（机械电子工程专业论文）喷气织机储纬器控制系统研制.pdf

浙江理工大学硕+ 学位论文 摘要 随着纺织工业的不断发展，纺织机械的机电一体化程度也日益提高。而储纬器作为关 键的纺织器材也得到了快速的发展，储纬器的发展从无至有，从低速少功能到高速多功能， 多种电子控制技术也被应用于储纬器控制。特别是现代新型高速织机的兴起，要求储纬器 具备更优异的性能。喷气织机储纬器是一种用于喷气织机的高速定长电子储纬器，隶属于 高档储纬器。喷气织机储纬器的使用保证了喷气织机纬向系统高效率的正常工作，它有利 于提高喷气织机织造质量和品质的提升。因此，为喷气织机储纬器提供一个综合性能好的 控制系统是目前研究喷气织机储纬器的重要任务。 本课题以喷气织机储纬器为研究对象，根据目前高速喷气织机对储纬器的各项功能需 求，采用新型嵌入式数字信号控制器d s p i c 设计了喷气织机储纬器控制系统。按功能模块 化的思路设计了喷气织机储纬器控制系统，整个控制系统是以主控制器d s p i c 为核心，主 要由储纬器电机控制子系统、储纬控制子系统、纬纱张力控制w b s 予系统和通信子系统 构成。主控制器d s p i c 具有很高的性价比，除了可以满足控制系统的控制功能，同时还具 有高速的信号处理能力，这是保证高速储纬器控制系统稳定和处理速度快的基本条件。 对储纬器张力的控制是研究储纬器的重要任务，本课题在围绕张力控制的研究中，主 要体现在储纬器电机调速控制和专门的张力控制装置两个方面。在储纬器电机控制方面， 给出了速度跟踪算法，使储纬器电机转速跟踪纱线的速度，将储纬器的高频间歇性运动 转化为近似的连续性运动，有效地防止了纱线张力的急剧变化。在张力控制装置方面，针 对一种典型的张力装置设计了张力装置控制系统，通过在纬纱引纬结束时刻对纱线进行一 系列“刹车”动作，以避免纱线运动突然停止时的峰值张力波动过大引起断纱等不良后果。 经过上机试验运行表明，所设计的控制系统稳定可靠，运行故障率低，完全达到了预 定的设计要求。 关键词：喷气织机储纬器；d s p l c ；速度跟踪算法：纬纱张力控制 浙江理工大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to fa i r - j e tl o o m 、e f tf e e d e rc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fm et e x t i l ei n d u s 旬吼m o r ea n dm o r ee l e c t r o i l i ct e c i m i q u ei s 叩p l i e di nt e x t i l em a c m n e t h e 、v e rf e e d e ri su s e d 嬲ak e yt e x t i l ee q u i p m e n t ，w t l i c hh 船a l s o b e e nam p i dd e v e l o p m e n t ，t h ed e v e l o p m e n to ff e e d e ri si n e x i s t e n tt os u b s i s t e n t ，f r o ml o ws p e e d t oh i 曲s p e e da 1 1 ds i m p l et om u l t i - 如n c t i o n 划，av 撕e t ) ，o fe l e c t r o l l i cc o n t r 0 1t e c h n o l o g ya r ea l s o a p p l i e di nw e f tf e e d e r sc o n t r 0 1 i i lp a r t i c u l 矾也ed e v e l o p m e n to fm em o d e mn e 、驴s t y l e 1 1 i g h s p e e dl o o m ，w h i c hn e e d st h es u p e r i o rp e r f o m a n c e 、e rf e e d e r a i r - j e tl o o m 、e rf e e d e ri sa h i 曲一s p e e d ，a d v a n c e da n de l e c t r o n i cm e a s u r i n g 、rs t o m g ef o rt h ea i r - j e tl o o m a i r - j e tl o o m w e rf e e d e rw i 儿e n s u r et h ee 衔c i e n c yo fa l ea i r - j e tl o o m ，i tw i l la l s oi m p r o v et h eq u a l i 够o fa j r - j e t l o o m s 、耽a v i n g t h e r e f o r e ，p r o v i d i n gag o o dp e r f o m a n c ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ea