（机械设计及理论专业论文）针梳机机电式自调匀整装置的研究与实验.pdf

摘要 。y 。9 3 0 2 5 5 自调匀整装置是棉纺清钢联系统解决生条重量不匀率及重量偏差的重要装置。自 1 9 5 9 年瑞士第一次在米兰国际纺机展上展出梳棉机自调匀整器以来，自调匀整器得 到迅速的发展。近几年来，随着集成电路和传感器技术的突破性发展，涌现出了大批 价格低廉、精度高、性能稳定的传感器和处理控制模块，这为设计新型的自调匀整装 置提供了基础条件。 本文主要针对国产b 4 2 3 针梳机上使用的毛c 0 7 型纯机械式自调匀整装置中存在 的自动化程度不高、机械惯性大、变速准确性差、匀整范围小等缺点进行研究，提出 了以变频调速技术、伺服技术为主的机电式自调匀整系统。 本文在了解了原自调匀整装置的基本原理、工作性能分析后，根据系统功能设定 要求，确定了机械式自调匀整装置改造成机电式自调匀整装置，提出了总体结构方案， 同时对变频调速控制系统和伺服调速控制系统进行原理分析及硬件调试，在控制系统 正常工作的前提下，进行了可编程控制器程序软件的开发，并且对系统进行了可靠性 分析。 本系统在机械式检测的基础上，利用传感器技术，进行检测，提高了系统的可靠 性。另外，本文利用变频器、伺服系统，即变频调速系统取代了原有的变速机构，同 时利用可编程控制器以及变频器的计算控制能力取代了延迟机构、放大机构，使得系 统响应速度，系统的稳定性有所提高，达到了匀整效果，提高了设备的自动化程度。 关键字：自调匀整；交流调速；变频器；伺服控制器：可编程控制器 r e s e a r c ha n de x p e rim e n to ft h e a u t ole v e iie ro fw o oi s p in nin g a b s t r a c t a u t o l e v e l l e ri sa ni m p o r t a n td e v i c et os o l v ec a r ds l i v e rw e i g h t u n e v e u n e s sa n d d i f f e r e n c eo nb l o w i n g c a r d i n g d r a w i n gu n i t i n19 5 9 ，t h ef i r s ta u t o l e v e l l e ro nc a r d i n g m a c h i n ew a ss h o w ni nm i l a ni n t e m a t i o n a lt e x t i l em a c h i n e r ye x h i b i t i o n f r o mt h e no n ， a u t o l e v e l l e rh a sd e v e l o p e dm p i d l y l nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h eh i i 曲一s p e e dd e v e l o p m e n to f i n t e g r a t ec i r c u i ta n ds e n s o rt e c h n o l o g y ，al o to fs e n s o r sa n dp r o c e s s i n ga n dc o n t r o l m o d u l e s ，w h i c ha r el o wp r i c e ，h i g hp r e c i s i o na n ds t a b l ep e r f o r m a n c e ，a r et u r n e do u t t h e s e m o d e mm o d u l e so f f e raf u n d a m e n t a lc o n d i t i o nt od e s i g na n dp r o d u c en e wt y p e a u t o l e v e l l e r i nt h et h e s i s , t h ed i s a d v a n t a g e sa n dp r o b l e m sn e e dt ob er e s o l v e do fc u r r e n t a u t o l e v e l l i n gm a c h i n e r ya r eb r i e f l ya n a l y z e d ，a n dan e wf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds e r v o s y s t e m , w h i c hh a sg r e a ta d v a n c ei na u t o m a t i o n ，l i t t l ei n e r t i a , p r e c i s e 幽f t ，l a r g e a u t o l e v e l l i n gr a n g e ，i ss t u d i e da n dd e s c r i b e d i nt h et h e s i s , a f t e ri n t r o d u c e dt h