（纺织工程专业论文）单锭单电机细纱张力控制系统的研究.pdf

v 6 1 8 4 1 1 论文题目： 望缝皇鱼扭鲴丝送应丝剑丞缠鳇硒塞 专业：缠堡至猩 研究牛： 签蓬指导教师：羞宣童! 主擅茔 本文对世界上多种先进机型的细纱机气圈方程和卷绕方式进行了推导对比。，针 对张力波动问题进行重点分析，从而得如气图形态的变化是影响气圈断头葶【1 纱线品 质质量的主要因素之一，经过纱线动态张力测试，验证r 上述结论。 本论文中提出了一种定位式纱线张力的控制方案，并对其机械结构、自动摔制 部分进行详细的设汁。在系统硬件设计部分使用了包括传感器、数据采集、执行装 置和单片机处理系统，辅助以工业控制机完成数据采集、处理、显示和多机通信等 功能。为了实现t 述的功能，单片机采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 l ，其为一种低功 耗，8 何c m o s 结构的高性价比微控制器，同时其使用方便，功能强大。为验证传 感器、多机通信和步进电机的控制可靠性和准确性，做了大量实验。 在珲论分析方面，对影嘀纱线的各因素做了定性分析，并由m a t l a b 数值分析 软件因它们对纱线张力突变的贡献进行定量论述。为本设计的可行性提供理论基础。 随后利用电测法对气圈的张力进行测定，分析出大、中、小纱时不同转装位置、速 度等因素对纺纱张力影嗡的强弱，验证设计方案的可行性。 壤后，f = 妇上述设计同传统的卷绕控制方案对比，表明动锭式单锭单电机细纱张 力控制系统可以有效的抑制纱线张力突变，提高工作效率，降低由断头造成的条干 不匀。 关键词：动态张力控制，数学模型，单锭传动，细纱机 答辩日期：指导教师签字： t h er e s e a r c ho nt h ec o n t r o l s y s t e mo fs p i n n i n gt e n s i o n t h es i n g l es p i n a la n dt h e s i n g l em o t o r t nt h i sp a p e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb a l l c o na n dt h ef o r mo f r o l l i n g w h i c hw a su s e di nm o d e r ns p i n n i n gf r a m eh a db e e ns t u d i e da n da n a l y z e d t h e a u t h o rp u te m p h a s e s0 1 2t h ep r o b l e m ，w h i e h sr e l a t e dt of l u c t u a t i o no ft h e t e n s i o no f l y a r n a n dt h e ng e ta t 2i m p o r t a n tc o n c l u s i o nt h a tt h ec h a n g eo f h a ll o o ni so n eo fi m p o r t a n tf a c t s ，w h i c hc o u l di m p a c tt h ec h a n g eo t t e n s i o n a n dt h e nt h er e s u l to fe x p e r i m e n t a l i o nv a l i d a t e st h a tc o n e l u s i o nw a st r u e int h isp a p e r ，t h es y s t e mc o u l dc o n t r o lt h et e n s eo ft h ey a r nb yc h a n g i n g t h e1 ( ) c a t i o no fs p i n d l ew a np u tf o r w a r d t h eh a r d w a r ew a sm a d eu po fs e n s o r 。 d a t a a c q u i r ei r i t e r f a c e ，a c t u a t o re t c ，t h o u g h t h o s ep a r t st h ef u n c t i o n s jn c l u d i n gd a t a a c q u i s i t i o n ，d i s p l a y ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，c o u l d b e a c t u a l i z e d s n 9 1 ec h i pc o m p u t e rs u c ha sa t 8 9 c 5 1w h i c hw e r eai o wp o w e r ，h i g h p e r f e r m a n c ec m o s8 - b i tm ic r o c o m p u t e rw i t h4k b y t e so ff