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青岛科技人学研究生学位论文 自动络筒机纱线张力控制系统的研究 摘要 纱线张力恒定是自动络筒过程中筒纱卷绕密度均匀的关键因素。纱线张力不 稳，则筒子纱卷绕密度不均匀，造成纱线在下游工序退绕时张力波动大，筒子染 色不匀。目前国内对纱线张力的控制技术仍存在很多不足，与国际自动络筒机生 产强国相比，技术水平相对落后。 本文在总结国内外纱线张力控制技术的基础上，通过对络筒过程中纱线张力 的产生原理、影响纱线张力波动的因素及控制方法进行分析，提出了一种基于单 片机的闭环式自动络简机纱线张力控制系统。此系统包括数据测量、张力控制、 张力调节与执行、张力显示与设定四大模块。在测量模块，本文提出了几种检测 方案，结合本系统的实际情况，对几种检测方案进行分析与比较，最后选择了压 阻式压力传感器来对纱线张力进行实时检测，并分析了其测量机构及应用电路。 因为影响纱线张力波动的因素很多，很难对纱线张力建立一个精确的数学模型， 考虑到模糊控制技术特有的鲁棒性，在张力控制模块中采用了模糊控制策略，对 张力模糊控制器进行了设计，使系统具备了良好的控制效果和稳态精度。在调节 与执行模块，设计了一种新型的磁粉制动器转轮式张力调节装置，转轮式张力器 与以往的张力器相比，减少了高速运行时对纱线的磨损，降低了纱线毛羽的产生， 并且该张力器便于通过改变电参数实现纱线张力自动控制，为控制系统的实现提 供了条件。在设置与显示模块，本文设计了包含8 个按键的键盘，用来输入张力 设定值，并通过液晶显示器显示实际运行过程中纱线张力值，供操作人员分析。 同时本文还设计了系统各个功能模块的硬件电路和应用软件，并针对系统在实际 应用中外界的干扰问题，给出了硬件和软件的抗干扰措施。 课题在整体张力控制系统模型建立的基础上，运用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 模块，建立了控制系统的仿真模型，通过仿真实验验证了系统的可行性，结果表 明该系统能够有效地控制纱线张力，并且具有良好的抗干扰能力。 关键词：自动络筒纱线张力控制系统模糊控制系统仿真 青岛科技大学研究生学位论文 r e s e a r c h o n y a r nt e n s i o nc o n t r o l s y s t e mo fa u t o i a t i cw i n d e r a b s t r a c t ac o n s t a n ty a r nt e n s i o ni sak e yf a c t o rf o rm a i n t a i n i n gc o n s t a n tw i n d i n gd e n s i t y i nt h ep r o c e s so fa u t o m a t i cw i n d i n g t h ey a r nt e n s i o ni sw a v y , t h e nt h ew i n d i n g d e n s i t yo fp a c k a g e si sa s y m m e t r i c ，w h i c hr e s u l t si nt h ei n c o n s t a n ty a m t e n s i o nd u r i n g w i n d i n gi nd o w n s t r e a mp r o c e s sa n dt h eu n e v e nd y e a tp r e s e n t ，t h et e n s i o nc o n t r o l t e c h n o l o g yo fo u rn a t i o ni ss t i l ll o wc o m p a r e dw i t ht h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ey a r nt e n s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , a n db ya n a l y z i n g t h eg e n e r a t i o no fy a mt e n s i o n ，t h ef a c t o r sw h i c hm a k et h et e n s i o nf l u c t u a t e ，a n dt h e c o n t r o lm e t h o d ，as i n g l e c h i pt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi sb r o u g h tu pb yt h i st h e s i s t h i s c o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so ft h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h et e n s i o nc