（机械设计及理论专业论文）无梭织机主传动及其控制系统的研究.pdf

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。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属丁 不保密口。 学位论文作者签名 日期：年月 日 指导教师签名 孝饱 日期：o 石年；月2 日 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无梭织机的种类和发展现状 1 1 1 无梭织机的分类 织机的种类繁多，除广泛使用的常规织机外，还有各类特种织机。本文按照 织机的引纬方式进行分类； 有梭织机由梭予引纬的传统织机； 无梭织机广分喷气织机、喷水织机、剑杆织机、片梭织机等。 无梭织机是利用高速射流或轻巧的引纬器来牵引纬纱通过梭口无梭织机具 有速度高、噪声低、损耗低、入纬率高、织物档次较高等优点，是目前主要的织 造布设备之一。 喷水织机是利用高速水流进行引纬的，主要用于不需要上浆的疏水性纤维织 物的加工。喷水织机的速度高( 入纬率高达2 2 0 0 m m i n ) ，但喷嘴射程较小，不能用 于宽幅织造( 最大2 3 m ) ，选纬功能较差。在我国喷水织机主要用于生产合成长丝 的单色织物。 剑杆织机是以剑杆作为引纬器，由剑杆的前端剑头握持纬纱穿越梭口完成引 纬。剑杆引纬运动具有较低的启动加速度和纬纱交接加速度，引纬过程平稳，纬 纱张力较小，断纬瑕疵少。采用夹持式引纬，可不受纬纱密度的限制，纬纱处于 受控状态，其退捻和收缩可以较好的受到抑制，减少纬缩瑕疵，这对花式线引纬 和厚重织物的生产非常有利【l 】；剑杆织机的选纬能力较强，可以8 色任意选纬，最 多可达1 6 色。我国引进的剑杆织机主要用于毛织、色织、装饰类织物及特种工业 用织物的生产。 喷气织机是利用高速流动的空气对纱线表面所产生的摩擦牵引力进行引纬。 喷气织机的速度高( 主轴转速可达1 0 0 0 r m i n ，入纬率高达2 0 0 0 m m i n ) 。和喷水织机 相比，由于空气的惯性小，且可采用接力引纬，所以喷气织机能够进行宽幅织造。 喷气织机的选纬能力也不强，故喷气织机最适合于大批量生产单色织物。 片梭织机的引纬过程是利用片状钢梭作为引纬器将纬纱引过梭1 2 1 糖个引纬 过程分为击梭、飞行和制梭阶段。片梭织机与有梭织机不同，片梭不装载纤管( 纬 纱) ，因此大大减轻了重量，有利于实现高速飞行。一台织机可以同时装有十几把 片梭。片梭的夹持力大，可以适用于各种密度的纬纱；片梭织机的转速也较高， 东华大学硕士学位论文 可达4 7 0 r m i a ，幅宽可达5 4 m ；片梭织机的启动加速度大( 约为剑杆引纬的1 0 2 0 倍) ，不适用于强力低的细弱纬纱；片梭织机一般不会产生缩纬疵点；片梭织机结 构复杂、价格高，适合生产附加值高的产品，使用量目前不大。我国引进的片梭 织机主要用于生产高档毛织物、牛仔布、装饰物品和床上用品等【2 】 此外还有多相织机。与一般织机相比，多相织机同时具有多个梭口，即同时 有多根纬线被引入，入纬率大大提高。从而大幅度提高产量。 1 2 无梭织机的发展现状 ( 1 ) 国内无梭织机的发展现状 随着我国纺织工业的水平提高和产品出口的增长，无梭织机的需求量与日俱 增，为我国纺织企业的技术升级和改造奠定了基础。从国外无梭织机技术发展看， 在机电一体化、速度、选色等技术上，都发生了巨大变化，而国产设备与国外相 比还有很大差距近年来，我国国产无梭织机发展较快，初步形成了产业链，产 品成本大幅下降，技术性能有所提高，但与国外同业相比，国产无梭织机总体技 术水平、可靠性和品种适应性等方面还显不足。 从无梭织机发展趋势看，在关键技术和环节上都取得了突破性的发展，如： 过去无梭织机开口机构多配凸轮开口，近年来配多臂机的数量不断增加( 剑杆 织机例外) 。如s t a u b l l 2 8 7 1 型电子式多臂机可以配置1 0 0 0 r r a i n 以下喷气织机 运转，而它的2 8 6 1 型可以配合8 0 0 r r a i n 以下的织机运转，它的2 6 6 8 型可以配合 5 5 0 r m i t t 以下的剑杆织机运转。 织机除配置凸轮开口、多臂开口外，还有配置提花机的。过去无梭织机配的 提花机全部是机械式的，而今都是电子提花机。它带来的好处与电子多臂一样， 它可在最高织机速度1 0 0 0 r m i l l 时正常运转，而一般机械式提花机在2 5 0 3 0 0 r r a i n 以下才正常运转。 近1 0 年喷气引纬方面也有不少改进，除一个主喷嘴外，还有若干个辅助喷嘴 固定在筘座上与其一起摆动，也有在纬纱出口端加装吸嘴的拉抻喷嘴等。近年用 微机控制电磁阀的开启、闭合，电磁阀由每个控制四只辅助喷嘴改成控制二只辅 助喷嘴，电磁阀数量几乎增加一倍，但是节约气耗是非常明显的，当然仍有的喷 气织机坚持使用一只电磁阀控制四只辅助喷嘴。 打纬机构通常采用曲柄连杆打纬机构或共轭凸轮打纬。共轭凸轮打纬在近1 0 年中没有特别的改进，只不过在设计、制造上更精密，更适应高速运转，它在高 2 东华大学硕士学位论文 速剑杆、片梭、喷气织机上得到了广泛使用。 