（机械设计及理论专业论文）剑杆织机电子送经系统与控制算法的研究.pdf

摘要 研究和开发适合我国国情的剑杆织机电子送经系统，提高剑杆织机的自动化 水平，对缩短与国外同类产品的差距，满足国内市场日益增长的需要，具有重要 意义。在明确了课题的目的以后，本文主要完成了以下工作： ( 1 ) 首先分析了国内外剑杆织机的研究现状，比较当前常用的电子送经系 统，并分析了各种电子送经系统特点，确定了本系统的实现方式。 ( 2 ) 分析了电子送经系统的原理，在分析了经纱张力的影响因素后提出了 经纱张力的采集方案。并提出了电子送经系统的总体设计方案，为下面控制系统 的搭建提供指导。 ( 3 ) 介绍了电子送经系统的硬件设备，包括伺服放大器参数的设置，以及 m k - 1 2 0 s 可编程控制器的参数和本系统所用到的功能，最后介绍了触摸屏界面。 ( 4 ) 分析了传统p i d 控制的不足，设计了单神经自适应p i d 控制器，最后 对控制算法进行改进，包括k 值的在线修改，和神经元学习算法的改进，提高了 控制器的性能和对环境的适应能力。 ( 5 ) 设计了电子送经系统的软件，主要包括工艺逻辑部分、工艺数据处理 部分、主轴转角信息转换部分、经纱张力采集子程序、增量脉冲处理子程序和触 摸屏界面设计。工艺逻辑部分根据外部输入对织机转台进行转换，为织机在不同 状态下工作做准备；工艺数据处理部分包括织机运行中的重要参数的计算；主轴 转角信息部分介绍了转角信息获取的算法；张力采集程序部分讨论了经纱张力转 换程序的设计；增量脉冲处理子程序介绍了单神经元p i d 控制器的实现；最后介 绍了人机界面所包含的参数显示和参数设定。 关键词：剑杆织机电子送经系统经纱张力单神经元自适应p i d 控制器 a b s t r a c t i ti sm e a n i n gt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h er a p i e re l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e m ，w h i c h i ss u i t e dt oo u rc o n d i t i o n t h ee l e c t r o n i cl e t - o f fs y s t e mn o to n l yc a ne n h a n c et h e a u t o m o t i v el e v e lo fr a p i e r ，b u ta l s oc a l ln a r r o wt h eg a pb e t w e e no u rp r o d u c t sa n d f o r e i g np r o d u c t s i nt h ec l e a rp u r p o s eo f t h ei s s u e ，t h ep a p e rc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a n a l y s i st h ec o n d i t i o no fr a p i e rb o t hh o m ea n da b o a r df i r s t c o m p a r e dt h e c u r r e n tc o m m o n l yu s e de l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e m ，a n da n a l y s i st h ef e a t u r eo ft h o s e k i n do fs y s t e m d e t e r m i n e dt h es o l u t i o no ft h es y s t e m ( 2 ) a n a l y s i st h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e m ，a n da n a l y s i st h ea f f e c t i n g f a c t o r so fw a r pt e n s i o n d e t e r m i n e dt h eo v e ra l ld e s i g np l a no ft h es y s t e m ( 3 ) i n t r o d u c e dt h eh a r d w a r eo fe l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e m ，w h i c hi n c l u d i n gt h es e t o f s e r v oa m p l i f i e rp a r a m e t e r sa n df u n c t i o no f m k - 1 2 0 sp l cu s e di nt h es y s t e m ( 4 ) a n a l y s i st h es h o r t c o m i n g st h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r , a n dd e s i g n e d a s i n g l en e u r o na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r i m p r o v e dt h ec o n t r o la l g o r i t h m i n c l u d i n gt h e o n l i n el a wo fka n dt h ei m p r o v e m e n to fn e u r o nl e a r n i n ga l g o r i t h m t h ei m p r o v e m e n t e n h a n c e dt h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o l l e r ，a n ds t r e n g t h e n e dt h ea b i l i t yt oa d a p tt ot h e e n v i r o n m e n t ( 5 ) d e s i g n e dt h es o f t w a r eo fe l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e m t h es o f t w a r ei n c l u d i n g t h ep a r to fl o g y ，t h ep a r to fd a t ap r o c e s s i n g ，t h ep a r to fs p i n d l ea n g l e ，t h es a m p l i n go f w a r pt e n s i o n ，a n dt h ei n c r e m e n t a lp u l s ep r o c e s s i n g k e y w o r d ：r a p i e r e l e c t r o n i cl e t o f fs y s t e mw a r pt e n s i o n s i n g l e n e u r o na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r i i 学号2 0 6 0 8 1 5 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 窆稚 i 签字日期： 枷年9 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国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。本人授权逝望盘鲎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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：h 8 年7 月f日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 积费 签字日期：l 府言年7 月 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国纺织工业是从无到有，从d , n 大逐步壮大起来的。由其是“十五”期间， 纺织工业得到了飞速的发展，科技进步在其中发挥了不可替代的作用。目前，中 国已经成为世界纺织品消费第一大国，日益增长的国内消费需求为世界纺织业的 发展提供了前所未有的机遇。据有关部门统计，2 0 0 7 年我国的纺织品生产依然 维持较快的增长速度。0 7 年前1 1 个月，我国规模以上企业累计化纤产量2 1 8 0 万吨，同比增长1 8 7 7 ；纱产量1 8 0 4 9 万吨，同比增长1 7 0 6 ；布产量4 1 0 4 4 亿米，同比增长1 3 0 6 ；服装产量1 7 9 7 亿件，同比增长1 3 4 4 。与2 0 0 6 年同 期相比，目前的增长速度均处于较高水平n 1 。2 0 0 7 年，我国纺织行业克服和消化 了人民币升值加速、出口退税率下调、利率上调、生产要素价格上涨等诸多不利 因素的影响，保持了生产、销售、出口、效益平稳较快增长的良好发展态势，经 济运行质量持续提高，综合竞争力继续提升。 虽然2 0 0 7 年我国纺织工业依然蓬勃发展，但同时也存在诸多问题： ( 1 ) 外部经济的不确定性因素加大，例如美国次级贷危机影响世界经济增 长，世界经济增长速度放缓必将影响到我国纺织品出口。 ( 2 ) 0 8 年人民币汇率可能持续升值，其对纺织品出口的影响值得关注，0 7 年人民币对美元汇率的持续上升导致了我国纺织品出口货币成本的大幅提高。 ( 3 ) 原材料短缺和人力成本上升，对于纺织业这个劳动密集型产业来说， 产业的传统的劳动力要素竞争优势将被弱化口1 。 我国纺织行业应大力提高自主创新能力，要形成一批拥有自主知识产权和知 名品牌，国际竞争力较强的优势企业。