et h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h e a u t o l e v e l l i n gs y s t e m ，a n da c c o r d i n gt h ew o r kp r i n c i p l e ，f u n c t i o nd e f i n i t i o n ，m a k et h e o v e r a l la r c h i t e c t u r e t h e na n a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft h ev a r i a b l ev e l o c i t ys y s t e ma n dt h e v a r i a b l ev e l o c i t ys y s t e m ，a n d d u b u g e dt h e h a r d w a r e p a r t a n dm a k et h e s o f t w a r e d e v e l o p m e n to f t h et h ep l c ，a l s ot h er e l i a b i l i t yo f s y s t e mi sd i s c u s s e d i nt h i ss y s t e m , u n d e rt h em a c h n i c a l m e a s u r m e n t , w eu s et h et h et e c h n i co fs e n s e r t om a k ed e t e c t ，u e sf r e q u e n c yc o n v e r s i o nd e v i c e ，s r e v oc o n t r o ld e v i c et oi n s t e a dt h eo l d e r t h ev a r i a b l es p e e du n i t ，u s et h ep l ct o i n s t e a dt h et h ei n t e r m i t t e n tm e m o r yu n i ta n d e x e c u t i v eu n i t ，i no r d e rt oi m p r o v et h ts l i v e re v e n n e s s z h a n gh u i ( m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y ) d i r e c t e db yy u a nj i a n c h a n g k e d v o r d ：a u t o l e v e l l e r ；v a r i a b l ev e l o c i t y ： f r e q u e n c yc o n v e r s i o nd e v i c e ； s r e v o c o n t r o ld e v i c e ：p l c 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 目前，人们对于纺织产品的质量要求也越来越高，而要想提高纱线品质指标，就 得提高纱线的均匀度，就得降低毛条的重量不匀率。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，它包含着各种形式的不匀，波形复杂。如果对纱条不 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，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，最后将导致成纱强力低，断头率高，均匀度差，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，必须采用自调匀装置。自 调匀整就是一种用来控制毛条粗细不匀的自动调节装置，它能根据喂入或纺出的半制 品单位长度重量的差异，自动地改变牵伸值，以减少纺出毛条的单位长度重量的差异， 使纺出的半制品的长度重量保持一个稳定的数值。 自调匀整的研究与发展涉及到多种学科和技术，是自动控制在纺纱工程中的具体 应用。因此它既具有一般自动控制系统的普遍性，又具有其本身的特殊性：既涉及到 自动控制的原理，又涉及到调节对象。 1 2 国内外研究现状【i j 吲 自调匀整装置的研究，自清棉机上的洋琴装置算起已经有百余年的历史了。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。直到1 9 1 4 年自调匀整技术的研究才有了较大的发展，爱尔兰人埃维 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。 自调匀整技术的迅速发展和广泛应用于生产实际，还是近四十多年的事情。英国 人雷伯( q e r a p e r ) 对自调匀整的研究始于1 9 3 7 年，并在1 9 4 5 年以后在精梳毛纺 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。 