第一章  緒論 

1.1  課題研究背景及意義 
伴隨著紡織工業(yè)的蓬勃發(fā)展，作為紡織工業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，我國(guó)紡織機(jī)械行業(yè)也取得了巨大的進(jìn)步。至 2010 年，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的紡織機(jī)械制造國(guó)[1]，中國(guó)的紡機(jī)行業(yè)是世界紡機(jī)領(lǐng)域不可或缺的重要部分，更是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。內(nèi)需持續(xù)穩(wěn)定擴(kuò)大也為行業(yè)發(fā)展提供了良好市場(chǎng)條件和廣闊發(fā)展空間；其在全球紡織產(chǎn)業(yè)格局中發(fā)揮著不可替代的作用，體現(xiàn)了中國(guó)紡織品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，國(guó)際新興市場(chǎng)紡織品服裝需求量也在不斷增長(zhǎng)，為拓展多元化出口市場(chǎng)、穩(wěn)定以及提升國(guó)際市場(chǎng)份額提供了良好機(jī)會(huì)[2]。目前，紡織工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級(jí)正在不斷提速，將進(jìn)一步加快推進(jìn)技術(shù)改造和淘汰落后產(chǎn)能。 織機(jī)作為現(xiàn)代紡織機(jī)械的一大種類，是集光、機(jī)、電、液、氣等技術(shù)于一體的系統(tǒng)，織機(jī)的作用是將紗線織成布匹，其出布的速度、質(zhì)量是織機(jī)的主要評(píng)價(jià)因素。隨著近年人們對(duì)紡織品要求的提高，高速高性能織機(jī)成為世界紡織機(jī)械工業(yè)強(qiáng)國(guó)的重要發(fā)展對(duì)象。 織布生產(chǎn)技術(shù)有著悠久的歷史，根據(jù)其發(fā)展過程可分為：原始手工織布、手工急切織布、普通織機(jī)織布、自動(dòng)織機(jī)織布和無(wú)梭織機(jī)織造五個(gè)階段[3]。根據(jù)其引緯方式的特點(diǎn)，把采用傳統(tǒng)的梭子作載緯器來引緯的普通織機(jī)、自動(dòng)織機(jī)和手工織機(jī)這三種織機(jī)劃分為有梭織機(jī)。有梭織機(jī)因其特殊的引緯方式具有以下特征：梭口尺寸要設(shè)計(jì)的特別大，以此來避免梭子進(jìn)出梭口時(shí)與經(jīng)紗產(chǎn)生過度的摩擦和擠壓而破損經(jīng)紗；即使在較低織機(jī)轉(zhuǎn)速和引緯率的情況下，由于梭子的加速和減速兩個(gè)過程都特別激烈，對(duì)織機(jī)的零部件的磨損較大，且機(jī)器震動(dòng)不穩(wěn)定噪聲高達(dá) 100-105DB，工人的勞動(dòng)環(huán)境較差且勞動(dòng)強(qiáng)度大。有梭織機(jī)的這些缺點(diǎn)極大限制了織機(jī)轉(zhuǎn)速和入緯率的進(jìn)一步提高。從 20 世紀(jì)初開始，人們提出了一種新型引緯方法：由引緯器直接從固定筒子上將緯紗引入梭口，以此來克服梭子引緯的缺陷。無(wú)梭織機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)、片梭織機(jī)等無(wú)梭織機(jī)的開發(fā)應(yīng)用，使紡織工業(yè)產(chǎn)量跨上了一個(gè)新臺(tái)階，其中普及型無(wú)梭織機(jī)因其價(jià)格便宜更是深受中小型紡織企業(yè)的青睞，但普及型無(wú)梭織機(jī)在織造過程中由于引緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖 1.1 和圖 1.2 所示布邊均為毛邊，不能像有梭織機(jī)一樣在引緯過程中形成自然緯紗折入布邊，影響了布匹質(zhì)量，如若有光邊要求時(shí)還需進(jìn)行裁剪、折邊、縫紉等后處理工序，不但費(fèi)工費(fèi)時(shí)還浪費(fèi)了大量的原材料，大大加大了紡織企業(yè)的生產(chǎn)成本[4-6]。 
