（纺织工程专业论文）一种定气圈细纱小样机的研制.pdf

摘要 摘要 本文进行了定气圈式细纱小样机的研发设计。主要是针对世界上细纱机成纱所 存在的主要问题气圈问题以及由此引发的细纱断头问题进行了对比研究，从而 得出气圈形态的变化是影响气圈断头和纱线品质质量的主要因素。从而提出了定气 圈式纺纱理论，并在这个基础上对细纱机的自动控制从硬件和软件上进行了设计。 由气圈理论的研究我们可以得知：降低断头率的主攻方向是控制和稳定张力， 提高纺纱强力、降低强力不匀率，尤其是减少突变张力和强力薄弱环节，以减少张力 与强力的波峰与波谷交叉机率。在这个理论基础上，我们设计了一套通过改变锭子 位置而钢领板位置不变的装置来使气圈的高度不变，从而达到纱线张力的稳定，从 而减少成纱过程中因为张力问题而产生的各种问题，减少断纱，提高了成纱品质。 本着简单实用的目的，我们对机器进行了设计，取消了凸轮等传统成纱部件， 取而代之的实用程序来控制电机来带动锭子升降：用直流电机带动锭子作水平卷绕 运动；我们采用了包括工艺控制计算机，先进的传感器，p w m 技术，步进电机，直流 电机等电器设备，采用先进的数字技术，完成数据采集、处理、显示和多机通信等 功能。 在理论分析方面，对影响纱线的各因素做了定性分析，得出了影响纱线张力的 主要问题。随后利用电测法对气圈的张力进行测定，分析出大、中、小纱时不同位 置、速度等因素对纺纱张力影响的强弱，为方案的可行性提供了理论支持。介绍了 细纱机的工艺过程和工艺参数，特别是细纱气圈的一些理论，以及自动控制方面各 种电器配件的知识。 硕士研究生朱传祥纺织工程 指导教师韩光亭教授 关键词：气圈断头分析程序 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nt h es p i n n i n gf r a m eo fs t a b l el o o p m a i n l ya i ma tc o n t r a s ta n d r e s e a r c ho ft h ep r i m ep r o b l e mo ft h es p i n n i n gf r a m ei nt h ew o r l dw h i c hi ss p i n n i n gl o o p a n dd e c o l l a t i o no f y a r nc a u s e db yi t f r o mt h er e s e a r c hac o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a tt h e c h a n g eo fl o o pc o n f i g u r a t i o ni st h em a i nf a c t o rt oi n f l u e n c eo f d e c o l l a t i o na n dq u a l i t yo f y a r n t h e nas t a b l el o o pt h e o r yf r o mt h er e s e a r c hr e s u l ti sb r o u g h tf o r w a r d ，o nt h i sg r o u n d ， w ed e s i g na u t o m a t e dc o n t r o ls y s t e mf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h em a i nd i r e c t i o nt or e d u c ed e c o l l a t i o nr a t eo fy a r ni st oc o n t r o la n ds t a b i l i z ey a m t e n s i o n ，i n c r e a s et h ey a r nm i g h t i n e s sa n dr e d u c ew e a k n e s st a c h er a t e ，e s p e c i a l l yc u td o w n t h eb r e a k ，t e n s i o na n dm i g h t i n e s sw e a k n e s sp o i n tt or e d u c et h ec r o s sr a t eo ft e n s i o nw a v e c r e s ta n dm i g h t i n e s sw a v et r o u g h o nt h i st h e o r y ，af r a m e w o r ki sd e s i g n e dw h i c hc a n c h a n g et h es p i n a lp o s i t i o nb u tt o f i x t h er i n g p o s i t i o nt oh a v eaf i x e d n e s sb a l l o o n