l a s hp r o g r m n m a b l ea n d e r a s a b l e ( p e r r o m ) s o m ee x p e r i m e n t st h a ta r ea b o u tt ot h ef u n c t i o n so ft h e s y s t e ma n dt h ed e s i g no fs e n s o r sh a v eb e e nf i n i s h e d a n dw eg o t ap e r f e c t r e s u l t a t 】a s t t h ea u t h o re v a l u a t e dt h ep l a na n dd r a w nap e r f e c tc o n c l u s i o n t h a tt h es y s t e mc o u l dr e d u c et h ef l u c t u a t i o no ft h et e n s e a n dt h es a l l l et i m e itc r ni m p r o v et h ee f f i c i e n c y0 ft h es p i n n i n gf r a m e k e y w o r d s ：d y n a m i cc o n t r o l ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h es i n g l em o t o rd r i v e s p i n n i n gf r a m e s u nt a o ( t e x t i ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y j i a n gy i k u a n & n i n gf u j u n 2 箜二望! i 童 第一章引言 细纱的产量和质量是衡量个纱厂生产技术和管理水平的一个重要的指标，而 纱厂生产规模的大、小是以细纱机总量表示的。细纱工序是成纱最后道关键工序， 成纱的产量和质最对工厂效益有极为重要的影响。 但大部分的细纱机还是沿用的锭子转速恒定卷绕，由于其机械构造没计缺陷的 原因使得纱线在卷绕时难以控制的张力值的变化，造成的大量断头，其数量占总数 的6 0 7 0 ；同时对纱线质量亦有一定的影响，主要表现在纱线的强力减弱、毛羽 增多和条干不匀率差等方瓶。 第一节国内外机械发展动态 近年来世界各国在发展各种新型纺纱技术的同时，对环锭细纱机也作了较大的 改进和提高。其特点呈现出机台超长、高速、大牵伸、自动化、连续化和智能化等 特征。现简介如f ： 】1国外新型细纱机的主要技术特点 日本丰田r x2 0 细纱机。环锭细纱机对纺纱几何尺寸进行了改进，即积极升降、 平稳落纱( s c d ) 提高了纺纱质量。其最大锭速2 5 0 0 0 r b i n ，全机1 0 0 8 锭，生产纱支 范围6 s 1 2 0 s ，锭距分7 0 n u n 及7 5 m m 两种，牵伸系统为三罗拉双区牵伸体系。丰田纺 纱几何形状的改进包括纺纱张力的最佳选择。在高速运转时减少纱线断头。选用最 佳的前罗拉包围角以防止纱线产生较多毛羽，保证纱线获得最佳捻度，提高纺纱质 量。下罗拉为铬合金，经久耐用、性能稳定。 瑞士立达公司的g 3 0 型细纱机。通过中央变频控制系统与第一牵伸齿轮箱的专 用电机保持同步。牵伸传动装置和锭子传动装置分别由单独的变频器控制，有助于 降低动力损耗。同时保证了各纺纱部件的同步性。锭子传动采用4 锭l 组锭带传动 方式。配有集体落纱装置，全部落纱时闻只需1 8 3 r a i n 。该机配有管纱和纱管输送 系统，可自动完成从细纱机到络筒机的输送工作。还配有全套电机冷却系统。g 3 3 型环锭细纱机使用了r i q b r i d g e 系统不仅提高了纺纱的质量，而且使得钢领和钢丝 圈的运动十分精确。 意大利马佐利公司的r s t 一1 型细纱机。牵伸型式为三上三下双胶圈。最大牵伸 倍数为6 0 倍。牵伸和车头传动齿轮均采用滴油润滑、当机台超过5 0 0 锭时。则在机 尾增加一个同步牵伸装置。锭子采用同步带传动，且附有龙带刹车装置，使落纱时 锭子不会转动。主传动采用变频调速形式。配有自动落纱装置，全部落纱时间为2 。 5 m i n 。还可配粗纱至细纱的自动纱管输送装置、自动巡回式清洁装置和粗纱自停装 第一章引言 置。 德国青泽公司的r f 3 5 0 型细纱机。采用三罗拉双胶圈牵伸装置。牵伸倍数可达 7 0 倍。主传动采用变频器控制，锭子采用多电机短龙带传动，最大锭数达1 2 0 0 锭。 该机还可配有和络简机连接的接口、参数记忆装置、粗纱管输送系统、巡回式清洁 器等。 德国绪森公司的f i o m a x1 0 0 0 型细纱机。采用三罗拉双胶辊牵伸、h p a 3 2 0 型 摇架加压。牵伸倍数最高可达6 3 倍。牵伸系统与升降机构采用齿形带传动。锭数超 过5 2 8 锭时、f 罗拉在中间分开。从车头、车尾分别驱动。采用4 8 锭一组的无接头 的短龙带传动锭子，运转平稳，噪声低。该机最大锭数为1 1 0 4 锭。