电磁阵列驱动的织针装置及其控制方法

摘要

本发明公开了一种电磁阵列驱动的织针装置及其控制方法，针套的底部与针座可拆卸连接，针套内安装有上永磁体座，上永磁体座内连接有上永磁体，针套内、上永磁体座的正下方安装有电磁体骨架，沿电磁体骨架的周向均匀安装有偶数个电磁棒，偶数个电磁棒串并联结合组成电磁体阵列；针套内、电磁体骨架的正下方安装有下永磁体座，下永磁体座内连接有下永磁体，针套内安装有针体，针体的下端依次穿过上永磁体座、上永磁体、电磁体骨架、下永磁体的中心后与下永磁体座的中心螺纹连接，针体与上永磁体座的中心螺纹连接。本发明解决了现有技术中电磁线圈的磁场或磁能利用率低，织针设备的尺寸大，驱动能耗大的问题。

权利要求

1.一种电磁阵列驱动的织针装置，其特征在于，包括针套(2)，针套(2)的底部与针座(1)可拆卸连接，针套(2)内安装有上永磁体座(4)，上永磁体座(4)内连接有上永磁体(5)，针套(2)内、上永磁体座(4)的正下方安装有电磁体骨架(6)，电磁体骨架(6)为中空的环形柱体，沿电磁体骨架(6)的周向均匀安装有偶数个电磁棒(13)，偶数个电磁棒(13)结合组成电磁体阵列(7)；针套(2)内、电磁体骨架(6)的正下方安装有下永磁体座(10)，下永磁体座(10)内设置有下永磁体(9)，上永磁体(5)、下永磁体(9)的磁极均为上下分布，且上永磁体(5)与下永磁体(9)的磁场方向相反；针套(2)内安装有针体(3)，针体(3)的上端为织针头，织针头伸出针套(2)，针体(3)的下端依次穿过上永磁体座(4)、上永磁体(5)、电磁体骨架(6)、下永磁体(9)的中心后与下永磁体座(10)的中心螺纹连接，针体(3)与上永磁体座(4)的中心螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种电磁阵列驱动的织针装置，其特征在于，所述电磁棒(13)的数量为4个、6个、8个或12个，互不相邻的一半数量的电磁棒(13)的线圈串联，另一半数量的电磁棒(13)的线圈串联，两部分串联线圈并联后与电源连接。

3.根据权利要求1所述的一种电磁阵列驱动的织针装置，其特征在于，所述针体(3)的外径小于电磁体骨架(6)的内径。

4.根据权利要求1所述的一种电磁阵列驱动的织针装置，其特征在于，所述针套(2)的底部通过圆柱销螺钉(11)与针座(1)可拆卸连接，圆柱销螺钉(11)与针套(2)之间连接有防松螺钉(12)。

5.根据权利要求1所述的一种电磁阵列驱动的织针装置，其特征在于，所述电磁体骨架(6)通过紧固螺柱(8)与针套(2)连接。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种电磁阵列驱动的织针装置的控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：织针的电磁体阵列(7)的线圈采用外部数字占空比驱动方式，每一枚织针的电磁体阵列(7)的线圈均由一个独立的PWM波驱动电路控制，通过调节输出信号占空比完成电磁体阵列(7)的电磁力调节；根据编织工艺，增设中间的过渡状态，当织针完成脱圈或成圈后，将PWM波输出调节至过渡状态，维持浮线动作。

7.根据权利要求6所述的一种电磁阵列驱动的织针装置的控制方法，其特征在于，所述PWM波过渡状态的输出功率为满载输出功率的40％。

说明书

电磁阵列驱动的织针装置及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于纺织织针技术领域，涉及一种电磁阵列驱动的织针装置及其控制方法。

背景技术

[0002] 目前，国内外针织电脑提花圆纬机的电子选针装置主要有电磁式和压电式，它们均利用三角凸轮、提花片、挺针片等机械零部件实现选针。由于织针靠与三角凸轮的接触来实现上下编织运动，编织机构存在三角凸轮对织针造成冲击摩擦和侧向力。随着针织机转速(如电脑提花圆纬机一般在15-20rpm左右，选针刀片频率在100Hz内)越来越高，对织针和三角凸轮的性能要求更高，当织针和三角凸轮本身的强度、耐磨性等达到了极限程度时，就限制了转速的进一步提高。据资料统计，目前国内外企业主要是集中在织针的材料耐磨性、热处理工艺和织针外型细节改进设计等方面，而没有对织针驱动原理及其结构进行任何改变。

[0003] 现有技术1(申请号：201110098202.0，名称：磁悬浮驱动织针选针方法及装置，公开日：2011年11月16日)，公开的磁悬浮驱动织针选针装置成本高(织针结构偏小，因此所有零件加工精度、制造要求均较高)，结构复杂；单线圈驱动轴向磁悬浮方式，驱动力偏小；三级“内圈、中间圈与外圈”结构中，外圈与内圈织针不易更换；顶部缺少限位装置，无法在高速纺织中迅速达到指定工位，整体工作频率偏低。

