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)就以其獨特的優(yōu)勢，迅速占領(lǐng)了市場，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，與機織地毯相比，其操作技術(shù)要求相對較低；其次簇絨嵌入織物底布的只是極少量的絨頭紗，在絨頭紗越來越貴的情況下，成本優(yōu)勢變得越來越明顯；不管是機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)點不僅能夠降低生產(chǎn)成本，甚至還增強了外表面的美感。 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，人們對生活和居住環(huán)境的要求越來越高，地毯作為室內(nèi)鋪裝的重要組成部分，以其舒適、美觀逐漸走進千家萬戶，成為家居生活的必需品，國內(nèi)市場簇絨地毯需求持續(xù)地高漲。 國外對簇絨地毯多色提花技術(shù)的研究從很早開始就有所發(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，主要是通過低埋絨頭讓不需要的顏色埋在下面，達到選色效果[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是遇到換色的地方，就需要先停下來等待進行選針，大大影響了工作效率；第二類提花方式的缺點是使地毯增重，而且這種方式的提花不能完全隱蔽不需要的顏色。 我國在簇絨地毯的研制方面起步較晚，目前簇絨地毯機械在許多技術(shù)領(lǐng)域仍落后于國外。我國的簇絨地毯機大多數(shù)也還是從國外引進，設(shè)備的更新完全依賴國外簇絨技術(shù)的發(fā)展。近幾年國家的大力支持也使得我國的簇絨地毯行業(yè)正快速地發(fā)展，國內(nèi)對簇絨地毯裝備的需求也越來越大。為了打破高端簇絨地毯織造技術(shù)被國外少數(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)對我國地毯行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。 本文課題來源于國家自然科學(xué)基金(51375084)和教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT1220)，將多機并行理念應(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，同時為探索具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多色提花技術(shù)提供借鑒。 
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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
國際上以美國、英國、日本等主導(dǎo)世界簇絨地毯技術(shù)先進水平，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)，通用的有滑動針床、單針控制和埋絨頭技術(shù)，比較先進的有 Colortech  技術(shù)和 CYP (COMPUTERIZED YARN PLACEMENT)技術(shù)[3]。 Colortech 技術(shù)為英國 Cobble  公司的專利技術(shù)，是一種獨特的簇絨控制技術(shù)。該機器通常以割絨機為基礎(chǔ)，結(jié)合單針控制、滑動針床、底基布間歇式喂入進行簇絨，可織出 6  種顏色的地毯圖案。該技術(shù)為單獨控制每一根針，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)過程中，針床作橫向移動，底基布作間歇式喂入運動。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 TAPISTRON  公司的 CYP(COMPUTERIZED  YARN  PLACEMENT)技術(shù)為與原簇絨機上不同的一項新型地毯織造技術(shù)。紗線喂入控制方式較為獨特，每一根針(中空針)上有 6  根紗，分別由 6  個喂紗附件控制，當(dāng)需要某一根紗時，該根紗線喂入，上一根紗線被切斷。每一根針對應(yīng)一把刀。該機器可生產(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，而且通過計算機設(shè)置，在同一塊地毯上可織出不同密度、不同形狀的地毯，該機器采用的紗架結(jié)構(gòu)占地面積少。 近些年來，Tuftco一直致力于在改進地毯的簇絨方法。這其中包括了iTron  系統(tǒng)專利，這是一項利用空心針技術(shù)織造復(fù)雜的多色、多花型的的簇絨地毯的技術(shù)，并且織造效果和機織地毯非常相像[4]。這項技術(shù)可以織造高達 24 種顏色的簇絨地毯，速度遠超過機織地毯的織造速度，iTron technology  在 2009 年獲得了由美國 Floorcovering Alliance 頒布的年度創(chuàng)新獎。 
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第二章  多機并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)方案設(shè)計 