纺织工业要转变增长方式，提高科技含量， 提高品牌的作用，面对机遇与挑战并存的局面，唯有我们抓住目前国内纺织机械 水平与国外相比还较落后这个主要矛盾，大力发展具有自主知识产权的高新技 术，开发出更多适合于国内形势的纺织机械。 第一章绪论 1 2 剑杆织机的发展现状 由于剑杆织机结构简单、控制方便、生产效率高，在适应高质量、多花样、 小批量等市场变化中具有更大的优势使得剑杆织机得到了迅猛发展。在现代纺织 工业中，剑杆织机已成为无梭织机中适用性最强的、成本最低的一种织机，被广 泛的应用。随着电子技术的发展，新型织机向着高速、高产量、高质量、高可靠 性的方向发展，对五大运动系统进行电子控制和独立驱动，以提高机电一体化水 平，如电子送经、电子卷取、电子选色选纬。 1 2 1 剑杆织机的技术特点 一台剑杆织机由开口装置( 凸轮开口、多臂开口、提花开口) 、引纬装置、 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：开口运动、引纬运动、打纬运动、送经运动和卷 取运动。 ( 1 ) 开口运动：织造某种织物，就必须按照该织物经纬纱的交织规律，先 将经纱分成上下两层，形成一个可供剑杆通过的空间通道梭口，待引入纬纱 后，再使部分或全部上下层经纱上下交错，以与纬纱交织成所需的织物，并形成 新的梭口。这种运动即为经纱的开口运动。 ( 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 织成织物。剑杆织机引纬时送纬剑夹持纬纱，两剑相向运动到梭口中央，送纬剑 把纬纱交接给纬剑，两剑又反向运动推出梭口，完成一次引纬。 ( 3 ) 打纬运动：将引入梭口中的纬纱推到经纱和织物的分界处织口， 在摆杆机构的作用下梳形的箱前后摆动；当向前摆动时，把已经引入梭口的纬纱 打到织口，同时综框反向运动关闭织口，经纱和纬纱交织。 ( 4 ) 送经运动：随着织物被引离，织区里的经纱随之减少，织轴由一定的 机构驱动下均匀地送出经纱，以补充交织所需经纱，并保持经纱张力的稳定。 ( 5 ) 卷取运动：经过开口、引纬、打纬等过程，一根纬纱和经纱完成一次 交织，反复的交织形成了织物，为了能下面正常的织造，织物必须及时被引离出 织区。织物先经过表面粗糙的毛刺辊，再经过毛刺辊与卷布辊之间的打滑机构， 2 第一章绪论 在控制器的控制下根据织造的要求不断的卷到卷布辊上，以保证得到精确纬密的 织物。 1 2 2 国内外剑杆织机的发展现状 从当前各国开发的新型剑杆织机分析，其趋势可归纳如下： ( 1 ) 高产优质：提高劳动生产率、降低生产成本。 ( 2 ) 扩大品种适应性：提高翻改花色品种能力，小批量多品种，适应市场 需求变化。 ( 3 ) 广泛采用自控技术：用于收集、存储、显示生产数据、控制生产过程、 监测生产质量，提高自动化程度。适应工厂现代化管理，降低劳动强度，减少人 为因素的生产误差。 当前所采用的新技术有： ( 1 ) 采用较小和较轻材质的剑杆体：s u l z e r 、p i c a n o l 、v a m a t e x 和s o m e t 等 公司采用较小剑杆头，并用碳素纤维制成剑杆头、剑带和导剑轮，减小梭口动程， 尤其是v a m a t e x 公司的p l o o l e e s 型的梭口高度减小为2 2 - 一2 4 m ，从而减少经 纱张力，为提高车速和入纬率创造条件。 ( 2 ) 发展新型传动系统：d o r n i e r 公司在h 织机上采用电子启动控制，机 器可快速启动达到预定的车速。p i c a n o l 公司的g t m 织机采用电磁离合器，提高 启动和停车的安全性。 ( 3 ) 自动切换纱尾的储纬器：p i c a n o l 公司的g t m 上装有4 个i r o 储纬器 l a s e r 。当断纬时，通过e lt e x 纬纱监测器，储纬器就将尾纱自动切换到另一个 备用的储纬器上，机器可不停车。 ( 4 ) 无导向器剑带：s u l z e r 公司g 6 1 0 0 机采用。优点是对下层经纱无钩攀， 经纱和导向器间不产生摩擦，减少断经和油污。v a m a t e x 公司的p l o o l e e s 型采 用单边导轨，将剑带、剑头托起，位于梭口中间，与上下层经纱不发生摩擦。 ( 5 ) 纬密无级变换：s o m e t 公司和v a m a t e x 公司采用，s o m e t 从2 5 7 8 根 c m ，v a m a t e x 为3 - 一8 4 根c m 。 ( 6 ) 普遍采用微机，监测和显示运行情况和各项工艺参数，开发电子多臂、 电子提花能快速变换织物组织。结合电子送经、电子卷取减少开车横档、保持经 第一章绪论 纱张力恒定。 ( 7 ) 采用折入边，织物达到有梭织机织物要求姐1 。 1 3 电子送经卷取系统的发展现状 电子送经和电子卷取系统结构简单、品种适应范围广、调节灵敏、操作方便， 因此，电子送经和卷取系统在无梭织机上得到普遍地应用。电子送经和电子卷取 替代机械送经器和机械卷取既能提高产品质量，解决织疵问题，又可任意调节纬 密，快速变化品种，是当前发展的方向之一“。国外无梭织机上电子送经系统与 配用的电子卷取已经作为主机的标准配置，通过电子联轴器同步控制，而国产的 无梭织机对电子送经和电子卷取装置的使用和开发才刚刚起步。 