随着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，并广泛应用于纺纱工程中。 1 绪论 1 2 1 意大利太玛太克斯( t e m a t e x ) 型自调匀整装置 该装置为机械电气式，采用开环系统，其检测机构采用卧式检测，记忆延迟机构 采用坦克链条式的记忆延迟机构，传导变速机构采用电气式，由平衡电桥及电磁离合 器组成。当针梳机与匀整装置状态正常时，输出毛条的每米重量不匀率能达到1 左 右。采用卧式检测，各转动部分装有精密滚珠轴承，动作认真，可靠；记忆延迟机构 采用封闭式，油浴浸润，可避免钢辊产生事故，钢辊锁紧装置效果好，不易损坏；传 导采用电气式，线路简单；采用测速反馈系统，较之无速反馈有较大的进步。 1 2 2 法国s a c m 型自调匀整装置 该装置采用开环系统，用于m 型针梳机上匀整装置状态正常时，输出毛条的每 米重量不匀率能达到1 以下。采用机械液压式结构时，能始终保持前后的罗拉速度 的同步关系，无论在启动，停止，寸行的过渡过程或正常运转中，都能起匀整作用， 不受供电系统的影响，作用准确可靠，具有良好的稳定性；采用液压变速电机与差动 机构相结合的方式，可减轻液压变速电动机的负荷，使液压变速电动机动作准确，灵 敏，惯性小，消除了铁炮变速方式的滑溜，而且传动推力小，可以减少钢辊磨损，简 化钢辊锁紧机构，能适应高速，提高应答效应，可以匀整更短的不匀片断长度；使用 方便，运转管理容易，在匀整系统出故障时，可以照常开车生产。 1 2 3 日本小熊( o k u m a ) 公司的自调匀整装置 该装置分为p d i i r 型及d i i i r 型，分别装在头道和三道针梳机上。对于p d i i r 型自调匀整装置为机械液压式，采用开环系统，前罗拉变速。其结构坚固，运行平稳， 操作简单，易于调整，能及时了解输出毛条的不匀情况；延迟机构比较小巧，钢辊推 力小，磨损小，用改变延迟角调整延迟时间，可调节随意量，调节省时，方便：液压 元件精度高，对温差变化作了考虑，液压传导的时间延迟小，且灵敏，可靠：同步性 能好，前后罗拉速度能保持相应的比例。 我国对于自调匀整的研究始于1 9 5 8 年，当时主要研究纯机械式自调匀整装置。 近年来，在棉纺工业中，由于清梳联、清梳并联在生产上的应用，同时也由于高速高 产以后，机台减少，相应地对自调匀整装置提出了更高的要求，研制出了多种型式的 自调匀整装置。 1 3 论文的目的及意义【2 】 毛条制造部门所生产的精梳毛条，其单位重量一般为1 7 2 0 克米，而提供细纱 机使用的粗纱重量一般在0 3 o 6 克米，因此毛条需要经过几道前纺机器将毛条纺 成符合要求的粗纱。 i 绪论 毛条的粗细以及色泽等方面常常存在不匀现象，其产生原因主要由纤维分布的随 机不匀、牵伸波、机械波和其他外加因素等四个方面，成纱后的不匀是这些不匀的总 和。如果前方时对毛条的不匀不加以控制，那么最终的纱条中除原有的不匀外，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，并且不匀的原来波长将随各 工序的牵伸而大大增加，最后导致成纱条干均匀度差、强力低、断头率高。 针对以上生产毛条所存在的种种缺陷许多国家也都在研制不同类型的自调匀整 装置，并使其广泛应用于纺纱工程中。由于国外设备昂贵的价格是我国棉纺织企业无 法接受的，另一方面，国外设备与我国自主研制的前纺设备难以配套使用。 因此，本课题旨在通过改造在我国b4 2 3 型针梳机上的毛c 0 7 型纯机械式自调匀 整装置，用机电式自调匀整装置来代替原有的机械式的自调匀整装置。与国外同类产 品相比，本文所研究的机电式自调匀整装置不仅在技术上有所创新，而且，更符合我 国各棉纺织企业的实际情况、更贴近市场。由于拥有我国自主知识产权的装置，可以 使价格大幅度降低，可以摆脱对同类国外产品的依赖，为中国纺织工业的发展做出贡 献。 1 4 本课题的研究内容 本课题研究目的是在前纺工程头道b4 2 3 型针梳机上对国产毛c 0 7 型纯机械式自 调匀整装置进行分析、研究，提出了以交流变频调速技术和交流伺服技术为核心，通 过可编程控制器控制的机电式自调匀整装置，提高了自调匀整的响应性和调速的准确 性。本文在分析了国产毛c 0 7 型纯机械式自调匀整装置的基础上，着重研究了前罗拉 交流电机的变频调速控制和针板伺服调速以改变牵伸比来控制毛条重量。围绕这两个 目标，本课题的主要工作如下： ( i ) 机电式自调匀整装置总体方案的设计，硬件设备的选用。 ( 2 ) 驱动前罗拉的三相交流异步电动机变频调速控制系统的设计与调试。 ( 3 ) 针板伺服调速控制系统的设计与调试。 ( 4 ) 在以上的分析基础上，通过在b4 2 3 型针梳机上对国产毛c 0 7 型纯机械式自 调匀整装置的控制系统进行实验调试，并对实验结果进行了分析，验证了机电式自调 匀整装置的可行性。 2 自调匀整装置的原理分析 2 自调匀整装置的原理分析 新定型的制条和前纺纱设备上常有一种自动控制牵伸倍数的装置，这就是自调匀 整装置。它可以根据喂入或输出毛条的单位长度重量差异，自动地改变牵伸值，以减 少纺出毛条的单位长度重量差异。自调匀整的应用，对提高产品质量，缩短工艺道数， 提高劳动生产率都有重大意义。 