第一章  緒論 

1.1  課題背景與研究意義 
簇絨地毯作為地毯產(chǎn)品的一大分支，其一出現(xiàn)就以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)，成為了地毯行業(yè)的主流。簇絨工藝能很快成功得益于很多因素：首先這是一種快速的生產(chǎn)工藝，與機(jī)織地毯相比，其操作技術(shù)要求相對(duì)較低；其次簇絨嵌入織物底布的只是極少量的絨頭紗，在絨頭紗越來(lái)越貴的情況下，成本優(yōu)勢(shì)變得越來(lái)越明顯；不管是機(jī)織地毯還是簇絨地毯其表面特性在很大程度上取決于絨毛中的纖維量，簇絨工藝的速度和其他方面的一些優(yōu)點(diǎn)不僅能夠降低生產(chǎn)成本，甚至還增強(qiáng)了外表面的美感。 如今，簇絨地毯以其高效的生產(chǎn)、豐富的品種及經(jīng)濟(jì)性，越發(fā)得到人們的青睞。隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活和居住環(huán)境的要求越來(lái)越高，地毯作為室內(nèi)鋪裝的重要組成部分，以其舒適、美觀逐漸走進(jìn)千家萬(wàn)戶，成為家居生活的必需品，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)簇絨地毯需求持續(xù)地高漲。 國(guó)外對(duì)簇絨地毯多色提花技術(shù)的研究從很早開(kāi)始就有所發(fā)展，目前常用的多色提花技術(shù)大致分為兩類。一類是采用選針的方式，主要是利用每根針控制一種顏色的紗線；另一類是采用控制喂紗量的方式，主要是通過(guò)低埋絨頭讓不需要的顏色埋在下面，達(dá)到選色效果[3]。但是這兩類多色提花技術(shù)均有一些不足，第一類提花方式的缺點(diǎn)是遇到換色的地方，就需要先停下來(lái)等待進(jìn)行選針，大大影響了工作效率；第二類提花方式的缺點(diǎn)是使地毯增重，而且這種方式的提花不能完全隱蔽不需要的顏色。 我國(guó)在簇絨地毯的研制方面起步較晚，目前簇絨地毯機(jī)械在許多技術(shù)領(lǐng)域仍落后于國(guó)外。我國(guó)的簇絨地毯機(jī)大多數(shù)也還是從國(guó)外引進(jìn)，設(shè)備的更新完全依賴國(guó)外簇絨技術(shù)的發(fā)展。近幾年國(guó)家的大力支持也使得我國(guó)的簇絨地毯行業(yè)正快速地發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)簇絨地毯裝備的需求也越來(lái)越大。為了打破高端簇絨地毯織造技術(shù)被國(guó)外少數(shù)地毯制造造商壟斷局面，研制出性能穩(wěn)定和織造效率高的多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)對(duì)我國(guó)地毯行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。 本文課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金(51375084)和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1220)，將多機(jī)并行理念應(yīng)用在多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)中，以大幅度提升多色提花圈絨塊毯的織造效率，同時(shí)為探索具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多色提花技術(shù)提供借鑒。 
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1.2  國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
國(guó)際上以美國(guó)、英國(guó)、日本等主導(dǎo)世界簇絨地毯技術(shù)先進(jìn)水平，在技術(shù)上各有千秋。在多色提花領(lǐng)域發(fā)展了不少簇絨地毯技術(shù)，通用的有滑動(dòng)針床、單針控制和埋絨頭技術(shù)，比較先進(jìn)的有 Colortech  技術(shù)和 CYP (COMPUTERIZED YARN PLACEMENT)技術(shù)[3]。 Colortech 技術(shù)為英國(guó) Cobble  公司的專利技術(shù)，是一種獨(dú)特的簇絨控制技術(shù)。該機(jī)器通常以割絨機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合單針控制、滑動(dòng)針床、底基布間歇式喂入進(jìn)行簇絨，可織出 6  種顏色的地毯圖案。該技術(shù)為單獨(dú)控制每一根針，6  根針(或 6  根以下)為一組，分別穿不同  的紗線，可生產(chǎn)仿威爾頓地毯，尤其適合生產(chǎn)電梯毯、廣告毯等。生產(chǎn)過(guò)程中，針床作橫向移動(dòng)，底基布作間歇式喂入運(yùn)動(dòng)。該技術(shù)與平割平圈附件組合，可生產(chǎn)多種顏色、圈絨和割絨組合的全幅寬上不重合圖案的地毯。 美國(guó) TAPISTRON  公司的 CYP(COMPUTERIZED  YARN  PLACEMENT)技術(shù)為與原簇絨機(jī)上不同的一項(xiàng)新型地毯織造技術(shù)。紗線喂入控制方式較為獨(dú)特，每一根針(中空針)上有 6  根紗，分別由 6  個(gè)喂紗附件控制，當(dāng)需要某一根紗時(shí)，該根紗線喂入，上一根紗線被切斷。每一根針對(duì)應(yīng)一把刀。該機(jī)器可生產(chǎn)各種類型的地毯，比如：平圈絨地毯、平割絨地毯、圈絨割絨混合地毯、6  種不同顏色的圈絨割絨相混合的地毯等，而且通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)置，在同一塊地毯上可織出不同密度、不同形狀的地毯，該機(jī)器采用的紗架結(jié)構(gòu)占地面積少。 近些年來(lái)，Tuftco一直致力于在改進(jìn)地毯的簇絨方法。這其中包括了iTron  系統(tǒng)專利，這是一項(xiàng)利用空心針技術(shù)織造復(fù)雜的多色、多花型的的簇絨地毯的技術(shù)，并且織造效果和機(jī)織地毯非常相像[4]。這項(xiàng)技術(shù)可以織造高達(dá) 24 種顏色的簇絨地毯，速度遠(yuǎn)超過(guò)機(jī)織地毯的織造速度，iTron technology  在 2009 年獲得了由美國(guó) Floorcovering Alliance 頒布的年度創(chuàng)新獎(jiǎng)。 
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第二章  多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 