机器调速通过 p l c 变频调控制电机速度和各机械部分的运动。配有自动落纱装置。该机还可配有 巡回式清洁装置、粗纱输送装簧、与络简机连接的接口、集中式数据记录装置、纺 纱数据系统等。 此类装置可以大幅减少能耗，减少原料的消耗并使机构大大简化，减少r 噪音。 例如，联邦德国s i ( f 公司和瑞士b b c 公司合作生产了该系统并在1 9 8 7 年i t m al ! ：展 示了其产品。由于单锭单电机由单片机控制锭子速度和前罗拉速度同步；锭予和每 列罗拉可无级调速，同时由单电机控制管纱的成型等。其张力控制方式以调锭速为 主，其卷绕的方式同传统的细纱机相同。 以上四种机型的最高锭速均可达2 5 0 0 0 m i n 。此外，日本丰和公司u a t t 型、印 度拉克施密公司的l g 5 l 型、日本丰田公司r x 2 4 0 型等细纱机，其最大锭数在1 0 0 0 锭以上。其中有的机型最高锭速可达2 0 0 0 0 - - 2 5 0 0 0 r m i n 的超长、高速、自动化水 平较高的新型细纱机。 嗣外相关资料表明，细纱机发展的大方向之为单锭子，小卷装，高速卷绕， 自动化和智能化。所谓单锭传动就是每一个锭子由单独电机控制传动，此模式2 0 年 前已有人提出，但是由于步进电机，伺服电机的价格为现在5 l o 倍，甚至更多， 而相应的控制电路和电子元件工艺技术水平也由于历史局限性，不能满足产品大量 产业化生产的要求。 本文提出了一种限定气圈高度，控制气圈形态的控制方案，这不是通过对上述 越界各先进机型在保持传统卷绕加捻机构的基础的改进，丽是对于细纱机牵伸机构， 传动机构和自动化控制机构的一种新设计。 1 2 国产新型细纱机主要技术特点 经纬纺机厂的f a 5 1 4 型细纱机。牵伸装置采用三罗拉长短胶圈、弹簧y 摇架加压。 配有s k f 公司的p i 。2 0 2 5 型摇架或s u e s s e n 公司的t c a s a - h p s 6 8 - 2 1 0 型锭子，最高锭速 2 0 0 0 0 r m i n 。最大牵伸倍数为5 0 倍。最大锭数为1 0 0 8 锭。锭子传动有两种形式，一 种为短龙带分组传动，每4 8 锭一组；另一种为8 锭一组的滚盘锭带传动。电气控制采 6 第一章引言 p i , c 可编程序控制器，主电机采用变频调速，可根据纺纱要求设定变速曲线。数据显 示装置可显示有关纺纱工艺参数。牵伸传动齿轮采用集中布嚣、集体润滑。可配备 集体落纱装置或自动小车落纱。 上海二纺机的e j 5 1 7 型细纱机。采用分段整节组装、最大锭数为1 0 0 8 锭( 按4 8 锭 增减) 。采用三罗拉长短胶圈。弹簧摇架加压、最高牵伸为5 0 倍。可配s k f 等国外摇 架或国产摇架。车尾有同步牵伸传动装置。锭子的传动采用短龙带分段切向传动、 最衙锭速可以达蛰j 1 8 0 0 0 r m i n 。牵伸和锭子传动采用变频调速和p l ，c 控制。纺纱过 程能自动变速。数显装置可显示运转状态下的锭速、输出速度等工艺参数。关车时 可自动适位停机，开车时钢领板自动复位。可配集体落纱和往复式吹吸清洁装置。 宜昌纺机厂f a 5 4 1 型细沙机。牵伸型式为三罗拉长短胶圈、弹簧摇架加压，牵伸 倍数最高为5 0 倍。配有同步牵伸传动装置。车头有扭力保护器，若车头车尾牵伸传 动不同步时，可自动停车。车头传动油浴润滑。锭子传动采用滚盘锭带式。最高锭 速为1 8 0 0 0 r m i n 。最大锭数为1 0 0 8 锭。关车时可自动适位停车，开车时钢领板自动 复位及开车低速生头后，自动切换高速。 通过对上述国内几种典型细纱机性能综合分析，其特点是跟随世界设计的潮流， 也相应对牵伸、卷绕、控制进行了改进并没有在设计理念有所突破。同时由于国内 原材料生产、自动化的控制技术和电子设计总体水平相对落后，使得整机的性能落 后于世界先进水平，单锭控制气圈形态技术的提出，对国内低迷的纺织制造业带来 积极的影响。 第二节传统细纱机气圈控制方案概述 传统细纱机卷绕过程是亩钢领板的升降配合锭子的转动，使得管纱卷绕成型， 同时由钢丝圈和锭子转速差完成细纱加捻。整个系统协调工作可以完成预定形状的 细纱锭子的卷绕。 2 1 传统气圈控制方案分析 固内外对于细纱机锭速控制方法大部分是分段控制式，即利用理论或者经验将 锭子速度设定为几段，然后由控制部件直接对速度进行控制。这种控制方式难以对 外界环境做出实时的响应。同时，钢丝圈为一个非直接驱动的部件，由纱线的张力 拖动，其速度难以精确确定。 目前，许多纺织机械的生产商多采用分段式控制。依照控制量的不同，可以将 其分为“定长式”和“分层式”两种。前者以细纱的卷绕长度进行分段，后者以钢 领板的不同位置进行分段。在实际生产中，对于纱线长度进行计量、分段比较容易 实现，故应用的较多。 7 第一章引言 锭速调节方法有两种：一种是按照小纱、中纱和大纱的张力变化和断头分布规 律来调节键子的转速，即小纱锭速较低，中纱锭速高，大纱锭速又降低。此类控制 方法奁f b , 5 1 2 中曾使用过。另一种是在基本调节速度的基础上，随着卷绕裒径邪气 圈高度变化做适当的精细调整，称之为逐层调节。要达到上述的效果必有一套复杂 的电气变换装置，设备成本较高，管理复杂，维护困难。 