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数字化小样粗纱机控制系统的开发 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。本课题开发了数字 化小样纺织机械中的一种：数字化小样粗纱机。数字化小样粗纱机由七套伺服电 机独立驱动罗拉牵伸机构、锭翼加捻机构、筒管卷绕机构、龙筋升降机构，适纺 纤维长度为棉：2 2 - - - - 3 8 ( m m ) ，化纤：6 5 ( m m ) 以下。控制系统以可编程控制器( p l c ) 为控制核心，通过p l c 的高速脉冲输出分别控制一、二、三、四罗拉、锭翼、简 管、龙筋伺服电机，实现了电子牵伸、电子加捻、电子卷绕成形及龙筋升降，通 过p l c 的r s 4 8 5 通信功能向二、三、四罗拉伺服电机写入电子齿轮比，实现一定 倍数牵伸的目的。在触摸屏上可实现纺纱工艺参数的在线设计与实时监控，可对 纱线张力进行实时在线调节，可存储、查询、调用纺纱工艺参数。 本文针对数字化小样粗纱机控制系统进行了详细的说明，包括以下内容： 第一章，阐述了我国纺机行业总体情况，分析了国内外粗纱机发展的现状并 总结出整体的技术特点，指出传统小样粗纱机存在的不足，进而提出本课题的研 究内容及意义。 第二章，在消化和吸收传统粗纱机的主要机械结构和工作原理的基础上，简 要阐述了数字化小样粗纱机的锭翼加捻机构、罗拉牵伸机构、筒管卷绕机构、龙 筋升降机构，并建立了各传动单元控制的数学模型。 第三章，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、牵伸问题、粗纱卷绕成形问题和纺纱张力在线调节问题进行了详细的说明。 第四章，设计了控制系统的通信协议和通信数据包格式的定义，其中包括 p l c 与伺服驱动器之间的通信和p l c 与触摸屏之间的通信。 第五章，介绍了控制系统软件设计部分，其中p l c 软件设计部分包括伺服驱 动器电子齿轮比发送、实时卷装直径计算、纱线张力在线调控、筒管转速控制、 龙筋控制、满管纱层数及纱长计算、锭翼降速控制，人机界面程序设计部分对人 机界面的种类及各主要界面的功能进行了介绍。 第六章，对全文进行总结，介绍了数字化小样粗纱机的特点及性能指标，就 数字化小样纺纱系统的实现和粗纱机控制技术的应用等问题提出展望。 关键词：小样粗纱机：数字化：控制系统；独立驱动；粗纱张力在线调节： 通信协议；实时监控。 d e v e l o p m e n t o fd i g i t a ls a m p l er o v i n gf r a m ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t n ec o n v e n t i o n a is a m p l et e x t i l em a c h i n e r y h a sc a u s e dl o t so fi n c o n v e n i e n c ef ( 玎 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 l l 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 ev a r n 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 das 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 l n e 嘞 e v e r vm 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 e da n dm o n i t o r e db y i t sp l c ，a n dt h e yc a n a l s ob ec o n 仃o l e d 卸dm o n i t o r e db yh o s tc o m p u t e rt h r o u t hn e t w o r k m o d u l et o g e t h e r , a n e wd i g i t a ls a m p l er o v i n gf r a mw a sd e v e l o p e di nt h i ss u b j e c t ，w h ow a ss e p a r a t e l y d r o v eb ys e v e na l t e r n a t i n gc u r r e n ts e r v od r i v em o t o r s ，w h i c hw e r e u s e dt od r i v er o l l e r d r i 删i n gs t r u c t u r e ，f l y