现代无梭织机送经和卷取机构趋向选用电子送经卷取机构，在特宽织机上还 配置左右两侧独立的两套电子送经，取消了机械式差微运动调节两个织轴张力的 装置。电子卷取由于微机监测、监控，不但做到了与送经配合默契，同步运行， 而且可以做到在线交换纬密，使不同纬密在一块布上出现，大大扩展了制织的范 围。 ( 2 ) 国外无梭织机发展现状 目前无梭织机在中国市场可谓竟相争雄。国产无梭织机发展很快，尤其是剑 杆织机，但其总体水平大多停留在中档机种水平，价格较低。国外无梭织机近期 发展较快，尤其是微电子技术的广泛应用，使织机的运转性能有了质的变化，自 动化程度提高，可选择的功能机构扩大。但价格不菲。 剑杆织机 剑杆织机近来发展较快，克服了技术上长期徘徊不前的局面，尤以欧洲生产 的剑杆织机技术改进最快，目前处于领先地位。特别是完全实现了计算机技术、 传感技术、调速技术与织机的完善结合，使剑杆织机的性能、速度有了大幅度提 高，机构简化，能耗降低，织机的可靠性和操作维修的方便性增加。其中以德国 d o m i e r ( 多尼尔) 公司的h t v lm - e a s y l e n o g 刚性剑杆织机、v a m a t e x ( 范美特) 公司 的l e o n a r d o 型剑杆织机、s o m e t ( 舒美特) 的t h e m as u p e re x c e l 型剑杆织机、 p i c a u o l ( - f l , 佳乐) 公司的g t x p l u s 型剑杆织机、瑞士s u l z e rt e x t i l ( 苏尔寿纺织) 的 g 6 3 0 0 型剑杼织机为代表【3 】，总体上说。剑杆织机的品种适用性越来越广，变换品 种更加灵活简便，从目前的发展来看，剑杆织机的品种适应性仍优于其它无梭织 机。 喷气织机 喷气织机近几年来在扩大织造范围、提高织物品质、降低能耗、提高速度等 方面进行了大量综合性的研究，取得了一定的成效。喷气织机在引纬系统上技术 创新还是较多，重点是优化引纬元件、提高引纬效率、降低气耗，国外很多产品 都注重设计主喷嘴、辅助喷嘴、电磁阀、空气管道和储气罐，改进储纬器、纬纱 张力控制器以及完美筘座运动、清晰梭口，并通过完善微机监控整个引纬系统， 确保不同引纬元件之间的同步性，达到速度高、运行效率高。从世界范围看，喷 气织机的销售已呈上升势头，尤以中国和亚洲其它地区销售势头最旺。喷气织机 3 东华大学硕士学位论文 近期的主要改进和发展是大量采用和移植剑杆织机已经成熟的技术，进一步应用 计算机控制技术以及降低气能消耗，使喷气技术更加完善。 喷水织机 喷水织机是在湿度较大的工作环境中运行，对电子元件的防潮要求较严格， 所以，以往仅向高速化发展织制塔夫绸等织物，但随着这些织物市场的饱和，喷 水织机开始转向生产面料、装饰布，机械式的喷水织机为适应织物质量和品种要 求，急需机电一体化 片梭织机 片梭织机一直以现代电子技术与精密制造技术的完善结合而享誉世界，在相 当长的一段时间内，片梭织机的综合性能一直优于其它机种。剑杆、喷气技术的 快速发展，对片援的冲击极大。 我国高档无梭织机到目前为止仍以进口为主，9 5 以上的高档无梭织机是 从国外进口的。剑杆织机主要来自意大利s o m e t 、瑞士s u l z e r 、比利时 p i c a n o l 、德d o r n i e r 等厂商；喷气织机则来自日本津田驹、丰田，比利时 p i c a n o l ，意大利s o m e t ，瑞士s u l z e r ，德国d o r n i e r 等厂商；片梭织机则 来自瑞士s u i z e r 一家；喷水织机来自日本的日产和津田驹。中国台湾引春、迎 春，韩国的几家厂商。近十年机种份额发生了很大变化，上个世纪9 0 年代初期喷 气织机占多数，其次是喷水织机，再次是剑杆，排在最后的是片梭织机。现今喷 气仍排第一，其次为剑杆织机，喷水不仅降到第三位且数量锐减，至于片梭织机 几乎很少进口( 每年不足1 0 0 台) 。在上世纪9 0 年代期间我国从国外进口的高档 无梭织机年平均为5 0 0 0 台左右，其中喷气织机约占5 0 6 0 ，剑秆织机约占3 0 4 0 ，喷水织机约占5 l o 。从进口地区看，过去遍布2 9 个省市，而今 集中在江浙、山东、河北、河南、湖北等少数几个地区，尤以浙江、山东最多。 1 2 织机的主传动及其控制系统 目前市场上的新型无梭织机主传动机构普遍采用高转矩的交流电动机驱动， 通过皮带、离合器传动主轴；主要是通过更换皮带轮实现织机的变速；停车时有 制动装置等零部件有些厂在次基础上增加变频调速装置，由微机进行调速操作， 不必更换皮带轮。自动调整应是新型无梭织机最起码的要求，也是至今仍使用皮 4 东华大学硕士学位论文 带轮调速方案的厂家要实现的目标。此外，各种机构由各自的独立电动机驱动， 电动机的数量由过去的l 2 台增至几十台。 国外已经有织机生产厂商将开关磁阻电机应用于织机的主传动系统。p i c a n o l 公司的无梭织机主传动系统以开关磁阻电机( p i c a n o l 称s i ，m 0 ) 作为标准配置， p r o m a t e c h 和p a n t e r 公司则用开关磁阻电动机作为选件。