h e i g h t n e s s ，t h r o u g hw h i c ht h es p i n n i n gt e n s i o nc a nk e e ps t a b i l i t y ，a tt h es a m et i m e ，a l l k i n d sp r o b l e md u r i n gs p i n n i n gc o u r s ec a nb er e d u c e dm a dt h ey a r nq u a l i t yc a nb ea s s u r e d t h e ne l e c t r o m o t i v em e t h o di su s e dt om e a s u r et h et e n s i o no fb a l l o o n a n a l y s et h e r e l a t i o nb e t w e e nt e n s i o na n dt h ey a mp o s i t i o ni no r d e rt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h e s c h e m e t h em a c h i n ei sd e s i g n e db a s e do ns i m p l i c i t ya n dp r a c t i c a l i t y ，c o n t r o l l e dt h es p i n a l p o s i t i o nb yt h ep r o c e d u r ei n s t e a do ft r a d i t i o n a lp a r t s d u r i n gt h i sc o u r s e ，i n d u s t r yc o n t r o l c o m p u t e r , s e n s o r ，p w mt e c h n o l o g y ，s t e pm o t o ra n ds oo n i su s e d n u m e r i ct e c h n o l o g yi s u s e dt og a t h e rd a t aa n dh a v ead i s p o s a l ，d i s p l a y ，s e r i a lc o r n n m n i c a t i o n o nt h e o r y ，t h ee l e m e n t st h a ti n f l u e n c e dt h ey a r na n ds l i mu pt h ep r i m a r yq u e s t i o n si s a n a l y z e d a l lo ft h e s ep u tu pat h e o r yf o ro u rs t u d y a tt h es a m et i m e ，i n t r o d u c e ds o m e b a s i ck n o w l e d g eo ft e c h n i c sp r o c e s sa n dt e c h n i c sp a r a m e t e r , w ea l s oi n t r o d u c e ds o m e k n o w l e d g ea b o u ta u t o m a t i cc o n t r 0 1 a tl 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 nt h a tt h es y s t e m c 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 m et i m ei tc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c y o f t h es p i n n i n gf l a m e p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：z h ue h u a n x i a n g ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a ng u a n g t i n g p r o f e s s o r k e y w o r d s ：s t a b l el o o p ，d e c o l l a t i o n , s t a b i l i t y ，s p i n n i n gf r a m e 2 第一章引言 第一章引言 细纱的产量和质量。1 是衡量一个纱厂生产技术和管理水平的一个重要的指标。 细纱工序是成纱的最后一道工序，因此细纱阶段的生产质量对细纱的质量有着极其 重要的决定意义。 1 1 纱线断头的实质 在细纱阶段，棉纱经牵伸装置进入导纱钩，绕过钢领板上的钢丝圈卷入筒子。 