（纺织材料与纺织品设计专业论文）浆纱过程中分纱力的检测与研究.pdf

主 摘要 浆纱工序作为织造过程中一道十分关键的工序，干分纱阶段又是浆纱过程中 一个比较重要的环节，所以深入研究分纱力对于整个织造工序意义重大。分纱力 的变化受浆纱过程中各种工艺参数的影响，并且分纱力的变化与浆纱的各个质景 指标之间也有密切的关系，目前对于浆纱过程中干分纱环节的分纱力方面的研究 还比较少，因此如何借助一定的技术手段检测浆纱过程中的分纱力并定量的研究 分纱力和各个因素之间的关系，将成为了本论文所要阐述的核心问题。 本课题试验用浆纱机是经过了数字化改造j s s j 8 3 型小样浆纱机，能方便地 通过触摸屏修改浆纱工艺参数。分纱力的检测是通过在分纱棒的两端安装两个传 感器用于采集分纱力的大小，并通过变送器将采集到的信号转换为标准信号传送 给单片机，经过滤波等数学算法处理后得到分纱力的实际值，然后分别将数据发 送给l c d 显示屏和上位机，上位机能实时显示分纱力的变化曲线，并且对采集 到的数据能够很好的保存，当需要对数据进行进一步分析的时候，可以随时调用。 通过设计单因子试验，分别研究了分纱力与浆纱速度、压浆力、经纱密度之 问的关系；通过设计正交试验对于浆纱速度、压浆力、经纱密度分别对分纱力影 响程度以及影响的显著性进行了深入的分析。应用灰色系统理论对于分纱力与浆 纱各质量指标之间的关联度进行了分析。 通过一系列试验得出压浆力与分纱力之间呈反比关系，即压浆力越大，分纱 力越小；经纱密度与分纱力之间呈正比关系，即经纱密度越大，分纱力越大；分 纱力与浆纱速度之间的没有明显的关系；在浆纱速度、压浆力、经纱密度三个因 素共同起作用时，经纱密度对分纱力的影响最大，压浆力次之，浆纱速度最小， 并且压浆力和经纱密度对分纱力的影响是显著的；在其他条件不变的情况下，纱 线支数与分纱力呈反比关系，即纱线支数越大，分纱力越小；通过灰色系统理论 分析得出，分纱力与浆纱质量各项指标的关联度从大n d , 依次为：上浆率、增磨 率、毛羽降低率、增强率、减伸率。由以上所得出的结论对于进一步深入的理解 分纱力与浆纱各工艺参数以及浆纱各质量指标之间的关系提供了理论依据，使得 通过监测分纱力来控制浆纱质景成为可能。 关键词：浆纱；分纱力；检测系统；上浆率；浆纱工艺；灰色系统 a b s t r a c t s i z i n gp r o c e s sw a sac r i t i c a lp r o c e s so fw e a v i n g ；d r ys p l i t i n gw a sam o r e i m p o r t a n tp a r to fs i z i n gp r o c e s s ，t h e r e f o r e ，s t u d y i n gs p l i tf o r c ew h i c he m b r a c e d i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e f o rw h o l ew e a v i n g p r o c e s s ，c h a n g e s o fs p l i tf o r c ew a s i n f l u e n c e db yv a r i o u st e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sd u r i n gs i z i n g ，a n dt h e r ee x i s t e dc l o s e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p l i tf o r c ea n dq u a l i t yp a r a m e t e r so fs i z e dy a m s ，c u r r e n t l yt h e s t u d yo ns p l i tf o r c ew a ss t i l lr e l a t i v el i t t l e ，s oh o wt ou s et e c h n i c a lm e a n st od e t e c ts p l i t f o r c ed u r i n gs i z i n ga n dq u a n t i f i c a t i o n l l ys t u d yr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p l i tf o r c ea n d v a r i o u sf a c t o r s w h i c hw i l lb e c o m et h et h ec o 陀i s s u e st h a tt h