（机械电子工程专业论文）筒管纱卷绕机机电一体化系统设计.pdf

摘要 随着科学技术的不断发展，机电一体化技术得到了广泛的应用，促使国内外 纺织机械钉了较大的发展，但是还存在很多距离。因此，对于纺织机械中机电一 体化技术应用的研究尤其显得迫切。本课题就足应新型纺机实验事研究需求，按 照机电一体化系统的设计要求，研制了一台简管纱卷绕机。这台卷绕机的研；刨中 危分心用了机电一体化技术，对机电一体化技术在纺织机械应用中遇到的问题作 了一定的研究。本课题所做的具体工作如下： ( 1 ) 基于卷绕机两种不刚- - 艺方案的比较，选用电机直接驱动卷绕车i h 进行 纱线卷绕的卷取方式，设计了卷取装置的具体机构；对比了现有眷绕机多采用的 凸轮或拨义机构优劣，相比之下螺旋副的体积小，质量轻，结构简睢，且易实现 往复运动，这台小型卷绕机提出了采用螺旋剁导丝方式，设计了卷绕机往复成行 装胃的具体机构。 ( 2 ) 在分析筒管纱卷绕机控制功能要求的堆础上，提出了基丁p l c 的控制系 统的解决方案。既保证卷绕机： 作的可靠性，又便于今后功能的扩充和改进。 ( 3 ) 为了便于实现复杂的控制要求，选择触摸屏作为控制系统的人机界面， 对卷绕机控制系统实时监控。 ( 4 ) 完成控制系统的硬件设计和软件设计，以及控制系统的软件、硬件的 现场试验和调试。 关键词：机电一体化技术；卷绕机；筒管纱；p l c ；触摸屏 a b s t r a c t w i t ht h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y u n c e a s i n gd e v e l o p m e n t ，t h e m e c h a t r o n i c s t e c h n o l o g yh a v eb e e no b t a i n e dt h ew i d es p r e a da p p l i c a t i o n u r g e dt h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nt e x t i l em a c h i n e r yt oh a v eab i g g e rd e v e l o p m e n t ，b u ta l s oh a dt h ev e r yl o n g d i s t a n c e s t h e r e f o r e ，t h em e c h a t r o n i c st e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nr e s e a r c he s p e c i a l l ya p p e a r sv e r y u r g e n tr e g a r d i n gt h et e x t i l em a c h i n e r y t om e e tt h en e wt e x t i l em a c h i n e r yl a b o r a t o r y r e s e a r c hd e m a n d ，a n da c c o r d i n gt ot h em e c h a t r o n i c ss y s t e md e s i g nr e q u e s t ，t h e w i n i n gm a c h i n eo fb o b b i ny a r ni sd e v e l o p e d t h i sw i n d i n gm a c h i n ed e v e l o p m e n t f u l l ya p p l i e dt h em e c h a t r o n i c st e c h n o l o g y , t h eq u e s t i o n sw h i c hm e ti n t h et e x t i l e m a c h i n e r ya p p l i c a t i o nt om e c h a t r o n i c sd o e st h ec e r t a i nr e s e a r c h t h ed e t a i l e dw o r k s s h o w e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eo p t i m a lp l a no fd e s i g ni sm a d et h r o u g ha n a l y z i n gd i f f e r e n to p e r a t i o n p r i n c i p l eo ft h ew i n d i n gm a c h i n e ，a n dt h ed e s i g no fw i n d i n gd o w nm e c h a n i s m ，t h r e a d g u i d em e c h a n i s m ，t e n s i o na d j u s tm e c h a n i s mo ft h em a c h i n e i sp r