（纺织工程专业论文）高速并条机自调匀整装置的研制[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 现代棉纺并条机普遍配置自调匀整装置，实现并条工序生产过程的 自动检测和控制，改善出条的重偏差和重不匀，保证成纱质量。本论文 主要研究高速度、高产量、高机电一体化的并条机开环自调匀整控制系 统。 文中首先介绍了有关并条机自调匀整系统的基本知识和发展趋势， 阐述了并条机自调匀整系统的控制原理和软件算法，设计了以日本三菱 公司1 6 位m 1 6 c 8 0 单片机为核心构成的控制系统，该控制系统采用凹 凸罗拉对棉条检测，变频电机带动前罗拉运转，其速度可以由测速模块 测出，并将速度信号传给c p u ，交流伺服电机根据c p u 发出的控制信号 带动的后罗拉运转，利用交这种方法改变牵伸倍数，从而实现并条机的 自调匀整控制。 整个控制系统分为m 1 6 c 8 0 单片微机模块、主电机控制模块、伺服 电机控制模块、定长采样模块、棉条厚度检测模块、主电机测速模块、 操作按键模块、指示灯模块、人机界面等模块。 本文提出了新的硬件设计原理和软件设计方法，并提出了一些新的 控制算法。 关键词：并条机自调匀整开环系统交流伺服电机控制 a b s t r a c t i ti sp o p u l a gt h a tt h ed r a wf l a m e sa 坞e q u i p p e dw i t ht h ea u t o - l e v e l i n gc o n t r o ls y s t e m w h i c hf u n c t i o n sa 托t e s t i n ga n dc o n t r o u i n gt h er e g u l a _ r i t yo f d r a w i n gs l i v e ri nt h ed r a w i n g p r o c e s s t h ea u t o - l e v e l i n go p e nl o o pc o n t r o l l i n gs y s t e m 试mi l i g h s p e e d h i g h - p r o d u c t i o n a n dh i g h - m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ci n t e g r a t i o ni ss t u d i e di nt h i st h e s i s 。 t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ck n o w l e d g eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e s i t s d e v e l o p i n gt r e n da n de l a b o r a t e si t sc o n t r o lp r i n c i p l e t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db y u s i n gm 1 6 c 8 0s e r i e s1 6b i ts i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rm a d eb ym i t s u b i s hc o m p a n yi n j a p a na st h ec p u t h ey a r ni r r e g u l a r i t i e sa r et e s t e db yu s i n go fc o n c a v e dm i l e r si nt h i s c o n l r o ls y s t e m ；t h es p e e do f f t o n tr o l l e r sc o n t r o l l e db yt h em a i nm o t o r 锄b eo b t a i n e db y t h es p e e dm e a s u r i n gu n i t , t h e nt h es p e e ds i g n a li ss e n tt oc p u ；t h es p e e do ft h eb a c k r o l l e r sc o n t r o l l e db yt h ea cs e r v om o t o rc a nb ec h a n g e dw i t ht h er e g u l a t i n gs i g n a ls e n t b yt h ec p u ，s ot h a tt h ed r a f tr a t i oo ft h ed r a w i n gf r a m ec a nb ec h a n g e da n dt h ey m - n i r r e g u l a r i t i e sc a nb ed e c r e a s e di nt h i