（纺织工程专业论文）数字化小样精梳机的开发.pdf

学位论文的主要创新点 ifjfijfjiilrjt ij i j l l l j f l f ii f i l l l lj1111rljj| y i7 7 3 2 3 1 数字化小样精梳机控制系统的创主要新点体现在以下四个方面： 一、开发了数字化小样精梳机。以触摸屏作为人机界面，开车速度、 点动速度、给棉长度以及分离罗拉运动控制等参数均可由触摸屏输 入，可实现精梳工艺参数设计与精梳过程实时监控。 二、采用多轴独立驱动技术，实现了小样精梳机锡林轴、分离罗拉、 输出罗拉和毛刷独立传动。取消了传统精梳机传动系统中的大量齿轮 机构，简化了原有的机械传动结构。锡林轴、分离罗拉、输出罗拉和 毛刷的传动机构相互独立。 三、建立了数字化小样精梳机锡林轴、分离罗拉、输出罗拉和毛刷独 立驱动的数学模型。确立了伺服和变频器控制系统发送脉冲频率、脉 冲量与各运动单元驱动轴转速和角位移之间的关系。 四、开发了数字化小样精梳机控制系统。系统包括可编程控制器、人 机界面、交流伺服系统及变频控制系统，确保了精梳工艺过程中各运 动部件严格的运动时序关系，可实现分离罗拉运动曲线调节、锡林分 度位置查找功能等功能。 数字化小样精梳机控制系统的开发 摘要 传统小样纺织机械结构复杂、精度低、稳定性差、自动化程度低、纱线品种 适应性差，给产品开发以及教学和科研工作带来了极大的不便。为此，天津工业 大学纺织学院数字化纺织研究所开发了一系列数字化小样纺织机械，各个数字化 小样纺织机械可通过p l c 独立控制，也可通过网络模块由上位机集中监控。 传统的小样纺纱系统采用梳棉、并条、细纱的短流程纺纱工艺，没有精梳工 序，纺纱质量低、品种适应性差、难以纺制高支纱。为此，本课题开发了数字化 小样纺织机械中的一种：数字化小样精梳机。数字化小样精梳机的开发吸收了国 内外精梳机发展的先进技术和经验，在消化和吸收传统精梳机的主要机械结构及 其工作原理的基础上，建立了数字化小样精梳机的传动机构以及各传动单元控制 的数学模型。给出了控制系统的总体设计方案，对控制系统结构和原理、电路原 理图以及系统硬件的选型和各自功能进行了详细的说明。设计了控制系统中p l c 与伺服驱动器之间的通信和p l c 与触摸屏之间的相互通信。编写了控制系统软 件和人机界面程序并对其功能进行了介绍。进行了纺制精梳细纱的实验，测试精 梳细纱的性能指标。 数字化小样精梳机的开发结合机电一体化技术、伺服驱动、变频器控制和计 算机控制技术，控制系统采用p l c 主控，多轴独立传动，机械传动机构简单、自 动化程度较高、在触摸屏上可实现纺纱工艺参数的在线设计与实时监控，具有锡 林分度位置查找、设定分离罗拉位移曲线、毛刷调速等功能。可存储、查询、调 用精梳工艺参数。数字化小样精梳机是数字化小样纺纱c a m 系统的一部分，填 补了传统小样纺纱系统无精梳工序这一空白，使小样纺纱可以按照完整的精梳工 艺流程进行纺纱。 关键词：小样精梳机；数字化；控制系统；独立驱动；分离罗拉；位移曲线。 d e v e l o p m e n to fd i g i t a ls a m p l ec o m b i n g f r a m ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h ec o n v e n t i o n a ls a m p l et e x t i l em a c h i n e r yh a sc a u s e dl o t so fi n c o n v e n i e n c ei b r t e x t i l et e a c h i n ga n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hb e c a u s eo fi t sc o m p l e xm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ， l o wa c c u r a c y , l a g g a r da u t o m a t i o nl e v e l ，f u s s yo p e r a t i o na n dp o o ra d a p t a b i l i t yf o r s p i n n a b l ey a m t h e r e f o r e ，t h ed i g i t a lt e x t i l er e s e a r c hi n s t i t u t eo f t e x t i l ec o l l e g ei n t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yd e v e