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东华人学硕上学位论义花式纱线机控制系统的研究 花式纱线机控制系统的研究 摘要 复合型花式纱以其结构复合、花型多样、色彩丰富等特点成为当 前花式纱线产品发展的主要方向。空心锭花式纱线机与传统纺纱机的 根本区别在于工作中各回转部件如罗拉等需要变速，从而捻出不同的 复合型花式纱。所以花式纱品种开发的关键技术在于如何控制各运转 部件的变速，并要求花式纱线机在速度变换频繁的情况下能在确切的 时间内进行自适应和自调整，提高变速控制精度，因此，控制技术是 花式纱线机发展的关键动力。 目前花式纱线机的控制系统多采用p l c 加变频器、i p c 通过r s 2 3 2 串口与单片机通信方式或是工控机通过串口通信控制变频器等方式 进行通讯，进而控制步进电机、直流电机、伺服电机等，达到调节配 套罗拉的转速变化，捻出不同花形。当前在花式纱线机中使用较为广 泛的p l c 加变频器控制方式，在生产花式纱方面存在着较大缺点，因 花式纱机属于一个变速联动系统，整机联动不好、控制精度的不足导 致每一段花型的重复性不好，所以过去的花式纱产品无法形成统一的 标准。对于使用微机通过串口控制多个下位机的控制方式也存在不 足，从理论上来讲，计算机的引入提高了对下位机和驱动电机的控制 精度，但在实际应用中，串口通讯中上位机与下位机的传输速度慢， 容易受大功率器件的影响，易丢失数据，发出的控制指令不能保证下 位机对电机的同步控制和整机联动。而对于花式纱线的生产，不能保 证多个电机的整机联动，就意味着在生产中会出现花型变化无规律甚 东华人学硕上学位论文 花式纱线机控制系统的研究 至断纱的严重现象。现在对花色纱和花型的要求在不断提高，对花式 纱的控制系统的要求也在不断提高，花式纺纱机不仅要求控制系统本 身具有相应的控制功能，而且要有相应的性能良好的驱动元件和传动 系统。改进的方向就是要进一步提高变速精度，它包括两个方面：一 方面是要提高改变的速度的精度，另一方面是提高改变速度的时间精 度，这两方面做好了，才可以提高变速精度。花式纱线机的各执行元 件组成的是一个联动系统，各个电机的控制指令要同步下达、精确传 输，各个运转部件要同步配合。在现代自动控制系统中，由于p c 工总 线具有高性能和低成本的特点，开发基于p c i 总线的产品已成为一种 必然趋势，随着p c i 总线的广泛应用，i s a 卡逐渐被淘汰。采用双口 r a m 作为数据缓冲方式的p c i 总线产品可以在工控机与下位机之间实 现数据的并行异步或同步快速交换。同时，高速准确的传输指令与步 进电机以其脉冲控制的优越性相结合，可以弥补现有花式纱机控制系 统在整机联动、变速的时间精度、变速的速度精度的不足，提高花式 纱生产中对各个罗拉、锭子、空心锭、卷筒等的控制精度，从而精确 控制花式纱花型。 本课题根据花式纱线的成纱原理，应用p c i 总线做为指令传输方 式、以c 8 0 5 l f 0 2 0 单片机做为电机的脉冲控制器，以步进电机为罗拉 等花式纱线机配套设备的驱动元件，将花式纱的工艺参数和机器调整 参数包括捻度、牵伸倍数等整合到上位机的设计软件中，根据不同 的花式纱对变速要求的不同，结合步进电机升降速曲线的拟合，编制 各种花式纱对应的工艺参数。每一种花式纱线的工艺参数以文本文件 东华大学硕上学位论文花式纱线机控制系统的研究 存储，使用时由上位机数据库导入，经上位机主控转换成花式纱生产 设备的各个回转部件所需求的速度与位移，从而控制纱线的运动。执 行中以工控机为上位机，m c u 为下位机，双口r a m 做为上位机与下位机 的数据缓冲器，下位机发出的脉冲经隔离放大后控制五个步进电机， 驱动生产设备中的罗拉、锭子、空心锭等各个回转部件，从而将不同 的花式纱工艺参数转化为对各执行部件的实时变速，捻出不同的花式 纱。上位机以p c i 总线将多个预先设置好的速度指令和不同花型的参 数以及针对不同花型的升降速曲线选择指令一次性写入到双口r a m 中， 结合步进电机的快速响应、准确控制，针对不同花式纱生产的变速要 求，充分应用步进电机在额定的矩频特性下支持频繁变速、精确控制 的优点，使用最小二乘法拟合不同的变速曲线，存储在下位机中。 设计中使用p l x 公司生产的p c i 9 0 5 2 芯片实现板卡的p c i 总线的电 气性能。为支持硬件的工作，独立开发了基于w d m 的支持w i n 2 0 0 0 与 w i n x p 操作系统的p c i 总线驱动程序及其上层应用程序，并把它们嵌入 到上层的控制界面中，把花式软件连接到机械控制系统，总线驱动程 序的开发使用n u m e g o 公司的d r i v e r w o r k s 结合v c + + 6 o 进行编译，并使 用v c + + 6 o 开发上位机的用户操作界面，可将花式纱线的控制参数批 量载入控制系统，实现以p c i 总线的数据传输机制和以步进电机为执 行机构的具有较高变速控制精度的新型纺纱设备。 