执行器上,用以测量柔性微执行器的位移。该执行器改称作聪明的柔性位移执行器。2. 柔性位移传感器2.1 原理和制作该柔性位移传感器通过在橡胶上涂覆导电性交的方法制作出来。当导电性胶薄膜发生形变时,它的电阻也会发生变化,是能够测量一个大的形变。该传感器按照如下步骤制作出来。因为导电性胶薄膜在压缩时表现出高线性度。所以,对其施加一个预紧力。由于传感器的量程小于预紧,预紧值等于最大测量范围。然后,涂覆导电性胶,而薄膜用硅酮橡胶覆盖来保护导电性胶薄膜。最后,加载橡胶片上的预应变被去出。2.2 导电性胶的注射在导电性胶薄
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