l o p e da s e r i e so fd i g i t a ls a m p l et e x t i l em a c h i n e r y , e v e r ym a c h i n ec a l lb ei n d e p e n d e n t l yc o n t r o l l e da n dm o n i t o r e db yi t sp l c ，a n dt h e y c a na l s ob ec o n t r o l l e da n dm o n i t o r e db yh o s tc o m p u t e rt h r o u g hn e t w o r km o d u l e t o g e t h e r t h et r a d i t i o n a ls a m p l es p i n n i n gm a c h i n e r ys y s t e mu s e st h es h o r t e n e ds p i n n i n g p r o c e s s ，i n c l u d i n gc a r d i n g , d r a w i n ga n ds p i n n i n g i td o e s n ti n v o l e dc o m b i n g p r o c e s s a n dh a v el o t so fd i s a d v a n t a g e s s o an e wd i g i t a ls a m p l ec o m b i n gf r a m ew a s d e v e l o p e di n t h i ss u b j e c tw h i c ha b s o r b st h em o r d e nt e c h n i q u ea n de x p e r i e n c eo f t h e c o m b i n gf a m e sd e v e l o p m e n t t h es u b j e c te s t a n b l i s h e dt h em o v i n g s t r u c t u r eb a s e do n t r a d i t i o n a lo n e s t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo fc o n t r o ls y s t e mw a sg i v e na n ds u c h p r o b l e m sa st h ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e a n dp r i n c i p l e ，c i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m ， s v s t 锄h a r d w a r ec h o o s i n ga n df u n c t i o n so ft h e mw e r ee x p l a i n e d i nd e t a i l 。t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dt h ed e f i n i t i o no fc o m m u n i c a t i o nd a t ap a c k e tf o r m a tw e r e d e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l c a n ds e r v om o t o r s ，a sw e l la st h e c o m 瑚u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dt o u c hs c r e e na n dal o to fs p i n n i n gt e s t sw e r ed o n e b yu s i n gd i g i t a ls a m p l ec o m b i n g f r a m e t h ed i g i t a ls a m p l ec o m b i n gf l a m ec o m b i n e sw i t he l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o n t e c h n 0 1 0 9 y , s e r v od r i v et e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y