纱线随锭子高速旋转，在导纱钩和钢丝圈之间形成气圈 2 - 5 o 气圈张力是环锭细纱机 在生产管理中的重要指标，稳定的气圈是稳定纱线张力的必要保证。 细纱断头是细纱生产最主要的危害，是影响高产、优质、低耗的关键，是提高劳 动生产率和设备生产率的障碍。断头多说明生产状态有波动，工人劳动强度大，成纱 疵点多，质量差，回花回丝、机物料消耗增多，直接影响效益。细纱断头是多种因素的 反映，因此，为了把断头减少到最低限度，必须掌握产生断头的原因，从而予以解决。 细纱断头的实质：纱线轴线方向所承受的力称纱线张力”1 “。前罗拉到导纱钩之 间的纱段称为纺纱段。纺纱段纱线所承受的强力称为纺纱强力，纺纱段纱条所承受的 张力称为纺纱张力。在纺纱过程中，如纱线在某断面处的强力小于作用在该处的张力 时，就发生断头，因此断头的根本原因是强力与张力的矛盾。我们知道纺纱张力平均 值比纺纱强力平均值小得多，所以断头机会是很少的。尽管纺纱张力与纺纱强力两者 各自按其本身规律波动，但大多数时间内并不一定发生断头。当某一瞬问作用在纱线 上某点张力大于该点的强力时，即发生断头，说明断头主要发生在张力与强力两者波 动中的波峰与波谷交叉点，而不取决于它的平均值大小。因为平均张力总是比平均强 力小，否则就无法进行生产。由于张力和强力存在波动，因此当平均纱线张力增加和 平均强力降低，而两者数值靠近时，就会增加波峰与波谷的交叉机率，即断头增加。如 果张力、强力波动范围小，特别是降低张力较高的波峰值或提高强力较低的波谷值， 两者的平均值即使靠近些，断头仍可稳定，甚至有可能减少。所以降低断头率的主攻 方向是控制和稳定张力，提高纺纱强力、降低强力不匀率，尤其是减少突变张力和强 力薄弱环节，以减少张力与强力的波峰与波谷交叉机率。 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，从而得出气圈形态的变化是影响气圈断头和纱线品质质量 的主要因素之一，经过纱线动态张力测试，验证了上述结论。 1 2 细纱机气圈张力是当前研讨革新的重点问题 、 国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 青岛大学硕士论文 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。这种理论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。 世界上各种各样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，没有实现革命性的突破。 现在世界上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、 电器控制、工艺措施等三方面都有待于作重点考虑和重新的论证，关于气圈张力研 讨的专家论文和技术改造的专题讨论，在近2 0 年来成了细纱机科研的一个热门现象。 归根结底，追求一个良好的气圈张力的方案，一劳永逸的达到稳定效果只有一条路 就是定气圈措施，定气圈设计到机械设备的改造，电器设备的改造，以及响应的工 艺设计，随着定气圈研究的工作的开展，随之提出了细纱机的控制自动化“2 。”3 ，独 立控制，精确的操作，使得定气圈方案获得突出的效果。例如：用步进电机、伺服 电机控制锭子系统，使每一个锭子获得精确的转速，即所谓单锭子控制“，牵伸区 前罗拉中后罗拉获得独立的控制。使得牵伸控制力获得最佳类似正态分布的牵伸力 界，相对应的检测系统“”1 比如转速牵伸率等非电量参数利用电器的参量法使非电 量转化为电量，进而转化为现代测量技术所需要的各种参数，检测结果输入到控制 部分，由控制部分作出反应。还包括各电机的运转信号信息，另外为了保证运转的 可靠性，还运用了现代硬软件的防电磁干扰技术”“、本课题对锭子的传动系统和所 用的步进电机进行了选择和确定 基于以上的原因，新型细纱技术和设备的研究开发，已成为纺织工业发展的一 个必经之路，也是近些年新型细纱机的一个发展趋势。 1 3 国内外细纱机现状 1 3 1 国外在细纱机自动化方面和成纱气圈方面进步的主要体现 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。 由传统的单电机到目前的多电机，应用p l c ( 可编程序控制器) 、工控机、变频与 伺服控制、触摸屏显示、分部传动、工艺参数的在线检测和网络功能等已十分广泛， 使得多电机协同配合，自动化o 2 ”程度达到了相当高的水平。主要具有以下特点： 更多追求自控系统运行的稳定、可靠，不断完善功能，进一步降低成本，尽快转入 批量生产，以更好满足广大用户的需求。 第一章引言 各种零部件的改造和升级，特别体现在高速部件上选用优良材质。精度和自动 化程度空前提高。数控车、铣、钻、磨床等一系列高精机具保证了纺织专件的高水 准和精度，使其高速运转轻快、噪声低、运转平稳。 各个工艺步骤上的改进。针对传统细纱机容易产生断头的弊端，提出了变频调 速技术应用于细纱机控制系统的方案。