i rj e t1 0 0 mi s a ni m p o n a l l tt a s k t h ea i r - j e tl o o mw 雒f e e d e rw a sc h o o s e da st h eo b j e c to fs t u d y ，i no r d e rt om e e tt h e m n c t i o nr e q u i r e m e m so ft h ec u r r e n th i g h s p e e da i rj e t1 0 0 m ，u s i n gt h en e w 锄b e d d e dd i g i t a l s i g n a lc o n 仃o l l e rd s p l ct od e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mf o ra i r - j e tl o o m 、v e rf e e d e r t h ei d e ao f m o d u l a r i z e dd e s i g nw a su s e di nt h ea i r - j e tl o o m 、e rc o n t f o ls y s t e m t h ec o n t r o l l e rd s p i ci st h e k e yo ft l l e 、v h o l ec o n t r o ls y s t e m ，w 1 1 i c hc o m p o s e db yt 1 1 ew e rf e e d e rm o t o rc o n t r o ls u b s y s t e m ， w e rs t o r a g ec o n t r o ls u b s y s t e m ，、v e rt e n s i o nc o n t r o ls u b s y s t e mw b sa n dc o m m u l l i c a t i o n s u b s y s t e m 7 r h ec o n t r o l l e rd s p i ci s a ta1 0 wc o s t ，p u r ec o n t r o l 如n c t i o n sf o rt h e 、e rf e e d e r c o n 们ls y s t e m ，a n dah i 曲- s p e e ds i 鲫a lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t y 、v h i c hi st h eb a s i cc o n d i t i o nt o e n s u r et h es t e a d yh i 曲- s p e e dc o n t r o ls y s t e m w e f tt e n s i o nc o n t r 0 1i st h ek e yw o r ki nt h es t l l d y ，f o rt h es u b j e c ti tm a i n l yr e n e c t si nt h et 、o a s p e c t s - w e rf e e d e rm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e ma n dw e rt e n s i o nd e v i c ec o n t m l f o rt h e d e s i g n i n go fw e r f e e d e rm o t o rc o n t r o ls y s t e m ，t h e s p e e dt m c k i n ga l g o r i t l l i ni sg i v e n ，t h es p e e d o fw e ry a mi st r a c k e db yt h es p e e do fw e f tf e e d e rm o t o r c h a i l g i n gt h ew e nf e e d e rm o t o r s h i g h f r e q u e n c yi n t e 舯i t t e n tm o v e m e n ti n t oas i m i l a rc o n t i n u i t ym o v e m e n t ，w h i c hp r e v e n t sa i i 浙江理工大学硕士学位论文 d r a m a t i cc h a n g ei n 也ey a mt e n s i o ne 毹c t i v e l y o nt h er e s e a r c ho fw e rt e n s i o nc o n t r 0 1 ，a i m i n ga t ) ，p i c a lt e n s i o nc o n t m ld e v i c et od e s i 印t h et e n s i o nc o n t m ls y s t e m i i lo r d e rt or c