1 3 1 国内外电子送经卷取系统现状 目前，国外已经有比较成熟的电子送经控制系统，如日本丰田、津田驹，德 国百格拉，意大利舒美特，比利时必佳乐等公司，它们的产品占据着我们高档织 机的大部分市场瞄1 。根据系统驱动方式，国外电子送经系统可分为下列几种： ( 1 ) 交流伺服电机系统，如意大利舒美特公司的t h e m a - 1 le 型、 t h e m a - 11 - e x c e l 型，意大利舒美特公司选用意大利m o t o rp o w e r 公司的t 1 1 5 型 的交流伺服电机系统，比利时必佳乐公司的g t x 型，德国多尼尔公司的h 型、p 型系列，德国多尼尔公司选用德国西门子公司的交流伺服电机系统。 ( 2 ) 步进电机系统，如意大利范美特公司的p l o o l e e s ，p 1 0 0 卜s u p e r e k 型，意大利斯密特公司的f a s tt 型、6 6 3 0 0 型等步进电机系统，均选用德国百 格拉( b e r g e rl a h r ) 公司的三相混合式步进电机及驱动器；驱动器采用交流伺服 的原理，解决了低频振动大、噪声高、高速无扭矩和驱动器可靠性低问题，使电 机的运动几乎与交流伺服电机一样平稳。 ( 3 ) 开关磁阻电机系统，如比利时必佳乐公司的g a m m a x 型、g a m m a 型、 g t x p l u s 型的关磁阻电机系统。 ( 4 ) 直流无刷电机系统，如意大利舒美特公司的t h e m a s u p e r - e x c e l ( 天马 超优秀) 型、a l p h a 型直流无刷电机系统阳1 。 国内大概在9 0 年代中后期展开了电子送经控制系统的应用研究，但研制的 4 第一章绪论 产品在运行稳定性，高速化，批量商品化等方面还有所欠缺，没取得大规模应用， 基本还处于样机开发使用或小范围的使用阶段。国内自己研制的早期电子送经和 控制系统一般都是采用p l c 或单片机作为主控制器，电机采用力矩电机或步进电 机，近来也有采用高档p l c 或工业计算机作为主控制器来进行闭环控制的电子送 经控制系统。国内大部分剑杆织机的送经系统主要为机械送经，小部分为电子送 经，其中电子送经系统进口的居多数。 1 3 2 电子送经系统的发展趋势 先进的送经机构是织造高品质产品的前提，应具有以下的功能： ( 1 ) 经纱张力控制灵敏，调节精度高； ( 2 ) 适应织轴大卷装： ( 3 ) 纬密适应范围广； ( 4 ) 适应织机高速化和智能化； ( 5 ) 消除开车稀密路的措施。 电子送经系统的发展体现在经纱张力感测系统、控制系统和织轴驱动系统三 部分的发展上面。 ( 1 ) 经纱张力感测系统 国内外无梭织机所配备的电子送经装置大多采用后梁或张力探测辊的运动 信号作为电子送经装置的控制输入信号，这些信号的检测成本低，灵敏度较高， 安装调节方便，又能间接地反应经纱张力的变化情况口1 。检测经纱张力的传感器 分模拟量接近开关式和张力传感式两大类。 两种方式相比较接近开关检测式电子送经时，若改变经纱张力设定值需人工 调节弹簧张力及传感器的起始位置，送经装置是通过检测后梁的位置进行张力控 制，其接近开关直径、安装位置及打纬、开口周期性运动对其检测经纱张力造成 无法消除的影响。而张力传感器式电子送经通过键盘直接设定经纱张力，并且送 经装置是以一个织造周期中经纱张力的平均值作为下一纬送经依据，可以消除模 拟量接近开关式经纱张力感应装置无法解决的周期性微量张力波动，因而成为电 子送经发展的方向。 目前，国内外无梭织机大多采用后梁运动信号作为电子送经装置的控制输入 第一章绪论 信号。由于受打纬运动和开e l 运动的影响，后梁产生的快速摆动和高频振动会干 扰对经纱张力稳态分量的检测，因此，一般在机械上、电器上或控制软件上增加 一些环节，尽量使经纱的送出量只与经纱张力的稳态分量有关。随着织机速度的 不断提高，今后的趋势是把经纱张力稳态分量的检测功能从后梁装置上分离出 来，为张力检测能力和张力调节能力的提高打下良好的基础。而织机上还有其他 地方可以进行经纱张力的检测，如德国d o r n i e r 公司的h t v f 4 s 刚性剑杆织机， 配备了多种经纱张力传感器，可多个位置检测，如后梁部分、后梁和停经架之间 的经纱部分，还可以在靠近胸梁的布面部分检测，特别是卷布辊撑幅处的经纱张 力传感器所受到的振动比后梁处小得多，测到的张力更直接，可以精确地反映布 面张力叩1 。 ( 2 ) 电子送经控制系统 送经控制系统是将传感器检测的经纱张力变化信息加以集中、储存和处理， 并按一定程序发出各种指令，指挥和控制整个系统的运行。目的在于保持织机经 纱张力的基本恒定。 早期的电子送经装置的控制系统有模拟电路、模拟数字混合电路和数字电路 三种形式。模拟电路速度快，但精度低，缺乏逻辑判断功能及信息存储功能，自 动化程度低。数字电路精度高逻辑判断能力强、参数设置比较方便。随着计算机 技术的发展，织机电子送经控制系统已向微机控制的数字电路发展。目前，国内 外的电子送经控制系统都采用单片机控制，较多采用8 位单片机或1 6 位单片机。 国内开发的电子送经装置一般采用8 位单片机。今后开发国产电子送经装置时， 控制系统应采用8 0 9 6 或8 0 9 8 等1 6 位单片机，这样便于电子送经装置的功能进 一步提高，满足高档织机的要求阻1 。 