（机械电子工程专业论文）剑杆织机纱线张力电子检测与控制技术研究.pdf

剑杆织机双经轴纱线张力电子检测与控制技术研究 摘要 我国市场的进一步开放，导致竞争越来越激烈，企业均面临着体 制的改革和技术的创新。国内的纺织品行业也面临着前所未有的挑战 和机遇，技术创新、用新技术代替传统的工艺制造技术，将是企业提 高市场竞争力和生产力的必经之路。 在无梭织机中，剑杆织机是我国目前使用最为广泛的织机之一。 在剑杆织机的研究与开发的过程中，纱线张力的电子检测与控制是重 点研究对象，也是决定织机性能好坏和运行稳定性的关键技术所在。 因此，对剑杆织机纱线张力的电子检测与控制技术的研究具有非常重 要的意义和广阔的市场前景。 本文在分析剑杆织机基本工作原理的基础上，建立了织机的数学 模型；利用m a t l a b s i m u l i n k 模块库建立了织机纱线张力仿真模型； 通过仿真分析，并针对传统的剑杆织机纱线张力检测与控制上精度不 高、响应特性较差等缺点，提出了将异步电机d t c 控制技术和s 型 张力传感器检测技术运用到织机经纱张力检控系统中。 将改进后的经纱张力检控系统经过m a t l a b 软件仿真分析可以 发现，此种检控技术得到了良好的预期效果：经纱张力波动过渡平稳、 系统响应特性较好、控制精度得到较大提高。另外，通过剑杆织机双 经轴纱线张力检测与控制结构分析可以得出，本文纱线张力电子检测 与控制技术同样适用于双经轴纱线张力的电子检测与控制系统。文章 最后对双经轴经纱张力检控方法提出了一种新的设想，并简单的分析 了新检测方法中张力杆的受力情况。 关键词：剑杆织机，纱线张力，电子检测，d t c 控制，双经轴 r e s e a r c h0 n 珊t e n s l 0 n v a 砌a t i o na n d c o n t r o l t e c 卸n o l o g yi nr a p i e r l 0 0 m a b s t r a c t ln et u r t h e ro p e n i n go fd o m e s t i cm a r k e tr e s u l t s i nm o r ea n dm o r ei n t e i l s ec o m p e t i t i o n 掣嘣e r p n 8 e 8 a r e f a c e dw i t hs y s t e m r e f o r m a n d t e c h i l i c a li n n o v a t i 。n d 。m e s t i c 。f t e x t i l e m d u s t 巧a l s 。e n c 。u n t e ru n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g e s a n d 。p p 。r t u n i t i e s t h e 。n l yw a yf o rt h e c 。m p a n yt 。1 m p m v em 甜k e t c o m p e t i t i v e n e s sa n dp r o d u c t i v i 砂i s u s i n gn e wa n di n i l 。v a t i v e t e c t l n o l o g yi i l s t e a do f t r a d i t i o n a lc r a f m n u 白c t u r e t e c h n o l o 烈 a tp r e 8 e m ，t h e 。a p i e 。l o o mi s o n eo ft h em o s t w i d e l yu s e di ns h u t t l e l e s sl o o mi no u r c 。u n 仃y i _ h e e l e c t o n i cd e t e c t i 。na n dc 。1 1 t m l s y s t e mi s t h ek e yp 。i n tf o r t h er a p i e r l o o m 。f v a l l l t e n s l 。nd 啪n gt h er e 8 e a r c ha n d d e v e l 。p m e n t 。fs h u 仕l e l e s sl o o m ，w h i c hi sa l s 。t h ek e y f a c t 。rt h a t w h e t h e t h el o o mc a n p e r f o r m a n c es m 。t h l ya n d s t a b l y t h e r e f o r e ，r e s e a r c hi nt h ee l e c t r o n i ct e s t a i l dc 。n t r o l t e c l l l l 。l 。g yf o rt h er a p i e r l o o mo fy a m t e n s i o nh a si m p 。