[0004] 现有技术2(申请号：201510089570.7，名称：一种电磁驱动织针选针装置，公开日：2015年6月24日)，公开的电磁驱动织针选针装置虽然克服了现有技术1中的一些缺点，但是沉入式骨架的电磁线圈制造加工难度大，当织针结构尺寸继续减小时，沉入式骨架部分的线圈缠绕砸数减少，无法提供足够的电磁驱动力；虽然使用双电磁线圈驱动，较现有技术1提高了电磁驱动力，但电磁线圈的磁场或磁能利用率低，因为每个电磁线圈的磁场只利用了一个端面的磁场，造成在相当驱动行程下织针设备的结构尺寸较长，针动运动方向长度包括：下电磁线圈高度、织针行程空间长度、上电磁线圈高度以及针体上端导向行程；其中针体上端导向行程需要较长尺寸才能保证导向要求，此种结构不利于织针小型化。单个电磁线圈为了能提供足够驱动力，目前尺寸较大(外径18mm、内径8mm、高12mm)，驱动能耗较大，发热明显，能耗较高。

发明内容

[0005] 为解决上述问题，本发明提供一种电磁阵列驱动的织针装置，解决了现有技术中电磁线圈的磁场或磁能利用率低，织针设备的尺寸大，驱动能耗大的问题。

[0006] 本发明的另一目的是，提供一种电磁阵列驱动的织针装置的控制方法。

[0007] 本发明所采用的技术方案是，一种电磁阵列驱动的织针装置，包括针套，针套的底部与针座可拆卸连接，针套内安装有上永磁体座，上永磁体座内连接有上永磁体，针套内、上永磁体座的正下方安装有电磁体骨架，电磁体骨架为中空的环形柱体，沿电磁体骨架的周向均匀安装有偶数个电磁棒，偶数个电磁棒结合组成电磁体阵列；针套内、电磁体骨架的正下方安装有下永磁体座，下永磁体座内设置有下永磁体，上永磁体、下永磁体的磁极均为上下分布，且上永磁体与下永磁体的磁场方向相反；针套内安装有针体，针体的上端为织针头，织针头伸出针套，针体的下端依次穿过上永磁体座、上永磁体、电磁体骨架、下永磁体的中心后与下永磁体座的中心螺纹连接，针体与上永磁体座的中心螺纹连接。

[0008] 本发明的特征还在于，进一步的，所述电磁棒的数量为4个、6个、8个或12个，互不相邻的一半数量的电磁棒的线圈串联，另一半数量的电磁棒的线圈串联，两部分串联线圈并联后与电源连接。

[0009] 进一步的，所述针体的外径小于电磁体骨架的内径。

[0010] 进一步的，所述针套的底部通过圆柱销螺钉与针座可拆卸连接，圆柱销螺钉与针套之间连接有防松螺钉。

[0011] 进一步的，所述电磁体骨架通过紧固螺柱与针套连接。

[0012] 本发明所采用的另一技术方案是，一种电磁阵列驱动的织针装置的控制方法，具体按照以下步骤进行：织针的电磁体阵列的线圈采用外部数字占空比驱动方式，每一枚织针的电磁体阵列的线圈均由一个独立的PWM波驱动电路控制，通过调节输出信号占空比完成电磁体阵列的电磁力调节；根据编织工艺，增设中间的过渡状态，当织针完成脱圈或成圈后，将PWM波输出调节至过渡状态，维持浮线动作。

[0013] 进一步的，所述PWM波过渡状态的输出功率为满载输出功率的40％。

[0014] 本发明的有益效果是，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

[0015] 1、采用电磁体阵列代替双线圈驱动装置，在驱动行程与驱动力相同的情况下提高了电磁场利用率近1倍，缩小了设计尺寸，织针设备的高度减少30-40％。

[0016] 2、电磁阵列采用外部数字占空比驱动方式，采用优化后的PWM波驱动方法，在织针到达上、下极限位置后，调整PWM波输出至满载输出的40％，在完成编织工艺要求的情况下极大地降低工作能耗。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0018] 图1是本发明实施例的结构示意图。