关键词：花式纱，空心锭，p c i 总线，w d m 驱动程序，变速精度， 步进电机 东华人学硕f ：学位论文花式纱线机控制系统的研究 d e s i g no fc o n t r o ls y s t e mt oh o l l o ws p i n d l ea n dr i n gs p i n d l e f a n c ys p i n n i n 2f r a m eb a s e do np c ib u sp a n c v3 p l n n l n 2r r a m eb a s e qo n 上j o lb u s a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ec o m p o s i t es t n j c t u r e ，m u l t i p l es t y l e ，r i c hc 0 1 0 r sa n d o t h e r c h a r a c t e r i s t i c s ， t h e f a n c yy a mh a sb e e nb e c o 唧n g t h em a i n d i r e c t i o no fp r o d u c td e v e l o p m e n t t h ed i f 五o r e n c eb e t w e e nh o u o w s p i n d l ew i t h 黜n gs p i n d l ef a n c ya n dt r a d i t i o n a ls p i 肌i n gm a c h i n el i e si n t h ef - o n n e rn l u s ts h i ri t ss p e e di nw o r k i n g b yt h i sw a yi tb u i l da l ll ( i n d s o fc o m p o s i t ef a n c yy a m t h a ti st os a y ，t h ek e yt e c h n 0 1 0 9 i e st od e v e l o p f a n c yy a m sa r eh o wt oc o n t r 0 1t h er 0 1 l e rs p e e dp r e c i s e l ya c c o r d i n gt ot h e p r o c e s sr e q u i r e m e n ta n dh o w t os e l f - c o r r e c ti t sm o t i o no nt h ec o n d i t i o n o fs h i r i n gs p e e d 疗e q u e n t l y - t h e r e f o r e ，t h ec o n t r o lt e c h n 0 1 0 9 yo ff i a n c y y a mi sak e y “v e ro fd e v e l o p n l e n t n o wd a y s ，m o s to fc o n 们1s y s t e m sf o rf a n c yy a mm a c h i n ea r c ；s t a n d s t i l li np l cw i t ht r a n s d u c e ro ri p cw i t hs e r i a lb u s ，s u c ha s2 3 2u a i u ： 4 2 2 4 8 5u a r tm e t h o d t h e r e b yc o n t r o lt h es t e p p e rm o t o r s ，d cm o t o r s e r v o n l o t o r st oa d j u s tt h es p e e dr 0 1 1 e ra n dt w i s td i f r e r e n tf a n c yy a m a t p r e s e n t ，m e r ei sa 铲e a t e rd i s a d v a n t a g ei nm ef h c yy a mf o ru s eo fp l c w i t ht r a n s d u c e rc o n t r o li nt h ef 抽c yy a mp r o d u c t i o n t h ei n s u 伍c i e n t 东华大学硕： ：学位论文花式纱线机控制系统的研究 c o n t r o lo ft h ea c c u r a c yf o re a c hs e c t i o no ft h ef a n c yy 锄l e a d st ot h e p o o rr e p e a t a b i l i 饥s ot h ef - a n c yy a mp r o d u c t sc 锄o tf o r mau n i f i e d s t a n d a r di nt h ep a s t i ti ss a l ew i t ht h eu s eo fc o l p u t e rs e r i a lb u st o c o n t r 0 1m er 0 1 1 e rb ym c u t h e o r e t