（机械设计及理论专业论文）空心锭环锭花式捻线机控制系统的研究.pdf

摘要 花式纱线是指在纺纱过程中采用特种纤维原料、特种设备和特种 工艺，对纤维或纱线进行特种加工而得到的、具有特殊结构和外观效 果、绚丽多彩的纱线，是纱线产品中一种与普通纱不同的、具有装饰 作用的纱线。它一般由芯纱、饰纱和固纱组成。其中芯纱位于花式线 的中间，是构成花式线强力的主要成份：饰纱包在芯纱外面，是花式 线外观的主要组成成份，花式线的风格、色彩、手感等主要由饰纱决 定；固纱包在饰纱外面，主要起固定作用。 花式纱线的生产，经历了一个很长的发展过程，其生产设备的技 术也在不断进步。而根据花式纱线的生产原理，其丰要是通过各个独 立的变速部件不同的速度组合而得出。因此，不管采用什么样的花式 纱线生产设备，对其控制系统的要求均较高。本课题就是对目前比较 通用的空心锭，环锭花式捻线机的控制系统进行研究。 根据对目前大多数空心锭一环锭结台型花式捻线机控制系统的调 查研究发现：它们大多是采用技术人员对各个回转部件的转速值进行 设定、调试，以达到生产某一种或某一类花式纱线的要求为止，然 后，将相关的数据保存起来，生产时，直接调用即可。显然，采用这 种控制系统的花式捻线机，其可生产的花式纱线品种有限( 虽然在理 论上它可以牛产各种花式纱线) ，且该品种必须是系统中已保存有 的，对于新的花式纱线品种，若仍采用这种设定、调试的办法，效率 低下，不利于开发新的花式纱线品种。因此，在此基础上，本课题对 该控制系统进行了改进，用v c + + 6 0 开发出基于w i n d o w s9 8 操作系统的包 含两个方面内容的控制系统：1 ) 由各转速值开发花式纱线控制系 统；2 ) 由花式纱线到各转速值的实现控制系统。第一部分丰要是针 对已有的花式纱线品种( 该部分与已有的控制系统类似) ；第二部分 q - 要是针对新的花式纱线品种，如何快速高效地实现控制该花式纱线 的各个同转部件的转速值而设计的。在第二部分中，首次采用了神经 网络控制思想，并进行了实验模拟，取得了较好的效果。另外，为了 使本控制系统能应用于实际，本课题还编制了p c 机与变频器的串行通 信程序、花式纱线的卷绕、纱长测定以及故障诊断程序模块。 本论文还刘卒心锭一环锭花式捻线机的成纱原理、花式纱线的捻 度以及花式纱线的卷绕等进行了详细地分析和说明；也对本课题采用 的神经网络模型一一典型前向网络一- - b p 网络模型的学习算法进行了 详尽的分析和说明，这些使得本课题所开发的控制系统有了较强的理 论基础。 关键词：花式纱线花式捻线机神经网络 控制系统串行通信 a b s t r a c t f a n c yy a m i sa s p e c i a ly a m ，w h i c h i su s e ds p e c i a lf i b r em a t e r i a la n dt h ey a m o rf i b r ei s p r o c e s s e ds p e c i a l l yb yu s i n gs p e c i a le q u i p m e n ta n dt e c h n i c sd u r i n g s p i n n i n g f a n c yy a m a l s ot a k e so ns p e c i a lf l o w e r ya n dp o l y c h r o m ef a b r i ca n d s h o w g e n e r a l l y , i tc o n s i s t so f t h r e e sk i n d so f y a r n s ，w h i c hd i f f e rf r o me a c ho t h e r i np o s i t i o na n df u n c t i o n t h ey a mw h i c hi sc a l l e d “c o r ey a m f o rb e i n gl o c a t e d i n s i d et h ec o r ep a r to f f a n c yy a mp l a y st h er o l eo fb u i l d i n gt e n s i o n ，a n dw h i c h i s c a l l e d “d e c o r a t i n gy a m ”i sb o t m d e d a r o u n d c o r ey a m ”a n df o r m st h eg u i s eo f f a n c yy a m s u c ha sf a n c yy a m ss t y l e ，c o l o ra n dh a n df e e l i n g ，t h et h i r dk i n do f y a mi s “f i x i n gy a m w h i c hi s u s e dt of i xt h e “c o r ey a m a n d d e c o r a