2 1 自调匀整基本原理网 在针梳机或粗纱机上，牵伸作用是由前后罗拉线速度的不同来实现的，牵伸倍数 可根据前后罗拉速度或喂入和纺出毛条的单位长度重量求得。 2 1 1 自调匀整的基本方程 在单位时间内，喂入半制品的重量和纺出半制品的重量相等，即 v 。g 。= v 。g 。( 2 - 1 ) 式中：v 。、g 。一后罗拉线速度和喂入半制品的单位长度重量； v 。、c - 。一前罗拉线速度和喂出半制品的单位长度重量。 令6 1 = 6 0 + a g式中：g 。一喂入半制品的额定重量； a g 一喂入半制品的实际重量g ，和额定重量g 。之差，亦即喂入重量偏差。 由( 2 - 1 ) 式得： g k l = 鲁= 半 ( 2 - 2 ) k巧砭 ( 2 - 2 ) 式两端各乘以v 后得： g 2 = t g o + a g ( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 中e 为牵伸倍数即鲁比值，假定g z 和g 0 为常数，g 和e 是变数，显 然g ：是a g 和e 的函数。如果g 。保持不变，变量a g 和e 之间盼寿帮明打试来表录 e ：- 面a g + g o 一( 2 4 ) g o 式中云为额定牵伸值( 即导) l ， 4 2 自调匀整装置的原理分析 自动调节基本方程( 2 - 4 ) 明确地给出了牵伸变化规律，即牵伸e 随着喂入半制 品单位长度重量偏差a g 的增大而增大，随着它的减小而减小。由此可见，牵伸调节 是以喂入纱条重量的偏差大小为依据。 2 1 2 自调匀整牵伸的调节方式 自调匀整装置是通过改变牵伸罗拉的速度来调节牵伸的。可以通过改变后罗拉的 速度来调节牵伸，也可以通过改变前罗拉的速度调节牵伸，在毛纺用的自调匀整装置 中，两种方法都有采用。 ( 1 ) 改变后罗拉的速度来调节牵伸 根据式( 2 1 ) 可得： 由于e = 导，代如上式得 鱼 ( 2 5 ) g 1 矿：旦：鱼( 2 6 ) 1 g 2 e e 从以上两式可以看出，后罗拉速度和喂入条重量及牵伸值成反比，它们之间不是 线性关系，而是双曲线关系。因此在设计后罗拉变速机构时，应当采用双曲线铁炮， 而不应采用直线铁炮。 ( 2 ) 改变前罗拉速度来调节牵伸 根据式( 2 - - 1 ) 可得： k ：单：c ，g 1 ( 2 7 ) u 2 k = c 3 e g 2 = c 4 e ( 2 8 ) 式中c ，c 。为常数，分别等于姿，c 3 g ： l ，2 从( 2 7 ) 和( 2 8 ) 两式可以看出，前罗拉速度和喂入条重及牵伸值成正比， 它们之间呈线性关系。 在实际应用自调匀整装置中调节前、后罗拉速度，各有优缺点： ( 1 ) 从负荷看，希望调速部分的功率越小越好，调节后罗拉所需功率比调节前罗 拉时小些； ( 2 ) 从提高调整系统的精度看，前罗拉调速比后罗拉调速有利，前罗拉的转速比 堕q = _ 2 自调匀整装置的原理分析 后罗拉高，转速的误差率可减小，减速齿轮系统可尽量减少，齿隙误差也就减少了。 后罗拉变速时，整个喂入机构，如喂入毛条架、测量罗拉、后罗拉、梳箱等的速度都 要发生变化，容易产生意外牵伸。 ( 3 ) 前罗拉变速时，牵伸倍数的变化与喂入毛条的重量变化呈线性关系。而后罗 拉变速时，牵伸倍数的变化与喂入毛条的重量变化成双曲线关系。 本课题研究的自调匀整装置以采用后罗拉变速，即调整针板速度。 2 2 自调匀整控制系统嗍【5 l 2 2 1 开环系统及主要特性 开环系统如图2 - 1 所示。其特点是先检测条子或棉层的线密度，然后再控制牵伸 比，从而调整输出条子线密度。 设 图2 一l 开环系统 开环系统采用先检测后匀整的方法，针对性强，在开环系统中，由于喂入毛条重 量是由机构后方的检测机构进行检测的，设计关键是使控制系统的时间延迟与毛条通 过检测点与匀整点之间所需的时间配合得当，并使牵伸倍数的变化完全与输入纱条的 线密度变化相适应。若设计得当，可以匀整较短片段的不匀。但是开环系统不能对牵 伸过程中出现的不匀进行补偿，开环系统只进行调节，不核实调节结果，所以系统的 静特性较差，他不能自动修正各环节变化以及外界干扰所造成的偏差，因此，开环系 统在使用前必须精确地校正，且在正常工作时也要保证校准的参数不变。另外开环系 统的检测机构位于牵伸机构的后方，毛条通过检测机构时速度低，安装要求也低，但 检测的波动幅度较大。 2 2 2 闭环系统及主要特性 闭环系统如图2 2 所示，其特点是先匀整后检测，是当喂入毛条经过牵伸机构后 才进行检测。 6 2 自调匀整装置的原理分析 定值 图2 2 闭环系统 闭环系统是按反馈原理工作的，他能减少牵伸机构因外界干扰所引起的不匀，但 不能解决匀整波长等于或小于牵伸前罗拉到检测机构之间距离的不匀波。这段距离称 为匀整死区。由于匀整死区的存在，它只能匀整较长片段的不匀。匀整死区越大，能 匀整的片段越长，而且由于系统的误动作可能造成中、短片段条子均匀度的恶化。但 闭环系统采用先变速后检测，能自动修正各种因素波动和外界干扰造成的偏差，从而 使输出毛条的平均粗细能符合正常水平，是输出毛条性能较稳定，另外闭环系统不用 记忆延迟机构。 2 2 3 混合环系统 混合环系统如图2 3 所示，它综合了前两种系统的优点，克服了各自的缺点，综 合性能较好。 