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计算机控制变频调速技术在粗纱机上的应用研究 摘要 传统的粗纱机采用机械传动与控制。其控制系统包括一对较长的 锥轮、多组交换齿轮，以及由弹簧、棘轮与杠杆组成的机械式控制系 统。整个粗纱机的机械传动系统非常复杂。由于机械传动链中的非线 性误差较大，使粗纱张力的控制很不稳定，调速精度不高，动态响应 差；另外，工艺计算、品种变换非常麻烦，品种的变换范围较小，生 产值与理论给定的值有一定的偏差。使粗纱生产的产量、质量的进一 步提高受到限制。 本文提出了一种基于计算机控制5 电机变频调速技术的新型卷绕 成形控制系统，取消了成形机构、锥轮变速机构以及牵伸齿轮、捻度 牙齿轮这几部分，大大简化了粗纱机的机械结构。具体方法是；采用 5 台变频电机，分别控制前罗拉、后罗拉、锭子、筒管的转速以及龙 筋升降的速度，实现各主要驱动部件的运动分别独立进行，由程序控 制各部件的传动比。通过直接检测前罗拉输出速度，并由软件实现简 管卷绕速度和龙筋升降速度的改变；通过控制前罗拉与后罗拉的转速， 由软件实现对粗纱牵伸倍数与捻度的控制。另外，在升降传动中装一 光栅尺，根据其读数由工控机控制每层升降时的龙筋动程，实现龙筋 缩减动程，保证粗纱成形正确。 文中，首先分析了粗纱卷绕成形的原理，并由此建立了各电机转 速变化数学模型以及粗纱卷绕成形数学模型。确定了系统整体方案， 设计了粗纱机卷绕成形控制系统的硬件和软件。系统的软件设计是本 文的重点，作者采用v i s u a lc + + 语言作为开发工具，编写了基于电机 转速变化数学模型和粗纱卷绕成形数学模型的控制软件，实现了对电 机的转速控制及粗纱的成形控制。系统反应迅速，能很好的控制卷绕 精度，可以方便的选取、保存粗纱的基本工艺参数，实时显示粗纱机 的运行状态。为了能更好的控制转速精度，本文还讨论了模糊控制算 法在速度反馈控制中的应用。 该系统经过实验验证，结果表明计算机控制5 电机变频调速在粗 纱机上的应用是可行的，系统能够实现粗纱的正常卷绕，精确的控制 粗纱成形；具有良好的界面，可以方便的设置、更改参数，变换粗纱 品种，具有较高的实用价值。 关键词：粗纱机，卷绕，变频器，计算机控制，机电一体化 一i i r e s e a r c ho n a p p l i c a t i o no f i n v e r t e r c o n t r o l l e db y c o m p u t e r i n r o v i n g f r a m e a b s t r a c t i nt r a d i t i o n a lr o v i n gf r a m e t h ec o m p l e xm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na n d c o n t r o ls y s t e mi sa d o p t e d ，w h i c hi n c l u d e sa p a i ro ft o n gp r i c kw h e e l ，q u i t e af e w g r o u p so ft r a n s f o r m i n gg e a r s ，a n ds p r i n g s ，r a t c h e tw h e e l sa n dl e v e r s b e c a u s eo fn o n l i n e a re r r o ri nt h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n s y s t e m ，t h e c o n t r o lo nt h et e n s i l ef o r c eo f y a r n i s u n s t a b l e ，t h ep r e c i s i o n o f t r a n s m i s s i o ni sl o w , a n dt h e d y n a m i cr e s p o n s ei s d u l l f u r t h e r r l o r e ， c a l c u l a t i o no fp r o c e s sa n dc h a n g i n gv a r i f i e si s v e r yt r o u b l e s o m e ，t h e r a n g eo fc h a n g i n gv a r i e t i e si ss m a l l ，a n dt h ea c t u a lp r o c e s sv a l u eh a ss o m e d i f f e r e n c ew i t ht h ev a l u ei nt h e o r y ，w h i c hl i m i t sf u r t h e re n h a n c ei no u t p u t a n d q u a l i t yo fp r o d u c t i nt h i sp a p e r , w e p r e s e n ta n