d u c et i l es u d d e n p e a kt e n s i o n h i c hc a u s e db r o k e ny a ma n db a dr e s u l t ，as e r i e so f i br ：d i 【i n a c t i o ni sd e s i g i l e dt o a v o i dt h ep l u m pt e n s i o nc h a n g i n g a r e rat e s tr u m l i n go nm em a c h i n e ，s h o w i n gt 1 1 a tt h ec o n t r o ls y s t e mi ss ta _ b l ea j l dr e l i a b l e ， 锄da tal o wf a i l u r er a t e ，m e e t i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a i r - j e tl o o mw e rf e e d e r ，d s p i c ， s p e e d 仃a c l d n ga l g o r i t h m ，w b s 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景与研究意义 第一章绪论 现代无梭织机与有梭织机相比，引纬速度有很大提高，织物品质也趋向于更高档化， 织造效率也大大提高，要求引纬张力十分均匀，避免引纬张力波动剧烈，使引入梭口的每 根纬纱张力保持一致。在无梭织机的初级阶段，供纬系统仅是架子筒加上简单的张力器， 随着无梭织机引纬速度的迅速提高，直接从筒子架上引出纬纱的供纬方式就暴露出了性能 上的缺陷。首先，架子筒从满管到空管，退绕半径变化大，导致退绕张力波动大。其次， 引纬是间歇运动，断续的纬纱退绕也会引起剧烈的张力波动，从而导致纬纱断头或各种引 纬疵点。另外筒子的卷绕质量、纬纱的表面状态也会影响高速退绕的纬纱张力及其均匀程 度。为了改善乃至消除这些缺点，储纬器便应运而生。 现代高速喷气织机入纬率有了很大的提高，最高己达到3 2 0 0 删f m i n 。在高速引纬条件 下，要避免引纬张力剧烈波动，使引入梭口的每根纬纱张力保持均匀一致，从而达到减少 引纬断头、提高织物质量的目的，使用性能优异的储纬器是至关重要的【卜4 】。喷气织机储纬 器是典型的机电一体化产品，它是喷气织机纬向系统的关键部件。喷气织机储纬器具有三 大功能，即定长纬纱、储存纬纱和均衡纱线张力，其中定长纬纱功能是喷气织机储纬器所 独有的功能。 目前，喷气织机储纬器主要有以下两种基本的类型5 ，6 1 ，一种是电子鼓式侧长储纬器 ( f d p ) ，其特点是储纬器不具有独立的控制功能，例如日本津田驹z a 型喷气织机上用的 储纬器。f d p 储纬器与织机是同步工作的，由织机控制系统输出的脉冲经过同步回路，再 作信号放大处理后，直接控制储纬电机的运动状态的。储纬电机编码器将储纬电机脉冲反 馈给同步回路，实现储纬电机速度的反馈控制。这种储纬器的工作完全需要与织机同步， 对储纬器启停、加减速要求高，难以精确控制，现在用得并不多。另一类是具有自主控制 功能的储纬器，其中典型的代表是瑞典i r o 公司的i w f 8 4 0 7 型储纬器1 7 j 。这种储纬器具有 纬纱传感器，储纬器的微处理器根据纬纱传感器信号控制储纬电机的转速，使储纬器电机 适应纱线不同的速度，并且在间歇性的引纬运动中，储纬电机处于近似的连续转动状态， 有利于纬纱张力的稳定。这种形式的储纬器在喷气织机上应用得越来越广泛。 近年来，国家为了发展我幽的纺机工业，进一步缩小与国际先进水平的差距，把研制、 生产无梭织机和关键配套件列入重点发展计划，其中储纬器足列入项目的关键配套件之一 1 浙江理工大学硕士学位论文 【8 l 。经过最近几年的努力，我国相继研制成功了与剑杆织机、片梭织机和喷气织机配套的 储纬器。但是与国外新型储纬器相比，在技术性能、制造工艺水平和品种上都存在一定的 差距。在国外，为高档无梭织机配套的储纬器已采用了微处理器、专用集成电路、高可靠 性传感器、变频调速以及新型张力调整装置等技术，使储纬器在技术性能上具有较高的档 次。因此，研制具有更先进技术性能的储纬器的任务迫在眉睫。研制开发高档储纬器不仅 为企业自身带来新的经济增长点，而且在以下方面更具有重要的意义1 9 j 。 ( 1 ) 为国产无梭织和进口织机提供关键配套件。替代同类进口储纬器，可以提高国 产无梭织机的国产化率，降低成本，使国产无梭织机在市场上更具有竞争能力，可为国家 节省大量的外汇。 ( 2 ) 新型储纬器的开发研制成功也表明了微处理器、传感器、变频调速及制造工艺 新技术在储纬器上的应用日趋成熟，使储纬器的技术水平更上一个新台阶。缩短了与国际 先进水平的差距，促使纺机行业努力赶上世界潮流。 1 2 国内外储纬器研究现状及发展 1 2 1 国外储纬器发展状况 艾洛( i r o ) 是储纬器发展过程中最有影响力的品牌，艾洛( i r o ) 集团总部位于瑞典， 是世界上历史悠久的著名储纬器研发设计者，从公司早年刚成立开始，一致致力于最先进 的储纬器的研发和生产，在储纬器领域取得了多项研究成果，积极推动了储纬器的发展。 