r t a n ts i g n i f i c a n c ea n d w i d e l v l1 1 l sa n l c l e1 3a i m e d t ob u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fl o o mb a s e d o na n a l y z i n gt h eb a s i c w o 嘲n gp n n c i p l e 。fs h 咐l e l e s s1 0 0 ma n dt 。e s t a b l i s hy a m t e n s i 。ns i m u l a t i 。nm 。d e l b yu s i n g m 。d u l e1 1 b r a 叫。f m a t l a b s i m u l i n l ( t h r o u g ht h es j m u l a t i 。na m l y s i s ，a n di n t h ei i g h t 。f r a d i t l o n a lr a p i e r i s y a 呲n s i o n l e s t 、l e s sc 。n t r 0 1 a c c u r a c y 、w e a k r e s p 。1 1 s ea n d 。t h e rs h 。r t c 。m 哒 t h i 5a n l c l ea 1 5 。p 。e 8 e n t st 。a p p l ya s y n c h r o n o u s m 。t 。rd t cc 。n t r 。1t e c l l l l 。l 。g ya n dst y p et e n s i o n d e t e c t l o nt e c h n 。i 。g yt oc 。n t r 。la n d d e t e c t i 。ns y s t e m 。fl 。mw a r pt e n s i o n w ec a n 删t h a tt h i 5 c o n t r o la n dd e t e c t i o nt e c l l n o l o g yh a sa c h j e v e d f a v o r a b l ee x p e c t e d e 腧t 抒0 m h e8 i m u l a i 。na n a l y s i s 。fi m p r o v e dw a r pt e n s i 。n c o n t r o la n dd e l e c t i o ns y s t e mb v m 肌a 8 5 娟w a r e t h e w a r p t e n s i 。nn u c t u a t e ss m 。t h l y ，t h e s y s t e mr e s p o n s ei sb e n e ra n j c o n f r 。jp r e c l 8 i 。ni 5 i m p r 。v e d 铲e a t l y a l s o ，t h r 。u g ht h ed e l e c t 。fr a p i e r1 0 。md o u b l el e t o f rv a r n t e n s l 。na n da n a l y s i s 。f c o n t r o ls t r u c t u r e ，t h i sa r t i c l ei sc 。n c l u d e dt h a tt h e y a r nt e n s i 。ne i e c t r 。n i c d e t e c ta n dc o n i r 。l i e c h n o l o g ya l s 。c a n b ea p p i i e dt 。e l e c t r o n i c d e i e c ta n dc o n t r o l s y s t e mo fd o u b l e i i i r o di nn e wd e t e c tm e t h o d s mg u a n 西u n ( m e c h a j l i c a le n 西n e e r i n 曲 s u p e r v i s e db yq 趔幽旦_ 些盟 k e yw o r d s ：r a p i e r l 0 0 m ，y a m t e 棚，e l e c t r 。1 1 i cd e t e c t ，d t cc 。眦d 舭l e t - o f r i v 删 缸 d 缸 缸 撤 似 d 虬 协 协 椰恤 呱 的 獬 出 一呻 d 巾 盯 暑 删 觚 r 8 宝 狄 皿 m 龇 砌 扒 雌 吣 蜮 舯 觚 m 鸯 m 啮 m 曲 詈咖 o 吐 m 0 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 中国的纺织业是中国工业化进程中的一个非常重要的民生产业，同时也是国 际化程度比较高的产业之一。早在2 0 0 6 年上半年，国家制定了振兴我国装备制 造业的伟大战略计划，又因为纺织行业是我国国民经济的支柱产业，因此，纺织 机械制造业作为机械装备制造业中的一个重要组成部分而备受人们关注。 我国要从纺织大国转变为纺织强国，必须要在纺织工业中使用先进的纺织机 械设备，这样才能生产出高技术附加值和高技术含量的纺织产品，利用我国纺织 生产各方面的优势，来使我国的纺织产品在国、内外的市场上提高竞争力n 1 。