o n t r o lm o d u l e ，t h e t e n s i o na d j u s t m e n ta n di m p l e m e n t a t i o nm o d u l ea sw e l la st h et e n s i o nd i s p l a ya n d s e t t i n gm o d u l e i nt h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，s e v e r a lk i n d so fa c q u i s i t i o np l a n sa r e p r o p o s e di n t h i sp a p e r b a s e do nt h es y s t e m sa c t u a ls i t u a t i o n ，b ya n a l y z i n ga n d c o m p a r i n gt h i ss e v e r a lk i n d so fa c q u i s i t i o np l a n s ，t h er e s i s t a n c ep r e s s u r es e n s o ri s f i n a l l yc h o s e n ，a n dt h em e a s u r i n gm e c h a n i s ma n dt h ec i r c u i ta r ea n a l y z e d t h e r ea r e m a n yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h et e n s i o no fy a r ni nt h ew i n d i n gp r o c e s s ，s oi t i sd i f f i c u l t t ob u i l dam a t h e m a t i cm o d e lf o rt h ey a mt e n s i o n i nv i e wo ft h i sk i n dp r o b l e m ，t h e f u z z yc o n t r o lt h e o r yi si n t r o d u c e dt ot h et e n s i o nc o n t r o lm o d u l e ，a n dt e n s i o nf u z z y c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d a n dt h e n ，t h es y s t e mc a nb ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l ya n do w n s g o o ds t e a d y s t a t ep r e c i s i o n s i nt h et e n s i o na d j u s t m e n ta n di m p l e m e n t a t i o nm o d u l e ，a n e wt y p eo fm a g n e t i cp o w d e rb r a k er o t a r yt e n s i o n e ri sd e s i g n e d c o m p a r e dw i t ht h e p a s tt e n s i o n e r s ，i tr e d u c e st h ef r i c t i o nt o t h ey a r ni nh i g h - s p e e do p e r a t i o na n dt h e h a i r i n e s s i na d d i t i o n ，i ti se a s yf o ra c h i e v i n gy a mt e n s i o nc o n t r o lb yc h a n g i n gt h e e l e c t r i c a lp a r a m e t e r s i nt h et e n s i o nd i s p l a ya n ds e t t i n gm o d u l e ，ak e y b o a r dt h a th a s e i g h tk e y si sd e s i g n e d ，w h i c hi su s e df o ri n p u t i n gt h es e tv a l u eo ft e n s i o n t h ea c t u a l y a r nt e n s i o nc a l lb ed i s p l a y e do nt h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a yd e v i c ea n db ea n a l y z e db y o p e r a t o r s s i m u l t a n e o u