一个基本的电子送经控制系统除需要经纱张力信号外，还需要主轴位置信 号、经纱张力界限信号。此外，控制系统还要有键盘和显示器，用于经纱张力、 纬密和倒转量等工艺参数的设置。 ( 3 ) 织轴驱动系统 织轴驱动装置一般由放大器、电机、减速器和织轴四部分组成。根据控制系 统传输来的送经信号，通过放大器放大，推动电机旋转，经减速器减速，再驱动 织轴送出经纱。减速器一般由齿轮、蜗轮、蜗杆、防惯性回转的阻尼器等组成。 在减速时，减少电机回转误差造成的送经不匀或失误。 6 第一章绪论 电机一般采用直流伺服电机和交流伺服电机两种，对应配备不同的放大器。 直流伺服电机，其机械特性较硬，线性调速范围大，易控制、效率高，比较适用 于作送经电机。但直流伺服电机有电刷的存在，长时间运转将产生磨损，需要经 常维护。在低速时，由于电刷和换向器易产生死角，电刷产生的电火花将干扰控 制部分正常工作，并且直流放大器体积较大，故一些厂家多采用交流伺服电机。 交流伺服电机因无电刷和换向器，较适宜在对电磁干扰有要求的电子控制系统 中，低速性能好。为了弥补其机械特性软、线性调速区小的缺点，在电机头端装 有测速电机，用此信号作为反馈信号，构成闭环控制。 步进电机驱动虽然结构简单、成本低廉，但在高速过程中可能产生失步现象 而使送经系统存在误差、控制精度减低，只适用于低中档剑杆织机n 引。目前，变 频调速技术已成熟并广泛的应用，交流伺服电机也日益在织机驱动系统中崭露头 角。直流电机调速方便，但由于采用电刷换向导致电刷易磨损，所以驱动系统发 展趋势向着采用交流伺服驱动系统方向发展。 1 4 本课题的研究意义、研究内容 前面主要讨论了国内外剑杆织机与电子送经卷取系统的发展水平和趋势。为 此，研究织机的电子送经和电子卷取装置，提高我国的织机的自动化程度和发展 水平，本文有着较大的意义。对比了几种控制方式，考虑到p l c 控制具有很强的 抗干扰能力、系统稳定性高以及对环境要求低，它的很多功能都是通过软件来实 现，这样可以减少外围硬件的使用，从而减少故障发生的几率。本系统选择了 p l c 作为电子送经卷取系统控制器。 同时，通过多年的连续开发，实验室的剑杆织机已经完成了织机状态的自动 控制：织机控制操作功能，断经、断纬、手停自动定位停车、断纬自动找断纬、 手动正找纬、手动反找纬、点动、回转及急停等功能：纺织程序的输入；数据显 示，可显示织机角度、织机转速、四班产量、四班断经、断纬、其它停车时间、 四班效率、纬密和以上数据的综合统计数据以及多达1 5 条的中文织机状态和错 误信息；织机各种状态的自动检测和监视以及报警功能等。为此，对于织机的电 子送经和电子卷取有待开发，真正实现织机的全自动控制，提高织机的生产水平。 本文完成电子送经和电子卷取系统正是为完善织机的自动控制功能而开发 7 第一章绪论 的，完成后的系统作为子系统最终将集成到主控系统上，为此需要对原有主控单 元进行相应的输入输出扩展或者进行通讯的扩展。 本文在第二章首先介绍了剑杆织机的电子送经系统原理，对实现的不同方式 进行比较，提出了电子送经系统的框架图。并且讨论经纱张力的几个影响因素， 以及经纱张力的形成，各种经纱张力采集的方式的比较以及本文采用的检测方 式；作为电子送经的主要反馈信号，研究如何有效利用经纱张力信号控制剑杆织 机的电子送经和电子卷取。 第三章重点论述了电子送经和电子卷取的实现的硬件方式，以及本系统中主 要用到的一些功能。 第四章讨论的经纱张力的控制策略，分析了传统p i d 控制方法对于经纱张力 这样的大时滞、时变系统并不适用后，提出了单神经元自适应p i d 控制器。单神 经元自适应p i d 控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识系统环境 条件的变化，并自动校正控制动作，从而使系统达到最优或次优的控制效果。 第五章是电子送经系统的软件设计，包括工艺逻辑部分、工艺数据处理部分、 主轴转角信息转换部分、经纱张力转换子程序和增量脉冲处理子程序。 剑杆织机的高速化和网络化对控制系统的硬件提出了更高的要求，而复杂的 控制方法和存储运算等要求控制系统有较强的运算和储存能力，同时，对比控制 方式和控制精度，现有的单片机和普通p l c 己经无法满足未来剑杆织机实时采样 和控制的要求，对此，在展望一章中，提出了对于控制系统的替代解决方案。 第二章电子送经卷取系统原理 第二章电子送经系统原理 2 1 送经卷取系统概述 2 1 1 送经卷取系统的作用和工艺要求 从织造运动学的角度来看，送经和卷取运动是确保织造生产持续进行的必要 条件。从经纱织物系统角度来看，送经和卷取运动是控制经纱上机张力的关键控 制环节【1 1 1 。 送经的目的是按交织的需要，送出相应长度的经纱，并使经纱具有一定的张 力。剑杆织机的送经机构可分为三部分：经纱张力感测部分、感测信号处理和调 节部分和经纱放出部分。在织造过程中，经纱张力感测装置检测张力的大小，反 馈给信号处理和调节部分，信号处理和调节部分根据织物的实际需要控制经纱送 出装置，送出合适的经纱量。 对送经的工艺要求是： ( 1 ) 能够根据交织的要求，送出相应长度的经纱。送经时，经轴转动放出 经纱，从满轴到空轴的全过程中，送经机构都应能够按设计需要的长度送出经纱， 以保证张力稳定，获得纬密均匀和布面平整的织物； ( 2 ) 经纱张力的大小符合要求，张力均匀稳定，且不随经轴直径的逐渐减 小而变化。