图2 - 3 混合环系统 以前，由于电子元气件昂贵，因此混合环使用较少，但现在电子元气件价格已经 降低，可靠性也较高，尤其是用计算机进行控制，混合环并不比开环或闭环系统成本 高太多，因此要提高匀整的效果，混合环应是首选。 2 3 自调匀整装置的工作原理 2 3 1 自调匀整装置的组成 各种自调匀整装置的组成基本相同，一般由5 个部分组成，如图2 4 所示。 2 自调匀整装置的原理分析 图2 4 自调匀整装置的组成 自调匀整装置的工作原理： 自调匀整装置通过检测机构对喂入或输出毛条的重量进行检测，然后由放大机构 将检测到的毛条粗细的微小变化，放大至所需的程度，由于从检测点到纤维变速点有 段距离，因此，从检测点所得到的信号，不能立即传递到匀整点，必须等毛条从检测 部位到达牵伸变速点时，才能将信号传过去，这个过程由记忆延迟机构来完成，检测 到的信号经过延时后经过传导机构传递给变速机构，变速机构按照检测机构检测到的 毛条粗细信号，及时改变后罗拉速度，自动调节牵伸值，从而达到匀整效果。 2 3 2 国产毛c 0 7 型自调匀整装置的组成与结构 毛c 0 7 型自调匀整装置由检测机构、记忆延迟机构、传导放大机构、变速机构四 部分组成，其结构示意图如图2 - 5 所示： ( 1 ) 检测机构的工作分析 毛c 0 7 型自调匀整装置的检测机构示意如图2 - 6 所示。当毛条通过时，上测量罗 拉随着喂入条子的不匀绕0 。摆动，将不匀通过杠杆传给记忆延迟机构。这种测量方 法是用毛条厚度来代替毛条粗细，其准确程度与加压大小关系密切。为使测量准确， 加压应该大些。但由于上测量罗拉随着毛条不匀而上下摆动，过重的加压将使摆动系 统的惯性增加，容易使上测量罗拉轴的滚针轴承损坏，致使上测量罗拉运转不灵活， 造成测量误差过大，影响匀整效果。如压力不足，毛条厚度就不能真正代表毛条粗细。 因此，工作中应保持喂入重量与罗拉开口基本成比例，从而保证良好的匀整效果。 2 自调匀整装置的原理分析 图2 - 5 毛c 0 7 型自调匀整装置 图2 - 6 毛c 0 7 型检测机构 毛条回潮的差异对上测量罗拉测得的高度有轻微的影响。但不同类型的纤维的检 测结果是不同的。当压力较大时，虽然条子的单位长度重量相同，但是不同类型的纤 维，由于其卷曲度不同，细度、断面形状和密度等的差异，上测量罗拉测得的高度也 不同。当羊毛的品质支数改变时，或者改为人造纤维或羊毛和人造纤维混纺时，要使 输出毛条重量保持不变，是难于做到的。改变纤维类型，常使输出毛条重量变化l 2 ，这样的百分数小于牵伸变换齿轮一个齿的改变，因此在纤维类型发生大的变化时， 一般常以改变牵伸变换齿轮的一个齿来适应。 毛c 0 7 型自调匀整装置检测机构结构简单有效，测量厚度稳定可靠，看管使用方 便，不受外界干扰，纤维品种和温湿度的影响小。 ( 2 ) 杠杆放大机构的工作分析 毛c 0 7 型自调匀整装置采用机械杠杆放大，如图2 7 所示。杠杆放大机构传递从 上测量罗拉到记忆延迟机构的运动。并且利用杠杆作用使上测量罗拉中心的升降运 9 2 自调匀整装置的原理分析 动，放大约2 0 倍，并向后传递。当喂入毛条重量有变化时可以调节自调匀整装置使 其在最佳状态下运转。毛条通过上测量罗拉及下测量罗拉喂入。在选定测量罗拉的宽 度后，只要测量罗拉的加压适当，测量罗拉的开口高度即代表喂入毛条重量的变化。 测量罗拉的开口高度有一定的限制，允许范围为7 1 4 毫米，相当于允许喂入总重量 有2 0 的差异。在实际应用中，如果喂入总重量的差异较小，一般不必改变测量罗 拉的宽度，只需进行调零点厚度即可。如果喂入总负荷变化较大，则需要改变罗拉宽 度，并调节零点厚度。当喂入毛条的总重量超出预定的喂入极限( 2 0 ) 时，杠杆 极限开关起作用而停车。 卜上测量罗拉2 一下测量罗拉3 一放大杠杆4 一控制斜面5 一指针 6 一活动瓦块7 钢辊 图2 7 杠杆放大机构 杠杆放大机构和调零机构，应满足在规定的开口范围内能正常工作。当喂入毛条 平均厚度为标准厚度7 m m ，且不匀率为0 时，指针5 正指中间刻度表上0 的位置。当 毛条的不匀由0 变化到+ 2 0 时，控制斜面4 摆动e 角，使指针指到+ 2 0 9 6 ，相应地钢 辊位移量为s ，即3 5 5 m m 。当毛条的不匀由0 变化j i t j - - 2 0 时，控制斜面向相反的方 向摆动角，钢辊向相反方向的动程为3 5 5 z m 。如毛条不匀由一2 0 9 6 变化为+ 2 0 ， 则控制斜面的摆动为2 ，钢辊的总动程为2 s ，即7 1 m m 。 当喂入额定厚度增加为1 4 m m 时( 实际上很少应用) ，由于测量罗拉的开口高度增 加，上测量罗拉的位置上抬，位移增加，则控制斜面4 的摆角大于e ，钢辊的动程将 大于s ，如不调节，就无法进行正常生产。为此必须改变1 、3 、4 之间的杠杆比，也 就是调节l 的长度及小罗拉2 6 ( 图2 3 2 所示) 与控制斜面的切点与魄间的距离。 当喂入额定厚度增加时，从上测量罗拉位移到钢辊位移之间的放大比例要相应的减 小：反之亦然。在调整中，关键是调节小罗拉2 6 的位置，调节小罗拉即可咀使指针 恢复零点，又可以调节杠杆放大比，使新的额定厚度在一2 0 至+ 2 0 之间变化。 ( 3 ) 记忆延迟机构的工作分析 记忆延迟机构采用钢辊锡林式，并由楔形块进行径向推顶式传导。