s l yt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m a r ed e s i g n e d b yd i s c u s s i n gt h eo u t s i d ei n t e r f e r e n c et ot h es y s t e mi no p e r a t i o n ，t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r em e a s u r e sa r eg i v e n a tl a s t ，b a s e do nt h es i m u l i n kt o o l b o xi nm a t l a bs o f t w a r e t h e s y s t e m s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ey a mt e n s i o nc a nb e c o n t r o l l e de f f e c t i v e l ya n dt h es y s t e mh a sa g o o da n t i - j a m m i n ga b i l i t y k e yw o r d s ：a u t o m a t i c w i n d i n g ，y a mt e n s i o n ，c o n t r o ls y s t e m ，f u z z yc o n t r o l ， s y s t e ms i m u l a t i o n 青岛科技人学研究生学位论文 符号说明 h ( m m ) 气圈高度 l ( m m ) 导纱距离 t ( c n ) 一 t o ( c n ) 一 纱线张力 一退绕点张力 墨( c n ) -分离点张力 t ( c n ) 一一一退绕张力 m ( n m m ) 一 转矩 g ( m s 2 ) 一一一重力) j ig 度 口0 ) 一摩擦包围角 i x 一弹簧刚度 一摩擦系数 青岛科技人学研究乍学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 的研究成果。尽我所知，除了文中特另t l d n 以标注和致谢中所罗列的内容以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其 他学位申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权学校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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单 位仍然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”_ ) 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 年月日 年月日 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题来源及意义 1 绪论 纺织业在我国的国民经济发展中一直占据着重要地位，棉纱、棉布、呢绒、 丝织品、化纤、服装等产量均居世界第一位，服装出口多年来也始终保持着世界 第一位。随着加入v t o 以来，中国已成为全球纺织领域中最引人注目的地区之一， 同时纺织业也成为中国入世后的强势产业。我国虽是纺织大国，但却不是纺织强 国。目前，我国纺织行业运行的整体技术装备水平与世界先进水平相比仍有较大 差距，纺机装备制造业的机电一体化和智能化水平亟待提高。其中，具有自主知 识产权的、机电一体化程度高的自动络筒机的研发与改造便是令人关注的焦点之 o 自动络筒机是纺织流程中纺部与织部工序结合的关键设备，其作用是将细纱 机纺出来的管纱卷装成筒子纱，同时去除纱线上的疵点。它承担着改善纱线的外 观质量、提高产品的内在性能、稳定产品的机构形态的任务，对于提高纺织产品 的档次和产量是非常关键的。特别是随着无梭织机及针织机速度和产品质量的不 断提高，对筒子纱的质量要求也同益增高( 如喷气织机转速己达到1 8 0 0 r m i n ， 引纬率已达到3 0 0 0 m m i n ) ，归纳起来自动络筒机生产的筒子纱质量要达到4 个方 面的要求：筒子卷绕密度均匀、无结头、纱疵少、毛羽少。而影响筒子纱卷绕密 度的关键因素就是纱线张力。纱线张力不稳，则筒子纱卷绕密度不均匀，造成纱 线在下游工序( 喷气织机) 退绕时张力波动大，筒子染色不匀。 目前国外已解决了纱线张力控制的问题，他们采用机电一体化技术对纱线张 力进行实时控制，从而保证了纱线张力的恒定。而我们国家还没有解决这个问题， 目前采用的张力装置对纱线施加的张力仍是一个预先设定的值，不能够对纱线张 力进行实时调整。 因此，我们课题组与青岛宏大纺机有限公司合作，开展了自动络筒机纱线张 力控制系统的研究。 