[0019] 图2是本发明实施例中电磁体阵列的结构示意图。

[0020] 图3是本发明实施例的织针在250mA驱动电流下受力与位移关系图。

[0021] 图4是本发明实施例中电磁体阵列的电磁棒分布示意图。

[0022] 图5是本发明实施例中电磁棒的线圈连接原理图。

[0023] 图6是本发明实施例中上行过程的上永磁体、下永磁体、电磁体阵列的磁极分布示意图。

[0024] 图7是本发明实施例中下行过程的上永磁体、下永磁体磁极、电磁体阵列的分布示意图。

[0025] 图中，1.针座，2.针套，3.针体，4.上永磁体座，5.上永磁体，6.电磁体骨架，7.电磁体阵列，8.紧固螺柱，9.下永磁体，10.下永磁体座，11.圆柱销螺钉，12.防松螺钉，13.电磁棒。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细阐述。应当理解，所述实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。此外应理解，在阅读了本发明描述的内容以后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的保护范围。

[0027] 本发明实施例的结构，如图1-2所示，针套2的底部通过圆柱销螺钉11与针座1可拆卸连接，圆柱销螺钉11与针套2之间连接有防松螺钉12，针套2内安装有上永磁体座4，上永磁体座4内连接有上永磁体5，针套2内、上永磁体座4的正下方安装有电磁体骨架6，电磁体骨架6通过紧固螺柱8与针套2连接，电磁体骨架6为中空的环形柱体，沿电磁体骨架6的周向均匀安装有偶数个电磁棒13，偶数个电磁棒13串并联结合组成电磁体阵列7；针套2内、电磁体骨架6的正下方安装有下永磁体座10，下永磁体座10内连接有下永磁体9，上永磁体5、下永磁体9的磁极均为上下分布，且上永磁体5与下永磁体9的磁场方向相反；针套2内安装有针体3，针体3的上端为织针头，织针头伸出针套2的上端，针体3的下端依次穿过上永磁体座4、上永磁体5、电磁体骨架6、下永磁体9的中心后与下永磁体座10的中心螺纹连接，针体3与上永磁体座4的中心螺纹连接，用于将上永磁体5、下永磁体9与织针的针体3连接并完成轴向定位，且可以利用上永磁体座4的内螺纹与针体3的外螺纹调整上永磁体5的轴向位置，同理也可调整下永磁体9的轴向位置；针体3的外径小于电磁体骨架6的内径，电磁体骨架6用于导向针体3。上永磁体座4与上永磁体5采用胶结方式固定连接，下永磁体座10与下永磁体
9采用胶结方式固定连接。

[0028] 设计行程15mm，在行程范围内织针电磁力不小于60CN，具体的，电磁体骨架6的外径10mm、内径5mm、高度15mm，电磁棒13的磁芯外径1.8mm、高度17mm，电磁棒13的线圈外径2.5mm、内径1.8mm、高度15mm。

[0029] 多个电磁棒13串并联结合组成电磁体阵列7，电磁棒13的数量为4个、6个、8个或12个，互不相邻的一半数量的电磁棒13的线圈串联，另一半数量的电磁棒13的线圈串联，两部分串联线圈并联后与电源连接；但就本发明最终计算的尺寸，受电磁体骨架6内、外径的限制，4个或6个电磁棒无法提供设计要求的电磁力，12个及以上电磁棒尺寸需要继续缩小，在达到设计要求电磁驱动的基础上会增加安装难度与技术成本，因此实施例中安装8个电磁棒13；由于采用PWM波数字驱动方式调节电磁驱动力，但是由于电磁线圈的阻抗特性，如果全部串连，则后级线圈电磁驱动力减弱无法达到预期效果；如果全部并联则线圈最终等效电阻值过小，也无法正常驱动，故8个电磁棒13采用串并联结合的方式满足驱动力输出要求；如图4-5所示，电磁棒13的数量为8个，电磁棒13按逆时针顺序依次编号为Ⅰ、D、Ⅱ、A、Ⅲ、B、Ⅳ、C，Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号、Ⅳ号电磁棒13串联，A号、B号、C号、D号电磁棒13串联，两部分串联线圈并联后与电源连接。

[0030] 上永磁体5与下永磁体9的磁极均为上下分布，且上永磁体5与下永磁体9磁极位置相反；具体如图6-7所示，上永磁体5的上端为S极，上永磁体5的下端为N极，下永磁体9的上端为N极，下永磁体9的下端为S极；或者上永磁体5的上端为N极，上永磁体5的下端为S极，下永磁体9的上端为S极，下永磁体9的下端为N极；通过改变电磁体阵列7中电流方向改变电磁体的N极、S极，进而驱动针体3上下运行。

[0031] 背景技术中的现有技术2采用沉入式骨架的电磁线圈制造加工难度大，当织针设备的尺寸继续减小时，沉入式骨架部分的线圈缠绕砸数减少，无法提供足够的电磁驱动力；假如电磁体外径D＝18mm，永磁体外径d＝12mm，骨架沉入式部分可绕线圈的尺寸c＝3mm，按线径0.25mm，可绕12砸，再减电磁线圈骨架本身的厚度，则骨架沉入式部分可绕线圈的砸数将继续减少。本发明采用电磁棒13，电磁棒13相当于一个标准零件，方便设计、订制、安装，每个电磁棒13的线圈砸数一致、尺寸一致，每个电磁棒13的线圈均按一定要求固定在PCB板上，便于连线与安装，降低制造和安装难度。