而 我国纺织机械装备水平的提高，必须要立足于我国国内自身的纺织机械技术，用 中国自己的纺织机械装备来装备纺织产业，我国纺织工业需要的技术装备数量巨 大，因此，一定要加快使用高新技术装备改造纺织业，大力开发先进的纺织机械 装备，从而促进我国纺织产业的升级。 自从我国加入w t o 以后，企业的体制进行了深入改革，我国的纺织行业正 面临着前所未有的挑战与机遇，产业竞争的焦点将是在产品档次、产品结构调整 以及产品品质水平上。在科学突飞猛进、技术更新速度空前加快的今天，我们必 须用最新的科学技术来改造传统的工艺技术，这将是生产力发展的必由之路，因 此，我们对传统的纺织工业需要进行彻底的改造乜1 。 织机作为纺织机械中最具有机电一体化技术水平的纺织机械，其在纺织行业 生产中占有非常重要的地位，且在我国纺织业中广泛应用，因此，织机的研发工 作具有很重要的经济效益和社会价值。 1 2 纺织机械的发展趋势 随着科学技术的发展，纺机市场也出现了一些新的需求，棉纺织企业对高端 的纺织机械装备的需求也在不断地增加，纺织机械正在逐步的向高端化、绿色环 保和智能化方向发展。据统计，从2 0 0 8 年到2 0 0 9 年，虽然经济萧条，国际市场 上纺织机械设备的出口量大幅度的下滑，但是随着亚洲纺织行业的复苏，纺织机 0第1 章绪论 械设备的需求也开始出现了回暖。在国际纺织行业市场里绝大多数的纺机设备都 流向了亚洲，在2 0 0 9 年，纺机进口量排在前5 位的国家和地区都分布在亚洲， 占到全球纺机进口总量的5 6 6 ，未来纺机市场发展势头非常乐观b h 引。 2 0 l o 年中国国际纺织机械展览会暨i t m 亚洲展览会已经圆满落幕，一些 纺机专家也通过此次展会去收集相关行业知识和了解纺机的发展趋势。目前，市 场上对纺机设备的需求主要体现在对设备的高自动化程度、高效、高质量和节能 等方面。随着国际市场上各种能源如天然气、石油、水和电等价格的不断上涨， 因此，能源的使用对纺织的所有生产环节来讲，都是必须要考虑，且必须要面对 的挑战，淘汰落后产能、节能减排，并鼓励使用新技术和技术创新将是未来纺织 机械发展的主旋律临1 。 1 2 1 国内纺织机械的发展现状 我国纺机发展历史久远，近几年来，随着科技的发展以及积极从国外引进先 进的纺织机械设备进行研究、消化和生产，我国纺机行业的技术得到了很大的提 升，取得了不小的成就，但是相比于一些国际上比较大的纺织机械公司来讲，国 内的纺织机械企业缺乏技术创新、产品过于集中、企业规模偏小。从而造成了这 些企业缺乏市场竞争力、低水平重复生产、创新技术力量较弱m 陋3 。目前，我 国纺织机械产业的主要情况体现在： ( 1 ) 产业缺乏统一的行业标准，国内各个纺机企业的产品特点相似，“趋同 化”现象严重，缺乏自己的产品特色，行业竞争秩序比较混乱，从而影响了整个 产业的良性发展。 ( 2 ) 随着人民生活水平的提升，消费者对纺织产品的要求也随之提高，高 档面料已经成为人们消费的主要热点，这就导致国内的纺织行业和纺织机械设备 之间的需求存在较大的差异。 ( 3 ) 企业创新意识比较淡薄，对产品的研究和开发投入的人力和财力不足， 以致造成所生产的产品与国外的产品相比缺少市场竞争力。 ( 4 ) 企业对专业技术人才缺乏系统的培养，加上人才流动性比较大，导致 企业缺乏一支具有过硬专业技术知识的研发团队。 ( 5 ) 自从中国加入w t o 以后，随着外来企业和产品的涌入，竞争压力进 一步加大。 随着社会的发展，计算机技术、现代控制理论和微电子技术的快速发展，纺 织机械行业发生了翻天覆地的变化。我国也对部分纺织机械企业进行了改革和整 合，但是，尽管这样依然改变不了我国高档织机需要从国外进口的现状，要想彻 底的改变这种依靠国外进口的落后现状，必须要投入大量的人力、财力和科技力 第l 章绪论 量进行技术攻关。 1 2 2 国外纺织机械的发展趋势 国际上，在纺织机械行业中，德国、意大利、日本、瑞士等国家长期处于优 势地位。近几年，意大利和日本纺织机械对国外出口一直处于强势地位。跟国内 纺织机械相比，国外的纺机性能更可靠、成本较低、利于环保、生产率高、便于 操作，国外纺织机械设备一直处于世界市场的主导地位。归纳起来，国外纺织机 械的特点主要有： ( 1 ) 网络化、智能化，随着科技的进步，越来越多的先进技术被用在对纺 织机械的改进和创新中来。在日本大阪举行的第七届国际纺织机械展览会 ( o t e m a s ) 上，日本津田驹公司展示了一款他们最新研制的，操作更为简单 的喷气织机，该款织机能通过它的智能反应系统及时、准确的向用户反映织造过 程中的各项技术参数以及织造技术方面的各项支持。另外，近年来，随着网络技 术的发展，越来越多的公司开始推出具有网络连接功能的纺织机械和一些配套的 软件系统。例如，p i c a n o l 公司推出的p r o i e c tt r a c k e r 网络化订单管理系统、l o o m g a t e 织造车间软件控制包以及p a n l l m e 备件在线供应系统等。由此可见，网络 化和智能化已经成为未来无梭织机发展的方向之一国1 。 ( 2 ) 创新的营销理念，纺织机械更加的贴近市场。纺织机械需要紧密的结 合市场的需求，并不断的开发新的产品去适应不断变化的市场。