t i n g y a m a n dt h e r e f o r ei so u t s i d eo f “d e c o r a t i n gy a m f a n c yy a m sp r o d u c t i o nh a sal o n gd e v e l o p i n gc o u r s e ，a tt h es a m et i m e ，t h e t e c h n o l o g yo fi t sp r o d u c i n ge q u i p m e n ti sa l w a y sm a k i n gp r o g r e s sc o n t i n u a l l y b u ta c c o r d i n gt o f a n c yy a m sp r o d u c i n gt h e o r y , i tr e l i e s o nt h ea l t e r a t i o no f s p e e d sm a t c h i n go fu n a r a c h e ds h i f tp a n s ，t h es p e e d so fw h i c ha r ea l t e r i n g f r e q u e n t l ya n ds y n c h r o n i z a t i o n a l l y , t h u sc o l o r f u lf a n c yy a r n sa r ef o r m e d s o ， w h a t e v e rp r o d u c i n ge q u i p m e n ti sa d o p t e d ，t h eh i g h e rr e q u i r e m e n ti sn e e d e dt o i t sc o n t r o ls y s t e m s t u d y i n gt h ec o n t r o ls y s t e mo fh o l l o ws p i n d l ea n d r i n g s p i n d l et w i s t i n gm a c h i n e w h i c hi su s e d u n i v e r s a l l ya tp r e s e n t i sm yt a s k a c c o r d i n gt oi n v e s t i g a t i n ga n ds t u d y i n gm o s th o l l o ws p i n d l e a n dr i n g s p i n d l et w i s t i n gm a c h i n ee x i s t i n ga tp r e s e n t ，w ec a n f i n dt h a tr o t a t es p e e d so f t u r n i n gp a r t sa r e n ts u p p o s e da n dd e b u g g e du n t i l t om e e tt h er e q u i r e m e n to f s o m e t y p e o rs o m ek i n do ff a n c yy a m t h e n ，c o r r e l a t i o nd a t u ma r es a v e d ，w h i c h a r e d i r e c t l y u s e dw h e np r o d u c i n g a p p a r e n t l y , t w i s t i n gm a c h i n ew i t ht h a t c o n t r o ls y s t e mh a sm u c hl i m i t a t i o n f o re x a m p l e ，s o m ek i n d so ff a n c yy a m s a r e p r o d u c e d ( a l lk i n d so ff a n c yy a r n sm a yb ep r o d u c e dt h e o r e t i c a l l y ) a n dt h o s e k i n d sm u s th a v eb e e ns a v e di nt h es y s t e m ，t on e wk i n d so f f a n c yy a m s ，i f s t i l l u s e sa b o v e m e n t i o n e dt e c h n i q u e ，i tm u s th a v el o we f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h i s c o n t r o ls y s t e mh a sn oa d v a n t a g eo fn e wf a n