t h e c o r e o fc o n t r o ls y s t e mi sp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e i s s i m p l i f i e dw i t hh i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n t h es p i n n i n gp r o c e s sp a r a m e t e ro n l l n e d e s i g na n dr e a l t i m em o n i t o r i n gc a nb er e a l i z e do nt o u c hs c r e e n ，i na d d i t i o n ，w ec a n s t o r a g e ，i n q u i r e ，v i s i ta n du s et h es p i n n i n g p r o c e s sp a r a m e t e r st h r o u g h t h et o u c h s c r e e n t h ec o n t r o ls y s t e mh a sf u n c t i o n so fc y l i n d e rp o s i t i o nf i n d i n g ，c u r v i l i n e a r m o t i o no fd e t a c h i n gr o l l e rs e t t i n g ，s p e e dr e g u l a t i o no fb r u s he l e c t r i cm o t o ra n d s oo i l t h ed i g i t a ls a m p l ec o m b i n gf r a m ei sap a r to ft h ed i g i t a ls a m p l es p i n n i n gc a m s y s t e ma n d i tw i l lc o m p l e t et h es a m p l es p i n n i n gp r o c e s sw i t hc o m b i n g k e yw o r d s ：s a m p l ec o m b i n gf r a m e ；d i g i t a l i z a t i o n ；c o n t r o ls y s t e m ；i n d e p e n d e n td r i v e ； d e t a c h i n gr o l l e r ；c u r v i l i n e a rm o t i o n 目录 目录 第一章前言1 1 1 纺机行业背景1 1 2 目前国内、外精梳机的发展状况2 1 3 国内外主要新型精梳机的发展趋势4 1 4 课题研究内容及意义5 1 4 1 课题研究内容5 1 4 2 课题研究意义6 第二章机械机构及数学模型的建立9 2 1 精梳工序的任务9 2 2 精梳工艺的主要流程1 0 2 3 精梳机主要机械机构与工作原理l l 2 3 1 给棉机构1 2 2 3 2 钳板机构12 2 3 3 锡林机构13 2 3 4 顶梳机构13 2 3 5 分离结合机构1 3 2 3 6 落棉排除机构1 3 2 3 7 台面输送、并和以及圈条机构1 4 2 4 数字化小样精梳机机构的建立1 4 2 5 各电机转速控制数学模型的建立15 2 5 1 精梳工艺的一些基本参数1 5 2 5 2 精梳机控制参数的计算16 第三章数字化小样精梳机控制方案设计2 l 3 1 数字化小样精梳机控制系统要求2 l 3 1 1 数字化小样精梳机控制系统要求2 l 3 1 2 数字化小样精梳机控制系统控制器选型2 1 3 2 数字化小样精梳机控制系统组成及各部分的工作2 3 3 2 1 控制系统的结构2 3 3 2 2 控制系统各部件的工作2 5 3 2 3 控制系统主电路结构2 6 3 3 数字化小样精梳机控制系统控制器2 6 3 3 1 数字化小样精梳机控制系统p l c 性能2 6 3 3 2 数字化小样精梳机控制系统p l c 输入输出点接线2 8 3 4 数字化小样精梳机控制系统执行机构一伺服电机2 9 3 4 1 伺服电机的性能2 9 3 4 2 伺服驱动控制器参数调整3 0 3 5 毛刷电机变频调速3 0 3 6 串行通信技术及其抗干扰设计31 3 6 1 串行通信技术3l 3 6 2 p l c 与伺服驱动器的通信3 3 天津t 业大学硕一j j 学位论文 3 6 召p l c 与变频器的通信3 5 3 6 辱- p l c 与触摸屏通信3 5 3 7 抗干扰设计3 6 3 8 数字化小样精梳机控制系统的特点3 6 第四章控制系统软件部分设计3 9 4 1p l c 软件设计3 9 4 1 1 精梳机开车控制主程序3 9 4 1 2 功能块的程序的编写4 0 4 1 3 锡林分度查找和分离罗拉随动程序4 2 4 1 4 分离罗拉位移曲线的调节4 2 4 1 5 毛刷电机变频调速。