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1.2  國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
在“十二五”規(guī)劃的指導(dǎo)和指引下，我國(guó)紡織行業(yè)正在從推進(jìn)高新技術(shù)纖維產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)產(chǎn)品功能、性能創(chuàng)新，提升質(zhì)量檔次，提高裝備自主化水平，大力推進(jìn)節(jié)能減排等方面著手提速產(chǎn)業(yè)升級(jí)的步伐。目前，國(guó)內(nèi)紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究開發(fā)中心等不斷增多，積極投身于紡織工程研發(fā)技術(shù)的專家學(xué)者和研究人員的比例不斷擴(kuò)大，這將使紡織產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)一步提速；歐美如德國(guó)、意大利、英國(guó)、瑞士、比利時(shí)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家以及日本等織機(jī)生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)對(duì)織機(jī)系統(tǒng)特別是對(duì)無(wú)梭織機(jī)的毛邊處理進(jìn)行了長(zhǎng)期的基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)研究，形成了大量專利技術(shù)產(chǎn)品，，并且還在進(jìn)行深入研究，而我國(guó)在這方面基礎(chǔ)理論研究與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相差較大，具有世界級(jí)水平的理論研究、專利技術(shù)和產(chǎn)品極少[17-19]。 目前我國(guó)著名的無(wú)梭織機(jī)生產(chǎn)廠家主要有浙江省新昌鶴群有限公司，山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司，常熟紡織機(jī)械有限公司，青島天一集團(tuán)紅旗紡織機(jī)械有限公司，張家港市第五紡織機(jī)械廠[20]。 常熟紡織機(jī)械有限公司的汪建明等人在 2003 年設(shè)計(jì)了一種純機(jī)械式的折入邊裝置[12]。該折入邊裝置為一種共軛凸輪式折入邊裝置。由于其特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在一定程度上改善了機(jī)械式折入邊裝置的穩(wěn)定性，有效提高了鉤針鉤入緯紗端頭動(dòng)作的成功率、降低引緯失誤率。 青島天一集團(tuán)紅旗紡織機(jī)械有限公司的邱智杰和李帥等人在 2012 年設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)與機(jī)械混合式折入邊裝置[14]。如圖 1.4 所示，機(jī)械部分采用了共軛凸輪式設(shè)計(jì)來控制鉤針按時(shí)進(jìn)入織口，將緯紗端頭折入織口；氣動(dòng)部分，當(dāng)緯紗進(jìn)入織口時(shí)，上噴嘴噴射氣流將緯紗端頭吹入導(dǎo)氣孔中，當(dāng)鉤針運(yùn)動(dòng)到上下噴嘴之間時(shí)將緯紗端頭帶入織口實(shí)現(xiàn)一次折邊。該折入邊裝置能較好的將 12~17mm 的長(zhǎng)度的緯紗紗頭折入織口內(nèi)達(dá)到光邊效果。 
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第二章  純氣動(dòng)折邊裝置設(shè)計(jì)方案 

2.1  純氣動(dòng)折邊裝置的工作原理及相關(guān)織機(jī)機(jī)構(gòu)