c yy a m s o ，ia m e l i o r a t et h ec o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h a t ie m p o l d e r e dt w od i f f e r e n to r i e n t e dc o n t r o ls y s t e m sb y v c + + 6 0b a s e do nw i n d o w s9 8o p e r a t i n gs y s t e m ：o n ei st h a tf a n c yy a r ni s g o t t e nb ys u p p o s i n ge v e r yr o t a t es p e e d ；t h eo t h e r i st h a te a c hr o t a t e s p e e di s g o t t e nb ys u p p o s i n gp a r a m e t e r so ff a n c yy a m t h ef i r s ti sm a i n l yd e s i g n e df o r f a n c yy a r n se x i s t e d ；t h es e c o n di s f o rn e wf a n c yy a r nt h a th o wt og e tt h er o t a t e s p e e d so fe a c ht u r n i n gp a r tr e l a t e d t ot h e f a n c yy a mh i g he f f i c i e n c y i nt h e s e c o n dp a r t ，iu s e dt h et h o u g h to fn e u r a l - n e t w o r kc o n t r o la n ds i m u l a t e db y e x p e r i m e n t ，i tg a i n e d t h eb e t t e rp u r p o s e i na d d i t i o n ，ip r o g r a m m e dp c c o m p u t e r a n d f r e q u e n c y c o n v e r s i o n ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o c e d u r e ，f a n c yy a m s w i n d i n gp r o c e d u r e ，m e a s u r i n gl e n g t hp r o c e d u r eo f t h ey a r na n df a u l td i a g n o s e s p r o c e d u r e a tt h es a m et i m e ，ia l s od i s c u s s e dt h et h e o r yo ff a n c yy a r n sf o r m i n gi n h o l l o ws p i n d l ea n d 对n gs p i n d l et w i s t i n gm a c h i n e ，t w i s t i n gd e g r e eo ff a n c y y a r n s a n df a n c yy a m sw i n d i n gi nd e t a i li nt h ed i s s e r t a t i o n w h a t sm o r e ，i a n a l y z e d t h em o d e la n dt h e l e a r n i n g a r i t h m e t i co fr e p r e s e n t a t i v ef e e d b a c k n e u r a l n e t w o r k 一一b pn e u r a l n e t w o r k a l lt h e s em a k e t h ec o n t r o ls y s t e mt h a ti e m p o l d e r e d h a v es t r o n gt h e o r e t i cf o u n d a t i o n k e y w o r d s ：f a n c yy a r n ，t w i s t i n gm a c h i n e ，c o n t r o ls y s t e m ，n e u r a l _ n e t w o r k ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 7 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。