因此，送经量的调节不仅要灵敏度高，调节范围大，而且最好能无级 调节【1 1 】。 剑杆织机的卷取机构在织造过程中与送经机构协同工作，保证按时、定长地 将形成的单元织物引离织口，并将织物卷于布辊上，每次交织所牵引织物的长度 决定了织物的纬密。 对卷取的工艺要求是： ( 1 ) 纬密均匀，其大小符合工艺规定； ( 2 ) 纬密调节方便，可调纬密范围广而分布密； 9 第二章电子送经卷取系统原理 ( 3 ) 结构简单，操作方便，可根据需要而退布或卷布； ( 4 ) 卷装良好。 2 1 2 送经机构 根据织轴的传动方式，送经机构可分为机械式和电子式两种类型。机械式送 经机构的动力源为主电机，通过机械式的传动链，驱动织轴回转而送出经纱；电 子式送经机构的经轴由单独的送经电机驱动，送经电机在一定的范围内可无级调 速，以满足不同经纱量的要求【1 2 】。 ( 1 ) 常用的机械式送经机构 机械式送经装置种类繁多，其中性能较好、在无梭织机上被广泛采用的有三 种，即摩擦离合器式送经机构、亨特式送经机构、z e r o m a x 式送经机构，它们 的共同特点是：执行机构均为无级变速装置，送经精度高，调节范围广，动态性 能好。 摩擦离合器式送经机构：经纱送出机构与送经轴通过一对摩擦离合器来传 动，离合器的离合受经纱张力调节装置的控制，该调节装置由连杆机构组成，根 据后梁受力变化来作用。 亨特式送经机构：执行部分为锥形轮传动，每个锥形轮均按垂直于轴线的中 心面等分两半，其中一半固定，另一半可沿轴向移动，以改变锥形轮的槽宽，从 而改变v 形传动带的轮径比，张力调节机构也是连杆机构，根据纱线张力矩与 重锤力矩比较的结果来移动锥形轮。 z e r o m a x 式送经机构：基本结构是一个七连杆机构，根据张力的不同，可 自动改变输出杆的组的运动参数，从而改变输出的范围和速度，通过若干个该机 构的并联，可产生近似的匀速连续运动【1 3 】。 ( 2 ) 电子送经 机械式送经机构的张力调节装置都比较复杂，且由于传动件连接点的摩擦、 间隙、构件的运动惯性等因素，调节系统的动态响应较迟钝，经纱张力补偿不及 时，调节难以精确。随着织机转速的提高和各部件的配合联动等自动化要求的加 强，机械式送经机构的不足之处日渐明显起来。而由于机电一体化技术的迅速发 展，电子送经机构在先进高速织机上的应用日益增多，其结构简单、反应灵敏、 1 0 第二章电子送经卷取系统原理 适应高速。 根据经纱张力信号采集系统的工作原理，电子送经机构通常分为接近开关方 式和拉力传感器方式两种。 1 接近开关方式 如图2 - 1 所示，后梁在经纱张力t 的合力f 的作用下，会使检测板绕轴转动。 当经纱张力正常时，三个接近开关均得电( 三个接近开关所对应的指示灯均亮) ， 送经电机转速不变：若经纱张力变大，检测板上抬，接近开关1 失电，控制电路 就加大送经电机的转速；若经纱张力变小，检测板下落，接近开关3 失电，控制 电路就降低送经电机的转速。若有两个开关不得电，说明张力变化太大，控制电 路会使织机停机( 这只是一种防止意外的情况，一般不会出现) 。这种检测方式 容易受织造现场环境的影响，现场的温度和灰尘等都容易引起接近开关的误检 测。由于曝露在现场环境中，极大地减少了接近开关的实用寿命，同时随着使用 日期的增加，检测的效果可能变差n 钔。 后桀 美 经够 图2 - 1 接近开关方式的张力信号采集系统 2 拉力传感器方式 如图2 - 2 所示，此系统为双后梁结构，经纱绕过固定后梁和活动后梁，经纱 张力的大小通过梁摆杆、杠杆，施加到拉力传感器上。采用非电量电测方法，通 过拉力传感器微弱的应变，采集经纱张力变化的全部信息。曲柄、连杆、后梁摆 杆组成经纱张力补偿装置。 实测表明：机械式送经机构的经纱张力补偿动作，出现在张力变化信号发生 后的主轴第1 0 - - - 1 2 回转期间( 即1 0 - - - 1 2 纬之后) ，应变片式电子送经系统则可将 张力补偿作用提前到第3 转期间( 即2 - - - 3 纬之后) ，明显提高了调节性能，经纱 张力平均差异可小于2 n 副。所以新型织机普遍采用应变式电子送经系统。 第二章电子送经卷取系统原理 鼢定 图2 2 应变片方式经纱张力信号采集系统 2 1 3 卷取机构 器 相对于送经而言，卷取的任务单一，设计和实现较为简单。 ( 1 ) 通用的机械式卷取机构 机械式卷取机构分为间歇式和连续式两种。 间歇式卷取机构主要是棘轮来从织机主轴获得传动。 连续式卷取机构通过织机主轴使卷取辊获得匀速转动，并根据所织造的纬密 大小确定主轴和卷取辊之间的传动比。其纬密调节又有两种方式：一种是变换齿 轮，另一种是采用无级变速。 ( 2 ) 电子卷取 电子卷取机构采用单独的伺服电机或者步进电机作为动力源，通过减速轮系 驱动卷布辊，对织物进行卷取。织造过程中，织机电脑控制中心控制着电机转速， 从而实现纬密的变化n 引。 电子卷取装置是近年来发展起来的一种新型卷取装置，与传统的卷取机构相 比，电子卷取装置有如下两个明显的特点： 1 织物纬密变化实现了自动设定，无需更换纬密齿轮，只需通过计算机或控 制装置的键盘设定所需纬密，而且纬密变化范围大，级差小，增强了织机的品种 1 2 第二章电子送经卷取系统原理 适应性； 2 织造过程中的机上纬密可按设定的程序任意调整，这是电子卷取所特有的 功能，使得织机能够生产出许多机械式卷取机构难以生产出的纬密变化品种。 