不仅要为传统的 纺织机械行业服务，而且更重要的是为新开发的领域需求进行服务。 ( 3 ) 技术创新，科技在发展，纺织机械的发展必须要以技术创新为基础。 随着电、气、机、光在纺织机械上的运用，纺织机械的机电一体化技术已经越来 越完善，纺织机械具有高速、高自动化特点。网络和微机的使用，使提花的方式 具有多样性，织物的设计可以直接通过电脑完成等，大大方便和减少了设计的难 度，使产品具有多样性，方便了用户的选用，解决了复杂的织物和花色在制作上 的难点。 ( 4 ) 节能环保，节能减排、低碳环保是纺机制造业发展的必经之路u 引，传 统的纺织业对水源的污染以及在能耗、噪声方面都有很大的问题需要去改进。当 今社会，保护环境和节约能源是国家以及企业都要面临的重要课题，目前，许多 纺机企业在节能降耗和环境保护上投入了很多的人力和财力去研究，并取得了一 定的成绩。例如，瑞士的苏尔寿公司所开发的m 8 3 0 0 型多相织机，残余的纱线和 飞花在发生的部位都直接被回收，噪音方面也比单相织机降低了很多，其封闭式 的加工区域降低了对空调的要求，也减少了尘埃。另外，该款织机还具有很好的 环境界面。 第l 章绪论 ( 5 ) 组织管理的创新，以使组织结构根据的科学合理。市场千变万化，很 多企业通过兼并、联合和重组，使组织结构更加合理，增强了企业在市场上的竞 争力。例如，瑞士的苏尔寿公司跟意大利的范美特、斯密特公司进行联合，组成 了国际上最大的织机制造公司。 总之，未来无梭织机的总体发展趋势将是高效率、高速度、高智能化、网络 化和节能环保。 1 3 国内外剑杆织机的发展趋势 在无梭织机中，剑杆织机是织制中、小批量以及品种翻改比较频繁的花色织 物所通用的也是最可靠的织机，价格也比片梭织机低n l l 。目前，剑杆织机是无梭 织机中应用最为广泛的一种织机。在国内，由于科技的发展以及相关专业的研发 人员的不懈努力，中、高档剑杆织机的技术水平不断地提高，质量也相对的比较 稳定，在每年产量的不断增加下，中、高档剑杆织机的进口总量呈现出逐年递减 的趋势，已近逐步的替代了进口的剑杆织机。然而，在一些特殊的产业用布以及 高档服装面料的织造上所用的剑杆织机，我国仍然要靠国外进口，据统计每年大 概需要进口2 5 0 0 、3 5 0 0 台左右。 纺织工业是受2 0 0 8 年国际金融危机影响最大的产业之一，为了提高市场竞 争力以及产品的档次，国内用户对技术含量比较高的纺机设备需求进一步的提高 了，然而我国纺机企业所生产的产品绝大多数还都是中、低档的，只能用来织制 比较普通的织物。 在2 0 0 6 年6 月2 8 日国务院发布的国务院关于加快振兴装备制造业的若干 意见中，将以“1 0 项新型纺织成套关键技术装备攻关和产业化”项目为主的 “发展新型纺织机械”作为振兴我国纺织装备制造业要实现重大突破的1 6 个关 键领域中的一个，其中就包含了发展机电一体化的剑杆织机。在2 0 0 9 年4 月2 4 曰，国务院关于纺织工业调整和振兴规划中明确指出，发展高速剑杆织机系 列和特种产业用纺织品织造设备。因此，研究与开发具有机电一体化的高速剑杆 织机，以及发展产业用纺织品特种纺织机械将是我国近年来纺机发展的总体趋 势。 目前，进口剑杆织机的机器速度继续向着高速方向发展，车速已经达到了 8 3 0 r m i n ，入纬率达到了1 5 0 0 m m i n ；通过工业以太网、现场总线以及英特网等 网络工具的使用，实现了织机的联网控制、管理以及故障诊断。传动普遍采用电 机直接传动，电子送经、电子卷取已经成为织机的标准配置；织机都配有自动寻 纬机构和电子绞边装置。现在最新的设计理念是将独立的直流无刷电机、开关磁 4 第1 章绪论 阻电机或者伺服电机单独驱动的电子开口、打纬以及电子送经卷取系统应用在剑 杆织机的设计当中n2 】。 国产的中、高档剑杆织机的速度比国外同类型的产品低1 5 左右，效率低1 2 左右，因为我国剑杆织机的研发工作起步比较晚，设计水平没有国外先进，尤其 是在自动化控制上和国外的先进水平有较大的差距。目前国内高档剑杆织机的市 场主要还是被国外织机所占有。目前，我国剑杆织机发展的主要方向是怎样加强 电子技术的使用，以此来提高织机产品的质量、市场竞争力、提高生产率和降低 劳动的强度。 1 4 电子送经卷取的发展现状 目前，国外的无梭织机已经基本上都配备了电子送经装置，其中控制方式主 要有交流伺服电机系统、开关磁阻电机系统、直流无刷电机系统以及发进电机加 驱动伺服系统四种控制方式n3 | 。这四种控制系统各有特点，其中直流无刷电机系 统比较便宜，而交流伺服电机系统变速较好、精度高。现在国内的一些无梭织机 也开始配备使用电子送经系统，根据自己国家的实际情况，国内自主开发了交流 变频调速的送经系统，只是其控制精度相比于国外偏低，但是其具有价格上的优 势，适合生产一些中、低档的织物。 相对于电子送经系统，国外无梭织机上也配备了电子卷取系统，且每个公司 的电子卷取系统跟电子送经系统是配套使用的，而国内的电子卷取系统则只是作 为织机的选购件，还没有普遍使用在无梭织机上。为了保证织机的送经系统与卷 取系统之间的同步，国外厂家使用了同步联结器，达到了精密调节纬密和保证恒 定经纱张力的作用，最大程度上避免了开车痕的产生，从而获得质量比较高的织 物。