所星交的学位论文，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：柄。寇 日期： 撕年f 月f 日 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。 本学位论文属于 不保密日： 学位论文作者签名；去细霞 指导教撇：叶旧讧 日期：伽怍1 月了日 第一章概述 第一章概述 1 1 花式捻线机控制技术的发展1 1 1 1 国外花式捻线机控制技术的发展 1 ) 机械控制 5 0 年代的花式捻线机称为花式合股机，大多用线作原料，在合股 机上形成花式线，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，花式捻线机走向多能型，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 l l m a 的e e s x 花式捻线机和日本共立 c f 2 0 联合型花式捻线机等。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，比早期的花式捻线机要进步得多， 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。 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，花式捻 线机便进入了微机控制多马达调速的新时期。如英国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 捻线机。8 0 年代中后期，又推出了最新机器g d m t r i t e x 型花式捻线 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，使花式捻线机的 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 第一章概述 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 f i t e x 型空心锭花式捻线 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。 4 ) 变频器控制 日本o z e k i 科技有限公司( o z e t e c h n o c o ，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。 1 1 2 国内花式捻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。早期的国产花式捻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。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) 其典型代表是于9 1 年研制成功的主从分箱式多微机控制空心锭花 式捻线机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捻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、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i b mp c a t 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 花式稔线机。 第一章概述 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。 ( 2 ) 单片机+ 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，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。采用多单元变频调速系统对各回转部件进行速度控制。该 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，不 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。 花式捻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。由此，花式线品种开发的 关键在于如何控制各运转罗拉的变速，包括对变速的设定及变速精度 和范围的控制等等一系列技术。因此，控制技术是花式捻线机发展的 关键的动力。从以上分析可以看出，变速控制技术是花式捻线机控制 技术发展的主要取向。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，建 立产品质量监测和工艺性能评价体系。