e rt w i s t i n gs t r u c t u r e ，b o b b i nw i n d i n g a n ds h a p i n gs t r u c t u r ea n d s p i n d l er a i lu pa n dd o w nm o v i n gs t r u c t u r e t h em a c h i n ei s s u i t a b l ef o rs p m m n g 2 2 0 8 m mc o t t o nf i b e r , s h o r t e rt h a n6 5 m mc h e m i c a lf i b e r t h ec o r eo f c o n t r o ls y s t e l n i sp r 0 擎a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ，e l e c t r o n i c d r a f t ，e l e c t r o n i ct w i s t i n g , e l e c t r o n i cw i n d i n ga n ds h a p i n ga n ds p i n d l er a i lu pa n d d o w nm o v i n gs y s t e mh a sb e e n r e a l i z e db vc o n t r o l l i n gt h es e l w om o t o r so ft h ef i r s t ，t h es e c o n d ，t h et h i r da n dt h e f o u r n lr o l l 瓯t h ef l y e r , t h eb o b b i na n ds p i n d l er a i lt h r o u g hp l ch i g h 。s p e e dp u l s e o u t p u t ，w ec a nc h a n g et h es e c o n d ，t h et h i r d a n dt h ef o u r t hm i l e rs e n ，o m o t e r e l e c 虹d f l i cg e a rr a t i ot h r o u g ht h er s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no f pl ct oa c h i e v ea c e r t a i nm u l t i p l eo ft h ed r a f t 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 i n ed e s i g n a n d r e a l t i m em o n i t o r i n gc a l lb 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 ns t o r a g e ， i n q u i r e v i s i ta n d u s et h es p i n n i n gp r o c e s sp a r a m e t e r st h r o u g ht h et o u c h s c r e e n t h i st h e s i sp a r t i c u l a r l ye x p l a i n st h ed i g i t a ls a m p l er o v i n gc o n t r o ls y s t e m ，a l l dt h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： c h a p t e r1 ，e x p a t i a t e dc h i n a s o v e r a l lt e x t i l em a c h i n ei n d u s t r y s i t u a t l o n ， 锄a l y z e dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so f r o v i n gf r a mh o m e a n da b r o a da n ds n m a n z e d1 t s t e e h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s p o i n t e do u tt h ed i s a d v a n t a g e s o fc o n v e n t i o n a ls 锄p l e r o v i n g ，a n dt h e i lp u tf o r w a r