（电气工程专业论文）涤纶长丝全自动卷绕控制策略与应用研究.pdf

摘要 尽管我国的化纤行业起步较晚，但发展速度非常迅速，尤其是长丝卷绕设备 中全自动高速卷绕控制技术发展较为迅速，其成型控制技术、卷绕变频调速技术 等更新较快，而丝卷的成型质量高低一方面取决于横动装置如双拨叉、成型板、 横动伺服电机等硬件技术的发展程度，另一方面取决于横动电机频率控制策略， 对于常规低速纺丝来说，横动导丝频率可按叠加三角波等方法来设置其干扰频率 方式则完全可以满足工艺要求，而面对化纤卷绕设备大容量、超高速的发展趋势， 设置叠加三角波的这种成型技术已经不能满足实际生产需求，其丝卷成型较差， 后加工困难，这时必须采用一些新的成型技术如采用：1 、阶跃三角波摆频；2 、 防叠卷绕( r f r ) ；3 、防叠卷绕( r f r ) + 微小摆频；4 、精确步进式卷绕( s p w ) 等丝卷成型新技术来满足实际生产需求，研究中发现应用精确步进式卷绕( s p w ) 成型技术可使丝卷获得均匀适宜的卷绕密度、品质优良的成型卷装、性能优异的 退绕特性等优点，实际应用效果良好。 长丝卷绕设备控制技术从最初的表面卷绕方式发展到目前广泛使用的中心 卷绕方式，不断适应高速纺丝的技术发展要求，表面卷绕控制技术在5 0 年代由 于控制结构简单，目标速度在运行中可根据张力信号的大小及时予以调整等优点 得到广泛使用，但随着纺丝速度的日益增高，丝卷与摩擦辊之间出现打滑、丝束 张力出现经常性变化、丝卷成型松散等缺点已越来越不适应高速纺丝，从9 0 年 代初期提出了如采用单片机或p l c 控制系统+ 变频调速系统的控制技术，系统 采用单卡盘变频驱动技术，在控制系统中设定各种长丝产品的工艺参数和卷绕系 统本身的各种卷绕参数，优化控制整个系统各驱动部件之间的协调运转，完成整 个卷绕过程，提高卷绕的均匀性，但这种控制技术不能满足连续化生产的要求， 手动升头，单耗较大，而主控计算机+ 微处理器+ 变频调速系统这种新的控制 技术适应了纺丝生产规模的增加、更高卷绕速度的要求，实现了多个纺丝卷绕设 备的联网运行，可集中进行数据的输入输出，包括工艺参数的输入、现场卷绕 设备运转参数的输出、故障采集、报警及消除等，软硬件资源得到了充分的利用， 是一种比较理想的控制技术。 在深入研究了各种卷绕控制技术的特点后设计了一套以t i 公司生产的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 与i n t e l 公司生产的n 8 0 c 1 9 6 组成的双c p u 控制系统来完成涤纶 长丝的卷绕变频调速系统，同时探讨该控制系统在实际生产过程中各种控制参数 的设置，分析实际丝卷的各项技术性能指标，实验证明本设计在实际应用与理论 运用上具有较高的推广价值，尤其对我国长丝全自动高速卷绕设备国产化取代工 作具有较高的指导意义。 关键字：涤纶长丝、全自动高速卷绕、成型控制、丝卷、微处理器 a b s t r a c t a l t h o u g ht h es t a i t o fc h e m i c a lf i b e ri n d u s t r yi no u rc o u n t r yi sl a t e ，t h e d e v e l o p m e n ts p e e di se x t r e m e l yr a p i d ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i ch i 曲 s p e e dw i n d i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ef i l a m e n tw i n d i n ge q u i p m e n t t h es h a p i n g c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dw i n d i n gf r e q u e n c yv a r i a b l ea d j u s t i n gs p e e dt e c t m i q u ee t c ，i s r e n e w e dq u i c k l y b u tt h eq u a l i t yo fb o b b i ns h a p i n go nt h eo n eh a n di su pt ot h e t r a v e r s i n ge q u i p m e n ts u c h a s b i r o t o r - t r a v e r s i n g ，s h a p i n gp l a t ea n dt r a v e r s i n g s e r v o m o t o ri nt h eh a r d w a r et e c h n o l o g y o nt h eo t h e rh a n di ti sd e c i d e db yt h e t r a v e r s i n gm o t o r 矗e q u e n c yc o n t r o ls t r a t e g y a sf o