1 2 国内外研究发展现状 络筒时，纱线从管纱上退绕下来时产生的退绕张力的绝对值并不大，还不能 络成结构紧密、容纱量足够大的筒子，必须通过张力装置附加给纱线一定的张力。 自动络筒机纱线张力控制系统的研究 在络简工序中保持恒定适当的纱线张力可以说对产品质量和生产效率足至关重 要的。国外新一代自动络筒机上，已广泛采用络纱张力自动控制装置，且多采用 混合坏控制，张力值可由电脑集中设定和调节。 1 ，2 。1 国外研究发展现状 日酶，图际市场上自动络筒机的生产销售处于高度垄断的局露，市场主要由 同木的村田、意大利的萨维奥、德国赐来福等少数儿家厂商瓜分。它们的设备性 能、自动化程度令其它厂家短时间内难望其背。下面主要介绍嚣木村隔、意大利 萨维奥、德圈赐来福三家厂商对张力控制装置的研究现状。 l 、日本村用( m u r a t a ) 公司的n 0 2 1 c 型自动络筒机叭卜眦3 张力程控管理系统 n 0 2 1 c 型自动络筒机是同本村田机械株式会社在m a c hc o n e r 型自动络筒机基 础上研制丌发的新一代自动络筒机。它采溺了优良的张力控制系统，其结构原理 如图1 - 1 所示。 气 图卜1 单锭独立的张力控制系统 f i g 1 1t h ei n d e p e n d e n tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mo fs i n g l e s p i n d l e 这种张力自动控制装置由跟踪式气幽摔制器和栅栏式张力控制器两部分组 成。 跟踪式气圈控制器构成的闭环控制系统 跟踪式气圈控制器采用光电检测技术，将光电传感器与气圈控制器固装为一 体。光电传感器实时采集管纱的退绕位置信号。若有纱线，气圈控制器保持在原 位嚣不动；若无纱线，表明管纱的退绕面已经下移。通过锭位计算机昀控制电路 和伺服电机的驱动使气圈控制器跟踪下移，直至再次检测到纱线为止。气豳控制 器的跟踪下移采用的是带榆测反馈的闭环控制系统，它是用来稳定退绕气圈的高 2 青岛科技大学研究生学位论文 度，进而来稳定纱线退绕张力，间接控制络纱张力。该技术为日本村田机械株式 会社自动络筒机络纱张力控制技术方面的专利。 栅栏式张力器构成的丌环系统 跟踪式气圈控制器上的光电传感器将探测到的管纱余量值位置信号送给锭 位计算机，锭位计算机根据残纱位置用张力数学模型自动计算张力变化值，通过 电磁铁来调节活动栅栏的位置，以改变纱线对栅栏的包围角，从而调节附加张力 的大小，使实际运行的络纱张力保持稳定。 2 、德国赐来福公司的a u t o c o n e r 3 3 8 型自动络筒机m h 川张力闭环控制系统 奥托康纳3 3 8 型自动络筒机是由德困赐来福公司设计制造的新一代自动络筒 机，是由第二代2 3 8 型机发展而来。该机上面采用的是混合环张力控制系统，工 作原理如图1 - 2 所示。 张力 图卜2h u t o c o n e r 3 3 8 张力自动控制装置 f i g 1 2t h et e n s i o nc o n t r o ld e v i c eo fa u t o e o n e r 3 3 8 1 1 两个张力圆盘在锭位计算机的控制下由步进电机经齿轮同步积极转动。纱线 从两个同步转动的张力圆盘中通过，圆盘转动方向与纱线运行方向相反，通过张 力匀整系统控制的电磁力自动调整对纱线的压力。这种张力装置对纱线张力有2 个方面的补偿和匀整作用。 增减电磁力使纱线张力得到补偿和匀整的闭环系统 压电陶瓷的纱线张力传感器位于靠近卷绕筒子的纱路中，在此区域纱线的运 行平稳。由于纱线连续不断地与压电式张力传感器发生接触，因此，传感器可以 对每一锭位上的纱线进行连续的测量，并将测量的张力信号送给锭位计算机( 单 片机) 与张力设定值相比较：锭位计算机根据比较值来控制张力电磁铁电流( 或电 3 动络筒帆纱线张力控制系统的 i j f 究 坻) 的强弱以增减m 磁力。当张力增大时，减小 乜磁力；当张力减d q i , _ ，增大电磁 力，从而利用累加法调肯附加张j 的大小。这是4 处带j = 怠测反馈的闭环控制系统。 埔减卷绕速度术增8 文纱线张力的jr 师系统 由丁f u 磁式张力器所产牛的附加张力不能无限减小，彳l 亍则将火盘控制作用。 凶此，锭位计算机对电磁式张力器进行张力控制的同时，还对驱动槽筒的伺服电 机进行速度控制。如接近卒管时，j 长力传感器检测到张力增大较多，锭位计算机 血减小i u 磁力，另方皿可以降低卷绕速度，从而使纱线张力得到双重调节 而保持稳定。在这耻速度拧制是先检测后控制，而月不埘箨! 制结果进行“再检测”， 凶此构成”环控制系统。 这种络纱张力自动控制装置足。处检测、两处控制的混合环控制系统，因此 控制精度较高。 3 、意人利萨维奥公刮的o r t o n 型自动络筒机“电磁式张力自动控制技术 ( ) r i o n 自动络筒机足意大利s a v i o 公川生产的第二代产品( 第代为r a s l 5 第二代为e s p e r o ) 。o r l o n 不是存e s p e r o 牡硎j 卜进行改进的产品，而足聚用全新 设计，+ 产的新型产品。 l ( ) n 自动络筒机配有最新设计的纱线张力闭环捧制装置，实物如图13 所 不，其一作原师类似a u l ( 1 c o n e r 3 3 8 张力f f 动拧制装兄。