sw a y t h ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t os u c hu n i t sa sm 1 6 c 8 0m i c r o c o m p u t e r , m a i n m o t o rc o n t r o l l i n g , a cs e r v om o t o rc o n t r o l l i n g , c o n s t a n tl e n g t hs a m p l i n g y a mt h i c k n e s s t e s t i n g ，t h em a i nm o t o rs p e e dm e a s u r i n g ，o p e r a t i n gb u t l o n s ，i n s t r u c t i n gl i 套, h ta n d an e w p r i n c i p l eo fh a r d w a r ed e s i g n i n g , m e t h o d so fs o f t w a r ed e s i g n i n ga n ds o m e a d v a n c e dc o n t r o la r i t h m e t i ca g ed e v e l o p e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：d r a w i n gf r a m e ，a u t o l e v e l i n g ，a cs e r v om o t o r , c o n t r o l 青岛大学硕士学位论文 1 1 自调匀整装置概述 第一章引言 自调匀整装置是一种用来控制纱条粗细不匀的自动调节装置 1 】。在纺纱工程中， 纱条断面粗细不匀的变化是一种平稳随机过程，它含有各种形式的不匀，波形复杂。 如果对纱条粗细不匀不加以控制，那么所加工的纱条除原有的单位长度不匀外，还 会增加各工序所造成的不匀，这些不匀都将出现在成纱中，而且不匀的最初长度都 将随着各工序的牵伸倍数而大大增长，最后将导致成纱均匀度差，强力低，断头率 高，品质指标下降，严重影响织物的质量和外观。因此，为了提高纱线和织物的质 量，必须采用自调匀整装置。 自调匀整装置的研究，从清棉机上的洋琴装置算起已经有百余年的历史了【1 i 。 1 8 8 4 年美国人阿叟顿( a t a t h e r t o n ) 第一个取得了这方面的进展，但这些研究是比较 简单的，不完善的。直到1 9 1 4 年自调匀整技术的研究才有了较大的发展，爱尔兰人 爱维斯( j u e v e s ) 发明了带有延迟机构的较完善的机械式自调匀整装置，这种装置 和现在的机械式自调匀整装置是极类似的【l j 。 然而自调匀整技术的迅速发展和广泛应用于生产实际，还是近六十年的事【l 】。 英国人雷伯( g f r a p e r ) 对自调匀整的研究始于1 9 3 7 年，而有成效的工作是在1 9 4 5 年以后【2 2 【2 3 】【2 5 】。雷伯发明的自调匀整装置，于1 9 5 3 年的英国曼彻斯特国际纺织机 械展览会和1 9 5 5 年的布鲁塞尔第二届国际纺织机械展览会上展出后，在精梳毛纺工 业中得到了应用。1 9 5 9 年在意大利米兰第三届国际纺织机械展览会上，第一次展出 了棉纺用的自调匀整装置，瑞士的格拉夫( g r a d 公司制造了用于梳棉机的自调匀 整装置，瑞士的乌斯特( u s t e r ) 和美国的萨克洛威尔( s a c o l o w e l l ) 两家公司协作 制造了用于并条机的自调匀整装置，以后自调匀整装置在棉纺中得到了应用。 由于自调匀整理论的发展，机械制造工业的进步和自动化元件质量的提高，这 些年来许多国家相继制造了许多不同类型的自调匀整装置，并广泛地应用于纺纱中。 但总的看来自调匀整装置的发展，棉纺晚于毛纺。在棉纺中，梳棉机自调匀整装置 的大量发展比并条机要晚些，虽然棉纺自调匀整装置的研究起步较晚，但是进展较 快口2 【2 3 】【2 5 1 。 自调匀整的研究和发展涉及到许多科学和技术。由于自调匀整装置是自动控制 在纺纱工程中的具体应用，因此它具有一般自动控制系统的普遍性，又有其本身的 特殊性，即涉及到自动控制的原理，又涉及到调节对象，即纱条不匀的各个方面的 其体问题。 纺纱过程中，纱条内存在各种形状和各种片段长度的不匀，自调匀整装置能在 青岛大学硕士学位论文 一定范围内起匀整作用，但没有消除所有不匀的能力。自调匀整装置的设计与使用 是有针对性的，所以应根据预匀整的不同片段长度，选择不同的自调匀整装置。 1 2 自调匀整装置的组成与分类 1 2 1 自调匀整装置的组成一般为4 部分 ( 1 ) 检测：在运转中测定喂入或输出产品不匀率的变化【”。 ( 2 ) 转换：将检测所得的信号( 如位移或力的波动) 转变成所需的其它信号 ( 如电量的变化) 。在检测信号传至变速机构时，应延迟一段时间，使半 制品从检测点走到变速点才开始变速，因而需要有延迟机构【1 1 。 ( 3 ) 调节：将信号按比例放大或再加以积分、累计，并与标准值比较【1 。 ( 4 ) 执行：即变速机构，利用传导或转换放大机构送来的信号及时使前罗拉 或后罗拉发生相应的速度变化，自动地调节牵伸【1 。 1 2 2 自调匀整装置分类 按控制系统分，有开环系统、闭环系统和混合环系统”。 ( 1 ) 开环系统 开环系统的自调匀整装置如图1 1 所示，其主要特点是先检测后控制，系统中 的控制回路是非封闭的。 图1 - 1 ：开环系统的自调匀整装置 开环系统只进行调节，不能核定调节结果【7 1 。故开环系统在使用前必须精确校 正，在正常工作时还要保持标准的参数不能改变”】。同时，各环节参数变化或外界 干扰引起的偏差也无法修正，易使条子定量产生偏差，所以开环系统运行的稳定性 较差。另外，开环系统属于针对性匀整，调节性能好，在开环系统中，喂入纱条的 青岛大学硕士学位论文 重量是在尚未进入牵伸装置时由检测机构检测的，在这种情况下，只要控制系统的 时间延时与纱条通过检测点到匀整点之间所需的时间配合得当，以及使牵伸倍数的 变化完全正比于纱条厚度的变化，可以消除一定频率范围的不匀波。这类系统是按 照补偿原理工作的，匀整效果较好，主要用于匀整短片段不匀【l 】。 ( 2 ) 闭环系统的自调匀整装置 闭环系统的自调匀整装置如图1 2 所示，其主要特点是先调节后检测，在系统 中控制回路为封闭的，即具有反馈回路【7 j 。 图1 2 ：闭环系统的自调匀整装置 闭环系统是先匀整后检测，因此它不能匀整波长等于或小于匀整点到检测点距 离的不匀波。从匀整点到检测点的距离称为匀整死区，其所需运行的时间称为死时。 匀整死区的存在是闭环系统的主要特性之一，它决定了闭环系统主要是匀整长片段 的不匀。因闭环系统的针对性不强，故适宜于长片段的不匀，不匀的规律性越强， 匀整作用越佳。中片段的不匀往往易造成系统的误动作，反而使中片段的均匀度恶 化。因此，采用闭环系统，虽对长片段或很长片段的不匀有显著效果，但对中片段 或中短片段的不匀有恶化的可能【1 j 。 ( 3 ) 混合环的自调匀整系统 混合环的自调匀整装置如图1 3 所示，其特点是在牵伸的调整系统中，既有开 环系统，又有闭环系统，两者结合使用p j 。 图1 3 ：混合环系统的自调匀整装置 青岛大学硕士学位论文 混合环的自调匀整装鼹兼有开环和闭环的优点，既能保持匀整效果，又能自动 修正各种波动所造成的偏差，但是在结构技术上复杂，在经济上的花费大 3 8 1 。 并条机上多以开环系统为主。因为并条机要求匀整的片段很短( 如u s t e r 的 i j s c 系统可达到1 5 - - 2 0 r a m ) ，特别是要能消除精梳工序由于搭接引起的不匀：而且 并条机的出条速度很快，国外并条机已达到1 0 0 0 m m i n ，翻产并条机【红达到 6 ( ) 0 1 r d l n i n ，芷这种情况下，准确检测输出棉条线速度很困难，据工，实际使用情况 来着，无法准确检测输出棉条线速度，则不可能构成闭环，预测控制理论无法使用， 再脊预测控制理埝算法较复杂，对实时性要求太高的并条机自调匀整系统来l j _ = 实 现较为稠难。因此在能够检测输出棉祭不匀的传感器开发 ：；来之前，开环控制仍是 首选。但为了防止由于各环节参数变化或干扰引起的条子定餐偏差，都在前罗拉之 后机i 装监视装鬣( 如u s l e r 的f p 喇叭头) 当条子定量超出匀整范围时，就擞警城 停车1 2 ：】 1 6 】【2 7 1 。 1 3 国内外并条机自调匀整装置研究状况 如前所逑，自调匀整的控制方式可以分、勾开环、闭环和混合环三种形式。j 1 ：环 系统按照补偿原理工作，属针对性匀整，适合予短片断不匀；闭环系统按照反馈的 原理工作，适合长片断不匀，而混合环j 系统熊兼长短片段不匀，但结构复杂，制造 精度要求较高。 无论魁梳棉机还是并条机，：蝼静态数学模型都比较简单，假殴订高质量的，能 使应高速的自谤匀整系统，仅有静态数学模型还远远= = = | ；够，必须建立熊用于控制工 程的动态模型1 12 ：| 1 1 4 】 4 2 1 。国外一些专家和学者很早就从枣这一方i - l i - i , i 工作，但主露是 物理建模。由于纤维运动的不规则性和复杂性，很难对其运动精确的描述 4 3 1 。 另外，对纤维的控制也比较困难，缚加上纤维品种不间，则性质就不相同，即使同 诤眵f 维，由于产地不同，生琵条件不同，其长度分布，细度分布及成熟度等都不 同，这些特性最终都能反映到数学模型中。为简化模型，不得不做出种年中假设，如 纤维的| 受度分布成梯形规律，纤维变速点恒定等，即便如此，所建的模型中包含很 多参数，如纤维的长度、细度、细度的离散程度等等，模型非常复杂，并且无法用 统1 的形式表达，难于用在控制工程中m 。现代的一些高级控制，智能控制嗣得 较少，相关文献也较少 3 5 1 4 8 1 对于自调匀整的各个关键环节，如检测环节、喇叭曰等，由于国外各大公司都 对此保密或：存专利保护，在公开的刊物上很难查到相关文献，大多是些宣传性的 资料。国内一些刊物虽有4 些，但都比较陈旧，技术和理论较落后。 