rt h ec o i n l t l o nl o ws p e e ds p i n n i n g ， t h et r a v e r s i n gg o d e tf r e q u e n c yc a ns e tu pi t si n t e r f e r i n g 蠹e q u e n c ya c c o r d i n gt ot h e t r i a n g u l a rw a v e ，w h i c hd e f i n i t e l yc a nm e e tt h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t h o w e v e r b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to fl a r g ee a p a c i t ya n ds u p e rv e l o c i t yi nc h e m i c a lf i b e r w i n d i n ge q u i p m e n t ，t h i sk i n do f s h a p i n gt e c h n o l o g yo f e s t a b l i s h m e n tt r i a n g u l a rw a v e a l r e a d yc a n n o tm e e tt h ea c t u a lp r o d u c t i o nn e e d ，f o rt h eb a d l ys h a p i n go fr i b b o na n d d i f f i c u l t i e si nf u r t h e rp r o c e s s i n g s o m en e ws h a p i n gt e c h n o l o g yh a st ob eu s e dt o m e e tt h ea c t u a lp r o d u c t i o nn e e d f o re x a m p l e ，1 ) ，t r i a n g u l a rs i g n a l ；2 ) ，r f r ( r i b b o n f r e er a n d o mw i n d i n g ) ；3 ) ，r f ra n dm i n i w o b b l i n gf r e q u e n c y ；4 ) ，s p w ( s t e p p r e c i s i o nw i n d i n g ) a n ds oo n i nt h er e s e a r c hi tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no f s p wt e c h n i q u es h a p i n gg e te v e n l yw i n d i n gd e n s i t y , o u t s t a n d i n gr i b b o ns h a p e ， e x c e l l e n ti nt h ep e r f o r m a n c eo fb a c kc i r c l ea n ds oo n t h ea c t u a la p p l i c a t i o ne f f e c ti s g o o d t h ef i l a m e n tw i n d i n ge q u i p m e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p sf r o mt h ei n i t i a l s u r f a c ew i n d i n gw a yl oc e n t r a lw i n d i n gw a yi nw i d e s p r e a du s p a tp r e s e n t ，u n c e a s i n g l y a d a p t st h eh i g hs p e e ds p i n n i n gt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t s u r f a c ew i n d i n gc o n t r o l t e c h n o l o g yi n5 0 so b t a i n e d t h ew i d e s p r e a du s eb e c a u s et h ec o n t r o ls t r u c t u r ei ss i m p l e ， t h eg o a ls p e e de a r lb ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h et e n s i o ns i g n a lb u tw i t ht h ei n c r e a s i n g o fs p i n n i n gs p e e d ，s l i p sa p p e a r e db e t w e e nb o b b i na n df r i c t i o nr o l l e r , t h et e n s i o n c h a n g e dr e g u l a r l y , b o b b i nt o o ks h a p el o o s e l ya n ds oo n t h e s es h o r t c o m i n g sa r e a l r e a d ym o r ea n dm o r eu n s u i t a b l et oh i g hs p e e ds p i n n i n g f r o mt h e9 0 。