上：述两种控制方式实质是依照纺纱阶段的不同，结合实际生产情况给出的相应 经验速度，但这将牺牲细纱机的效率和产量。以f a 5 0 6 细纱机为例，其将一落纱分为 9 段，每一段给经验转速。这样可大大的减少断头率，但是对减少纱线张力波动贡 献很小，得不偿失。 由气圈形态张力方程可知，相同型号的钢领板半径可以相同，若对应于同个 机器，钢领板半径为一个固定值。其对于纱线的张力影响可以忽略。由理论推导“o ” 可以论证张力随着气圈高度，回转角速度和纱线密度增大而增大。 2 2 电气控制及自动化 新型纲纱机上普遍采用了p c 机和p l c 可编程序控制器控制。主电机变频调速。 纺纱过程可自动变速，以稳定纺纱张力，降低断头率。有的杌台配有断头自动监测 装置。有的配有运转数据自动收集系统。数显装置可显示锭速、输出速度等有关工 艺参数。自动化装置正在向高性能方向发展。大部分机台都装有巡回式自动化清洁 装置、断纱自停装置、自动适应停机、锅领板自动复位和集体自动落纱装置等自动 化装置。有的机台配有粗纱自动输送装置、细纱至络简自动传送装置。有的机台有 与自动络筒机连接的接口，这些自动化装置的采用，不仅可降低工人劳动强度，有 利于生产过程连续化。而且对改善车间环境、降低纱疵和断头、提高成纱质量也有 着积极的作用。 2 3 与粗纱机和络筒工序实现联机。 环锭纺细纱机和粗纱机，络筒机的联枫是实现纺纱自动化的必要一步。目前技 术已日趋成熟，据资料约有5 0 台与村田络筒机联机的g i d s 型细纱机已经在工厂实 际生产。青泽6 6 0 型粗纱机配6 9 0 型移动式自动落纱机，可自动集体落纱并实现了 粗细联。 2 4 其他解决方案 细纱机采用长车已成为不争的事实，它可以减少占地面积、降低每锭投资费用， 有利于使用自动落纱和自动接头装置。国外有的机台最大锭数达到1 2 0 0 锭。当然， 细纱长车要求有适宜的厂房，地面要绝对平整。因缺少中间运输通道，遇火警时不 易处理。为便于长车的安装，普遍采用分段整节组装的结构。机架为钢墙板或框架 式墙板，踊铡形机粱。双联罗拉座，可以提高机器的稳定性，适应高速纺纱。 近年来，紧密纺细纱机已经成了发展的一个热点，许多生产细纱机的公司开始 一 兰二主! ! 直 研制其相应机型。用于解决细纱成型中所引起的毛羽的增加和飞花的产生。主要的 型号和相应的技术特点简介如下： 瑞士立达公司、德国绪森公司、青泽公司等研制成新型环锭纺纱机，成功地解 决了上述普通环锭细纱机纺纱质量问题。将普通环锭细纱机进行适当改进，增加了 对从前罗拉钳口到加捻点的纺纱三角区纤维的控制，从而消除了纺纱j 三角区，生产 出高质量的紧密环锭纱。以下以瑞士立达公司的c o 圆4 紧密纺纱技术及为例进行简单 的介绍。 瑞士立达公司新近开发研制t k 4 4 紧密环锭纺纱技术，消除了普通环锭纱在纱线 形成过程中的缺点，使从牵伸区输出的所有纤维受到很好控制并捻入纱体。在牵伸 区与纱线之间加上了中间控制机构，在这个中间区内被牵伸的纤维束一离开夹持钳 口即受到负压气流的控制与压缩，在这种压缩过程中纺纱三角区口不存在，纤维束 受到理想的控制，形成完美结构的细纱。但是结构复杂，造价高。 不论上述型号的怎样改进，对于细纱机的张力不匀的控制仍然处于一种被动的 地位，即只是被动减少细纱张力波动，不能坟根本上解决张力突变的问题。为此， 本文决定提出一种新型的卷绕方式，通过调节锭子位置和固定钢领板的位置来寻找 一种最优的气髑形态，以实现纱线的等张力卷绕，减少甚至消除张力突变。 第三节细纱机的发展趋势及新型控制技术的应用 近些年来，又出现了新控制理论和控制思想，特别是神经网络和模糊控制在现 代控制中越来越广泛的应用。又为我们对细纱机的控制提供了新的思路。由于对经 典控制理论的稳定性的完善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制系统 以及复杂系统的研究取得了重大突破。1 9 7 9 年，p r o c y k 和m a m d a n i 提出了自适应模 糊控制，其中k a r t 、p a r k 和i s h i b u d i 等人也在此领域做出了他们的贡献。而1 9 9 0 年，日本的神经网络专家甘利俊一发表了将神经网络和模糊控制相结合的看法，又 为模糊控制开辟了额的领域，引入了新的概念，构建了一种新的控制的体系结构， 促成r 模糊控制的一次飞跃。 同时，模糊控制在工程中的成功应用为我们展示了其应用的美好前景。1 9 7 4 年， f 。h 。m a m d a n i 首次将模糊控制应用于对蒸汽机和锅炉的控制取得了满意的效果。 j o s t e r g a r a d 有成功的应用于热交换器和水泥窑的生产中。m ，s u g o n o 又将其应用于 对汽车的控制中，同样的取得了良好的效果，特别是在8 0 年代，日本开始将模糊技 术大规模的应用于各领域之中。 虽然，模糊控制技术成功应用于许多领域，但其仍有许多问题急待解决： 建立一套系统的模糊控制理论，以解决模糊控制机理、稳定性、系统化设计方法、 9 第一章引言 专家模糊控制系统、神经网络及多边量控靠8 等问题。例如模糊系统的稳定性分析 模糊集成控制系统的设计和方法等，现在仍难以找到一个简单可靠的处理方式，需 要一段时间来处理。 