它山气| 眷| 破裂器、张 力器、张力传感器及自控兀什自i 成。张山传感器安装在电子清纱器的后方，对纱 线张力作连续测量，然后将测量信号传给计算机，计算机对所测值进行处理，将 处理结果传给张力加j 1 ；装置( 电磁式) 以控制纱线张力皋本恒定。 剐130 r i o n 纱线张力控制系统实物图 f i 9 13 t h e t ：e n s i o nc o n t r o ls y s t e m o f o r i o n 2 je s p e r o 装置相比，o r i o n 张力装置做了两方面的改进：张力靠由纱线消极 带动改为由单独电机积极驱动，有利于清除依附在纱线上的杂质和e 花；张力盅 加压方式由原来气动式改为电磁式，这不仅使加压准确性、一一致性提高，而且为 实现张力自动控制提供了条件。 嚣 青岛科技人学研究生学位论文 国外张力控制技术科技含量较高，产品附加值高，价格昂贵，并且在技术上 严格保密。 1 2 2 国内研究发展现状 我国从2 0 世纪6 0 年代丌始致力于自动络筒机的研究，但目前仍没有具有自 主知识产权的自动络筒机。从国外进口的自动络筒机价格昂贵，而引进技术国产 化的自动络筒机也只有青岛宏大纺织有限公司能批量生产，价格也不便宜。所以， 在我们国家，普通络筒机仍承担着主要的络纱任务。目前，我们国内的张力装置 的类型主要有圆盘式、弹子式、弹簧张力鞋式、曲弧板式、梳齿式及气动式等， 如图卜4 所示。其中最常采用的是张力圆盘式( 图卜4 ( 2 ) ) 。金属支柱1 固装在 络筒机的张力架座上，支柱上套有耐磨的瓷管，瓷管上先放一个平底铁杯2 ，杯 口向上。再放一对张力圆盘，即上力盘4 和下张力盘3 ，在上张力盘中加一块毡 质挚圈5 及加重挚圈6 。 圆盘式张力装置对纱线的摩擦作用主要发生在上下张力盘之间。当纱线从张 力盘间通过时，摩擦带动上张力盘快速转动，同时带动下张力盘缓慢转动。为防 止张力盘和挚圈的失落，在张力盘支柱的顶端设一保护杆7 ，保护杆下端装有压 缩弹簧，若提起保护杆，即可调换垫圈或张力盘。 5 自动络筒机纱线张力控制系统的研究 l 一瓷碗2 一钢球 ( 1 ) 弹子式 2 重7 4 ， 口 翮垡 l 覆 = i蚕 一曩 心 5 4 3 2 堇一金属支柱2 一铁拓3 一下张力盘 4 一上张力盘5 、6 一垫圈7 一保护杆 ( 2 ) 圆盘式 专 1 一圆盘2 一张力鞋3 一摆动杆4 一扭力弹簧 3 ) 弹簧张力鞋式( 4 ) 两弧板式 ( 5 ) 气动式( 6 ) 梳齿式 图卜4 各种张力装置n 6 1 f i g 1 - 4v a r i o u st e n s i o nd e v i c e s 6 青岛科技大学研究生学位论文 圆盘式张力装置给纱线增加的张力大小由圆盘的重量决定，因此是个恒定 值，不随纱线输入张力的变化而变化。当有粗节或结头的纱线通过时，将引起冲 击跳动，产生新的动态附加张力，增大张力的波动幅度。速度愈大，波动幅度也 愈大。 这种张力装置施加给纱线的张力是个固定值，不会随着纱线进入张力盘时的 张力变化而变化。因而，纱线离丌张力盘时的输出张力不是一个恒定值。另外圆 盘式张力装置水平放置，圆盘上易积聚杂质和绒毛，需随时清扫，否则，积聚的 绒毛被纱线带走，形成新的大粗节。 国产较先进的g s 6 6 9 型络筒机n7 1 ，安装使用的是自动开启和闭合的积极传 动可调式张力装置，如图1 5 所示。该装置由同步电动机5 进行积极转动，减少 了摩擦对纱线质量的影响。张力大小由张力调节器3 调整，靠扭簧2 实现，当纱 线再进行卷绕时，张力盘1 通过磁铁吸铁释放，张力装置闭合，开始对纱线施加 张力。 图卜5 可调试张力装置 f i g 1 5o n ek i n d o fa d j u s t a b l et e n s i o nd e v i c e 目前国内生产的自动络筒机是e s p e r o m l 型自动络筒机n 明n 引。它是青岛宏 大公司从意大利萨维奥公司引进e s p e r o 自动络筒机生产技术国产化的产品。该 设备的张力控制装置采用双张力盘气动加压方式，如图1 - 6 所示。它对纱线的加压 作用平缓而均匀，并且是集中设定，从而可以保证各锭之问张力的一致性，缺点 也是不能够对纱线张力进行跟踪调整，保证不了纱线张力的恒定 7 臼动络筒机纱线张力控制系统的研究 蹬1 - 6 双张力盘气动加压装置 f i g 1 - 6d o u b l es e 贮 t i o ny a m t e n s i o n e rw i t hp n e u m a t i cs e t t i n g 以上这些张力装置都没有自动调整功簏，对纱线旌加麓张力大小都是预先设 定的一个值，不能够随着退绕张力的变化而自动调整附加张力的大小，因丽这些 张力装霭保证不了纱线张力的恒定。围外最新的张力控制技术已解决了络纱张力 控制的阔题，僵是它们的产品技术严格保密，并且产晶附加值高，价格昂贵。因 此，在图内对于自动络筒机自动控制加工几乎仍处于空白的情况下，研究和开发 实用技术和相关产品，建立具有自主知识产权的自动络筒机张力控制系统是十分 必要的。 