ss o m ec o n t r o l s y s t e mw e r ep r o p o s e ds u c h a sm i c r o c o n t r o l l e ro rt h ep l c + f r e q u e n c yv a r i a b l e a d j u s t i n gs p e e ds y s t e m c o n t r o l t e c h n o l o g y t h es y s t e mu s e sm i c r o c o n t r o l l e r f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , i nt h ec o n t r o ls y s t e mt h ep r o c e s sp a r a m e t e ra n dt h e w i n d i n gs y s t e mp a r a m e t e ra r es e tu p 。o p t i m i z ec o n t r o le n t i r es y s t e mt oo p e r a t e c o o r d i n a t e l y , c o m p l e t et h ee n t i r ew i n d i n gp r o c e s s e n h a n c e su n i f o r m i t y b u tt h i sl ( i n d o fc o n t r o l t e c h n o l o g yc a n n o tm e e tc o n t i n u o u s l yp r o d u c t i o n ，m a n u a l r i s es i n g l e c o n s u m ei si nab i gw a y b u tn e wc o n t r o lt e c h n o l o g yo fm a i nc o n t r o lc o m p u t e r + m i c r o p r o c e s s o r + f r e q u e n c yv a r i a b l ea d j u s t i n gs p e e da d a p t st h ei n c r e a s i n go fs p i n n i n g p r o d u c t i o ns c a l e ，a n dh i g h e rw i n d i n gs p e e d ，r e a l i z e dt h em a n ys p i n n i n gw i n d i n g e q u i p m e n tn e t w o r k i n go p e r a t i o n , t h ec e n t r a l i z e dt h ed a t ai n p u t o u t p u t ，i n c l u d e dt h e p r o c e s sp a r a m e t e ri n p m ，t h es i t ew i n d i n ge q u i p m e n to p e r a t i n gp a r a m e t e ro u t p u t , b r e a k d o w ng a t h e r i n g ，a l a r m i n ga n dt h ee l i m i n a t i o na n ds oo n t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r er e s o u r c e so b t a i n e dt h ef u l lu s e ，w h i c hi sak i n do fq u i t ei d e a lc o n t r o l t e c h n o l o g y a f t e rt h o r o u g h l y s t u d y i n g c h a r a c t e r i s t i c so fe a c h k i n do fw i n d i n gc o n t r o l t e c h n o l o g y , id e s i g n e das e to fd o u b l ec p uc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sm