实践证明，将v a c o n 变频器应用于细纱机的 控制方案，实现了细纱机锭子的分段变速，有效地减少了纺纱过程中的断头，提高 了纱的质量和产量，节约大量的能源，并且控制方便，运行稳定，可靠性高，肯有 很好的市场推广价值。在纺纱过程中根据小、中、大纱不同时段，设定不同的速度， 稳定纺纱张力以提高纺机速度，达到提高生产效率的目的。并可以达到灵活变换纺 纱品种的要求。 世界上的环锭细纱机已向长车型发展，有1 0 0 8 锭等，最长的青泽3 5 0 型为1 4 4 0 锭，在细纱与自动络纱联合技术上也有了新的突破，有不少机型都形成了细络联。 代表国际先进水平的机型有瑞士立达公司、德国绪森公司、意大利马佐里公司以及 德国青泽公司生产的各种新型环锭细纱机，在高速、高效、节能、机电一体化及自 动控制自动化方面，都已达到很高水平。细络联有许多优点，其将人工操作运输改 为钉耙式输送带运输，并按前后顺序进行络纱，减少了由于人工搬运而造成的摩擦 碰撞，更重要的是国外把细络联的作用扩大到逐锭质量跟踪功能，在络筒发现的坏 纱( 毛羽多、粗细节、卷绕成形不良等) 可跟踪到细纱机锭子上。 f 1 5 i 8 细纱机与青岛宏大公司e s p e r o 型自动络筒机相连，保证了细纱络筒整个工 艺流程的连续化生产，通过连接装置将细纱机、络筒机的满纱管与空纱管进行自动 交换，细纱机最高锭速达2 0 0 0 0 r m i n 、络筒机最高速度达1 8 0 0 r m i n 。 升降采用“电子凸轮”控制技术，根据输入的工艺参数，自动生成钢领板运动 控制曲线，以满足高速络筒，筒子成形的要求。 在气圈方面：纺纱张力的峰值超过纺纱强力的谷值时会产生纺纱段断头。因此 控制、稳定纺纱张力，尤其是减少张力突变，减少张力波峰与强力波谷相交的机会， 是降低细纱断头率的有效措施之一，细纱张力与气圈高度密切相关。针对这个问题， 发明了安装气圈环的环锭细纱机。在整个纺纱过程中，气圈呈现两种不同的形态。 单气圈形态当气圈高度较小时，气圈环处气圈半径小于气圈环半径，气圈环不起作 用，此时气圈形态为单气圈，当气圈高度较太时，气圈环处气圈半径等于气圈环半 径，气圈环起作用。此时气圈分成上下两段。针对装有气圈环的环锭细纱机，实现 了从始纺到落纱整个纺纱过程任一时刻纱线张力和气圈形态的计算机实时计算和动 态显示，纺纱张力计算结果经验证与实测基本相符，纺纱张力波动范围经调节可收 缩近5 0 ，纺纱张力的控制得到了较大程度的改善。 环锭纺气圈纱线的曲线形态在不考虑空气阻力时基本上是一平面曲线，而在空 青岛大学硕二 一论文 气阻力的作用下却是一空间曲线，根据对曲线的求解，可以在细纱机实时控制上有 所借鉴。 据查资料显示，某些机型在气圈张力控制方面仍旧没有太多改善，直接制约了 细纱机的先进性，仍然存在着改造的空间。 1 3 2 国产细纱机的情况 我国在细纱机自动化方面多是引进国外先进技术，从五十年代的双短皮圈牵伸， 单皮圈普通牵伸，到后来的a 系列，和在此基础上发展起来的f a 系列细纱机，在机器 传动、结构、精度、通用性、适纺范围、自动化方面都有了长足进展，但与国外细 纱机发展想比有着很大的差距。 其中比较具有代表性的是上海二纺机的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、最高锭速可以达到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。 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 l 2 0 2 5 型摇架或s u e s s e n 公司的m a s a h p $ 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p l 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置、集体 润滑。可配备集体落纱装置或自动小车落纱。 国产棉纺设备的电控系统，不论从设计、制造、运行等方面都有了显著的进步。 如经纬纺织机械股份有限公司展出展品，强调了电控系统选用元件，电控装置等的 一致性；如低压电器元件、p l c 、变频器、工控机、机上电器等；电控箱底板均采用 桔红色、醒目、美观；机上走线的规范化生产，布线、接地的可靠性、电磁兼容技 术的应用等方面都有较大进步 大部分的机器在追求自动化方面作出了很大的努力，但是，影响成纱质量的一 个关键问题却迟迟没有得到很好的解决。这就是气圈问题以及由之引发的细纱断头 问题。 1 3 3 气圈问题的研究历程 在一定条件下，环锭纺气圈纱线会发生共振不能正常纺纱”，这也是断纱的重 第一章引言 要原因之一。气圈纱线的第一阶i 缶界速度有可能落在锭子本身的第一阶和第二阶临 界速度之间，工作锭速可以避开锭子本身的临界速度，但却有可能与气圈纱线的临 界速度接近，因而确定工作锭速和纺纱断面尺寸时，应考虑气圈纱线的振动特性始 纺气圈的高度最大，气圈的临界速度最低，采用气圈环，可提高始纺气圈的临界速 度，从而可在较大卷装下实现高速纺纱。 