i c a l l ys p e a k i n g ，m ei n t r o d u c t i o no f c o m p u t e r sp r o m o t e s t h ec o n t r o l a c c u r a c y h o w e v e r ， i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n si nt h ep ca n dm c ua r e l n e r a b l et o b ei m p a c t e db yh i g h - p o w e rd e v i c e s c o n t r 0 1o r d e r sc a n n p tg u a r a n t e et h a t t h es ) m c h r o n i z a t i o no fm o t o rc o n t r o la n ds y n c h r o n o u sr o t a t i o n a sf o r f i a n c yy a r np r o d u c t i o n ， c a n n o tg u a r r 锄t e et h a ts e v e r a lm o t o r sr o t a r t e s y n c h r o n o u s l y w h i c hm e a n s t h a tt h e r ew i l lb e p a t t e mc h a n g e i n p r o d u c t i o n sa n d e v e nb r o k e ny a m t h er e q u e s th a sb e e ni n c r e a s i n gi nt h e f i a n c yy a mc o n t l 0 1s y s t e m f a n c ys p i n n i n gm a c h i n ec o n 仃o ls y s t e mn o t o n l yr e q u i r e sac o r r e s p o n d i n gc o n t r o l如n c t i o n s ， a sw e l la sag o o d p e r f o l l l l a n c eo ft h ec o l l r e s p o n d i n gc o m p o n e n t sa n dd n v et r a n s m i s s i o n s y s t e m t h ei m p r o v i n gd i r e c t i o ni st oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fs p e e di n t h e 如t l l r e i tc o n s i s t so ft w oa s p e c t s ：o nt h eo n eh a n d ，i st oi m p r o v et h e a c c u r a c yo ft h es p e e do fc h a n g e ，o nt h eo t h e rh a n di st oi m p r o v et h e a c c u r a c yo ft h et i m ef o r t h es p e e do fc h a n g e i nm o d e m a u t o m a t i cc o n t r 0 1 s y s t e m ，b e c a u s ep c ib u sh a st h ec h a r a c t e 订s t i c so fh i g h - p e r f - o n n a n c ea n d l o w c o s t ，t h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t sb a s e do np c ib u sh a sb e c o m ea n i n e v i t z l b l et r e n d ，a sp i l i c e sc o n t i n u et od e c l i n e ，i nad u a lp o r tr a m m o d e o fp c ib u sa n di p cp r o d u c t sc a nf a s tr e a l i z et h ed a t ae x c h a n g i n ga n d 东 二入学坝l j 学位论文花式纱线机控制系统的研究 s u p p o r tt h eh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h ef a n c yy a mp r o d u c t i o ne q u i p m e n t c o n t l o li nt h em t l l r e a tt h es a m e t i m e ，h i g h s p e e da n