对于非线形系统中应用建模、规则建模和规则推理等的研究。神经网络也是近 几年发展起来的用于进行精确数学模型的有力工具。它是以工程技术手段模拟人脑 的神经网络结构与功能特征的一门技术，它利用大量的非线性并行处理器来模拟人 脑的众多的神经元，利用处理器间的错综复杂的连接关系来模拟人脑神经元的突触 行为。其特点就在于通过复杂而强大的自学能力和结构的可变性，对适应外部不断 变化的环境因素的作用，对自己的行为进行校正，已达到解决问题之目的。在纺纱 质量预报上有着较。泛的应用。 国外纺织界在2 0 世纪9 0 年代以后，纷纷把神经网络技术应用到纺织工业e ， 国内在该技术的研究起步较晚，相应的资料较少。现将神经网络在此领域的进展简 介如下： 比利时根特大学的s 。s e t t e ，i ，。b o u l l a r t 等人使用b p 网络来优化纺纱工艺。 利用优化好的网络用于预测纱线的断裂强力和断裂伸长。由于多元回归得到的结果， 用遗传算法优化纺纱过程可以得到最佳工艺配置。 美国乔治亚州技术学院的m 。c 。r a m e s h 等人利用神经网络技术在气流纱中预测 纱线的拉伸特性。他们利用只含一个隐层的神经网络并使用反向传播算法转换原料 品质指标和纺纱工艺参数。以比较少的训练数据，取得较好的预报效果。 中国东华大学的陈文红等人利用神经网络对毛糖纺过程中的多项纺纱性能指标 进行预测。采用rl e v e n b e r gm a r q u r d r 优化算法取得了预报误差小于5 的良好的 效果，这是其它数学模型难以超越的。 其实现方法：( 1 ) 利用现在已有的神经网络软件开发环境开发相应的应用软件 ( 2 ) 利用专门的神经网络描述语言开发神经网络软件( 3 ) 选用编程语言，例如 c ，c + + v c 或者使用汇编语言开发神经网络软件，最常使用的是美国t h em a t h s h p o r k s 公司出品的m a t l a b6 。x 的神经网络工具箱。使用者可以利用功能丰富的函 数来实现预期的目的，节约大量的编程时间，提高工作效率。 综合分析上述资料并结合我国的实际情况，气圈理论分析的基础上提出了改变 锭子位簧而固定钢领板，分段控制的方案，以提高细纱的质量，降低断头率；同时 可以得到较高的生产速度。在根本上解决了纱线在卷绕的过程中，由于其气圈形态 变化而引起的张力的突变。本文在后继的章节里对上述控制的理论基础和机构的实 现做了探讨。 j o 第一章引言 第四节本课题的目的和意义 细纱机在卷绕过程中的张力波动，特别是突发性张力波动是制约细纱品质质量 和产量的一个重要因素，对于商支纱的生产一向尤为突出。纱线品质的突变直接影 响了纺织品的外观和服用性能，也左右一个工厂的经济效益。 世界上先进的细纱机的基本机构形式从开始到现在没有根本的、革命性的变化， 基本机构框架为三动一定式( 钢领板升降，锭子和钢丝圈转动，而锭子的位置恒定 即为气圈的高度不变) ，同时大量出现的数学模型都围绕着这一个结构框架来论证， 若以此为改进重点，难以提出革命性的控制方案。 本课题的目的是针对气圈的形态进行重新设计其相关的机构，使钢领板位最固 定，而锭子的位置可以控制。这样气圈由动态变化转化为稳定的状态。这样对于无 动力学元件一钢丝圈的运动状态就由空间螺线运动转化为平面运动，使得气圈张力 对钢丝圈的控制比较稳定，可以减少气圈的突发张力，也可以延长钢丝圈的寿命。 在进行相关的机构设计和电路设计中，通过对气圈方程的论证，使其在理论t 有充分依据，从而对机构进行针对性设计，打破传统的控制系统设计，转而使钢领 板固定，锭子可控制位置式单锭驱动的新型控制系统。这样设计可提高了卷绕精度 和减少了台车问的误差，实现了高速的卷绕。 第章引言 第五节本课题的研究内容 结合本课题的研究日的和意义，其主要研究内容如下： ( 】) 对目前细纱机气豳张力的数学模型进行分析，从而确定气圈的形态的变 化规律，并对细纱机张力的波动对于纱线张力的影响程度傲了对比试验。 ( 2 ) 利用了电测法对锭予的卷绕过程中动态张力变化进行记录，对大、中、 小纱的张力进行了详细的分析并与气圈方程行对应进行分析论证。以校 验气图方程和实际生产中的气圈方程的差异。通过上述方案进一步确认 细纱机的气嘲形态与张力波动状况相关。 ( 3 ) 设计一个单锭子单独传动系统，包括机械装置，微机装置及其驱动装曼， 同时对单片机的扩展和多机群控进行了设计。这些装置系统可以按照设 定的参数和运行模式运行使得气圈的形态稳定，从而使锭子有规律的上 卜运动，而完成精确的卷绕和控制。 ( 4 ) 最后，通过纱线动态张力测试试验对单锭单电机张力控制系统和传统细 纱机张力控制系统进行了对比分析，验证了本文所述装置的可行性。 第：二章单锭单电机张力控制系统理论分析 第二章单锭单电机张力控制系统理论分析 对于纲纱机卷绕过程和纱线张力公式的研究，经过近百年探讨已经比较成熟， 对于其中影响纱线张力的因素，取得比较一致看法。在本设计中采用的是控制气圈 高度，控制锭子位黄的控制方式。为此有必要对每一种因素对于张力变化影响程度， 有一个系统的、全面的认识。在这一章中通过对钢领上高速运动的钢丝圈受力分析， 并对其影响因素进行分析。 