dt h er e s e a r c h c o n t e n ta n ds i g n i f i c a n c eo f t h i ss u b j e c t c h a p t e r2 b a s e d o nd i g e s t i n ga n da b s o r b i n gt h ec o n v e n t i o n a lr o v m gt r a m m e c h a n i c a ls t r l l d ：u r e 锄dw o r k i n gp r i n c i p l e ，d e s c r i b e dt h ed i g i t a ls a m p l er o v m gf l y e r t w i s t i n gs t u c t u r e ，r o l l e rd r i v i n gs t r u c t u l e , b o b b i nw i n d i n gs h a p i n gs t r u c t u r e a n d s p i n d l er a i lu pa n dd o w nm o v i n gs t r u c t u r e ，e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i cm o d e lo fe a c h t r a n s m i s s i o nu n i t c h a p t e r3 ，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 l s y s t e mw a s 画v e na i l ds u c h p r o b j e n l s 嬲t h ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e ，c i r c u i ts c h e i t l a t i cd i a 簪锄， d r a f t , b o b b i nw i n d i n ga n ds h a p i n ga n ds p i n n i n gt e n s i o na d j u s t e do n l i n ew e r ed e t a i l v e x p l a i n e d 。 c h a p t e r4 ，t h ec 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 f c o m m u n i c a t i o nd a t a p a c k e tf o r m a tw e r ed 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 船e e l lp l c a n ds e v o r m o t e r , a sw e l la st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n d t o u c hs c r e e n c h a p t e r5 ，t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mw a si n t r o d u c e d ，t h ep l c s o 撕a r ed e s l g nc o n t a i n i n gs e r v od r i v e re l e c t r o n i cg e a rs e n d i n g , r e a l t i m e p a c k a g e d 1 姗e e rc a l c u l a t i n g ，s p i n n i n gt e n s i o na d j u s t i n ga n d c o n t r o l i n go n l i n e b o b b i nr o t a t i n g s p e e dc o n t r o l i n g , s p i c d l er a i lu pa n dd o w nm o v i n gs p e e dc o n h d l o l i n 如l lb o b b i n l a y e rn u m b e ra n dr o v i n gl e n g t hc a l c u l a t i n g ，f l y e rs p e e dd e c e l e r a t i o nc o n t r o l l n g t h e t y p ea l l dt h ef u n c t i o no fh u m a ni n t e r f a c ew r ea l s oi n t r o d u c e d i nt h