[0032] 电磁体A两端面驱动永磁体的有效磁场空间为场A与场A’域；电磁体B两端面驱动永磁体的有效磁场空间为场B与场B’域，现有技术2使用电磁体A的场A’与电磁体B的场B驱动永磁体织针；即每个电磁线圈的磁场只利用了一个端面的磁场，电磁线圈的磁场或磁能利用率低，造成在相同驱动行程下结构尺寸较长，不利于织针设备的小型化；本发明使用上永磁体5和下永磁体9驱动针体3，利用电磁体阵列7的场A与场A’区域，电磁体的磁场利用率提高一倍，在相同驱动行程下能有效缩短结构尺寸；由于只有一个电磁体阵列7，织针设备的高度减少30-40％。

[0033] 现有技术2单个电磁线圈为了能提供足够驱动力，目前尺寸较大(外径18mm、内径8mm、高12mm)，单个线圈内阻为25欧，双线圈串行驱动总内阻约50欧，在12V的驱动电压下能满足驱动力要求，满负载功耗12×12/50＝2.88W≈3W；驱动能耗较大，发热明显。本发明采用标准电磁棒采用串并联结合的方式进行驱动，每个电磁棒13的内阻约12欧，在7.5V的驱动电压下即满足驱动力的要求，满负载功耗7.5×7.5/24＝2.34W；比现有技术2减少(2.88-
2.34/2.88＝)18.75％能耗。

[0034] 本方案与技术2的能耗比为：(3W-1.8W)/3W＝60％，即本发明与现有技术2相比，功耗降低40％。

[0035] 本发明电磁阵列驱动的织针装置的控制方法，具体按以下步骤进行：织针的电磁体阵列7的线圈采用外部数字占空比驱动方式，每一枚织针的电磁体阵列7的线圈均由一个独立的PWM波驱动电路控制，实现每枚织针的独立控制，通过控连续制器完成织针的编织动作；通过调节输出信号占空比完成电磁体阵列7的电磁力调节；根据编织工艺增设中间的过渡状态，当织针完成脱圈或成圈后，将PWM波输出调节至过渡状态，维持浮线动作，PWM波过渡状态的输出功率为满载输出功率的40％。

[0036] 电磁线圈的驱动方法有数字量控制方法与模拟量控制方法。前者使用固定电压，采用PWM方式控制，通过调节出信号占空比来完成电磁力的调节；后者采用模拟电路调节输入电压或电流的大小来改变电磁力。前者调节响应频率高，后者受AD的响应限制调节频率低于前者且电路复杂，不适合本发明领域上百枚织针单独驱动的控制要求。

[0037] 电磁体阵列7采用外部数字占空比驱动方式，从图3中曲线可以看出，针体3在上、下极限位置处，上永磁体5或下永磁体9与电磁阵列7间隔减少至1mm内，电磁力急距增大，此时完成编织工艺要求(60-120mN驱动力)，可降低等效驱动电流，即调低驱动PWM占空比。

[0038] 本发明根据工艺要求在非成圈与脱圈状态，采用浮线方式输出从而降低了整个织针的能耗。即现有技术2按两功位输出(正向、负向满载)，PWM输出集中在正向最大输出与负向最大输出；而本发明按三功位输出(正向满载、负向满载以及浮线输出)，根据工艺要求，增加了过渡输出，其中成圈时间占25％，浮线时间占50％，脱圈时间占25％，最多可降低单织针能耗的50％；在针体3上、下极限工作位置处，驱动器根据织针位置传感器的反馈信号进行输出调节，自动调节驱动PWM波至最大值的50％。

[0039] 现有技术2的满负载功耗12×12/50＝2.88W≈3W；本发明满负载功耗7.5×7.5/24＝2.34W，所谓满载功耗是使得织针工作于最高位或最低位，驱动力最大时的驱动负载；满负荷状态下PWM波输出值最大，采用外部数字占空比驱动方式时，根据编织工艺设计中间的过渡状态，当织针完成脱圈(最高位)或成圈(最低位)后，就不需要一直维持满载状态，可将PWM波输出调节至满载输出的40％即可维持浮线动作，因此浮线动作输出功率＝满载功率×40％，而按编织工艺完成的编织动作过程可看作成圈输出时间占25％，脱圈输出时间占25％，浮线输出时间占50％，因此本发明的织针平均能耗为：满载功率×50％+满载功率×
40％×50％＝满载功率×75％＝2.34W×75％＝1.755W，约1.8W，极大降低了工作能耗。

[0040] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。