e w r o l l i n ga n df o r m i n g c o n t r o ls y s t e mb a s e d o ni n v e r t e r s y s t e mi n c l u d i n g f i v em o t o r sc o n t r o l l e d b yc o m p u t e r w e c a n c e lt h ef o r m i n g m e c h a n i s m ，p r i c kw h e e ls h i f tm e c h a n i s m ，p u l l i n gg e a r s a n d t w i s t i n gg e a r s ，s oa st os i m p l i f yt h er o v i n gf r a m e i nd e t a i l ，w ea d o p t f i v em o t o r st oc o n t r o lt h es p e e do ff r o n tr o l l e r ，b a c kr o l l e r , s p i n d l e ，t u b e r a n dl i f t e r , t or e a l i z er e s p e c t i v em o v i n go fe a c hm a i nd r i v i n gp a r t t h e p r o c e d u r ec o n t r o l st h et r a n s m i s s i o nr a t e b yd e t e c t i n gt h es p e e do ff r o n t r o l l e r d i r e c t l y ，t h e s o f t w a r ec h a n g e st h e s p e e d o ft u b e ra n d l i f t e r b y c o n t r o l l i n gt h es p e e do f f r o n tr o l l e ra n db a c kr o l l e r ，t h es o f t w a r ec o n t r o l s t h ep u l l i n gt i m e sa n dt w i n i n gd e g r e e ar a s t e rr u l e ri sf i x e di nt h el i f t e r a c c o r d i n g t oi t sr e a d i n g ，t h ec o m p u t e rc o n t r o l st h ed i s p l a c e m e n to f l i f t e r , s oa st or e d u c et h ed i s p l a c e m e n to fl i f t e ri ne v e r yt i e rt oe n s u r ea c c u r a t e f o r m i n g m 一 i nt h i sp a p e r , a f t e ra n a l y z i n gt h et h e o r yo f y a r nr o l l i n ga n df o r m i n g ， t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fc h a n g i n gm o t o rs p e e da n dy a r n r o l l i n ga n d f o r m i n g i sb u i l t t h eh o l i s t i cs y s t e m p r o j e c t i sp r e s e n t e d t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d d e s i g no fs o f t w a r ei st h ee m p h a s e s o ft h i s p a p e r b a s e d o nt h em a t h e m a t i cm o d e l ，ie d i tt h es o f t w a r eo f c o n t r o l l i n gm o t o rs p e e da n dy a r nr o l l i n ga n df o r m i n gb yv i s u a lc 十+ t h e s y s t e mr e s p o n s e sr a p i d l y ，a n dc o n t r o l st h er o l l i n gp r o c e s sp r e c i s e l y b yi t ， t h eu s e rc a nc h o o s ea n ds a v et h eb a s i cp r o c e s sp a r a m e t e r se a s i l y t h e r e a l t i m er u n