et o u c hs c r e 蜘 s o f t w a r ed e s i g na s p e c t c h a p t e r6 ，s u m m a r i z e dt h i s p a p e ra n dg i v e nd i g i t a ls a m p l er o v i n g 仃锄e c h a r a c t e n s t l c sa n dp e r f o r m a n c e i n d e x ，a n dp o i n t e do u tt h ep r o b l e m ss u c ha ss a m p l e s p l 肋1 n gs y s t e l na n dt h ea p p l i c a t i o no fr o v i n gf r a m ec o n t r o lt e c h n o l o g ye t cm a t n e e d f u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：s a m p l er o v i n gf r a m ；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 ： m v m g t e n s i o na d j u s t i n go n l i n e ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；r e a l t i m e m o n i t o r i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：专夸麟 签字同期：噼月步同 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：蓬杏合 签字同期：月，；r 导师签名：钗 签字嗍呼7 月多r 学位论文的主要创新点 一、开发了多电机独立驱动的全数字化小样粗纱机控制系统。数字化 小样粗纱机采用七套交流伺服电机独立驱动，同步传动各运动机构； 全数字化纺纱，所有工艺参数均可由人机界面输入，并可通过人机界 面进行在线实时监控。 二、建立了多电机传动的粗纱机控制系统数学模型。建立了牵伸机构 的数学模型、粗纱成形数学模型、粗纱卷绕直径及筒管转速的数学模 型、为实现恒离心力纺纱锭翼随卷绕直径增加降速的数学模型以及粗 纱张力在线调节控制的数学模型。 三、实现了粗纱机的数字化牵伸。牵伸系统取消了传统粗纱机牵伸传 动系统的大量齿轮结构，采用四套交流伺服电机独立驱动一、二、三、 四罗拉牵伸机构，牵伸倍数范围更广( 可实现4 2 - - - 3 0 倍牵伸) 。 四、实现了数字化的粗纱加捻卷绕与成形。采用两套交流伺服电机分 别驱动锭翼和筒管，实现粗纱的加捻和卷绕成形，粗纱成形参数可通 过人机界面设定，取消了传动粗纱机的差动机构和铁炮装置，采用数 学模型自动控制锭翼、筒管转速，实现恒离心力纺纱和恒张力纺纱。 五、基于滚珠丝杠传动的下笼筋升降机构及其控制。下龙筋由一套交 流伺服电机驱动，伺服电机经减速机驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠精度高， 换向无间隙误差，采用位置模式控制龙筋电机，定位准确，控制精度 高。 第一章前言 1 1 纺织行业背景 第一章前言 近年来，我国纺织产业得到了迅速发展，纺织品出口大国的和纺织品消费大 国，成就了我国名符其实的纺机制造大国。据统计，“八五”期间，进口纺机占 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。2 0 0 6 年作为“十一五”开局的 第一年，我国纺织机械进出口总额为5 3 3 9 亿美元，同比增长2 3 6 9 ，其中纺 织机械进口金额为4 1 0 l 亿美元，同比增长1 9 0 5 ；纺织机械出口金额为1 2 3 7 亿美元，同比增长4 2 0 8 乜1 。2 0 0 7 年，我国纺织机械进口总额为6 4 3 6 亿美元， 同比增长2 0 6 2 ，环同比下降3 0 7 ，其中纺织机械进口金额为4 9 4 8 亿美元， 同比增长1 9 7 4 ，增幅同比上升0 6 9 ；出口1 5 2 8 亿美元，增幅同比下降 1 8 0 4 。目前，机电一体化已经成为国际纺织机械发展的趋势，高速高产、优 质高效、环保低耗仍然是纺织机械追求的目标。“十五”期间，我国纺织机械产 品整体水平不断提高，取得了喜人的成果口1 ：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 快速反应系统川。 