如果同时采用电子送经和电子卷取，则送经、卷取可由微机统一控制，做到 送经、卷取的联动控制，以消除开车稀密路，提高织物质量。 2 2 电子送经系统总体设计 2 2 1 电子送经系统的原理 在织机上，通过开口、引纬、打纬三个主要运动既可形成织物，但为了保证 织造生产过程的连续进行，必须具备送经卷取系统，其作用是在纬纱被打入织口 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， 经纱轴上必须退绕出相应长度的经纱，使经纬纱不断地进行交织旧【1 蜘。图2 3 为送经卷取控制系统框图。 图2 3 送经卷取系统框图 电子送经系统应具备以下几个功能： ( 1 ) 送经卷取控制功能：根据织造工艺要求，在快车和慢车状态下，对经送 经和卷取速度进行调节，保持经纱张力的稳定。织物精确纬密及纬密可变控制， 在异常情况下，进行定位停车和送经卷取补偿，并发出报警和补偿信号，在重新 开车时，迸行相应的送经卷取补偿。 ( 2 ) 参数设置：包括纬密、预设张力、张力上下限、送经和卷取传动比、开 车痕的补偿量等参数的录入。 第二章电子送经卷取系统原理 ( 3 ) 数据显示：预设张力、实时张力、报警信息等数据的显示。 2 2 2 电子送经系统方案 根据电子送经系统的功能要求，系统的方案结构如图2 4 。张力传感器的用 于实时的检测经纱张力，由张力传感器将经纱张力转换为比例电压信号。该信号 由a d 转换器转换成数字信号；主轴编码器用于实时检测主轴转角信息，并输 出八位格雷码；触摸屏用于送经卷取参数的设置与显示；送经和卷取伺服系统用 于驱动织轴和卷布辊；送经卷取控制器负责处理经纱张力信号、主轴转角信息以 及报警信息的发送，另外其内置的速度位置控制功能用于控制伺服系统，控制 器与触摸屏间的通讯通过r s 2 3 2 通讯口。 图2 4 控制系统结构框图 2 3 经纱张力控制系统 2 3 1 经纱张力的影响因素 织造张力是指当织机正常运转时，由于各部机构对经纱的作用，而使经纱受 到的张力及变化。织造过程中的开口、打纬、送经卷取等动作是影响织造张力的 1 4 第- 二章电子送经卷取系统原理 主要因素，同时后梁的位置也对织造张力有重要影响n 们啪1 。下面详细分析影响织 造张力的各个因素，分析之后总结出减少张力波动的措施。 ( 1 ) 开口运动对经纱张力的影响 在形成梭口的过程中，经纱受着拉伸、摩擦和弯曲等机械作用。开口时，随 着综框的上下运动，经纱被拉成曲折状态以形成梭口，使经纱受到一定附加张力 的作用。因此经纱在开口过程中所受的张力为上机张力与附加张力之和晗。织机 每一回转间，随着开口和打纬等运动的进行，经纱张力发生这周期性的变化。 图2 - 5 梭口的几何形状 假设开口过程中经纱在织口和停经架中导棒处是固定的，根据梭口的几何形 状和尺寸( 图2 - 5 ) 可推出梭口满开时上、下层经纱的伸长变形为： 冲b c l + c , d - b c - c d = 罴l 等肛如岫) - 1 , 1 2 ( bd ) l k b c 2 册眇啦熹l 等肌如岫) + 等) a 2 = 2 2 - 2 , = 肄) 拦hm ) l 在织机正常运转情况下，开口过程中经纱所受拉伸负荷的作用时间及其短 促，可认为其拉伸变形与经纱张力的大小成正比。一次，根据上式即可确定影响 经纱开口张力的因素。 1 梭口高度对经纱张力的影响 在梭口前后部长度一定的情况下，经纱由于开口而产生的伸长变形几乎与梭 口高度h 的平方成正比。因此梭口高度的少量增加会引起经纱张力的明显增加， 不适当的梭口高度将导致经纱断头率的急剧增加。在保证引纬顺利的条件下，应 第二章电子送经卷取系统原理 尽量降低梭口高度。 2 梭口对称度对经纱张力的影响 若梭口高度和长度不变，梭口的前部长度和后不长度相等即梭口的对称度 m = l 时，经纱因开口而产生的张力最小。但是，在梭口高度和筘座摆动动程不变 的条件下，这将使钢筘前有效梭口高度减少，对引纬不利。在实际生产中一般将 综框位置尽量前移，减小前部梭口长度，即采用m l 的不对称梭口，以求用一定 的综框动程得到最大的梭口前角，为引纬创造有利条件。理论分析表明：在m l 的范围内，梭口对称越小，开口过程中的经纱张力越大，而当在0 5 与1 范围变 化时，对经纱张力的影响明显变小。因此，在实际织造时，多采用0 5 m o ，即梭口下层经纱的伸长变形大于梭口上层 经纱的伸长变形，形成下层经纱张力大于上层经纱张力的不等张力梭口；后梁位 于经直线下方时，上下层经纱的伸长变形差五 0 ，即梭口上层经纱的伸长变形 大于梭口下层经纱的伸长变形，形成上层经纱张力大于下层经纱张力的不等张力 梭口。 ( 2 ) 打纬运动对经纱张力的影响 在打纬的过程中，钢筘把纬纱推向织口，由于纬纱跟经纱的相互作用，产生 了阻碍钢筘前进的打纬阻力瞳副。下面通过图2 6 的打纬模型来分析打纬阻力和经 纱张力间的关系。 1 6 第二章电子送经卷取系统原理 图2 - 6 打纬力学模型 图2 6 中，t ，为经纱张力，f 为打纬力，p 为打纬阻力，t ：为织物张力。