n i n gs t a t u so fr o v i n gf l a m ei sd i s p l a y e d i no r d e rt oc o n t r o l t h ep r e c i s i o no f s p e e d ，t h ea p p l i c a t i o no ff u z z y c o n t r o la r i t h m e t i ci ns p e e d f e e d b a c ki sa l s od i s c u s s e d t h es y s t e mi sv a l i d a t e d b ye x p e r i m e n t s ，t h e r e s u l t s p r o v e s t h e f e a s i b i l i t yo fc o n t r o l l i n gb yc o m p u t e ri n v e r t e r st oa d a p tt h es p e e do ff i v e m o t o r si nr o v i n gf r a m e t h es y s t e mr e a l i z e st h en o r m a lr o i l i n go fy a r n ， c o n t r o l st h ef o r m i n go f y a r np r e c i s e l y b yi t sn i c ei n t e r f a c e ，t h e u s e rc a r ls e t a n dc h a n g ep a r a m e t e r s ，a n dc h a n g e st h ey a r nt y p e s s ot h es y s t e mi s v a l u a b l ei na c t u a lp r o c e s s k e y w o r d s ：r o v i n gf r a m e ，r o l l i n g ，i n v e r t e r , c o m p u t e rc o n t r o l ，m e c h a t r o n i c s n a m 匝 s u p e r v i s e db y 附件一： 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。所呈交的学位论文，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己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 所写的内容受责，并完全意识到本声明的洁律结果由本人承担。 学位论文作者签名 1 3 期：沙妒年 日专以墨堋 附件二： 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i 、j 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。 本学位沦文属予 不保密彤 学位论文作者签名 墨南 日期：c ) 洲年) 月玛日 指导教师签名 日期：胡诌日 第一章绪论 第一节引言 粗纱工序的目的是将并条后的熟条加工成不同支数和不同捻度的粗 纱。如何在保证产品质量的前提下，使机器更可靠、结构更简单、操作 更方便、效率更高，是纺织机械领域的重要研究课题。传统粗纱机的传 动系统比较复杂，变换齿轮繁多，采用锥轮变速机构，其铁炮皮带存在 打滑现象，阻碍了粗纱机和高速大卷装的进一步发展。 为了提高劳动生产率，进一步缩短工艺流程，自5 0 年代后期以来， 国内及国外许多国家先后研制成功了超大牵伸细纱机和气流纺纱以及其 他新型纺纱机，可采用熟条直接纺成细纱，取消粗纱工序。为此，曾一 度影响着粗纱机的改进与发展。根据目前生产实际情况来看，上述超大 牵伸及新型纺纱机，在喂入方式、使用原料、产品品种以及产品质量等 方面还存在一定的局限性，因此，目前尚不能完全取消粗纱机。相反， 在积极研究改进现有超大牵细纱机、气流纺纱机和其他由熟条直纺细纱 的新型纺纱机的同时，还应积极认真的改革现有粗纱机和研究设计新型 粗纱机，为提高产量、增加品种、改进质量、减轻劳动强度和提高劳动 生产率而努力。 随着我国加入世界贸易组织，国内纺织品出口日渐增加。然而，我 国虽然是一个纺织生产的大国，却并不是一个纺织强国，尤其在纺织机 械的设计与制造方面，与世界先进水平有着相当大的差距。这一方面是 由于本来就很薄弱的工业基础，而且，在改革开放以前，我们与国外同 行之间交流甚少，基本上处于封闭的状态；另一方面，各个部门和单位 之间各自为战，往往造成了技术力量的分散，地方保护与n i 1 保护主义 严重，缺乏相互间的合作，使得本来就不强大的研发力量不能形成合力， 从而在国际间的竞争中处在相对劣势，大大影响了整个国家的整体科研 水平。最近几年，科研部门加强了合作，尤其是产、学、研之间的相互 沟通与协作，科技水平得到了相当大的提高，相信在不久的将来，我们 一定能够赶上并超过国外同行，我国的纺织机械水平一定能够再上新台 阶。 