我国纺织机械行业虽然近几年取得了很大的进步，但是与国际先进水平相 比，技术竞争力比较差，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哺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 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；发展节 能、高效率、连续化、自动化、差别化和绿色环保化纤机械，开展高技术纤维、 功能性纤维的技术设备攻关和产业化：在棉纺机械中广泛应用电子技术、在线检 天津t 业人学硕f ：学位论文 测监控等，实现高速、高产、优质、高效和节能；染整机械要重视高效短流程工 艺和设备的开发，向节能、环保和自动控制方向发展。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1 。 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，粗纱机在生产流程中属于由熟条到纺成细纱前 的准备工序。粗纱工艺在纺织生产中占有重要的地位，如何在保证粗纱产品质量 的前提下，使粗纱机工作更可靠、结构更简单、操作更方便、维护保养更简洁、 效率更高，从而提高粗纱机的产品竞争力，是纺织机械领域一个重要的研究课题 口1 。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，在粗纱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，实现粗纱机高速、高效、高度的 机电一体化的趋势已成为必然趋势呻1 。 1 2 粗纱的任务与工艺流程 粗纱机的目的是将并条后的熟条加工成不同号数和不同捻度的粗纱，粗纱机 工序加工的任务包括： ( 1 ) 牵伸将熟条抽长拉细，并使纤维进一步伸直平行和分离，将并条机输 出的熟条纺成中特细纱时，要经过1 5 0 2 0 0 倍的牵伸；纺成细特纱时要经过 2 0 0 , 3 0 0 倍的牵伸。由于目前皮圈式牵伸细纱机的牵伸能力和牵伸效率的限制， 熟条需要先在粗纱机上经过4 1 2 倍左右的牵伸，使其变细到一定程度，以制成 适合于细纱机加工的粗纱。 ( 2 ) 加捻对牵伸后的须条加以适当的捻度，使纱条具有一定强度。经罗拉 牵伸后送出来的须条，由于截面中纤维数量的减少和纤维进一步伸直平行，强度 较低，加捻可以增加纤维间的紧密度，提高纱条的强度，便于卷绕与退绕，并有 利于细纱机的牵伸。 ( 3 ) 卷绕与成形将加捻后的粗纱卷绕在简管上，做成一定形状和大小的卷 装形式，以便运输、储存及适应细纱机的喂入。 2 第一索前害 基于粗纱机工序任务的实现，粗纱机主要分喂入和牵伸、加捻、卷绕和成形等部 分，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 粗纱机工艺过程示意图 卜下龙筋2 一粗纱筒子3 一压掌 7 一假捻器8 一粗纱9 一输出罗拉 4 一翼锭装置5 一锭子6 一上龙筋 1 0 - 导条辊1 1 一棉条1 2 - 棉条筒 棉条从机后条筒引出，经分条器将诸根棉条隔开后，由导条棍和喇叭口喂入 牵伸装置。棉条被牵伸成规定线密度的须条后，由前罗拉输出，假捻器回转使须 条获得捻度而形成粗纱，粗纱穿过锭翼的顶孔和侧孔，进入锭翼导纱臂，然后从 导纱臂下端引出，在压掌曲臂上绕几圈，由压掌将粗纱卷绕在筒管上。锭翼安装 在上龙筋上，锭子插入筒管中心孔，简管安装在下龙筋上的筒管座上，以高于或 低于锭翼的速度回转，筒管与龙筋之间的转速差使粗纱卷绕到筒管上，筒管在随 锭翼回转的同时，又随下龙筋做升降运动，将粗纱卷绕成两端呈圆台形中间为圆 柱形的粗纱卷装。 1 3 目前国内、外粗纱机的发展状况 在传统纺纱体系中，一般由熟条纺成细纱约需1 5 0 倍以上的牵伸，而普通环 锭细纱机牵伸倍数只能在6 0 倍以下；因此，粗纱是传统纺纱中熟条纺成细纱的 必经工序。虽然上世纪8 0 年代后期德国绪森公司研制开发了r i n g c a n 熟条直纺 细纱的超大牵伸环锭细纱机；但在纺纱号数及品种适应性、纱线品质等方面还达 不到普通环锭细纱机的水平；因此，粗纱仍是传统纺纱体系中不可缺少的工序憎1 。 对于粗纱机纺纱性能等方面的技术进步，国内外做了许多研究，并取得些巨大 7 6 5 4 3 2 1 天津t 业人学硕上学位论文 发展，尤其在上世纪后期随着电子技术、计算机控制技术、传感器技术、变频调 速、伺服驱动等技术的高速发展及其在粗纱机的应用，以及粗纱机牵伸、加压、 卷绕成型等纺纱技术的不断改进，使当代新型粗纱机普遍采用p l c 、变频、伺服 控制、多电机独立驱动及触摸屏显示，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。 