da c c u r a t e t r a n s m i s s i o nc o m m a n dm a t c hw i t hs t e p p e rm o t o rc a nm a k eu pw i t ht h e d e f e c ti nt h ee x i s t i n gc o n t r 0 1s y s t e mt oi m p r o v et h ea c c u r a c y a c c o r d i n gt of a n c yy a m sp r o d u c i n gt e c h n i c ，t h i sp 印e rp r o v i d e sa n e wd e s i g nt oc o n 仃o lr o t a t o r so ff a n c ys p i n n i n g 仔a m e t h ef a n c yy a n l p a r a m e t e r sa n dm a c h i n e 巧a d j u s t n l e n tp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt w i s t ， d r a w i n gm u l t i p l ei n t e 伊a t e di n t ot h ep c ，s u c ha st h ed e s i g no fs o r w a r e ， p r o p e r l yp r e p a r eav a r i e t yo ff a n c yy a mc o l l r e s p o n d i n gp a r 锄e t e r s w i m t h es u p p o i r to fi p c ，y a m e f i f e c td a t a ，m a c h i n ed a t aa 1 1 dy a m - p i e c i n gd a t a i nas i n 9 1 ed a t i b a s ea r el i n k e dt ot h es o f h a r ed e s i g n i nt h i sw a y ；b a s e d o nd u a l r a ma n dp c ib u s ，a l lt h ep a r a m e t e r sa r et r a n s m i t t e dt om a c h i n e d r i v i n gs y s t e mt or e a l i z et h ep a r a l l e lc o n 硼u n i c a t i o n sb e t w e e ni p ca n d m c u i p ci s r e s p o n s i b l ef o rs e n d i n ga n dr e c e i v i n gd a t a m c ui s r e s p o n s i b l ef o rm o n i t o n n gm a c h i n ed r i v i n gs y s t e m ，w h i c hr e g u l a t e s r o t a t o r so ft h ef a n c yy a mm a c h i n ew i mv e l o c i t ) ，c h e c k e d ，t h e na d a p t st h e d r i v i n gs y s t e m t o s a t i s 矽 w i t ht h e r e q u i r e m e n t o fs p e e d a l t e r i n g s y n c h r o n o u s l ya n dr e a l i z e st h ec o n t r o ls y s t e mo fh 0 1 l o ws p i n d l ea n d r i n gs p i n d l ef a n c yt w i s t i n gm a c h i n e a n dd i f f e r e n t 行o mt h ep a s t ，i n o r d e rt oe n s u r et h ec o 眦u n i c a t i o nb e 似e e ni p ca n dc o n t r 0 1 l i n g 抓v e r ， t h ea u t h o rd e v e l o pt h ep c ib u sd r i v e ra n dt h eu p p e ra p p l i c a t i o n sb a s e d o n w d ms 仃u c t u r es u p p o r tw i n 2 0 0 0 w i n x p 叩e r a t i o n a ls y s t e m m e a n w h i l e ， 东华人学硕 ：学位论义花式纱线机控制系统的研究 t h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m sa