1 3 课题的研究内容 本谍题以自动络筒机中的纱线张力为控制对象，以保证纱线张力恒定为目 标，设计一个纱线张力闭坏岛动控制系统，能够对纱线张力进行有效的实时控制。 同时对倍捻机、花式捻线机中的纱线张力控制也应具有参考和应用价值。 本课题的研究内容如下： 1 、对络篱过程中纱线张力的产生、波动进行分析，建立数学模型； 2 、确定张力控制系统的各个模块的设计方案； 3 、设计一种新型的纱线张力调节装置； 4 、对控制系统中的模糊控制器进行设计； 5 、对控制系统中的硬件和软件进行设计： 6 、建立张力控制系统仿真模型，对其进行仿真实验，验证系统的可行性。 8 青岛科技人学研究生学位论文 2 自动络筒机纱线张力分析 纱线张力是络筒工序中决定产品质量和生产效率的重要参数。适当的纱线 张力能使络成的筒子成形良好、结构紧密而不损伤纱线的物理机械性能，并有利 于筒子在后道工序中顺利退绕。因此本章将对络筒过程纱线张力产生的原理、纱 线张力的组成及波动因素展开讨论，为张力控制系统的设计提供理论基础。 2 1 络筒 络筒是纺纱后加工和织前准备的重要工序。对于各种纱线来说，纺厂供应的 主要卷装形式是管纱( 或绞纱) 。由细纱机落下来的管纱，容纱量很小，以2 9 r e x 面纱计算，绕纱长度在2 5 0 0 m 左右，若直接用来整经或用于无梭机的供纬等，就 会因换管次数过多而使这些机器频繁停台，不仅影响生产效率，更重要的是影响 纱线张力的均匀程度。不管是管纱还是绞纱，纱线上都存在一些疵点和杂质，如 不加以适当清除，将影响后道工序的产量和质量，因此需要进行络筒。络筒的工 作就由自动络筒机来完成。 2 1 1 络筒的目的 络筒是将前道工序运来的纱线加工成容量较大、成形良好、有利于后道工序 加工的半制品卷装无边或有边筒子。主要是对管纱和绞纱进行络筒。 ( 1 ) 管纱络筒。对于棉、毛、苎麻、丝、化纤短纤及其各种混纺纱线来说， 纺厂供应织造生产的主要是管纱。管纱容量很小，大卷装的管纱每只仅能容纳 2 9 2 r e x 棉纱约2 5 0 0 m m 。若直接用来整经、无梭织机供纬或其他后道工序，频繁 的换管停台会大大降低生产效率，同时也严重影响加工过程中纱线张力的均匀程 度。因此，纱线在进入后道工序之前，首先在络筒工序被加工成容量较大的筒子。 合纤长丝在纺丝过程中被络卷成的筒子，其卷装容量可达l o k g ，甚至更多。 ( 2 ) 绞纱络筒。为便利运输和储存，供应织造生产的部分售纱以绞纱形式 出现。另外，染色纱和天然丝一般也以绞纱形式供应。在织造厂绞纱必须先加工 成筒子，才能供后道工序使用。 络筒的另一主要任务是检查纱线条干均匀度，消除纱线上的疵点、杂质。为 提高织物的外观质量、减少整经、浆纱、织造过程中的纱线断头，在络筒工序中 要对纱线上的粗节、细节、双纱、弱埝纱、棉结、杂质等进行消除。 9 自动络筒机纱线张力控制系统的研究 2 1 2 络简要求 对络筒工序，除了改变卷装形式和清除纱疵，还有下列要求： ( i ) 篙子卷绕稳固，成形良好； ( 2 ) 篱子的形状和卷绕结构合理，有利于藤道工序的高速退绕； ( 3 ) 卷绕张力要均匀、适当，少损伤原纱线的强力和弹性； ( 4 ) 筒子的卷绕密度要适当，并尽可能增加卷装容量，以提高生产效率； ( 5 ) 对集体换篱的整经用筒子，筒子卷绕长度要符合要求； ( 6 ) 适当清除粗细节和杂质，改善纱线的外观和质量； ( 7 ) 结头要小而牢，在后道工序中不出现脱结现象。最好无结头； ( 8 ) 尽量减少噬丝，降低消耗，以提高经济效益。 2 。 。3 络筒的工艺流程 常见的络筒工艺流程如图2 1 所示，纱线从管纱1 上退绕下来，经过气圈破 裂器( 或气幽控制器) 2 后再经预清纱器4 ，使纱线上的杂质和较大纱疵得到清 除。然后，纱线通过张力装置5 和电子清纱器7 。根据需要，可由上蜡装置9 对 纱线进行上蜡。最后，当槽筒l o 转动时，一方面使紧压在它上面的筒子l l 做回 转运动，将纱线卷入，另一方面槽篱上的沟槽带动纱线做往复导纱运动，使纱线 均匀地络卷在筒子表面上。电子清纱器对纱线的疵点( 粗节、细节、双纱等) 进 行检测，检融纱疵之后立即剪断纱线，筒子从槽筒上抬起，并被刹车装置刹住， 刹车时间可依不同纱线特性设定。装在上、下两边的吸嘴分别吸取断头两侧的纱 线，并将它们引入捻结器6 ，形成无结接头，然后自动开车。部分络筒机在张力 装置上装有纱线毛利减少装蓬，通过旋转气流作用使纱线较长的毛羽重新贴伏到 纱线身上。为控制络筒张力恒定，新型自动络筒枫在上蜡装置的下方安装有纱线 张力传感器8 ，用来持续感应纱线张力，经反馈控制，对张力进行自动调节。 托盘式臼动络筒机是一种可连接式自动络筒机，它与细纱机连接在一起形成 的自动生产设备称细络联合机。粗纱啜入环锭式细纱机，经加工卷绕成管纱，管 纱满管焉自动络纱并摇在托盘上。在输送链的输送下，插有满管的托盘铁细纱橇 移动到托盘式络筒机，继续完成自动络筒加工。细纱机与络筒机的锭数按其产量 相互匹配，整个生产过程中不需要人工对管纱做落纱、运输、装纱等操作，实现 了细纱、络篱全程自动化。由予银少有人工对生产进行干颓，从而保证了产晶质 量。细络联合还节省了管纱的储存环节，减少用工和生产场地。 