多機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，并同時進行總體布局、確定技術(shù)參數(shù)。多機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)行機構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。因此，在擬定總體方案時必須全面考慮，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。多機并行的思路就是采用多臺織機經(jīng)過多個工步來完成一塊地毯的織造，其中每臺織機負(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間，提高了生產(chǎn)效率。本文所設(shè)計的多機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)、成品輸出和主傳動系統(tǒng)。這四個部分構(gòu)成了該織造裝備的基本組成要素，其功能獨立，但是織造過程中各環(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，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 
在整個織造系統(tǒng)中，底布輸送與張緊系統(tǒng)是保證底布能進行簇絨織造的前提�？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，帶式輸送機是輸送散狀物料的常見方案，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、礦山、建材、糧食等多個部門[10]。其原理是將一根閉合的環(huán)形輸送帶套在前后兩個滾筒上并張緊，其中一個滾筒由電機驅(qū)動，依靠輸送帶和滾筒之間的摩擦力來達到運送物料的目的，如圖 2-7 所示。 電動滾筒是一種將電機和減速器共同置于滾筒體內(nèi)部的新型驅(qū)動裝置，如圖2-8 所示。由于其安裝方便，逐漸地替代了帶式輸送機中由電機、減速器、鏈輪或帶輪加滾筒的傳統(tǒng)傳動方式。每一個電動滾筒都是獨立的電動輸送輥子，自帶動力和傳動系統(tǒng)。電動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。常見的有摩擦傳動皮帶包膠、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)使用功能來進行選擇，例如加上平滑或帶有特殊溝槽的包膠可以增強電動滾筒外管與輸送機皮帶之間的摩擦，而采用鏈板式皮帶包膠和塑料模組網(wǎng)帶鏈輪都可以實現(xiàn)鏈傳動，從而提高同步性。 
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第三章  多機并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)機頭設(shè)計...........18
3.1  機頭總體設(shè)計..........18
3.2  氣動織槍原理分析..........20
3.3  絨高調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計..........21
3.4.1  機械無級變速傳動方案.......21
3.4.2  提花羅拉方案.......22
3.4  紗線剪斷機構(gòu)設(shè)計..........24
3.5 本章小結(jié)...........25
第四章  多機并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)機構(gòu)分析...........27
4.1  傳動軸靜力學(xué)分析..........27
4.1.1  有限元介紹...........27
4.1.2  傳動軸 ANSYS 有限元分析........28
4.2  機械手 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  多機并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)機構(gòu)分析 

機構(gòu)分析的目的在于掌握機構(gòu)的組成原理、運動性能和動力性能，以便合理地設(shè)計機構(gòu)并充分發(fā)揮其效能，為驗證和改進設(shè)計提供依據(jù)[25]。在多機并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)中，主要運動機構(gòu)為多軸機械手。為了確保能夠順利完成地毯織造動作，本章對多軸機械手機構(gòu)中的關(guān)鍵機構(gòu)和零件進行分析。 

4.1  傳動軸靜力學(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結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散為若干個子單元，并通過它們邊界上的節(jié)點相互連接成組合體。本文所設(shè)計的多機并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)的構(gòu)件均采用 Solidworks 進行三維建模，ANSYS 與各類三維軟件都可以進行數(shù)據(jù)互換，不管分析結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，運用  ANSYS 進行有限元分析都非常方便。 ANSYS 軟件是一款功能強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、電磁場分析、流體動力學(xué)分析等分析類型。利用 ANSYS軟件進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，伺服電機連接傳動軸同時驅(qū)動兩個平行的單軸機械手，傳動上所受的力來自運動加速度形成的慣性力。負(fù)載帶來的扭轉(zhuǎn)力矩必然造成傳動軸的變形，利用 ANSYS 分析傳動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)計了多機并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)，現(xiàn)對所做工作總結(jié)如下。 
（1）  根據(jù)多色提花的要求，在多色提花織機中引入多機并行理念，提出了提高織機效率的地毯織造流程；設(shè)計了多機并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)，包括織造主機、底布輸送與張緊系統(tǒng)、伺服滑臺、底布存儲機構(gòu)和卷毯機構(gòu)，該織造系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可依據(jù)產(chǎn)品顏色要求，增減織造主機。 
（2）  對比傳統(tǒng)簇絨機織造原理和織槍簇絨原理，參照氣動織槍設(shè)計機頭部件，所設(shè)計的機頭質(zhì)量輕、運動慣量不大，可實現(xiàn)高速運動；設(shè)計了絨高調(diào)節(jié)機構(gòu)和紗線剪斷機構(gòu)，使機頭實現(xiàn)調(diào)整簇絨絨高和剪斷紗線的功能。 
（3）對多機并行多色提花圈絨塊毯織造系統(tǒng)中主要運動機構(gòu)多軸機械手進行機構(gòu)分析，主要分析傳動軸和導(dǎo)向軸的變形以及共振。結(jié)果表明：傳動軸在扭轉(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)致織槍針尖運動誤差達到 2mm，可通過增加平衡質(zhì)量來調(diào)整質(zhì)心位置以減少運動誤差。
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參考文獻(略) 

本文編號：54948