多机并行多色提花圈绒块毯织造系统研究

发布时间：2016-06-08 22:15

第一章  绪论 

1.1  课题背景与研究意义 
簇绒地毯作为地毯产品的一大分支，其一出现就以其独特的优势，迅速占领了市场，成为了地毯行业的主流。簇绒工艺能很快成功得益于很多因素：首先这是一种快速的生产工艺，与机织地毯相比，其操作技术要求相对较低；其次簇绒嵌入织物底布的只是极少量的绒头纱，在绒头纱越来越贵的情况下，成本优势变得越来越明显；不管是机织地毯还是簇绒地毯其表面特性在很大程度上取决于绒毛中的纤维量，簇绒工艺的速度和其他方面的一些优点不仅能够降低生产成本，甚至还增强了外表面的美感。 如今，簇绒地毯以其高效的生产、丰富的品种及经济性，越发得到人们的青睐。随着生活水平的不断提高，人们对生活和居住环境的要求越来越高，地毯作为室内铺装的重要组成部分，以其舒适、美观逐渐走进千家万户，成为家居生活的必需品，国内市场簇绒地毯需求持续地高涨。 国外对簇绒地毯多色提花技术的研究从很早开始就有所发展，目前常用的多色提花技术大致分为两类。一类是采用选针的方式，主要是利用每根针控制一种颜色的纱线；另一类是采用控制喂纱量的方式，主要是通过低埋绒头让不需要的颜色埋在下面，达到选色效果[3]。但是这两类多色提花技术均有一些不足，第一类提花方式的缺点是遇到换色的地方，就需要先停下来等待进行选针，大大影响了工作效率；第二类提花方式的缺点是使地毯增重，而且这种方式的提花不能完全隐蔽不需要的颜色。 我国在簇绒地毯的研制方面起步较晚，目前簇绒地毯机械在许多技术领域仍落后于国外。我国的簇绒地毯机大多数也还是从国外引进，设备的更新完全依赖国外簇绒技术的发展。近几年国家的大力支持也使得我国的簇绒地毯行业正快速地发展，国内对簇绒地毯装备的需求也越来越大。为了打破高端簇绒地毯织造技术被国外少数地毯制造造商垄断局面，研制出性能稳定和织造效率高的多色提花圈绒块毯织造系统对我国地毯行业的发展具有重要意义。 本文课题来源于国家自然科学基金(51375084)和教育部创新团队发展计划(IRT1220)，将多机并行理念应用在多色提花圈绒块毯织造系统中，以大幅度提升多色提花圈绒块毯的织造效率，同时为探索具有自主知识产权的多色提花技术提供借鉴。 
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1.2  国内外研究现状 
国际上以美国、英国、日本等主导世界簇绒地毯技术先进水平，在技术上各有千秋。在多色提花领域发展了不少簇绒地毯技术，通用的有滑动针床、单针控制和埋绒头技术，比较先进的有 Colortech  技术和 CYP (COMPUTERIZED YARN PLACEMENT)技术[3]。 Colortech 技术为英国 Cobble  公司的专利技术，是一种独特的簇绒控制技术。该机器通常以割绒机为基础，结合单针控制、滑动针床、底基布间歇式喂入进行簇绒，可织出 6  种颜色的地毯图案。该技术为单独控制每一根针，6  根针(或 6  根以下)为一组，分别穿不同  的纱线，可生产仿威尔顿地毯，尤其适合生产电梯毯、广告毯等。生产过程中，针床作横向移动，底基布作间歇式喂入运动。该技术与平割平圈附件组合，可生产多种颜色、圈绒和割绒组合的全幅宽上不重合图案的地毯。 美国 TAPISTRON  公司的 CYP(COMPUTERIZED  YARN  PLACEMENT)技术为与原簇绒机上不同的一项新型地毯织造技术。纱线喂入控制方式较为独特，每一根针(中空针)上有 6  根纱，分别由 6  个喂纱附件控制，当需要某一根纱时，该根纱线喂入，上一根纱线被切断。每一根针对应一把刀。该机器可生产各种类型的地毯，比如：平圈绒地毯、平割绒地毯、圈绒割绒混合地毯、6  种不同颜色的圈绒割绒相混合的地毯等，而且通过计算机设置，在同一块地毯上可织出不同密度、不同形状的地毯，该机器采用的纱架结构占地面积少。 近些年来，Tuftco一直致力于在改进地毯的簇绒方法。这其中包括了iTron  系统专利，这是一项利用空心针技术织造复杂的多色、多花型的的簇绒地毯的技术，并且织造效果和机织地毯非常相像[4]。这项技术可以织造高达 24 种颜色的簇绒地毯，速度远超过机织地毯的织造速度，iTron technology  在 2009 年获得了由美国 Floorcovering Alliance 颁布的年度创新奖。 
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第二章  多机并行多色提花圈绒块毯织造系统方案设计 

多机并行多色提花圈绒块毯织造系统总体方案的提出是该织造系统设计的首要环节。总体方案主要在充分了解织造要求的基础上，根据毯面花纹样式和毯面大小确定织造的适用范围和生产率，进行织造工艺分析，确定织造的方法和形式，绘制织造工艺流程图，并同时进行总体布局、确定技术参数。多机并行多色提花圈绒块毯织造系统总体方案的确定不仅关系到织造的质量，，还是后面确定各功能模块执行机构设计的依据。因此，在拟定总体方案时必须全面考虑，使确定的方案具有较高的技术性和较好的经济性。 