第二节机电体化技术在纺纱机械上的发展 机电一体化概念是日本的学者于1 9 7 1 年提出的，即 “m e c h a t r o n i c s ”，其中，词首“m e c h a ”代表“机械学”，词尾 “t r o n i c s ”表示电子学，即机械工程与电子工程的综合集成。 美国是机电一体化产品开发和应用最早的国家之一。美国机械工程 师协会( a s m e ) 的一个专家组于1 9 8 4 年提出了“现代机械系统”的定 义：由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能 量流等动力学任务的机械和( 或) 机电部间相互联系的系统。这一含义 实质上是指多个计算机控制和协调的、高级机电一体化产品【l 】。 机电一体化是将机械、电子、信息处理和控制以及软件等现有的技 术进行综合集成的一种技术群体概念，其目的是研究怎样将机械装置、 电子设备和软件组成一个功能完善的、柔性自动化的工程系统，从而为 人类的生产和生活等各个领域的自动化服务。 1 2 1机电一体化是机械工业发展的方向 目前微型计算机应用于机械设备、生产过程和各种产品之中已经成 为机械工业的发展主流。在许多领域，原来用机械装置、电器装置和普 通电子电路来实现的功能( 例如速度控制、精度控制等) 已经不能适应 新的发展要求，需要与微型计算机相结合，构成新型的机电一体化产品， 这样就可在不增加成本的情况下，大大增强原设备的功能和技术指标。 而且，这种机电一体化产品的设计工作与原来类型繁多的机械部件和控 制电路相比，要方便得多，能大量选用标准化设计。一旦要改变或增删 某些功能，只需对计算机控制软件部分作修改即可，不需要再对硬件做 复杂的改动，不仅缩小了产品体积，而且比原来使用电子电路所需器件 的数量显著减少，明显提高了系统的可靠性。 在机电一体化技术应用的初期，所选用的微型计算机大多以单片机 或单板机为主，然后再开发一些接口电路来实现计算机控制。近年来， 由于2 1 2 j k 控制计算机( 工控机) 功能的不断完善，以及其成本大幅度降 低，国内外许多机电体化技术的开发都开始以工控机为平台，许多功 能性的接口电路或采用标准板卡或外置式装置，或自行开发，直接插入 主板扩展槽中，一方面使得控制系统占地面积减少、结构紧凑，另一方 面降低了成本，缩短了开发周期，同时也有利于减少干扰因素，增强了 抗干扰能力。更为优越的是，借助于操作系统的不断进步( 从d o s 到 w i n d o w s 系列) ，人们可以开发更为完善的软件系统( 包括功能集成、 人机界面、在线帮助与故障处理等等) ，而不需要编写大量的程序代码。 这样，在相同的开发周期内，人们可以有更多的时间集中到控制系统的 功能开发上。 机电一体化是机械工业的发展方向。国外曾经有人预言，2 1 世纪将 是机电一体化的时代。因此，我国应当加强机电一体化的开发与产品的 研制，为把我国机械工业赶超世界先进水平而奋发图强。 1 2 2纺纱机械机电一体化技术的发展 机电体化技术的应用范围涉及很广，从家庭办公自动化到无人化 工厂，无所不包，纺织机械也不例外。从1 9 8 7 年以来的历届国际纺织机 械展览会上可以明显看出，纺织机械产品主要的改观和功能的提高无不 体现机电一体化的应用，而当今各国纺织机械厂商竞争的焦点也是在于 如何通过机电一体化的途径实现高度的自动化。 早期，在机电一体化技术尚未很成熟的时代，纺纱机械技术发展的 焦点集中在改进纺纱原理、缩短纺纱工序、降低成本、减少占地面积以 及提高纺纱速度等几个方面来提高经济效益。然而，单纯通过改进纺纱 方法、工艺来提高纺纱效益，已经发展到了一个瓶颈，存在着很大的局 限性，机械设备的落后越来越制约着整个纺织产业的发展，正是由于机 电一体化的飞速发展，纺纱机械技术出现了重大的进步。 1 单机自动化程度的提高 目前，纺纱各个工序的设备均提高了机电一体化程度，多数设备均 采用了不同层次的微机控制装置、数显装置，大量的人工操作均由自动 化装置来完成。 例如，在自动络筒机方面，均采用了空气捻接器、细纱管纱自动搬 运装置、细沙空纱管自动搬运装置、自动定长、自动络简纱即装空管装 置、自动筒子传输带等自动化装置，基本实现了完全自动化。如村田公 司的n o7 7m a c hc o n e r & l i n kc o n e r 、赐来福公司的a u t o c o n e r2 3 8 、萨 维奥公司的e s p e r o 等等。1 。 2 生产过程自动化程度的提高 要实现整个生产过程的自动化，必须将各个工序连接起来。传统的 整个纺纱生产流程：o p e n i n g ，b l e n d i n g & c l e a n i n g c a r d i n g d r a w i n g r o v i n g s p i n n i n g w i n d i n g t w i s t i n g 。 工序间的连接包括两种方法：工序合并和工序间采用自动物料搬运 系统。 工序合并具有使加工工序简化、节约占地面积、提高产品质量等优 点。多年来，各国纺机制造商均在这方面投入研究并取得了成功。清梳 联和细络联是这方面的代表。 自动物料搬运系统得到进一步发展。由于计算机控制技术的发展， 是得各工序间的物料搬运自动化得以实现。