多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)總體方案的提出是該織造系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)�？傮w方案主要在充分了解織造要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)毯面花紋樣式和毯面大小確定織造的適用范圍和生產(chǎn)率，進(jìn)行織造工藝分析，確定織造的方法和形式，繪制織造工藝流程圖，并同時(shí)進(jìn)行總體布局、確定技術(shù)參數(shù)。多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)總體方案的確定不僅關(guān)系到織造的質(zhì)量，，還是后面確定各功能模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此，在擬定總體方案時(shí)必須全面考慮，使確定的方案具有較高的技術(shù)性和較好的經(jīng)濟(jì)性。 

2.1  織造系統(tǒng)總體方案和織造流程 

單針控制和埋絨頭技術(shù)都有局限性，單針控制效率受限，埋絨頭技術(shù)不能隱蔽不需要顏色的絨頭且地毯偏重。多機(jī)并行的思路就是采用多臺(tái)織機(jī)經(jīng)過(guò)多個(gè)工步來(lái)完成一塊地毯的織造，其中每臺(tái)織機(jī)負(fù)責(zé)一種顏色。這種方案雖然增大了織造系統(tǒng)的占用面積，但是省去了更換不同顏色紗線的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。本文所設(shè)計(jì)的多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)包括了如圖2-2所示的四個(gè)功能模塊，分別是底布供給、并行織造系統(tǒng)、成品輸出和主傳動(dòng)系統(tǒng)。這四個(gè)部分構(gòu)成了該織造裝備的基本組成要素，其功能獨(dú)立，但是織造過(guò)程中各環(huán)節(jié)又相互配合，缺一不可。其中并行織造系統(tǒng)作為本課題的創(chuàng)新點(diǎn)，也是后面著重研究的內(nèi)容。

 

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2.2  織造系統(tǒng)底布輸送與張緊系統(tǒng)設(shè)計(jì) 
在整個(gè)織造系統(tǒng)中，底布輸送與張緊系統(tǒng)是保證底布能進(jìn)行簇絨織造的前提�？椩熘耙蟮撞驾斔臀恢脺�(zhǔn)確和底布張緊，其輸送的精度和張緊的好壞將直接影響到后面地毯成品的質(zhì)量。近年來(lái)，帶式輸送機(jī)是輸送散狀物料的常見(jiàn)方案，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、礦山、建材、糧食等多個(gè)部門(mén)[10]。其原理是將一根閉合的環(huán)形輸送帶套在前后兩個(gè)滾筒上并張緊，其中一個(gè)滾筒由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，依靠輸送帶和滾筒之間的摩擦力來(lái)達(dá)到運(yùn)送物料的目的，如圖 2-7 所示。 電動(dòng)滾筒是一種將電機(jī)和減速器共同置于滾筒體內(nèi)部的新型驅(qū)動(dòng)裝置，如圖2-8 所示。由于其安裝方便，逐漸地替代了帶式輸送機(jī)中由電機(jī)、減速器、鏈輪或帶輪加滾筒的傳統(tǒng)傳動(dòng)方式。每一個(gè)電動(dòng)滾筒都是獨(dú)立的電動(dòng)輸送輥?zhàn)�，自帶�?dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)滾筒一般不能直接使用，需要選擇外部的包裹配件，如圖2-9 所示。常見(jiàn)的有摩擦傳動(dòng)皮帶包膠、塑料模塊化皮帶包膠、鏈板式皮帶包膠和塑料模組網(wǎng)帶鏈輪四種類型。包膠一般根據(jù)使用功能來(lái)進(jìn)行選擇，例如加上平滑或帶有特殊溝槽的包膠可以增強(qiáng)電動(dòng)滾筒外管與輸送機(jī)皮帶之間的摩擦，而采用鏈板式皮帶包膠和塑料模組網(wǎng)帶鏈輪都可以實(shí)現(xiàn)鏈傳動(dòng)，從而提高同步性。 
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第三章  多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)機(jī)頭設(shè)計(jì)...........18
3.1  機(jī)頭總體設(shè)計(jì)..........18
3.2  氣動(dòng)織槍原理分析..........20
3.3  絨高調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)..........21
3.4.1  機(jī)械無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)方案.......21
3.4.2  提花羅拉方案.......22
3.4  紗線剪斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)..........24
3.5 本章小結(jié)...........25
第四章  多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)機(jī)構(gòu)分析...........27
4.1  傳動(dòng)軸靜力學(xué)分析..........27
4.1.1  有限元介紹...........27
4.1.2  傳動(dòng)軸 ANSYS 有限元分析........28
4.2  機(jī)械手 ANSYS 有限元分析...........34
4.4  本章小結(jié)..........49
第五章  結(jié)論與展望.......50
5.1 總結(jié)...........50
5.2 展望...........50