为适应棉纺工业高速、高产、高质量发展的要求，国际上普遍推广短片段自调 匀整装置，例如德囤特吕茨勒h s r 一1 0 0 0 型，瑞士立达公司的r s b 8 5 1 型，日本 4 青岛大学硕士学位论文 丰田公司的c a s 型等，其共同特点是匀整精度高，匀整范围大，适应车速达8 0 0 一 1 0 0 0 m m i n ，具有在线检测，参数显示内容丰富，机电一体化程度高等优点。 近年来我国在开发并条机应用短片段自调匀整系统方面做了大量的工作，上海 纺织机械总厂开发的f a 3 1 6 ( b z ) 型并条机、航空工业总公司6 1 3 研究所开发的f a 3 2 3 型并条机、沈阳纺织机械厂开发的f a 一3 2 6 型并条机均配置了短片段自调匀整装置， 这3 种新型并条机配用2 种型号的短片段自调匀整装置，f a 3 1 6 ( b z ) 配有进口的 u s c 自调匀整装置【1 6 】【1 8 】【3 5 】【36 1 。 目前，国内外并条机的自调匀整装置比较多，国内有洛阳6 1 3 厂的b y z 、b y d ， 台湾东夏的t h a - - 9 0 1 a l 和会坛大宇的y s b t 型；国外有乌斯特公司的a d c e c 、 u s c ，立达的r s b - - d 3 5 型、特吕茨勒h s r 一1 0 0 0 型等。除b y z 为全部检测，部 分匀整外，其它均为全部检测，全部匀整，均为开环匀整。 1 4 本课题研究的目的与意义 1 4 1 本课题研究的目的 并条机采用白匀装置，将是必然趋势，原因如下： ( 1 ) 并条工序是纺纱厂质量把关的工序，对成纱支数、偏差及条干均匀度，均有 直接的影响瞄1 1 2 7 。 ( 2 ) 棉纱质量能否长期地稳定在同一个档次，是创商标、品牌效应的最终织物商 ( 如服装商等) 所关心的问题。 ( 3 )自调匀整装置与现有的并合、牵伸工艺相结合，对棉纱质量的提高，能获得 较好的耦合效果。 ( 4 ) 自调匀整装置对超过允许偏差的纺出品的疵点( 棉结、杂质、过粗、过细等) 建立门限，禁止通过，并实时发出警报和停车 3 2 】 3 4 1 。以减少纱疵。 ( 5 ) 自调匀整装置对纺出品均匀度的改善，对后续工序，特别是织造工序，能减 少断头，提高效率，降低生产成本，带来可观的效益。 ( 6 ) 并条机单产可提高，所需设备台数减少，可节省投资。 ( 7 ) 混纺纺纱时，在混并之前，常对参与混合的不同纤维原料，进行预并，若采 用短、中片段的自调匀整装置，有利于混纺比例达到设计要求。 并条机的自调匀整主要改善条子的短片段不匀。瑞士乌斯特公司提出：超短片 段 0 2 5 m ，短片段0 2 5 2 5 m ，中长片段2 5 2 5 m 1 3 1 。因为并条以后的工序都是单 条纺纱，再无并合作用，因此，在并条机上既要控制支偏，还要为改善细纱的条干 c v 值创造条件，其自调匀整的速度、精度远远高于清梳工序1 2 【1 4 1 3 ”。 青岛大学硕士学位论文 1 4 2 本课题研究的意义 现在，国内、外并条机自调匀整装置非常多，但都有不足之处，如下所示： ( 1 ) 国内b y z ( d ) 型：采用凹凸罗拉检测，机械差速器变速，动态相应低， 适应老式的双眼并条机，不适合高速的并条机；没有在线检测装置，调试 麻烦 1 6 1 1 7 1 8 1 。 ( 2 ) 台湾t h a 一9 0 1 a l 和y s b t 型：匀整部分为交流伺服电机，但是采用凹凸 罗拉检测，适合7 0 0 米分以下的双眼并条机，不适应高速。没有在线检测 装置，调试麻烦19 】【2 0 1 2 1 1 。 ( 3 )国外r s b - - d 3 5 和h s r 1 0 0 0 型：适合单眼高速( 1 0 0 0 米分) 并条机， 有在线检测，采样片段短，匀整效果好，下机不匀率达到乌斯特公报5 水 平，但是价格很高【5 2 2 1 1 2 3 1 。 鉴于国外并条机自调匀整装置的价格高，是国产机价格的3 4 倍，难于在国内 普遍推广。国内没有成熟的高速并条机自调匀整控制装置。如果国产短片段自调匀 整装置产品过关，推向市场，相信能取代进口产品。 本课题欲设计出一种与单眼高速并条机配套使用实现机电一体化的开环自调匀 整装置，由检测机构、控制部件、伺服电机、人机界面和传感器等组成。采用凹凸 罗拉对喂入并条机的全部棉条进行检测，整机控制的开环控制系统，改善棉条的短 片段及超短片段不匀。此短片段自调匀整装置采用传感器技术、计算机技术、交流 伺服系统等当前最先进的技术，是高度机电一体化的产品。 1 5 本课题研究的主要内容 1 5 1 本课题研究的主要内容 设计出一套配合单眼高速并条机的自调匀整控制系统，该控制系统利用带传感 器的沟槽罗拉检测棉条，当棉条比要求的棉条粗或细时，单片机改变伺服电机( 带 动后罗拉转动) 的转速，来改变输入棉条的速度，从而改变牵仲倍数，达到自调匀 整的目的。 单眼高速并条机自调匀整装置控制系统采用模块化的设计思想，整个系统分为 m 1 6 c 8 0 单片微机模块、主电机控制模块、伺服电机控制模块、定长采样模块、棉 条厚度检测模块、主电机测速模块、操作按键模块、指示灯模块、人机界面模块、 等组成。