锡林装有钢辊 7 0 根，钢辊直径8 m m ，长1 1 5 m 口n ，其中经常处于工作状态的钢辊为3 4 根。钢辊随延 迟锡林作反时针方向转动，如图2 - 8 所示为了保证钢辊记录信号准确，锡林上装有钢 1 0 2 自调匀整装置的原理分析 辊锁紧装置，即沿钢辊表面包有一条钢带，钢带借助弹簧作用勒紧钢辊，使钢辊不随 意改变位置。 毛c 0 7 型自调匀整装置的记忆延迟机构，把测量罗拉的上下位移转换为钢辊的 轴，在钢辊端部形成一条与毛条不匀相适应的瞌线，经一段延迟时间后推动楔形块， 传给变速机构。在这段时间里转过的工作的钢辊数越多，则毛条的不匀情况记录的越 详细。为此目的，可以增加钢辊总数或增加工作钢辊数。但前者有体积庞大的缺点， 后者又为钢辊复位所限制。 毛c 0 7 型自调匀整装置采用径向推顶方式，记忆延迟机构必须非常明确，灵敏地 随着测量信号及时改变钢辊的轴向位置，记录后钢辊位置在整个延迟时间内应保持不 变。因此，在使用中要注意机器的振动不引起钢辊自动，不破坏记录的真实性。 伊 记忆饲辊 跫 心 怂 已 匿 图2 - - 8 记忆延迟机构 ( 4 ) 传导放大机构的工作分析 把检测机构的测量结果正确地反映给变速机构，必须有一个迅速、灵敏、强有力 的传导机构，将记录于记忆装置上的信号放大，转变为皮带位移。毛c 0 7 型匀整装置 采用楔形块和三根杠杆来完成信号的传导放大，如图2 - 9 所示。传导放大机构工作时 必须满足三个方面的要求：、传导机构不会引起钢辊的意外位移；、从一根钢辊 到另一根钢辊的转移必须顺利，每根钢辊代表喂入毛条长度2 0 m m 左右；、传导机 构必须按钢辊记录成比例地传递动作。楔形块的结构如图2 - 9 所示。在弹簧p 力作用 下，楔形块经常压住钢辊。楔形块因楔形的倾角很小，小于摩擦角，使钢辊有自锁作 用，不致因楔形块的压力而移动。当不同位置的钢辊抵住楔形块斜面时，就会使楔形 块连同杠杆左右摆动，从而带动铁炮皮带叉。 图2 - 9 传导放大机构 2 自调匀整装置的原理分析 ( 5 ) 变速机构的工作分析 采用后罗拉变速，铁炮外形为双曲线。铁炮是接受测量毛条不匀信号后执行变速 的机构，所以铁炮直径变化要符合毛条喂入重量差异的变化。此外，皮带位移与记忆 钢辊的位移要符合一定的比例关系，同时皮带在铁炮全程上移动时，其张力要保持一 致。 后罗拉和整个喂入部分，包括自调匀整装置本身的传动，都依靠一根窄皮带来完 成。为了增加皮带在铁炮上的位移的灵活性，减少皮带移动的阻力，必须将铁炮的转 速提高到2 5 0 0 3 0 0 0 r m i n ，为此，毛c 0 7 型自调匀整装置传动定速铁炮前经过升速 齿轮箱，变速铁炮输出后有降速齿轮箱。铁炮结构简单，维修容易，具有一定的灵敏 度。但表面易磨光使皮带打滑，影响传动速比的稳定性，而且铁炮本身的惯性大，变 速有一定的延迟。 3 自调匀整装置控制系统的设计 3 自调匀整装置控制系统的设计 原国产毛c 0 7 型自调匀整装置为纯机械式的，存在着记忆误差大、机械惯性大延 迟误差大、变速准确性较差调节难度大等问题。随着可编程控制器、伺服控制技术及 变频调速控制技术的发展，为我们提供了对原有装置进行改造的技术基础。控制系统 的设计与开发是自调匀整装置中最为关键的部分，其性能的优劣直接关系到整个系统 能否正常工作。因此，本章主要对控制系统中的针对自调匀整装置的控制系统进行研 究，包括三相交流电机变频调速控制系统及伺服电机调速控制系统两部分。 3 1 机电式自调匀整装置控制系统的总体设计【6 】【7 】【8 】【9 】 3 1 1 总体方案 机电式自调匀整装置的总体方案如图3 - i 所示，机电式自调匀整装置在开始运行 之前，根据工艺要求首先把主电机速度、牵伸倍数、延迟距离、毛条标准厚度等工艺 参数通过人机界面在可编程控制器中设定。按下运行按钮，系统开始运行，变频器在 接到可编程控制器发来的信号后开始运行，变频器控制主电机按照设定好的启动方式 运行，此时，为保证主电机与伺服电机同步传动，可编程控制器通过旋转编码器4 开始检测主电机速度，并将结果通过d a 转换为伺服电机的电压控制信号，使伺服 电机跟随异步电机启动。待系统正常启动后，可编程控制器开始检测毛条厚度的变化， 国产毛c 0 7 型自调匀整装置对喂入毛条的重量检测仍以机械式检测为主，调速方式 采用后罗拉调速，即用针板调速以改变牵伸比来控制出条重量，在该调速系统中利用 旋转编码器l 采集由检测罗拉输出的与其厚度成线性关系的机械式转动量，并送入可 编程控制器控制器的高速计数口，以这个脉冲信号数据为输入量，进行计算后，运算 结果作为输出信号送可编程控制器的模拟量输出模块，以给定电压控制伺服电机转速 来调节针板的速度，这样就可以调节牵伸比达到匀整效果，旋转编码器3 用于向伺服 控制器回馈交流伺服电机的转速，以保证调速的准确。采集旋转编码器2 、4 的脉冲 信号送入可编程控制器高速计数模块，经计算可知喂入毛条的长度和输出速度以及延 迟时间，并保证主电机恒速。 3 自调匀整装置控制系统的设计 3 1 2 总体结构关系 图3 - 1 机电式自调匀整装置的总体方案图 根据系统功能设定和机械结构，本系统采用可编程控制器和变频器、伺服控制器 控制调速两层控制结构，其三者的关系如图3 2 所示。 