i st h e s i st oe l a b o r a t eo n t h ej s s j - 8 3t y p es a m p l es i z i n gm a c h i n et h a tw a sr e f o r m e db yd i g i t a lm e t h o dw a s u s e di n t h i sp i l o tp r o j e c t , s i z i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sc o u l db ee a s i l ym o d i f i e d t h r o u g ht o u c hs g r e g l l ，s p l i tf o r c ew a sd e t e c t e db yt w os e n s o r si n s t a l l e dt h ee n d so f s u b - r o d ，w h i c hw a su s e dt oc o l l e c tt h ev a l u eo fs p l i tf o r c e ，t h es i g n a ld e t e c t e dw a s t r a n s m i t t e di n t os t a n d a r ds i g n a l ，a n dw a ss e n tt ot h em i c r o c o n t r o l l e r a r e rf i l t e r i n g t h e s es i g n a l sw e r ec o m p u t e dt h r o u g hs o m em a t h e m a t i c a la l g o r i t h m s ，f i n a l l yt h er e s u l t w a st h ea c t u a lv a l u eo fs p l i tf o r c e t h e nt h e s ed a t a sw e r es e n tr e s p e c t i v e l yt ot h el c d s c r e e na n dp c ，p cw o u l dr e a l - t i m e l yd i s p l a yt h ec h a n g ec u r v eo fs p l i tf o r c e ，a n d f u r t h e rm o d i f i e dt h ed a m s ，d a t a sc o u l db ew e l lp r e s e r v e d , w h e nn e e dt of u r t h e r a n a l y z e dt h e s ed a t a st h a tc a nb eu s e de x p e d i e n t l y t h r o u g hd e s i g n i n gs i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t , t h ea i m sw a st os t u d yr e s p e c t i v e l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p l i tf o r c ea n ds i z i n gs p e e d ，b e t w e e ns p l i tf o r c ea n df o r c eo f p r e s s u r er o l l e r , b e t w e e ns p l i tf o r c ea n dt h ew a r pd e n s i t y ；b yd e s i g n i n go r t h o g o n a l e x p e r i m e n t , t h ea i m sw a st os t u d yr e s p e c t i v e l yt h ei n f l u e n c ed e g r e ea n ds i g n i f i c a n c e a b o u ts i z i n gs p e e d , f o r c eo f p r e s s u r er o l l e r , w a r pd e n s i t y , g r a ys y s t e mt h e o r yw a su s e d t oa n a l y z et h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eq u a l i t yi n d