这方面比较突出的是意大利 m a z o l i 公司“1 ，它几乎可以生产成套的自动物料搬运系统，包括：自动 化原料运送装置、清梳联喂棉系统、自动精梳卷运输装置等。 3 监测和检测技术的提高 在现代纺纱生产中，单一采用离线实验室检测的方法已经远远不能 适应现代纺纱的要求，当前已广泛采用各种在线质量与产量数据监测装 置来确保纱线质量。在线质量检测系统反应迅速、准确，能及时判断有 错输出并进行处理，确保纱线的总体质量。随着纺纱机械速度的不断提 高，在线质量检测更为重要。目前的纺纱机械上，广泛采用了各种电子 清纱器、自调匀整器、张力测量仪等电子监测装置，它们与各自的控制 和数据处理系统组成在线质量检测系统。由于原料输入量高而输出量低， 前纺的梳棉和并纱工序最适合应用在线监测系统：而纺纱部分生产速度 高，缺陷经高倍牵伸传递后会变得很大，造成纱线疵点，损害纱线质量， 应用在线测量系统也非常重要。 采用在线质量和产量监测系统后，可以更有效的发挥离线实验室检 测的作用。实验室可以集中分析处理在线系统送回的数据，并完成在线 系统无法完成的检测工作。两者互相结合，可以更好的保证纱线质量， 使产量和质量控制由反应式方式上升到防止性方式。 1 2 3 纺纱机械未来发展趋势 纺纱机械的发展目标是实现f a 化和c i m s 系统，应该既纺纱机械自 动化的发展已经具备了全自动化纺纱厂的雏形，但距离最终目标的实现 还很遥远。 全自动化纺纱厂要求具备生产的高度灵活性、最小的人力需要、高 生产率、质量水平稳定性能，另外还要求操作和管理人员具有更高的素 质”。 就机器硬件而言，简化设计和便于总体管理是现代机器的设计原则。 纺机的发展显然有两个方向：一是提高现有机器的性能：二是简化机器 设计，实现工序合并。要实现最终目标显然要走后一个方向，但机器连 接或工序连接必须在单机具备低维护需要和长时间无间断或无故障运转 的条件下才能实现“，所以对机器的可靠性要求很高。 生产率和生产质量也是一对矛盾。因为生产质量要求提高，生产率 必然会受到限制：反之，生产率提高了，质量水平也往往会有所下降， 所以两者往往需要折衷。 就机器的控制系统而言，现在发展的信息数据监测、控制系统，信 息传送量大，线路连接复杂，接口数量多，控制的成本很高。未来的纺 纱工序应该在体系结构( 即微处理器) 的最低层次上采用智能控制，单 机可以直接自控并行使相互间的协调功能，而必要的总体信息连接由网 络来完成”，这样使得总控制系统尽可能简化，提高可靠性并降低控制成 本这就是现场总线控制系统。 总之，实现f a 化和c i m s 化是纺纱厂发展的必然趋势，虽然还有许 多技术难题需要解决，但在不久的将来，其实现是必然的。 第三节国内外粗纱机的技术水平比较 1 3 1国内粗纱机的发展状况 国内悬锭粗纱机生产始于2 0 世纪8 0 年代末期，以天津纺机厂生产 的f a 4 0 1 型粗纱机为代表，锭翼的最大机械速度为1 2 0 0 r p m 。发展至今， 出现了以宏源纺机厂的h y 4 9 2 型、太行机械厂的f a 4 2 5 型和天津纺机厂 的f a 4 9 1 型为代表的最新型的粗纱机，锭翼的最大机械速度达到 1 6 0 0 r p m 。 目前国内粗纱机的代表机型主要特点有： 1 f a 4 9 1 型租纱机： 天津纺织机械厂生产f a 4 9 1 型粗纱机机电一体化程度较高。该机采 用先进的计算机控制技术、可编程控制器( p l c ) 、变频器、交流伺服技 术，实现了多电机分部传动。其配置由工控机、液晶显示、触摸屏、r s 4 8 5 接口、可编程控器、变频器、变频专用异步电动机、光电编码器等组成。 然目工控枧 基准笋关i ，一1 佳_ 一 各娄开关 辅助电机 指示灯 双向吸铁 电磁离旮器 交流接触器 圈1 - lf a 4 9 1 电气系统的组成 变颠器 该系统的核心是工控机，它以数学模型来控制粗纱成形，从而取代了繁 杂的上下铁炮及机械换向机构组成的成形机构。通过它的触摸显示屏可 以非常容易的进行粗纱及各种参数的设定和修改等操作。p l c 是逻辑处 理单元，它能可靠的对粗纱机的各种运行条件进行分析并间接的去控制 执行元件。变频器是有效控制交流电机的可控元件。f a 4 9 1 型电气系统的 主要组成为：工控机+ p l c + 变频器+ 2 台交流电机，如图1 1 所示。 整机采用2 台变频电动机，在工控机内建立电机输出速度、纺纱卷 绕成形和纺纱能力控制的数学模型，主电动机和卷绕电动机的速比随着 纱锭直径和纺纱张力的变化而变化，2 种电动机的惯性负载亦随纱锭直径 的增大而增大，因此本系统属惯量变化大的非线性时变速度同步随动控 制系统，并采用了闭环控制方式，由光电编码器测得速度反馈信号输入 计算机，提高了系统抗负载变化能力。 2 f a 4 2 5 型粗纱机： 太行机械厂的f a 4 2 5 型粗纱机控制系统的硬件配置与f a 4 9 1 型类同， 但控制用器件和软件有区别，f a 4 2 5 型采用5 8 6 工业控制计算机，r s 一2 3 2 通讯口。