o v i d e d ( 2 ) i nt h i st h e s i s ，t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n tt h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ew i n d i n g m a c h i n ei st h o r o u g h l ya n a l y z e d a n do ns u c hab a s i s ，1p u tf o r w a r dar e s o l u t i o np l a n f o rt h ec o n t r o ls y s t e mt ow h i c hp l ci sa p p l i e d t h i sn o to n l ye n s u r e st h el i a b i l i t yo f s y s t e m ，b u ta l s om a k ei te a s yf o rf u t u r es y s t e mf u n c t i o n a le x t e n s i o na n di m p r o v e m e n t ( 3 ) i no r d e rt om e e tt h ec o m p l e xc o n t r o lr e q u i r e m e n t ，t o u c hs c r e e ni sa p p l i e da st h e i n p u ta n dv i s u a lo u t p u td e v i c eo ft h es y s t e m sh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ( 4 ) ih a v ea c c o m p l i s h e dt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ew i n d i n g m a c h i n e c o n t r o ls y s t e m ，a l s oh a v ec o m p l e t e dt h ee x p e r i m e n ta n da d j u s t m e n ta tt h e s c e n e k e yw o r d s ：m e c h a t r o n i c s ；w i n d i n gm a c h i n e ；b o b b i ny a r n ；p l c ；t o u c hs c r e e n 独创性声明 本人声明所掣交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得丕洼玉：些厶堂缄其它教育机构的学位或证而使，l ；l j 过的材料。与我一同_ l ： 作的同忠对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并发示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期翻“年2 - 上j 石知 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼三e 些态堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云 洼王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅平借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印什弄磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 莨遭芎 签字日期：如咿z 月彩日 导师签名 挂吨j 签字日期：砌彩车z 月彩日 学位论文的主要创新点 一、对比丫现有卷绕机多采用的凸轮或拨义机构优劣，相比之下 螺旋副的体积小，质量轻，结构简单，且易实现往复运动，这台小型 卷绕机首次提出了采用螺旋副导丝机构。 二、设计了卷绕恒线速p i d 控制方法，并在其中引入了部分微分 和输m 限幅的控制，增加了系统的稳定性，取得了比纯粹的p i d 控制 更好的效果；卷绕横动装置三角波的调宵降低了叠丝、凹凸肩等瑕疵 的形成。 三、采用触摸屏实现了控制系统的实时监控，有效地提高了控制 系统设计的效率，并大大改善了控制系统的各项性能指标。 第一争绪沦 第一章绪论 1 1 国内外纺织机械在机电一体化方面的现状与差距 近年束，机电一体化技术得到了广泛的应用。促使国内外纺织机械有了较大 的发腱，如：普遍采用交流变频调速技术，实现人机对话的电子触摸屏应用，计 算机控；制技术扩大应用# 向着智能化的专家系统方向发展，网络和现场总线技术 等，在纺织机械中部有长足的发展。 在化纤机械方面，由于国际先进化纤装置大部分采用了计算 几控制技术、交 流变频技术、电子触摸屏及现场总线技术形成c a n 控制系统，而圈内化纤机械的 机电一体化技术还处在起步阶段。与斟外有较大的差距。