p i c a u o l 公司在1 9 9 9 年将 s u m o 主电机作为g a m m a 织机的可选部件，它可以直接驱动织机，而不必通过皮 带传动或离合器来实现【4 l 。它的成功也促使了p i c a n o l 公司将其作为标准电动机应 用于织机上。采用电子控制织机的速度，大大降低了机器的设置时间，装配了s u m o 主电机，织机的引纬速度可以随着纬纱强力的不同而改变，因为装备了这个系统， 在多色织造时，如遇到强度较低的纬纱，织机可以自动调整车速以适应织造工艺 的需要。 1 3 本课题研究的内容及意义 本课题主要研究了采用开关磁阻电动机作为无梭织机的主电机、p l c 作为其 控制系统的可行性、优势和设计方法。 介绍了现有无梭织机的种类和发展现状以及织机的主传动系统，讲述了课题 的研究背景和意义( 详见第一章) 。 阐述了无梭织机的工作原理、织机传动系统的类型、传动系统的控制装置以 及现有无梭织机传动系统的优缺点( 内容详见第二章) 。 论述了开关磁阻电动机在织机主传动系统中应用的问题，包括无梭织机主传 动系统对电机的要求，开关磁阻电机系统的介绍，开关磁阻电动机应用于织机主 传动系统的可行性和优势，并列出了开关磁阻电机取代找纬专用小电机的几套方 案( 内容详见第三章) 。 建立了基于p l c 的无梭织机控制系统，主要包括无梭织机主传动系统控制要 求、p l c 作为织机控制器的可行性、系统硬件设计及其控制的实现和应用力控组 态软件对织机的监控( 该内容详见第四章) 。 本论文针对现有剑杆织机主传动系统的缺陷，提出了并完成了一种新型的无 梭织机主传动系统模型，为织机主传动系统的进一步发展提供了新的想法。 东华大学硕士学位论文 第二章传统的无梭织机主传动及其控制系统 传统的新型无梭织机的传动和自动控制的操作机构包括以下几方面的机构： ( 1 ) 主电动机的传动和电磁离合器、制动器的组合 一般在电动机和织机之间的功率传递是通过一套电磁离合器和制动器来工作 的，它既可以保证织机迅速启动和制动，又便于操作。平时经纱断头操作时，织 机停在上心，或3 0 0 度左右乎综位置上阿，启动时要求当织机转到前心打纬时已经 获得正常车速，保证第一纬得到确实打纬，防止发生稀路织疵。 ( 2 ) 灵敏的自停装置，具有停车定位的功能 每当纬纱发生断头或者引纬发生故障失灵时，要求把织机迅速制动在后心位 置，以便操作和处理断纬；每当经纱发生断头要求迅速制动织机，使其停在上心 或者平综位置，以便处理断经。 ( 3 ) 按钮控制 织机具有按钮控制点动、一纬、开车、关车等功能，便于操作，并具有保护 功能以防止电磁离合器和制动器同时通电引起故障。 ( 4 ) 找断头装置 织机有找断头装置。在找断头时，开口装置的传动和织机主传动分离，可以 单独传动开口装置，使开口程序得以变换。若有需要，送经和卷取也可以分开单 独传动。 2 1 无梭织机的工作原理 织机由开口装置( 凸轮开口、电子多臂开口、曲柄开口) 、引纬装置( 梭子引纬、 喷水引纬、剑杆引纬、喷气引纬、片梭引纬等) 、打纬装置、送经装置和卷取装置 五个核心组成部分。这五个核心组成部分的运动就组成了一台织机的五大运动： 开口，引纬、打纬、送经和卷取。织机的基本原型如图2 - l 所示： j f 口 送经 1 图2 一l 织机的基本原型图 6 东华大学硕士学位论文 2 1 1 开口运动 布匹的形成其实就是经纱和纬纱的交织过程。沿织机纵向配置的数千根经纱 从织轴上退绕下来，绕过后梁，穿过停经片、综丝眼和钢筘的箱齿间隙，经过胸 粱、刺毛辊和导布辊绕于卷布辊上。综框按一定规律升降，带动经纱分成上下两 层，形成沿织机横向的菱形通道，该通道称为梭口，便于纬纱引入；引纬器从菱 形通道穿过并在其中引入与经纱方向垂直的纬纱，纬纱引入后，上下层经纱交错， 形成新的梭口，以便下一根纬纱引入经纱这种反复交错形成梭口的运动就是开 口运动。经纱的上下分层是由综框的升降运动直接驱动的。综框数量的多少以及 各个综框的升降次序的不同便形成了不同织物的组织形式，如平纹组织和斜纹组 织。不同的开口组合配合不同的纬纱，就形成了不同品种的布匹。而综框的升降 运动可以由不同的动力来驱动。根据这种驱动力的不同，可以分为凸轮开口、曲 柄开口、电子多臂开口等。 开口运动是影响经纱张力的重要因素之一当梭口满开时，经纱张力最大； 平综时经纱张力最小。经纱的张力和开口的高度的平方成正比。小的张力对于经 纱的强度和织物的质量都有好处，因此为了减少织造过程中的经纱张力，开口的 高度应尽量小，但小的开口高度又会增大引纬的难度1 7 1 1 合理的梭口高度应根据 引纬器的结构来决定 2 ，1 2 引纬运动 引纬是将纬纱引入由经纱所构成的梭口中，以便与经纱交织形成织物。引纬 方式主要由两大类：有梭引纬和无梭引纬。本论文主要涉及无梭引纬。 无梭引纬是利用高速射流( 如空气、水) 或体积小、重量轻的引纬器来牵引纬纱 通过梭口。无梭引纬的特点是： ( 1 ) 射流、引纬器的质量减轻，使织机速度有可能大幅度提高，特别是以流体 作为引纬工具时，织机的主轴转速可达到1 0 0 0 r r i l i n 以上；织物幅宽也得到成倍的 扩大，片梭织机的幅宽己经达到5 4 m 。 ( 2 ) 引纬射流和引纬器具有很小的截面尺寸，因此箱座动程和经纱开口高度缩 小，从而对经纱起到良好的保护作用。 ( 3 部分引纬器的运动规律还受到控制，因此引纬动作比较缓和，纬纱所受张 力也比较合理。 ( 4 ) 噪声低，机物料消耗低，工作环境改善。 7 东华大学硕士学位论文 ( 5 ) 入纬率高。一般织机的主轴一转引一根纬纱。提高入纬率的关键是提高引 纬速度( 纬纱的平均飞行速度) ，从而使提高织机转速和增大织机幅宽才能得以实 现，因此无梭织机的入纬率有了明显的提高，这是无梭引纬的一个特殊优点。多 梭口引纬在不提高织机速度的情况下，增加织机每转的入纬根数也可以成倍地提 高入纬率。 2 1 3 打纬运动 打纬运动的作用是将引入梭口的纬纱推向织口，与经纱交织并被打紧，形成 具有规定纬密的织物。织物的经纱密度和幅宽，由打纬机构来控制。 打纬机构沿织机前后摆动，而引纬沿织机的左右运动。要求打纬与引纬协调 配合，即打纬机构的摆动应为引纬运动留有足够的时间和空间。 打纬机构分连杆打纬和凸轮打纬。打纬运动是影响经纱张力的另一个重要因 素。当钢筘打向纬纱时，经纱的张力最大，织口附近的纬密也达到最大；反之钢 筘回移时，纬纱也会有一定的回移，经纱张力和织口纬密都将减小。所以在织机 上，纬纱并不是经过一次打纬就能达到规定的机上纬密，而是要经过若干次打纬 后，才能达到所要求的机上纬密。综平以后，梭口逐渐开放，经纬纱开始相互屈 曲抱合而产生阻碍纬纱向前移动的阻力。在初始阶段，由于钢筘到织口的距离相 当大，经纬纱相互屈曲和摩擦的程度并不显著，钢筘几乎不受阻力的作用。但当 纬纱被钢筘推到离织口很近即靠近前一根纬纱时，钢筘所受的阻力开始急剧增大， 经纱张力也剧烈增大，打纬阻力开始急剧增大的那一瞬时称为打纬开始。当钢筘 到达前死心位置时，阻力和经纱张力都达到最大值，此时称为打纬终了从打纬 开始到打纬终了这一时期，称为打纬过程。 2 1 4 卷取和送经运动 为了保证织造生产过程的连续进行，纬纱被打入织口形成织物后，必须按照 织物纬密的要求将织物引离织口，卷绕到卷布辊上；同时，经纱轴上必须放出相 应长度的经纱，使经纬纱不断地进行交织。这就形成了织机的另外两大主要运动： 卷取和送经。卷取运动中主要的一点是必须按照织物的纬密要求进行卷取辊转动 速度的设定；而送经运动重要的一点是必须合理控制经纱的张力，使织造过程中 经纱张力波动稳定，防止经纱断裂和经纱张力波动大而形成的疵点。 卷取和送经有机械式和电子式两种。机械卷取是通过传动齿轮和减速齿轮箱 将主轴和卷取辊联动起来，主轴转一周打一次纬，相应的，卷取辊转过一定角度。 8 东华大学硕士学位论文 通过改变传动齿轮的齿数，可以在很大的一个范围内进行纬密的设定。机械送经 是通过连杆、凸轮传动的方式，在一个主轴回转周期内，经纱张力大的时候织轴 放送经纱，张力小的时候停止放送经纱。当织机生产不同的织物时，必须调整经 装置的机械参数，以适应不同经纱的不同张力。 电子卷取是用微电脑控制的新型卷取装置。这种卷取机构中，采用了单独的 直流伺服电机作为动力源，通过减速轮系驱动卷取辊对织物进行卷取。减速轮系 的各个齿轮都是固定的，不必根据织物的纬密要求而变更。织造过程中，通过控 制器来控制伺服电机的电压，改变电动机转速，从而实现讳密的变化。通过程序 参数的设定就可以适应不同织物的讳密，十分方便。电子送经也是通过独立的直 流伺服电机作为动力源，使用张力传感器来检测经纱的张力，当张力大时，微电 脑控制伺服电机正转送经，减少张力；当张力小时，微电脑控制伺服电机反转。 增大张力。这样，织造的过程中，经纱的张力比较平衡。 由于五大运动都是以织机主轴一周的时间为运动周期，我们可以用回转角度 来表示运动的开始、结束时间及各运动的相互配合协调关系。 2 2 织机传动系统的类型 织机的传动系统，主要可分为直接式和间接式两大类，为了提高工作性能， 也还有一些特殊设计的传动系统。 2 2 1 直接式传动系统 直接式传动系统织机是由电动机通过一对齿轮或皮带轮来直接传动织机主 轴，并直接操纵电动机开关来控制织机的启动和停车，通常还需另外再配有制动 机构。这种传动构造简单、控制容易，一般用于轻型或低速织机( 因为轻型织机 转动惯量小，低速织机所需的动能较低) 上，在一些喷气织机上也有应用。 直接式传动系统所用的电动机是与织机直接联动的，为了保证织机迅速启动， 要求电动机有较大的启动力矩，因此往往采用专门设计的织机专用电动机。另外 由于织机工作时启动、制动频繁，电动机时开时停，启动电流很大，致使效率低： 而且制动时要连带将电动机转子及小皮带轮刹停，增加了制动负荷，因此，现在 已趋向于采用间接式的传动系统聊。 2 2 2 间接式传动系统 绝大多数商性能的剑杆织机都采用间接式的传动系统，在电动机和主轴的传 9 东华大学硕士学位论文 动链中含有离合一制动装置。 常用的离合器有两种：机械式摩擦离合器( 平面型或锥形) 和电磁离合器。 机械式摩擦离合器( 平面型或锥形) 目前多用于有梭织机上，这种传动结构通过 摩擦离合器把电动机的驱动力矩传给织机的主轴，通常离合器与制动器是配对使 用的；电动机始终是在运转着，由操纵离合器与制动器的结合或脱离来控制启动 或制动。这种系统的特点是使织机实现迅速的启动和制动，并改善电动机运行特 性。 新型织机已普遍采用电磁离合器( 常和电磁制动器连成一体) ，这就可用按钮式 开关，使结构紧凑、操作省力。