4 5 4 1 6 工艺设置错误报警4 6 4 2 人机界面程序的设计4 6 4 2 1 基本窗口界面4 6 4 2 2 弹卜h 窗口界面4 7 4 2 3 基本界面功能设计4 7 第五章纺纱实验测试5 3 5 1 测试方法。5 3 5 2 实验设备及工艺5 3 5 3 测试结果5 4 第六章总结与展望5 5 6 1 课题总结5 5 6 2 数字化小样精梳机的特点及性能指标5 5 6 2 1 特点5 5 6 2 2 性能指标5 6 6 3 展望5 7 参考文献5 9 攻读硕士学位期l 日j 发表的论文6 3 附蜀毛一6 5 致谢。7 9 l i 第一章前言 1 1 纺机行业背景 第一章前言 进入2 l 世纪以来，随着我国纺织工业整体水平的不断提高，经济全球化和 经济一体化的深入，我国纺织服装制造业已具有了较强的竞争力n 1 ，这也给我国 纺织机械行业带来了前所未有的发展。据统计，“八五”期间，进i ：l 纺机占全国 市场的6 7 ，“九五”期间下降到5 3 。“十五 期间中国棉纺织行业，7 6 0 5 的 纺纱设备、2 8 5 8 的织造设备是国内生产的1 。“十一五 前三年我国纺织机 械进出口额见表卜l 1 。 “十五”期间，我国纺织机械产品整体水平不断提高， 取得了喜人的成果：国产纺织机械产品齐全，在引进技术、合作生产和消化吸收 的基础上，自主开发和技术创新能力有所提高；纺织机械产品的制造技术和设备 改造得到了发展，产品机电一体化水平显著提高；产品质量与可靠性得到加强， 同时纺织机械行业信息化建设得到较快发展，建成了一批c a d c a p p c a m e r p p d m 快速反应系统h ，。 表1 - 12 0 0 6 - 2 0 0 8 年我国纺织机械进出口总额 我国纺织机械行业经过几十年的发展，有了很大进步，能基本满足纺织企业 产业结构调整的需求，但是与国际先进水平相比，技术竞争力比较差，产品自主 开发和创新能力低。国外纺织机械在高速、高产、高质上略胜一筹。国产纺机的 销售价格往往只是进口设备的1 3 ，而大部分纺织企业却愿意舍廉求贵，原因就 是国产纺机设备质量尚不如人意，缺少竞争的差别化优势瞄1 。 “十一五”期间是我国纺织工业由纺织大国向纺织强国转变的关键时期，根 据纺织工艺“十一五”发展规划，纺机行业应以质量和技术水平的提高，消化吸 收与自主创新相结合，提高自主创新能力为目的，增强企业的可持续发展能力； 引导企业以兼并、资产和资本优化重组以及战略联盟等方式，形成一批以产品生 产为龙头、以工程成套为目标的企业集团，提高行业集约化生产水平；加大新型 天津t 业人学硕十学位论文 纺机技术装备攻关和产业化力度，提升我国纺机装备制造业的整体水平；在棉纺 机械中广泛应用电子技术、在线检测监控等，实现高速、高产、优质、高效和节 能。到“十一五 末，纺机行业装备的数控化率达到1 0 以上，其中骨干企业达 到1 5 ，全行业劳动生产率达到7 0 0 0 0 元人年，主要技术装备产品达到同期 世界先进水平，源于自主开发的产品占5 0 以上；纺织机械产品的出口额占同期 产值的3 0 以上临。 随着电力电子技术、自动控制等技术、网络通信技术的应用已深入普及到纺 机行业，可编程控制器( p l c ) 、工业控制计算机( i p c ) 、触摸屏、变频技术、伺 服电机、多电机独立驱动、在线检测等技术、现场总线技术、传感器技术的采用， 使纺织机械向自动化、连续化、智能化方向发展，以减少用工，实现纺机产品的 高标准、高性能和高质量。 作为棉纺厂的重要生产设备，精梳机为精梳纺纱系统中的关键工序设备，它 对成纱质量起着决定性作用。如何在保证精梳产品质量的前提下，使精梳机工作 更可靠、结构更简单、操作更方便、维护保养更简洁、效率更高，从而提高精梳 机的产品竞争力，是纺织机械领域一个重要的研究课题。近年来，正是随着自动 化控制技术在各行业的广泛应用与深入普及以及满足进一步提高纺织机械竞争 力的内在要求，在精梳机上采用先进的基于自动化控制的电气传动控制技术取代 传统的机械传动控制，实现精梳机高速、高效、高度的机电一体化的趋势已成为 必然趋势。 1 2 目前国内、外精梳机的发展状况 随着纺织工业的技术进步逐步深入，新型纺织机械的研制开发工作也在不断 发展中，而精梳机的发展，已经成为棉纺织工艺实现现代化的重要标志之一。精 梳机经过5 0 多年的发展，虽然工作原理没有改变，但它的生产效率却提高到原 来的1 0 倍。