过去常采用簟扳机、单 片机及步进电机、变频电机等组成的控制系统。因此，国外涤纶短纤直接纺装置 已达到9 0 0 0 0 t a 。国产装黄仅为3 0 0 0 0 t a ；困外涤纶长丝直接纺p o y 丝的卷绕速 度可达5 0 0 0m m i n ，涤纶工业丝超过6 0 0 0m m i n ，高速巷绕头速度达8 0 0 0 m i n 一1 0 0 0 0m m i n ，国内的涤纶纺丝速度一般为3 5 0 0m m i n ，中固纺织科学研究 院最近研发的b w a8 6 0 t 、b w a8 6 0 b 型全自动卷绕头达3 0 0 0 m m i n 一6 0 0 0 i l l m in i l l 。 在棉纺设备方面，圉内的梳棉机已采用较理想的曲馈一反馈系统，而高速并 条机则仍是丌环控制较多，租纱卷绕机取消锥轮变速装置，花式纺纱的多单元同 步控制均用微机控制器或计算机对变频器、直流伺服电机进行控制，基本接近世 界先进水平，如：并条机出条速度町达8 0 0 m m i n ，且配有自调匀整装置，困外并 条机的出条速度为5 0 0 m m i n 1 0 0 0m m i n ；锭速为1 5 0 0r m i n 的国产高速悬锭粗 纱机领先幽际水平：国产环锭细纱机纺纱速度办可稳定在2 0 0 0 0 r m i n ，且带集体 落纱装置，国外配置集体落纱装置跃车( 1 0 0 0 锭以上) 的岛速细纱机纺纱速度为 2 5 0 0 0 r m i n 。附际先进的转杯纺纱机纺纱速度已超过1 5 0 0 0 0 r m i n ，甚爷达到 1 7 0 0 0 0 r r a i n ，而凼内目| ； 水平还较低1 2 1 。 在织造设备方面：国际先进的整经机卷绕速度已达1 2 0 0 m m i n ，浆纱机车速 超过1 6 0 r m i n ，喷气织机酱遍达i 0 0 0r m i n ，剑杆织机达6 0 0 r m i n ，基本上采用 计算机控制，实现恒张力、恒线速度、电子化、智能化控制：国产整经机、浆纱 机已接近国外9 0 年代水平，喷气织机速度达5 0 0 r m i n - - 8 0 0 r m i n ，剑杆织机可接 近5 0 0 r m in ，变频调速、电子寻纬、电子送经、电子卷取、电子选色、电子多臂 装置、电j 二提花、电子计长、伸缩筘自动横移等技术也已广泛采用川。 在印染后整理设备方面，近年来总体水平提高很快。在国外，纳米技术、生 物整理技术、低温等离子处理技术、数码喷射印花技术与印花、染色、褴理等工 第尊绪沦 艺紧密结合j 衄f h ：而酬内机电体化水、f 也仃较大提高，交流变频川步调速技 术、计算机拧：剀技术、f ? i 息技术1 j 传感技术己酱避心用，使染焙改螽的在线捡测、 乍，。过雕 ：i 制水f 得剑捉，活。 1 2 纺织机械中机电一体化应用的特征 机电。体化技术足住信息沦、拧制沦和系统沦接础卜建立起束的应用技术， 它出俭测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、精密机械技 术和系统总体技术等天键技术组成。机电一体化技术与纺织机械的结合，致使它 具仃殳广的应用特征。 1 2 1 按工艺应用分 概括来说，机电一体化的应用特征主要为： 1 ) 整体结构、。r 艺操作最佳化，如：变频凋速取代了传统的机械凋速，把 原功能部件i 二分敞控制变为了集中控制，用电子联轴器实现远距离同步控制； 7 卜产工艺莱性化，如：设备无需改变硬件结构，只要凋整软件的指令和少量参数 就能适应多品种产品的生产： 2 ) 设备功能强大化，如：清梳联、自动服装戡剪机实现了原光凭机械传动 无法战剪的轨迹等； 3 ) 卜产过程连续化，如：清一梳一并联、粗一细联、细一络联； 系统控制、系统管理智能化，虫【i ：计算机控制系统和专家系统的应用、自动监测 和e l 动诊断系统等； 4 ) 产品质量稳定化，如：自动络简机的电予清纱器的应用，电子送经和电 子奄绕系统的应用等i s ! 。 i 2 2 按机电一体化应用的功能分 1 ) 调速系统的1 动控制系统 控制方式一般有数字式和模拟式两种。数字式采用单扳机、单片机、p c 机、 i p c 、p l c y l , 末进仟控；驯；模拟式控制有倒服凋速系统和变频调速系统。 2 ) 电子e j 动测控系统 以通用的电_ f 兀件结合小刚的传感器和执行饥陶，对生产过程中的各种参数 进行采佯、监测与控制。 第一章绪论 3 ) 计算机控制管理系统 它不仅能够对生产过程进行榆测、监控、自动故障诊断、自动返回、自动报 警，刚时还可以进i 亍数据统计、打印报衷、结果分忻、决策等具仃智能化的，卜产 管理活动，并将进。步发展成为专家系统、智能化的机器人及c i m s i k 产系统，足 机电一体化发展的t 要方向i b - 7 | 。 1 2 3 按控制的方式分 根据枪测和控制的前后关系，一般分为三种回路形式： 1 ) 开环系统足检测位置在控制位氍的前面，按系统扰动量进行调节的控制 系统，又称前馈控制； 2 ) 闭环系统是检测位置在控制位胃的后面，按偏筹进行调节，又称反馈控 制； 3 ) 混合环系统足开坏与闭环的混合形式。它把快速反应的开环系统和中、 低速反应的闭环系有机结合起柬，在控制机构上叠加两方面检测到的信号，取长 补短，形成前馈一反馈控制系统。 