i c a t o r so fs i z e dy a r n sa n ds p l i tf o r c e t h r o u g has e r i e so ft e s t s ，s o m ec o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d , t h e r ew a si n v e r s e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p l i tf o r c ea n df o r c eo fp r e s s u r er o l l e r , t h eg r e a t e rf o r c eo f p r e s s u r e r o l l e rw a s ，t h es m a l l e rs p l i tf o r c e w a s ；t h e r ew a sd i r e c tp r o p o r t i o n r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a r pd e n s i t ya n ds p l i tf o r c e ，t h el a r g e rw a r pd e n s i t yw a s ，t h e l a r g e rs p l i tf o r c ew a s ；t h e r ew a sn oo b v i o u sr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i z i n gs p e e da n d s p l i tf o r c e t h r e ef a c t o r s ，s i z i n gs p e e d ，f o r c eo fp r e s s u r er o l l e r , w a r pd e n s i t yw o r k t o g e t h e r ；t h ei n f l u e n c eo fw a r pd e n s i t yf o rs p l i tf o r c ew a sf i r s t ，t h ep l a c eo ff o r c eo f p r e s s u r er o l l e rw a ss e c o n d ，w a r pd e n s i t yw a st h es m a l l e s t a n dt h ei n f l u e n c eo ff o r c e o fp r e s s u r er o l l e ra n dw a r p d e s i t yf o rs p l i tf o r c ew a ss i g n i f i c a n c e w h e no t h e r c o n d i t i o n sr e m a i nu n c h a n g e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ey a r nc o u n ta n ds p li tf o r c e w a si n v e r s er e l a t i o n ，t h eg r e a t e ry a r nc o u n tw a s ，t h es m a l l e rs p l i tf o r c ew a s t h er e s u l t o b t a i n e dt h r o u g ht h eg r a ys y s t e mt h e o r ya n a l y s i s ，s p l i tf o r c ea n dq u a l i t yi n d i c a t o r so f s i z e dy a r n sw h o s ec o r r e l a t i o ni nd e c r e a s i n go r d e ri ss i z i n gr a t e ，i n c r e a s i n gw e a rr a t e ， r e d u c et h er a t eo fh a i r i n e s s ，i n c r e a s e d r a t e s ，r e d u c e de l o n g a t i o nr a t e ，t h e s e c o n c l u s i o n sf o rf u r t h e r u n d e r s t a n d i n gt h er e l a t i o n s h i po fs p l i tf o r c ea n