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不仅在纺纱机 械，乃至整个机械行业的应用越来越普遍，不仅推动了机械行业本身 向高速化、自动化、智能化方面的飞速发展，而且促进了现代化全面 第一章概述 质量管理、集中生产管理、无人化工厂的早日实现与发展。 1 2 纺纱设备机电一体化的含义 1 2 1 纺纱设备机电一体化的含义 随着科学技术的进步，特别是计算机技术的迅速发展，促进了电 子技术与机械技术的有机结合，生产出单靠机械技术或电子技术都难 以达到优良功能的设备。在这种背景下，日本在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，在我国，通常称之为“机电一体化”。 伴随着科学技术的进步和人们的大量实践活动，人们对机电一体化的 认识和理解也在不断地被赋予新的内容。机电一体化应是微电子技 术、电力电子技术、计算机技术、信息处理技术、检测传感技术、伺 服传动技术、精密机械技术、自动控制理论以及系统整体技术等多种 技术的有机结合一一融合而成的综合性技术。 就纺纱工业而言，纺纱设备机电一体化除了包含上述机电一体化 的基本内容外，更全面的含义是“以纺纱工艺为主线，控制理论为指 导，电子技术为手段，系统整体最佳为目标”。简言之，它是“工 艺、机械、控制一体化”。在自动控制理论指导下，根据系统整体最 佳目标，综合运用各种新技术，设计并选择机电一体化的五大因素， 不断要求每个要素本身性能好、功能强，还要求各要素之间实现最佳 匹配，从而制造出高性能、高功能的机电一体化产品。 1 2 2 机电一体化的五大要素和五大功能 机电一体化设备遍及各个领域，结构也各不相同，但它们都有共 同的特点，即它们都是由五大要素( 部分) 组成，如图1 1 所示，即 由机械部件、动力部件、传感器、执行器和控制器组成。对应五大要 素的是五大功能，如图1 - 2 所示，即结构功能、运转功能、检测功 能、驱动( 传动) 功能和控制功能。 4 第一章概述 图1 - 1 机电一体化的五大要素 图1 - 2 机电一体化的五大功能 下面从机电一体化的整体角度分析机电一体化的五大要素。 1 ) 控制器 机电一体化纺纱设备的核心部件是控制器。控制器的任务是对来 自各种传感检测装置的信息进行存储和处理，根据设定值与实际值的 比较结果进行计算处理，适时地发出各种指令，控制各种执行器按照 要求动作，传动相应的机械部件，完成各项工艺操作，使工艺参数稳 定在设定值上。控制器( 及周边设备) 还应具有显示、打印和与上位 机进行信息交换的功能。 2 ) 传感器 在机电一体化纺纱设备上，使用着多种类型的传感器，用于在线 圈 甲囡 一 第一章概述 检测各种工艺参数，以便构成闭环控制系统、扰动补偿控制系统和自 动显示、记录、报警系统。 3 ) 执行器 执行器用于传动各种机械部件，完成要求的工艺操作。执行器包 括以电、气压、油压作为动力源的各种器件。在纺纱设备上，广泛使 用的执行器是电动机，而且，使用变频器和交流电动机的交流变频调 速系统是主流。 4 ) 动力装置 它的任务是为执行器提供动力。由于执行器分为电气、气压和油 压三种类型，因此动力装置也分为电气、气压和油压三大类型。在纺 纱设备中，通常采用电气动力装置。 5 ) 机械部分 机械部分主要用于传动。在纺纱设备中，多采用齿轮部件、齿轮 与齿条部件以及蜗轮与蜗杆等部件。 1 3 微机控制系统的组成4 微机控制系统包括硬件和软件两大部分。硬件是指微机本身及其 外围设备，软件则为管理计算机的程序以及过程控制的应用程序。硬 件是微机控制系统的基础，软件是微机控制系统的灵魂。微机控制系 统本身是通过各种接口及外围设备与生产过程发生关系，并对生产过 程进行数据处理及控制的。 下面就微机控制系统各部分的功能进行说明。 1 3 1 硬件 硬件由主机、接1 3 电路及外围设备组成。不同的系统，所需硬件 也不同，一般可根据控制系统的需要进行扩展。现已生产出具有各种 功能的插件板，可用标准总线连接起来，使用非常方便，如s t d 总线 构成的各种工业控制机，即属此类。 1 1 主机( c p u ) 第一章概述 它是整个控制系统的指挥部，通过接口可向系统的各个部分发出 各种指令，同时对系统的各参数进行巡回检测、数据处理以及完成控 制计算、报警处理和逻辑判断等工作。 2 ) 接口与输入输出通道 它是主机与被控对象进行信息交换的纽带。一般在微机控制系统 中，主机输入数据或者向外部发布命令都是通过接口及输入输出通道 进行的。由于微机只能接收数字量，而一般的连续化生产过程大都是 以模拟量为主，因此，为实现微机控制。还必须把模拟量变成数字 量，或者把数字量变成模拟量。目前，此种通道已采用大规模集成电 路，如a d 、d a 转换器和接口板等。 3 1 通用外围设备 它们主要是为了扩大主机的功能而设置的，用来显示、打印、存 储及传送数据。这些专用的设备就像计算机的眼、耳、鼻、舌和四肢 一样，大大扩充了主机的功能。 4 1 检测元件及仪表 在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，广泛采用了各种 检测元件和仪表，它们的主要功能是把被测的参数由非电量转换为电 量，如热电偶把温度变成m v 信号，压力变送器把压力变成电信号 等。