a d eu p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 af r o mt ic o r p o r a t i o na n dn 8 0 c 1 9f r o mi n t e lc o r p o r a t i o n ，t o c o m p l e t et h ew i n d i n gf r e q u e n c yv a r i a b l ea d j u s t i n gs p e e ds y s t e mo f t h ep o l y e s t e rf i b e r f i l a m e n t s i m u l t a n e o u s l yip r o b e di n t ot h es e tu po fc o n t r o l l e dv a r i a b l ei nt h i sc o n t r o l s y s t e mi nt h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s ，a n da n a l y z e de a c ht e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo f a c t u a lb o b b i n t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h i sd e s i g nh a st h eh i g h l yp r o m o t e dv a l u e i nt h ea c t u a la p p l i c a t i o na n dt h et h e o r yu t i l i z a t i o n , e s p e c i a l l yi th a st h eh i g h l y s i g n i f i c a n c et oo u rc o u n t r y sd o m e s t i cp r o d u c ts u b s t i t u t i o no fa u t o m a t i ch i g hs p e e d w i n d i n ge q u i p m e n ti nf i l a m e n t k e yw o r d s ：p o l y e s t e rf i b e rf i l a m e n t ，a u t o m a t i ch i g hs p e e dw i n d i n g ，s h a p i n gc o n t r o l ， r i b b o n ，m i c r o p r o c e s s o r 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，也不包含为获得鑫垄盘鲎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：参 芭上 签字日期： 年 ，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎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： ；1 拦，生 导师签名： 咋缎砧 签字日期：铆年f 月， 日签字日期：强占年f 月f7 日 第一章绪言 1 1 涤纶长丝工艺概述 第一章绪言 涤纶长丝工业在我国发展较为迅速，尤其在丝绸服装、仿毛、仿麻、仿棉等 整个衣着领域应用较广，熔体直接纺是近几年来在国内外迅速兴起的纺丝技术， 该技术由于设备投资费用较少，能源消耗低，工艺技术稳定，丝质优良，维修保 养方便等特点，愈来愈受到化纤生产厂家的青睐，其工艺流程为： 叫至乎圆叫巫丑一匹蔓寸 图1 - 1t 艺流程图 p e t 聚酯熔体在一定的温度与压力控制下经纺丝组件中的喷丝板形成多股 细小长丝，在第一、第二热辊的牵伸与定型后由全自动高速卷绕设备完成长丝的 卷绕成型，平衡检验包装后即为f d y 成品丝，供下游纺织设备继续加工生产， 其中卷绕成型的丝卷筒管( 注：比较典型的一个常规品种) 基本数据如下表卜1 ： 表卜1f d y 产品筒管数据表 第一章绪言 1 2 化纤卷绕设备的发展现状及其趋势 我国是全球最大的化纤生产大国，近l o 年来，我国的化纤工业取得了长足 的进展，特别是化纤设备经过技术引进、消化吸收阶段后，又步入了自主开发阶 段，部分国产化纤设备的研制开发与生产已经达到或接近世界先进水平，而卷绕 机械作为化纤纺丝机技术构成最为复杂、高速和自动化程度最高的关键设备，长 期以来一直受德、日、瑞士等发达国家对之形成的技术垄断，德国在2 0 世纪7 0 年代就成功开发出卷绕速度达2 5 0 0 - - - 4 0 0 0 m m i n 的高速卷绕设备，日本也开发出 最高速度为4 0 0 0 m m i n 的高速卷绕设备，但其卷绕方式均为被动式卷绕，即动力 驱动由摩擦辊提供，依靠摩擦辊与筒管之间的接触压力来间接驱动丝饼的被动卷 