电磁离合器的基本结构由4 个基本部分组成嘲：中 央传动盘a 、刹车磁铁b 、离合器磁铁c 和离合器转子d 。其中c 和a 构成电磁离 合器，b 和a 构成制动器，p 1 与m 通过硬轴联接，p 1 与p 2 通过三角皮带联接，d 与皮带轮p 2 通过硬轴联接，p l 、p 2 、d 与电机同时转动。另外，a 与减速轮的转 轴用滑键联接。这4 个部件都为圆盘型，且为一整体密封于传动箱内。如图2 2 所示： m 主电抚p - 、p l 皮带轮争台嚣转于 c 台嚣氆帙卜划车破铁 中央传动量 图2 2 织机电磁离合器系统 其工作原理为：开车。只要控制箱电源开关合上，则m 、p 1 皮带轮、p 2 皮 带轮及离合器转子d 已处于运转状态。当按下启动按钮时。离合器磁铁c 线圈得 电，产生磁场，传动盘a 被吸向离合器转子d 。由于a 与d 接触的端面有摩擦材料， 产生摩擦力矩，则d 通过a 带动减速轮组及曲轴转动，整个织机开始工作；停 车。当在正常运转过程中，按下停车技钮或故障自动停车信号发出后，离合器磁 铁线圈c 迅速失电，刹车磁铁线圈b 通电工作。此时，由b 线圈电流产生的磁场， 将a 吸向b 端面，而b 的铁芯又是紧固在机架上，通过摩擦阻力矩，使织机转轴( 曲 轴) 迅速停下来，实现全机停车。 1 0 东华大学硕士学位论文 2 3 传统无梭织机驱动控制装置 u 酋萄， n 母2 a 蹰拓群 j 啪 i t l 。i单 嚣 n2 。 峪鬯璺也 勿秀勿蚕r 。h 四磐 习i p扣d 毫卜一 呻咔1 9 b 一。细。n l 一主电动机2 一皮带4 一高速轴5 转子6 一启动线圈7 耦合盘8 一摩擦盘 1 0 曲柄l l 小电机1 2 一涡轮蜗杆1 垂一大活塞l 扣小活塞1 8 一拨叉e l 、c 2 慢 动离合器a la 2 - - 找纬离合器1 6 ，1 7 传感器2 3 主轴 图2 3 织机传动简图 任何一台织机都是靠电动机拖动的，它向整个系统提供动力，使系统得以运 转。织机在慢速运转时，即慢速正转和慢速反转时，大多采用辅助电动机作为动 力源，有的织机则采用气动马达来驱动。无论采用什么形式的动力源，都必须有 执行机构部分，它是由机械传动部分和电子控制系统构成，典型的机电一体化结 构“。图2 - 3 是某种型号织机的传动简图： 图2 4 传动机构控制电路 织机的正常运转由主电机驱动；启动和停车由电磁离合器完成转换；慢速正 东华大学硕士学位论文 转和反转由慢速电机驱动；快速运动和慢速运动的转换由慢速离合器和找纬离合 器的状态来决定。 传动部分的动作，由电子控制线路来控制。织机由微机控制，一切控制信号 均有c p u 发出。传感器检测的信号也要反馈给c p u 进行处理，控制电路如图2 - 4 所示。 按下高压控制箱上的启动按钮后，主电动机1 立即启动，并通过传动带2 使 活套在高速轴4 上的转子5 旋转，此时高速轴并不旋转，织机也不运动。若按下 织机前控制屏上的织机启动按钮s t a r t ，该按钮信号( 高电平) 经光耦0 2 0 送入数 据选择器2 5 1 ，它是8 选1 多路选择器，选通后，送到数据总线d o 上，由八总线收发 器2 4 5 通过内部数据总线送到c p u ( 6 8 a 0 9 e ) ，c p u 接到启动按钮信号后，在各种启 动条件都满足的情况下，发出启动织机的命令，同样经8 总线收发器送出，送到 外设接口适配器( 6 8 2 t ) ，6 8 2 1 由a 口p a o 输出低电平的启动信号c l o n ，反相后， 经光耦0 2 3 送出高电平c l o n 信号到肩、停指令形成电路( 由门电路组成) ；与此 同时，由a 口p a l 也送出高电平的b r o n 信号，经光耦0 2 2 送到启、停指令形成电 路，以保证启动织机的启动线圈得电时，制动线圈不能得电。启动指令形成后， 经双基定时电路l m 5 5 6 。l m 5 5 6 为双5 5 5 型结构，两部分公用电源，独立运行，一 半供运行启动线圈，一半供制动线圈。5 5 5 能工作在单稳状态或多谐状态，产生高 精度延时或振荡。5 5 5 输出脉冲的宽度由驱动电路( q 1 8 、q 1 7 、f e t 、c 、r 等组成) 中的r 、c 确定，而c p u 的控制可以改变输出脉冲的占空比。由l m 5 5 6 输出的脉冲， 决定q 1 8 、q 1 7 三极管是否导通：在l m 5 5 6 输出高电平时，q 1 8 导通，v a 点电位接 近1 2 v ，此时若保护监测线路没有检测出任何故障，保护线路不动作，继电器r e 4 的触电r e 4 是闭合的，这样，高压3 5 0 v 通过启动线圈经r e 4 加到场效应管f e t 上， 使f e t 工作于饱和状态；在l m 5 5 6 输出低电平时，q 1 7 导通，使得v a 点的电位接 近于o v ，f e t 工作于截止状态。可见l m 5 5 6 输出脉冲使f e r 工作于开关状态，将 3 5 0 v 直流电源变成3 5 0 v 脉冲电源( 脉宽为l m s ) 。在刚进入开车状态时，c p u 控 制脉冲序列比较集中，即占空比大、f e t 工作频率比较高，在运行绕组上得到的电 压波形比较密，平均值较大，即高压启动。工作大约l s 的时间后，机器进入正常 运行，这时c p u 发出的脉冲序列比较疏，在绕组两端的电压波形就比较疏，平均 值较小，即低压运行。