这些信号转换成统一的微机标准电平后再送入微机。因此，检测 元件精度的高低直接影响微机控制系统的精度。 此外，为了控制生产过程，还需要执行机构，常用的执行机构 有电动、液动和气动等控制形式，另外还有动力电机和控制电机等。 5 ) 操作台 它是人一机对话的联系纽带。通过它操作人员可以向微机输入程 序、修改内存的数据、显示被测参数以及发出各种操作命令等。它主 要由作用开关、功能键、l e d 数码管及c r t 显示和数据键四部分组 成。 1 3 2 软件 软件是指能完成各种功能的微机程序的总和，如操作系统、监控 第一章概述 程序、管理程序、控制程序、计算和自诊断程序等。因此，软件是微 机系统的中枢，整个系统的动作都是在软件指挥下进行协调工作的。 软件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。 系统软件带有一定的通用性，一般由微机设计者提供。应用软件 是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在微机控制系统 中，每个控制对象或控制任务都有相应的控制程序，用这些控制程序 来完成对各个控制对象的不同要求。微机控制系统随着硬件技术的日 臻完善，对软件提出了越来越高的要求。只有软件和硬件相互有机配 合，才能充分发挥微机的优势，研制出完善的微机控制系统。 第二章空心锭耶锭花式捻线机生产原理 第二章空心锭一环锭花式捻线机生产原理 2 1 花式纱线的分类 纱线是组成织物的基本原料，除了常见的普通纱线外，还有着各 种各样截面分布不规则、结构不同或色泽各异的特殊纱线，这类纱线 统称为花式纱线。花式纱线一般分为两大类，第一类为单色花式纱 线，主要特征是具有不规则的外形与纱线结构，如纱线截面具有不规 则几何形状，纱线结构如捻度、捻向及捻合方式变化等，常见的有竹 节纱、结子纱、雪花纱、珠圈纱等；第二大类为彩色花式纱线，也叫 花色纱线，这类纱线主要特征是外观在长度方向上呈现不同的色泽或 特殊效应的色泽，常用的加工方法有间隔印色纱线、飞溅染色法纱 线、注入染色法纱线、拆编印色法纱线等。本课题主要研究在空心锭 一环锭花式捻线机上生产第一大类花式纱线的控制技术。 第一大类花式纱线按生产方法可分为超喂型花式线、控制型花式 线和特种花式线： 超喂型花式线是指饰纱的速度大于芯纱的速度。其中，超喂数 等于饰纱速度除以芯纱速度。其特点是各罗拉速度保持一恒定 的比例。 控制型花式线是由各罗拉按花型设计的要求进行变速形成的。 特种花式线是由特殊的生产设备制成的。 第一大类花式纱线按饰纱的喂入状态又可分为纤维型和纱线型两 大类： 纤维型花式线是以粗纱作为饰纱，在喂入成形过程中需经过罗 拉牵伸。 纱线型花式线是以细纱作为饰纱，在喂入成形过程中不需要经 过罗拉牵伸。 2 2 花式纱线的结构 第二章空心锭环锭花式捻线机生产原理 花式线一般由三根纱线组成，即芯纱、固纱和饰纱组成，如图 2 1 所示。 i 荔长岁会 图2 - 1 花式纱线结构示意图 芯纱，也称基纱，是构成花式线的主干，被包在花式线的中间， 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 r e x ( 3 5 7 公支，2 1 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 r e x ( 4 7 6 公支，2 8 英 支) 涤棉单纱或中长纱。 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、腈纶纱或长丝作原料，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。 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，是构成花式线外形的主要成分，一般 占花式线重量的5 0 以上。各类花式线均以饰纱在芯纱上面的装饰形 态丽命名，例如圈圈花式线即饰纱以圈圈的形态包缠在芯纱的表面。 花式线的色彩、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，在花式捻线机上与芯纱并捻，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捻线机上或经过改 第一章守心锭- 环锭花式捻线机生产原理 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。 纱线型花式线对饰纱的要求是条干均匀而捻度小，手感柔软而富 有弹性。如要生产大圈圈时最好用马海毛纱为饰纱原料，因为它表面 光洁而富有弹性；生产波形线时特别要求饰纱柔软；如用精纺毛纱作 饰纱时，一定要经过蒸纱，使捻度稳定，否则在纺制花式线过程中由 于毛纱的回弹力使饰纱扭结成小辫子，影响质量；如使用普通的腈纶 纱或纯棉纱，则需把新纺好的纱在纱库中放存一段时间，使它有一个 自然回潮定型的机会，使捻度稳定。