国内粗纱机生产厂家中，技术水平较高的有：天津宏大、江苏宏源、上海二 机、河北太行纺机、青岛环球；国外有：m a r z o l i 、z i n s e r 、t o y a t o 、r i e t e r 等， 现简介如： 1 3 1 国内主要新型粗纱机技术指标 表卜1 国内部分厂家代表性粗纱机型号及相关参数 型号 技宋 天津宏大 宏源纺机上海二机太行纺机青岛环球 痔彩 j w f l 4 1 8 1 t y 4 9 5 e j k 2 1 l f a 4 6 8f a 4 9 6 锭距( m m )2 1 6 2 2 0 ，1 9 4 2 2 01 9 41 9 4 卷装尺1 5 0 中1 5 0 4 0 01 5 0 1 5 0 4 0 0中1 5 0 4 0 0 寸( m m )4 0 01 3 5 4 0 04 0 01 3 5 4 0 01 3 5 4 0 0 适纺纤维 2 2 6 52 2 5 02 0 6 02 2 6 5 2 2 6 5 长度( m m ) 适纺线密 2 0 0 1 0 0 03 3 3 1 1 7 62 0 0 1 2 5 0 1 9 2 1 0 0 8 2 0 0 1 2 0 0 度( t e x ) 捻度范围 1 8 5 8 01 8 8 0 1 8 8 02 6 7 41 8 5 8 0 ( 捻米) 1 6 q d 1 8 0 0 0 9 7 锭速( r m i n ) 1 8 0 ) 1 6 q o 1 5 0 0 1 6 0 0 1 5 0 0 最高实际 1 5 0 01 4 0 0 锭翼型式悬锭式悬锭式 悬锭式 悬锭式 悬锭式 三( 四) 罗 三( 四) 罗 三( 四) 罗拉四罗拉三( 四) 罗拉 牵伸型式拉双短皮 拉双短皮 双短皮圈双短皮圈 双短皮圈 圈圈 牵伸倍数 4 2 1 2 4 5 1 24 5 1 34 。2 1 24 2 1 2 二变频电二变频电 二变频电机二变频电机二变频电机 传动型式机二伺服 机二伺服 二伺服电机二伺服电机二伺服电机 电机 电机 4 第一章前言 上表1 - 1 给出了国内部分粗纱机厂家生产的具有代表性的粗纱机型号及相 关参数。 现从表卜l 中，选几种典型的机型进行介绍如下： 天津宏大生产的j w f l 4 1 8 a 型粗纱机是在总结f a 系列粗纱机优点的基础上， 运用计算机控制技术，可编程控制器( p l c ) ，伺服控制和变频调速技术，研制 的新一代无锥轮粗纱机，整个纺纱过程实现了数字化控制，具有纺纱质量高，可 靠性高等特点。该机取消了成形、上下锥轮、锥轮控制和计长表等机械机构，其 相应的功能均由计算机来完成，采用液晶显示屏和触摸式操作键盘进行人机对 话。该机设计有三罗拉双短皮圈牵伸和四罗拉双短皮圈牵伸两种牵伸形式，适纺 范围在2 0 0 ，- - 1 0 0 0 t e x 之间，可纺制纤维长度在2 8 6 5 m m ，捻度范围在1 8 5 8 0 捻m ，最高机械转速可达到1 8 0 0 r p m 。 江苏宏源h y 4 9 5 型粗纱机，是基于电脑控制技术和变频调速技术新型的无锥 轮棉纺粗纱机。该机带有自动落纱系统，操作简单、生产效率高，适用于普梳和 精梳棉型纤维的纯纺或混纺。该机取消了传统粗纱机的锥轮变速机构、成形机构， 以及车头传动齿轮箱体和换向齿轮箱体，由四个电机分别直接传动罗拉、锭翼、 筒管、下龙筋升降运动，通过电脑与变频装置组成一个高精度的驱动和控制系统， 控制多电机的同步运转，实现粗纱卷绕，有效抑制开关车细节的产生，保证粗纱 卷装的成形和张力的适宜：内置式自动落纱系统：自动落纱系统结合在机器内部， 落纱操作以及满管、空管的存储在机器内部完成，从落纱、生头到开车全自动进 行，并实现粗细联联接；以触摸显示屏作为人机对话的界面，生产参数输入方便， 动态显示和设定纺纱工艺参数，输入、监控和操作简便，电脑可储存多个品种的 生产参数，更换品种时不必重新调试纺纱工艺参数；该机可纺制纤维长度在2 2 ，- - 6 6 m m 的棉及棉型化纤，适纺范围在2 0 0 一- 1 2 5 0 t e x 之间，捻度范围在1 o 1 0 0 捻l o c m ，最高机械转速可达到1 8 0 0 r p m 。 青岛环球f a 4 9 6 四轴联动粗纱机，采用先进的p l c n c 数控技术，两伺服两变 频电机分别驱动锭翼、罗拉、卷绕、升降四大运动部分，精确的实现了比例同步。 操作简单，自动化程度高，成纱质量好，实现了锭翼1 5 0 0 转分的高速运转，锭 翼卷绕部分可采用斜齿轮传动或采用圆弧齿轮同步带传动，全机锭数可达到1 3 2 锭，成形外径可达到1 5 0 m m ，可纺出2 0 0 - 1 2 5 0 t e x 的粗纱。 河北太行生产的f d a 4 2 5 、f a 4 2 6 型粗纱机，采用先进的工业计算机p c 控制， 并通过触摸屏进行参数设置和功能显示，系统由主电机传动锭翼的牵伸部分，由 变频电机传动粗纱卷绕和龙筋升降，龙筋电机传动龙筋快速升降。该机可纺制纯 棉、化纤及混纺，纤维长度在2 5 一- 6 6 m m ，适纺范围在2 0 0 一- - 1 0 0 0 t e x 之间，捻度 范围在1 8 6 一- - 1 0 0 捻m ，晟高机械转速可达到1 8 0 0 r p m ；该机配有断头光电自 5 天津丁业大学硕十学位论文 动停车及位置显示功能，偏心齿轮式张力微调装置、防细节装置防蹋边装置及落 纱三自动装置。 