该种型号取消了成形机构，上下锥轮及皮带等装置，采用建立 在原机械传动系统基础上的数学模型，并辅以智能专家系统，运用变频 调速技术，由主电机和变速电机分别独立传动，微电脑进行同步控制， 图1 - 2f a 4 2 5 电气系统的组成 动 龙筋升降 使得牵伸和卷绕两大传动结构在纺纱过程中，卷绕速度和前罗拉输出速 度能够得到良好的瞬时匹配，基本上能使粗纱张力稳定在理想状态，粗 纱张力的绝对值只在一个较小的范围内变动，达到近似恒张力纺纱效果。 其电气系统的主要组成为：工控机+ 变频器+ 2 台交流电机，如图l 。2 ； 但是，依然保留了龙筋的换向机构、差速箱装置、捻度、张力、升降等 变换齿轮。 3 h y 4 9 2 型粗纱机： 无锡宏源纺机集团的h y 4 9 2 型由4 台变频电机独立传动，均采用先 进的微电子技术和变频调速技术控制各台电机速度，达到电机同步控制 技术要求。采用单色液晶显示屏作为人机对话界面，各种纺纱工艺参数 可在显示屏上实时显示和实时设定，调整方便、快捷并且简单易用。工 控机根据设定的成形长度及当前粗纱卷绕成形直径、纺纱速度等实时参 数，利用变量参数调节的数学公式，推导出龙筋换向的长度和成形卷绕 时间控制电磁离合器动作，实现粗纱卷绕的成形控制。这两种机型的 电气系统主要组成为：工控机+ 单片机+ 变频器+ 4 台交流电机，保留了 捻度齿轮及牵伸齿轮。其机电仪一体化程度较高，整个传动系统无锥轮 等复杂机构，机械结构简化，电气控制系统结构合理，抗干扰性能强， 系统可靠性强。 由此可见，国内主要粗纱机有着以下一些共性： 1 ) 采用工业控制计算机控制技术，可编程控制技术和变频变速技 术。控制2 0 只变频电机，取消了传统粗纱机成形机构、上下锥 轮机构、锥轮自动复位机构及张力微调等结构，大大简化了机械 结构。减少了调整点，机构故障率大幅度下降。 2 ) 采用可简单设定运载条件的大型接触式显示屏，只要在屏上直接 输入必要的参数，如：粗纱定量、纤维的品种、卷绕系数、捻度、 定长、锭速等一些基本纺纱条件，即可由计算机通过数学模型自 动设定各电机的转速关系。并随着纺纱层数的增加，自动调整锭 翼转速，使粗纱张力、卷绕状态最佳从而减少丁断头，提高了 运转效率和操作效率。另外显示屏还可直观显示机器的运行或故 障的状态及位置等。 3 ) 采用高速封闭式锭翼和耐磨弹性橡胶加捻器，确保高速纺纱时捻 度均匀和断头率低。同时，考虑到该机高速的特点，因而对润滑 系统的设计也作了充分的考虑，对重要的传动部件和齿轮实现定 点、定量和定时润滑，延长了机器的维护周期。 1 3 2国外租纱机的发展状况 国外同时期粗纱机的则迅猛许多，其机电一体化程度远远超出国内 的产品，计算机控制变频调速技术开始得到广泛的应用。同本丰田 ( t o y o t a ) 公司的f l l 0 0 型，德国青泽( z i n s e r ) 公司的6 6 8 型，意 大利马佐罩( m a z o l i ) 公司的b c l 6 型，瑞士立达( r i e t e r ) 公司的 f l 1 a 型，德国1 n g o l s t a d t 公司的f b l l 型和f w l l 型等都是机电一体 化程度相当高的产品，其中又以日本丰田的f l l 0 0 型最为突出，其f r d 型静止式粗纱落纱装置能同时握住满纱筒管和空简管，因此停车时f i l p , 有3 r a i n ，这是世界上最短的落纱时间。1 9 9 0 年代后期，日本和德国相继 推出了机电一体化程度更高一层的多电机变频传动的粗纱机，其最大的 特点是用汁算机数学模型控制取代了过去繁杂的上下铁炮及机械换向机 构组成的成形机构，这给提高粗纱机各项性能带来了可靠的保证。 1 3 3国内外粗纱控制系统的比较 国内最新研制的粗纱机基本上已经取消了锥轮传动的方式，采用计 算机控制变频调速、可编程控制器变频调速等方式，但是大都保留了龙 筋的换向机构、差速箱装置、捻度、张力、升降变换齿轮等笨重的机械 装置，其中最为先进的宏源公司h y 4 9 2 型，依旧保留了牵伸齿轮机构。 而国外的同类产品则已经开始大面积的采用计算机控制变频调速技 术，牵伸系统、筒管、锭子和龙筋由单独的电子装置传动，并由工控机 进行中央协调，方便快捷地凋变电机速度，通过改变软件，可得到不同 规律的脉宽调制变速，还可建立自适应系统，实现在线辨识，使被控对 象满足目标函数；关键元件设有多重保护( 如大功率晶体管) ，有准确发 现和排除故障功能，传动的可靠性高。通过建立纺纱工艺的专家系统， 以及c c d 张力微调装置，基本实现了恒离心力、恒张力粗纱。 计算机控制变频调速除了具有p l c 控制的功能外，还能方便快捷的 调变电机速度，改变软件，可得到不同规律的脉宽调制变速，还可建立 自适应系统，实现在线辨识，使被控对象满足目标函数；另外，关键元 件设有多重保护，有准确发现和排除故障功能，传动的可靠性高。因此， 计算机控制变频调速技术已成为改进粗纱机传动系统的发展方向。 第四节课题研究内容及创新点 传统的粗纱机采用机械传动与控制。其控制系统包括一对较长的锥 轮、多组变换齿轮，以及由弹簧、棘轮与杠杆组成的机械式控制系统。 整个粗纱机的机械传动系统非常复杂。由于机械传动链中的非线性误差 较大，使粗纱张力的控制很不稳定，调速精度不高，动态响应差：另外， 工艺计算、品种变换非常麻烦，品种的变换范围较小，生产值与理论给 定的值有一定的偏差。使粗纱机产量、质量的进一步提高受到限制。 