详见图1 - 4 所示 青岛大学硕士学位论文 测黛掣扭鑫掣拉瓣笋健 一善一， 罄磐 热i 卜蛩磷删i l 露剁癫磊 l 璃砖髓拽箍统 iff0_ t _ 良机抖瓣 撩箨糖糍陂辩髓鬻 娃托 电港 + 5 v 砖 獬蜥s掩永剃 1 5 v - + l ! v 图卜4 ：并条机自调匀整系统控制框图 1 m 1 6 c 8 0 单片微机模块 刹用m 1 6 c 8 0 单片枫作为本控制系统的主控模块，主控模块中设罱：】r 掉电参数 保护功能，防止掉电后数据完全丢失。、复位功能，当电源电压到达一定电压厝，延 迟一定时间，待电源稳定后，产：生复位信号，复位信号设计有商电平( r e s ) 和低电 平( i r e s ) 输出蹲路。人机界面功能，高速并条机自调匀艇系统需要设计人机交。珂：界 面，以实现参数输入和匀整效聚强示。在线编程功能，m 3 0 8 0 0 单片机内部r o m 为f i a s h i i 瑚，可以支持并行编程、串行编程和在线编稷三种模式，重复编程次数保证l o o 次， 本系统设计了在线编程接口，以方便在线1 - 载程序和程序调试。 2 主电机擦制模块 在本设计方案中，主电机采用交流变频电机驱动，通过m 3 0 8 0 0 瞥片机对变频 器进行控制，实现出条速度的数码设定及速度曲线控制。为了保证开关车阶段的匀 整效果，设置点动速度和运转速度两个参数，并分别按照：1 ；同的速度曲线模型控制， 没鬣了故障检测功能，停机并给出故障提示。 3 伺服电机控制模块 采用m i n a sa 系列交流伺服电枫作为匀熬电机。本系统采用位置驱动模式，由 m 1 6 c 8 0 啦片帆的定时器t a 0 产生伺服指令脉冲，通过控制指令脉冲的频率及脉冲 数，实现速度及定位混合驱动控制。 4 定长采样模块 7 青岛大学硕十学位论文 开环自调匀整系统为针对性匀整，控制系统必须每隔一定长度( 即采样片断) 检 测一次棉条厚度，然后延迟一定时间，等采样点到达变速点时，控制匀整电机变速。 匀整伺服电机内装有旋转编码器，每转可以输出2 5 0 0 脉冲，根据并条机的传动比， 计算出采样片断对应的脉冲数，然后由定时器计数器t a l 进行计数中断，实现定长 采样控制。位移传感器时刻检测棉条的厚度，每当定时器t a l 中断时，选取这一时 刻的检测信号，将这个信号放在一个队列里，该队列采用先进先出的原则，先测得 的信号放在前面，下一次测得的信号放在的后面，依次类推。然后整个采样值的队 列前移，把最新的采样置于队尾，依次类推得出匀整片段定长信号。因此，位移传 感器传出的电压信号为匀整片段定长信号。 5 棉条厚度检测模块 采用成熟可靠的凹凸罗拉检测，棉条检测单元是将喂入棉条的不匀变化以电信 号的形式反映出来。棉条厚度传感器的输出信号经过滤波、调零、增益调整及限幅 等处理后，输入m 3 0 8 0 0 单片机的1 0 位a d c 转换器，进行厚度采样。 6 主电机测速模块 本系统所用的单片微机m 1 6 c 8 0 中的定时器b 具有脉冲周期脉冲宽度测量方 式，通过这种方式可以测量电机的速度。 7 操作按键模块 操作按键模块主要包括：开车按键、关车按键和点动按键。 8 指示灯模块 本文采用双色指示灯。指示灯安在并条机机器的左前方，上面是红灯，下面是 黄灯。 9 人机界面模块 本系统中，采样了【人机电子有限公司】的e v i e w 触摸屏m t 5 0 6 s 。 1 5 2 设计指标 喂入棉条：6 8 根； 出条速度：1 0 0 0 米分； 匀整范围：2 5 ； 匀整精度1 ； 匀整电机：交流伺服电机； 主电机：变频电机 匀整参数：延时时间，采用长度等匀整参数电脑设定。 采样长度：1 m r n ， 匀整片段：5 1 0n l r n 。 青岛大学硕士学位论文 2 自调匀整系统参数初始化( 魁表4 2 ) 表4 - 2 ：自调匀熬系统参数 参数 符号设置范围作用 出条速度 v l2 0 0 10 0 0 m m i n设定并条机的出条速艘 【6 0 0 】 默认为6 0 0 m m i n 牵伸倍数 e 6 一1 2 倍设定并条机的牵伸倍数 【8 】 默认为8 延迟距离e 。5 0 l o o m m设鬣并条枫的延迟距离 点动速度 v 32 0 ( 卜1 0 0 0 i r d m i n 没霰并条机的点动速度 【6 0 额定定艇 g 2 0 5 0 9 5 m致置额定定量 点动加速时间t s 豫i n c h o l o s 设置点动加速州间 点动减速时闻 f i s i - po l o s设最点动减速时悯 点动速度运行 t r n c ho l o s 设鼹点动速度运行州问 时闻 = ：次加速时间 f r u no 1 0 s 设置二次加速时间 停机减速时问 t s s t p1 3 s 设嚣减速时问 满筒定长 c e r o v e rl o 1 0 0 0 m自动换筒长度 9 青岛大学硕士学位论文 第二章并条机自调匀整装置工作原理 2 1 开环自调匀整装置控制系统分析 开环系统的调节性能如图2 - 1 所示。图中z 为喂入纱条粗细的变化，y 是控制 机构的输出量，x 为输出纱条粗细的变化，t 1 为纱条从检钡4 点到匀整点所需时间， 即t 1 到t 2 。由图可看出，当输入纱条在时间t 1 有一突变时，纱条在t 1 到达匀整点 t 2 时应由控制机构变速，经过一个动态过程，又使纱条保持砸常粗细( 即x 的稳态 值仍接近正常水平) 。