需要说明的是，始纺气圈的高度”是由卷装大小决定的，如要求卷装尺寸大， 则始纺气圈高度大，气圈的临界速度低，只能采用较低的锭速，反之，卷装小则可 提高锭速。另外如采用气圈环将气圈分为两段，相当于减小了每一个气圈的高度， 因而可提高气圈临界速度，故可采用高的的锭速和较大的卷装。 前人对环锭纺纱锭子的振动特性。”作过大量的研究工作，并以锭子振动的临界 速度作为确定锭子工作速度范围的依据，然而从机构学和力学的观点看，气圈纱线 可视作纺纱机构上一柔性构件，当气圈纱线发生共振时，纺纱机构也不能正常纺纱。 因而在确定锭子工作速度时，除应考虑锭子的振动特性外，还应考虑气圈纱线的振 动特性，使工作锭速避开锭子和气圈纱线的临界速度环锭纺锭速、气圈尺寸的临界 值和合理工作值。 细纱机张力的影响因素很多，其中由入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。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。 双气圈动力模型5 7 。“：在建立自由气圈的动力学模型的基础上，进一步提出了双 气圈的动力学模型该模型整体化求解双气圈纱线的形态和张力的方法，既改进了 以往忽略控制环的解析方法，又避免了求解中由边界条件的不确定性带来的计算上 的繁琐和近似因微分方程中加入了切向空气阻力、纱线的卷取速度及重力等微影 响因素，使模型更为严密、可靠，同时拓宽了模型的使用范围。此模型考虑以往模 型中常被忽视的切向空气阻力、纱线自重及卷取速度等因素，适用于求解带毛羽的 粗重纱线作回转运动时气圈的张力与形态，同时也可作为求解其他工程行业中类似 的气圈问题的参考模型。 l _ 3 4 本课题的所研发的细纱机 本文所研发的细纱机提出个定气圈理论，解决了影响纱线张力变化的一大因 素，降低了纱线断头率，提高了成纱品质。这是本文的解决的一个关键问题。设计 了套通过改变锭子位置而钢领板位置不变的装置来使气圈的高度不变，从而达到 纱线张力的稳定，从而减少成纱过程中因为张力而产生的各种问题，减少断纱，提 高了成纱品质。 9 青岛大学硕l 论文 在理论方面，介绍了细纱机的工艺过程和工艺参数，特别是细纱定气圈的些 理论，以及自动控制方面各种电器配件的知识。 以此为重点，设计了一套细纱机自动控制装备，分别使用了包括传感器、数据 采集、执行装置和工控机处理系统，完成数据采集、处理、显示等功能。 随后利用电测法对气圈的张力进行测定，分析出大、中、小纱时不同位置、速 度等因素对纺纱张力影响的强弱，验证设计方案的可行性。通过与传统细纱机的对 比，可以得到定气圈细纱机在减少细纱张力突变，减少断头，提高成纱质量，自动 控制方面等都有了根本的提高。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容包括：我们自行设计了一个六锭子的细纱实验小样机，其中 锭子卷绕单独由直流电机传动、罗拉由步进电机传动、锭子升降由步进电机控制， 然后由工控机协调控制个电机的速度，达到协调统一。 其次利用纺织工艺学和机械学基本理论对包括管纱卷绕运动，进行深入的研究， 建立新型细纱机的卷绕运动数学模型，问接的得到锭子的升降模型，对牵伸罗拉使 用步进电机进行速度控制。 目的是针对气圈的形态进行重新设计其相关的机构，使钢领板位置固定，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。 利用机电一体化技术研究开发多电机，协调传动系统，包括系统硬件、软件设 计、机械部分设计试制及系统试验等内容。 在本系统中，我们采用多电机分部传动，锭子单独由直流电机直接传动，卷绕 运动由步进电动机控制锭子升降，配合锭子的水平运动来实现，导纱运动来自步进 电动机。电动机由微机系统集中控制，通过设计程序完成卷绕成形、捻度变换等功 能，可以在控制范围内实现无级调速，按所需的捻度、卷装形式进行加工。 本文后续章节将对各部分研究内容作详细阐述。 1 5 本文的理论及技术关键 本文涉及的技术范围比较广，既包括机构部分的设计，也包括电气控制部分的 硬件和软件设计，以及卷绕运动数学模型的建立等。本文的主要理论和技术关键有： 定气圈式纺纱系统的研制。这是在总结细纱机存在的主要问题之一气图形 态及由此带来的张力问题上提出一个具有世界先进水平的课题。通过对传统纺纱方 式的革新，创造性的提出了锭动钢不动的全新理念，解决了成纱过程中造成气圈张 力波动过大的一个原因之一。 第一章引言 由于本机构取消了凸轮装置，所以原先由凸轮控制的纱线卷绕需要通过程序来 控制锭子升降的轨迹来达到，因为细纱管的卷绕成形要求比较高，具体来说要求达 到卷绕紧密，层次分清，不相纠缠，后道工序高速周向退绕时不脱圈，管纱卷装尺 寸应尽量大一些，所以，研究卷绕运动，建立其数学模型时，这也研究设定气圈细 纱机多电机传动系统的关键理论基础。 多电机运动的协调控制。由于本系统采用了多个电机，在达到运转精度的要求 下，各部件运动的协调性就显得尤为重要了。因此，不仅要实现这些电动机的驱动 控制，还须实时控制它们协调运动，多电机传动系统中各电机的运动相互关联，保 持一定的相对关系，以按设计的纱线参数进行细纱生产。 