無(wú)梭織機(jī)出現(xiàn)后，其單向引緯導(dǎo)致緯紗在布邊處不連續(xù)形成毛邊，為鎖住織物布邊達(dá)到光邊的要求，各類鎖邊裝置應(yīng)運(yùn)而生。鎖邊裝置在在無(wú)梭織機(jī)機(jī)構(gòu)分類中屬于輔助機(jī)構(gòu)中的織邊機(jī)構(gòu)，輔助機(jī)構(gòu)雖然不直接參與形成織物，但想要達(dá)到光邊要求每臺(tái)無(wú)梭織機(jī)必須配備一套鎖邊裝置。故只有有效調(diào)節(jié)好鎖邊裝置與主要機(jī)構(gòu)的配合才能提高織物的產(chǎn)量和質(zhì)量水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[25]。 因無(wú)梭織機(jī)機(jī)構(gòu)的特殊性，折入邊裝置廣泛應(yīng)用于片梭織機(jī)、劍桿織機(jī)和噴氣織機(jī)上。純氣動(dòng)折邊裝置因革除了機(jī)械鉗口和鉤針部件，在織造時(shí)不僅在布邊鎖邊過程中省去了假邊解決了織機(jī)產(chǎn)生的回絲問題，還避免了因?yàn)闄C(jī)構(gòu)磨損而不適宜高速引緯[8]。 純氣動(dòng)折入裝置作原理如下：在無(wú)梭織機(jī)開始織造前預(yù)先通過調(diào)壓閥調(diào)好各個(gè)氣路的壓縮氣流壓力。織機(jī)開始引緯后，在布幅引供緯側(cè)，在電剪刀剪斷緯紗時(shí)相應(yīng)的電磁閥開啟，通過握持氣流將緯紗紗端握持��；當(dāng)織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)該電磁閥關(guān)閉，與此同時(shí)控制其他流道的兩個(gè)電磁閥開啟，通過斜吹氣流和折入氣流的協(xié)同作用將緯紗末頭吹入梭口，隨后來引入的緯紗一同打入織口，完成一次折邊織造；如此往復(fù)即可形成光邊效果[26]。 折入邊的特點(diǎn)是可以織出與有梭織機(jī)相似的光邊，緯紗回絲率較低，而且布邊的經(jīng)紗可以和布身相同。然而，折入邊會(huì)增加布邊處的緯紗密度，會(huì)使布邊厚度增加，可能導(dǎo)致布邊變硬，染整時(shí)產(chǎn)生布邊與布身的色差和裁剪困難.

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2.2  純氣動(dòng)折邊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在為期一年的研發(fā)過程中，純氣動(dòng)折邊裝置的設(shè)計(jì)方案經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了很大的改善，達(dá)到了更短的緯紗紗頭也能平穩(wěn)的折入梭口以達(dá)到光邊效果。 對(duì)比分析市場(chǎng)上現(xiàn)有的氣動(dòng)和機(jī)械混合式毛邊折入裝置，第一輪設(shè)計(jì)方案如圖 2.3 所示。純氣動(dòng)毛邊裝置的第一輪設(shè)計(jì)方案基本可以滿足對(duì)毛邊折入的要求，在此設(shè)計(jì)方案中緯紗斜吹孔噴射氣流方向朝向織口且與水平面成 45°交角�？紤]到要與標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)接口連接和各氣流入口空間布局的問題該裝置設(shè)計(jì)厚度為 15mm，但當(dāng)緯紗毛邊長(zhǎng)度小于 15mm 時(shí)，由于裝置本身厚度較大的缺陷，其毛邊折入的效果并不理想。此外該設(shè)計(jì)方案中此裝置需要通過配套的機(jī)構(gòu)使其做往復(fù)運(yùn)動(dòng)不適合織機(jī)轉(zhuǎn)速高速發(fā)展的要求，且難以在現(xiàn)有的無(wú)梭織機(jī)上自適應(yīng)安裝，所以從提高無(wú)梭織機(jī)織造效率和改造成本上考慮純氣動(dòng)折邊裝置需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化。 汲取純氣動(dòng)折邊裝置第一輪的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，第二輪設(shè)計(jì)方案為達(dá)到在現(xiàn)有無(wú)梭織機(jī)上自適應(yīng)安裝的要求，純氣動(dòng)折邊裝置不再采用往復(fù)式的運(yùn)動(dòng)方式，通過在裝置上開設(shè)相應(yīng)的Y 型導(dǎo)紗口以供引緯器穿過，使其可以固定安裝在織機(jī)上。