1 3 2 国外主要新型粗纱机的技术指标 表1 2 给出了z i n s e r 、t o y o t a 、m a r z o l i 部分型号粗纱机的相关参数。 表1 - 2 国外部分厂家代表性粗纱机型号及相关参数 型等z i n s e r m a r z o l im a r z o l i 技术 z i n s e r6 7 0 t o y o t af l l 0 0 6 6 8f t l 一df t 2 缪荭 锭距( 唧) 2 6 02 6 02 2 0 2 6 02 6 0 2 2 0 2 6 0 卷装尺 1 5 0 4 0 01 5 0 4 0 0o1 7 5 x 4 0 6 1 5 2 4 0 6 1 5 0 x 4 0 0 寸( m m ) 1 7 5 x 4 0 0中1 3 5 4 0 0中1 7 8 4 0 61 7 8 x 4 0 6 适纺纤维 6 3 6 32 2 7 6 6 3 6 3 长度( m m ) 适纺线密 2 0 0 2 2 2 22 0 0 2 2 2 22 0 0 2 2 2 22 0 0 2 2 2 22 0 0 2 2 2 2 度( t e x ) 捻度范围 1 0 - - - 1 0 01 0 - - - 1 0 01 0 b 1 0 01 0 b 1 0 01 0 1 0 0 ( 捻米) 锭速( r m i n ) 1 5 0 01 8 0 01 5 0 01 6 0 0 1 5 0 0 最高实际 锭晃剐式悬锭式悬锭式悬锭式悬锭式悬锭式 三( 四) 罗三( 四) 罗拉三( 四) 罗拉三( 四) 罗 三( 四) 罗拉 牵伸型式 拉双短皮圈长短皮圈双短皮圈拉双皮圈 双皮圈 牵伸倍数 3 0 1 5 83 o 1 5 83 0 1 5 8 4 0 2 04 o 2 0 传动型式四电机四电机二二电机二电机 多电机 现从表1 - 2 中，选几种典型的机型进行介绍如下： m a r z o l id t m 4 8 8 粗纱机，该机车头传动采用封闭齿轮箱，主传动电机安装 于车头之外，传动性能优越。锭翼及筒管采用高速同步齿形带传动；可配置电子 式或机械式张力微调装置；电气控制采用p l c ，自动化程度高；上、下清洁器、 吸风箱及巡回式吹吸风小车组成完善的清洁系统；牵伸部分采用四罗拉、双短皮 圈牵伸，使集束区和主牵伸区分开；锭翼及筒管传动采用高速同步齿形带传动， 运转准确、可靠、平稳、噪音小；车头传动采用封闭的齿轮箱，齿轮的加工、传 6 第一章前言 动精度高，润滑充足，传动平稳，低噪音，高寿命；有手工落纱( f t l ) 自动落 纱( f t 卜d ) ；不再需要机械调整和手工计算所需参数，降低了改批时间；可以 重现先前的生产状况和相应的质量标准；积极式驱动喂入架；落纱过程中可确定 的粗纱断头；落纱后粗纱自动扣紧粗纱数据；可连接m a r z o l i ss y s m o 或其它形 式的数据采集和处理系统。 z i n s e rr o - w e m a t6 7 0 内置式自动落纱粗纱机，该设计的出发点是满足用 户更好的使用性能、高生产效率和可选择适当自动化程度装置的需求，机器的设 计概念使操作变得非常简单，提高了生产效率，具有极佳的成本效益。该粗纱机 采用四轴多马达传动系统，机器的可靠性高，品种换批简单迅速，最多可储存 1 0 组机器设定参数，传动设计消除了不必要的动力消耗，降低了噪音。 r i e t e r 有两种新型粗纱机，其中f 1 5 配备手动辅助落纱，f 3 5 配备自动落纱。 两种型号均适用1 l o m m 及1 3 0 m 的隔矩。采用1 1 0m i l l 隔矩，对于低的空间要求 可以设定多达1 6 0 个纺位，可用6 号和7 号纱管，1 0 寸触摸屏显示，操作参数 可以直接在面板上设定r o j 一粗纱张力的电子控制，配备光电池或r o j 位于每一 锭的光传感器系统的粗纱断头控制，为锭翼和锭子配备各自的伺服电机；气动导 向臂使得整个机器长度上可获得均匀的牵伸力和最佳的粗纱不匀率；六棱柱形导 条架，积极式驱动，可以避免对须条的意外牵伸；由于所有主操作均采用电子控 制，大大减少了维护次数；f 3 5 配备的自动落纱系统，提高了落纱控制和构造， 落纱时间更短( 少于2 分钟) ，可以结合所有粗纱卷装自动运输系统，运至细纱 机。 1 3 3 国内外主要新型粗纱机的技术特点 通过上述介绍，可以总结出国内、外粗纱机的主要技术特点体现在以下几个 方面： 1 、自动化水平进一步提高。采用光、机、电、气动、液压等传感技术，多 电机独立驱动、变频调速、伺服驱动、计算机控制技术，实现纺纱过程中各种工 艺参数的在线检测、显示、自动控制和自动调节，实现设备运行自动监测、显示、 超限报警、自动停车甚至自动排除口0 1 。 