从开环系统的调节性能来看，当控制机构正常工作时，在动态 过程中输出纱条粗细波动的幅度是比较小的。 因开环系统为针对性匀整，所以可以匀整较短的片段长度。根据匀整理论的分 析，开环系统可匀整片段长度为纤维长度的5 倍左右。对棉纤维，可匀整长度约为 l o o m m 以上。一般来说，要求匀整的片段长度越短，对自调匀整装置各个环节的动 态特性的要求越高。 开环系统只进行调节，不能核定调节结果。因为开环系统中的控制回路是非封 闭的，即在系统中没有全反馈，所以对纱条的匀整效果是不清楚的。每一个参考输 入量，有一个相应的固定工作状态与之对应。这样，开环系统的精度便决定于校准 的精度。为了满足实际应用的需要，开环系统必须精确地予以校准，而且在工作过 程中保持这个校准量不发生变化。 z y 图2 - 1 ：开环控制系统的调节性能 青岛大学硕士学位论文 2 2 检测机构 棉条检测单元是将喂入棉条的不匀变化以电信号的形式反映出来。有机械式、 电子式和气流式等多种，后两者对外界因素( 纤维品种、纤维长度分布、温湿度等) 的变化较敏感【“。 棉条定量传感器是直接影响到自调匀整效果的关键因素之一。由于高速并条机 的输出速度可达1 0 0 0 米分，检测片段短，对传感器的灵敏度、响应速度具有极高 的要求i “。 为了满足控制系统的要求，采用成熟可靠的凹凸罗拉检测。棉条厚度的变化使 沟槽罗拉上下移动，通过位移传感器测量沟槽罗拉移动的距离，从而实现对棉条定 量的检测。 系统的检测机构主要包括凹凸检测罗拉、位移传感器和信号调理部分。由于棉 条对象的特殊性，该比例环节的比例系数和凹凸罗拉的沟槽宽度及检测时的凹凸罗 拉加压大小有很大关系。 检测系统通过一对凹凸罗拉机构，并在给活动罗拉施加一定的压力下，将棉条 的线密度变化信号转化为活动罗拉围绕一个固定罗拉转动的位移信号，然后由位移 传感器检测出位移变化信号，通过一定的转换关系将棉条线密度的变化准确有效的 转化为一电信号，并以此依据进行系统的控制。检测系统检测对象是松软的、可压 缩的且截面形状不固定的棉条，要检测的物理量是棉条的线密度，而实际传感器所 能检测到的只是棉条的厚度。经验表明，对一定品种的棉条在一定的压力范围内， 其厚度不随压力的波动而发生较大的变化，测量具有较好的重复性，同时线密度与 厚度之间可以认为存在一定线性关系。通常情况下，棉条在一定的压力作用下， 线密度变化1 ，在凹凸罗拉宽度不变的情况下，厚度信号只有0 0 2 o 0 3 毫米的变 化。传感器检测出厚度信号后，经由信号调理送至控制单元，近似处理可以认为线 密度与放大后的信号之间有一个比例系数k q ，从理论上讲，当纤维材料密度己知时， 棉条实际截面积的大小与棉条的纤维密度成正比。 s s = 一m q ( 2 1 ) l pp 式中s s 一棉条的理论截面积( c m 2 ) m 一棉条的质量( g ) l 一棉条的长度( c m ) p 一纤维的密度( g c m 3 ) g 一条子的线密度( g c m ) 青岛大学硕士学位论文 在该检测机构中，棉条的实际截面积s ： s = b h ( 2 - 2 ) b 一检测沟槽的宽度 h 一检测厚度 棉条的理论截面积是一个理论数值，而实际检测截面即使承受足够大的压力但 由于纤维弹性及空气阻力等因素的影响，条子不可能被绝对的压实，根据格洛斯曼 的研究引入“压缩比”的概念【“。棉条的实际截面积与理论截面积之间存在一个比 例关系，即有一压缩比k 。 即要1 ( 2 _ 3 ) s s 故实际检测厚度为： h ：坐：k g p b 。 位移传感器及信号调理部分对厚度信号进行处理放大， k 3 ，则 k q = k 2 k 3 故检测的馈入信号y 与线密度的关系为： ( 2 4 ) 两者的放大系数共计为 ( 2 5 ) y = k 3 i r i = k 2 k 3 g = k q g ( 2 6 ) k q 决定了对棉条波动的响应程度，由于凹凸罗拉检测装置是机械式检测喂入棉 条的线密度，受原料性能、密集程度、蓬松性等影响。这与客观实际的波动有一定 的差异，必须以比例系数的调整来决定匀整机构调节量的大小1 2 “。如果比例系数过 大或过小，都将使匀整后的输出棉条定量偏离理想值。因此每次原料调整后，必须 经过实验调整罗拉的径向压力以改变放大系数。这样一方面保证了检测喂入棉条线 密度的准确性，另一方面，使喂入棉条进入牵伸区时能展开到合适于牵伸的最佳宽 度。 2 3 牵伸机构 所谓自调匀整就是该装置根据喂入或纺出半成品的单位长度重量( 在密度均匀 一致时也可用纱条粗细表示) 的差异，自动调节牵伸倍数，使纺出半制品的单位长 度重量( 或粗细) 保持一个较稳定的数值【2 5 】。 在纺纱机器上，牵伸作用是由前罗拉线速度比后罗拉线速度大而实现的，牵伸 倍数可根据前后罗拉速度或喂入和纺出半制品的单位长度重量求得。根据匀整原理， 单位时间内喂入半制品的重量和纺出半制品的重量应相等【l 】，即： v l gz = v 2 g 2( 2 7 ) 1 青岛大学硕士学位论文 式中：v 1 一后罗拉的线速度； g 1 一喂入半制品单位长度的重量； v z 一前罗拉的线速度； g 2 一纺出半制品的单位长度重量。 