例如，意大利的s o m e t 公司所设计的同步联结器，它可以与计算机连接进 行高效的控制，而我国国内则普遍使用p l c 控制技术来保证织机送经系统与卷 取系统之间的同步。 1 5 电子送经卷取的发展趋势 电子送经系统在早期有三种控制电路形式，即模拟电路、模拟与数字混合电 路以及数字电路三种形式。模拟电路速度很快，但是其精度和自动化程度则偏低， 且缺乏逻辑判断以及信息存储功能；数字电路的参数设置比较方便，且精度和逻 辑判断功能较好n4 f 。随着科学技术的发展，目前织机的电子送经系统已经向由微 机控制的数字电路方向发展。目前，国内、外电子送经控制系统较多采用的是8 第1 章绪论 位微处理器或者1 6 位的微处理器，为了满足高档织机的要求，以后电子送经系 统的控制要采用更高的3 2 位微处理器，这样将使电子送经系统的功能进一步的 提高。 为了使电子卷取系统和电子送经系统能够同步配合，每个公司都采用了不同 的方案。例如，意大利的舒美特公司开发了同步联结器，这样能使电子卷取与电 子送经同步，保证了织机运行过程中的纬密和恒定经纱张力，有效的消除了开车 痕的产生。 与国外相比，我国电子送经与卷取技术还落后很多，跟国外先进技术还有较 大的差距。国内大部分高档剑杆织机的送经卷取系统都是从国外进口，价格比较 昂贵，且维修较不方便。虽然国内一些纺机企业也开发了部分国产中、高档织机 的电子送经与卷取系统，但是其技术水平还不够完善，运行还不稳定，需要进一 步的进行改进。电子送经系统的发展方向是使用更高的3 2 位微处理器，使用张 力传感器来检测经纱张力，利用微机控制技术来控制交流伺服电机、开关磁阻电 机、直流无刷电机或者步进电机来驱动织轴。通过开发配套的电子卷取系统来消 除开车痕，开发恒张力、变纬密的纺机设备n 5 】。 1 6 本课题研究的意义 目前，我国国内的纺织工业中对中、高档织机的需求越来越迫切，而中、高 档织机的最主要特点就是对织机纱线张力的检测与控制较为准确和灵敏。国外的 一些先进的纺机制造商已经进入中国市场，给国内的纺机制造商带来了很大的竞 争压力。由于近年来随着国内劳动力成本的不断提高，国内纺机制造商的优势逐 渐消失。这就导致国内纺机制造商必须加大研发力度，开发技术含量比较高的产 品来提高在市场上的竞争力。 开发具有我国自主知识产权的经纱张力电子检测与控制系统，将会对我国织 机产业的发展带来巨大的影响力。使用织机经纱张力电子检测与控制系统可以解 决传统织机控制纱线张力不准、织制布匹质量较差、织机车速较低等缺点。计算 机控制的使用将会使参数的改变更加方便，而无须调整和更换机械零部件。因而， 电子送经与卷取系统可以保证织机在高速运转的情况下织造出高质量的产品，且 使用方便，是未来织机的必备装置之一，具有广阔的市场前景。 1 7 本课题研究内容 本课题在充分了解剑杆织机工作原理的基础上，对剑杆织机的数学模型进行 6 0 第l 章绪论 推导与分析，并通过m a t l a b s i i l l u l i n k 模块建立简单的织机经纱张力仿真模型。 通过对电机的d t c 控制技术以及s 型张力传感器原理进行分析与仿真，并应用 于织机的仿真模型中，构成带有经纱张力电子检测与控制系统的织机仿真模型。 另外，对于双经轴织机的第二根经轴提出采取新型的张力检测方法，并通过应力 分析得到张力杆的受力情况。 1 8 本章小结 本章通过对纺机背景以及国内、外市场的分析可以看出，未来纺机是向着高 智能化、高速、网络化等方向发展，而电子送经与卷取系统凭借其独有的一些优 势，成为未来中、高档织机所必备的装置之一，具有广阔的市场前景和重要的研 究价值。 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 2 1 经纱张力 经纱张力是织物织造过程中的一个重要参数，对织机成布的质量好坏有着至 关重要的影响。经纱张力若过大，则易引起意外牵伸，从而使纱线受损，出现细 节，增加断头；经纱张力若过小，则会产生卷曲，导致成形不好，粗纱冒纱，影 响生成布匹的平滑度。根据纱线的种类和织物的结构不同，对经纱张力的要求也 是不同的。在织造过程中，随着开口运动、打纬运动、送经和卷取的不断重复进 行，经纱张力受到多方面的影响，在不同时刻发生不同的变化，从多个织造周期 来看又呈现出一种动态的周期性。 2 2 经纱张力的分类 2 2 1 经纱静态张力 经纱静态张力指的是经纱上机时的张力，是织造工艺的重要参数之一，适当 的上机张力是织造所必须的，它不仅是开清梭口的重要条件之一，也是均匀经纱 张力、打紧纬纱、形成良好织物结构的必要条件。确定上机张力主要是有利于形 成清晰的梭口、有利于打纬和降低经纱的断头率、使织物具有较好的外观。 如果上机张力太大，纱线容易疲劳，伸长量太大则容易出现纱线断裂，会造 成布面不均匀、不丰满和条影等现象n6 | 。如果上机张力太小，则打纬困难，纬纱 难于相对经纱向前运动，并会带着经纱一起向前运动，不仅没有达到打纬的目的， 还会使得钢筘后面的经纱张力骤增，从而容易产生经纱断头。当钢筘后退时，经 纱与纬纱也会随着一起后退，从而无法得到预期的纬向紧度。此外，上机张力太 小，同样会使得织物排列不匀整、布面不丰满、条影显著。上机张力太小还会造 成开口不清，影响引纬，造成跳花织疵。上机张力对织物的物理机械性能也有很 大的影响，一般情况下，上机张力大，则经织缩率小，纬织缩率大，经密增加而 纬密减小，布面匀整而纹路不清晰，布长增加而布幅减小，耐磨性和经向长度都 有所增加。 