ds i z i n g p a r a m e t e r s ，t h eq u a l i t yi n d e xp r o v i d e dt h e o r e t i c a lb a s i s ，m a k i n gi tp o s s i b l et oa t t a i n t h ea i mt h a tt h r o u g hm o n i t o r i n gt h ev a l u eo fs p l i tf o r c et oc o n t r o lt h es i z i n gq u a l i t y k e yw o r d s ：s i z i n g ；s p l i tf o r c e ；d e t e c t i o ns y s t e m ；s i z i n gp e r c e n t a g e ；s i z i n gt e c h n i c s ； g r a ys y s t e m 目录 第一章前言1 1 1 国内外浆纱机发展现状。l 1 2 新型的浆纱工艺。l 1 2 1 预湿上浆。l 1 2 2 高压上浆2 1 3 分纱力的概念。3 1 4 分纱力的研究现状3 1 4 1 有关湿分纱的研究3 1 4 2 国内外有关干分纱的研究4 1 5 课题研究的内容4 1 6 课题研究的意义5 第二章分纱力检测系统7 2 1 试验用浆纱机7 2 2 分纱过程纱线受力分析8 2 3 分纱力检测系统总体设计方案l o 2 4 分纱力检测装置的设计1 0 2 5 硬件设计1 l 2 5 1 传感器1 l 2 5 2 变送器1 2 2 5 3 单片机1 3 2 5 4l c d 液晶显示屏1 3 2 6 软件设计13 2 6 1 下位机程序设计1 4 2 6 2 上位机程序设计17 2 7 分纱力检测系统的标定1 9 第三章浆纱工艺与试验方案2 l 3 1 经纱上浆的机理2 l 3 2 上浆过程中纱片截面研究2 3 3 3 浆纱工艺流程2 5 3 3 1 经轴2 5 3 3 2 调浆2 6 3 3 3 上浆2 7 3 3 4 烘燥装置2 8 3 3 5 织轴2 8 3 4 浆纱工艺参数的选择2 8 3 5 试验方案2 9 3 5 1 调浆工序2 9 3 5 2 分纱力检测系统的调节3 0 3 5 3 单因子试验方案3 l 3 5 4 正交试验方案设计3 2 第四章试验结果与分析3 5 4 1 单因子试验结果及分析3 5 4 1 1 浆纱速度3 5 4 1 2 压浆力3 6 4 1 3 经纱密度。3 7 4 1 4 纱线支数。3 8 4 2 正交试验结果及数据分析3 9 4 2 1 数据分析3 9 4 2 2 结果与分析4 2 第五章分纱力与浆纱质量指标之间的关系4 3 5 1 浆纱各质量指标的测试方法4 3 5 1 1 上浆率的测定4 3 5 1 2 回潮率的测定4 4 5 1 3 毛羽降低率的测定4 4 5 1 4 增磨率的测定4 4 5 1 5 增强率和减伸率的测定4 5 5 2 分纱力与浆纱质量指标的灰色关联分析4 6 5 2 1 灰色系统理论综述4 6 5 2 2 灰色关联度分析4 6 5 3 分纱力与上浆率的关系。4 8 第六章结论与展望5 l 6 1 结论。5l 6 2 展望5 2 参考文献5 3 i i 攻读硕士学位期间发表的论文。5 7 附录5 9 致谢6 7 m i v 第薄前言 1 1 国内外浆纱机发展现状 第一章前言 2 l 世纪进入了一个计算机技术和自动化控制技术的高速发展的时代，国内 外新型的浆纱机也开始应用了更多的自动化控制技术和计算机技术，以达到更精 确地控制浆纱工艺的目的，浆纱的质量得到了很大程度的提高。目前大多数浆纱 机能够实现的功能主要包括：应用计算机和工控设备独立控制多单元独传动；应 用传感器在线监测浆纱过程中的浆液温度，烘筒温度，上浆率，回潮率，浆纱张 力等参数。 国外的设备主要有德国祖克公司的$ 4 3 2 d 型浆纱机，美国西点公司的9 8 8 型浆纱机，卡尔迈耶公司的r o t a l 系列浆纱机，日本津田驹公司的h s 2 0 型、h s 3 0 型和h s 4 0 型浆纱机，瑞士贝宁格公司的b e ns i z e t e c 型浆纱机以及日本丰田公司 的m a c k e e 型浆纱机。国内各浆纱机制造厂商从本世纪开始，也陆续开发生产自 动化程度较高的新一代浆纱机。如盐城纺机生产的g a 3 3 8 型浆纱机，郑州纺机 生产的g a 3 0 8 型浆纱机，无锡华力生产的a s g a 3 4 3 型浆纱机，大来公司生产 的a s g a 3 4 4 型浆纱机，苏州圣元公司生产的a s g a 3 5 8 型浆纱机，射阳二纺机 生产的g a 3 6 8 型浆纱机，唐鑫公司生产的a s g a 3 4 7 1 型浆纱机掣。 