设：g l = g o + g 由式( 2 - 7 ) 得： g 2 v t = g l v 2 = ( g o + 么g ) v 2 ( 2 - 8 ) ( 2 - 8 ) 式左右两端各乘以v 1 后得 g 2 = ( g o + 彳g ) e( 2 9 ) 式中g o 一喂入半制品的额定重量； 么g 一喂入半制品额定重量g o 和喂入半制品实际重量g 1 之差： e 牵伸倍数。 在( 2 - 9 ) 式中，g 2 和g 0 是假定常数，g 和e 是变数，很显然g 2 是d g 和e 的函数，如果g 2 要保持不变，而变量i g 和e 之间的关系必须如下式所示，下式 是由等式( 2 - 9 ) 导出的。 e = e a g + g 0 g o ( 2 1 0 ) 式中e 一额定牵伸倍数。 ( 2 1 0 ) 式为纱条匀整的基本方程，它明确地给出了牵伸变化的规律。牵伸倍 数e 随着喂入半成品单位长度的重量偏差a g 的增大而增大，随着它的减小而减小。 即牵伸调节是以喂入纱条重量的偏差大小为依据的”。 2 4 延迟时间的确定 纱条匀整基本方程( 2 1 0 ) 找到了调节牵伸的规律，但在哪一点进行匀整才能 得到最佳效果是值得研究的。由于开环系统晟显著的特点就是针对性匀整，因此延 时时间的确定是十分重要的。为了正确确定匀整点的位置，先说明几个有关的基本 概念。 ( 一) 牵伸倍数和纤维头端密度的关系 牵伸装置中间的纤维处在前后罗拉握持点之间，从后罗拉线速度v l 转化为前罗 拉线速度v 2 。为便于研究，假设纤维头端在通过前罗拉握持点之前的一段距离的某 一点p 瞬时变速，p 点称为纤维变速点。因此，在p 点向前罗拉侧的纤维头端密度 青岛大学硕士学位论文 ( 即单位长度内包含的纤维头端数) 为其后侧的1 e ，如图2 2 所示，e 为牵伸倍数。 图2 - 2 ：牵伸前后纤维头端密度的变化 为使牵伸后的条子粗细均匀，在调节牵伸倍数时，应保证牵伸后的纤维头端密 度在任何位置都是均匀的，而通常仅使条子的粗细一致是不够的，其理由是：当纱 条内纤维头端密度一定时，断面内纤维根数也一定，在牵伸以后，仍能使断面内纤 维根数一定。但如果仅是粗细一定，则纤维头端密度不一定一致，在牵伸以后，也 不能得到断面纤维根数一定的产品。 要想得到粗细均匀的产品，则必须符合下列关系。设喂给条子的纤维头端平均 密度为万，所要求的平均牵伸比值为豆，在时间t 送到p 点的纤维头端密度为n p ( t ) ， 则所需的牵伸倍数e ( t ) 应为： 五n 。( t ) = = 一 e e c t ) 所以e ( t ) ：百业 n ( 2 - 1 1 ) 如果n 。( t ) 能够检测，则在时间t 的牵伸倍数，按式所示的e ( t ) 来进行控制时，可 以消除纱条不匀可以保持最小值。 ( 二) 纱条粗细和纤维头端密度的关系 为了消除纱条中的不匀，必须知道在时间t 内，进入纤维变速点p 的纤维头端 密度n p ( t ) 。但至今还没有测定n p ( t ) 的方法( 除非把条子破坏进行测定) 。因此，只能 不测定纤维头端密度，而代之以连续进行检测纱条的粗细，然后根据纱条粗细的变 化来推定纤维头端密度的变化。 1 4 青岛大学硕士学位论文 对这个问题的研究，是通过求纱条断面内纤维头端密度波动方程式以及断面内 纤维根数波动方程式进行的。纱条分别以i ) 0 和s ( x ) 的形式来表示，n ( x ) 表示纱条断 面中的纤维头端密度，s ( x ) 表示纱条断面内的纤维根数( 纱条细度) 。在纱条中各点 的n ( x ) 和s ( x ) 通常不是定值，而是x 的函数，而引起x 变化的因素很多，可以认为 是很多不同波形的复合，而各种周期性的波形都由不同的正弦波叠合而成。为便于 研究，将n ( x ) 和s ( x ) 的变化视作单一的正弦波，位置在x 点上的纤维头端密度为n ( x ) ， 则： n ( x ) ：厅+ 勋s i n 孥x 以 式中：万一平均纤维头端密度： 五一纤维头端密度变化的波长； 口一相对振幅，口= 振幅n 。 当纤维长度分布为常态分布时，可以求得s ( x ) 为： s ( x ) = i + i 岱a ( z ) s i n 三；( x + 伊) l 式中：i 一纱条断面内纤维的平均根数； ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) a ( 五) 一与 、纤维平均长度，、纤维长度的标准差仃有关的函数 妒一n ( x ) 和s ( x ) 的相位差。 比较方程( 2 1 2 ) 和( 2 一1 3 ) ，可以看出n ( x ) 和s ( x ) 的变化规律基本是相同的，所 不同的只是s ( x ) 的相对振幅比n ( x ) 大h ( 五) 倍，s ( x ) 的相位则比n ( x ) 迟后妒值。 当盯= o 、0 1 ，、0 2 f 、0 3 ，时，a ( 五) 值如图2 - 3 所示。 青岛大学硕士学位论文 ，簟季妒f 一 ， k 、 彩 一 l、。 馨 一 4 r 1 0 234 黼i - 4 = 0 曲缈0 = 0 丑 5 6 78 x r 曲 旺。司u 曲斟寸= 0 丑 图2 3 ：a ( ) 值与 l 的关系 从图2 - 3 可以看出，波长a 在平均纤维长度，的5 倍以上时，a ( 九) = l ，即s ( x ) 的相对振幅和n ( x ) 的相对振幅几乎相等。