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 从织物内在力学性能来看，不宜采用较大的上机张力，因为当上机张力增加 时，织物的重量、强度、厚度以及经纬向密度的变化比较小，但经向织缩和断裂 伸长的减小却较大。研究表明，经向断裂和支持面大的，其服用牢度大。采用较 小的上机张力时，织物的经向断裂功则较大，同时采用适当较小的上机张力后， 经纬纱的屈曲波高之比接近于l ，经纬纱同时显露于织物表面，增加了支持面， 克服了上机张力较大时纬纱屈曲较多、经纱在织物表面显露较少和支持面较小等 缺点n 7 | 。 另外，确定上机张力的时候，也应该充分考虑织物的性质。一般情况下，织 制轻薄织物的时候，在保证梭口清晰度的前提下，经纱静态张力以小为宜。在织 制经纬密度大的织物时，应该采用较大的上机张力，以利于开清梭口、打紧纬纱。 在织制经纬密度小的织物时，应该采用较小的上机张力。 2 2 2 经纱动态张力 经纱动态张力是指在织造过程中由开口、打纬、送经、卷取等因素而引起的 张力波动。下面分别从开口运动、打纬运动、送经和卷取运动来具体分析经纱动 态张力的波动情况。 ( 1 ) 开口运动对经纱动态张力的影响 开口运动对经纱主要就是拉伸作用，这个拉伸作用通过梭口对称度、梭口高 度、梭口深度和织机后梁位置等几个主要因素来共同对经纱张力造成影响。经纱 的张力跟经纱的伸长变形量成正比，经纱的相对伸长量可以用经纱的相对伸长率 来进行表示，又因为经纱的相对伸长率跟梭口的高度平方成正比。因此，梭口高 度越高，经纱的相对伸长率也就相应的越大，相应的经纱张力也就越大。如果要 大幅度的减少经纱开口时所受到的张力，可以通过减小梭口的高度来实现，但是 梭口的高度也不能任意降低，因为梭口高度太低的话会影响织机的引纬运动。 如图2 1 是织机开口运动半个梭口的简图，其中为梭口深度，即为综平时 经纱的长度，厶为织机前梭口深度，三，为织机后梭口深度，厶为前半部分开口 后的经纱长度，厶为后半部分开口后的经纱长度，日为梭口高度。 0 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 图2 1 织机梭口简图 织机的梭口对称度可以用d = 拿来表示，当梭口长度、梭口高度以及胡克 l 2 系数一定时，经纱张力的表达式为：乃= 茎莘( 2 + 。+ 去) 。从乃的表达式可 知，当d = 二，即d = 1 ，兰= 1 时，f ，能够取得最小值。因此，当织机梭口完 d l 2 全对称的时候经纱张力是最小的，然而，由于完全对称的织机梭口会使前梭口的 高度偏低，影响织机引纬，在实际的织造过程中并不使用这种对称的织机梭口， 一般织造时都选择对称度小于l ，这样有利于织机的引纬。 在实际的织造过程中，由于使用的梭口高度都是不对称的，这样就使得织机 梭口上、下层的经纱张力并不相等。开口时经纱上、下层的张力差主要取决于织 机后梁的高低，因此，在织机结构上，可通过调整织机后梁的位置高低来达到调 整织机梭口上、下层经纱张力差异的目的。合理调节织机梭口上、下层经纱张力 的差异，可以起到改善织物结构、提高织物质量的作用。 如图2 1 所示，当织机梭口高度不变的情况下，梭口的深度上越大，经纱的 拉伸变形量就越小，经纱的张力也就越小，因此，在织造允许的条件下，应该尽 量使梭口的深度变长。 ( 2 ) 打纬运动对经纱张力的影响n 刚 综平后的初始阶段，经纬纱开始相互屈曲抱合，经纬纱屈曲抱合而产生摩擦 与挤压作用，从而形成了阻碍纬纱移动的阻力。由于此时织机钢筘离织口的距离 比较大，阻力并不是很显著。当纬纱被织机钢筘推到离织机织口第一根纬纱一定 距离的时候，就会遇到显著增长的阻力，这一瞬问被称为打纬运动的开始。打纬 运动开始以后，随着织机钢筘继续向着机前方向运动，织口将被推向前方，此时， 新纬纱在钢筘的冲击下，将压力传递给相邻的纬纱。当织机钢筘达到最前端完成 _ 。“一1 矿 h _ - - _ 、- - _ _u _ - - - 一 a ) 。、。竺竺2 兰所示，为织机打纬前后纬纱的位置变化。其中l 为经纱，2 为纬纱， 三。望钢翌：。图( a ) 所示，在钢筘的推动下织口处第一根纬纱a 向菇二辐磊荔三 黧鍪：。要第三根兰纱又向第三根纬纱c 靠近，依此类推，相对于经纱做；：7 盖 犁喜筝呈：謇竺苎以后，经纬纱之间的相对位置不再受打纬运动的影响：聂疡羞 篓竺圭堡葶得了稳定的结构。( b ) 图所示，在打纬的回程中，由于磊嘉柒；孬； 竺苎翌曼考，在经纱弹力作用下，被打紧的纬纱位置有所回复。由此可竞：。；二 窭竺纱篓墨鲁兰多次打纬力作用，在离开织口一定距离以后才获得稳品位；， 因此，织物是在一定的区域内逐渐形成的。 一 。；! 竺竺寥是孝于打纬时经纬纱之间的摩擦阻力和经纬纱变形产生的弹性阻 乏叠罂要璧竺j ，套整个打纬运动过程中，摩擦阻力和弹性阻力所占的比葫冀萎菘 竺二翟髦竺要竿阶段，摩擦阻力占主要分量，而随着打纬的进行，经纱寿磊荔莴 竺絮苎詈挚奈l 纬纱间距慢慢变小，弹性阻力迅速增大，而对于大；茹荔易： 要。弹竺里之堡往超过摩擦阻力。某一织物在织造过程中，打纬阻力或再磊另品 大小，表示其纬纱打紧的难易程度。 一。 