近年来，艾洛( i r o ) 品牌储纬器已销往瑞典，德国，意大利，中国等世界各地，已占据 全球大多数的储纬器市场，艾洛( i r o ) 品牌被人们誉为“确保全球纺机质量 的代名词。 瑞典i r 0 公司研制的c o m e t 储纬器是一种定长式储纬器，常用于喷气织机。c o m e t 储纬器的储纱鼓是静止的，绕纱盘和排纱机构的配合运动完成纱线的存储。绕纱盘高速转 动下将纬纱卷绕在静止的储纱鼓上，同时排纱机构的紧密积极的排纱运动将纬纱有序的排 列在储纱鼓上。引纬开始时，受控的的挡纱针抬起，开始释放纬纱。退绕的纬纱量是由退 纱传感器来榆测的，退纱传感器在纬纱被释放时检测纱线被释放的圈数，当达到设定值时 挡纱针落下，停止纬纱的释放。当储纬鼓上的纬纱量发生改变时，检测储纬量的传感器开 始工作，反馈信号给储纬器处理器调节储纬器电机的转速。c o m e t 储纬器的供纬速度最 高叮达到2 0 0 0n 1 m i n ，供纬长度在0 9 6 4 0 5 m 之间连续调节i 。p l c a n o l p a t 喷气织机 用的1 w f 8 4 0 7 储纬器也是i r o a b 公司的定长式储纬器产品，控制功能较为复杂，采用单 2 浙江理丁大学硕十学位论文 片机为主控制器，主要包括储纱与退纱传感器控制、挡纱针控制和储纬器电机变频调速控 制。其中退纱传感器控制功能可以根据用户实际情况进行选择，既可以选用1 w f 8 4 0 7 储纬 器内部控制，也可以由外部的织机来完成退纱量的控制。 意大利r o j 公司生产的m i n i e l f 储纬器，最高速度为18 0 0 删f m i n ，它不具有独立控 制功能，纱线的释放过程完全是由织机控制。它的特点是，在不同的引纬速度下，纬纱张 力可以自动调整。d o r n i e r 喷气织机上用的r o j e i f 储纬器也是是r o j 公司的，r o j e i f 储纬器控制系统功能比较强大。它以8 位单片机为核心的控制系统有多个子系统构成。主 要的子系统有储纬器电机自动变速、定长控制及参数设置等模块。整个控制系统采用功能 模块化的设计方法，是储纬器控制系统的不断发展的方向之一。 意大利l g l 公司生产的储纬器也占具有一定市场份额，储纬器类型较为丰富，主要 包括定长式和非定长式。如型号为p r o g i 迎s s 、s m a i 汀、j e t 、m i c r o 、l i g h t l 0 0 0 等 储纬器，非定长式储纬器供纬速度可达1 0 0 0 删，m i n 以上，定长式储纬器供纬速度可达1 8 0 0 舢m i n 【1 1 1 。 瑞士s u l z e rr u t i 公司的a b s t e 储纬器供纬速度比较高，最高供纬速度已超过2 0 0 0 m 懈n ，并且在张力控制上具有特色。它通过特有的张力控制器，有效控制了纬纱的张力 波动，使得引纬时纱线张力接近均衡状态。 关于储纬器发展的最新进展，还是不得不提到i r o 公司。作者有幸参观了2 0 0 9 在上 海举行的第2 5 届国际纺织工业展览会，并特地观摩了l r 0 公司的储纬器最新研究成果。 i r 0 公司展出了s t a rg 2 、s u p e re l f g 2 两种型号的储纬器，其中应用全新p m 马达技术的 s u p e re l f g 2 储纬器响应了全球低碳经济需求，可以节能3 0 【12 1 。s u p e re l f g 2 储伟器是喷 水和喷气织机的s u p e re l f 储伟器的升级版，其主要零部件为金属件，电机、磁针总成和通 讯电缆均达到i p 6 3 防护等级，采用p m 马达技术的永磁电机扭矩更强大，电能消耗更少。 s u p e re l f g 2 的主要优异性能为可以轻松调节绕纱鼓直径，无需工具便可快速调整分纱间 距，等离子图层的绕线鼓装有专用传感器反射装置，内置断纱自停传感器和气动穿纱装置 等功能。 1 2 2 国内储纬器发展现状 目前，国内研发生产喷气织机储纬器的厂家也比较多，但是，大多是在引进国外的一 些先进技术的基础上改进而来的。另外，一些纺织企业结合自身的条件和需要，对一些引 进新产品作某些实用性的技术改造。还有一些基于进口喷气织机储纬器的故障分析诊断的 3 浙江理工大学硕士学位论文 研究，开发出相应产品的专用故障诊断系统，这既是对国外先进技术的进一步消化吸收， 同时对企业生产实践也具有指导作用。根据查阅的文献，概述一下目前国内专家学者研究 储纬器的现状。 叶斌等人【1 0 ，1 3 】分析了织机储纬器的几种常见形式，将储纬器分为动鼓卷绕式储纬器和 定鼓卷绕式储纬器两种，从机械结构和工作原理的角度举例说明了不同类型的储纬器的特 点。分析了储纬器的绕纱运动，指出卷绕方向与纬纱的捻向有着密切的联系。计算分析了 两种不同形式排纱机构的运动，并获得了它们的运动轨迹。通过实验研究，得出了纬纱张 力与纬纱速度之间的函数关系，并指出纱线卷绕路径影响到纱线张力。储纬器纬纱出口处 的张力装置对进入织机梭口的纬纱张力有最直接的影响，还详细分析了几种新型的输出张 力装置的结构及其特点。