绕，这样就成为典型的表面卷绕，在卷绕过程当中随着丝饼直径的不断增大，而 摩擦辊直径不会改变，因此转速控制相对简单，一般使用电动机加交频调速器就 能满足转速精度的要求，进入9 0 年代，德、日等国又相继推出了6 0 0 0 m m i n 的 技术成熟产品以及试运转机械速度达8 0 0 0 m m i n 的8 1 2 丝饼的超高速卷绕设备 来适应市场需求，随着卷绕速度的不断提高，传统的表面卷绕方式就存在诸如打 滑、容易产生毛丝、易断头等不良现象，对丝的均匀性能有很大影响，为此，产 生了一种新的卷绕方式，即将摩擦辊驱动的被动方式改为丝饼的直接驱动，而摩 擦辊则改为被动驱动，随着丝饼直径的不断增大，为保持丝卷线速度的恒定，卷 轴速度将相应降低，这就形成了典型的中心卷绕方式，在中心卷绕方式下，横动 控制方式有两种典型的方法：一是横动兔子头式控制，二是旋转拨叉横动控制， 其横动速度一直波动变化，以避免在特定丝饼直径下产生层叠现象，形成最佳的 丝饼层，保证后续工序能够顺利高速退绕。 我国对高速纺丝卷绕设备的技术与产品一直依赖进口，从9 0 年代开始，国 内一些厂家联合了一批高等院校、院所投入到全自动卷绕设备的开发，运用世界 最先进的数控加工系统，攻克了大锭长、2 万转速旋转件材料、热处理、精密加 工、磨削等一系列高精尖技术难题，成功开发出具有自主知识产权的全自动、半 自动高速卷绕设备，丝饼数量在8 、1 2 、1 6 个，卷绕速度在3 0 0 0 , - , 6 5 0 0 m m i n 之 间，打破了国外公司垄断高速卷绕设备市场的局面，迫使国外公司减低高速卷绕 设备的市场报价，但是我们也应该看到，在关键部件方面，我们与国际先进水平 还存在一定的差距，比如提高卷绕装置的丝饼个数、提高卷绕速度、开发自动生 头装置、卷绕设备运行质量等等，另外。试验、科研手段不具备、设计制造技术 与使用工艺脱节，同时还受到部门、地域的限制，加上市场经济缺乏规范，在一 定程度上造成了有限力量的分散，形不成合力，无法集中使用。随着变频调速技 术、运动控制技术、可编程控制技术、网络技术等的迅速发展，高速纺丝卷绕设 2 第一章绪言 备将朝着高速化、全自动化等方向发展，部件制造技术实现高精度化，控制技术 实现全自动化、网络资源共享化，目前国内外主要的控制技术有：( 1 ) 主控计算 机+ 微处理器+ 变频调速系统；( 2 ) 主控计算机+ 变频调速系统；( 3 ) 单片机或嵌入 式工控机或可编程计算机控制器或p l c + 变频调速系统：( 4 ) 工业级计算机集散控 制系统( d c s ) 的上位机+ 单片机或p l c 作d c s 的下位机+ 变频调速控制系统， 各台电机单独变频驱动，并能实现网络化资源共享，采用嵌入式工业控制系统， 应用先进的数据处理技术，控制系统具有实时性、可靠性、易维护性、通用性、 易扩展性和友好的人机界面，这些都将成为高速纺丝卷绕设备的主要发展方向。 1 3 本课题研究的主要内容 a 卷绕设备控制系统存在的不足之处 随者世界化纤工业的发展，现代化纤卷绕设备对卷绕速度的要求也越来越 高，同时对丝卷的成型也越来越严格，良好的成型丝卷非常有利于后续设备的退 绕工序，传统的卷绕设备控制系统存在如下缺陷： 1 传统卷绕设备的卷绕速度普遍不高( 约2 5 0 0 r e r a i n 左右) ，各驱动部件的 运行速度的精确度也已不能满足现代化纤设备的要求，而且其卷绕方式均为被动 式卷绕，即动力驱动由摩擦辊提供，依靠摩擦辊与筒管之间的接触压力来间接驱 动丝饼的被动卷绕，偏低的卷绕速度与被动式的卷绕方式严重制约着化纤行业 的发展； 2 丝卷成型普遍不理您，凸肩丝、蛛网丝、毛丝等不良丝卷在生产当中比 较常见，而且丝卷在运输途中容易出现塌陷现象，丝卷在后续工序中不易退绕， 经常出现断头，令各生产厂家非常挠头： 3 卷绕设备控制系统硬件电路技术陈旧，数字化程度低，难以满足高性能 韵调速要求，全数字化技术不成熟； 4 传统的控制性能不离，人机界面简单，参数设置较为简单，难以满足在 同一卷绕设备上进行纺丝品种的灵活变更，产品的市场适应能力脆弱，难以提高 企业的产品差别化率。 b 题所进行的工作： 本课题针对卷绕设备的多项性能进行具体的分析与研究，旨在对传统卷绕设 备的性能作进一步的提高： 1 绕设备的卷绕成型方法与特性进行深入研究，探讨使用变频调速技术来 实现各种成型方法的途径与方法； 2 体分析长丝卷绕设备中多种控制系统的结构与控制策略，阐述各个控制 3 第一章绪言 系统应用于长丝卷绕控制领域的优缺点： 3 一套基于d s p 控制技术的数字控制系统，控制系统拟以美国1 1 公司生 产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和i n t e l 公司生产的n 8 0 c 1 9 6 k c 2 0 组成双c p u 控制系统 为核心，应用m t 法实现对电机转速的检测及丝卷线速度反馈的检测，用软件 来实现长丝卷绕丝卷直径的实时计算，主电路采用i g b t 加公共直流母线技术来 满足生产要求； 4 卷绕控制系统的基本组成与各元器件的基本功能； 5 全自动卷绕变频调速系统在实际卷绕工艺过程中各参数的设定值： 6 制系统的实际应用效果与丝卷的各项性能指标进行定性分析与讨论。 