第四章  多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)機(jī)構(gòu)分析 

機(jī)構(gòu)分析的目的在于掌握機(jī)構(gòu)的組成原理、運(yùn)動(dòng)性能和動(dòng)力性能，以便合理地設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)并充分發(fā)揮其效能，為驗(yàn)證和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)[25]。在多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)中，主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為多軸機(jī)械手。為了確保能夠順利完成地毯織造動(dòng)作，本章對(duì)多軸機(jī)械手機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)和零件進(jìn)行分析。 

4.1  傳動(dòng)軸靜力學(xué)分析

4.1.1  有限元介紹 
有限元分析的基本思想是將一個(gè)結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散為若干個(gè)子單元，并通過(guò)它們邊界上的節(jié)點(diǎn)相互連接成組合體。本文所設(shè)計(jì)的多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)的構(gòu)件均采用 Solidworks 進(jìn)行三維建模，ANSYS 與各類三維軟件都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)互換，不管分析結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，運(yùn)用  ANSYS 進(jìn)行有限元分析都非常方便。 ANSYS 軟件是一款功能強(qiáng)大而靈活的大型通用有限元分析軟件，提供主要包括結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析等分析類型。利用 ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析的一般工作流程如圖 4-1 所示 [26, 27]：由圖 2-17 可知，伺服電機(jī)連接傳動(dòng)軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)平行的單軸機(jī)械手，傳動(dòng)上所受的力來(lái)自運(yùn)動(dòng)加速度形成的慣性力。負(fù)載帶來(lái)的扭轉(zhuǎn)力矩必然造成傳動(dòng)軸的變形，利用 ANSYS 分析傳動(dòng)軸在受力作用下的角位移，判斷能不能滿足剛性要求。 
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總結(jié) 

將多機(jī)并行理念應(yīng)用在多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)中，可大幅度提升多色提花圈絨塊毯的織造效率，因此，研究設(shè)計(jì)了多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)，現(xiàn)對(duì)所做工作總結(jié)如下。 
（1）  根據(jù)多色提花的要求，在多色提花織機(jī)中引入多機(jī)并行理念，提出了提高織機(jī)效率的地毯織造流程；設(shè)計(jì)了多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)，包括織造主機(jī)、底布輸送與張緊系統(tǒng)、伺服滑臺(tái)、底布存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)和卷毯機(jī)構(gòu)，該織造系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可依據(jù)產(chǎn)品顏色要求，增減織造主機(jī)。 
（2）  對(duì)比傳統(tǒng)簇絨機(jī)織造原理和織槍簇絨原理，參照氣動(dòng)織槍設(shè)計(jì)機(jī)頭部件，所設(shè)計(jì)的機(jī)頭質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)慣量不大，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)；設(shè)計(jì)了絨高調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和紗線剪斷機(jī)構(gòu)，使機(jī)頭實(shí)現(xiàn)調(diào)整簇絨絨高和剪斷紗線的功能。 
（3）對(duì)多機(jī)并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)中主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)多軸機(jī)械手進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，主要分析傳動(dòng)軸和導(dǎo)向軸的變形以及共振。結(jié)果表明：傳動(dòng)軸在扭轉(zhuǎn)力矩作用下滿足剛度要求；織槍的共振頻率較低，不會(huì)發(fā)生共振；剛?cè)狁詈戏治龅贸鰧?dǎo)向軸的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致織槍針尖運(yùn)動(dòng)誤差達(dá)到 2mm，可通過(guò)增加平衡質(zhì)量來(lái)調(diào)整質(zhì)心位置以減少運(yùn)動(dòng)誤差。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號(hào)：54948