r ee m b e d d e di n t ot h et o po fc o n t r o l i n t e r f a c ea n df a n c ys o r w a r ei sc o n n e c t e dt om em e c h a n i c a lc o n 仃o l s y s t e m t h e r e b y ，d e s i g nt h en e wc o n 打o ls y s t e mf o rf a n c yy a me q u i p m e n t w i t ht h ec o r eo fm o t i o nc o n t r 0 1c a r df o ri n d u s t r i a lc o n l p u t e r ( e n g i n e e r i n g ) s u p e i s e db y l ( e yw o r d s ：f a n c yy a m ，h o l l o ws p i n d l e ，p c ib u s ，w d md r i v e r v e l o c i t ya c c u r a c y ， s t 印p e rm o t o r 东华人学硕上学位论文 鲥系统的研究 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：遣栅 日期：那年月庐日 东华人学硕 ：学位论文花式纱线机控制系统的研究 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 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 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密区 学位论文作者签名：蝴 日期：嬲年胗日 指导教师签名：叶匀钞。 日期：缈哞) ，月i 午日 0 。删粼。 第一章前言 1 1 课题提出的背景及意义 实现一台生产机械的全部自动化，往往需要对生产i 艺上提出的一些参数进 行控制，其中生产机械的转速控制，在高速高产量的情况下占主导地位。花式 纺纱机是种技术含量大、机电一体化程度高的新型纺纱机械它是依靠芯纱罗 拉，曲梦拉，后罗扣、卒心锭子、环锭锭子和钢领板等多个变速部件通过不断地 变换速度组合而纺出血颜六色、形态各异的花式纱，这儿个部件变速的可控范围 和随机性及其配合的精确性是花式纱生产和品种开发的关键”3 。例如对于生产竹 节纱来讲，改变输出速度会出现纱线捻度变化、强力不均等问题，同时改变喂入 速度和输出速度还需要实践与研究“1 。与普通纱线相比，花式纱线结构复杂、品 种繁多、耐用性能差”1 ，成纱质量的好坏很大程度上是出其控制系统决定的。1 。 本课题柬源于东华大学1 9 9 9 年研制成功的“微机控制的空心锭纺花式纱机”， 该控制系统是以p c 机为上何机的丰从式多微机控制系统，上位机完成动态参数显 小、数据传送和管理，下位机做成插卡形式通过工控机的i s a 总线与上位机进行 通信，下位机扳卡上采用六只单片机通过串几柬控制步进电机和直流电机。如图 卜l 所示： -vvv 日 一 图卜1 空心锭花式纺纱机主从式多微机控制方案示意图 而随着计算机总线技术的发展，i s a 总线已逐渐被淘汰，现在大多数工控机 或是p c 机中不再支持i s a 总线，取而代之的高性能、低成本的p c i 总线，p c i 总线 东华大学硕士学位论文花式纱线机控制系统的研究 已成为微机总线的主流技术，而且使用p c i 总线一个突出特点就是c p u 占用率极 低，因为它和存储器之间的数据交换基本上通过直接内存读取方式，所以即使是 低速设备也开始淘汰i s a 总线。 因此，本课题在原有的控制系统基础上对该控制系统进行改造，硬件部分根 据原有控制系统的功能需求，将i s a 总线的通信方式改造为p c i 总线的通信方式， 将下位机多个m c u 对多个步进电机的控制改为单个m c u 对一到五个步进电机的控 制，以实现二维到五维坐标的同步联动。下位机的步进电机控制程序使用最小二 乘法法拟合步进电机的升降速曲线，并根据速度传感器反馈的步进电机的实际 转速，使用数字增量型p i d 调节稳定步进电机的转速，通过上位机主控与下位机 m c u 相结合，较好动态的提高罗拉等设备的变速控制精度，使它们能够按花式纱 线工艺设计要求做变速运动，实现花式纱线机控制系统。 1 2 花式纱线机控制技术的发展 1 2 1 国外花式纱线机控制技术的发展 国外花式纱线机控制技术的发展主要分为以下几个阶段：机械控制、光电与 机械相结合的控制、微型计算机控制、变频器控制。 1 ) 机械控制 5 0 年代的花式纱线机称为花式合股机，合股花式线常用两根或三根不同颜色 的单纱经过一次或两次并捻而成，设计时采用不同的原料、捻向和捻度，以各种 色纱进行组合，其控制部分采用凸轮杠杆控制，此时期的控制技术可称为机械控 制。 2 ) 光电与机械相结合的控制 7 0 年代，花式纱线机走向多能型，其控制部分广泛采用当时先进的电磁离合 器、电磁刹车、光电纹板、电子程序等光电与机械相结合的控制方式。