1 6 本文研究工作的意义及研究结果的应用前景 本文设计的定气圈小样机，对纺纱厂设备改造提供了一种思路，并提供了理论 基础，具有理论和实际的指导意义。如今，我国纺织工业己走出低谷，正在振兴， 随着中国加入w t o 纺织工业将会取得更大发展。这既是机遇也是挑战，如何在竞争日 益激烈的市场下占领有利地位：技术革新是关键，本课题所提出的定气圈细纱机很 好的解决了成纱过程中影响纱线质量的一个关键问题气圈张力不稳定，从而解 决了影响了成纱质量的一个关键难题。 在生产方面，随着纺织工业对细纱质量和社会对工作环境要求的提高，如何实 现细纱机的进一步电子化是纺织设备上水平、上档次需要解决的首要问题同时，如 何把细纱机的成纱质量作为反馈信号构成闭环控制系统是下一步细纱机的发展方 向。 本文所研制的细纱小样机机器多电机传动和控制理论，是纺织机械机电一体化 进程中的一次较大的进步。它采用单片机控制技术和先进的接口技术，具有方便良 好的人机界面，克服了以往细纱机更换纱支型号困难、人机交互不便、工作方式单 一等缺点。体积小、价格低、自动化程度高、控制精确，能节省大量人力、物力、 财力，带来良好的经济效益，具有很好的市场推广价值和广阔的发展前景。 在管理方面，本课题用工控机完成了对细纱机的控制，而在纺织生产的工厂中， 一个车间一般都有几十台以上的细纱机，整个工厂还有其它工序的不同设备，在完 成了单机控制系统设计的基础上，应当致力于把一个车间、一个工厂乃至整个生产、 储存、销售体系的联合管理作为本课题的后续研究方向。系统联网后，能实现生产 和管理的智能化和网络化，节省许多人、财、物力，给工厂、公司乃至社会带来更 好的经济效益。 青岛大学硕上论文 第二章细纱工艺及传统细纱机与定气圈细纱小样机的传动系统简介 2 1 细纱机的工艺简介 细纱工序是将粗纱纺成具有一定线密度并符合国家质量标准的细纱，供捻线、 机织或针织使用。“。 细纱工序的主要任务是： 牵伸：将喂入的粗纱均匀地抽长拉细到细纱所需要的线密度。 加捻：将抽长拉细后的纱条加上适当的捻度，使细纱具有一定的强力、光泽、 弹性和手感等物理机械特性。 卷绕成型：将纺成的细纱按一定的要求卷绕在筒管上，以便运输、贮存和后道工 序加工。 细纱机的工艺过程如图2 1 所示： 粗纱从吊锭上的粗纱管上退绕出来，经过 导纱杆及缓慢往复运动的横动导纱喇叭口，喂 入牵伸装置进行牵伸：牵伸后的纱条从前罗拉 输出并受到加捻，经过导纱钩，穿过钢丝圈， 绕在紧套在锭子上的筒管上。由于锭子高速 回转时，筒管带着纱回转，因而带动了钢丝 圈，使之沿着钢领高速回转，钢丝圈每转一 转，就给纱条加上了一个捻回。同时，由于 图2 1 细纱机工艺过程 钢领对钢丝圈的摩擦阻力，纱在紧张的状态下拖动钢丝圈，使钢丝圈的回转速度慢 于筒管的回转速度，因而将前钳口连续输出的纱条卷绕在筒管上。钢丝圈每落后筒 管一转，筒管就绕上一圈纱，并随钢领板的规律性升降绕成符合一定要求的管纱。 喂入部分在工艺上要求各机件相关位置要正确，退绕要顺利，尽量减少意外牵 伸。喂入部分包括粗纱架、粗纱支持器、导纱杆、横动装置等。不同型号的细纱机， 其牵伸装置的类型也不同，它们具有不同的结构、特点和牵伸能力，但都应该有较高 的牵伸能力；结构简单，便于运转操作、保全与保养。 国内细纱机牵伸装置的前区都采用双皮圈牵伸，双皮圈牵伸的上、下皮圈工作面 对须条直接接触，增强了牵伸区内须条的中部摩擦力界强度和扩展幅度，能阻止纤维 提前变速。 细纱的加捻过程与成纱结构要使牵伸装置输出的须条成为具有一定强力、弹性、 伸长、光泽、手感等物理机械性能的细纱，必须通过加捻，改变须条内纤维结构来实 现。 环锭细纱机的加捻、卷绕及成形是同时进行的，由于钢丝圈的回转速度比锭速慢 笫二章细纱工艺及传统细纱机与定气剖钏纱小样机的传动系统的简介 才能使加捻后的细纱卷绕在筒管上。 细纱卷装的形式和要求细纱管纱的卷绕成形要求卷绕紧密、层次清楚、不相纠 缠，后续工序高速轴向退绕时不脱圈，便于搬运和贮存等。管纱的卷装尺寸或容量均 应尽量大，以减少细纱工序落纱次数和后道工序退绕时的换管次数，从而提高设备利 用率和劳动生产率，提高产品质量。 锭子的转速和前罗拉的线速度之间的关系决定了纱线的捻度，而钢领板的升降 运动决定了纱线的成型。在这中间，卷绕成型是最为关键的一个工艺要求，合理的 选择细纱成形，可减少落纱次数，降低操作工人劳动强度，提高生产效率和减少设 备因频繁开停而造成的损耗，这对细纱设备、工艺和日常操作管理等方面工作提出 了更高的要求。 2 2 细纱机工艺的主要参数及细纱卷绕工艺参数的计算 细纱机的工艺参数包括罗拉速度，牵伸比，主电机速度，这些都跟卷绕参数息 息相关，并且由之决定。可以在实际纺纱过程中由工艺要求通过控制系统进行调节 控制。所以我们这儿主要探讨细纱卷绕参数。 为了增加管纱的容纱量和提高成型质量，卷绕成型的管纱 由管底和管身组成，如图2 2 所示： 管底成型( 即在筒管下部卷绕出一个截头圆锥基座) 。开始 时，第一层纱线绕在空管上，以后的纱线逐层履盖在前一层上 面，随着钢领板的级升，每次动程顶部的纱均绕到空管上。