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 ( 瓦一丁，) 时，纬纱将和经纱一起移动( 图中 向右) ，结果经纱被拉伸变长，经纱张力增加。同时织物回缩，其张力下降，使 ( 瓦一丁，) 变大。随着打纬的进行，当r ( 瓦一丁，) 的情况。由 此可见，在织机打纬运动期间，经纱和纬纱的运动性质是不断变化的，经纱和纬 纱一起移动以及纬纱相对于经纱移动是相互交替出现的。 在打纬过程中，上述现象将会不断交替出现，经纱呈现多次伸长和回缩的状 态，并且每次循环的回缩量都会减小，伸长量慢慢增加，其累计的伸长量将导致 打纬过程中织口的变化。从打纬开始到打纬结束，织口被推动的距离称之为打纬 区宽度。在织物形成的过程中，织口的位置移动如图2 4 所示。其中线段o l 为综平后织机梭口开启，经纱张力变大，织口向机后移动，线段1 、2 在纵坐标上 的投影为打纬区宽度，线段2 、3 为织口随钢筘向机后方向移动，线段3 4 是综框 处于静止状态，线段4 5 为织机梭口闭合时期，经纱张力变小，织口往前移动。 由图2 4 可见，织机织口的位移表示其经纱和织物张力的变化情况。 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 图2 _ 4 织口的移动 ( 3 ) 送经和卷取对经纱张力的影响 在织机的送经与卷取过程中，送经装置在送经时会使经纱的张力减小，卷取 装置在卷取织物引离织口的过程中会使经纱张力变大。因此，送经装置的送经量 和卷取装置的卷取量要达到一种动态平衡，这样才能保证在织造过程中经纱张力 在一个合理的范围内动态波动。随着织造过程的进行，织轴的半径会不断的变小， 这时送经电机要做相应的调整，以适应织机张力的调节，当这两者之间的动态平 衡被打破时，经纱张力就会发生变化。 2 3 经纱张力的数学模型与仿真结果分析 经纱张力控制性能是影响织机车速的主要原因之一，也是影响织机效率的重 要因素，其控制性能与织物的质量直接相关n 们。剑杆织机是个机电耦合的 非线性复杂系统，包含多个相互作用的运动模式，并且影响每个运动模式下的经 纱张力控制性能的因素也较多，系统十分复杂，这不仅给经纱张力理论上的准确 分析带来了较大的困难，也给织机经纱张力的实际精确控制带来了更多的盲目 性。长期以来，经纱张力分析与控制技术一直是研究人员所关注的重点乜乜2 j 。 现代计算机技术的发展使得数学建模与仿真技术成为解决复杂系统的实时 动态性能分析的一个重要方法，它不仅可以形象地揭示系统内部特性及相互关 系，便于研究人员对系统进行分析、优化和综合，而且由于各类仿真工具的出现 和计算机处理速度的大幅提高，使得所有这些工作都可以便捷、高效、低成本地 进行，是现代机电系统性能分析的重要工具口引。文献 2 4 在对典型的剑杆织机 做一些理想化的处理后，通过动力学的分析，给出了一种结构较为全面的剑杆织 机经纱张力系统数学模型。但是，近年来随着电气传动、计算机和控制科学的迅 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 猛发展及在织机领域的不断应用，织机各模块的结构、工作方式、动力系统和系 统控制方法较以前都发生了较大的变化，而且这一变化还在快速演变和深化之 中，现代经纱张力检测与控制系统呈现出的多样性和更强烈的机电耦合特性给经 纱张力分析与控制的研究增加了新的要求，现有的模型也必须适应这一要求，并 作出相应的调整幢。 这里给出了一种用于分析织机经纱张力的动态数学模型，仿真结果呈现与文 献 2 6 相似的特征。此外，该模型具有明显的模块化特征，适用于多种车速、开 口运动曲线以及打纬运动曲线的复杂机构运动动力学性能仿真。由于各模块相对 独立，可便利地用于各模块的升级性能分析，具有良好的适应性和扩展性，较好 地满足了当代织机特点多样性的要求。图2 5 和2 6 分别为本文研究剑杆织机的 结构示意图及其织机的运动周期图。 断经检测 弋 开口 图2 5 织机结构图 主轴转角：-9 3 - 1 ：o 2 ；o 。= j 】士广1 1 吐6 开口 芝乏 静 止哑立紊 引纬 引纬 7 0 打缔 回程 打纬 j j 一一 送经 送经 卷取 卷 取 图2 6 织机运动周期图 0 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 2 3 1 送经系统 送经运动应该以所需的速度送出经纱，且经纱从满轴到空轴的整个退绕过程 中张力应始终保持稳定以满足织造要求。 送经系统是由主控制器首先计算出当前送经织轴的直径，然后根据该送经织 轴的减速比得出送经电机的转速，控制送经电机的动作，以达到精确给定送经量 的目的。 i 送经系统分析 ( 1 ) 织轴经纱转动惯量 织轴上经纱的转动惯量随着织机的运行是一个时变量，经纱转动惯量。为 小警g 4 一引 防。) 式中：p 为卷装密度，包括占积率：6 为织轴卷绕宽度；_ 为织轴半径；为织 轴空轴半径。 经过f 时间后，送出的经纱片总体积为 v = 6 ( v 。，) 6 = 7 r ( ，：一，- 1 2 ) 6 ( 2 2 ) 其中： v 。= 2 弘聆。= 比。 ( 2 3 ) 小研与 4 ， 式中：v ，为经纱线速度； ，为织轴转速；6 为每层纱线厚度；为织轴满轴半 径；三，为织机每转送经量；r 为织物纬密；口为经纱上机缩率；n 为织机转速。