这样，控制电路就给启动线圈6 通电，在线圈的强大电磁 力作用下，将耦合盘7 吸合，而耦合盘是通过滑键与高速轴相连的，这样，转子 东华大学硕士学位论文 便借助耦合盘使高速轴旋转。 图2 - 3 中的小电机1 l 是用来驱动织机慢速运行的，当织机要以正常速度运行 时，该小电机一定要与主轴脱开；反之，当织机需要做慢速正转或反转时，主电 机的传动也必须与主轴脱开。这一功能是靠慢速离合器c 。、c 。和找纬离合器a 。、a 2 来实现，而离合器的啮合与分开，则由大活塞1 4 和小活塞1 5 的运动来实现。 当织机启动按钮按下，织机需要以正常速度运转时，c p u 在发出给启动线圈通 电和给制动线圈掉电的同时也发出控制大小活塞运动的指令，经7 4 l s 2 4 5 送到外 设接口适配器6 8 8 2 1 ，见图2 - 4 ，由6 8 8 2 1 的b 口p b 6 和p b 4 ，经光耦0 1 8 和0 1 7 ， 由达林顿管l 7 0 2 去控制大活塞1 4 向机架里侧( 向右) 运动，于是大活塞通过传 动拨叉1 8 使慢速离合器c l 和c 2 脱开，慢速离合器c 2 和找纬离合器a 2 都是通过 滑键与主轴2 3 相连的，所以小电机的驱动被脱开。与此同时，小活塞1 5 也接到 向机架里的方向运动的控制信号，传动拨叉1 8 使找纬离合器a ，和a 2 啮合。这样， 主电动机传动高速轴，高速轴通过传动齿轮传动a ，由a ，带动a 2 使主轴运转，织 机便以正常速( 即高速) 进行织造。 为了监控离合器的工作状态，将离合器动作后的信号反馈回c p u ，在传动拨叉 处各安装有一个传感器：p x s m 慢速运动离合器1 6 和p x p f 找断纬离合器1 7 。这两 个传感器采用的是一种普通的电感式传感器“”，如2 5 图所示， 戮盛 l 一j “) 图2 5 电感式传感器 当传感器的响应区没有金属片遮盖时，传感器输出大约l o m a 电流的高电平( 逻 辑1 ) ；当传感器的响应区有金属片遮盖时，传感器输出大约l m a 电流的低电平( 逻 辑o ) 。因此，必须使金属片与传感器之间的间隙调为0 4 o 8 m m ，才能保证传 感器功能正常。当织机处在开快车和停止状态时，慢速离合器脱开，找纬离合器 啮合，大、小活塞都是向机架内侧的方向运动，由图2 4 可知，此低电平信号经 光耦0 3 4 由8 选1 多路选择器7 4 a l s 2 5 1 选送到数据总线d 3 上，由八总线收发器 送往c p u ，到此c p u 才确认启动成功。 东华大学硕士学位论文 当按下控制屏上的停车按钮s t o p 时，由图2 4 可知，由数据选择器选上数据 总线d o ，由2 4 5 送到c p u ，c p u 同样经过2 4 5 发给6 8 8 2 1 ，此时6 8 8 2 1 的a 口p a o 送出高电平c l o n ，制止启动线圈有得电的可能；而p a l 送出低电平b r o n ，由启、 停指令形成电路形成指令，经l m 5 5 6 的另一半输出脉冲，由驱动电路( 完全和启 动线圈的驱动电路一样，图中未画出，只画以方框示意) 给制动线圈加电，制动 线圈得电后，耦合盘7 被吸向制动线圈一边( 右边) ，借助固装的摩擦盘8 ，使耦 合盘7 与高速轴4 停止旋转。制动过程同样由c p u 控制，先是高低压联合制动， 然后低压维持，只是高压制动的时间很短，只有十分之几秒。此时，由6 8 8 2 1 的b 口p b 6 、p b 4 仍然发出相同的指令控制大、小活塞均向机架内侧的方向运动，使慢 速离合器脱开，找纬离合器啮合，从而使织机主轴停止转动，织机被刹车。传感 器p x s m 和p x p f 均被遮盖，发出低电平“0 ”的信号，送回c p u 。 当按下控制屏上的慢速向前s 腰( 或者慢速向后s 胍) 按钮后，从图2 4 可知， 都是经过数据线d o 送上c p u ，c p u 判断各种条件满足后，发出慢速运动的信号， 此时6 8 8 2 1 的a 口只输出信号使得制动线圈掉电，也使启动线圈不得电。6 8 8 2 1 的 b 口p b i 或( p b 3 ) 送出信号，经光耦0 9 ( 或者0 1 9 ) 隔离后，由达林顿管驱动小 电机正转或反转，小电机1 l 经蜗轮蜗杆1 2 和传动齿轮1 3 带动活套在织机主轴上 的慢速运动离合器c 。而6 8 8 2 1 的b 口p b 6 和p b 4 也送出信号，分别经光耦0 1 8 和0 1 7 隔离后，由达林顿管去控制大、小活塞的运动，此时的信号应使慢速离合 器啮合，所以该信号应使大活塞1 4 向机架外侧的方向运动，使小活塞向机架内侧 的方向运动，慢速运动离合器和找断纬离合器均啮合；使传感器p x s m 不被遮盖， 发出高电平“i ”的信号，传感器p x p f 仍被遮盖，发出低电平“0 ”的信号，返回 c p u 。这时小电机借助慢速运动离合器c 。和c 。的啮合，由c z 通过滑键带动织机主轴 慢速正转或反转，而织机主轴又通过滑键传动找断纬离合器a 2 ，a 2 借助与a t 的啮 合，使a 。也慢速正转或反转，从而驱动曲柄l o ，于是综框、钢筘、卷取等运动都 相应做慢速运动。 