国内的浆纱机发展主要是按照引进、吸收、再创新的路线发展起来的，基本 上都是从借鉴祖克$ 4 3 2 d 型浆纱机开始，因此结构大体相近，但都有一些不同 程度的创新和改进，在性能上达到了国际先进水平。 1 2 新型的浆纱工艺 随着浆纱机机械部分和控制部分的不断改进和提高，使得进一步探索和优化 浆纱工艺成为可能。近年来不断提出了一系列的浆纱新方法，如预湿上浆、高压 上浆等【2 1 。 1 - 2 1 预湿上浆 预湿上浆是指经纱在上浆之前预先经过高温水润湿处理，并通过高压辊的压 轧后再引入浆槽上浆的新方法。经过预湿的纱线由于已有部分的水分进入纱线的 天津i q k 大学硕士学位论文 芯部并消除了纱线内的空隙，使纱线与浆液的亲和力加强，上浆容易，且被覆与 浸透分配更趋合理，同时内部的水分在烘干时还会阻碍浆液进一步向纱线内部渗 透，有利于形成浆膜，从而达到减少浆液用量的目的1 3 】。纱线在预加湿槽加湿后， 浆料仅在表面上浆，被覆情况很好，在显微镜下观察，经纱上浆状况是沿纱的表 面呈圆形分布，上浆后的经纱使织机织造效率提高。经纱具有更好的抗磨性能、 毛羽少、强力高，还具有减少经纱相互粘附的优点，减少了二次产生毛羽的现象。 预加湿技术成功之处在于：用轻微的高压上浆值达到很好的表面上浆；纱的表面 形成很好的封闭浆膜；预加湿的纱线具有对浆料良好的粘附性。 预加湿技术也存在一些不足，预湿以后的纱线进入浆槽后，虽经过了高压辊 的挤压，仍不可避免地将一部分水分带进浆液，这样经过一段长度的运行后，就 会致使浆槽内浆液浓度下降，从而影响经纱上浆率和上浆质量的均匀一致性，严 重的可能造成织机无法织造。所以如何控制浆液浓度的变化以及保证上浆率的稳 定，是预湿浆纱机设计的一个技术难点，也是当前预湿浆纱迫切需要解决的问题 【4 】。 1 2 2 高压上浆 高压上浆是指依靠增大压浆力来提高浆纱的速度，烘燥效率，进而节省能源， 提高浆纱产量和质量的一种新型的浆纱技术。高压上浆最初的主要目的在于提高 浆纱机的速度，节约能源。由于普通浆纱机的压浆力只有4 6 k n ，浆纱的压出加 重率一般为1 3 0 , - - 1 4 0 ，浆纱中水分过多，烘干速度慢，既浪费能源，浆纱机 的速度也提不上去，常出现浆纱烘不干的现象。高压上浆一般采用2 0 - 4 0 k n 的 压浆力，所以浆纱的压出加莺率可以小于1 0 0 ，最低可达8 5 ，大大减少浆纱 中水分的含量，达到快速烘干的效果【5 】。 原纱的圆整度不太好时，低压上浆导致纤维和浆膜表面的圆整度更差，但高 压上浆没有降低其纤维和浆膜表面的圆整度。因而高压上浆不但没有引起纱线扁 平而且上浆均匀。另外高压上浆后纤维表面的直径比原纱小，使纱线结构更为紧 凑。高的纱线堆砌密度可增加纤维间粘接力，减少内部纤维滑移，进而提高高压 上浆纱线的可织性。 在同样上浆率的情况下与低压上浆相比，高压上浆纱的浆膜厚度变薄，但浸 透增加。较高的浸透有利于纱线内部纤维间粘接并且浆膜有可靠的基础，因而耐 磨性得到较大的改善。 2 第一章前言 1 3 分纱力的概念 在浆纱过程中，经纱上浆、烘干后必须进行分纱，分纱的作用是将上浆后相 互粘连的纱线重新分解成单根的纱线，以保证后续织造顺利进行。干分纱的目的 一方面是为了防止上浆后粘并在一起的纱线在伸缩筘处顶断，减轻伸缩筘齿负 担，利于纱线的均匀排列；另一方面防止浆纱后粘并在一起的纱线未经充分分解， 而造成织造过程中开口不清，纱线断头率提高，毛羽增加的现象出现。分纱效果 实物图如图1 1 所示。 图1 1 分纱效果实物图 在干分纱阶段，分纱棒与被分纱线之间的作用力叫分纱力，显然被分纱线根 数越多分纱力就越大，因此本课题关于分纱力的定义为：每1 0 0 根纱线受到的分 纱作用力，单位是：c n 1 0 0 根。 1 4 分纱力的研究现状 浆纱过程中的分纱阶段主要分为两个部分：湿分纱和干分纱两个阶段，湿分 纱是指纱线经上浆后，将纱线经过湿分纱棒分成多层以便于通过不同的烘筒烘 干，目的是为了使纱线得到充分烘干，目前对于湿分纱部分的研究主要包括两个 方面，一是湿分纱棒的改造，二是湿分纱棒的排列方式的改进。 1 4 1 有关湿分纱的研究 ( 1 ) 将普通湿分绞棒改为凝露棒。让冷水通入分纱棒内，使纱片与分绞棒表面 因有露水润滑而变得非常光滑，即使有少量粘浆，也较容易抹去，从而保持纱线 的洁净和光滑。 ( 2 ) 改进湿分绞棒传动方式。 目前国内外浆纱机的湿分绞棒的传动方式有3 种：同步传动，即传动通过浆 3 天津工业大学硕士学位论文 纱机的边轴或烘筒进行传动，其速度随浆纱的线速度变化而变化，湿分绞棒表面 线速度与浆纱线速度的比值是恒定的；单独传动，即采用单独电机通过变速器传 动湿分绞棒。这种传动方式湿分绞棒的线速度是固定的，其比值随浆纱的速度变 化而变化；采用液压马达传动，就是通过液压马达直接传动湿分绞棒。