CN113914006B - 一种基于压电陶瓷的步进式送纱器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于压电陶瓷的步进式送纱器及控制方法，包括：双晶片压电陶瓷悬臂梁、驱动控制电路、PSoC系列单片机、直流稳压电源、上位机；所述双晶片压电陶瓷悬臂梁为送纱器的驱动元件；所述双晶片压电陶瓷悬臂梁一端固定安装在所述送纱器壳体上，所述双晶片压电陶瓷悬臂梁另一端为自由端形成椭圆形运动轨迹拨动纱线驱动其直线运动；所述驱动控制电路包括：正弦信号发生模块以及电压、功率放大电路模块；所述驱动控制电路控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁伸缩弯曲；所述上位机与所述PSoC系列单片机连接，控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁工作电压和频率，控制送纱速率，解决了目前送纱器驱动结构复杂、能耗高、成本高和操作不便的问题。
Description
技术领域
本发明涉及送纱器技术领域，具体为一种基于压电陶瓷的步进式送纱器及控制方法。
背景技术
在针织产品的生产过程中，送纱贯穿着各个生产的环节，由此可见送纱器在生产中极为重要。
按照供纱方式来划分，送纱装置可以分为两类，分别是消极送纱装置和积极送纱装置。消极送纱器采取的是被动供纱的方式，即生产过程中供纱量与耗纱量相等，纱线在传送过程中张力波动大，且不适用于提花织物、弹性针织物的编织工艺上，现如今已被逐渐淘汰；积极式送纱器采取的是主动供纱的方式，在一定的时间内向指定区域送特定长度的纱线，即匀速送纱。
现如今国内大多采用电机驱动的方式来实现匀速送纱，存在着驱动结构复杂、能耗高、成本高和操作不便等问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于压电陶瓷的步进式送纱器及控制方法，解决了上述背景技术中提出的国内大多采用电机驱动的方式来实现匀速送纱，存在着驱动结构复杂、能耗高、成本高和操作不便的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于压电陶瓷的步进式送纱器，包括：双晶片压电陶瓷悬臂梁、驱动控制电路、PSoC系列单片机、直流稳压电源、上位机；
所述双晶片压电陶瓷悬臂梁为送纱器的驱动元件；
所述双晶片压电陶瓷悬臂梁一端固定安装在所述送纱器壳体上，所述双晶片压电陶瓷悬臂梁另一端为自由端形成椭圆形运动轨迹拨动纱线驱动其直线运动；
所述驱动控制电路包括：正弦信号发生模块以及电压、功率放大电路模块；所述驱动控制电路控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁伸缩弯曲；
所述上位机与所述PSoC系列单片机连接，控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁工作电压和频率，控制送纱速率。
优选地，所述驱动控制电路的正弦信号发生模块输出相位差为90°的正向偏置正弦信号，并输入PSoC系列单片机的寄存器中；
所述电压及功率放大电路模块是将正弦信号发生模生成的正弦信号进行电压以及功率的放大，输出所述双晶片压电陶瓷悬臂梁正常工作状态下所需的电信号。
优选地，所述双晶片压电陶瓷悬臂梁的具体结构包括：上层压电晶片、高碳纤维层、下层压电晶片以及驱动足；所述上层压电晶片、下层压电晶片分别与高碳纤维层通过导电胶粘接，所述驱动足粘接在所述双晶片压电陶瓷悬臂梁的自由端。
优选地，所述双晶片压电陶瓷悬臂梁的上层压电晶片、高碳纤维层、下层压电晶片均引出导电柱，所述上层压电晶片、下层压电晶片的导电柱用来接入通过驱动控制电路电压、功率放大电路模块放大后且相位差为90°的正向偏置的正弦信号，所述高碳纤维层的导电柱接地。
优选地，所述上层压电晶片、下层压电晶片的导电柱用来接入通过驱动控制电路电压、功率放大电路模块放大后且相位差为90°的正向偏置的正弦信号，通过逆压电正效应使其自由端发生伸缩弯曲形成椭圆形运动轨迹。