饰纱一般用单纱，很少用股线。 花式的形成，靠三根纱线的配合，通过对一系列参数的控制，就 可以获得不同的花型，而要得到好的花式纱线，就必须对这些参数进 行综合控制。它们如下： 2 2 1 超喂比 超喂比= 饰纱线速度芯纱线速度 超喂比可以是恒定，饰纱速度以花式规律恒定于芯纱速度，以恒 定的超喂比生产出来的花式线即为超喂型花式线；也可以是变超喂， 从而使花式不断变化，以这种方式生产出来的花式线即为控制型花式 线。 2 2 2 牵伸倍数 牵伸倍数= 前罗拉线速度后罗拉线速度 = 饰纱喂入单产超喂比输出纱线中饰纱所占的重量 牵伸倍数可以是恒定的，也可以是不断变化的，从而产生不同的 花形。 1 2 2 3 芯纱的张力 芯纱的张力由张力器或罗拉进行调整，张力的大小，赢接影响着 成纱质量及花形的稳定，如张力太小，芯纱不能处于中心位置而影响 质量；若张力太大，则容易引起断头。 筛一章空心锭- 环锭花c 捻线机生产原理 2 2 4 花式纱线的捻度 花式纱线的捻度，对于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，即空心锭转速输出线速度。包缠数数值的大 小，对花式线的手感、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。环锭加捻度的目的，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 3 空心锭一环锭花式捻线机的成纱原理 花式纱线有许多加工方法，在普通棉纺、毛纺细纱机、喷气纺纱 机、空气变形纱机等机器上，经过适当的改造，可以生产某些种类的 花式纱线，而生产花式纱线最常用的专用设备为花式捻线机。本课题 只讨论空心锭一环锭型花式捻线机的生产原理，如图2 - 2 所示，其生 产原理为：芯纱经芯纱罗拉输送，经导纱钩后进入空心锭子；饰纱由 前罗拉输入( 若是加工好的纱、线或长丝，则不需经过三罗拉牵伸， 若是用条子或粗纱作饰纱，则需经过三罗拉牵伸) ，经牵伸机构后经 过导纱钩与芯纱一起进入空心锭子；固纱则由空心锭子上的筒管引 出。三根纱线在空心锭子入口处同时进入空心锭子，在下一导纱钩之 前，芯纱、饰纱随空心锭子一起回转而得到假捻，而固纱由于从空心 锭子上退绕下来，与芯纱、饰纱平行但不被假捻。通过导纱钩后，由 于环锭的加捻作用，芯纱、饰纱的假捻消失，而固纱包缠在芯纱和饰 纱上，形成真捻，将由空心锭形成的花型固定下来，形成花式纱线。 第一章守心锭环锭花式捻线机生产原理 导 导 芯纱 饰纱 后罗拉 图2 - 2 空心锭环锭花式捻线机成纱原理示意图 2 4 花式纱线的加捻分析 过去常用的环锭花式捻线机因工艺复杂而影响产量，空心锭花式 捻线机虽工艺简单，但是只有固纱单向对芯纱和饰纱进行包缠，使成 品易产生扭结或在最终针织品上出现扭曲( 俗称斜片) 。为此研制出 了空心锭和环锭相结合的花式捻线机，国外称其为“合二为一”的花 式捻线机。用这种设备生产的花式线与环锭花式捻线机生产的一样柔 软膨松，现将其加捻作用原理分析如下。 2 4 1 空心锭的加捻作用 空心锭上的加捻钩，对芯纱和饰纱是假捻，对固纱为真捻，它使 芯纱与饰纱产生假捻，同时又使固纱得到真捻。 按图2 2 中空心锭转速n l 的回转方向条件下，前罗拉为握持点 a ，环锭锭子为另一握持点c ，加捻钩b 为第一加捻点。设输出速度 为v ，芯纱与饰纱在b c 区段内接近无捻，而固纱在b c 区段内由于 空心锭所加的捻度应为： 第章空心锭环锭托式捻线机生产原理 t i2 n l v( 2 - 1 ) 式中：n 】一一空心锭上加捻钩转速，r r a i n ； v 一第一加捻点( 加捻钩) 处输出纱条的速度，应等于芯纱 罗拉速度，m m i n 。固纱捻向为s 捻。 所以空心锭纺成花式线的实质是，利用固纱的加捻作用所形成的 真捻，固定了饰纱在芯纱上退解假捻时的花式形态。 2 4 2 环锭的加捻作用 由空心锭所形成的花式线通过导纱钩后，穿过钢丝圈卷绕到紧套 于锭子的筒管上，锭子及筒管回转时，由于纱条张力的牵动，使钢丝 圈沿着钢领回转，纱条因此获得捻回。钢丝圈绕铜领每转一转，纱条 即被加上一个捻回。环锭所加的捻度应为真捻( 若忽略纱管直径变化 对钢丝圈转速的影响) 。 环锭对芯纱与饰纱所加捻度为： t 2 = n j v ( 2 - 2 ) 式中：n 2 一一钢丝圈转速，r m i n 。 由于环锭锭子回转方向与空心锭回转方向相同，故芯纱与饰纱的 捻向应为z 向。 环锭对固纱所加捻度为： 7 3 = n 2 v ( 2 - 3 ) 捻向为z 捻。 2 4 3 花式纱线产品的捻度 根据捻度代数相加原理可知，空心锭与环锭结合型花式捻线机所 捻制的花式线，其各组分的捻度分别为：芯纱与饰纱捻度为n 2 v ，捻 向为z 捻。固纱捻度为( n l n 2 ) 、v 。其捻向因为空心锭所加捻向为 s 捻，而环锭所加为z 捻，根据机器性能n 。 n 2 ，所以固纱最终捻向 仍为s 捻。即花式线产品上固纱捻向为s 捻。 