如圖 2.4 所示第二輪設(shè)計(jì)方案中緯紗斜吹孔開設(shè)在 Y 型導(dǎo)紗口窄口側(cè)的末端，斜吹氣流朝 Y 型導(dǎo)紗口開口且與水平面成45°交角方向噴射。此設(shè)計(jì)方案中純氣動(dòng)折邊裝置的厚度為 10mm，在理論上尺寸大小上基本能實(shí)現(xiàn)短毛邊（10-13mm）的光邊效果。但在數(shù)值模擬仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)此設(shè)計(jì)方案無(wú)論怎么改變下握持孔流道與斜吹孔流道之間的距離，斜吹氣流和折入氣流協(xié)同作用所形成的流場(chǎng)都無(wú)法滿足將緯紗紗端平穩(wěn)地吹入布幅梭口的要求，故該裝置在結(jié)構(gòu)布局上還需要進(jìn)一步優(yōu)化。 
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第三章  純氣動(dòng)折邊裝置流場(chǎng)分析及研究 ............ 15 
3.1  純氣動(dòng)折邊裝置流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 ...... 15 
3.1.1  空氣流動(dòng)的一般特性 ........... 15 
3.1.2  氣體動(dòng)力學(xué)基本控制方程 ............ 16 
3.1.3  湍流控制方程 ..... 18 
3.2  純氣動(dòng)折邊裝置離散建模 ..... 20 
3.2.1  流場(chǎng)三維建模 ..... 20 
3.2.2  流場(chǎng)網(wǎng)格劃分 ..... 22 
3.2.3  流場(chǎng)邊界條件設(shè)置 ...... 24 
3.3  數(shù)值模擬結(jié)果與分析 .... 24 
3.4  本章小結(jié) ...... 32 
第四章  基于 PLC 的純氣動(dòng)折邊裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .... 33 
4.1  純氣動(dòng)折邊裝置的控制要求 .......... 33
4.2  純氣動(dòng)折邊裝置的控制元件及 PLC 選型 ....... 35
4.3 I/O 通道分配及 I/O 接線圖 .... 40 
4.4  利用 NP-Designer 編寫人機(jī)交互界面 .... 41
4.5  利用 CX-Programme 編寫主控制程序 .... 47
4.6  本章小結(jié) ...... 54 
第五章  純氣動(dòng)折邊裝置的試驗(yàn)研究 ........... 55
5.1  試驗(yàn)平臺(tái)搭建 ....... 55 
5.2  純氣動(dòng)折入邊裝置加工 ......... 56 
5.3  純氣動(dòng)折入邊裝置應(yīng)用試驗(yàn)研究 ........... 58
5.4  本章小結(jié) ...... 64 

第五章  純氣動(dòng)折邊裝置的試驗(yàn)研究 

5.1  試驗(yàn)平臺(tái)搭建
通過對(duì)不同折入孔結(jié)構(gòu)折邊裝置的折入效果對(duì)比分析、不同長(zhǎng)度紗線的折入效果對(duì)比分析和不同抗彎剛度紗線的折入效果對(duì)比分析三個(gè)試驗(yàn)研究來驗(yàn)證純氣動(dòng)折邊裝置的折入效果。由于條件所限，我們無(wú)法做到電剪刀和探緯器檢測(cè)，故在試驗(yàn)研究中不做考慮。在實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，搭建了一個(gè)具有塑料薄片布幅梭口模擬裝置的簡(jiǎn)易試驗(yàn)平臺(tái)來模擬純氣動(dòng)折邊裝置對(duì)單根緯紗末端的折入。試驗(yàn)平臺(tái)主要包括空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、調(diào)壓閥、電磁閥、純氣動(dòng)折邊裝置、PLC、觸摸屏和塑料導(dǎo)氣軟管等。 如圖 5.1 所示為試驗(yàn)裝置示意圖，從空壓機(jī)出來的壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，然后經(jīng)過三個(gè)流道分別通過調(diào)壓閥和電磁閥進(jìn)入純氣動(dòng)毛邊折入裝置。其中 MHJ10-S-2，5-QS-6-HF快速切換電磁閥的開與閉由型號(hào)為 CP1H-XA40DT-D 的歐姆龍 PLC 控制。每次試驗(yàn)之前，通過調(diào)壓閥分別將純氣動(dòng)折邊裝置中握持孔入口壓力設(shè)定為 0.18  MP、斜吹孔入口壓力為0.25 MP 和折入孔的入口壓力為 0.35 MP，最后待流量穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)。如圖 5.2 為試驗(yàn)裝置實(shí)物圖。