2.1  织造系统总体方案和织造流程 

单针控制和埋绒头技术都有局限性，单针控制效率受限，埋绒头技术不能隐蔽不需要颜色的绒头且地毯偏重。多机并行的思路就是采用多台织机经过多个工步来完成一块地毯的织造，其中每台织机负责一种颜色。这种方案虽然增大了织造系统的占用面积，但是省去了更换不同颜色纱线的时间，提高了生产效率。本文所设计的多机并行多色提花圈绒块毯织造系统包括了如图2-2所示的四个功能模块，分别是底布供给、并行织造系统、成品输出和主传动系统。这四个部分构成了该织造装备的基本组成要素，其功能独立，但是织造过程中各环节又相互配合，缺一不可。其中并行织造系统作为本课题的创新点，也是后面着重研究的内容。

 

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2.2  织造系统底布输送与张紧系统设计 
在整个织造系统中，底布输送与张紧系统是保证底布能进行簇绒织造的前提。织造之前要求底布输送位置准确和底布张紧，其输送的精度和张紧的好坏将直接影响到后面地毯成品的质量。近年来，带式输送机是输送散状物料的常见方案，广泛应用于化工、冶金、矿山、建材、粮食等多个部门[10]。其原理是将一根闭合的环形输送带套在前后两个滚筒上并张紧，其中一个滚筒由电机驱动，依靠输送带和滚筒之间的摩擦力来达到运送物料的目的，如图 2-7 所示。 电动滚筒是一种将电机和减速器共同置于滚筒体内部的新型驱动装置，如图2-8 所示。由于其安装方便，逐渐地替代了带式输送机中由电机、减速器、链轮或带轮加滚筒的传统传动方式。每一个电动滚筒都是独立的电动输送辊子，自带动力和传动系统。电动滚筒一般不能直接使用，需要选择外部的包裹配件，如图2-9 所示。常见的有摩擦传动皮带包胶、塑料模块化皮带包胶、链板式皮带包胶和塑料模组网带链轮四种类型。包胶一般根据使用功能来进行选择，例如加上平滑或带有特殊沟槽的包胶可以增强电动滚筒外管与输送机皮带之间的摩擦，而采用链板式皮带包胶和塑料模组网带链轮都可以实现链传动，从而提高同步性。 
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第三章  多机并行多色提花圈绒块毯织造系统机头设计...........18
3.1  机头总体设计..........18
3.2  气动织枪原理分析..........20
3.3  绒高调节机构设计..........21
3.4.1  机械无级变速传动方案.......21
3.4.2  提花罗拉方案.......22
3.4  纱线剪断机构设计..........24
3.5 本章小结...........25
第四章  多机并行多色提花圈绒块毯织造系统机构分析...........27
4.1  传动轴静力学分析..........27
4.1.1  有限元介绍...........27
4.1.2  传动轴 ANSYS 有限元分析........28
4.2  机械手 ANSYS 有限元分析...........34
4.4  本章小结..........49
第五章  结论与展望.......50
5.1 总结...........50
5.2 展望...........50

第四章  多机并行多色提花圈绒块毯织造系统机构分析 

机构分析的目的在于掌握机构的组成原理、运动性能和动力性能，以便合理地设计机构并充分发挥其效能，为验证和改进设计提供依据[25]。在多机并行多色提花圈绒块毯织造系统中，主要运动机构为多轴机械手。为了确保能够顺利完成地毯织造动作，本章对多轴机械手机构中的关键机构和零件进行分析。 

4.1  传动轴静力学分析

4.1.1  有限元介绍 
有限元分析的基本思想是将一个结构或连续体的求解域离散为若干个子单元，并通过它们边界上的节点相互连接成组合体。本文所设计的多机并行多色提花圈绒块毯织造系统的构件均采用 Solidworks 进行三维建模，ANSYS 与各类三维软件都可以进行数据互换，不管分析结构多么复杂，运用  ANSYS 进行有限元分析都非常方便。 ANSYS 软件是一款功能强大而灵活的大型通用有限元分析软件，提供主要包括结构分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析等分析类型。利用 ANSYS软件进行有限元分析的一般工作流程如图 4-1 所示 [26, 27]：由图 2-17 可知，伺服电机连接传动轴同时驱动两个平行的单轴机械手，传动上所受的力来自运动加速度形成的惯性力。负载带来的扭转力矩必然造成传动轴的变形，利用 ANSYS 分析传动轴在受力作用下的角位移，判断能不能满足刚性要求。 
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总结 

将多机并行理念应用在多色提花圈绒块毯织造系统中，可大幅度提升多色提花圈绒块毯的织造效率，因此，研究设计了多机并行多色提花圈绒块毯织造系统，现对所做工作总结如下。 
（1）  根据多色提花的要求，在多色提花织机中引入多机并行理念，提出了提高织机效率的地毯织造流程；设计了多机并行多色提花圈绒块毯织造系统，包括织造主机、底布输送与张紧系统、伺服滑台、底布存储机构和卷毯机构，该织造系统采用模块化设计，可依据产品颜色要求，增减织造主机。 
（2）  对比传统簇绒机织造原理和织枪簇绒原理，参照气动织枪设计机头部件，所设计的机头质量轻、运动惯量不大，可实现高速运动；设计了绒高调节机构和纱线剪断机构，使机头实现调整簇绒绒高和剪断纱线的功能。 
（3）对多机并行多色提花圈绒块毯织造系统中主要运动机构多轴机械手进行机构分析，主要分析传动轴和导向轴的变形以及共振。结果表明：传动轴在扭转力矩作用下满足刚度要求；织枪的共振频率较低，不会发生共振；刚柔耦合分析得出导向轴的扭转导致织枪针尖运动误差达到 2mm，可通过增加平衡质量来调整质心位置以减少运动误差。
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参考文献(略) 

本文编号：54948