徐山青等人【1 4 l 研究了定长储纬器的定长方法，介绍了储纬器定长 原理，并以两种常用的定长储纬器为例具体讨论了储纬器定长方案，提出了一些具有参考 价值的定长方案，对以后开发新型储纬具有指导意义。 贾立新等人【1 5 ，1 6 】专门研究了织机储纬器的变频控制，阐述了储纬器变频控制器的特点 和电子控制原理，并利用单片机作为主控制器设计了储纬器变频控制系统。刘仁维等人【l 7 】 针对喷气织机储纬器展开了研究，分析了喷气织机储纬器的工作原理和控制方法，将其控 制系统按模块化的思想分为几个子系统，讲述了各个子系统设计方法，不过没有给出明确 的实施方案。张培建【1 8 】分析研究了国外较先进的喷气织机储纬器的控制系统结构，并对其 控制电路进行了具体的测绘。并开发了一套基于国外储纬器的故障诊断系统，这大大方便 了储纬器故障检测维修的难度。综上所述，对喷气织机储纬器的研究主要还是停留在控制 原理的分析研究层面上，当然这对储纬器的维护和保养也是有帮助的，但是要真正提高喷 气织机储纬器的性能，需要对其控制系统做系统深入的研究。 1 3 论文的研究内容 本论文首先介绍了储纬器的作用，并对几种常见类型的储纬器进行了分析，阐述了储 纬器的基本结构和工作原理。同时重点介绍了喷气织机储纬器的定长机制，讲述了储纬器 张力控制装置，以一种典型张力装置为例介绍其结构和工作原理。然后，采用新型嵌入式 数字信号控制器设计了喷气织机储纬器控制系统的硬件和软件，按功能模块化的思想将喷 气织机储纬器控制系统分为电机调速、储纬控制及纬纱张力控制等模块，具体详细的介绍 了各个模块的实现方法和设计要领。软件设计采用结构化的程序设计方法，提出了电机调 速的速度跟踪算法。 浙江理工大学硕士学位论文 论文共分为六章，各种主要研究内容如下： 第一章：“绪论”，阐述课题研究背景与意义，介绍国内外的储纬器的发展与研究现状。 提出课题的研究内容、论文的基本结构和关键技术。 第二章：“喷气织机储纬器结构及其原理 ，介绍了储纬器的功用、分类、组成和工作 原理，分析了喷气织机储纬器的定长原理。最后，以一种典型的张力装置为例，介绍了储 纬器张力控制装置的工作原理与结构。 第三章：“喷气织机储纬器控制系统硬件实现，首先介绍了控制系统的总体设计方案， 然后详细介绍了控制系统的各个子系统的实现方法。 第四章：“喷气织机储纬器控制系统软件设计 ，首先介绍了控制系统软件开发环境及 开发工具，然后采用结构化的程序设计方法，介绍了控制系统各模块的程序设计方法。 第五章：“实验结果及分析 ，在上机实验中，测试了控制系统性能的一些关键量，并 分析了实验结果。 第六章：“总结与展望 ，对论文的研究成果进行了总结，对课题中有待进一步深入研 究之处进行了展望。 1 4 论文的关键技术 本论文的关键技术主要包含以下几个方面： ( 1 ) 控制系统整体设计采用功能模块化的方法，以新型高性价比的数字信号控制器 d s p i c 为核心对控制系统的子系统分别进行了设计。充分发挥了主控制器d s p i c 的控制功 能和高速信号处理的能力。 ( 2 ) 控制系统设计中的关于喷气织机储纬器储纬量控制、断纬检测控制，使控制系 统性能得到提升。储纬量控制采用了最大储纬量、最小储纬量双检测的设计，是储纬器存 储纬纱的功能更加完善。加入断纬检测功能，提高了储纬器故障自诊断能力。另外，为均 衡储纬器张力，利用主控制器d s p i c 的输出比较模块的简单脉冲输出功能设计了纬纱张力 制动控制系统w b s 。 ( 3 ) 提出速度跟踪算法，实现储纬器电机的自动调速，使储纬器电机转速在一定 程度上跟踪于纱线的速度。 浙江理工大学硕士学位论文 第二章喷气织机储纬器结构及其原理 2 1 储纬器的功用及分类 在织机工作过程中，纱线从架子筒上退绕下来，由于织机的引纬过程间隙性的，那么 纬纱的退绕运动也必然不是连续的。这种间隙性的引纬运动会导致纱线张力的波动，在过 去低速织机上这种由架子筒直接向织机提供纬纱的方式也许是可行的。但是随着现代新型 织机速度的不断提高，这种原始的供纬方式已不能适应实际的生产。在织机高速引纬过程 中，纱线张力波动加剧，这不仅会导致纱线的断头机率大大增加，还会影响到织物质量和 制造效率的提高。为尽量减小纱线从架子筒上退下时的张力变化，使纬纱以近似恒定张力 的状态进入织机梭口，一种存在于架子筒和织机梭口之间的储存纱线装置一储纬器被广泛 应用。实际上，在现代织造生产过程中，只要是在纱线高速退绕的场合，例如各种无梭织 机和针织纬编大圆机均大量使用储纬器。 纱线被卷绕到储纱鼓上，这是靠卷绕运动和导纱运动来完成的。卷绕分为动鼓式卷绕 方式和定鼓式卷绕方式。导纱则分为积极式排纱方式和消极式排纱方式。储存在储纱鼓上 的纱线通过一定方式被释放，纱线退绕方式有定长式和非定长式两种。定长式退绕一般用 于喷气、喷水等喷射织机，而非定长式退绕常用于剑杆织机、片梭织机等。因此，从结构 上按照纱线卷绕方式、导沙方式和纱线退绕方式可以将储纬器细分为以下几种类型【l9 1 。 ( 1 ) 动鼓卷绕式储纬器 在储纬器发展的初期，动鼓卷绕方式的储纬器用得较多。动鼓式储纬器在存储纬纱过 程中，存储纱线的储纱鼓是转动的。存储纬纱时，储纱鼓在电机驱动下摆动，一般这种储 纬器没有专门的排纱机构，纬纱就是在储纱鼓不停摆动下存储到储纱鼓上的，因此，它较 大程度的依赖于储纱鼓的机械结构。