这种传动 方式湿分绞棒的线速度完全由人工进行控制，其大小与浆纱线速度的比值也是变 化的。如果需要采用后两种传动方式，那么湿分绞棒与浆纱线速度的比值以 0 3 5 - 0 6 ：1 为宜，生产实践表明：湿分绞棒的传动还是以浆纱机的边轴或烘筒直 接传动的方式为好1 6 j 。 1 4 2 国内外有关干分纱的研究 目前对于干分纱力的研究较少，国内有学者曾对于干分纱时分纱棒与纱片间 的摩擦力的关系进行过探讨【_ 7 1 ，认为干分纱时纱片与分纱棒以及纱片中相邻纱线 之间都存在摩擦力，浆纱在粘并点分离时易形成浆膜的撕裂，浆纱表面浆膜完整 率降低，纱片与分纱棒以及纱片中相临纱线之间的摩擦力增大，使得浆纱机上干 纱张力区张力增大，提出了减少干分纱时摩擦力的几点措施。它的不足之处在于： 对分纱棒与浆纱间摩擦力只是进行了定性的理论分析，没有进行定量的研究。 国外有学者曾对于在运转浆纱机上对径纱上浆率的动态控制做过比较深入 的研究并申请了专利。他是利用传感器测定了分纱力的大小，将所测得的力与一 预定值相比较，该预定值相当于纱线的允许上浆量，调节压浆辊的压力，当测得 的力比预定值小时，减小压浆辊的压力，当测得的力比预定值大时，增加压浆辊 的压力，使测得分纱力与预定值间的差值达到最小，从而达到通过调节压浆力来 控制分纱力，进而达到控制上浆率的目的i 引。它对于分纱力进行了比较深入的研 究，对于本课题的研究具有一定的参考价值，但它对于分纱力的研究还很不全面。 1 5 课题研究的内容 本课题所研究的内容主要分为两个部分：一是分纱力检测系统的开发，二是 分纱力的影响因素以及分纱力与浆纱各质量指标之间关系的研究。可分为以下几 个方面： ( 1 ) 分析分纱力检测系统的整体功能需求，确定试验所需各硬件的型号和数 量。 ( 2 ) 将分纱力检测机构安装到浆纱机上，并将系统的各个硬件相互连接起来。 ( 3 ) 软件编程及调试。设计下位机程序和上位机程序，联机调试保证系统能 够正常工作，标定该系统，确保该系统能够真实记录分纱力的值。 4 第一章前言 ( 4 ) 设计浆纱试验方案，并依照试验方案安排试验，妥善保存试验数据。 ( 5 ) 分析试验数据，得出结论并给出相应的理论分析。 1 6 课题研究的意义 浆纱工艺是织造工序中一个相当重要的环节，浆纱工艺的优化很大程度上依 赖于浆纱机机械部分和自动化控制部分的不断改进和提高，目前国内外新型的浆 纱机大都具有在线检测和控制浆液和烘筒温度，在线监测【旦l 潮率，上浆率，经纱 张力等功能，但是还都不具备检测浆纱过程的分纱力的功能。干分纱作为浆纱过 程中的一个重要的环节，分纱力的大小与浆纱的质量有着密切的联系，所以分纱 力检测系统的开发对于优化浆纱工艺，提高浆纱质量具有重要的意义和价值，应 用分纱力检测系统定量地研究分纱力，为进一步应用分纱力检测系统，来监测浆 纱质量提供了理论依据，分纱力检测系统的开发有利于提高浆纱机的自动化水 平，使得对分纱力的进一步研究成为可能，有助于寻求更好的控制浆纱质量的方 法，为提高浆纱质量奠定了理论基础。 本文应用分纱力检测系统分别对分纱力的影响因素以及分纱力与浆纱质量 之间的关系进行了比较深入的研究，所得出的结论对于更好的认识分纱力，监测 和控制浆纱质量具有一定的指导意义。 5 天津工业大学硕上学位论文 第二章分纱力检测系统 2 1 试验用浆纱机 第二章分纱力检测系统 课题试验所用的浆纱机为经数字化改造的j s s j 8 3 型小样浆纱机，它的机械 部分的构造图如图2 1 所示。此浆纱机为整经、浆纱联合一体机，上浆部分采用 双浸双压机构，烘燥部分采用四烘筒烘燥9 1 。 热电阻 目板 图2 1 小样浆纱机构造图 改造后的浆纱机可以实现自动控制，调节工艺方便，系统需要设定的参数可 以通过触摸屏直接输入，例如浆纱速度、烘筒温度、浆液温度等，系统可以提供 不同的启动速度，以适应不同的工艺需求。控制系统能够实现对浆纱速度、浆液 温度、烘筒温度、浆纱张力等指标的准确控制10 1 。数字化浆纱机控制原理框图如 图2 2 所示。 摸屏 i _ 控曩块 8 p l cr s 翻砸讯j 口 p 馏- 紫舒绘d 墙一馏吆 t0 麦曩藿 剧引引自自自由：。兰。： 图2 2 数字化浆纱机控制原理框图 7 天津工业大学硕士学位论文 温度控制是由热电偶采集烘筒和浆液的温度，将数据传送到p l c ，p l c 通 过比较实际值与目标值并应用p i d 算法得出需要输出的控制量，并将输出值传送 给可控硅，由可控硅输出对应的加热功率，以调节烘筒和浆液的温度。 速度控制是由编码器采集浆纱的速度信号，并将采集到的数据传送到p l c ， p l c 通过数学算法将数据转换为浆纱机的实际运转速度，并将实际速度和设定的 目标速度相比较，再应用p i d 算法得出需要输出的模拟控制量，通过通讯端口传 送给变频器，由变频器控制电机的转速【1 1 1 。 