本课题通过对粗纱二 ：艺过程的分析，根据卷绕成形原理，建立了基 于前罗拉、后罗拉、锭子、筒管以及龙筋升降之间关系的数学模型，并 确定各个相应电机的转速；采用变频调速技术来代替原有的机械控制技 术，选用模糊控制算法对各电机转速进行反馈控制设计；最终设计出计 算机控制、五电机变频驱动的粗纱机传动系统软件。 本课题的创新点主要有： 1 在粗纱机控制系统中采用5 电机变频调速技术，大大简化了粗纱 机的原有机械结构。 2 采用计算机控制卷绕成形。可以方便的对粗纱机的各种基本参数 ( 如牵伸倍数、捻度、前罗拉直径等) 进行设置，同时扩大了调 整范围，保证了成形精度。 3 采用模糊控制算法对各电机转速进行反馈控制设计，可以精确的 调节各个电机的转速，并实现满纱定长、定位停车和中途停车位 的选择。 参考文献 1 赵松年张奇鹏主编机电一体化机械系统设计北京：机械工业出 版社1 9 9 6 6 2 沈洪勋，等编著纺织设备机电一体化基础北京：纺织工业出版社 1 9 9 2 1 2 3 f l e i f e l d p r e p a r a t o r yp r o c e s so fs p i n n i n g - - - e v o l u t i o nn o tr e v o l u t i o n i t by a r na n df a b r i cf o r m i n g 1 9 9 5 ，( 1 ) ：3 9 4 3 4 l vl a n g e n h o v e c o m p u t e r - c o n t r o l l e d q u a l i t ym a n a g e m e n t i nc o t t o n s p i n n i n g i t b y a ma n d f a b r i c f o r m i n g 1 9 9 5 ，( 1 ) ：3 4 3 6 5 h l a u b s c h e r m a n a g e af a c t o r y a c h a l l e n g e i t s t e x t i l el e a d e r 1 9 9 21 】9 1 9 6 1 2 第二章粗纱机控制系统数学模型的建立 根据粗纱机的机构和作用，全机可分为喂入、牵伸、加捻和卷绕等 四个部分。其工艺流程如图2 1 所示，熟条从条筒引出，经导条辊和喇叭 1 3 喂入牵伸装置。熟条在此被牵伸成规定号数的须条，然后由前罗拉输 出，再经锭翼加捻成粗纱，最后引至筒管绕成两端截头圆锥形的管纱。 图2 - 1 粗纱机的工艺过程 第一节实现粗纱卷绕的条件1 2 1 1 粗纱牵伸系统 牵伸系统的主要作用就是将并条后的棉条拉长变细，至需要的号数。 牵伸不仅使棉条单位长度的重量变轻，即棉条横断面内的纤维根数减少， 还能使棉条中纤维伸直平行。牵伸的这些作用是通过棉条中纤维与纤维 间产生相对位移，使纤维分布在更长的片段上而达到的。 粗纱机的牵伸机构，主要由罗拉、皮辊、皮圈、集合器、加压装置、 清洁装置等组成。其主要形式有三上四下式曲线牵伸装置、双皮圈式牵 伸装置等。总的来讲，双皮圈牵伸比三上四下曲线牵伸优越，这是由于 前者的前区摩擦力界布置比较合理，浮游区较小，对于使纤维头端靠近 前钳口变速和使其变速点分布比较集中而稳定都是有利的，因此其具有 提高产品质量，适应高倍牵伸的优点。而目前，较传统双皮圈牵伸更为 完善的装置是四罗拉双短皮圈牵伸，其结构形式如图2 2 所示。 图2 - 2 四罗拉双短皮圈牵伸结构 牵伸的程度用牵仲倍数表示，如棉条被拉长e 倍，棉条单位长度重 量和棉条横断面内纤维的根数减少到为原来的l i e 倍，则其牵伸倍数为e 倍。 假定牵伸过程中没有纤维散失，那么牵伸前后、后棉条重量不变， 则： 或 因为 厶一= l 。 彤厶 暇上， 啊o cn 1 ，o cn 2 ”盟，。，：些 j n c n c l 1 一”1 2v 2 所以 e ：堕：丛：旦：生：旦 n 2 2l 2v 2 式中，。批、月，、l ，、r ，分别表示牵伸前棉条单位长度重量、喂入 棉条号数、横截面内纤维根数、喂入棉条长度和喂入罗拉表面线速度； 、飓、t 1 2 、l 2 、f 2 相应表示牵伸后棉条单位长度重量、喂入棉条号数、 横截面内纤维根数、喂入棉条长度和喂入罗拉表面线速度；m 表示棉条 中纤维号数。 上式说明：e 正比于l 2 、v 2 ，而反比于2 、”2 、踢。 2 1 2 租纱卷绕系统 在粗纱机上，由于锭翼围绕筒管作相对运动，引导粗纱在筒管的径 向一层挨一层的进行卷绕：同时由于筒管对锭翼作相对移动，引导粗纱 在筒管的轴向一圈挨一圈的紧密排列，绕成如图2 3 所示的卷装形式。 图2 - 3 粗纱纱筒 采用锭翼围绕筒管进行卷绕时，锭翼比筒管的回转速度要快。因锭 翼除了引导粗纱进行卷绕外，还要对纱条进行加捻。在回转中，由于两 者转速不同而实现卷绕；当锭翼转速大于筒管转速时称为翼导，筒管转 速大于锭翼转速时称为管导。在翼导中，由于筒管的回转方向和卷绕方 向相反，断头时容易产生乱头和飞花，且因筒管转速随卷绕直径的增加 而增加，如果卷装的动平衡条件不良，大纱时更易增加回转的不稳定性。 在管导中，则无此缺点。故在棉纺粗纱机上，一般均采用管导卷绕，在 管导卷绕中，筒管转速与锭翼转速之差，称为卷绕转速。