1 3 课题的来源和意义 从以上分折可以看出，现代纺织机械实质上是一个光、机、电和计算机技术 集成的系统，机电一体化和智能化水平的高低决定着纺机档次的商低。 中国加入w t o ，致使国内纺机行业面临巨大的竞争压力。因而，作为一名纺 织机械的科研工作者，应该密切注意国际纺机发展的新动向，充分利用计算机技 术、信息技术、激光技术、液压技术，研制高柔性、高集成、高可靠性、高速、 商效、节能、环保、自动化、连续化、智能化的新型纺织机械，以适应高性能、 多功能、小批鼍、多品种、高技术含量的纺织品! e 产的要求。 本课题就是在这样一个背景下，为满足学院新型纺织机械研究宅实验用筒管 纱，棉纺、混纺纱线等需要按照一定的卷装形式眷绕到简管上而设计了这台筒管 纱卷绕机。主要功能足实现纱线在卷绕机上按照一定的卷绕角，逐层、密排成螺 旋线形的圆柱形卷装筒子，工艺上要求岱绕应满足卷绕参数：卷绕角，螺距，卷 装动程的变化要求，并设计具有防凸、防叠、速度调节等性能，整机实现全自动 化。本课题充分利用了机电一体化系统设计的方法，研制了这台具有机电一体化 功能的筒管纱卷绕机，为新型纺织实验室的纺织机械从机械式到机电一体化的转 第章绪论 变提供了一定的参考价值。 第一：章筒管纱卷绕机的总体设计 第二章筒管纱卷绕机的总体设计 随符科学技术的进步，特别足计算机技术的迅速发展，促进了电子技术与机 械技术的仃机结合，f i 本在1 9 7 1 年首次提出m e c h a t r o n i c s ，即机械电子学( 办 称机电一体化) 。机电一体化经过三十多年的实践与发展，其涵义已发生了深刻 的变化，并不断地破赋f 新的内容，逐步向各行各业深入。现今，随着计算机技 术特别足软件技术的快速发展，使得机电一体化设备具有了良好的智能性，本课 题的筒管纱卷绕机设计成机电一体化设备，因而在设计过程中以机电一体化设计 方法为指导。 2 1 机电一体化的涵义 机电一体化至今还没有统一的严格的定义，最简洁的解释是“机械与电予的 有机结合”。经过多年的实践，人们对“机电一体化”的认识不断深入，“机电一 体化”也不断地被赋予新的内容。“m e c h a t r o n i c s ”也被关斟、英国及欧洲所认 可。 机电一体化的核心足计算帆控制伺服系统，它概括了精密机械技术、伺服驱 动技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术六大关键 技术，有跨学科的思维能力进行综合集成，强调系统各个环节之间的协调与匹配， 以便达到系统整体最佳的目标1 8 1 。 2 2 机电一体化的组成 尽管机电一体化系统( 产品) 主功能不同，结构繁简各异，但一股由机械本 体部分、传感部分、控制与信息处理部分、驱动部分、执行部分和接口部分组成。 具有智能功能的机电一体化系统( 产品) 的一个显著特征是，它的内部功能构成 与组成要素，像一个人的功能结构和组成要素那样完美。如图2 1 机电一体化系 统与人体要素的对照示意图所示。 第：荜筒管纱蟹绕帆的总体改汁 幽2 - 1 为机电一体化系统与人体要条的对照示意幽 2 2 1 机械装置( 结构功能) 机械足 | 机械零件组成的、能够传递运动并完成某訾有效1 ：作的装置。机 械d i 输入部分、转换部分、传动部分、输出部分以及安装同定部分等组成。通用 的传递运动的机械零件有齿轮、齿条、链条、链轮、蜗朴、蜗轮、带、带轮、曲 柄以及凸轮等等。两个零件互相接触并相对运动，就形成了运动剐，由若干运动 副组成的具钉确定运动的装置称为机构。就传动而毒。，机构就足传动链。 为了实现机电系统整体最佳的日杯，从系统动力学方面求考虑，传动链越短 越好，因为每一对传纠j 副中部存在“间隙i f 线性特性”，根据控i 驯理论中的分折， 这种m 隙i 线性会影响系统的稳定性。另外，传动件本身的转动惯肇会影响系统 的响应速度以及系统的稳定性。在数控机床行业中之所以存在仁闭环控制”， 其原斟就在于此。 据此，提出“轴肘轴传动( d d 传动) ”，如电动机直接传动机床的t 轴，或皆 机床t 轴就是电动机的转予，从而出现了各种电主轴。这对执行器提出了更高的 要二j 之，存在机碱装置与执行器之间的协调与匹配问题。 存必须保留一定的传动件时，在满足强度和刚度的前提f ，应力求传动件 “轻、薄、细、小、巧”，这就要求采用特种材料。 2 2 2 执行器( 驱动功能，能量转换功能) 6 - 第一二章筒管纱巷绕机的总体设汁 执行器包括以电、气压和油压等作为动力源的各种元器件。如以电作为动力 源的普通直流电动机、直流伺服电动机、三相交流异步电动机、变频用三相交流 电动机、三相交流水磁伺服电动机、步进电动机、比例电磁铁、电磁粉术制动器、 电动凋常阀以及电磁采等，以气压作为动力源的气动马达和气缸，以油压作为动 力源的液压马达和液压缸等等。 选择执行器时要考虑其与机械装置之问的协调与匹配，如在需要低速、大推 力或大扭矩的场合f ，可考虑选用液压缸或液j k 马达。为了实现机电系统整体最 佳的目标，实现各个要素之问的最佳匹配，已经研制出将电动机、专用控制：占片、 传感器或减速器等合为一体的装置，如德围西门予公司的变频器与电动机一体化 的驱动装冒，f l 本东芝公司的电动机和传感器一体化的水磁电动机等。