随图2 2 管纱结构 着卷绕的进行，管纱的直径和成纱角不断增大，当其达到最大值时，管底成型完成， 进入管身卷绕阶段。根据几何知识，由图分析可知管底部份每层纱的级升高度应比 管身部份小，从空管卷绕开始，级升由小逐层增大，管底卷绕完成后转为常数。 描述细纱机卷绕成形特征的主要工艺参数有5 个，即卷绕圈距、最大和最小卷绕 直径、成形角和卷装高度。对于各种卷绕成形，我们主要需要调整5 个工艺参数。 1 卷绕圈距：为了使纱线在卷绕过程中不互相重叠，相邻两圈纱之间必须有一 定的间隔，这就是卷绕隔距。在细纱卷绕过程中，为使相邻纱层层次分明而不紊乱， 以利退绕时不易脱圈断头，要求钢领板在上升时慢而下降时快。如此使上升时的卷 绕圈距和下降时的卷绕圈距不等。一般在上升时隔距小一些，下降时隔距大一些， 它俩之间的比例一般控制在2 、3 之间。一般来说，卷绕隔距应为纱线直径的四倍， 1 而纱线直径d 的计算公式为：d = 善，n m 为细纱公支数。 x l n m 、，棉纱长度( k m ) 公定回潮率时( 8 5 ) 的棉回潮率 青岛大学硕士论文 所以上升圈距h 的计算公式为：h 。= ，下降圈距h ：为：h 2 = 三竺 n l n m0 n m 2 、最大卷绕直径是卷装直径。一般在生产实践中，使最大卷绕直径d 比钢领内 径小3 m m 5 唧。若取较d , d 值，则有利于高速高产省电，但频繁的落纱，将降低劳动 生产率；反之，若取较大d 值，则不利于高速，耗电多，但却可以减少落纱次数，提 高劳动生产率。 3 最小卷绕直径就是筒管直径d ，若取小些，可以增大卷装容量；但是太小时， 则将增加小直径处的纺纱张力，增加断头。 4 、锥角r 2 ，锥角不宜太大或太小。太小将减少卷装容量，太大时则在高速退 绕或投梭冲击下极易脱圈。一般r = 1 0 0 l5 0 。 2 3 传统细纱机的传动机构 因为各种环锭细纱机的传动路线基本上相同，f a 5 0 7 型细纱机的传动简图如图 2 3 、图2 4 所示，其传动路线如下： 电动机 滚土轴 捻度对牙滚嘧 + 捻度牙 锭子 卷绕对牙牵伸牙 前罗拉 l l 成型杩轮中向轴 成型挺臂中萝疆元奔伸牙 小瘫唇1 瓣成型启罗拉 + 级卉轮凸钉链轮横动装置 加入级升上分配轴 主 钢领板短勘程升降下夯配轴 多勃程导纱钩 图2 3f a 5 0 7 型细纱机的传动简图 1 4 第二章细纱工艺及传统细纱机与定气嘲细纱小样机的传动系统的简介 老 图2 4f a 5 0 7 型细纱机的传动机构示意简图 由图示可以看出，传统细纱机采用总轴传动方式，中间通过无数齿轮转换，虽 然运转精度较高，在机器正常情况下，不会出现运转失误的现象。但存在着结构复 杂，工艺转换复杂，运转效率较低，噪音和维护比较繁琐的实际不足。 在更换工艺和品种的情况下，需要对机器进行大范围的零件调换和运转测试， 以及相应的配套装置的调节，非常的复杂。这个维护对于一般的非技术人员来说， 又是不能胜任的，这对机器的实时管理和控制是非常不利的。 在传统细纱机上，细纱的卷绕是由钢领板和导纱板共同运动所实现的。钢领板 和导纱板短动程升降机构成形凸轮在车头轮系的传动下匀速回转，推动成形摆臂上、 下摆动，通过摆臂左端轮的链条拖动固装于上分配轴上的链轮，使上分配轴作正、反 往复转动，因而使固装在上分配轴上的左、右钢领板牵吊轮，经牵吊杆、钢领板牵吊 滑轮、钢领板牵吊带去牵吊钢领板横臂。立柱上的尼龙转子沿立柱上、下滚动，使机 台两侧的钢领板以立柱为升降导轨作短动程升降运动。当成形凸轮与转子的接触从 小半径转向大半径时，钢领板上升：当由大半径转向小半径时，钢领板借自重下降( 此 时凸轮只起控制钢领板下降速度的作用) 。成形凸轮升弧与降弧所对应的圆心角之比 就是钢领板上升与下降的时间比。 正如上面所述，卷绕成型是细纱工艺中最为复杂的一个工艺步骤，在传统细纱 机上用成型凸轮实现这个过程存在不少问题。传统细纱机成型机构由等速回转的桃 形成型凸轮、小转子摆动从动件、链条及钢领板等组成对于不同的卷绕成型要求， 青岛大学硕士论文 只需设计所用凸轮的轮廓，便可得到从动件预期的运动，机构简单、实用，故得到 广泛用这种成型机构存在的不足是：凸轮有桃底停顿、桃尖冲击等问题，使成纱 质量不高、产生噪音；筒管卷装形式单一，试纺品种窄；自动化水平低。 2 4 成型凸轮的研究结果 基于上节最后所述原因，不少科研工作者对细纱成型这一部分进行了比较深入 的研究，主要有如下几方面的成果： 细纱机偏心凸轮成型机构o ：首次提出细纱机成型机构控制的新方法，即用单 片机、变频器及交流异步电动机组成的变频调速系统控制偏心凸轮做变速运动，通 过摆臂、链条控制钢领板做升降运动( 如图2 5 所示) 这一系统只需改变控制程序 的输入 指令即可改变输出运动规律，可满足钢领板 各种输出运动规律笔者采用偏心凸轮替代 桃形凸轮对改造后的成型机构进行机构分析 建立了数学模型运行结果表明，设计克服 嚼 了传统细纱机的弊端，运动平稳，噪音低； m 25 偏心凸轮成形机构 纺不同支数、不同卷装的纱线，只需调整输入指令，无需对硬件做任何调整本设 计采用了结构简单、制造方便、成本低的偏心凸轮通过控制偏心凸轮机构变速的 规律而不改变机构结构就能满足任意钢领板输出运动规律，从而扩大卷装形式，达 到一机多用的目的这种成型机构控制自动化水平的提高为设计新型细纱机奠定了 基础。 