在找断纬状态下，找断纬按钮按下后，同样如图2 _ 4 中的通路送到c p u ，此时 c p u 发出的命令使小电机旋转，因为找断纬时，织机仍需处于慢速运动状态下。不 同的是小活塞要向机架外的方向运动，从而使找断纬离合器脱开，由于此时大活 塞仍需向机架外的方向运动，故慢速运动离合器是啮合的，小电机就可以通过慢 速运动离合器使织机主轴慢速旋转。由于此时找断纬离合器是脱开的，所以找断 1 4 东华大学硕士学位论文 纬离合器a 2 慢速随主轴运动，而a 不动，此时曲柄1 0 不动，于是钢筘不运动( 即 不打纬) ，而综框等其它机构照样运动，以便顺利剔除断纬。此时传感器p i s m 和 p x p f 都处于未被遮盖状态，发往c p u 的反馈信号均为高电平“1 ”的信号。 2 4 电磁离合器系统的作用与优缺点 2 4 1 传统传动系统的优点 由于织布工艺的要求，织机必须快速启动，快速准确停车。采用圆盘形电磁 离台器系统就可以达到这个要求。其主要功能和优点主要表现为： 启动平稳且迅速。因为通电后，电机始终处于运行状态。织机的启动只相 当于电机由空载运行变为负载运行，在织机启动时刻，电动机已处于正常运行特 性区，高速的电动机转子和与之连接着的离合器的动接合片已储有较大的动能， 起着部分飞轮的作用，因此相当平稳。织机启动后达到额定转速所需时间短，保 证了开车打纬的能量，有效地防止开车痕“4 。 制动速度快、角度准。根据制动器工作原理，制动时，织轴先与马达脱离 再制动，马达始终处于运行状态。故织机的制动只需要克服织轴的惯性，消耗织 轴的能量即可，不需要消耗电机的能量，这样制动自然迅速准确。圆盘形电磁制 动器从制动线圈通电开始到传动盘停稳，一般可以在几十毫秒内完成，比钢带刹 车所用的时间快6 7 倍；而且任何原因停车，都可以使转轴在某一要求角度停稳， 定位精度高。 工作稳定可靠。制动器如果材料耐磨，一般连续工作几年不需要调整，如 果线圈不烧，维修时只要调整传动盘与铁芯端面的间隔即可。 这种传动系统对电动机的启动力矩就没有特殊的要求，因此就有可能采用 标准定型的电动机，电磁离合器系统是目前织机实现机电一体化广泛采用的装置。 2 4 2 传统传动系统的缺点 电磁离合器系统虽然有着上述等一系列的功能和优点，并得到了广泛的应用， 但它依然有着非常明显的不足之处，其主要表现为： 离合器和刹车片的磨损使得离合器转子和离合器磁铁、刹车磁铁之间的间 隙加大，造成织机停车不稳定，停车位置不准确。长时间还会造成刹车盘的弹簧 由于过载而失效，造成离合器损坏。因此必须经常检查及调整离合器刹车的间隙。 1 5 东华大学硕士学位论文 三角皮带的打滑会使启停性能逐渐变差，要定期更换维修。 由于线圈出现匝间短路和过流保护元件失效及织机长期过载等造成电磁离 合器线圈烧毁，包括离合器线圈及制动器线圈的烧毁，其结果表现为织机不能开 车及织机不能刹车的现象。因此，必须经常检查织机各转轴及轴承运行情况，严 格执行润滑制度。 交流异步电机不易进行调速，一般织机只能通过调整皮带轮有级改变主轴 车速，而当织机在慢速寻纬时，需专配一台小电机带动主轴完成，所以增加了机 械的复杂程度和维护难度1 3 1 。 如果电磁离合器系统中离合器转子、离合器磁铁、刹车磁铁和中央传动盘4 个零件的其中一个由于磨损或断裂需要更换，则其他3 个也要一起换掉。因为每 一个磨损零件的位置和状况不同，任何一个新零件都不可能与其它旧件相吻合， 这样就增加了维护成本。 2 5 慢速及找纬辅助传动 在采用电磁离合器的传动系统中，除主传动之外，新型无梭织机还配备有辅 助传动机构，织机的机构控制由多电机驱动控制取代了以前的机械控制，结构简 化、操作简单、速度、精度也大大提高。如d o r n i e r 公司的剑杆织机，全机一共采 用3 3 4 5 台电机( 对于8 色选纬) ，以完成织机上的各种传动功制1 4 3 。涉及到织 机的慢速和找纬运动，由一台功率较小的低速电机驱动，使织机以较低的转速正 转或反转，以便于操作。当经停或纬停发生时，低速电机将按照预定的方式驱动 织机的有关机构，进行找断纬和对织口等操作。 甜，1 锢 、， 图2 - 6剑杆织机的慢速及自动找纬机构示意图 东华大学硕士学位论文 图2 - 6 为剑杆织机的慢速及自动找纬机构示意图。当织机正常工作时，慢速离 合器线圈1 1 和寻纬离合器线圈1 4 均未通电，两离合器活动齿盘9 和1 3 在各自弹 簧1 0 和1 5 作用下分别处于脱开与啮合状态，打纬共轭凸轮轴1 6 传动传动轴1 7 做正常运转。当需织机做慢速运转时，织机主传动离合器脱开，慢速离合器线圈 1 1 得电，在磁力作用下，克服弹簧l o 的作用，将慢动离合器活动齿盘9 推向其固 定齿盘8 ，两者啮合。同时，找纬离合器仍处于啮合状态，慢速电动机启动，织机 在慢速电动机的驱动下慢速运转；当需找纬时，慢动离合器线圈l l 和寻纬离合器 线圈1 4 都得电，在磁力的作用下，慢动离合器啮合，寻纬离合器脱开，慢速电动 机l 通过减速箱2 、链轮3 驱动传动轴1 7 ，带动开口机构传动轮7 、卷取机构传动 轮5 、选纬机构传动轮6 、轴编码器4 等机构同步运作。引纬、打纬机构不动作， 这样将梭口回复到断纬时的那一纬梭1 ：3 ，便于挡车工处理纬纱断头，在寻纬离合 器活动齿盘1 3 的端面上由三个不均匀分布的圆柱状凸起，在寻纬离合器的固定齿 盘端面上亦有三个不均匀分布的相对应的圆孔凹坑。