又如，f 1 本一家公司将电磁阀、传感器、控制器与气缸等集成为一体化装置，使气动系统 大为简化。 近年来，出现了许多新型执行器，如压电执行器、超声波执行器、静电执行 器、机械化学执行器、光热执行器、光化学执行器、磁致伸缩执行器、磁性流体 执行器、形状记忆合余执行器等等。特别是一些微型执行器的出现，如直径为 0 1 毫米的静电执行器，促进了微电子机械的发展。 2 2 3 传感器( 检测功能) 传感器是从被测对象中提取信息的器件，用于检测机电系统工作时所要监视 和控制的物理量、化学量和生物鼍。大多数传感器足将被测的非电量转换为电信 号，用于显示和构成闭环控制系统。 传感器的发展趋势是复合化、数字化，集成化和智能化。为了实现机电系统 的整体最佳，在选用或研制传感器时要考虑传感器与其它要素之间的协调、匹配。 例如，集传感检测、变送、信息处理以及通讯等功能为一体的智能化传感器已广 泛用于现场总线控制系统。 2 2 4 计算机( 控制功能) 根据控制论中关于系统的定义：“系统是由相互制约的各个部分组织成的具 有一定功能的整体”，相互制约的各个部分必须在控制论的指导下，由控制器( 即 计算机) 实现协调与匹配，使整体处于最优工况，实现一定的功能。机电系统， 作为“系统”，其核心当然是控制。目前，机电产品、机电系统中控制部分的成 第：搴筒管纱巷绕机的总体殴汁 本已占总成本的5 0 或超过5 ( ) 。 e i 前，几乎所仃的控：副器鄙足由具有微处理器的汁算饥、输入输出接u 、通 m i 以及脚边：婕荫2 等组成。机电。体化系统中的拧剖器( 汁锋帆) 仃争f 】堆片h l 、 嵌入，叛：；l i l 器、智能i o 模块、町编程控制器、“r 编雕i f 锋机控制器、町编f 【i ! 多 轴铭! 制器以及智能啁竹器等。 2 3 机电一体化系统设计方法 机电一体化的关键足“一体化”，“一体化”就是综合或集成，不但要求每个 要袭本身- 岛性能和尚功能，更强调各个要索之矧的协调与配合，以便达剑系统枢 体最佳的e j 标。 控制论研究系统各个组成部分如何进行组织，以便实现系统的稳定和期幔e i 标。系统_ 程足各类系统的组织和管理技术。娃然，为了达到系统整体最t 的e i 标，就要应用控制论和系统r ：程技术，分折和综合系统。 机电一体化系统的设计方法有以下三种： 1 ) 取代法 这种方法通常足用p l c 取代继电器、接触器控制系统，用数字调节仪表取代 模拟式凋市仪表，这种设计法较为简堆，但其效益有限。 2 ) 组件法 面对苫二f 类被控对象，例如伺服控制、温度控制，制造出系统组件( 成组殴 备) ，用户只需做少鞋的工作即能使系统投入运行。这种方法省时、省力，但不 易获得整体最佳的效果。 3 ) 整体设计法 应用控制论和系统工程技术，优化和匹配系统的各个要素，达到系统整体最f 的 e i 标1 9 1 。 2 4 筒管纱卷绕机机电一体化系统概述 2 4 1 简管纱卷绕机机电一体化系统总功能要求 本课题的筒管纱卷绕饥足为满足新型纺织机械研究室实验用筒管纱，棉纺、 溉纺纱线需要按照一定的卷装形式卷绕到筒管e 而设计。本卷绕机的功能足实现 纱线在卷绕饥卜按照一定的苍绕角，逐层、密排成螺雠线形的酬往形苍装筒f ， 通过机电一体化的控制系统设计，：i ：艺卜要求苍绕心满足卷绕参数：卷绕角，螺 8 第二荜筒管纱巷绕机的总体没汁 距，卷装动程的变化要求，并设计具有防凸、防叠、速度调节等性能，整机实现 自动化。 2 4 2 筒管纱卷绕机机电一体化系统总体设计 筒管纱卷绕机的机电一体化总体设计足卷绕机设计中必要的步骤。总体设计 的优劣直接天系剑机器的性能。卷绕机按照其助能，类型很多，分别适用于不同 的纺纱，- 产工艺要求。总体设计就是根据机器的用途和性能要求，分忻对比f d 类 型机器的优缺点，充分掌握各方面资料，计算和选择必要的技术参数，初步拟定 各主要部分及其结构和主要几何尺寸，初步选定配套的机电部件的规格型号等 等，然后确定整机的总体碲局。这样的总体设计方案，仍需要在随后的各个设计 环节中不断充实和修正。 由于本课题的筒管纱卷绕机是按照机电一体化的设计思路束设计，通过本章 节对机电一体化的组成及功能的分析，初步确定本机所涉及到的配胃如下： 机械装置：本机的机构部分主要由导丝机构，卷取机构，张力调节装置三大 部分组成。用到同步带，带轮，丝杠，螺旋副齿轮，滚动轴承等机械装霄。 执行器：三相交流异步电机一台，步迸电机一台，交流变频器一套。 传感器：光纤传感器一套。 控制器：台达d v p 公司的可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 一套，触摸屏一套，计算机一台。三者形成控制系统的k 位机系统。 关于本卷绕机设计到的一k 述机电一体化装备的具体选择及应用，将在以后章 节逐个介绍。 2 5 本章小结 本章对机电一体的涵义、组成及机电一体化系统设计方法给与具体的阐述。 针对本课题所研究的筒管纱卷绕机做了机电一体化系统的总体设计。 第i 錾机构部分的总体改汁履实现 第三章机构部分的总体设计及实现 任何种卷绕机鄙是由磺动导丝秽l f f j 和卷取饥翰两部分组成的。虽然f j 的卷 绕机一时还增钉j j u 捻助能，仁i 其卷绕规律仍是棚n 帕。所以我们先来介绍卷绕机 的卷绕原胖。 