即 n = n b ns 或n b = m + 。( 2 1 ) 式中心一卷绕转速( r m i n ) ； 6 一筒管( 卷装) 转速( r m i n ) ； m 一锭翼( 锭子) 转速( r m i n ) 。 为了实现正常卷绕，必须保证任一时间内，前罗拉输出的实际长 度和筒管的卷绕长度相等。 即lf一dxn 或 n 。= l j ，d 。( 2 - - 2 、 式中 巧单位时间内牵罗拉输出纱条长度( r a m r a i n ) ： 见一粗纱管的卷绕直径( m m l 。 式( 2 - - 2 ) 表示卷绕转速和卷绕直径之间的数量关系，称为粗纱卷绕速 度方程。将式( 2 - - 2 ) 带入式( 2 - 1 ) ，得： nb 2 n s 七l | nd ；q 一协 在一落纱时间内，粗纱捻度是不变的，即式( 2 - - 3 ) 中m 和所不变。 但因d ，在一落纱时问内由小变大，故。将随仇的增大而减小。可见， 筒管转速是由恒速的锭子转速m 和变速的卷绕转速上，z 见两部分速度 台成的，合成的结果也是变速。图2 4 表示这三种速度对卷绕直径的关系。 图中说明，在一落纱时间内，锭子的速度不变，但筒管速度和卷绕速度 随卷绕直径的增加而逐层减少；在同层纱内，筒管速度和卷绕速度也不 变，但绕一层纱所需时间，随层数的增加而有所增加。 粗纱在筒管轴向的紧密排列，是由上龙筋带动筒管作升降运动实现 的。为了实现正常卷绕，必须保证任一时间内，上龙筋的升降高度和筒 管的轴向卷绕高度相适应。 即 诈2 白d x ( 2 4 ) 式中v ，一上龙筋升降速度( m m m i n ) ； h 一粗纱轴向卷绕圈距( m m ) ： zd 。一单位时间内绕在粗纱管上的圈数( n m i n ) 。 式( 2 - - 4 ) 表示上龙筋升降速度和卷绕直径之间的数量关系，称为粗纱 机升降速度方程。在一落纱内，粗纱号数不变，即式中的h 不变( 设计 时圈距略大于粗纱直径) ，因而矿，随仉的增加而减少。图2 5 表示龙筋 升降速度对卷绕直径的关系。图中说明，在一落纱时间内，龙筋升降速 度随卷绕直径的增加而逐层减少，但在同一层纱内，龙筋的升降速度不 变。 图2 - 3 nb 、m 和n u 对仉的关系图2 - 4v ，对d x 的关系 综上所述，从公式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 4 ) 给出实现粗纱正常卷绕运 动的一般规律，而这个运动规律，则是由粗纱机的卷绕机构来完成的。 粗纱的卷绕成形要求粗纱机的卷绕机构必须满足以下要求： ( 1 ) 粗纱的加捻过程和卷绕过程是连续进行的，即锭翼回转加捻，筒 管回转卷绕。为使卷绕正常进行，前罗拉在一定时闻内送出的粗纱长度， 筒管必须在相同时间内把它卷绕完。但在纺纱过程中筒管的卷绕直径却 在逐层增大，为保证筒管卷绕速度适应前罗拉出纱速度，简管的转速必 须随着其卷绕直径的增大而逐层减慢。在粗纱机中筒管转速改变一般由 锥轮变速机构完成。 ( 2 ) 筒管作回转运动的同时，龙筋作升降运动。当绕完一层纱后，龙 筋随即换向，开始卷绕下一层。随着管纱直径的增大，筒管卷绕转速应 减慢，为保证每一层粗纱的圈距都相等，要求升降速度也相应减慢。在 粗纱机中，这部分功能由升降换向机构和变速机构完成。 ( 3 ) 龙筋的升降动程应随管纱赢径的增大而逐层缩短，这样就能卷绕 成两端为圆锥形的圆柱管纱。这一动作在粗纱机中，是由成形机构来完 成的。 传统的粗纱机采用锥轮( 铁炮) 变速机构，又分为有直线锥轮( 母 线为直线) 变速机构和曲线锥轮( 母线为双曲线) 变速机构。当捻度确 定后，上锥轮转速恒定不变，而下锥轮转速随筒管每绕一层纱，锥轮皮 带向大头移动一段距离雨逐渐降低，从而使筒管的卷绕速度和龙筋的升 降速度也逐渐降低。 成形机构系一控制机构。它的主要作用是改变龙筋的升降方向：缩 短龙筋的升降动程：控制锥轮皮带移动，使筒管卷绕转速及龙筋升降速 度随着筒管卷绕直径的增大而减慢。这就要求成形机构动作准确，否则 将影响粗纱的质量。 - 锥轮变速机构存在皮带打滑现象，且滑移率各处不同，因此影响粗 纱的张力和伸长率的恒定，易造成断头和纱线不匀，同时更换品种时， 由于皮带起始位置调整不准确等，影响纱线的质量。另外，成形机构结 构复杂，调整、维修很不方便。 为克服以上缺点，本课题中，取消了成形机构锥轮变速机构以及牵 伸齿轮、捻度牙齿轮这几部分。具体方法是：采用5 台变频电机，分别 控制前罗拉、后罗拉、锭子、筒管的转速以及龙筋升降的速度，实现各 主要驱动部件的运动分别独立进行，由程序控制各部件的传动比。通过 直接检测前罗拉输出速度，并由软件实现筒管卷绕速度和龙筋升降速度 的改变；通过控制前罗拉与后罗拉的转速，由软件实现对粗纱牵伸倍数 与捻度的控制。另外，在升降传动中装一光栅尺，根据其读数由工控机 控制每层升降时的龙筋动程，实现龙筋缩减动程，保证粗纱成形正确。 为实现以上目的，须建立取代锥轮机构和成形机构的数学模型。 第二节各电机转速变化数学模型的建立 本课题中，粗纱机传动系统的控制软件是以粗纱工艺要求为基础， 建立电机输出速度、纺纱卷绕成型和纺纱张力控制的关系式。 其中，前罗拉、后罗拉、锭子电机的输出速度在生产同一种纱的整