随着上世纪后期电子技术、计算机控制技术、变频调速、伺服驱动 等技术的高速发展及其在精梳机上的应用，使当代新型精梳机普遍采用p l c 、变 频、伺服控制及触摸屏显示，工艺参数的在线检测和网络监控等功能，并继续向 高速、高效、优质、自动化、连续化、数字化、智能化、网络化方向迈进碑1 。 在国外，精梳机最早发明于1 8 4 6 年，钳板为固定式，以发明者海尔曼的名 字命名。1 9 9 0 年，英国的纳斯米将海尔曼式精梳机加以改进，使钳板在工作过 程中前后摆动，称为纳斯米式精梳机。国外精梳机，经历了较长的缓慢发展时期， 到了2 0 世纪7 0 年代，世界科学技术的发展推动了精梳机的快速发展。 2 0 世纪7 0 年代，瑞士r i e t e r 公司推出了e 7 4 型精梳机，车速为2 5 0 钳次 2 第一章前言 m i n 。2 0 世纪8 0 年代，r i e t e r 公司对钳板机构、分离罗拉传动机构等进行技术 改进后又推出了e 7 5 型，之后又推出了e 7 6 型精梳机，车速分别为3 0 0 钳次 m i n 、3 5 0 钳次m i n 。2 0 世纪9 0 年代，r i e t e r 公司对型精梳机钳板机构、牵伸 系统等进行了多项改进后，又相继推出了e 6 0 型、e 6 0 h 型精梳机，机器的稳定 性及纺纱质量水平有了进一步提高。2 0 0 0 年，r i e t e r 公司利用计算机辅助过程 优化技术对e 6 0 型、e 6 0 h 型精梳机的钳板传动机构及分离罗拉传动系统进行优 化设计，推出了e 6 1 型、e 6 2 型及e 7 2 型精梳机，车速达到了4 0 0 钳次m i n 。 意大利的m a r z o l i 公司在2 0 世纪7 0 年代推出了p 1 型精梳机，2 0 世纪8 0 年代初期推出p 2 了型精梳机。到了1 9 8 5 年之后，又相继推出了p x l 型及p x 2 型 精梳机，p x 2 型精梳机的最大机械速度为4 0 0 钳次m i n 。 除r i e t e r 公司和m a r z o l i 公司生产精梳机之外，日本原织机公司在2 0 世纪 9 0 年代也先后开发出v c - 2 5 0 型、v c 一3 0 0 型精梳机，日本y o y o t a ( 丰田) 公司 在吸收消化v c 一3 0 0 型精梳机技术的基础上，推出了h z 型精梳机，最高速度为 3 6 0 钳次m i n 。意大利沃克公司也开发出了c m 5 0 0 型精梳机，最高速度为4 0 0 钳 次m i n 9 - 1 2 。 我国自1 9 8 5 年开始制造精梳机设备，1 9 9 0 年以后，我国纺机行业在消化吸 收先进技术的基础上，也陆续研制出更新换代的精梳机产品。我国精梳设备经过 几十年的发展，取得了巨大成就，截止到2 0 0 0 年，我国精梳机的台数已达到1 3 2 6 4 台，是1 9 9 0 年精梳机台数( 为7 0 8 1 台) 的1 8 7 倍；自1 9 9 0 年到2 0 0 0 年每年 平均增加1 0 3 套( 每套按6 台计算) ，精梳机的万锭配台由原来的1 8 台增加到 3 9 台。1 9 9 8 年精梳纱所占比例为1 5 1 ，到2 0 0 0 年增加到1 9 。精梳机的速度 已由原来a 2 0 1 a 的1 1 6 钳次m i n 提高到3 5 0 钳次m i n ，精梳机的产量提高了3 倍。精梳机的综合质量水平( 如精梳条质量、精梳落棉质量及机器的稳定性等) 及自动化水平有了很大提高。总之，我国精梳机技术水平及设备加工制造水平与 世界先进水平的差距正在缩小n 3 】。 国内精梳机生产厂家中，技术水平较高的有：山西经纬、上海纺机总厂、常 德纺机、江苏东台、江苏宏源、陕西恒鑫。表卜2 给出了国内部分精梳机厂家生 产的具有代表性的精梳机型号及相关参数。现从表1 - 2 中，选几种典型的机型进 行介绍如下： f a 2 6 9 型精梳机为陕西经纬合力机械总厂继1 9 9 8 年推出新型能纺3 5 0 钳次 分钟的f a 2 6 6 型精梳机后，经过几年努力，在吸收国内外最新技术的基础上，又 自行研制出的最新型精梳机，其速度可达4 0 0 钳次m i n 。( 实丌3 8 0 钳次m i n ) 。 s x f a 2 8 9 型精梳机是陕西恒鑫精密机械公司开发的新型精梳机，二者均为国外最 先进的e 6 2 型精梳机的同类产品，在实际生产运行中又做了许多技术创新，缩小 3 天津工业大学硕j ：学位论文 了给棉罗拉与前分离罗拉的钳口距离，有利于对较短纤维的控制，能减少落棉中 的有效纤维1 5 。采用更轻型的钳板机构，提高了精梳机钳板运动的稳定性， 有力于高速的正常运行。增加了分离牵伸和分离结合的时间，使分离须丛长度适 当增加，有利于提高分离结合质量。