优选地，所述上位机与所述PSoC系列单片机连接，控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁工作电压和频率，控制送纱速率，包括：
通过调节输入电压变初始输入正弦信号的幅值；
调节双晶片压电陶瓷悬臂梁的工作频率，通过PC机与PSoC系列单片机进行通信，将其中的定时器的周期参数进行修改实现频率调节。
本发明还提供一种基于压电陶瓷的步进式送纱器控制方法，所述方法包括：
驱动电路控制板中的正弦信号发生模块，输出一对相位差为90°的正向偏置正弦信号至放大电路；
初始信号先经过放大电路中的电压放大级进行电压放大，再通过功率放大级进行电流放大，得到的输出信号至双晶片压电陶瓷悬臂梁；
双晶片压电陶瓷悬臂梁上、下层压电晶片的导电柱接受经放大电路的输出信号，根据逆压电效应，双晶片压电陶瓷悬臂梁拨动纱线直线运动；
根据放大电路放大电压的倍数，调节初始信号的幅值来实现双晶片压电陶瓷悬臂梁工作电压；通过PC机与PSoC系列单片机通信，改变定时器中的周期参数实现改变压电陶瓷的工作频率。
有益效果
本发明提供了一种基于压电陶瓷的步进式送纱器及其控制方法。具备以下有益效果：
本发明充分利用了双晶片压电陶瓷的逆压电效应，使其作为步进式送纱器的驱动元件，相较于传统的电机驱动具有体积小、质量轻的优点，方便拆卸和维修；功耗低，压电陶瓷本身是容性负载，在不考虑其内阻的情况下，只会消耗无功功率；相较传统的送纱器能输送更高精度的纱线；通过上位机与单片机的通信，可快速调节送纱器驱动元件的工作电压和频率，有利于操作人员实现可视化操作。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于压电陶瓷的步进式送纱器的局部结构图；
图2为本发明提供的一种基于压电陶瓷的步进式送纱器的双晶片压电陶瓷悬臂梁结构的俯视图；
图3为本发明提供的一种基于压电陶瓷的步进式送纱器的双晶片压电陶瓷悬臂梁结构图；
图4为本发明提供的一种基于压电陶瓷的步进式送纱器的控制电路的电压放大电路结构图；
图5为本发明提供的一种基于压电陶瓷的步进式送纱器的控制电路的功率放大电路结构图；
图6为本发明提供的一种基于压电陶瓷的步进式送纱器控制方法流程图。
图中：1纱线、2驱动足、3双晶片压电陶瓷悬臂梁、4送纱器壳体、5第一凸出柱件、6固定组件、7第二凸出柱件、8第三凸出柱件、9上层压电晶片导电柱、10高碳纤维层导电柱、11下层压电晶片导电柱、12第四凸出柱件、13上层压电晶片、14高碳纤维、15下层压电晶片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例提供基于压电陶瓷的步进式送纱器采用的是双晶片压电陶瓷驱动，由于工作时，采用单晶片压电陶瓷长时间驱动动作，会影响其工作寿命，所以采用双晶片压电陶瓷驱动。如图1所示，当步进式送纱器开始工作时，驱动元件双晶片压电陶瓷悬臂梁3上的驱动足2与纱线1接触，纱线1在摩擦力的作用下与驱动足2一起向右运动，在向右运动到顶点位置时，驱动足2达到了最大速度，下一瞬间驱动足2将脱离纱线运动至底部，此时驱动足2的速度再次达到最大，之后再向上运动触到纱线1，如此反复，双晶片压电陶瓷悬臂梁3作周期性的运动，实现驱动纱线直线运动。
如图1-5所示，本发明实施例提供一种基于压电陶瓷的步进式送纱器，包括：双晶片压电陶瓷悬臂梁3、驱动控制电路、PSoC系列单片机、直流稳压电源、上位机；
所述双晶片压电陶瓷悬臂梁3为送纱器的驱动元件；
所述双晶片压电陶瓷悬臂梁一端固定安装在所述送纱器壳体4上，所述双晶片压电陶瓷悬臂梁另一端为自由端形成椭圆形运动轨迹拨动纱线1驱动其直线运动；
所述驱动控制电路包括：正弦信号发生模块以及电压、功率放大电路模块；所述驱动控制电路控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁3伸缩弯曲；
优选地，所述电压、功率放大电路，如图4所示，电压放大级电路是由双极性运算放大器OP07和大功率高电压运算放大器PA42组成。为避免双晶片压电陶瓷受到反向电场的作用，本发明将等电位符号设置为V0/2，这样就能输出带有正向偏置的信号。其中，V0是直流稳压电源能输出的最大电压。为了让运算放大器OP07正常工作，给其电源供电电压为(V0/2±15)V由于电路工作状态为正向偏置，OP07电源端不能出现负电压，故V0的变化范围为30-300V；