细纱机钢领板升降机构平衡凸轮的解析法设计”：细纱机中钢领板和导纱钩的 运动是否平稳直接影响细纱在纱管上的卷装成形，因此其重量常用一平衡机构部分 地加以平衡。平衡的作用一方面能使钢领板和导纱钩的运动平稳轻快，同时也减小 成形凸轮和转子之问的接触力，延长成形凸轮的使用寿命。目前，一般的细纱机上 均采用弹性扭杆加平衡凸轮来实现平衡，但其中平衡凸轮的廊线设计都采用图解法 或图解与计算相结合的方法，精度不高，影响细纱在锭子上的成形。采用矢量分析 法，可以精确地计算出符合平衡要求的平衡凸轮廊线。这是一种在链条恒张力的情 况下要求与链条相连的凸轮输出具有一定规律转矩的装置。采用这种方法，即使需 要输出其他变化规律的转矩，也可同样精确地求解出对应的凸轮廊线。所以这种机 构常作为力矩发生机构，结合上述的求解方法，该机构除常用于平衡装置中，也可 用于控制装置中，应用前景很广。 细纱机成型机构的柔性实现“：以软件凸轮为中心所构成的卷绕成型系统，取 代了成型凸轮、升降杠杆、交换棘轮和级升机构，极大地简化了原来复杂的机械传 第二章细纱工岂及传统细纱机与定气圈细纱小样机的传动系统的简介 动机构，有效地实现了成型所需的一切数学处理要求，不再有凸轮带来的换向冲击、 滞后停顿和棘轮倒退所造成的乱纱。同时用微机来进行整个纺纱过程的监控，减轻 了劳动强度，提高了劳动生产率。这为本文的依靠程序控制锭子升降达到卷绕成型 提供了理论依据。 2 5 定气圈式细纱小样机 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问题。用柔和的电器控制来取代传统的硬 机械的不可避免的缺点，利用现代控制技术、电机工业和计算机技术来达到我们对 机器酌设计要求。 以上述的控制思想维基础，我们进行了细纱机的牵伸机构，卷绕机构和总体结 构的设计。具体的总体结构如图2 6 所示： 运动规律的确定：利用对钢领板，前后罗拉以 及锭速的控制可以得到电机传动的数学模型。在本 文中，由于采取了定气圈的指导思想，方法是固定 钢领板的位置，为了实现纱线的圆锥形交叉卷绕， 我们来控制锭子的运动可以实现。锭子升降的运动 方程和传统细纱机钢领板的速度，加速度等大、小 相同，但是方向 相反。这样可以使得卷绕点几乎保持恒定。同时采 用了步进电机驱动同步齿带传动，可以得 到极高的控制精度，使得锭子有一个优良成型。通 过理论分析可得到此系统卷绕时，纱线突变 张力很小，而且频率极低。在这个情况下，我 图26 细纱机总体结构 们就可以将张力预取值取得较大，进而实现较高锭速卷绕。这样的设计可以省掉凸 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。 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使前罗拉、后罗拉以及定位步 进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。 2 5 1 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 青岛大学硕= e 论文 中提出了一种新的卷绕机构。如图2 6 所示：锭子的上下运动由步进电机驱动同步齿 带，驱动锭子的整体进行上下运动，钢丝圈固定在钢领板上，钢领板则固定与立柱 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。 本文所研制定气圈式细纱小样机系统传动及控制方式是：锭子由直流电机单独 传动，并由步进电机带动进行升降运动。前罗拉、中后罗拉分别采用步进电机带动， 步进电机由步进电机驱动器带动，取消了棘轮机构、凸轮机构、卷绕密度变换齿轮、 捻度变换齿轮和总牵伸变换齿轮。 2 5 2 本文所研制之定气圈细纱小样机的结构示意简图 图2 7 定气圈细纱小样机的结构示意简图 用工控机驱动步进电机，取代凸轮机构控制锭子运动，使其配合主电机匀速运动 速度差异明显减小由于锭子换向时动作十分平滑，对减少细纱断头，提高卷绕质量 有着显著的作用：同时，只需改变控制程序的输入指令即可改变锭子的运动规律，可 以满足各种输出运动要求，克服了的传统细纱机的弊端，纺不同纱支号、不同卷装的 筒纱时，只需输入指令参数，无需对硬件作任何调整整体来说，机器结构得到了很大 程度的简化，自动化方面有了突破性的发展。 第二章细纱工艺及传统细纱机与定气嘲细纱小样机的传动系统的简介 2 5 3 定气圈式细纱小样机控制系统的总体方案 定气圈式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带动锭子运动。 本文设计的新型定气圈式细纱小样机多电机传动系统中，锭子水平旋转运动由 直流电机驱动，由步进电动机驱动锭子做升降实现细纱成型运动，细纱牵伸由三个 步进电动机带动前中后三罗拉，程序控制实现。步进电机由电机驱动器控制，由微 机