在a 5 ，) 时，口值几乎不变，五越 大越接近一定值妒m ，其值为： 扎州 ( 2 1 4 ) 设纤维长度离散系数为c ，则( 2 1 4 ) 式改写成： po o = ( 1 + c 2 1 ( 2 1 5 ) 因此，s ( x ) 对n ( x ) 的相位迟后，除了波长 极小时，基本等于妻0 + c 2 ) 。 由此可得出一个重要概念：纤维头端密度n ( x ) 和纱条断面内纤维根数s ( x ) 之间 ( 换一种说法为纤维变速点和纱条匀整点之间) 的相位差为2 、 c 7 。也就是说纤 二f 1 + 2 ) 维变速点和纱条匀整点是两回事，但两者之间又有紧密联系，即两者之间相差半个 纤维长度稍多一点。 ( 三) 纱条匀整点位置的确定 图2 - 5 所示为喂入纱条在牵伸区中纤维头端密度的变化情况。 图2 5 ：牵伸区n ( x ) 和s ( x ) 的关系 在后罗拉握持点d 的左侧取一点a ，a 和d 的距离为a ，设时间t 时a 点纱条 青岛大学硕士学位论文 的粗细为s a ( t ) ，再在距a 点妒处取点b ，在时间t 时，b 点的纤维头端密度为n b ( t ) ， 则由( 2 1 2 ) 式和( 2 1 3 ) 式可得： n b ( t ) - ：上。生塑二三( 2 - 1 6 ) 万 爿( 丑) i 但喂入纱条中各点的纤维头端密度在通过p 点以前是不变的，在b 点的纤维头 端密度不加改变地以v ，速度向右前进，在望二盟幽时间之后到达p 点( 图 叶 2 5 ) ，这里g 为前后罗拉握持点之距离，s 为纤维变速点p 和前罗拉握持点f 之间的 距离。因此，在时间t 内， 点的纤维头端密度相等，即 ( t ) = n b 卜 p 点的纤维头端密度和在以前鱼二塑塑型时间的b v l ( 口一p ) + ( g j ) v 将( 2 - 1 7 ) 式代入( 2 - 1 1 ) 式得： f 。、f n b t ( a - 妒) + v l ( g - s ) e ( t ) = 豆_ = _ 一 由( 2 1 6 ) 的关系式，可将( 2 1 8 ) 式写成： 喇氡吾去。坐半盐 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 因此，在时刻t 应进行调节的牵伸倍数，若和式( 2 1 9 ) 所确定的值一致时，就 可以消除喂入纱条的不匀。( 2 1 9 ) 式的意义说明：纱条匀整点是距前罗拉握持点s + 口 处的q 点( 图2 5 ) ，喂入纱条从检测点a 到q 点所经过的时间，为塑二盟二幽 v 1 而掣。1 0 0 表示在时刻t ，a 点的纱条粗细s a ( t ) 和s 之差对于s 百分比，简称纱 s 条粗细偏差程度。因此为消除纱条不匀，可连续地测定通过a 点的纱条粗细，若发 青岛大学硕士学位论文 现较平均值粗a 的粗段时，此粗段则在到距前罗拉握持点s + 鲈= s + 昙( 1 + c 2 ) 处时， 将牵伸倍数调整为较平均牵伸倍数大a 即可。若为细段，则减小其牵伸比。 在( 2 1 9 ) 式中，设 堕盟二尘翌2 v s 在密度均匀一致，并用百分数表示的情况下 jg i g 0 ( 2 - 1 9 ) 式可以改写成 ：垒呈 ( 2 2 0 ) s e ( t ) = 豆+ e 一士答( 2 2 1 ) 一 一( 五) g 0 将( 2 2 1 ) 式与( 2 1 0 ) 式对比，两式相差i a ( 五) 倍。( 2 1 9 ) 式或( 2 2 1 ) 式为修正后的牵伸倍数调节方程。但该式中含有因波长五而变化的a ( 五) ，因此很 难确定e ( t ) 值。但由分析可知，a ( a ) 的值在五 5 歹时，即a ( 五) = l ，纱条 不匀的消除比较完全：当五 5 ，时，差异较大，纱条不匀的消除则不完全，即使如 此，也有匀整效果；五 2 5 0 0 0 小时) 触摸屏4 线精密电阻网络( 表面硬度4 h ) c p u3 2 位r i s cc p u2 0 0 m h z 存储器 1m bf l a s hr o m + 4m bd r a m 通信端口c o m l ：r s 2 3 2 r s 4 8 5 4 2 2c o m 2 ：r s 2 3 2 供电电源2 l 2 8v d c2 2 0 i i l a 2 4 v d c m t 5 0 6 s 采样e a s y b u i l d e r 5 0 0 设计软件设计图形化操作界面。利用m o d b u s 通 讯协议，通过r s 4 2 2 串行通讯与自调匀整系统相连接，完成参数的输入及显示。 3 1 0 电源部分 自调匀整控制系统需要+ 5 v ，+ 一1 5 v 及+ 2 4 v 三组电源。其中，+ 5 v 电源为c p u 及其外围电路的系统电源；+ 一1 5 v 为棉条厚度传感器及其放大电路电源。+ 5 v ，+ 一1 5 v 两组电源共地，由一只开关电源提供。+ 2 4 v 提供给操作按钮、故障传感器、伺服放大 器及指示灯等单元，要求与系统电源隔离，通过一只独立的开关电源提供。 4 l 青岛大学硕上学位论文 第四章自调匀整装置软件设计 并条机自调匀整装置控制软件采用软