温度和速度的控制都是按照带反馈回路的闭环控制( 如图2 3 ) 方法来实现 的，在具体的应用中使用p l c 内部带有p i d 自整定功能和p i d 算法来实现，系 数郧、乃，殇可以通过p l c 的p i d 自整定计算得到。p i d 算法的具体公式如( 2 1 ) 式所示。 定值 图2 - 3 闭环控制系统 p i d 的计算公式如下： p2p p + p ，+ = k p ”。，i a e d t + 百d a e ( 2 1 ) 式中： k 广比例系数 乃一积分时间 死r 微分时间 2 2 分纱过程纱线受力分析 分纱过程纱线受力分析如图2 - 4 所示。纱线由于受到分纱棒的作用，在a 点被 分为上下两层，因此，a 点为分纱点：b 点为纱线与分纱棒的接触；c 点是纱线与 分纱棒的分离点。 其中乃为初始张力；劝分纱牵引力；为纱线间的粘合力；乃( 乃7 ) 为a b 段 纱线的张力；矽为分纱角( 或纱线对分纱棒的包围角) ；f 为分纱棒对c b 段纱 8 第二章分纱力检测系统 ： 图2 4 分纱过程纱线受力分析 线的水平作用力( 即分纱力) 由于纱线质量很轻，忽略重力及惯性力的影响，纱 线在水平方向上，初始张力乃、牵引力兀分纱力f 为平衡力，即： f = t 一瓦 ( 2 2 ) 设a 为纱线与分纱棒之间的摩擦系数，则： t = 正。e 朋= 正p 肋 ( 2 3 ) 即： f = t i e 舾一乃 ( 2 4 ) 在a 点： 五：而t g o ：个n 1 0 ( 2 5 ) 所以： ，= t i e , t o _ t o2 2 + 碍e , t o _ 瓦 ( 2 6 ) 在浆纱过程中纱线经上浆、烘干之后，必须经过分纱，而在分纱之前保持纱 线张力恒定至关重要。本课题所使用的经数字化改造的j s s j 8 3 型小样浆纱机机 械传动部分属于整体传动，为保证浆纱过程纱线不产生伸长或尽量减小伸长，浆 纱机在设计时就保证了烘筒的表面线速度和织轴卷绕机构的表面线速度一致，所 以浆纱过程中的初始张力乃与开始浆纱时的预加张力基本一致，即在整个浆纱 过程中乃可以被当作常量。 由式( 2 6 ) 可知，分纱力f 与纱线间的粘合力成正比，所以分纱力f 和 粘合力的变化趋势是一致的。 9 天津工业大学硕士学位论文 2 3 分纱力检测系统总体设计方案 分纱力检测系统的整体功能需求：能够真实检测到分纱力的值，并能容易的 对数据进行存储和调用，性能稳定，可操作性强。分纱力测试系统主要包括三部 分：一是分纱力检测机构；二是下位机数据采集系统；三是上位机数据处理、存 储、显示。分纱力测试系统拟选用的硬件包括：力传感器、变送器、a d 转换模 块、单片机、液晶显示器、串行接口、上位机。单片机是数据采集系统的核心器 件，通过内部集成的a d c 对传感器传送过来的信号进行转换对转换后的数字 量进行滤波处理，并控制液晶显示器进行实时显示；r s 2 3 2 通信接口是对数据采 集系统功能的扩展，可以通过该接口直接将采集的数据送至p c ，发挥p c 机数 据处理速度快、存储容量大的优判1 2 j 。其系统框图如图2 5 所示。 图2 - 5 系统框图 数据采集系统的软件设计包括：下位机软件设计和上位机软件设计。下位机 软件是整个数据采集系统的核心，应用汇编语言设计程序，主要完成数据采集和 滤波处理，然后将采集到的数据以曲线图的形式显示在l c d 屏上，并将数据通 过r s 2 3 2 串口发送上位机；上位机软件设计是应用v b 程序设计语言进行程序设 计，完成数据的再处理并以曲线图显示，最后将数据存储起来以备数据分析时使 用。 2 4 分纱力检测装置的设计 分纱力检测装置由力传感器，变送器，分纱棒以及传感器安装支架构成。依 靠安装支架将检测机构固定在浆纱机的左右墙板上，分纱力的检测机构是在分纱 棒的两端各安装一个传感器，当经过浆槽上浆并且通过烘筒烘干的纱线运行到分 纱棒处时，纱线将被分为上下两层，此时上下两层的纱线将作用于分纱棒一个水 l o 第二章分纱力检测系统 平方向的力，传感器将会采集到力的信号，并将其通过变送器转换为0 5 v 的标 准电压信号，此信号将被直接的传送给单片机，进行后续的数据处理【1 3 1 。分纱力 检测机构示意图如图2 - 6 所示，分纱力检测机构实物图如图2 - 7 所示。 2 5 硬件设计 2 5 1 传感器 图2 - 6 分纱力检测机构示意图 图2 7 分纱力检测机构实物图 通过分纱力预估试验粗略的估计出分纱力的范围在l k g 之内，所以选用选 用l k g 量程的j l b s - 3 型张力传感器。该传感器为箔式应变片传感器，是将箔式 应变片贴在弹性导体上，导体在应力作用下发生应变，使其电阻值相应地发生变 化，在弹性范围内，电阻的相对变化与应变间的关系基本固定，利用电桥测量电 阻的变化，则可以间接地得到应变的大小及受力的大小。