如图5所示，功率放大级电路选择三极管作为前置的放大器并与NPN型三极管(2SC5570)和PNP型三极管(2SA1015)组成互补功率放大输出级。在静态电路中，二极管在正向导通时产生的压降与功率放大器件三极管2SC5570和2SA1015的BE电压结之和近似相等，起到偏置电压的作用。在信号Vi’的正半周期内，三极管2SA1015导通，而另一边的三极管2SC5570截止，此时的电路负载通过导通三极管进行放电；在信号Vi’的负半周期内，三极管2SC5570导通，另一边的三极管2SA1015截止，此时输出正弦信号会加载到双晶片压电陶瓷片上
所述上位机与所述PSoC系列单片机连接，控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁工作电压和频率，控制送纱速率。
优选地，上位机通过控制正弦信号发生模块是否输出初始信号来控制步进式压电送纱器的启停，在正弦信号模块中只要控制DAC数模转换模块的使能参数就可以决定DAC是否进行模数转换，即可控制启停。
优选地，所述驱动控制电路的正弦信号发生模块输出相位差为90°的正向偏置正弦信号，并输入PSoC系列单片机的寄存器中；
优选地，所述驱动控制电路的正弦信号发生模块输出相位差为90°的正向偏置正弦信号的具体方法为：将现有的波形函数离散后所得的全部数字量存储于PSoC系列单片机寄存器中，再通过函数存储变换技术将能在寄存器输出端得到所需函数关系的输出数据，再经过数模转换便可得到预想输出的正向偏置正弦信号波，这样就能将生成的信号输入放大电路。
所述电压及功率放大电路模块是将正弦信号发生模生成的正弦信号进行电压以及功率的放大，输出所述双晶片压电陶瓷悬臂梁正常工作状态下所需的电信号。
优选地，所述双晶片压电陶瓷悬臂梁3的具体结构包括：上层压电晶片13、高碳纤维层14、下层压电晶片15以及驱动足2；所述上层压电晶片13、下层压电晶片15分别与高碳纤维层14通过导电胶粘接，所述驱动足2粘接在所述双晶片压电陶瓷悬臂梁的自由端,用来增大与纱线的摩擦力。
优选地，所述双晶片压电陶瓷悬臂梁的上层压电晶片13、高碳纤维层14、下层压电晶片15均引出导电柱，所述上层压电晶片导电柱9、下层压电晶片导电柱11用来接入通过驱动控制电路电压、功率放大电路模块放大后且相位差为90°的正向偏置的正弦信号，所述高碳纤维层导电柱10接地。
优选地，双晶片压电陶瓷悬臂梁3固定在固定组件6上，固定组件6上上面还设置有上层压电晶片导电柱9、高碳纤维层导电柱10、下层压电晶片导电柱11、第一凸出柱件5、第二凸出柱件7、第三凸出柱件8、第四凸出柱件12用来将双晶片压电陶瓷悬臂梁3固定在送纱器壳体4上。
优选地，所述上层压电晶片、下层压电晶片的导电柱用来接入通过驱动控制电路电压、功率放大电路模块放大后且相位差为90°的正向偏置的正弦信号，通过逆压电正效应使其自由端发生伸缩弯曲形成椭圆形运动轨迹。
优选地，所述上位机与所述PSoC系列单片机连接，控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁工作电压和频率，控制送纱速率，包括：
通过调节输入电压变初始输入正弦信号的幅值；
调节双晶片压电陶瓷悬臂梁的工作频率，通过PC机与PSoC系列单片机进行通信，将其中的定时器的周期参数进行修改实现频率调节。
如图6所示，本发明还提供一种基于压电陶瓷的步进式送纱器控制方法，所述方法包括：
S1驱动电路控制板中的正弦信号发生模块，输出一对相位差为90°的正向偏置正弦信号至放大电路；
S2初始信号先经过放大电路中的电压放大级进行电压放大，再通过功率放大级进行电流放大，得到的输出信号至双晶片压电陶瓷悬臂梁；
S3双晶片压电陶瓷悬臂梁上、下层压电晶片的导电柱接受经放大电路的输出信号，根据逆压电效应，双晶片压电陶瓷悬臂梁拨动纱线直线运动；