如：西德 s a u r e r a 1 1 m a 的e e s x 花式纱线机和日本共立c f 2 0 联合型花式纱线机等。这种光电 与机械相结合的控制方式，可以对罗拉实行不同程度的变速控制，其罗拉的速度 通过光电控制实现快、中、慢、停四项功能，比早期的花式纱线机要进步得多， 但仍存在很大的不足：罗拉速度变化极其有限，可纺的花式不多：仍需采用变速齿 轮箱，结构复杂；由程序控制箱或光电孔带产生控制信号，操作比较繁琐，使用 不方便口1 。 第2 页共7 l 页 o 枞矧靴澈躲究 3 ) 微型计算机控制 进入8 0 年代以后，由于微电子技术和微型计算机的发展，花式纱线机进入 了微机控制多马达调速的新时期。利用空心锭纺制花式纱是保加利亚索非亚纺织 服装研究所首先研究成功，1 9 7 3 年英国g d m 公司从保加利亚购买专利，开始进一 步开发，继而西德s a u r e r a l l m a 公司也研制了这种机器。英国g d 公司在1 9 8 3 年意大利i t m a 上展出了利用微处理器控制的g d m m k 3 型空心锭花式纱线机。8 0 年代中后期，又推出了最新机器g d m t r i t e x 型花式纱线机。g d m m k 3 型空心锭 花式捻线机最初仍采用直流马达驱动，但由于直流马达存在转速不稳定、不能瞬 时变速从而影响对花型的控制等缺点，后采用了微机控制的步进马达，使传动误 差几乎等于零。五只步进马达分别驱动输出罗拉、前罗拉、喷射罗拉、后罗拉和 芯纱罗拉，各罗拉速度由微机控制。该机操作简便，控制灵活，使花式纱线机的 控制水平发展到了电子技术与计算机技术相结合的新阶段。另外该机取消了减速 箱，用齿形带传动，大大减少了机械维修量。g d 公司后来又发展了功能更强的 g d m t r i t e x 型空心锭花式纱线机。该机较之以前的机型可以生产更为丰富的花 色品种，它每锭配备三套独立的双皮圈三罗拉牵伸机构，间断或连续喂给，传动 系统采用先进的步进电机，完全去掉了齿轮箱、离合器和直流电机等部件。八十 年代初，世界上己有几十个国家共有空心锭花式纱线机几百台。但当时一般只能 纺制超喂型花式线，八十年代以来，有突破性的发展，采用计算机控制罗拉速度， 因而也能纺制控制型花式线。至今，还有日本、意大利、法国，瑞士、美国等 生产新型空心锭花式纱线机。 空心锭式捻线机是一个调速系统船3 。空心锭花式纱线机发展到现在可归纳为 两大类：一类是以英国g d m 型和德国e s p 型为代表性机型，将传统纺制花式纱线 所需的四道工序( 牵伸、成花、加固、络筒等) 一步完成，从而大大简化生产工 艺，提高了生产效率。另一类是以德国的f m f 型和意大利的f ，r f 型为代表的采 用空心锭和环锭相结合，采用同一台机器上二次加捻来完成花式纱线加工的方 法。前者特点是机器结构简单，效率高，但存在捻度较大，成纱加捻也较大，编 导结时容易歪斜等缺点。后者机器结构较复杂，但经过空心锭和环锭的正反向二 次加捻后，可使第一次加捻后被捻紧的纤维在第二次反向加捻时得到退捻，因此 成纱结构比较松软、理想。s c h l a f h o r s t 公司开发的f a n c y n a t i o n ，整合于机器 第3 页共7 l 页 东华大学硕士学位论文花式纱线机控制系统的研究 控制系统中，已配备在新型a u t o c o r 0 3 6 0 和a u t o c o r 0 3 1 2 机台上，并且能将早期 型号的基于机械装置的花式纱线系统的花型库数据自动装入到新型a u t o c o r o 花式纺纱机中，近两年来，a u t o c o r o 全自动转杯纺纱机最重要的技术创新之 就是在机器里增加f a n c y n a tio n 花式竹节纱系统9 l 。 4 ) 变频器控制 日本o z e k i 科技有限公司( o z e k i te c h n o c ，l t d ) 在i t m a 9 7 上展出的o n 一2 2 3 n f 型“雪尼尔”花式线机，配备有4 组电子调速变速器，利用i c 控制器，根据编写 好的设计程序控制锭子，旋转导纱器，芯纱及喂纱罗拉的转速，生产出多种复杂 的“雪尼尔 花式线。瑞士阿姆斯勒公司( a m s l o r ) 花式纱装置使用传统的双速电 磁离合齿轮及自动驱动的电子伺服装置，可生产单色、多色粗节纱n 0 1 。 1 2 2 国内花式纱线机控制技术的发展 我国对花式线生产设备的研制起步较晚，对其控制技术的研制相对更晚。早 期的国产花式纱线机都是在传统细纱机或捻线机上经过改造设计而成，或在其它 自由端纺纱机上加装纺某种花式纱线的控制装置。国内至今许多生产厂家仍使用 由普通细纱机改装的花式纺纱机，其一在于改机方便，附加装置的型号很多，生 产成本低，单台产量高；其二在于机器的适应性比较广，既可用于棉纺、毛纺， 也可以用于麻纺及混纺。8 0 年代国内引进和制造了许多花式纱线机，形式上有环 锭、空心锭、空心锭加环锭、无牵伸装置、有牵伸装置、甚至有两套牵伸装置、 超喂型、电子控制型、直至计算机控制型等；目前电脑空心锭花式设备主要引进 以德国阿尔码e s p 系列、英国根朱尔登斯莫尔公司m k 3 式纺纱机及h 本、意大利设 备为主n 。