第二章长丝卷绕丝卷成型控制策略研究 第二章长丝卷绕丝卷成型控制策略研究 2 1 长丝卷绕装置的成型控制 2 1 1 丝卷成型的重要性 在长丝卷绕工艺中，丝卷成型的优劣直接影响到成品丝质量的各个物理指 标，成型不好的丝卷在后续工序中退绕时会影响丝束张力的变化而导致丝的线密 度发生变化，当线密度的变化超出一定的范围时，成品丝将降等，严重的张力变 化还会引起断头，端面不平整的丝卷在包装过程中可能会挤压或摩擦端面，同时 不良的丝卷叠丝将引起许多不良后果： 1 丝区不规则的叠丝将引起丝层滑移，增大丝卷飞出卷绕区域的危险； 2 周上叠丝层的不均匀分布导致丝卷的不稳定运行，出现震荡等； 成型较好的丝卷具体表现是：丝锭端面和表面平整，端面不能有凸肩，表面 没有凸肩；丝锭密度大。良好的丝卷成型可以保证纤维的品质以及在后道工序中 的顺利退绕与加工。 2 1 2 丝卷成型的关键因素 控制丝卷良好成型必须从以下三个要素加以控制：稳定的卷绕速度，高的防 叠丝频率，准确的成型角。 1 卷绕速度 长丝卷绕工艺中为了控制丝束在纺丝过程中张力的实时恒定，丝卷线速度在 整个卷绕周期内必须保持恒定，如果线速度出现不稳定的漂移现象，将会导致丝 束卷绕张力出现起伏波动，随着丝卷卷装逐渐增大，“凸肩”、“凸肚”的情况 愈来愈严重，最后“凸肩”滑倒一侧形成“皮带丝”等不良成型，这时一般通 过调整卷绕速度与第2 导丝辊电机的线速度来调节丝束的卷绕张力，卷绕张力适 宜控制在0 1 8 c n d t e x 。 2 防叠丝频率 由于卷绕成型是由横动电机驱动横动装置完成的，所以通过变频调速装置改 变横动电机的旋转速度，比如在横动电机的速度控制上叠加一个三角波干扰频率 或者根据纺丝过程中丝卷直径的变化自动改变横动速度，由横动机构的特殊控制 规律来防止丝束在同一卷绕成型角下有规律地卷绕而形成叠丝等不良卷装现象。 第二章长丝卷绕丝卷成型控制策略研究 3 卷绕成型角 卷绕成型角是指丝束在卷绕过程中，为了达到一定的丝卷宽度，通过双转子 拨叉或兔子头的横向摆动，保持丝束与筒管切线方向形成一定的夹角。卷绕成型 角的大小决定了丝卷卷取过程中丝束在卷取面上停留的角度，直接影响丝卷卷取 面和端面的形状，同时影响丝卷的卷绕密度。 在一个丝卷的卷绕周期中如果卷绕成型角维持在一个固定的数值，对于相同 长度的涤纶长丝，卷装小时卷绕的圈数较多，在端面停留的次数就多；而卷装大 时卷绕的圈数较少，在端面停留的次数也就少，因此我们采用不同的丝卷卷装直 径使用不同的卷绕成型角来避免大小卷装时成型上的差异，同时根据多头涤纶长 丝卷绕机的特点以及丝卷宽度来选择卷绕成型角的大小，使丝卷的成型完好率满 足优等品丝的要求，在本设计的调试与后来的实际应用中我们进行了不断的摸索， 总结了一些经验数据值如下表所示：n n 表2 1不同丝卷宽度下的卷绕成型角选择范围 丝卷宽度m卷绕成型角范围度 3 64 7 5 2 5 0 5 0 “5 6 6 0 “6 55 2 5 8 7 0 “8 0 5 5 6 2 9 0 1 0 05 8 6 8 1 2 06 5 8 0 表2 - 2 卷绕成型角的一般选择 丝卷宽度m丝卷直径m 卷绕成型角范围度 1 2 6 2 4 07 2 2 4 0 2 6 07 4 2 6 0 2 8 07 6 1 2 0 2 8 0 3 6 07 8 3 6 0 3 9 07 6 3 9 0 4 2 07 0 4 2 07 2 1 2 6 2 0 0 5 6 2 0 0 2 6 0 5 8 9 0 2 6 0 2 8 5 6 0 2 8 5 3 6 06 1 3 6 0 3 9 05 9 3 9 0 4 2 0 5 7 4 2 05 6 1 2 6 1 5 65 2 6 第二章长丝卷绕丝卷成型控制策略研究 1 5 6 1 8 35 3 1 8 3 “2 4 55 4 6 0 2 4 5 3 0 05 6 3 0 0 3 2 05 8 3 2 0 3 6 05 6 3 6 0 3 8 05 4 4 2 05 2 2 1 3 丝卷成型的实现方法 在长丝卷绕装置的高速卷绕过程当中，丝卷的成型控制是一个非常复杂的过 程，除了机械部分诸如双拨叉或兔子头、捕丝钩、成型板等密切配合外，控制系 统对丝卷信息的需求将稳步增加，如丝卷直径不断增大，丝卷重量不断增加，驱 动频率不断降低，如果横动比为整数时，丝束便在卷装表面发生叠丝，由于丝束 很细，丝卷直径变化缓慢，所以在一段时间内将持续发生叠丝现象，因此必须采 取特殊的措施来避免丝卷在卷绕过程当中出现的这种叠丝现象，而下述成型方法 则可有效避免丝束在卷装表面发生叠丝等不良卷装： 1 角波摆频功能 2 叠卷绕( r f r - - r i b b o nf r e er a n d o mw i n d i n g ) 3 叠卷绕( r f r ) + 微小摆频( m i n i w o b b l i n gf r e q u e n c y ) 4 确步进式卷绕( s p w s t e pp r i c i s i o nw i n d i n g ) a 三角波摆频功能 控制系统在横动基本频率范围内通过叠加一个一定幅度的三角波干扰频率 来改变横动电机的横动速度，通过横动装置如双转子或兔子头等特殊装置引导丝 束在筒管表面做不规则的往复运动，从而可以避免丝卷在卷绕过程当中出现叠丝 现象，如图2 1 所示， + a 矗 一a - l 摆 。