第一章细纱机公式推导概述 这里先简要的将不同时期的细纱机卷绕张力的研究思路介绍如下：细纱机张力 的影响因素很多，其中由人将纱线在空气阻力下的空间曲线进行推导，并取得较精 确的解。j 。也有资料对于环锭纺气圈高度等因素对纱线张力变化的影响，得到影响 纱线张力的因素由气圈高度，气圈回转角速度和纱线密度有关系。这也为确定气圈 高度及提出稳定气圈形态的控制方案提供了理论依据“”。“。 由气罔方程： v ：r s i n ( t 就)( a ： 。 s i n ( o h ) 、 所以由 乱= 触一 ( 2 1 ) 。为x = h 位置时的气圈形态曲线处的斜率 r 为钢领的半径 国为钢丝圈运动的角速度 h 为气圈的高度 z ：为纱线气圈位曼为工处的张力值 可以得到相应的气圈底角方程“ 0 。= t a n 。 r a c t a n ( o h ) 】= a ( t ，h ，研，r ) 由上式可知，对应不同的气圈高度h ，纱线支数t ，转速和钢领的半径r 相关，这 样可以将纱线张力t x 化为上述各参数的一个多元函数”，记作： 五 篁三翌望塑望皇垫壅垄笙型叠堡墨丝坌堑 0 = 厂。( d 。，h ，m ，尺)( 2 2 ) 建立日，m ，r ，棚对t x 的变化率函数式，并分析参数改变时，对应的t = f 及其 曲线的罔像的变化。 两边求参数改变i 的偏导数： 得到 热0tan-rattan(a11)oractan(a11) 讲 o r a c t a n ( a 1 1 ) 】 御 由于墼：0 ，这样 d a h 里： 垫墨 o 胡胡一c o s ( a 1 1 ) s i n ( a h ) 因为( f 日) s i n ( a 1 1 ) c o s ( a 1 1 ) ，即当其它参数不变时，t x 是h 的增函数，同理可以 0 t x f - i 2 - 一t x o 0 c oa 甜 b p l x 是的增函数 对上式两边m 求偏导数，得到变化率函数式： 塑：型：2 堡 0 o c oa 甜” 即t x 是j 的增函数 f 面为钢领板半径对应于同一台机器，其值为一个固定值，其对于纱线的张力 影响可以忽略。由上述的推导过程可以论证得出张力随着气圈高度，锭子回转角速 度和线密度的增大而增大。实际生产中的对应的纲领半径为3 8 r a m 、4 2 r m 、4 5 r a m 等几 种规格，本文中所用试验机和仿真计算中所用的纲领的半径皆为4 8 m m 。 此符通过对细纱张力的各主要影响因素的分析，可以对各因素在张力调节时进 行针对性控制，在以卜章节会对其相互关系及其对纱线张力变化的影响，进行进一步 的分析和论证 一 菱三翌兰壁苎皇塑鲞查鍪型墨篓墨笙坌堑 第二节气圈形态参数确定 我们又可由上节式子( 2 1 ) 得： y = 而r 碰c ，x ) ( 2 3 ) s i n f c 日1 、 7 这里c 为气圈形态参数 由相关的公式变换嘲孙4 可得 c ；o 3 3 5 些 0 n l t l 这里形态系数c 的量纲为厘米 为纱线的支数 托为锭子的转速 这样可以的气圈中的任意点的t t ，= 0 1 1 2 高岛 a ， 由上述公式( 2 - 4 ) 可得，对于一定细度的细纱，当h 不变时，其张力只有和锭子转 速h ，相关，但是气圈形状不变，只和气圈高度楣关。实际上一落纱中管纱的卷绕直 径和钢领的位置对张力的变化也有一定的影响，这里钢领板位置不变，可卷绕直径 的变化是存在的a 由( 2 3 ) 得气圈形态图，细纱机多取苦2 0 7 5 ，c h = m 7 3 z 作 为理想状况下的气圈形态，这里可以求得理想状态的h 。这旱的瓯，为气圈形态的最 大直径。 第二章单锭单电机张力控制系统理论分析 第三节气圈影响因素分析 由上一节公式得出，在一落纱中断头率以小纱时最多，大纱时次之，中纱时气 圈稳定，张力波动小，断头最少。其它各个影响因素分析如下： 1 钢丝援速度r ，张力2 l 与钢丝圈的速度玎，的平方成正比，丽辫，决定于锭速 。的高低，锭速高，c ，及气圈回转的阻力相应增大。因此纱线张力增大， g i 起气圈的凸形缩小；锭速n 高，气圈翻转离心力增大，又使得气圈凸形增 天；故气圈形态几乎无变化，而纱线的张力显著的增大。 2 钢丝圈重量g ，张力碌与钢丝圈重量q 成正比，这是因为钢丝圈的的离心 力c 与g ，成正比，生产中可以通过更换钢丝圈改变气圈张力的变化。 3 卷绕角y ，在正常的纺纱条件f ，以随着钢领板的升降而变化，即l 与卷绕半径成反比。在纲领板动程升降的过程中，钢领板在下部( 大直径卷 绕时) 张力小；钢领板上升到上部( 小直径卷绕时) 张力大：当加大卷装加 大钢领真径时，筒管直径可以相应增大，将以控制在2 5 2 8 之间。肖气 圈形态变化较小时，可以将其卷绕角的变化忽略不计。 4 摩擦系数，厂的大、小首先取决于钢领的摩擦性能。钢领使用嗣久，摩擦 性能减退，张力减小。时气圈膨大而造成断头。其二为钢丝圈的本身的材料、 结构形式、工艺处理和纺纱的纤维等因素相关。高速的运行的钢丝圈会发热， 使得厂值增大，只是钢丝圈发生热磨损而飞圈断头，出现热楔的现象，为此 生产中尽可能的防止烧钢丝圈的现象发生。 综合上述因素的影响是在理想的条件下的作用。现实远比上述分析的情况 复杂的多。