2 、多电机独立传动。传统的粗纱机单机传动方式是由一个主电机通过若干 轮系分别传动牵伸机构、锭子、锭翼及龙筋升降系统，并经过锥轮、差微等机械 变速系统完成对粗纱机的卷绕成形，各种轮系传动都需要许多齿轮，机构十分复 杂n 。新型粗纱机上由电子计算机控制的4 个电机( 变频或伺服) ，分别传动牵 伸系统、锭子系统、锭翼系统及龙筋升降系统，使粗纱的牵伸、卷绕成形完全受 控于电子计算机。多电机独立传动改善了开、停车粗细节问题，提高了产品质量。 7 天津工业大学硕士学位论文 3 、纺纱速度高。传统粗纱机纺纱速度相对较低，如我国m o o 系列平锭粗纱 机锭速在8 0 0 转分以下，新型粗纱机锭速在1 2 0 0 1 5 0 0 转分，甚至有粗纱机 机械速度达到1 8 0 0 转分。 4 、高性能零配件的开发。牵引形式的改进。目前新型粗纱机采用3 罗拉双 短皮圈、3 罗拉长短皮圈及4 罗拉双短皮圈等牵伸形式；加压机构的改进：与牵 伸系统一样，加压系统也是保证粗纱质量的关键。随着技术的进步，粗纱机的加 压方式也发生了改变，由杠杆重锤式向弹簧摇臂加压、板簧加压和气动加压发展； 新型锭翼开发：新型锭翼的材料选用高强度合金钢，表面涂有极光滑的特殊材料， 减小空气阻力和挂花；锭翼内腔为不锈钢材料，表面光滑耐磨，不挂花，粗纱进 入内腔不用导纱工具即可从锭翼下端出头，运转时粗纱阻力很小，减小不必要的 纺纱张力。锭翼外形设计合理，锭翼臂上端刚度大，并采用斜肩式，翼臂长度缩 短，弹性变形小，抗高速扩张力强。翼臂的断面为流线型，符合空气动力学要求， 回转时阻力小，气流稳定，适于高速。全封闭式锭翼上下端部有支承，锭翼两臂 封闭成环，高速回转时不易变形，运转平稳。锭端配有高效加捻器，加捻效果明 显。 5 、自动落纱系统。新型粗纱机采用自动落纱方式，当纺纱至定长时机械停 止，下龙筋下降移出或倾斜，换管导轨落下取走满纱管插上空筒管，下龙筋复位， 粗纱自动搭头，开始新一轮纺纱。有些机型有手动落纱方式，可以根据用户需要 选择落纱方式n 副。 6 、清洁系统改进。粗纱机的清洁装置对改善生产环境和提高产品质量都有 主要意义。r i e t e r 公司研制开发了一种对牵伸、锭翼部分及地板的联合直接吹 吸清洁体系。该体系能稳定有规律地自动巡回，并对粗纱机进行自动清洁。这种 粗纱联合清洁体系可对牵伸区的飞花及尘屑等自动连续吸取并送入固定的汇集 箱中，结构紧凑、精巧，其实现人机对话控制的空气导流装置，可与全自动或半 自动落纱机及粗一细联相结合，形成粗纱机生产内部自我清洁体系。 随着自控技术、信息技术、新材料技术在纺织机械中的应用，以及人们环保 意识的增强，智能化和绿色化将成为粗纱机未来的发展趋势。 1 4 课题研究内容及意义 1 4 1 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s d l 的小样纺纱机，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，给教学和科研工作带来了极大的不便。为此， 8 第一章前苦 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：数字化小样梳棉机、并条机、精梳机、粗纱机、细纱机。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：数字化小样粗纱机。 在传统粗纱机上，动力由一台主电机提供，通过变换齿轮的方式，分别传动 牵伸机构、筒管、锭翼及龙筋升降系统，通过上下锥轮、皮带机械变速系统及成 形换向机构等完成对粗纱机的卷绕成形，其机构复杂n 引。这种单一电机传动的粗 纱机存在一定的缺陷：因齿轮传动级数多，磨损大，累积齿间隙误差大，使得传 动精度及传动效率均偏低；品种更换及日常维护不方便，劳动量大n4 l ；纱线张力 控制不方便，成纱条干均匀度低。 鉴于传统粗纱机存在的一些问题，本课题针对纺织院校、科学研究和产品研 发机构的需要，结合p l c 、触摸屏、伺服驱动等数字化技术，开发7 套伺服电机 分别独立驱动各运动机构的数字化小样粗纱机。该机械为悬锭、管导式粗纱机， 机械传动机构简单、自动化程度高，具有动态调速、( 断纱、断条、龙筋超限位) 自动停车、恒张力及恒离心纺纱等功能。 进入2 1 世纪，随着机电一体化技术的快速发展和应用，粗纱机在设计理念 上有了很大创新，粗纱机四( 或者五到七) 电机同步传动技术、粗纱张力控制技 术、自动落纱技术等都有了重大突破。目前国内纺织机械生产厂家生产的粗纱机， 同国外世界知名纺织机械专业公司的新型高产粗纱机相比，还存在较大的差距， 有些技术是引进国外生产企业的，一些配套设备，是从国外同类厂家购买的。在 数字化小样粗纱机方面，国内目前几乎是空白，赶上发展的步伐，研发新型、高 产、操作方便的粗纱机，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