例如，把储纱鼓表面加工成锥形，并保持一定的锥度 角。对于动鼓式储纬器来说，如果增大储纱鼓的直径则会导致转动惯量的增加，这对储纬 器的启动、制动是不利的。若使储纱鼓的直径减小，则纬纱卷绕圈数较多，由于没有排纱 机构过多的纬纱圈数易导致纱线重叠，尤其是捻度低的纱线，纱距小易于重叠在一起，而 不利于引纬。动鼓式储纬器主要用在低速织机上，如一些低速的剑杆织机或针织机械上。 ( 2 ) 定鼓卷绕式储纬器 现在较多的储纬器属于这种定鼓卷绕方式的，定鼓式储纬器与动鼓式储纬器结构上最 大的区别在于储纱时储纱鼓的状态不同。定鼓式储纬器在储纬时，储纱鼓处于静止状态。 6 浙江理工大学硕士学位论文 它是靠绕纱盘和排纱机构实现存储纬纱的。电机带动轻质绕纱盘作回转运动，绕纱盘将纱 线卷绕至静止的储纱鼓上后，同时摆动的排纱机构不断地进行有序的排纱运动。定鼓式储 纬器结构简单，储纱量大，一般多用于入纬率在1 0 0 0 m ，m i n 以上的情况和2 m 以上筘幅的 织机。 ( 3 ) 定长退绕式储纬器 对于喷射式织机，其纱线是在气流或水流压力牵引下供给织机的。织机本身不能确定 喷射引纬长度，需要储纬器根据织机织造幅宽来限定退绕纱圈的圈数。储纬器上的定长装 置( 即挡纱针) 就是起这个作用。喷射织机上的主控制器根据喷射流速和预设的喷射距离 计算出需要退绕的时间，控制挡纱针抬起和落下，抬起和落下的时间间隔就是退绕时间， 即计时定长式退绕【2 0 。2 1 1 。不过目前广泛使用的是利用传感器计圈数定长式电子储纬器，它 能更精确地控制释放纬纱的长度，如r o j e l f 电子储纬器。 ( 4 ) 非定长退绕式储纬器 由于剑杆织机和片梭织机等都具有纬纱夹持机构，引纬过程中，纬纱直接由夹持机构 夹持着在织机纬向运动。储纬器只需要在纱线退绕处安装一些张力装置，以给退绕纱线一 定的张力和阻力，储纬器就可以配合织机工作。因此，非定长退绕式储纬器不需要复杂的 定长装置。 在织造生产中，不同类型的纱线对其在储纱鼓上的排列方式的要求也不一致。一些普 通的纱线可以紧密排列在储纱鼓上，而扁平纱、结子纱等则必须在储纱鼓上按照有间距的 方式排列，以避免纱线快速退绕时的粘连。由于以上要求，导纱方式又分为消极式排纱和 积极式排纱两种。消极式排纱和积极式排纱在上述中已有提及，这里不再一一介绍，二者 的最大区别在于消极式排纱的储纬器的没有专门的排纱机构。 2 2 储纬器的组成及原理 以下仅以一款典型的喷气织机储纬器为例讲述其主要机械结构及工作原理。图2 1 是 i r 0 公司生产的用于喷气织机上的高速定鼓定长式储纬器。机械结构如图2 1 所示，整个 储纬器机体是通过定位销4 用螺栓固定在支架上的( 在储纬器的下方，还有固定在支架上 的储纬器电源箱，图中未给出) 。主要构成部件是储纬电机3 、储纬器主控制板l 、绕纱盘 5 、储纱鼓6 、排纱机构9 、挡纱针及纱线传感器组件8 、调节储纱鼓直径的旋钮1 0 。主控 制板1 是储纬器的控制中心，挡纱针及纱线传感器组件8 是实现纬纱定长所不可缺少的部 件。开关2 是主控制板l 的电源丌关，同时开关2 还是主控制板1 重肩的开关，当长期不 浙江理t 大学硕士学位论文 使用储纬器时建议将开关置于o f f 位置。点动按钮7 按下时储纬电机点动运行，常用于纱 线接头。 i 3 图2 1m o 定长储纬器 1 主控制板2 开关3 储纬电机4 定位销5 绕纱盘6 储纱鼓7 点动按钮 8 挡纱 针及纱线传感器组件9 排纱机构 1 0 一调节储纱鼓直径的旋钮 纱线在架子筒上退绕下来后，从储纬电机3 的空心轴中穿过，再从绕纱盘5 的导管中 穿出。储纬电机驱动绕纱盘高速旋转，纬纱被卷绕在静止的储纱鼓6 上。在绕纱盘转动的 同时，排纱机构9 也不停地进行紧密型积极式排纱运动，将绕纱盘缠绕的纬纱有序的存储 在储纱鼓上。当纬纱储存到一定量时，纱线传感器发出信号，使储纬电机减速或停转。引 纬开始时，挡纱针受控抬起，纬纱从储纱鼓上高速退绕，纬纱在织机喷嘴中高速气流的作 用下进入织机梭口。在纬纱高速退绕的同时，纱线退绕传感器开始工作，计数纬纱释放圈 数。当达到设定退绕圈数时，挡纱针落下，锁定纬纱，一次引纬结束。在引纬过程中，挡 纱针受控不停地抬起、落下，如此不断的循环。由于纱线被释放，储纱鼓上的纱线逐渐减 少，当减少到一定量时，纱线传感器发出信号，使储纬电机进行储纬。 2 3 喷气织机储纬器定长原理 喷气织机储纬器是一种定长式储纬器，纬纱定长原理如图2 2 所示【1 4 】。储纬器的轻 质绕纱盘在储纬电机的驱动下转动，纬纱2 从轻质绕纱盘中的导纱管5 中穿出，被缠绕至 储纱鼓4 上。在摆动的排纱机构的作用下，使储纱鼓上保存一定数量的纬纱。当引纬时刻 到来时，挡纱针3 在电磁力的作用下快速抬起，纬纱被释放，引纬过程丌始，当退绕到设 8 浙江理t 大学硕十学位论文 定的圈数n 时，挡纱针3 落下，一次定长引纬结束。引纬过程中，每纬退绕圈数n = a ( 1 + s ) 7 【d 。式中：a 为织机上机箱幅；s 为考虑织边等因素的加放率；d 为储纱鼓直径。 敛 1 g - - 。一、 ? 弋 、 ， _ _ _ 储纬器上的张力装置有前端张力装置和后端张力装置，前端张力装置安装在架子筒与 储纬器之间，对从架子筒上退绕下来的纱线施加一定的张力，使其顺利进入储纬器入纱口。 