j 。 图2 - 1横动频率随时间的变化趋势图 7 第二章长丝卷绕丝卷成型控制策略研究 图2 - 2 丝束实际卷绕运行示意图 在实际卷绕过程中丝束运行速度v 3 与横动速度v 2 、卷绕线速度v l 之间 存在如下如式2 - l 、式2 _ 2 所示的矢量关系： t a n = v 2 v v ，= d n ( 2 1 ) ( 2 2 ) 图2 - 3 丝束速度矢量图 横动比k - 丝束旋转数丝束一个来回数 其中q 为卷绕成型角 v 。为卷绕线速度 v ：为横动速度 v 。为丝条运行速度 d 为丝卷直径 n 为筒管旋转速度( 1 m i n ) 在这种成形方法下随着丝卷直径的不断增大，横动速度按线性增大或减少， 丝条的横动比k 则在横动速度按线性增大过程中减小，卷绕成型角a 增大，即 在卷绕同样圈数的情况下丝束运行到丝卷端面的次数增加，但如果卷绕成型角偏 大，将导致端面丝束的厚度高于中部。类似于马鞍的形状：当横动速度按线性减 小过程中k 值不断增大，卷绕成型角a 减少，当卷绕成型角a 偏小时，丝束卷 绕过程中拐点趋予平缓，当张力偏大时易出现丝卷宽度变窄的现象；当张力偏小 时易出现塌边现象。在整个卷绕周期中，丝条的横动比k 总是不断变化的，这 样就能有效的避免丝束在柏邻层与层之阈产生层叠现象，但是这种成形方法也存 在着弊端：一是横动速度的线性变化将导致丝条速度的较大波动，丝条张力将有 第二章长丝卷绕丝卷成型拧制策略研究 较大变化，影响丝条的均匀性；其次是丝束在问隔一定直径时有可能出现完全相 同的卷绕丝层，这种丝卷在外力作用下易产生整层滑移。 b 防叠卷绕r f r 系统 如果丝卷在卷绕过程中横动速度不改变时，横动比k 将按抛物线特性下降， 但在这种模式下丝卷表面容易产生卺丝区域，为了防止这种叠丝区域的产生，防 叠卷绕r f r 系统中设置了2 个横动频率值，控制系统在计算出下一个叠丝区域 来临之前将横动频率切换到第二频率值，在叠丝区域过后控制系统又跳回到第l 频率值，在非叠丝区则可以连续运行。 k k l k 2 k 3 o d ( m m ) d ld 2 d 3 图2 _ 4 横动比k 随丝卷直径d 变化曲线 注：抛物线l 为横动基本频率 抛物线2 为r f r 横动频率 d l 、d 2 、d 3 为叠丝区域 c 精确步进式卷绕s p w 系统 精确步进式卷绕s p w 模式是在防叠卷绕r f r 模式的基础上发展起来的一种 卷绕模式，在这种卷绕系统中丝条之间相互交叉，形成一个稳定的丝卷形状，在 起始横动频率下进行恒k 值卷绕，随着丝卷直径的增大，丝卷直径越大，成形 角q 越小，筒管转速越来越慢，控制系统将降低起始模动频率，自动跳跃到一个 新的k 值，在此起始横动频率下又进行恒k 值卷绕，一宣保持到下一个较低横 动频率的到来，当然成形角a 不能太小，否则筒管运行将变得不稳定，丝层之间 易出现滑移，如此反复，直至u 一个卷绕周期结束。 9 第二章长缝卷绕丝卷成型控制策略研究 k g ， k 2 k 0 m m ) 图2 - 5s p w 卷绕模式k 僵特征曲线图 注：厶u 倒t 跃点频率 岛。面最小s p w 跳跃频率 l l 可跳跃频率区域 试验证明，在横动导丝装置一个来回运动周期里若卷绕筒子的转数为整数， 极易发生叠丝现象导致成型不良，必须设法避开，在常规纺丝中设置横动导丝装 置的振幅与周期，干扰其运动速度，一般可以防止叠丝，但在f d y 的高速纺丝 条件下，这种小小的干扰不足以对横动频率造成太大的影响，所以在实际纺丝过 程中在采取干扰的情况下再采用改变卷绕角的办法来避开叠丝区域。 卷绕成型角与直径有关，两者关系如下： 9 c d = 二一 ( 2 3 ) 万宰五幸喀口 d 丝卷直径( r a m ) s 横动导丝装置的动程( m m ) k 一横动导丝装置来回一次丝柬在筒管上旋转的圈数 n 卷绕成型角 如卷绕设备的横动导丝装置的动程为l1 0 m m ，原设定卷绕成型角为4 8 。， 当k = 3 对按上式计算得到丝卷逐渐为2 7 7 9 8m m ，在这种参数下当丝卷直径达到 2 7 7 9 8 1 1 1 1 1 1 时将产生叠丝，可能形成丝卷成型不良或断丝，若在k 为整数时由于 此时丝卷直径不可改变，通过上位计算机控制系统来改变此时的卷绕角，如将卷 绕角改成5 7 。度，则在这个丝卷逐渐时就避开卷绕度k 为整数，叠丝现象就不 会发生。 1 0 第二章长丝卷绕丝卷成氆拧制策略研究 表2 _ 3 巾y 丝卷在不同卷绕直径下的卷绕成型角 丝卷直径( )卷绕成型角丝卷直径( m )卷绕成型角 s t a r tr a m p u p4 81 6 06 1 s t a r t4 81 7 56 3 1 2 64 82 6 56 4 1 2 84 9 3 7 0 6 4 1 3 4 5 2 c h a n g e 5 o 1 4 55 6 表2 - 4p o y 丝卷在不同卷绕直径下的卷绕成型角 丝卷直径( 一) 卷绕角丝卷直径( )卷绕角 s t a r tr a 枷) _ u p5 51 9 56 5 s t a r t5 52 4 06 5 1 3 0 5 5 3 0 06 4 1 3 85 74 2 56 1 1 4 76 3 c h a n g e 5 8 1 6 56 。