图3 2 控制结构图 可编程控制器负责按钮、数字信号和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控 制接触器、变频器、伺服控制器和信号灯等元件，进而控制自调匀整的正常工作以及 1 4 3 自调匀整装置控制系统的设计 整个系统的正常运行，同时负责各种异常情况的处理。变频器主要用于控制当前主电 机的速度，使转速保持恒定。伺服控制器则依据可编程控制器的d a 模块输出电压， 来控制伺服电机的速度，使得在保持正常牵伸的情况下，伺服电机的速度能够根据毛 条粗细的变化而相应变化，从而达到匀整的目的。系统开始运行后，可编程控制器给 变频器f w d 信号使变频器运行，同时伺服电机开始跟随主电机的速度开始运转。交 互式控制界面( 人机界面) 负责对可编程控制器的运行状态进行监控，同时方便操作 员对可编程控制器进行操作和控制。 在自调匀整装置的控制系统中，可编程控制器是核心部件，是整个系统的控制中 心，是上位机；变频器和伺服控制器是整个系统地执行机构，变频器和伺服控制器为 下位机；交互式控制界面则负责与外界的交流。他们之间的关系如图3 3 所示 电压信号 可 墨蔚 变 编 擘童三 频 器 r s 2 3 2 链接通讯 程 控 制 电压信号 伺 器 - - - - - - - - - - - 服 伺服报警 控 制 4 1 - 一 器 图3 - 3 可编程控制器、变频器、伺服控制器及人机界面的关系图 3 2 主电机交流变频调速控制系统【1 1 】【1 2 1 3 2 1 异步电动机变频调速 异步电机的同步转速由电动机的磁极对数和电源频率所决定。当用n s 表示同步 转速时，则有 h 。：1 2 0 f( 3 1 )h a = l j 。j p p 一磁极对数，f 一电源频率 n 一异步电动机的转速，并以同步转速n s 为基准， 将异步电动机的转差率定义为 s ：! 业( 3 - 2 ) 则异步电动机的实际转速n 由下式给出 3 自调匀整装置控制系统的设计 ”：1 2 0 f o - s )( 3 3 ) p n 一电机转速r m i n n s _ 一同步转速r r a i n f 一电源频率h z 口一电动机的磁极对数 s 一转差率 由上式可知，改变参数f 、s 、p 中的任何一个，既可以达到改变电动机转速，即 对异步电动机进行调速的目的。因此可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机 的调速控制。 变频器的控制方式： ( 1 ) v f 控制 v f 控制是一种比较简单的控制方式，是对变频器的输出电压和频率同时进行控 制，通过使v ，f 的知保持不变而得到所需的转矩特性。 ( 2 ) 转差率控制 转差率控制是对v f 控制的改进，在这种方式中，电动机的实际速度由安装在电 动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际 转速与所需的转差频率的和自动设定，从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输 出转矩的目的。 ( 3 ) 矢量控制 矢量控制也叫磁场定向控制，是利用d - p 旋转坐标变换，将定子电流分解成励磁 电流和转矩电流。在调速过程中保持转子磁链不便，此时交流电机调速原理与直流电 机相同。本文选用此方法来对异步电动机进行调速。 ( 4 ) 直接转矩控制 直接转矩控制应用空间矢量的分析方法，直接在定子的口一卢坐标系下计算与控 制异步电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产程p w m 信号， 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，已获得转矩的高动态性能。 数字化变频调速控制系统中普遍使用的控制方式是p w m 矢量控制方式( 包括电压 矢量、磁通矢量和磁场定向等) ，矢量控制能够对电压、电流以及它们产生的磁势、 磁链的瞬间值进行控制，并且能够实现磁通和转距的解藕，从而大大提高电机的动、 静态性能。 3 自调匀整装置控制系统的设计 3 2 2 变频调速的p i d 控制 变频器的调速具有快速准确，因此在自调匀整装置中采用变频器来调节三相交流 异步电机的速度，使其在恒转速的状态下运行。在变频器的控制过程中本文采用p i d 控制。 电机的p i d 控制方式是现代工业控制中应用的最为广泛的反馈控制方式，他根据 给定的目标值，与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称p i d 控制器，它是一种使反馈 量与目标值一致的通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制、速 度控制的过程控制。p i d 的控制原理如图3 4 所示。 娃髹值 度 图3 - 4p i d 控制原理图 p i d 调节器的控制规律是 u 咄砉弘出+ 乃争 或u = 吉p + 毒弘廊+ 乃等， k 一调节器的比例系数； z 一调节器的积分系数； 乃一调节器的微分系数： e 一调节器的偏差信号； 占一比例带，它是惯用增益的倒数； u 确出； p i d 调节器的传递函数： g 。