S4根据放大电路放大电压的倍数，调节初始信号的幅值来实现双晶片压电陶瓷悬臂梁工作电压；通过PC机与PSoC系列单片机通信，改变定时器中的周期参数实现改变压电陶瓷的工作频率。
综上所述，本发明充分利用了双晶片压电陶瓷的逆压电效应，使其作为步进式送纱器的驱动元件，相较于传统的电机驱动具有体积小、质量轻的优点，方便拆卸和维修；功耗低，压电陶瓷本身是容性负载，在不考虑其内阻的情况下，只会消耗无功功率；相较传统的送纱器能输送更高精度的纱线；通过上位机与单片机的通信，可快速调节送纱器驱动元件的工作电压和频率，有利于操作人员实现可视化操作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于压电陶瓷的步进式送纱器，其特征在于，包括：双晶片压电陶瓷悬臂梁、驱动控制电路、PSoC系列单片机、直流稳压电源、上位机；
所述双晶片压电陶瓷悬臂梁为送纱器的驱动元件；
所述双晶片压电陶瓷悬臂梁一端固定安装在所述送纱器壳体上，所述双晶片压电陶瓷悬臂梁另一端为自由端形成椭圆形运动轨迹拨动纱线驱动其直线运动；
所述驱动控制电路包括：正弦信号发生模块以及电压、功率放大电路模块；所述驱动控制电路控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁伸缩弯曲；
所述上位机与所述PSoC系列单片机连接，控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁工作电压和频率，控制送纱速率。
2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的步进式送纱器，其特征在于：所述驱动控制电路的正弦信号发生模块输出相位差为90°的正向偏置正弦信号，并输入PSoC系列单片机的寄存器中；
所述电压及功率放大电路模块是将正弦信号发生模生成的正弦信号进行电压以及功率的放大，输出所述双晶片压电陶瓷悬臂梁正常工作状态下所需的电信号。
3.根据权利要求2所述的基于压电陶瓷的步进式送纱器，其特征在于：所述双晶片压电陶瓷悬臂梁的具体结构包括：上层压电晶片、高碳纤维层、下层压电晶片以及驱动足；所述上层压电晶片、下层压电晶片分别与高碳纤维层通过导电胶粘接；所述驱动足粘接在所述双晶片压电陶瓷悬臂梁的自由端。
4.根据权利要求3所述的基于压电陶瓷的步进式送纱器，其特征在于：所述双晶片压电陶瓷悬臂梁的上层压电晶片、高碳纤维层、下层压电晶片均引出导电柱，所述上层压电晶片、下层压电晶片的导电柱用来接入通过驱动控制电路电压、功率放大电路模块放大后且相位差为90°的正向偏置的正弦信号，所述高碳纤维层的导电柱接地。
5.根据权利要求4所述的基于压电陶瓷的步进式送纱器，其特征在于：所述上层压电晶片、下层压电晶片的导电柱用来接入通过驱动控制电路电压、功率放大电路模块放大后且相位差为90°的正向偏置的正弦信号，通过逆压电效应使其自由端发生伸缩弯曲形成椭圆形运动轨迹。
6.根据权利要求5所述的基于压电陶瓷的步进式送纱器，其特征在于：所述上位机与所述PSoC系列单片机连接，控制所述双晶片压电陶瓷悬臂梁工作电压和频率，控制送纱速率，包括：
通过调节输入电压变初始输入正弦信号的幅值；
调节双晶片压电陶瓷悬臂梁的工作频率，通过PC机与PSoC系列单片机进行通信，将其中的定时器的周期参数进行修改实现频率调节。
7.一种基于压电陶瓷的步进式送纱器控制方法，采用权利要求6所述的基于压电陶瓷的步进式送纱器，其特征在于，所述方法包括：
驱动电路控制板中的正弦信号发生模块，输出一对相位差为90°的正向偏置正弦信号至放大电路；
初始信号先经过放大电路中的电压放大级进行电压放大，再通过功率放大级进行电流放大，得到的输出信号至双晶片压电陶瓷悬臂梁；
双晶片压电陶瓷悬臂梁上、下层压电晶片的导电柱接受经放大电路的输出信号，根据逆压电效应，双晶片压电陶瓷悬臂梁拨动纱线直线运动；
根据放大电路放大电压的倍数，调节初始信号的幅值来实现双晶片压电陶瓷悬臂梁工作电压；通过PC机与PSoC系列单片机通信，改变定时器中的周期参数实现改变压电陶瓷的工作频率。
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