4 2 2 卷绕过程中丝卷直径的检测方法 丝束在经过加热定型、热辊拉伸等工艺后进入卷绕过程，卷绕过程由导丝器、 断丝检测器、摩擦辊、双拨叉横动装置、成型装置、锭轴旋转装置( 带筒管) 等 组成，随着丝卷的不断卷绕，卷绕控制系统需要获取丝卷直径等参数的瞬时值以 便即时调整锭轴的旋转速度，控制丝卷线速度恒定，即v 线= n j i d 1 0 0 0 = 恒 定值( 其中：n 为筒管转速l r a i n ，d 为丝卷途中直径m m ，v 线为卷绕速度 r r d m i n ) ，控制系统中可使用软件实现丝卷直径的计算。 v 线 圈2 _ 6 丝卷剖面圈 第二章长丝卷绕丝卷成型控制策略研究 丝束卷绕在工艺上要求加工过程中控制丝束张力恒定。或丝束线速度恒定， 图2 - 5 所示的丝卷卷绕过程中v 线恒定，d o ，d m 分别为空筒管与满卷直径， d 为卷绕过程中某一时刻丝卷直径，则图中阴影部分的面积为： s = 宰( d 2 一d 2 。) 4 = v t * f 2 4 ) 所以d = 扣2 0 + 4 v t f z( 2 5 ) 利用软件很容易求得卷径d 随时间变化的曲线。 其中v 为卷绕线速度( m m i n ) 为单根丝束的厚度 t 为从空筒管d o 开始到卷径d 的时问 2 3 卷绕成型中丝束张力恒定的控制 在化纤卷绕工艺中，卷绕装置具有恒功率负载的特点，卷绕过程中要求丝束 张力保持恒定，即丝卷线速度保持不变，因为卷绕张力及其稳定性不但影响丝束 的物理性质和不匀率，而且还影响卷绕丝卷成型的质量，如果卷绕张力过高，会 使丝卷成型不良，丝卷端面不整齐，有凸边、螺旋边、蛛网丝及丝卷表面凹凸， 并且由于丝卷卷绕张力过高，造成后续工序退卷困难，如果卷绕张力过低，会导 致丝卷卷绕密度小，易脱圈，所以卷绕张力在一个生产中必须控制的参数量，在 正常生产当中，卷绕张力根据产品不同，其卷绕张力的最佳取值也不一样，一般 取值在0 1 o 2 c n d t e x 之问。 在实际应用中，卷绕张力的形成主要是由导丝热辊表面线速度v 2 与卷绕装 置中的摩擦辊表面线速度v i 之间的速度差所致， f _ k ，j ( v 2 - v i ) d t ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中只要保持导丝热辊与摩擦辊两者表面线速度在运行过程中不变， 则卷绕张力将一直保持恒定，而导丝热辊速度可由变频器单独设定在某一运行值 便可保持其v 2 值恒定，但摩擦辊表面线速度v 1 却是随着丝卷直径不断增大不 断变化的量，所以要保持v 1 值不变，则控制系统必须根据丝卷实际直径计算出 相应的锭子驱动速度，使v 1 = 曲t * r 值保持不变，从而实现卷绕张力恒定。 同时从驱动电动机的电磁转矩与卷绕装置的负载力矩平衡角度来看， t 】萨t f + t 。+ t ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中t b 为驱动电动机的电磁转矩，t f 为卷绕张力，t o 为电动机及其 传动机构空载力矩，t d 为加减速动态力矩。力矩t d 只在动态过程中出现，恒速 卷绕时可认为h = o ，而t o 一般数值不大，分析时可暂时略去，由式( 2 7 ) 可知， 第二章长丝卷绕丝卷成型控制策略研究 如果控制系统通过保持电枢电流i d 恒定、磁通由正比于丝卷直径等办法来保持电 动机的电磁转矩t d 恒定，则卷绕张力t f 也近视为恒定值，不过在丝卷加速过程 中电磁转矩须附加一个正的动态转矩值来补偿卷绕驱动装置等机械惯量所需吸 收的能量，而在减速过程中附加一个负的动态转矩值来补偿需要释放的能量。 综上所述，可建立卷绕张力的速度给定控制模型： 图2 7 卷绕张力的透度给定控制模型 由于卷绕装置中摩擦辊是由锭子驱动辊来带动其旋转，所以卷绕丝卷实际线 速度可通过检测摩擦辊表面线速度值来检测( 通过安装速度传感器来实时检测) ， 而丝卷实际直径则由卷绕直径计算模块来计算得出，并将其结果输送给c p u 控 制系统以控制驱动电动机的旋转速度，始终保持丝卷线速度恒定，卷绕时间则根 据产品种类及其不同卷装重量来作适当设定。 在实际生产应用中经常使用一种称为超喂率的方法来调节卷绕张力，由于丝 束张力的大小主要由摩擦辊表面线速度来决定，经过导丝热辊拉伸后的丝束尚有 一定的收缩应力，再加上横动导丝器的来回移动导丝使丝束张力增大，所以摩擦 辊表面线速度必须小于导丝热辊的表面线速度才能保持一个较低的卷绕张力值， 超喂率= ( v 2 v 1 ) v 1 + 1 0 0 v 2 为导丝辊表面线速度，v 1 为摩擦辊表面线速度，超喂率取值一般在 1 之之间，可见调节超喂率可起到进一步调节卷绕张力的作用，使丝卷成型 更趋合理。 第三章长丝卷绕驱动控制系统设计 第三章长丝卷绕驱动控制系统设计 3 1 长丝装置卷绕控制系统的设计 3 1 1 长丝卷绕装置控制系统设计的技术要求： 1 长丝卷绕装置控制系统是一个非常综合的自动化控制系统，有卷绕头卡 盘、摩擦辊和横动电机的高速高精度控制以及横动部分的成型控制，卷绕机中大