3 1 卷绕的原理分析 3 1 1 卷绕运动学分析 卷装上的纱线一般足以螺旋线的形式一层一层卷绕起来，纱线绕上卷装时接 触的第一点( 后面部称其为卷取点) 的运动町以用两个不同的坐标系束描述，一个 啦标系l 占l 定下机架，为定参考系：另一啦标系吲定于卷装上，为动参考系，所以 卷取点的绝对速度可以用牵连速度与相时速度的矢量和末表示，根拆：图3 一l 纱线 的速度矢甚斟及巷装的展丌图叮以得出以f 方程： s l n a ；堡；生 v 7 谢t 。o 。，生；笠 p h ”t a d n ”2 一砌 ( 3 一1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 式中：d 。一卷绕直径；n 一卷绕速度；h 一轴向螺距；h 。一法向螺距； a 一奄绕螺旋升角；k , i 一卷取速度；y ：一导丝速度：v 一卷绕速度( 也即纱线的 线速度) 。 第二章机构部分的总体设计及实现 图3 - 1 纱线速度欠晕嘲 根据式3 一l 一式3 5 ，如果在卷绕过程中，使口，h 或，l 。保持不变，可以得出两 种不同的卷绕类型，即：等升角卷绕和等螺距卷绕，后学又称等比卷绕或精密卷 绕，它们问的相互关系如表3 1 所示。 衷3 1 不同卷绕类剐的卷绕参数 卷绕类型等升角轴向法向 卷绕参霾卷绕等螺距卷绕等螺距卷绕 、 s i n 口：堡。旦 a = 常数 s i n 口：v _ l “1 v 耐 v d 。 a = 常数 聊v 1 寻“三d k增口v i 昔册 h 。；耐ts i n a ；尉t v _ 3 l h no cd l( h 。h c o s a )h 。一常数 v h ，谢t t g a ；耐tv _ l ：蔓 ho c d | i l ，v _ 3 2 ；常数( 厅。l ) h仇 c o s a 从表3 一l 可以看出，等升角卷绕的纱线卷绕螺旋线的升角不变而其法向螺距 和轴向螺距随卷装直径增大而成正比变化：等螺距卷绕的螺距( 法向或轴向) 不变 而其螺旋升角的大小随卷装直径的增大成反比变化。卷装成形的质最与卷装密度 的均匀性有蕾密切的关系，一般来说，卷装端部的纱线比中间排列紧密，其原因 是纱线在换向时，不再保持螺旋线状分布，其运动规律很复杂。所以用数学方程 来近似描述实际的卷绕运动，从理论上分析纱线在卷装上的分稀情况。 第i 争机缃部分的总体改汁及实现 3 1 2 卷绕运动的精确分析 将l 引： _ 1 所求的团托卷装表【f l i 眨，r ，取一竖杯系的x 轴通过纱线往卷装卜的 奄取点a ，并、p 行于谨装啡线，y 车【l l i 鹰卣y - x 轴片通过磺动装胃行程的极限点， 如i 纠3 - 2 所示。取纱线 l 位背为起始位胃，a 点足潢动装胃的导丝点，a 点足卷 取点，导丝点勺卷取点j h j 的距离为c ，称为e i 由长度。假定横动装置和纱线 移动而谧装不动，当卷装实际转过距离y 时，相当于卷墩点移至a 、点，横动 装嚣也移至a ，点，依图3 2 所示，此时这两点的坐标值为( 一x ，y ) 和 ( 一工。，c + y ) 。 a _ t 逆 u h 们 。 l l 豳3 2 筒子腱斤平面上卷墩点和导丝点的运动天系 根扼：纱线a ，a 。与卷驳点轨迹曲线( 纱线分和曲线) 相切，可得f 列关系式： 兰箬：t g a l ( 3 6 ) ”1 筒j 二从爿。点再转过一个微分段d y 时，卷取点就移动到( 一x + d x ，y + d y ) 处， 这时，叮以认为： 出 万4 触 由式( 3 - 6 ) 和式( 3 7 ) u r 得： ( 3 - 7 ) 第j 章机掏部分的总体设计及实现 d x 一工4 - j d vc ( 3 - 8 ) 山图2 一l w 知，横动装霄沿x 轴的运动速度即为导丝速度v ：，沿y 轴的运动速 度即为卷取速度m 若v 。，v ：保持不变，则_ 。垒y 。代入式( 3 8 ) ，得一阶线性微分方程： v l j ，+ 上z v _ 2 _ 2 一1v ；0 ( 3 9 ) c v c 7 解方程，得 x 2 詈【挺e 砸一争+ y c 】 ( 3 一1 0 ) 式( 3 一l o ) 就是纱线在卷装表面上的理论分布曲线，通常式( 3 - 9 ) 称为纱线在 筒f k 的一般排布方程| 1 0 - 1 1 i 。 3 1 3 卷绕螺旋升角的确定 纱线在一定的张力下卷绕在圆柱形卷装表面上，因而在卷装的端部，纱线在 张力的作用下可能发生滑移。纱线必须在张力和摩擦力的共同作用下稳定地分布 在卷装表面k ，卷装才不至于在退绕或运输过程中松散，造成乱丝现象。因此， 考虑卷绕的稳定性足控制卷绕成形的一个重要因素，它不仅与丝层上丝的摩擦系 数有关，而且与卷绕螺旋线的升角有关。为了使问题简化，假定凹凸不平的卷 装表面是一个平整曲面，取纱线的一个微段d s 为脱离体，根据力的平衡原理，得： j v ；2 t s i n 塑。尉口；r 堡 2 ，。2 t s i n 生。胁：r 塑 2 p ( 3 一1 1 ) ( 3 一1 2 ) 式中：一表面法向反力；t 一纱线张力；d 疗一d s 对应的卷装圆心角； 咯一卷绕半径；f 一轴向分力：p 一嬲的轴向曲二筝二仁径：妇一豳对应的轴向 第i 尊口l 协部分的总体洼计股实现 叫心角。 