以 经纱和纬纱的接触点来分析打纬过程中各力的变化，在接触点上共受到3 个力的 作用，一个是织物的张力t ：，一个是经纱张力t j 在水平方向上的分量，还有是打 纬阻力p 。 在打纬之前，p = 0 ，此时有： 乃c o s = 五 在打纬过程中，钢箱推动纬纱前进，p 0 ，此时三个力的平衡条件为： p = j c o s 8 一兀( 成立的条件是织口不发生移动) 下面根据上式对打纬过程进行分析： 1 打纬开始的时候，p 较小，此时有p c o s 8 一五关系成立，这个时候会发生经纱纬纱一起移 动的现象。这个运动是经纱弯曲所必须的，它的效果使经纱张力增大，织物张力 减小，又会出现p ) c o s 8 一兀的情况。上面三个情况循环出现，直到打纬完成。 1 7 第二章电了送经卷取系统原理 8 2 图2 - 7 打纬运动中的织造张力 图2 - 7 所示为主轴l 转过程中织口移动过程，图中线段1 2 为织口在钢筘的 推动下向织机的前方移动，它在坐标上投影为打纬区的宽度。线段2 3 是在钢筘 离开之后，织口因经纱的伸长恢复和梭口张开经纱张力增加而后移动。线段3 4 是综框静止时期，织口无明显位移，只因经纱的放送而略有波动。线段4 5 为梭 口闭合时期，经纱张力逐渐减小。线段o 1 表示综平后梭口逐渐张开，经纱张力 逐渐张开，经纱张力逐渐增大，织口向后移动的情况。在o 点前后还有因卷取织 物而发生的张力增加，但影响较小。 ( 3 ) 送经卷取运动对经纱张力的影响 送经装置在送出经纱的同时会使经纱的张力减小，卷取装置在将织物引离织 口的同时会使经纱张力增大。送经装置的经纱送出量和卷取装置的卷取量需要达 到一种动态平衡，才能保证织造过程中经纱张力动态恒定，当这两者的平衡关系 因为某种因素而遭到破坏时，经纱张力就会发生变化位叼嘲3 。这种平衡关系主要在 于送经量和卷取量的计算，如果考虑全面并且选择正确的算法，就可以使织造过 程中经纱张力在允许的范围内波动，在送经量和卷取量的计算中着重要考虑的是 织轴直径的减小、对实测张力和设定张力偏差的补偿算法等，这些将在送经卷取 软件设计一章中详细介绍。 2 3 2 经纱张力采集方案 要实时的检测经纱张力值，就需要对张力传感器进行采样，信号采样频率必 第二章电子送经卷取系统原理 须遵守以下规则： ( 1 ) 从采样信号输入计算机后不失真考虑，要求采样必须遵守香农定理。 ( 2 ) 从控制系统动态性能和抗干扰性能考虑，要求采样周期短一些。 ( 3 ) 从执行设备动作需要一定过程考虑，所以要求输出信号保持一定时间， 要求采样周期长一些。 ( 4 ) 从计算机在一个采样周期内需要完成的运算工作量考虑，要求采样周 期长一些，以便计算机有充裕的时间实施数据运算和处理【2 5 1 。 织机运行过程中，后梁系统会产生高频振动，会将干扰引入采样系统中，为 了增加系统的抗干扰性，本系统采用低通滤波器以消除高频干扰。此外，为了使 采样值能清晰反映经纱张力在每个周期间的变化，系统采用算术平均值法的数据 预处理方式。 如图2 7 以及图2 8 所示，当织机主轴转角运行到0 0s 名 3 0 0 和 3 3 0 * 五 3 6 0 * 时，经纱张力存在相当大的波动，若在此时对传感器采样，得到 的采样值将不太理想。综上所述，本系统在主轴转角3 0 0 允 3 3 0 0 时对传感器进 行采样。 厂j 璐 5 0 ： 摩沁 髟 蛄! 盟国。 主轴转角织机备机构运动 0 打纬止点 2 0 纬停 4 0 送经 r i o 选纬杆到位，送纬剑接坎纬纱 6 0 梭u 接近浦开 6 8 。 两剑头进 地经梭口 7 0 梭口满开 1 8 0 。 两剑交接 1 9 0 。 梭口开始闭合 2 1 0 。选纬针开始运动 2 9 2 。 两剑退出地经 3 i o 。 选纬针绞边综框平 3 2 0 钥筘接触纬纱、经停点 4 0 。- 3 1 0 。 织机启动区 1 5 0 。- 1 6 0 。 2 0 0 2 1 0 。 两垒i _ 捡测区 一l 2 2 0 。一3 0 0 。 纬纱捡测区 图2 - 8 织机工作圆图 本系统采样方案如下： 当主轴角度3 0 。名 蠹 誊妻 辘瑚 通过多次试验发现，当直接采用g 7 f - a d 2 a 型a d 模块时，通过示波器上的 波形可以发现存在明显的脉冲干扰，经过前面的分析认为可能有以下几个原因： 打纬机构的高速运动对织机后梁系统有很大的冲击，这种冲击会使得后梁系 统发生振动，而本系统对经纱张力的采集是通过连接在后梁系统上的拉力传感器 完成。因此，后梁的振动必定会影响拉力传感器的输出，而这种振动并不是系统 需要的。 2 7 第三章电子送经卷取系统硬件设计 此外织机运行时固有的振动也会对后梁系统有一定的影响。为了消除织造过 程中的这些不良影响，本系统在a d 采样模块中设计了一个低通滤波器，经试验 证明具有良好的效果。 如图3 5 ，低通滤波器采用r c 滤波电路，张力传感器从r c 两端输入信号， 从c 两端输出信号到a d 转换模块v 和c o m 端。 r 长。 图3 - 5r c 滤波电路 r c 滤波电路的时间常数f = r c ，时间常数越大说明电容c 的充放电时间越 3 2 7 张力传感器 对于剑杆织机经纱张力信号的检测采用徐州正天科技有限公司生产的 h z c - 3 s l 拉力传感器，下面是传感器基本技术