适当缩小了有效输出长度，提高了结合率， 增加了棉网厚度，在高速情况下可以减少棉网两端破边，即能提高精梳的条干水 平，又能减少精梳的棉结于杂质。 上海纺机总厂在2 0 0 5 年上海国际纺织工业展览会上展出的c j 4 0 s 型精梳机 采用工业总线控制技术，提高了控制装置于驱动装置间的数据交换，使主电机、 分离罗拉传动伺服电动机、台面传动电动机、牵伸和圈条传动电机实现四轴联动， 提高了自动化程度n 5 1n 6 i 。 表1 - 2 国内部分厂家代表性精梳机型号及相关参数 喂入小卷宽度( m m ) 3 0 0 7 0 喂入小卷定量( m m ) 9 0 3 0 03 0 03 0 0 3 0 03 0 0 6 0 7 06 0 7 0 6 0 7 06 0 7 07 0 9 0 有效输出长度( m m ) 2 6 4 8 3 2 2 531 73 2 2 52 6 4 8 2 6 4 8 总牵伸倍数 9 2 19 1 68 1 69 1 6 9 2 39 2 3 输出精梳条 3 63 6 3 63 63 63 6 定量( g m ) 最高速度 4 0 03 0 03 0 03 0 0 3 0 04 0 0 ( 钳次m i n ) 产量( k g 台术h ) 7 06 06 06 06 07 0 1 3 国内外主要新型精梳机的发展趋势 通过上述介绍，可以总结出国内、外精梳机发展趋势体现在以下几个方面引： 1 、速度高。精梳机的速度高低是衡量其现代化水平的重要标志。因为精梳机 的速度越高，单机产量和劳动生产率就越高，精梳机的万锭配台、占地面积、用 人和耗电也相应减少。经测算可知，在精梳机的给棉长度与精梳落棉率相同的情 况下，新型精梳机的产量为a 2 0 1 d 型精梳机产量的4 1 5 倍。新型精梳机的万锭 4 第一章前言 配台数只有a 2 0 1 d 型精梳机的四分之一，占地面积和用人也只有a 2 0 1 d 型精梳机 的四分之一，万锭精梳机耗电量大大减少。因此采用高效能精梳机具有巨大的经 济效益。为了适应高速的要求，新型精梳机在设计上采取了减轻钳板组件重量、 优化钳板传动机构及分离罗拉传动机构的尺寸等技术措施，以减小钳板及分离罗 拉运动的惯性力和惯性力矩、减轻机器的振动、降低机器的噪音与能耗。 2 、质量优。质量优是指精梳机在高速运转时，纺纱质量好，即精梳条的各 项质量指标和精梳落棉指标要达到高效能精梳机的要求。为实现优质，新型精梳 机在机构设计方面采用了钳板钳口两点握持、减小梳理隔距的变化幅度、缩小分 离罗拉有效输出长度、牵伸机构采用曲线牵伸等技术措施。 3 、自动化。自动化水平也是精梳机现代化的重要标志。提高精梳机的自动 化水平，不仅可以减轻挡车工的劳动强度和看管负担，还可提高精梳产品的质量。 精梳机的自动化水平主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 采用多种高灵敏度的自停装置。如采用断头自停、满筒自停、断条自停、 空卷自停、绕罗拉绕皮辊自停、分离和牵伸皮辊加压不足自停和各种安全自停。 ( 2 ) 采用多种自动装置。如采用自动换筒、小卷自动运输、自动上卷、顶梳 自动清洁、停车钳板自动复位等。 ( 3 ) 采用工艺参数的在线调整。如在精梳机正常转动时，若精梳条的某项质 量指标出现问题，可以直接操纵键盘按钮进行工艺调整。 ( 4 ) 采用精梳质量的在线检测与计算机监控系统。如可快速显示精梳机的产 量与质量信息、显示机器出故障的位置，当质量达不到要求时自动报警等。 1 4 课题研究内容及意义 1 4 1 课题研究内容 本小样精梳机的机械系统在国内成熟的精梳机机型的基础上加以改进，取消 在各个传动轴之间的机械机构，利用工业控制技术、工控组网通讯技术、电机伺 服控制技术等的一系列先进机械电子技术，以工业控制逻辑单元作为整个电气控 制系统的主控核心，锡林、分离罗拉、输出罗拉以及毛刷各由一个电机进行驱动， 实行四电机独立传动的工业控制系统，从而较彻底简化传动系统，实现精梳机数 字化精梳和高度机电一体化。 课题的主要研究内容包括： 1 、研究分析数字化小样精梳机的传动方案，确定四电机独立驱动各机构的 总体设计方案。 2 、建立合理的控制系统数学模型，包括四电机联动的传动系统、分离罗拉 5 天津工业大学硕上学位论文 位移曲线控制系统、毛刷电机变频调速系统数学模型的建立。 3 、控制系统硬件部分的选型、整个控制系统的架构、硬件之间的相互连接 及通信协议部分的设计。 4 、软件编程及联机调试，主要内容为人机界面程序、p l c 程序的编写及人 机界面程序、p l c 程序的联机调试。 5 、在纺纱试验的基础上对系统进行调试并对调试结果进行分析，同时对调 试过程出现的问题和解决方案进行讨论。 