2 4 4 性能比较 空心锭环锭结合型花式捻线机与普通筒子卷绕空心锭花式捻线 机的性能比较：结合型花式捻线机，由于采用了空心锭纱直接输入环 第二章卒心锭一环锭花式捻线机生产原理 锭的方式，以达到退解空心锭固纱捻度，从而结合型所纺制的花式线 较普通空心锭花式捻线机所制同品种、同工艺花式线捻度明显减少， 使生产的花式线产品手感柔软，风格及结构更趋理想，克服了普通空 心锭纱手感粗硬及直接摇绞纱易发生的扭结缺陷。 结合型花式捻线机因环锭的作用，使得最终所得花式线中的芯纱 与饰纱也能获得一定数值的真捻，从而使得由芯纱和饰纱所形成的花 型更为稳定，花式线的结构更为紧密，花式线中各组成部分所分担强 力较为合理，并且使得花式线产品可纺支数的提高得到保证，风格更 趋细软，产品开发范围更为广泛，是目前空心锭花式捻线机的发展方 向。 2 5 花式纱线的卷绕 纱线的卷绕主要是为便于制品( 包括半制品) 的存储和运输，便 于喂给下道工序进行加工处理，因此必须把这些制品按一定规律绕成 具有一定紧密度的卷装形式。一般纱线卷绕，为了使层次分清，都是 按一定的螺旋线式绕成管纱卷装，这就要求卷绕运动必须是由回转和 往复运动两者复合而成。由于这一复合作用，纱线按螺旋线分布在纱 层面上，层层相叠，逐渐增大以至绕满，形成一个整齐而有规律的卷 装。其卷绕机构示意图如图2 3 所示：由罗拉2 和小压辊1 联合输出 的纱线经导纱钩3 ，穿过钢领5 上的钢丝圈4 而卷绕于紧套在锭子上 的线管7 上。由于钢领板6 的上下运动，花式纱线得以有规则地卷绕 在线管上。罗拉不断地恒速输出花式纱线，线管就连续地卷绕花式纱 线。 往复运动也称导纱运动，一般由导纱器来完成。在本课题研究的 由空心锭一环锭结合型的花式捻线机上，是由钢领板带着钢领、钢丝 圈作往复升降运动来完成导纱作用。而卷装的回转运动除了完成所要 求的卷绕作用外，还要起对纱线的加捻作用，故可称为加捻卷绕运 动。因此，在本小节先讨论钢领板的运动规律，再讨论卷绕规律。 第一章卒心锭环锭花式捻线机生产原理 图2 - 3 花式纱线卷绕机构示意图 2 5 1 钢领板的运动规律川 钢领板的运动是比较复杂的，它由两部分运动来组成： 2 5 1 1 钢领板的上升下降运动 钢领板的上升下降运动是满足纱线得到圆锥形交叉卷绕。由于纱 线在圆锥面上的轨迹是等距螺旋线，把圆锥面展开得到扇形平面，而 圆锥面上的等距螺旋线也展开成渐 开线，如图2 - 4 所示。其中凡为基 圆半径；点o 到点c 之间为p ；点 c 到点d 之间为dp ；点a 到点c 之间的渐开线长为1 ；点c 到点e 之间的渐开线长为d l ；渐开线与 圆弧s s7 之间的夹角为n ，s s7 所 。 对圆心角为0o ，h 。为法向螺距， 即相邻纱圈之间的最短距离：圆弧 圈2 - 4 纱圈螺旋线展开图 s s7 、卷绕半径r k 与p 及oo 的关系是s s7=p00 2 r k 。 1 ) 下降运动 半径线p 与渐近线之间的夹角也等于o ，令dp d t = v h ，d l d t = v 则： 第一章卒心锭环锭诧式捻线机生产原耻 dp d l = v h v = s i n = r 0 p f 2 4 1 由几何关系得： s i n d 2 h n ( p 0 0 )( 2 - 5 ) 根据式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 可得： v h v 2 s i n a = h n ( p 0 0 ) = 2 r k 这就是圆锥形卷绕往复导纱速度v h 的变化规律。对这一速度关系进 行积分，即可求得唯一规律，但首先应得出v h 与r k 之间的导数关 系，代入上式，再积分得： 。，= 万一0 ) s i n y 嘶1 其中式( 2 - 6 ) 中y 为纱管的锥角的一半；r o 为空筒管半径，即 最小卷绕半径；r 为最大卷绕半径，即卷装半径。设r k = r 时，总的绕 纱长度为l ，则应得：h z2 石忸2 一寺) s i n y 。将式( 2 - 6 ) 除以该式 得：i l l = ( r e 一右) 忙2 一右) ：因为卷绕长度l 和l 应该对应于前罗拉的 输出长度或转角，故可设对应于1 和l 的前罗拉转角各为硝和o f ； 相应的凸轮转角各为q j m 和o m ，则应得： 盔二蔓：三：卫生：里。 r 2 一芬l 中f 巾。 如以c p m q ) m 为横坐标，以r k 为纵坐标，按上式作出曲线是一抛物 线，可称为抛物线规律。它表示成形凸轮各转角9 m 与钢领板升降位 置相对应的卷绕半径r k 之间的关系，其中两个极限位置是： r ( p m = 0 时，r k = r o ( 即钢领板在卷绕小半径r o 处) 【q o m = q ) m 时， r k 2 r ( 即钢领板在卷绕大半径r 处) 按上式解得： k = ( 雨_ 二i 再：= 忑丽 再按图2 5 中的相似形比例关系，即可求得： 三：生玉：上(r一瓶二蕊了丽)hr or or r o 、 ”、”7 7 “ ”7 第二章空心锭一环锭花式捻线机生