这种前端张力装置多数是一些机械式张力装置，如各种夹纱片、板簧片等，一般根据纱线 捻向及粗细程度选择合适的规格即可。所谓后端张力装置是指安装在储纬器与织机之间的 张力装置，后端张力装置对纬纱上机张力有着直接影响，虽然过去也有采用机械式张力器 的，但是现在越来越多的采用电子式纱线张力控制装置。下面介绍本设计中的一种电子式 纬纱张力制动装置一w b s 装置的结构及其工作原理。 w b s 作为一种纱线制动装置，其总体结构是大致是相同的，一般主要是由电机动力驱 动部分和制动执行部分组成。然而，具体结构形式较多，这罩仅以一种常见的结构形式为 例，并介绍其功能和工作原理。 如图2 3 所示是一种典型w b s 装置【2 3 】，1 是所有部件支撑结构，整个装置通过9 安装 在储纬器伸出的支架空心轴上，纬纱从储纬器储纱鼓引出后经空心轴，从同一轴心的7 、8 中穿出后到达织机左侧。7 、8 及8 、9 之间均存在间隙，6 呈u 型，它被固定在5 上，将 随着5 的回转而在端部套筒4 与底部套筒( 图中未给出，在7 、8 的f 下方位置) 之问摆 浙江理工火学硕士学位论文 动，摆动过程中穿过间隙，与纬纱在两点处发生摩擦接触。电机正转过过程中纬纱被制动 件压下而被制动，电机反转时纬纱被释放为自然运动状态。 图2 3w b s 装置结构示意图 1 w b s 装置外壳，2 w b s 电机的接线束，3 w b s 电机安装位置，4 端部套筒，5 电机轴， 6 制动件，7 端部衬套，8 中央衬套，9 安装孔 当织机引纬结束时，w b s 电机驱动制动件正向回转，高速纬纱在制动件的摩擦力作用 下被制动。当达到一定的制动强度后，电机迅速发生反转，停止制动纬纱，然后电机进入 停机状态。电机就这样正转反转停机反复循环工作，从而不断地实现纬纱制动。在纬纱 制动过程中，制动的开始时刻、制动强度的大小等通过控制系统软件编程实现。对于喷射 织机而言，w b s 装置还具有将纬纱拉回的功能。将线头拉回主喷嘴，以避免两种问题【2 4 之5 1 ， ( 1 ) 交织或混色织造时，伸出主喷嘴的线头会发生相互缠结。( 2 ) 切纬机重复切纬。伸 到主喷嘴以外的线头很可能会进入切纬机而被再次切断，产生玻纤断头或尘埃，前者易被 织入造成织疵，后者会造成污染。 l o 浙江理工大学硕士学位论文 第三章喷气织机储纬器控制系统硬件实现 3 1 控制系统总体设计 在上述的对喷气织机储纬器工作机理的充分分析的基础上，本设计中，利用新型数字 信号控制器设计了喷气织机储纬器控制系统。以数字信号控制器为核心，将控制系统按功 能模块划分为四大子系统，以下分别讲述了各个子系统的具体实现方法。 3 1 1 系统总体方案 喷气织机储纬器控制系统的总体结构如图3 1 所示，整个控制系统主要是由四个子系 图3 1 控制系统总体结构框图 统构成，即储纬控制予系统、储纬器电机控制予系统、w b s 控制子系统和通信子系统。采 用m i c r o c h i p 的数字信号控制器( d 画t a ls i g n a lc o n t r o l l e r ，d s c ) 作为主控制器。其中， 储纬控制子系统是整个控制系统的关键组成部分，将实现纬纱存储量、纬纱释放量和断纬 等信号的检测和处理。储纬电机控制子系统是重要的子系统，实现储纬器电机的全自动凋 速。纬纱张力制动装置( w b s ) 控制子系统完成对引纬结束时纬纱张力的控制，减小引纬 结束时纬纱张力。通信子系统将实现喷气织机储纬器与织机主机及参数设置终端的串口通 讯的功能。 3 1 2d s c 芯片简介 数字信号控制器( d s c ) 是m i c r o c h i p 公司于2 0 0 4 年最新推出的高性能的1 6 位c p u ， 浙江理工大学硕士学位论文 采用1 6 位( 数据) 改良过的哈佛架构，它充分融合了高性能1 6 位m c u 的控制优势并完 全实现了d s p 的高运算速度，从而形成了适合嵌入式系统设计的紧密结合的单芯片单指令 流解决方案【2 铊7 1 。目前，主要包括d s p i c 3 0 f 和d s p i c 3 3 f 这两个系列，d s p i c 3 0 f 系列数字 信号控制器的最高运行速度可达3 0 m i p s ，d s p i c 3 3 f 系列运行速度可至4 0 m i p s 。本设计中， 所采用的数字信号控制器为d s p i c 3 0 f 系列中低档次的一款d s p i c 3 0 f 3 0 1 1 ( 下文简称为 d s p i c 或d s c ) ，该芯片为4 0 个引脚的t q f p 封装结构。图3 2 是d s p i c 3 0 f 系列数字信号 控制器的内部结构框图【2 引。 l - 一j 图3 2d s p l c 3 0 fd s c 构架框图 d s p i c 3 0 f 系列c p u 模块数据改良型哈佛架构的特点是数据总线为1 6 位宽度，程序总 线是2 4 位的，程序区与数据区可以交换数据。并且，它的数据总线和程序总线是独立的， 以打破数据传输的瓶颈。内核包含了功能强大的d s p 引擎支持，支持增强功能的指令集， 很适合数字信号处理。c p u 拥有2 4 位宽度的程序指令字，程序计数器为2 3 位，用户程序 存储器实际可寻址空间高达2 4x4 m 位。