乏孓 乡斟 圈3 3 折f 1 l 点纱圈受力分析 纱线保持、f 衡丽小产，l 滑动的条件是： f “n 式中：“纱线与丝层之f j 白 j 摩擦系数 将f 和代入上式町得： 三。旦1 3 ) p 近似地假设纱线的整个换向曲线足一段、# 径为p 的圜弧，如图：；- 3 所示a a ， 在a 和a 两点卜纱线螺旋线与圆弧相切，且其倾角等于纱线卷绕螺旋升角a 。理 论上设纱线不是酬弧换向，而是在b 点突然折回( 当然这是不可能的) 。所以实际 ，卜动程缩短了6 值，按照图示的几何关系可得： 6 = o b p = p ( s e c a l 、 ( 3 1 4 ) 代入式( 2 一1 3 ) 中，可得： s e c n l “鱼( 3 一1 5 ) 因为a 很小，可以近似认为： 即町得 s e c n ：( 1 - - s i nz a ) 一；。l + 三1s i n ：口。l + 旦二 s e 叫=i 2 “+ j5 i n 1 + 第三章机构部分的总体设计及实现 ( 3 一1 6 ) 式中：6 一卷装端部动程缩短值；一卷绕半径。 从式( 3 - 1 1 ) 可以看出，在卷绕直径较大，摩擦系数较小时，卷绕不能选取过 大。各种纱线的工艺条件是已知的，下面以一种线密度为2 2 0 d t e x 的纱线的卷绕 为例，摩擦系数查表为0 6 7 3 ，横动动程为h ，= 1 2 6 m ，卷装端部动程缩短值 a = 3 嘲，卷装的最大直径d 3 6 0 哪，d o = 1 0 8 哪，代入式( 3 一1 1 ) 得： 口m 、i u 6 7 3 。面2 x 3 = 0 1 4 9 7 8 ( 弧度) 转化为角度为：口m 。0 1 4 9 7 8 丝= 8 5 8 。 也就是说，如果最外层纱线的实际卷绕角小于这一角度，纱线在卷装表面上 就不会滑动。而纱线卷绕时的实际卷绕角a 是通过下面等式计算的： t g a 。2 n o h(一17)tga 3 - 1一 【 v 式中：一横动往复次数；h 一导丝动程；y 一卷绕线速度。 3 2 往复成形装置的设计 3 2 1 往复成形装置的设计要求 往复成形装置是构成卷绕单元部件的一个重要部分，这一部分的优劣直接影 响到卷装成形的质量( 筒子尺寸大小，外形、卷绕密度，退绕性等等 和纤维的 质量。因此，往复成形装置应当满足下列设计要求： 1 ) 导丝速度要均匀：为了获得均匀的卷绕密度，导丝机构在全程上的运动 速度应保持均匀。 2 ) 有防叠能力：卷绕过程中，发生丝圈重叠现象会严重影响纤维质量，因 此要求成形装置具有防叠能力，以其机构的运动消除丝圈的重叠。 3 ) 要减小和消除张力波动：为了减小张力波动，应尽量缩短导丝点到筒子 卷取点的距离，设置简单有效、可靠的张力补偿装雹。 4 ) 往复运动件惯性要小，使用寿命要长。 基于以上设计要求，在对比了现有卷绕机多采用的凸轮或拨叉机构优劣 万一f 4 第二章机构部分的总体设计及实现 0 2 - 1 4 1 ，相比之下螺旋副的体积小，质量轻，结构简单，且易实现往复运动，因 此，这台小型卷绕机提出了采用螺旋副导丝机构。 3 ，2 2 往复运动装置的传动结构的设计 根据上述设计方案，我们确定采用丝杠螺母传动装置：由一台步进电机，通 过同步带，带动蜗轮一蜗杆减速器，再通过连轴器，将减速器与丝杠连接起来， 杠上安装有导丝钩，通过控制电机的正反转，从而使导丝钩能够左右往复运动， 该部分的结构示意图如图3 4 所示。 3 2 3 丝杠的选择 刮3 _ 4 往复三薹动装置的传动机构 l ， 初选丝杠导程l = 5 m m ，直径为d o = 2 5 m m 。且最大允许工时为1 6 小时，所 以其工作寿命为l h = 1 5 0 0 0 h 。 ( 1 ) 基本额定静载荷 公式为：气- k d i z d 。s i n a z 。堕( 取整) d 。、 式中：a 一接触角( 。) ；d 。一刚球直径m m ： z 一每圈螺纹内滚动体的数量；d o 一滚动螺旋公称直径m m ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ， p ， d 第一：肇虮翰部分的总体设计及实现 i 一螺母的总 作圈数。 k 。2 瓦而i 2 露7 7 4 厩了雨 如2 矗卜薏观s z ) 戊25 百瓦 22 带入数据： d 。= 3 m m ( 3 2 0 ) ( 3 2 i ) ( 3 2 2 ) z ；堕；! ：! 兰! 垄。2 7 ( 个) d ， 3 p 1 1 一p 1 2 一三一1 5 r a m p 2 l2 而- - 1 ；- 0 6 4 r a m 驴互c o 乏s 4 磊5 0 - o 。6 加m 计算可得： k 2 丽翥面2 7 丽7 4 - 5 0 4 所以， 气；5 0 4 x 3 x 2 7 x 3 x s i n 4 5 。= 8 6 5 8 8 n ( 2 ) 基本额定动载荷 基本额定动载荷定义为一组( 相当数量) 相同参数的滚动螺旋副，在相同 的条件下运转一百万( 1 0 ”) 转时，9 0 1 构螺旋副( 螺旋表面或滚动体) 不发生 疲劳剥伤所能承受的纯轴向载荷。 公式为： | ：= q 3 2 f , ： 2 c = 正( f c o s a ) 0 7 z 一3 d 。