因此，寻纬固定齿盘1 2 只有 在回转一周后方可与活动齿盘1 3 重新啮合，保证每次只寻一纬。另外，在织机正 常运转或者慢速及寻纬过程中，接近开关1 8 、1 9 一直都在监视两活动齿盘的位置 是否准确定位。 1 7 东华大学硕士学位论文 第三章开关磁阻电机应用于无梭织机主传动系统 剑杆织机是目前应用最为广泛的无梭织机，它除了具有无梭织机高速、高自 动化程度、高效能生产的特点外，其积极引纬方式具有很强的品种适应性，能适 应各类纱线的引纬，加之剑杆织机在多色纬织造方面也有着明显的优势，可以生 产多达1 6 色纬纱的色织产品【l 习。近年来，随着自动化水平的不断发展，剑杆织机 的电气化程度得到进一步提高，例如先进的调速电机应用于电子送经卷取、主轴 无级调速等。随着无梭织机取代有梭织机，剑杆织机将成为机织物的主要生产机 种。因此本文将以剑杆织机为代表，即应用、试验等均以剑杆织机为例。 3 1 无梭织机主轴的驱动和对电机的要求 剑杆织机因其织造工艺的特殊性，要求主轴运动满足以下特点： 严格的启停角限制，避免停机后再开机可能造成的开车痕； 较宽的调速范围以满足慢速寻纬时较低的车速； 灵敏的响应速度和较高的稳速精度保证主轴转速的稳定。 具体的数值要求为： 变速范围2 0 6 0 0r n f i n ； 启、停角小于2 0 0 。； 响应时间0 1s ； 转速不匀率小于l o ； 慢速定位精度小于1 。 只有满足这些要求，织机才能正常运行，生产出合格的产品。 通过分析剑杆织机主轴运动的特点，结合织机各部件的机械参数，就可以确 定其对驱动电机的要求。根据电机与主轴的传动比和织机主轴的转速可以计算出 电机的调速范围，根据折算到电机输出轴的负载的转动惯量可以计算得电机的额 定功率，根据折算到电机输出轴的转矩可以计算电机的额定转矩，相应的定位精 度也要根据传动比计算阍。 3 2 开关磁阻电机 3 2 1 开关磁阻电动机 东华大学硕士学位论文 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s r m ) 是上个世纪8 0 年代出现 的一种新型机电一体化的可控调速驱动系统。具有极其优良的性能和广泛的应用 前景，它是随着微电子技术、控制技术、电力电子技术和现代计算机技术的发展 而发展起来的，其具有结构简单、运行可靠、控制灵活及效率高等突出特点，成 为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争 者，已经引起各国学者和企业界的广泛关注。 3 2 2s r 电机调速系统的组成 s r 电机调速系统的基本部件，从功能上分，主要由四部分组成：s r 电机、位 置检测器、功率变换器和控制电路【1 7 1 ，如图3 1 所示。从样机和产品结构上看，每 套系统通常由s r 电机和控制器两部分组成，其电机部分包括位置传感器，控制器 部分含功率变换器和控制电路。 图3 1s r 电机组成 l 、开关磁阻电动机 s r 电机是开关磁阻电机调速系统的执行元件，它的结构和具体工作原理与传 统的交、直流电动机有着根本的区别，它不像传统电动机那样依靠定、转子绕组 电流产生磁场间的相互作用形成转矩和转速，而是遵循磁通总是要沿着磁导最大 的路径闭合的“磁导最大原理”，产生磁力的变化埘。 2 、功率变换器 功率变换器是s r 电机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的 开关部件。s r 电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数及主开 关器件的种类有关。在整个s r m 控制系统成本中，功率变换器占有很大的比重， 合理选择和设计功率变换器是提高s r m 控制系统的性能价格比的关键之一 3 、控制器和位置检测 控制器是系统的决策和指挥机构，它综合处理位置传感器、电流传感器所提 供的转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的命令，然后通过分析处理t 决定控制策略，向功率变换器发出一系列执行命令，实现对s r 电动机运行状态的 东华大学硕士学位论文 控制。 3 2 3s r 电机的工作原理 开关磁阻电机的转矩是磁阻性质，其运行原理遵循“磁阻最小原理”磁 通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力f 嘲，如下图3 - 2 所示，具体过程如下： 当a 相绕组电流控制开关s 1 、s 2 闭合时，a 相励磁，所产生的磁场力图使 转子旋转到转子极轴线a a 与定子极轴线从的重合位置，从而产生磁阻性质的电 磁转矩。顺序给a b c d 相绕组通电，c ，d 各相绕组在图中未画出) ，则 转子便按逆时针方向连续转动起来；反之，依次给b a d 卜_ 相绕组通电，则 转子会沿顺时针方向转动。在多相电机实际运行中，也常出现两相或两相以上绕 组同时导通的情况当q 相定子绕组轮流通电一次，转子转过一个转子极距。设 每相绕组开关频率( 主开关管开关频率) 为f 转子极数为n ，则s r 电机