在生产中多以大、小纱进行粗略的分析，可以得出下面的结论： ( 1 ) 小纱时，由于气圈形态变得过分狭长，( 同设计的理论数据或者和大 纱时相比较) 这必然造成纱线的自身强力小于设计单纱强力。当卷绕张力发生 波动时，纱线会将波动传向加捻三角区，由于此处纱线强力远低于设计强力， 极易发生断头。实践证明，大约有5 0 的断头发生这一个区域。人纱时，纱线 的气圈变得平茕近似成三角形，且纱线长度变小，对波动的调节能力变差。也 容易发生断头。中纱时，纱线的齐全形态合理，张力波动小，断头少。 ( 2 ) 在纱线的一个级升中，纱线张力变化在锭子的升降转换过程时，有一 1 6 第二章单锭单电机张力控制系统理论分析 个张力突变。如果张力波动太大，也可以形成断头。试验表明细纱断头的实质 是：当前罗拉至导纱钩间纺纱段纱线的强力小于纺纱段纱线所承受的张力时， 就发生断头。所以要降低细纱断头就必须稳定纺纱张力、减少张力突变，提高 纺纱段纱条的强力，减少张力波峰与强力波谷交叉的机率。在定位式的控制方 式中，我们可以将纱线根据大、中、小纱分成三个控制阶段。根据控制的需要 可将其中的每一段分成三到四段。这样可以结合不同材料的纱线进行理论设计， 计算出每一个控制短的理想转速，达到提高产量，提升质量的目地。 在传统的细纱机中，为了降低纱线的断头率，在小纱区段低速运行时间长；在 巾纱区时，通过切换，车速提高到最大；在大纱区段时，再通过切换，将车速降下( 如 图1 所示) 。这样，在低速向高速转换和高速向低速转换时，由于锭子车速和纱线张 力的突变，极易导致小纱区和大纱区的断头，同时由于低速运行时间长，单位时间 内的产量很低。由此可见，控制锭子速度曲线，使其平滑调节是稳定细纱质量的关 键。 在一般的工厂控制中，为减少断头，提高纱线质量多利用下列手段和措施； 1 ) 尽可能的控制气圈的形态，不要出现双气圈 2 ) 在一落纱中，从始纺阶段到满纱，钢领板都以统一动程升降。导纱钩在小纱 时不升降，中大纱时定期升降，可以减少气圈的高度，提高锭速。大纱时增 大气圈的高度，有利于提高齐全的稳定性，达到增速的目的。 第四节细纱生产中影响断头因素和改善措施 纱线断头的实质分析：我们在实验室测得纱的平均张力和纺纱张力的两条变化 曲线可知，纱线的平均张力只大约为纱线张力平均值t 的2 3 倍。与其相对应的 绝对值相比，断头的概率应极低。两者按照各自的规律变化，并不一定发生断头。 这表明纱线的断头并不一定是只和l 之间的大、小决定的。若只小于t ，则细 纱机将不能开车，( 开车即断头或根本开不了车) 不能芷常生产。若只小于t 的概 率大增( 曲线的相交机会增多) ，则断头概率将也会提高。故可以得到断头的实质： 纱线张力波峰和纱线强力波谷发生交叉：或纺纱区由薄弱环节：或由于卷绕中由于 突变增强的张力传到纺纱断，使得正常的纱条张力无法承受而断头，甚至在卷绕段 发生断头。 ，f 产中多采用下面的措施1 2 1 】： 提高纺纱强力，降低断头，可以通过提高加捻三角区的纱条强力和罗拉的握持 第二章单锭单电机张力控制系统理论分析 力，或增强纺纱段的纱条捻度；在工艺j 二通过合理配棉、优选工艺、提高成纱质最。 在生产管理中通过加强运转管理，提高操作水平；加强温湿度管理等。 控制和减少细纱断头工作，涉及到纺部生产的各个方面，关系到纺纱厂机械设 备状态是否正常，工艺设计是否合理，温湿度控制是否得当，运转管理是否健全， 操作技术是否过硬。减少细纱断头的工作面广量大，需要各方面做过细的工作，才 能有效地降低细纱断头率，提高成纱质量水平。 为此在控制纱线张力的方式应当以综合考虑，不能只是对于细纱卷绕的控制， 环境和l 述工艺的影响、操作工人的操作程序等也不可忽略。故必须加强细纱的生 产管理。 第三章多电机控制系统总体设计 第三章多电机控制系统总体设计 可控制锭位式单锭细纱机卷绕系统主要是利用步进电机或其它伺服电机 取代传统的凸轮成型机构，并按照其运动规律对卷绕的过程进行控制。这里 将多电机控制系统简图( 3 1 ) 和细纱机系统简凰( 3 - - 2 ) 表述如下。 传统细纱机由于传动的路线长采用凸轮成型机构使得机械冲击较大， 功耗大；同时调整生产参数较为麻烦，维护困难。为此，在本文的设计中我 们通过减少转换齿轮。利用多电机单独传动可以解决上述闯题。再有现代控 锘4 技术、电机工业和计算机技术鹊发展可以荻机型的设计和生产提供一定的 技术支持和保障 图( 3 1 ) 多电机控制系统筒图 圈( 3 - - 1 ) 为控制锭子位置系统简图，单片机将锭子的位置信息，锭子 转速，前后罗拉以及其它部件的运行信息采集到单片机中，通过一系列的运 算处理，将控制信息送入执行控翩机构，这样裁可健整个系统按照既定控制 规律运行。 第一节细纱枫结构设计 以上述的控制思想维基础，我们进行了细纱机豹牵仲机构，卷绕机构和总 体结构的设计。具体的总体结构下圈( 3 2 ) 。 运动规律的确定：为了实现圆锥形交叉卷绕要求钢领板位置恒定或者 可以细微的调整，锭子升降的运动方程和传统细纱机钢颁板的速度加速度 等大、小相同，但是方向相反。利用对铜领板，前后罗拉以及锭速豹控制可 以得到电机传动的数学模型。这样可以使得卷绕点几乎傈持恒定。