至今，我国对微处理器控制空心锭花式线纺纱方法的研究大体上集中 于以下几个方面： 1 ) 单片机+ ( 步进电机+ 直流电机) 其典型代表是中国纺织大学于9 1 年研制成功的主从分箱式多微机控制空心 锭花式纱线机c f y 型，该方案采用多微机控制，传动部分由步进电机和直流电机 混合组成。 2 ) p c 机+ ( 步进电机+ 直流电机) 其主要代表是以p c 机为核心的空心锭花式纱线机主从式多微机控制系统的 研制。其传动部分亦由步进电机和直流电机组成。三台步进电机分别控制前罗拉、 第41 i ( 共7 l 贝 东华大学硕士学位论文 花式纱线机控制系统的研究 后罗拉和喷射罗拉，两台直流电机分别拖动输出罗拉和空心锭皮带轮。控制系统 中采用一台工控机作为上位机，下位机采用五片单片机，分别控制三台步进电机 和两台直流电机。 3 ) 变频调速控制 ( 1 ) p l c + 变频调速 其主要代表是浙江日发纺织有限公司生产的r f 2 1 5 花式稳线机。其控制系统 采用的是p l c 及变频器控制。在其控制系统中，前罗拉、后罗拉和卷绕机构采用 同步带和齿轮传动，分别由变频调速电机拖动，并配备电磁离合器和制动器，各 速度及其变化规律均可分别调整，任意组合。采用可编程控制器( p l c ) 集中控制， 面板可直接显示各工艺参数，调整、设置，简单方便。最近，西安工程大学纺织 与材料学院研制的花式纱线机控制系统可以通过c a n 总线，实时控制变频器和步 进电机的工作n 羽。 ( 2 ) 单片机十变频调速 在微机控制变频调速花式捻线机的设计一文中，即采用变频调速，使 用单片机作为控制器。在其控制系统中，采用了s t d 总线技术。 ( 3 ) p c 机+ 变频调速 该调速系统以p c 机作为上位机，p c 机中集成有控制软件，具有工艺单管理软 件，可以存储纱线信息，该控制软件提供友好的人机界面，用户所有要进行的操 作，均可通过该控制软件进行引。采用多单元变频调速系统对各回转部件进行速 度控制。系统采用带有微处理器和通信能力的变频器，在结构上极为紧凑，用开 发专用的通信接口( 包括硬件和通信协议) ，有利于缩短系统开发周期，同时由于 减少了“专用性”，对整个系统的扩展及开放将更为有利。 花式纱线机与传统纺纱机的根本区别在于工作中各运转部件如罗拉等需要 进行变速，从而形成不同的花型。从以上分析可以看出，变速控制技术是花式纱 线机控制技术发展的主要取向，而对变速的稳定控制和控制精度的要求是花式纱 线生产的关键。现代机器设计不仅要在硬件上满足生产工艺要求和可靠性要求， 还要在软件上向质量控制和工艺性能评价靠拢，将工艺性能与机器的软、硬件相 结合，尤其是电子技术和微机控制技术的飞速发展，使得智能控制方法和机电一 体化技术在整个机械行业的应用越来越普遍，不仅推动了纺织行业本身向高速 第5 页共7 l 页 东华大学硕士学位论文花式纱线机控制系统的研究 化、自动化、智能化方面的飞速发展，而且促进了现代化全面质量管理、集中生 产管理的发展。 1 2 3 我国的花式纱线生产技术与先进国家的主要差距 进入2 l 世纪，我国花式纱线的生产设备有了较大的发展，花式纱线机从过去 的纯机械式到目前全电脑控制式n4 1 ；从过去的双罗拉牵伸发展到现在三罗拉牵伸 型、四罗拉双色牵伸型、五罗拉单( 双) 摇架牵伸型n5 1 、七罗拉全电脑控制花式纱 线机n 6 1 ；空心锭从过去的单空心锭发展到现在的单空心锭、双空心锭、三空心锭 并存；功能方面已从过去的只有芯纱罗拉和中、后罗拉能变速发展到各罗拉均能 变速，生产设备上也逐渐配备了计算机控制系统，大大满足了产品开发的需求， 初步具备了复合花式纱线的生产能力。但生产设备综合性能不高。国产设备加工 精度不高，影响了最终的成纱速度，仅为国外同类产品的1 4 1 2 ，低速还造 成成纱三角区较大，花型不稳定；国产空心锭花式纱线机在生产大肚纱、毛虫线、 结子线时，易产生气圈膨大、张力波动、断头较多、卷装容量小等问题；复合型 花式纱线的生产能力低下，目前仅能生产一些结构简单、造型与造型之间差别较 小的复合产品，如毛虫与倒毛虫联合、毛虫与大肚纱联合等，尚缺乏国际市场竞 争力。 本章小结： 五十多年来，伴随着工业生产技术的不断进步，新兴技术越来越广泛的运用 在纺织行业，促进了纺织技术的迅速发展，我国也走过了一条从八十年代通过引 进国外先进花式纱线生产设备到近二十几年来自己独立研发的道路，但是纵观国 内外的花式纱线生产设备，在花色品种、品质等方面我们与国外还存在较大差距， 在市场占有上需要不懈努力，有资料表明，目前美国花式纱产量己占纱线产量 4 0 n7 1 。我们应进一步抓住机遇，应用新技术，促进纺织行业高端产品的发展。 第6 页共7 l 页 0 文躲究 第二章空心锭一环锭花式纱线纺制原理 花式捻线简称花式线。它由三个系统的纱，即芯纱、饰纱、固纱所组成。芯 纱一般用卜2 根纱或长丝组成，饰纱是起装饰作用的纱线，固纱主要是包绕在饰 纱的外面，起着稳定饰纱的作用n8 1 。我们平常所讲的竹节纱、圈圈纱、雪尼纱等， 都是指饰纱的形态，所以花式纱线主要是以饰纱的形态命名的。 2 1 花式纱原料的选择 几乎所有的天然纤维和常见化学纤维都可以作为生产花式线的原料，花式线 可以采用真丝、榨丝、绢丝、人造丝、棉纱、麻纱、合纤丝、金银皮、混纺纱、 人造棉等作原料。