1 4 2 课题研究意义 传统小样纺织机械结构复杂、精度低、稳定性差、自动化程度低、纺纱机械 种类不够齐全，如英国锡来s d l 的小样纺纱系统，只有梳棉、并条和细纱，没有 精梳、粗纱环节纺纱机械，纱线品种适应性差，给产品开发和教学科研工作带来 了极大的不便。为此，天津工业大学纺织学院数字化纺织研究所开发了一系列的 数字化小样纺织机械，包括：数字化的小样梳棉机、小样并条机、小样精梳机、 小样粗纱机、小样细纱机，小样并捻机。各个数字化小样纺织机械可通过可编程 控制器独立控制，也可通过网络模块由上位机集中监控。本课题开发了数字化小 样纺织机械中的一种：数字化小样精梳机。 在传统精梳机上，动力由一台主电机提供，通过变换齿轮的方式，通过一系 列庞大的传动机构分别传动锡林轴、分离罗拉、输出罗拉等运动机构。这种单一 电机传动的精梳机存在一定的缺陷：传动轴之问的速比调节不可能快速地反映在 人机界面上，因而不能高效、精确、直观地改变各传动轴之间的速比，另外，目前 绝大部分机器，由于制造商仅提供一种机械凸轮行星轮系组件结构，使得分离罗 拉曲线不可调节，而国外有极个别的制造商提供两种以上的机械凸轮或者多连杆 行星轮系组件结构供用户纺制不同的棉纱品种，此举只能通过更换大量的机械零 件来变换分离罗拉的位移曲线，使得工艺调节困难大。这种方法劳动量大、日常 维护不方便。齿轮传动级数多，磨损大，累积齿间隙误差大，使得传动精度及传 动效率偏低n 引。 鉴于传统精梳机存在的一些问题，本课题针对产品研发机构、纺织院校和科 学研究的需要，结合p l c 、触摸屏、伺服驱动和变频控制等数字化技术，开发多 电机分别独立驱动各运动机构的数字化小样精梳机。该机机械传动机构简单、自 动化程度高，具有动态调速、可对分离罗拉运动曲线进行设定调节等功能。 进入2 1 世纪，随着机电一体化技术的快速发展和应用，精梳机在设计理念 上有了很大创新。目前国内纺织机械生产厂家生产的精梳机，同国外世界知名纺 织机械专业公司的新型高产精梳机相比，还存在较大的差距，有些技术是引进国 6 第一章前言 外生产企业的，一些配套设备，是从国外同类厂家购买的。在数字化小样精梳机 方面，国内目前几乎是空白，赶上发展的步伐，研发新型、高产、操作方便的精 梳机，拥有自己的技术专利，把我国从纺织大国变成纺织强国，是件造福纺织业、 利国利民的事情。 在数字化小样精梳机控制系统开发方面，拟设计的数字化小样精梳机，由三 套伺服电机独立传动锡林轴、分离罗拉、输出罗拉，毛刷电机采用变频器控制。 精梳工艺参数完全可由触摸屏设定，触摸屏界面友好，操作方便、快捷，纤维品 种的适应范围广泛，能够很好的满足高校、科研、企业的需要。 另外，数字化小样精梳机控制系统中，p l c 还配有以太网模块，可以与上位 机组网通信，与其它小型纺纱、织造、染整设备一道组成小样纺织染快速反应网 络系统( s t q r s ) ，由上位机对整个系统进行实时监控，便形成了纺织染计算机集 成制造系统( s t c i m s ) 。 7 天津工业大学硕j ：学位论文 8 第二章机械结构及数学模型的建立 第二章机械机构及数学模型的建立 本课题开发的新型数字化小样精梳机，是在充分消化和吸收传统大生产用精 梳机的机械结构和工作原理基础上，利用以p l c 为主控单元，多电机独立驱动的 电气传动机构替代原有的机械传动结构并建立各传动部分的数学模型，从而摆脱 原有机械结构的限制，在大大简化机械传动结构的同时，提高了精梳机的控制精 度、自动化程度和操作效率。本章主要介绍传统精梳机的机械机构与工作原理、 数字化小样精梳机的机械机构的建立以及各传动单元的数学模型。 2 1 精梳工序的任务 在棉纺系统中，通常采用清花、梳棉、并条、粗纱和细纱的普梳工艺流程。 梳棉棉条中含有一定数量的短绒、棉结和细小杂质等疵点，纤维的伸直、平行排 列程度较差。如果要纺制较细特数的棉纱，就需要采用精梳工艺加工，以改善棉 条的结构，有利于以后的牵伸过程。这种经过精梳纺纱系统的工艺流程为：清花、 梳棉、并条、并卷、精梳、并条、粗纱、细纱。 精梳工序是精梳纺纱系统中的关键工序，它对成纱质量起着决定性作用。精 梳的目的可以概括为： ( 1 ) 去除梳棉生条中一定长度以下的短纤维，提高纤维的整齐度，缩小成纱 条干不匀的强力变化，使强力有较大的提高。 ( 2 ) 进一步分离纤维，提高纤维的伸直平行度，有利于成纱过程中的牵伸控 制。 ( 3 ) 进一步清除纤维中残留的棉结、杂质和疵点，提高纤维的光洁度。 ( 4 ) 完成新一代纤维素纤维、不同纤维、涤纶与棉混纺纱等新型精梳纱的制 备。 经过精梳加工后，成纱品质可以的到显著改善。可清除生条中1 7 左右的 残留棉结、5 4 的的杂质、4 5 左右的短绒；纤维的伸直度由生条的5 0 提高到9 5 ； 可提高成纱强力1 0 以上；成纱中的纤维平均长度也得到了提高；成纱条干好， 毛羽少，疵点少，有蚕丝光泽剐。 