1 0 青岛科技火学研究生学位论文 2 2 纱线张力 图2 - 1 自动络筒工艺流程啪1 f i g 2 1t h ep r o c e s sf l o wo fa u t o m a t i cw i n d i n g 2 0 卜管纱2 一气圈破裂器3 一余纱剪切器4 一预清纱器 5 一张力装置6 一捻接器7 一电子清纱器8 一张力传感器 、 9 一上蜡装置1 0 一槽筒1 1 - 筒子 2 2 1 纱线张力的产生和作用 络筒时，纱线以一定的速度从管纱或绞纱上退绕下来，因受到摩擦和拉伸作 用而产生了纱线张力( 也称为络筒张力) 。纱线张力是络筒工序中决定产品质量 和生产效率的重要参数。络筒张力适当，能使络成的筒子成形良好，结构紧密而 不损伤纱线的物理机械性能，并有利于筒子在后道工序中顺利退绕；张力过小， 卷绕筒子松软，在搬运、储存、领用时易塌边脱圈，且断头时纱线容易嵌入筒子 内部，接头时不易找头，因而降低工作效率；张力过大，卷绕成形不良，非疵点 断头增多，纱线制成率下降，纱线浪费多，同时纱线内能消耗大，其内在质量损伤 大，使纱线弹性下降，不利于后续加工，影响最终产品的内在质量；张力不稳定，忽 大忽小，导致成型内外分层不一致，退绕脱圈等增多，不利于后续加工。 自动络筒机纱线张力控制系统的研究 2 2 2 纱线张力组成 管纱轴向退绕时，绕到筒子上纱线的张力主要由退绕张力、摩擦张力及附加 张力三部分组成。退绕张力是指纱线从管纱上邋绕下来到进入导纱器所产生的张 力；摩擦张力是指纱线与导纱机件摩擦产生的张力；附加张力是由张力装置产生 的张力。摩擦张力相对来说很小，因此有时也说络筒张力有退绕张力和附加张力 两部组成。在以上3 项张力中，影响退绕张力变化的丙素较多，可以说它是引起 络筒张力波动的主要戮素。因诧在下一节将具体分析纱线的退绕张力。 2 3 纱线退绕张力 络筒时纱线从管纱上抽出，自管纱顶部至底部逐层剥离。管纱通常固定地插 在锭座，因此退绕时纱线一方面沿着管纱中心做旋转运动，同时又沿着纱管轴线 上升。由于纱线的这种运动，在空闽形成一个或多个旋转曲面( 纱线运动轨迹) ， 称为气圈乜。图2 2 为轴向退绕时的管纱及气圈。 图2 - 2 轴向退绕申的管纱及气圈 魄2 2t h ec o pa n dg a sl o o pi na x i a lu n r e e l 图中： l 导纱距离，自管顶至导纱器d 的距离； 曰退绕点，置以左的纱静止不动，召点以右的纱线在纱层上开始移动： 青岛科技人。z 研究生。z 位论文 c 分离点，纱线从此点丌始进入空f l i j ； h 气圈高度，自c 点仝d 点的距离： b c 摩擦纱段，自b 点至c 点在管纱表面摩擦蠕动的纱段： 管纱在退绕过程中，因导纱距离l 始终不变，随着纱层的逐渐退 ，退绕点b 及分离点c 逐渐下移。 2 3 1 退绕点张力和分离点张力 退绕点b 以左的纱线在管纱上处于静平衡状态，它的张力称为静平衡或退绕 点张力心引。退绕点张力的绝对值一般很小，以瓦表示。分离点c 处纱线所具有的 张力称为分离点张力。分离点张力由下列几部分组成：纱线的退绕点张力瓦、纱 线在纱层上的粘附力( 它由纱线性质和纱层表面状念决定) 、纱线由静止过渡到 运动状态时的惯性力、摩擦纱段b c 所产生的摩擦力。 上述各力中，黏附力和惯性力的数值极小，可忽略不计，故分离点的张力主 要由纱线的退绕点张力瓦与摩擦纱段所产生的摩擦力所决定。两者又以摩擦纱段 摩擦力为大，因此分离点张力正远远大于退绕点张力瓦。可表示为： 互= 7 o e 矗蛳 ( 2 1 ) 式中： 厶纱线与纱层或纱管间的平均摩擦系数； 摩擦纱段的包围角。 上式说明分离点张力z 在很大程度上取决于纱线对管纱的摩擦包围角。摩擦 纱段长度增加，摩擦包围角相应增大，分离点张力z 急剧增加。 2 3 2 气圈作用力 把气圈上任意微元纱段看作处于动态平衡状态，作用于该微元纱段上的力 有：微元纱段上的重力：空气阻力，它与纱线运动速度的平方成正比，微元纱段 的运动可以分解为前进( 纵向) 运动和回转( 切向) 运动两部分，在正常络纱速 度下空气阻力极小，可以忽略不记；回转运动的法向惯性力( 因为在等速络筒过 程中大致可以认为气圈做匀速回转运动，所以回转运动的切向惯性力等于零) ； 前进运动的法向惯性力( 因为f i i 进运动的速度值几乎不变，所以纱线自订进运动的 切向惯性力等于零) ；哥氏惯性力；纱段两端张力。上述诸力构成了一个动态平 衡体系，由分析可知，其中网转运动的法向惯性力和哥氏惯性力是构成气圈运动 纱线动念张力的主要因素。管纱退绕速度增加时，这两项惯性力随之增加，使气 白动络筒机纱线张力控制系统的研究 圈运动的纱线动念张力增大。 作用于气圈上端( 导纱部件) 的纱线张力z 称为管纱轴向退绕的纱线张力。 它取决f 作用在气圈下端的纱线张力( 即分离点张力z ) 和气圈运动所引起的纱 线动念张力。由于纱段质量很小，气圈运动所引起的纱线动念张力不可能对管纱 轴向退绕张力z 起重要影响。因此，在络筒过程中，对管纱轴向退绕张力正起决 定作用的应当是分离点张力z 。如何均匀分离点张力互成为均匀管纱轴向退绕张 力z 的研究重点。 