各种纤维可以单独使用，也可以混用相互取长补短，充分发挥 各自固有的特性，根据所织织物及用途的需求，利用不同的成纱原理和加工方法 改变纱线的内部结构和外观形态。花式线在原料选用、颜色搭配、花型变化及工 艺参数选择上的潜力很大，有助于花式线本身线种的增多。目前国际上尚无统一 的分类方法，以其加工方式的不同大致可以分为以下几类：一是普通纺纱系统加 工的花式线如链条线、金银线、央丝线等；二是用染色方法加工的花色纱线如混 色线、印花线、彩虹线等；三是用花式纱线机加工的花式线。其中按芯纱与饰纱 喂入速度的不同与变化，又可分为超喂型如螺旋线、小辫线、圈圈线和控制型如 竹节线、大度线、结子线等；四是特殊花式线如雪尼尔线、包芯线、拉毛线、植 绒纱线等n 引。 2 1 1 芯纱原料 芯纱，也称基纱，是构成花式纱线的主干，被包在花式纱线的中间，是饰纱 的依附件，它与固纱一起形成花式线的强力。在捻制和织造过程中，芯纱承受着 较大的张力，因此一般应选择强力较好的材料。芯纱可以用一根，也可以用两根。 如使用单根芯纱，一般采用较粗的2 9 t e x ( 3 4 5 公支，2 0 英支) 、2 8 t e x ( 3 5 7 公支，2 l 英支) 涤棉单纱或中长纱，也可用1 8 t e x ( 5 5 6 公支，3 2 英支) 、2 1 t e x ( 4 7 6 公支，2 8 英支) 涤棉单纱或中长纱。 2 1 2 饰纱原料 饰纱，也称效应纱或花式纱，它以各种花式形态包缠在芯纱外面而构成起装 饰作用的各种花型，是构成花式线外观的主要成分，一般占花式纱线重量的5 0 第7 页共7 l 页 o 枞籼黜文龇删黜僦 以上。各类花式纱线均以饰纱在芯纱上面的装饰形态而命名，例如圈圈花式纱即 饰纱以圈圈的形态包缠在芯纱的表面。花式纱线的色彩、花型、手感、弹性、舒 适感等性能特征，也主要由饰纱决定。包缠饰纱的方法一般有两种，一种是利用 加工好的纱、线或长丝，在花式纱线机上与芯纱并捻，产生花式效应，形成纱线 型花式线：另一种是用条子或粗纱在带有牵伸机构的花式纱线机上或经过改造的 细纱机上，再与芯纱并捻产生花式效应，形成纤维型的花式线。也有些花式纱线 在捻制过程中，芯纱和饰纱是相互交替的，即在这一区间内为芯纱，在另一区间 内却又成为饰纱，例如双色结子线、交替类花式线等。 2 1 2 固纱原料 固纱，也称缠绕纱或包纱、压线等，它包缠在饰纱外面，主要用来固定饰纱 的花型，以防止花型的变形或移位。固纱一般采用强力较好的高支涤纶、锦纶、 睛纶纱或长丝作原料，虽然固纱包在饰纱外面，但由于它紧固在花式线的轴芯上， 所以一般情况下，外界摩擦表面仅与花式线制品的饰纱相接触，与芯纱和固纱基 本不接触，但受到张力时主要是芯纱和固纱构成花式线的强力。因此，固纱一般 要求选择细而强力高的锦纶或涤纶长丝作原料，当然也可按照产品的要求选用毛 纱或绢丝为原料。 2 2 花式纱线的结构 花式纱线一般由3 根纱线组成，即芯纱、固纱、饰纱，如图2 一1 所示。芯纱 起骨架作用，主要提供纱线的强力，一般选用强力较高的长丝或纱线作为：芷：纱。 固纱起加固作用，用来固定花形，使花形按生产时的方式固定下来，而避免沿长 度方向滑移。固纱大多采用细且强力高的长丝。饰纱反映花式效应，花式纱线的 花式如粗细节、圈圈、小辫子等，均是通过饰纱表现出来。饰纱可采用棉条或粗 纱经相同的牵伸但不同超喂( 如圈圈纱等) ，或经不同的牵伸( 竹节纱等) 来生 产，也可采用长丝，经不同的超喂( 如结子纱等) 来生产。有时，采用不同颜色 的2 根粗纱经不同牵伸不同超喂，可生产出不仅粗细变化而且颜色变化的花式纱。 圆妙 芯纱 饰纱 图2 一l 花式捻线结构图 第8 页共7 l 页 东华人学硕i j 学位论文 花式纱线机控制系统的研究 花式的形成靠3 根纱线的配合，通过对超喂比、牵伸倍数、芯纱张力、捻度 等参数的控制，可获得不同的花形，要得到好的花式纱线，就必须对这些参数进 行综合控制啪1 。花形的形成主要取决于以下四个参数：超喂比、牵伸倍数、最终 捻度、芯纱张力系数。 2 2 1 超喂比 超喂比( k ) = 饰纱线速度芯纱线速度= 前罗接线速度输出罗拉线速度。超 喂比可以是恒定的，饰纱速度以花式规律恒定于芯纱速度，也可以是变超喂，从 而使花式不断变化。 2 2 2 牵伸倍数 牵伸倍数( i ) = f j i 罗拉线速度后罗拉线速度( 指的是对芯纱的牵伸) 牵伸 倍数可以是恒定的，也可以不断变化，从而改变芯纱的喂入速度，生产不同的花 形。 2 2 3 最终捻度 最终捻度( 丁) = f ( 1 一厂)其中，空心锭子捻度( ，) = 空心锭子转速芯纱 罗拉线速度；退捻系数( 厂) = 环锭转速空心锭子转速。花式纱线的捻度，对 十筒管卷绕的机型而言，一般指固纱对芯纱单位长度内包缠数，即空心锭转速 输出罗拉速度。包缠数数值的大小，对花式纱的手感、外观、花式效果有直接关 系。对环锭卷绕机型而言，除包缠数以外，还有环锭所加的捻度。加捻度的目的 主要是平衡包缠所引起的不平衡，因此，该参数的设定必须和包缠程度以及纱线 其它指标配合使用。 2 2 4 芯纱张力系数 芯纱张力系数( s ) = 芯纱罗拉线速度