9 天津工业大学硕二卜学位论文 2 2 精梳工艺的主要流程 精梳机虽有多种机型，但工艺过程基本相同，都是周期性的断开棉层，在分 别梳理棉层两端后再依次接合成连续输出的棉网。山西经纬纺机生产的f a 2 6 1 型精梳机工艺过程如图2 1 所示。小卷放在一对承卷罗拉7 上，随承卷罗拉的回 转而退解棉层，经导卷板8 喂入置于钳板9 上的给棉罗拉与给棉板6 组成的钳口 之间。给棉罗拉周期性间歇回转，每次将一定长度的棉层( 给棉长度) 送向上下 钳板5 组成的钳口。钳板作周期性的前后摆动，在后摆中途，钳口闭合，上、下 钳板有力地钳持棉层，使钳口外棉层呈悬垂须从状，此时，锡林4 上的梳针面恰 好转至钳口下方，针齿逐渐刺入棉层进行梳理，清除棉层中的部分短绒、结杂和 疵点。随着锡林针面转向下方位置，嵌在针齿间的短绒、结杂、疵点等被高速回 转的圆毛刷3 刷下，经风斗2 吸附在尘笼1 的表面，剥落后由机外j x l 机吸走进入 尘室。锡林梳理结束后，随着钳板的前摆，须丛逐步靠近分离罗拉l l 的钳口。 7 9 图2 1f a 2 6 1 型精梳机的一r ：艺流程 卜尘笼2 一风斗3 一毛刷4 一锡林5 一上，下钳板6 一给棉板7 一承卷罗拉8 一导卷板 9 一给棉罗拉1 0 - 顶梳 11 - 分离罗拉1 2 一导棉板1 3 一输出罗拉1 4 一喇叭口 1 5 - 导向压辊1 6 - 导条钉1 7 - 牵伸装置 1 8 一集束喇叭1 9 一输送带压辊2 0 一输送带 2 卜圈条集束器及检测压辊2 2 一圈条斜管及条筒 l o 第二章机械结构及数学模犁的建立 与此同时，上、下钳板逐渐开启，梳理好的须从因本身弹性而向前挺直( 须丛抬 头) ；分离罗拉倒转，将前一周期的棉网倒入机内一定长度后再顺转。当钳板钳 口外的须丛头端到达分离钳口后，与倒入机内的前一周期棉网相叠合而由分离罗 拉输出。在张力牵伸的作用下，棉层挺直，顶梳1 0 插入棉层，被分离钳口抽出 ( 分离) 的纤维尾端从项梳片针隙间拉拽通过，尾端粘附的部分短纤、结杂和疵 点被阻留于顶梳片后的须从中，待下一周期锡林梳理时除去。当钳板到达最前位 置时，分离钳口不再有新纤维进入，分离结合一次基本结束。之后，钳板开始后 退，钳口逐渐闭合，准备进行下一个工作循环。由分离罗拉输出的棉网，经过一 个有导棉板1 2 的松弛区后，通过一对输出罗拉1 3 ，穿过设置在每眼一侧并垂直 向下的喇叭口1 4 聚拢成条，由一对导向压辊1 5 输送到输棉台上。各眼输出的棉 条分别绕过导条钉转向9 0 度，进入与水平线呈6 0 度倾角的三上五下曲线牵伸装 置1 7 ，经牵伸后，由一根输送带2 0 托持，通过圈条集束器及一对检测压辊2 1 后圈放在条筒2 3 中n 9 1 。 2 3 精梳机主要机械机构与工作原理 由于精梳机的给棉、梳理、分离接合等工作都是周期性间歇进行的，为了连 续生产，精梳机上各主要机件的运动相互问必须紧密配合。这种配合关系由装在 精梳机锡林轴上的分度指示盘指示和调整。分度盘沿圆周等分为4 0 个分度，每 个分度的圆周角为9 度。精梳机锡林回转一转，即分度盘回转一转，钳板摆动一 个来回，精梳机就完成一个工作循环，称为一个钳次。数字化小样精梳机各机构 运动配合图如图2 - 2 ： 分度盘分度 05l o1 52 02 53 03 54 0 站l 迎，包 叟0 。4 5 09 0 。 1 3 5 。1 8 0 。2 2 5 。2 7 0 。3 1 5 03 6 0 0 锡林分梳 i q l 诱 i 厶i j 。j 钳板运动 钳板肩闭 丌 ； 、 天闭 - 一 i m 边2 i i f m 给棉运动 分离罗拉运动 f 心 j l i 转 俘 顶梳分梳 图2 2 数字化小样精梳机各机构运动配合图 天津工业人学硕士学位论文 2 3 - 1 给棉机构 新型精梳机的给棉罗拉装于下钳板内，为单给棉罗拉。当钳板向后摆动时， 给棉罗拉也随之摆动，在每个钳次中给棉罗拉向前或向后喂入一定长度的棉层供 锡林梳理和分离结合。这种单给棉罗拉，结构简单，钳板两侧的扭簧压在罗拉两 端的滚动轴承套上。给棉罗拉做间歇回转运动，由连在上钳板处的棘爪带动给棉 罗拉上的棘轮进行，棘轮转过一个给棉长度，给棉罗拉就给出一定长度的棉层。 棘轮的齿数决定了每钳次给棉罗拉的喂给长度。 给棉罗拉喂给机构的传动分前进给棉和后退给棉两种形式。采用前进给棉形 式，在大量输入的情况下精梳落棉率较低，约5 一1 0 。采用后退给棉形式，在 大量输入的情况下精梳棉落棉率较高，约11 一1 5 。本机采用前进给棉方式。 2 3 2 钳板机构 钳板机构的作用，是以上下钳板有效地控制喂入的棉层，钳板在工作循环中 做日i f 后摆动，钳板向后运动时钳唇握持须丛以供锡林梳理：钳板向后运动时，钳 板升起，配合给棉，将经过梳理的须丛送向分离钳口，进行分离结合。钳口开启 和闭合简图如图2 3 和2 4 所