1 8t a n a 1 7 ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) m 3 、l， 奠气 ，、 + i 一9 l 主矾 第i 荜机社j 部分的总体设计段实现 f - = 1 0 ( t 一半) 厶= r 0 3 ( 1 一r ) 。” ( 1 + r ) ； 厶= ( 鲁) 埘 叫针t c , f 3 1 - - l 【 厶2 毋2 ，| o s 2 r ：堡c o s a d o 带入数据得： f l = 1 0 ( t 一半卜甜； 1 - 0 0 8 ，5 ，1 ”一s 。0 0 8 5 0 3 ( 1 - 0 0 8 - 5 一) 1 3 9 。0 4 1 1 1 + 0 0 8 5 1 1 l 。【罴 - 1 卅朋 蔓：0 0 8 5 c n = 0 0 8 5 1 8 ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) 土丘土厶 一 一 一 2 2 ，一总一& 0 一 一o 一 一 一 2 2 第二章机构部分的总体改汁及实现 一2 7 1 i i i 云 i 1 0 r 一n 4 9 r ；三c o s 4 5 。0 0 8 5 ： 2 5 一 所以，c 。t z l l 4 9 x ( 3 x c o s 4 5 。) “7 3 jx 3 1 8 t a n 4 5 。一2 9 2 2 9 6 n ( 3 ) 额定寿命 额定寿命定义为基本额定动载荷定义为一组( 相、- 数量) 相同参数的滚动 螺旋副，在相刚的工作条件下，9 0 的螺旋副( 螺纹滚道表面或钢球) 不发生疲 劳剁伤的特定转速( 或在一定转道的工作时数) 所能承受的纯轴向载荷。 基本公式为： l ：f 鱼1 3 ifj ( 3 - 3 2 ) 式中：l 额定寿命1 0 6 转； c 。摹本额定动钱荷n ； f 轴向载倚n ； 实际选用时，常用小时数表示额定寿命，则有 铲等= 篆斛 s s ， 式中：l 工作寿命h ； n 转速r m i n ，变速时取均值n 。 而 ；! 型! ! 哩：。1 2 0 r m i n + 6 0 0 r m i n 22 f = 8 5 n 一3 6 0 r m i n 所以丝杠的实际需要寿命为： l 。1 0 6 l 堂伫丝：攀。1 8 8 3 1 0 9 ” 6 0 6 0 3 6 0 i 8 5 j 综合以上数掘，所选丝杠的型号为：b 6 0 3 6 8 7 3 1 6 5 ；公称直径d 。= 2 5 m m ， 导程为只= 5 m m ，c m = 2 8 8 5 0 n ，c 。一1 1 3 0 0 n ，妒；3 。3 9 。 很显然，所选丝杠的基本额定静、动载荷c 旷c 。都远远大于所需的静、动 载荷c 。、c 。，下面校核丝杠寿命。 第：錾机构啬l ；分的总体改计及实现 咳丝礼的额定辱命为 小百l o l l 百1 0 6 ( c aj 3 = 羔( 罢) 3 乩叭川1 而k ，l ，故所选幺幺杠符合要求。 3 2 4 往复成形装置驱动元件的选择 驱动元件的种类多，如电动机( 包括步进电动机、伺服电动机、变频电动机 等等) 、液雎、气动马达和动作缸、电磁阀等等。根据驱动，亡件的刁ind ，执i j ：机 构一般也f d 样分为电动式、气动式和液爪式三种。冈此，在确定驱动元件前，我 们必需选择和确定该课题中采用什么样的执行机构。 气动式足把压缩气体的能髓转换成机械能鞋左拖动负钱，完成破控对象的参 数调整。气动式的优点足简单、稳定、安全、且价恪低廉、维修方便、但缺点足 由于气体作为介质，所以可压缩性人、精度较篇、传输速度低。 液k 式足将液体j k 力能转换成机械能，以拖动负线实现卣线或n ，l 转运动，其 介质大多数为油。液瓜与气动式相比具仃工作稳定、冲击和震动小、无扳渊速范 围大、结构简单等优点、但其制作工艺要求高、价格较贵、安装和维护较难。在 现有的实验条件下，疑然采用液压式的执行机构并不足很适宜的。 根据以上的分析比较，我们拟采用最为常用的电动式执行机陶。要求自转与 往复运动的密切配合性，且需要保证卷绕层睢束的恒张力控制，所以这坦钉婀种 选择：a 步进电机；b 伺服电机。但由f 在该系统中，要求控制精度较高，如果 选择纠服电机带动州步带驱动，而刚步带的热胀冷缩变化可能会产生较大的控制 误差，进而影响控；制精度。伺服电机相对于步进f 乜机价恪昂贵，在该系统中会占 据更大空叫，该机构所需的扭矩较小，且无论从控制精度要求和经济角度，还足 有利于外形整体结构设计合理化和天脱化束考虑，步进电机即叮以满足控制精 度，义价格便宜，具钉较好的经济性。冈此，在导缝机构中，确定采用步进电口【 电机作为驱动元件将有利于栏个系统殴计的完炎化。在咳系统中选步进电机作为 驱动元件无疑足最i f 确的选择。步进电帆驱动系统原珲框图如图3 5 所示。 | 璺j3 5 步进l 岜机晤曲系统原理榧i ，刳 第二章 机牛i ：l 部分的总体设计及实现 3 2 5 步进电机概述与选择 步进电动机是一种将数字信号转换为角位移( 或a 线位移) 的机电执行元件。 每当输入一个脉冲时，转轴便转过一个固定的机械角度。步进电机具行控制简谁、 价格低、维护容易、定位精度高、无累积位置误差、可自锁、控制成本h 能直接 受数字信号的特点，在数字控制系统中得剑