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總結(jié) 

隨著國(guó)內(nèi)外紡織機(jī)械的高速發(fā)展，對(duì)紡織機(jī)械產(chǎn)品的自動(dòng)化程度要求也在不斷提高，為適應(yīng)這一發(fā)展需求本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了可用于高速無(wú)梭織機(jī)鎖邊的純氣動(dòng)折邊裝置。本文基于折邊裝置的原理設(shè)計(jì)了純氣動(dòng)折邊裝置，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬軟件 ANSYS14.0 模擬分析了不同折入孔位置對(duì)純氣動(dòng)毛邊折入裝置流場(chǎng)的影響，基于歐姆龍 PLC 和觸摸屏實(shí)現(xiàn)了純氣動(dòng)折邊裝置的自動(dòng)控制和人機(jī)交互，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證純氣動(dòng)折邊裝置結(jié)構(gòu)的合理性及其折入效果。具體成果如下： 
（1）基于純氣動(dòng)折邊裝置的工作原理，設(shè)計(jì)了可用于 8mm 以下毛邊長(zhǎng)度折入的純氣動(dòng)折邊裝置的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用三維實(shí)體造型軟件 UG，構(gòu)建了純氣動(dòng)折邊裝置的三維模型。 
（2）運(yùn)用有限元數(shù)值模擬軟件 ANSYS14.0，采用雷諾平均方程和 RNGk 湍流模型，選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分流道計(jì)算區(qū)域，運(yùn)用 SIMPLE 算法對(duì)純氣動(dòng)折邊裝置流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了不同折入孔位置對(duì)純氣動(dòng)毛邊折入裝置流場(chǎng)的影響。對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究得出如下結(jié)論：折入孔位置的改變主要影響幾股超音速紊流射流間的相互引射作用，以此來改變流場(chǎng)的穩(wěn)定性，同時(shí)影響純氣動(dòng)折邊裝置對(duì)緯紗末端的折入效果。f 過大、e 過大或過小和 d 過小都會(huì)增強(qiáng)幾股平行超音速紊流射流相互引射的作用破壞流場(chǎng)的穩(wěn)定性，而 f 過小或 d 過大則會(huì)導(dǎo)致上下兩折入孔組附近相對(duì)高速的流場(chǎng)區(qū)域太小不易于緯紗末端的折入。綜合對(duì)比分析七種不同結(jié)構(gòu)的純氣動(dòng)折邊裝置得到合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：上下兩折入孔組間距為 3 mm，各折入孔組中兩折入孔間距為 3 mm，上下兩折入孔組與 Y 型導(dǎo)紗口底部間距為 7.5 mm。 
（3）以型號(hào)為 CP1H-XA40DT-D 的歐姆龍 PLC 和型號(hào)為 NP5-MQ001B 的歐姆龍觸摸屏為純氣動(dòng)折邊裝置的控制核心，根據(jù)全自動(dòng)控制和單周期控制要求設(shè)計(jì)合理的梯形圖程序來實(shí)現(xiàn)純氣動(dòng)折邊裝置的自動(dòng)控制和人機(jī)交互。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：80145