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 一1 ) ，可得式( 2 5 ) ： 。= 警i 一名一2 等州孚矿 5 ， 当三总= v 。7 总时，1 = ，代入式( 2 2 ) 得： ( v ，f 总) 6 = 兀( 一：一芬) ( 2 6 ) 式中：三总为经纱总长度；总为经纱送完所需总时间。 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) ，消去6 后得动态经纱转动惯量为 小譬睁。_ 2 删毒珉2 专 = 聊 华一名詈+ 学酬 式中：聊为经纱总质量，朋= 印6 ( 一疗) 。 ( 2 ) 织轴受力分析 织轴受力情况如图2 7 所示，对轴心列运动方程： 止警乜訾+ c 嘞托m ： ( 2 _ 7 ) ，：= ，l ( z + j w + f ；j d ! ： ( 2 8 ) 式中：j ：为织轴转动惯量；c 。为送经系统黏性摩擦因数；c 为送经系统阻力矩； t 为经纱张力；m ：为送经电动机电磁转矩；，髓为电动机转子转动惯量；厶为 空织轴转动惯量；痧，为织轴转角；f 为有关传动件之间的传动比， 电动机转速 2 ：2 巧嘶矿。 按零初始条件对式( 2 7 ) 进行拉氏变换： ，：s 2 ：g ) + c 。s ：0 ) = t g h + f ：m ： ) ( 2 9 ) 2 3 2 卷取系统 图2 7 织轴示意图 在织造过程中，为了保证织造生产的连续进行，必须将已织制成的织物引离 ( 1 ) 卷取轴织物转动惯量 与式( 2 2 ) 同理，此时应有v f 6 ，= 丌( _ ；一荀) ，；= 嘭+ 兰当，于是可 得卷布轴上织物的转动惯量： ：华睁嘭) ：华 2 商监+ 陋) ：】 二 么 。 丌万 鸹呐v c 瑶+ 务吣v p 华若 式中：厶为织物转动惯量；1 j 为卷布轴半径；j 为卷布轴空轴半径；v ，为卷取 线速度； 聊月= p j t 为织物的面积密度，j 9 f 为卷装的体积密度；艿，为卷装中的 每层织物厚度；6 ，为织物卷绕宽度；三馆为卷装中织物总长度；，为布卷总直径， 且生：生叠。 al j 怠 ( 2 ) 卷取轴受力分析 图2 8 卷取轴示意图 卷取机构示意如图2 8 所示，对卷取轴列运动方程： 挚坞誓嘞，岭弘， ( 2 _ j j = j 心+ jj ：+ i jj 四 ：2 一。2 ) 式中：警：。；訾：常速；t ，为卷取轴的总转动惯量；c 掣为卷取系统黏 0 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 性摩擦因数；乃为卷布辊处织物张力；m 为卷取电动机电磁转矩；厶为电动 机转子转动惯量；厶为空卷布轴的转动惯量；驴，为卷取轴转角；f j 为有关传动 件之间的传动比；为卷取系统阻力矩。 按零初始条件对式( 2 1 1 ) 进行拉氏变换： s 2 咖g ) + c ! ! ，鼢+ 乃g h = t 哆g ) ( 2 1 3 ) 卷取运动要以恒定的速度从织口引离织物，使织物保持恒定的纬密。每纬卷 取量即每纬引离的织物长度：，= 瓦百1 万，q 为织物下机缩率。卷取线速度 为v ，= 比，。 jj 卷布轴的转速： 2 瓦万 2 3 3 开口系统 在织机上，经纬纱的交织是形成机织物的必要条件。要实现经纬纱的交织必 须把经纱按一定的规律分成上下两层，形成能供引纬器( 或引纬介质) 引入纬纱 的通道梭口。图2 9 为梭口的几何形状。 2 h i 图2 9 梭口的几何形状 由图2 9 可知，b c 。c ：为纬纱通道；b c ，d 为上层经纱；召c 2 d 为下层经纱； 召为梭口完全闭合时的经纱位置，即综平位置；c 。c ：为开口运动位移，其最 大位移即梭口高度为日( 也称开口量) ；b c d e 为经纱位置线；梭口深度为织口 b 到经停架中导棒d 之间的水平距离，即，+ ，：。 麟 ， ：_ _ ：_ _ _ ：j 墨生量兰望堕型塑堡垄壑堂堡型坌堑 不考虑送出经纱和卷取织物的影响，又设c c 。：c c ：地贝面磊 拉伸变形分别为： a = 日g + q d b c c d ：些! 垒二堕+ 垒：二兰垒竺二尘 2 2 厶 允：= b c ：+ c 2 d b c c d ：垒：兰垒! 垒二1 2 l 2 正 笙+ 2 办( 6 一c ) 可控萎弩窘髯，：堡堡竺线v o i g t 模型( 见图2 1 0 所示) ，经纱张力发生的变化 司按式( 2 一1 4 ) 计算得到。 。“。 小警 式中：七为经纱弹性常数；7 7 为经纱黏滞系数。 t ；南、匕曼要翌竺管蛩最常配置的开口设备是史陶比尔公司出品的，通常开口运动规 律近似于正弦曲线，此时综框运动位移办可表示为： 一”“ 靛篡+ 刮筹麓麓紧2 6 0 0 江 【办m “= 0 5 日 o u u2sz o u 。 式中：为织机主轴角速度。 在综平位置时厅= 0 ，讨论开口时经纱张力的变化。可将式( 2 1 5 ) 代入a ，和 见，的表达式中，并计笪得m 背r 9 1 m ”等c 毒+ 扣协吾， 耠= 等国c 冲咖2 + 吾， 第2 章经轴织造过程中经纱张力数学模型分析 将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1