编程模式中总计有1 6 个1 6 位工作寄存器，每个 寄存器都可作为数据、地址或地址偏移寄存器( 指针) 。该系列数字信号控制器具有丰富 的指令集，包括多种寻址模式，且大多数指令均在单周期内执行，而瞥周期指令预取机制 可以提供最大的吞吐量，有利于运行速度的提高。指令主要分为m c u 指令和d s p 指令两 l ， 浙江理工大学硕士学位论文 大类，这两类指令被无缝地集成到构架中，并在同一个执行单元中执行。它还支持c 语言 编译器编程，采用m i c r o c l l i p 公司提供的的c 编译器，编写代码的效率高、软件调试直观、 升级方便、代码的重复利用率高、便于跨平台的代码移植等等，应该是未来系统开发语言 的发展趋势2 8 1 。 3 2d s p i c 最小系统的设计 以数字信号控制器d s p i c 为核心的最小系统包括了一些相关的外围电路的设计，主要 有电源管理电路，时钟电路以及在线串行编程接口i c s p 电路的设计。最小系统的设计是 整个控制系统设计的基础，在控制系统程序调试时，可以首先从最小系统出发，从而为后 续的各项调试工作打下基础。 3 2 1 电源电路 电源电路是将为系统正常工作提供稳定可靠的电源，如向控制系统m c u 及其他集成 电路提供+ 5 v d c 。储纬器的工作环境较恶劣，长期处于有大量灰尘的纺织车间中。目前， 用户反映一些储纬器在工作时，储纬器控制板经常发生烧坏现象。这主要表现为控制板系 统m c u 被烧坏，于是为储纬器控制系统m c u 提供一个优异的工作电压是厄需解决的问 题之一。设计的电源转换电路如图3 3 所示，电源电路的输入是储纬器电源箱输出的 + 2 5 v d c ，经过l m 2 5 7 4 系列稳压芯片转换后输出+ 5 v d c ，另外通过7 8 1 5 稳压芯片后得到 + 1 5 v d c ，作为某些集成电路的电源。设计中摒弃了采用惯用的三端稳压器件( 如7 8 x x 系 列三端稳压器件) 作为系统关键工作电压+ 5 v 的转换芯片的做法，这是由于这些线性稳压 电源的工作效率较低，会造成控制系统性能的不稳定1 2 9 1 。本系统采用国家半导体公司 ( n a l i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 的开关电源稳压转换器l m 2 5 7 4 5 0 为系统m c u 提供电源。 l m 2 5 7 4 5 o 是l m 2 5 7 4 系列开关稳压集成电路的一种，它具有可靠的工作性能、较高的工 作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为m c u 的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。 l m 2 5 7 4 系列稳压芯片是单片集成开关电源调节器件，具有降压开关稳压器应有的所 有功能，可以通过优良的线荷调节与负载调节，驱动o 5 a 的负载。l m 2 5 7 4 系列器件具有 多种固定的电压输出：3 3 v ，5 v ，1 2 v ，1 5 v 和一个可调节输出版【3 0 j 。l m 2 5 7 4 系列器件 使用简单，只需极少的外部元件，且包含内置频率补偿和一个同定频率的晶振。l m 2 5 7 4 系列器件可作为流行三端线性稳压器的高效替代方案，由于其高效设置，器件中仅有印刷 浙江理工人学硕士学位论文 电路板上的铜线有散热的需求。适用于l m 2 5 7 4 器件的一系列标准电感，可从多个不同的 制造商处获得，这种特性大大简化了开关式电源的设计。l m 2 5 7 4 系列器件的其他特性还 包括，在指定的输入电压和输出负载范围内，可保证4 的输出电压容差，以及1 0 的 晶振频率容差。l m 2 5 7 4 还集成了外部关断模式，待机电流仅为5 0 “a ( 典型) 。l m 2 5 7 4 的输出开关不仅包括逐周期电流限制，还在故障发生时，采用热关断为器件提供充分的保 护。 o u t p t i t + 5 v d c u 。 一 ，l4 、， c l d 67， 2 ： 1 3 7 j c d 5 l3= n 。1 2 7 刀 ：! ；3 ，：+ i c ，。 一 c 7 =l 黼：， 7 4 ! 一3 一 一 ” d【 = j 图3 电源转换电路 3 所示的电路设计中，主要考虑输入电容c 5 、输出电容c 6 、续流二极管d 5 以及电感l这四个元件的设计。输入电容可以抑制输入端可能出现的大的瞬态电流， 输出可以对输出电压滤波并提高环路的稳定性，续流二极管为关断时的电感电流提供 回路能电感与输出的波纹电压有关。这里参照文献30】，选取电感l=330ph，选取肖基 特二11dq06作为续流二极管，输入、输出电容分别为22pf、220心的电解电容。图 3，箝位二极管d1、d6采用瞬态抑制二极管smcj系列二极管，它具有箝位能力出色， 响应快等特点。在pcb板设计时，c5、d5应尽量靠近lm25745o的输入引脚，连 接导可能短。 3 2 时钟电路 可靠性好的系统来说，时钟电路的设计无疑是至关重要的。d s p l c 3 0 f 器件可 以选振荡器、辅助振荡器