( 加丢( 1 + 去+ 驯 工业上实际采用的p i d 调节器的传递函数一般为 1 7 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 3 自调匀整装置控制系统的设计 ，1 + 币1 + 巧s 瓯。卜疋i ! 互l + 二+ 旦s ( 3 - 7 ) 其中k ：= 脚i = 啊；巧= 鲁 式中带的量是调节器参数的实际值，不带者为参数的刻度值。f 称为相互干扰 系数；k 。为积分增益；k 。为微分增益，基本p i d 控制框图如图3 - 5 所示。 变频器 图3 - 5 基本p i d 控制框图 p i 控制是由比例控制( p ) 和积分控制( i ) 组合而成的，根据偏差及时间的变 化，产生一个执行量，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。图3 6 所示为p i 控制。 p 时间 时间 时间 图3 - 6p i 控制 p d 控制是由比例控制( p ) 和微分控制( d ) 组合而成的，根据改变动态特性的 偏差速率，产生一个执行量，在系统发生偏差时，很快产生比单独微分( d ) 环节还 要大的操作量，以此抑制偏差的增加。偏差较小时，比例( p ) 环节动作的作用减小。 3 自调匀整装置控制系统的设计 图3 7 所示为p d 控制。 一设定点 一司忑f 舞乏= 差 p 运算土_ 。：! 二二二叫间p 运算! 二二二叫间 i i ii ir 一 d 运算+ 卜一时间 ii ： p d 运算_ l l 埘间 图3 7p d 控制 利用积分( i ) 环节消除偏差作用，用微分( d ) 环节抑制振荡作用，再结合比例 ( p ) 环节就构成了p i d 控制，p i d 控制是利用p i 控制和p d 控制的优点组合而成的 控制。在自调匀整装置中，三相异步交流电机的p i d 控制是采用变频器内部的p i d 调节器，对变频器当前控制的主电机转速进行调节。 p i d 控制设定值的调整可以在用示波器监视响应波形的同时进行调整。对于抑制 超调，可以增大积分时间，减少微分时间；对于加快响应速度，如果允许有小量超调 的话，可以减少积分时间，增大微分时间；抑制比( 积分时间) 长的周期振荡，增大 积分时间；抑制大约和微分时间同样长周期的振荡，减少微分时间。设定0 0 仍有振 荡时减少增益。 改造后的自调匀整装置三相交流电机恒速的控制要求，采用如图3 - 8 所示的p i d 调节方式的闭环控制。 图3 - 8 变频器p i d 闭环控制 3 2 3 变频调速的输入输出电路 变频器的输入信号有两种，一是控制信号，它包括p l c 输给变频器的f w d 信号和 由旋转编码器检测的速度信号经p l c 的d a 模块输出的模拟信号作为变频器的p i d 单元的反馈输入信号；二是输入电源信号，自调匀整装置控制系统采用的三相3 8 0 v 的交流电源，三线电源的输入连接在端子l 1 r ，l 2 s ，l 3 t 上。三相输入通过线路 1 9 3 自调匀整装置控制系统的设计 保护用断路器或带漏电保护的断路器连接至三相交流电源，不需考虑连接顺序。尽量 不采用主电路电源o n o f f 的方法控制变频器的停止和运行，而用控制电路端子s t f 、 s t r 或者键盘面板上r e v 、f w d 和s t o p 键控制变频器的运行和停止，以免造成大的冲 击，影响系统的稳定性。 变频器的输出信号也有两种，一是送p l c 的变频器故障信号，这是三个输出控制 信号，二是送电机的变频器输出电源信号。送p l c 的故障信号由变频器的a 、b 、c 端子送出，当变频器异常时b c 间不导通( a - c 间导通) ，正常时b c 间导通( a c 间不导通) 。变频器的输出端子( u 、v 、w ) 按正确的相序连接至交流接触器的输入电 源端子上。如果电机旋转方向不对，则说明连接相序有错，则改变u 、v 、w 中的任意 两相的连接。变频器和电动机间配线很长时，布线寄生电容所产生的冲击电流会引起 过电流保护可能误动作，输出侧连接的设备可能运行异常或发生故障，要求布线距离 最长为5 0 0 米。针对于本装置控制系统中的变频器和电动机之间的布线距离较小，因 此可以采用。连线时还要注意，为了安全和减少噪声，变频器的接地端子必须良好接 地。为了防止电击和火警事故，电器设备的金属外壳和框架均按照国家电器规格要求 接地。接地线要粗而短，变频器系统应用独立的接地端子，不能和别的系统串联接地 或共同接地。变频器的具体连接如图3 9 所示，端子说明如表3 1 。 表3 一l 变频器端子说明 端子记号端子名称说明 r s t 交流电源输入连接工频电源 u v w变频器输出接三相鼠笼电机 s t f正转启动s t f 信号处于o n 正转、o f f 停止 s t r反转启动s t r 信号处于o n 反转、o f f 停止 s d 公共输入端子接点输入端子和f m 端子的公共端 s e 输出公共端f u 、o l 、i p f 端子的公共端 输入o + 一5 v d c 或0 + 一i o v d c 时，端子2 或4 1辅助频率设定 的频率设定信号与这个信号相加 0频率设定公共端频率设定信号和模拟输出端子的公共端 3 自调匀整装置控制系统的设计 3 3 伺服电机调速控制系统1 3 】【1 4 1 3 3 1 伺服控制系统 翼一