箔式应变片传感器承受 、结 方向 放大 度补 0 号外 第二章分纱力检测系统 表2 - 2 变送器b s q 2 主要技术指标 2 5 3 单片机 单片机是一种集成的电路：笛片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处 理能力的中央处理器c p u ，随机存储器r a m ，只读存储器r o m ，多种i 0 口和 中断系统，定时器( 计时器) 等功能，有的还包括显示驱动电路，脉宽调制电路， 模拟多路转换器，a d 转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计 算机系统i i 引。 由于在本系统中需要将2 路传感器信号进行a d 转换，所以选用s t c 公司 带a d 转换的1 0 位处理器8 9 c 1 2 5 a 6 0 a d , 它集成c p u 、r a m 、r o m 、定时器 计数器和多功能i o 口等一台计算机所需的基本功能部件，有2 0 个引脚，1 6 个外部双向输入输出( i o ) 端口，同时内含两个外中断口，两个1 6 位可编程 定时计数器，两个全双工串行通信口。其片内集成了5k b 的f l a s h p e r o m 用来存放应用程序，这个f l a s h 程序存储器除允许一般的编程器离线编程外， 还允许在应用系统中实现在线编程，并且还提供了对程序进行三级加密保护的功 能。还需要的外接器件包括：一个2 2 m h z 的晶振和两个2 0 p f 的电容共同组成 震荡电路；一个s i p e x s p 3 2 3 2 e e a 芯片支持r s 2 3 2 串口通讯。 2 5 4l c d 液晶显示屏 选用中文字库液晶显示模块r t l 2 8 6 4 i 1 ，采用3 线制串行接口用于对输出 模块进行初始化和输入输出控制。l c d 可以显示字母、数字、中文字型及图形， 具有绘图及文字画面混合显示功能。模块内置2 m 位元半宽字型r o m ( c g r o m ) 总共提供8 1 9 2 个中文字型，1 6 k 位元半宽字型r o m 总共提供1 2 6 个符号字型， “k位元显示r a m ，另外绘图显示画面提供一个6 4 2 燔6点的绘图区域，可 以和文字画面混合显示，采用1 2 8 x 6 4d o t s 输出和3 0 v - 5 0 v 的供电电压，可 直接将其引脚插头接入电路板使用。 2 6 软件设计 软件程序可分为二个方面：下位机程序和上位机程序。下位机程序包括：数 据采集、滤波、通讯程序、液晶屏显示程序，上位机程序是指客户端应用程序， 1 3 天津工业大学硕士学位论文 主要提供可实时控制的人机操作界面，对工作现场进行有效的监控，并能保存已 接收到的数据，以便进行数据分析。 2 6 1 下位机程序设计 单片机是数据采集系统的核心器件，采用汇编语言进行模块化程序设计。需 要实现的主要功能包括：控制a d 模块的数据采集并对数据进行滤波处理：控 制r t l 2 8 6 4 1 1l c d 显示屏实时显示采集信号变化曲线并设置界面；通过r s 2 3 2 串行通讯端口实时上传采集到的数据给p c 机。程序主要分4 个模块：初始化模 块、数据处理模块、显示监控模块、r s 2 3 2 串口通信模块【1 6 1 。下位机程序流程图 如图2 8 所示。 上电复位 l 设置栈顶。各标志位清零l l 单片机初始化设置i t o 中断开 l 延j s , i o m s a d o 和a d l 口采样l 数字滤波 上传数据 显示数据 显示曲线 上 中断返回 图2 - 8 下位机程序流程图 初始化模块的主要功能是当设备上电后设置程序的起始区域，将r a m 区域 清零，对设备进行初始化配置。 数据处理模块主要负责采集数据并将采集到的数据进行滤波处理，模块可分 为两个部分：一是设置a d 端口定时采样，采样周期设置为1 0 m s ，在本系统中 将a d 转换端口设置为开漏或高阻输入模式，具体参数如表2 3 所剥1 7 】，通过 设置a d cc o n t r 选用p 1 0 和p 1 1 作为a d 转换端口，置l 或者清零a d cs t a r t 和a d cf l a g 特殊寄存器，来启动、停止a d 转换或判断a d 转换是否 完成，具体参数如表2 _ 4 ，2 5 所示；二是对采集到的数据进行数字滤波，采用一 阶惯性滤波算法处理采集到的数据，最后再将数据转换为实际的分纱力的值i l 引。 1 4 第二章分纱力检测系统 表2 3a i d 转换口模式设胃参数 p l m 0 1 7 ：0 p i m7 ：0 i op i a d 1l 【】 口模式(x 如做使用，需先将兵砹置成扦漏或问阻 地址：9 1 h地址：9 2 h 输入 00 ol l 0 ll 罹丽口( _ 传统8 0 5 1i oi