同时采用 了步进电机驱动同步齿带传动，可以得到撮高钓控制精度，使得锭子有一个 一笙三童童查塑垄型垂竺塑箜望盐 优良成型- 通过理论分析可得到此系统卷绕时，纱线突发张力很小，故可以 将张力预取值取得较大，进而实现较高锭速卷绕。理论推导可以达到 2 5 0 0 0 r m i n 。这样即可以省掉凸轮机构、棘轮机构，卷绕齿轮和捻度变换齿 轮等复杂的机械部分。提高了机构的运行精度、机器的可靠性和可维护性， 降低了工人的劳动强度。 孺 兰 积 鼍孓 、 l 乡 -、 夤 磊 1 i 淀 一 嬷 叱、芷五 套，登 p。 q r1l p 飞， oooooo 圈( 3 - - 2 ) 细纱机系统简图 具体控制过程：控制定位步进电机可以驱动同步齿带带动锭子以一定的 速度进行升降，而钢领板保持固定，使用光电式脉冲编码器和前罗拉、后罗 拉以及定位步进的电机转速同锭子的转速保持同步。此卷绕系统就可以实现 同步协调工作，实现气圈形态恒定式卷绕。 1 1 锭子传动系统机械设计 为实现锭子的高速卷绕，采用单锭传动，这样可以提供更为自由和精确 的控制，减少锭间差异，提高生产质量和效率。具体设计方案如图( 3 3 ) 一 箜三皇兰皇垫堡塑墨堕璺竺墼生 ( 3 3 ) 锭子系统示意图 对于锭子的驱动可以主要有摩擦力和纱线的卷绕张力以及空气的阻力三大部 分组成，有实际情况分析可以略取控制阻力和锭子自身的摩擦力，我们为确 定纱线张力的大、小可以取其纱线的断裂强力为卷绕张力，这也是纱线断头 所可能取到的极值。我 f 】设计理论转速为2 5 ，0 0 0 r l m i l l 可以估算得到电机的 功率： p = 夕 这里，厂为断裂强力，v 卷绕的速度 为此本文以最大转速2 5 0 0 0 r m i n 翎领的半径为4 8 毫米，纱线的断裂强力 为4 0 0 9 为基准设汁，可以由功率公式计算得高速直流电机得功率为2 4 1 1 8 瓦 特。可以选择z 3 k w 5 5 1 型直流电枫。 锭子由高速直流电机驱动，实际转动所需转距较小( 0 0 0 0 4 7 n 脚) 可采用包头长安永磁电机研发有限公司的高速直流电机，参数如下表3 1 ： 表31 主轴伸 卜 额定功额定电撷定电额定转尺寸直外形尺工作防护备注 蛊k w压v流a速岫径长割等级 度 jz y k w 5 5 in 0 42 , 123 0 5 5 9 66 1 6s i口1 0 lz y k w 5 5 - 20 2 3l 蛐0 3 2 2 0s 5 9 66 t 1 6s l口1 0 1 2 卷绕控制系统机械设计 为了实现锭子动态卷绕我们必须对传统的卷绕系统进行改进和设 计，为此本文中提出了一种新韵卷绕机构。如图( 3 4 ) 锭子的上下运 动有步进电机驱动同步齿带，驱动锭子的整体进行上下运动，钢丝圈固 定在钢领扳上。钢领扳则固定与立桂上。保持静止不动。锭子随着同步 齿带的上下运动而完成不定速上升和下降，同时可以方便的实现锭子的 级升。可以完全取代传统细纱机的卷绕系统的功能。根据设计计算可以 取下列两种型号的步进电机。可取消传动的成型凸轮和棘轮。链条等机 构，使得设计更紧凑合理。 2 i 第三章多电机控制系统总体设计 为实现现代自动控制可以将上述运动的各种参数。步进电机的步数， 执行时间等放入e e p r o m 中，这可以方便的替换源数据，也可对不正确的 数据进行处理，由单片机进行控制锭子直流电机的转动和升降电机使之 进行配合，具体各机构的配合描述如上。为实现对细纱机的监控，特别 是对步进电机和直流电机的状态控制分别在步迸电机轴方向加装一个 光电式速度传感器直流电机加装一集成速度传感器。具体的安装位置 可以参照图( 3 - - 9 ) ，相应的步进电机型号如表3 2 表3 2 机静力定位转动引线 步距身电流电阻电感矩力矩惯量数重量 型号角长( a )( q )( m h( k 擘c ( 轴cl g ( n o ( g ) ( ) 度 )m )m ) l n m 4 2 h $ 3 4183 40 4 61 593141 8 03 462 0 0 j d s 0 1 | 4 2 h $ 4 0 l84 008 55493322 2 05 442 4 0 d s 0 2 j 图( 3 4 ) 卷绕系统示意图 第三章多电机控制系统总体设计 】：j 牵伸机构机械设计 图( 3 - - 5 ) 牵伸系统示意圈 在图( 3 5 ) 中的牵伸装置中的前后罗拉分别由步进电机驱动，中罗拉由 后罗拉通过变换齿轮实现对其驱动。集成速度传感器实现对罗拉转速进行监 控。步进电机的速度由处理器根据控制的过程自动进行控制，集成速度传感 器的速度送入单片机，并有其对牵仲倍数进行分析判断，从而实现在线检测 与控制。 第二节控制锭子位黄步进电机数学模型 细纱规卷绕是一个复杂的过程，本文中通过锭予位置控制实现了凸轮和 棘轮共同实现的卷绕中的级升和变速升降。为此，必须分析上述过程实现的 数学模型。为使细纱机适于实现现代工业控制，我们还应该对其进行数学建 模。在这里求得各个输入和输出之间的数学关系，而得细纱机的工艺参数和 电机速度的关系。 细纱机在卷绕的同时还要进行升降运动。目前多采用短动程卷绕，其形 式为：从简管的下部开始，层层的卷绕，每一层比前一层高些，( 高出的部分 为级升) 形成圆锥形卷绕。这样可以保证在高速退绕时不脱圈，有利于运输 和存储。在卷绕中为了防止纠缠，上绕对