2 3 3 管纱轴向退绕时纱线张力变化规律 1 、退绕一个层级时纱线张力变化规律 高速记录的纱线短片段退绕过程中张力变化情况如图2 3 所示。图中张力的 极大值点l 对应着分离点位于层级顶部位置；极小值点2 对应着层级底部位置。 因为层级顶部的卷绕直径小于层级底部，在匀速络筒条件下，分离点位于层级顶 部时气圈的回转角速度较大，而分离点位于层级底部时较小。回转角速度的变化 影响到气圈各微元纱段上回转运动法向惯性力和哥氏惯性力数值，引起一个层级 内管纱退绕张力波动。但是，凹转运动法向惯性力和哥氏惯性力数值很小，层级 顶部和层级底部直径差异也很大，并且一个层级卷绕的纱线长度很短，所以张力 波动幅度小且周期短。由于纱线材料良好的张力松弛特性，这种形式的张力波动 很容易在筒子上被消除，从而不会对后工序产生不良影响。 h r 畿 图2 - 3 连续几个层级退绕时张力变化规律 f i g 2 - 3t h et e n s i o nc h a n g er u l e su n d e rs e v e r a ll e v e l su n w i n d i n g 2 、整只管纱退绕时纱线张力的变化规律 图2 4 所示为整只管纱退绕时纱线张力变化图线( 试验条件为络筒速度 4 5 0 m m i n ，导纱距离1 5 0 m m ，纱线特数2 9 t e x ) 。满管时张力极小( 图中么点) ， 出现不稳定的三节气圈。随着退绕的进行，气圈形状被拉长，气圈抛离纱管的程 度减弱，并且纱管裸露部分增加，退绕点到分离点的距离不断增加，摩擦纱段长 度增长，管纱退绕张力也逐渐增加。同时，最术一节气圈的颈部向纱管管顶靠近。 当退绕到一定时候( 图中b 点) ，该气圈颈部与管顶相碰，气圈形状瞬间突变， 1 4 青岛科技人学研究生学位论文 气圈个数减少，出现稳定的两节气圈，摩擦纱段长度瞬时增长，分离点张力互乃 至管纱退绕张力瓦突然增长。当继续退绕到图中c 点时，气圈形状又一次突变， 出现稳定的单节气圈，其摩擦纱段长度和管纱退绕张力l 又突发较大幅度的增 长。在c 点和d 点之间，虽然气圈始终维持单节状态，但气圈高度不断变大，气 圈形状瘦长，摩擦纱段迅速增加，管纱退绕张力r 2 急剧上升。以上分析表明：气 圈形状影响摩擦纱段长度，摩擦纱段长度是影响分离点张力正和管纱退绕张力疋 的决定性因素，控制气圈形状可以减少z 和疋的变化，使络筒张力均匀。 4 0 z k 2 0 乏 m 8c口 图2 - 4 整只管纱退绕时纱线张力变化曲线 f i g 2 - 4t h ec h a n g ec u r v eo fy a m t e n s i o nu n d e rt h eu n w i n d i n go ft h ew h o l ec o p 3 、导纱距离和纱线退绕张力的关系 导纱距离即纱管顶端到导纱部件的距离，不妨碍络筒工人操作的最小的导纱 距离l 为5 0 m m 乜3 j 。在此条件下进行络筒时，从满管到空管的整个退绕过程中出 现单节气圈，纱线张力波动较小，如图2 5 ( a ) 所示。试验条件为络筒速度为 4 5 0 m m i n ，纱线特数为2 9 t e x 。 ( b ) 2 0 0 m m ( c ) 工；5 c g l m m 3 0 2 0 l o 4 0 3 0 驽 2 1 ) 长 l o 卷 3 0 2 0 l ) 图2 - 5 络筒张力变化曲线 f i g 2 - 5t h ec h a n g ec u r v eo fy a mt e n s i o n 随着导纱距离的增加，平均退绕张力及张力波动幅度均有所增加，构成了不 利的络筒工艺条件。当导纱距离为2 0 0 m m 时，满管退绕出现五节气圈，到管底 自动络筒机纱线张力控制系统的研究 时出现单节气圈，张力变化幅度达到4 倍以上，如图2 5 ( b ) 所示。 当导纱距离大于2 5 0 m m 时，满管退绕时气圈数达六节以上，而退绕到管底 时，气圈节数仍保持在两节以上，始终不出现单节气圈，图2 - 5 ( c ) 为等于5 0 0 r a m 时的纱线张力变化曲线。 由此可见，在导纱距离等于5 0 m m 和大于2 5 0 r a m 时，络筒张力都能保持较 小的波动。 4 、络筒速度和纱线退绕张力的关系 实际测定的结果表明，当络筒速度增加时，气圈回转角速度也相应增加，由 于空气阻力的影响，气圈形状变化，使摩擦纱段增长，从而分离点张力和纱线退 绕张力增加。 5 、纱线特数与纱线退绕张力的关系 通过对气圈中微元纱段所受诸力的分析可知，纱线特数即纱线密度影响了纱 线回转运动的法向惯性力和哥氏惯性力，纱线特数增大，使纱线退绕张力增长。 2 。4 影响张力波动的因素 2 4 1 退绕张力波动的因素 ( 1 ) 退绕高度 满管退绕时纱线退绕张力极小，随着退绕进行，退绕张力逐渐增加，管纱退 绕到管底时，张力急剧增大。 ( 2 ) 络纱速度 车速越大，由于空气阻尼的影响，退绕张力也随之越大。 ( 3 ) 导纱距离 随着导纱距离的增加，退绕张力及张力波动幅度均逐渐增加。 ( 4 ) 纱线特数 由于离心力的原因，纱线的退绕张力与纱线的特数成正比。 其实，络纱速度、导纱距离和纱线特数等虽然都与退绕张力成正比，但影响 较小，在整个退绕过程中并不会引起张