（纺织工程专业论文）花式纺纱机控制与工艺管理系统的研发.pdf

摘要 近几年来，花式纱线总的是在向复合型方面发展，复合型即多种色彩及多种 造型组合，如平行纱、大肚纱、圈圈纱、竹节纱、波纹纱等的交替使用。根据花 式纱线的生产工艺可知，花式纱线之所以有多形态组合的复合型效应，需要纺纱 机各牵伸罗拉、加捻锭子及卷绕机构等分别单独传动，在生产中能够变速，从而 形成不同的花型。 目前国内多数花式纱线生产企业使用的纺纱机已不能满足复合式花式纱线 生产的需要。本课题就是针对这种情况，根据对目前国内外捻线机传动与控制技 术的调查研究结果，结合目前机电传动与计算机总线技术的发展趋势，设计研发 了一套可应用于改造国内多数花式纺纱机的控制系统。纺纱机经改造后，各罗拉 均由单独的变频器、异步电机或步进电机带动进行调速，能够生产各种复合型花 式纱线，基本达到国外进口的花式纺纱机的生产水平和生产效率。同时运用面向 对象编程高级语言v i s u a lb a s i c 开发花式纱线工艺管理软件，并建立了花式纱 线信息数据库，为花式纱线生产企业管理纱线信息及生产和研发新型复合型花式 纱线提供帮助。 本课题在系统方案、控制手段以及功能设计三方面较以往的花式纺纱机控制 系统都有了较明显的进步。( 1 ) 采用了计算机、软件和控制器结合使用控制花式 纺纱机运行的系统方案，这一设计符合目前先进控制系统的结构。( 2 ) 在控制手 段上，引入了目前纺织设备应用还较少的现场总线技术和f p g a 技术，使本系统 具有一台计算机控制企业所有不同型号的花式纺纱机、能够根据生产的实际情况 对控制系统的结构和功能进行修改和调整，完善系统功能的优点。( 3 ) 在系统的 开发中，除关注各主要功能外，还对纺纱机开关机过程中的各罗拉转速不同步以 及生产过程中罗拉转速随负载增大而减小导致的纱线出现疵点的问题进行了分 析，并成功解决这两个问题，使纱线质量更加稳定。 该系统的突出优点是：改造通用性强；软件界面友好，操作简便；投资较小、 见效快，是很多企业乐于接受的。系统研发成功后，在十二月份举行的“第十三 届全国花式纱线及其织物技术进步研讨会”上进行宣传和推广，目前已与数家花 式纱线纱线生产企业达成了合作协议，将于0 7 年3 月投入使用。 关键词：花式纺纱机控制系统工艺管理软件c a n 总线 t h er & do fc o n t r o la n dt e c h n i cm a n a g e m e n t s y s t e m f o r f a n c ys p m n m g f r a m e a b s t r a c t r e c e n t l y , c o m p o u n df a n c yy a m sw i t hk i n d so fc o l o r sa n dm o d a l i t i e sh a v eb e e n t h et e n d e n c yo ff a n c yy a md e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i t y a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c e t e c h n i co ff a n c yy a r n s ，t h er e a s o nw h yf a n c yy a m sh a st h ec o m p o u n de f f e c to f m u l t i s h a p ei st h a tt h es p e e do f d r a f t sr o l l e r , t w i s t i n gs p i n d l ea n dc o i l i n go r g a n i z a t i o n o f f a n c ys p i n n i n gf l a m ec o u l dc h a n g es e p a r a t e l yd u r i n gt h ep r o d u c t i o n a tp r e s e n t , m o s tf a n c ys p i n n i n gf i a m e su s e db yd o m e s t i cf a n c yy a m se n t e r p r i s e s h a v en o tb e e nu pt ot h ed e m a n do f t h ef a n c yy a r n sc o m p l e xp r o d u c t i o n o nt h eb a s i s o ft h i ss i t u a t i o n ，t h er e s e a r c hd e s i g n sac o n t r o ls y s t e mw h i c hc a nb ea p p l i e dt o i m p r o v em o s td o m e s t i cs p i n n i n gm a c h i n e a f t e rt h et r a n s f o r m a t i o n ，t h es p e e do fe a c h r o l l e rc a nb ea d j u s t e db ys e p a r a t et r a n s d u c e r , a cm o t o ro rs t e p - b y s t e p sm o t o r , t h u s c a np r o d u c ea l lk i n d so fc o m p o u n df a n c yy a m s t h ei m p r o v e df a n c ys p i n n i n gf r a m e s a c h i e v et h ep r o d u c i n gl e v e la n de f f i c i e n c yo ft h ei m p o r t e df a n c ys p i n n i n gf r a m e s b a s i c a l l y s i m u l t a n e o u s l y , t h ev i s u a lb a s i cp r o g r a ml a n g u a g ei su s e dt od e v e l o pat e c h n i c m a n a g e m e n ts o f t w a r e ，a n a le s t a b l i s h e dad a t a b a s ew h i c hc o n t a i n st h ei n f o r m a t i o n a n dp a r a m e t e r so ff a n c yy a r n s t h es o f t w a r ec a nh e l pe n t e r p r i s e sm a n a g et h e i n f o r m a t i o no ff a n c yy a r n s ，a n di si nf a v o ro fm a n u f a c t u r ea n dd e s i g no fc o m p o u n d f a n c yy a m s t h er e s e a r c hm a k e sm o r er e m a r k a b l ep r o g r e s si nt h ep l a n , t h ec o n t r o l l i n g m e t h o da sw e l la st h ef u n c t i o n a ld e s i g nt h a nt h ef o r m e rc o n d o ms y s t e mo ff a n c y s p i n n m n gf r a m e s ( 1 ) t h i sd e s i g n ，a d o p t e dt h es y s t e m i cp l a nw h i c hc o n t r o l st h ef a n c y s p i n n i n gm a c h i n eb yt h ec o m p u t e r , t h es o f t w a r ea n dt h ec o n t r o l l e r , c o n f o r m st ot h e s t r u c t u r eo fa d v a n c e dc o n t r o ls y s t e ma tp r e s e n t s ( 2 ) i nt h ec o n t r o l l i n gm e a n s ，t h i s s y s t e mh a si n t r o d u c e dt h ec a n b u sa n df p g aw h i c ha r ef e wa p p l i e dt ot h ep r e s e n t s p i n n i n ga n dw e a v i n ge q u i p m e n t ，t h u sc a nm a k eac o m p u t e rc o n t r o l l i n ga l lf a n c y s p i n n i n gm a c h i n e so f t h ee n t e r p r i s e s ，w h i c ha r ed i f f e r e n tt y p e s m e a n w h i l e ，t h es y s t e m ， a c c o r d i n g l yt h ea c t u a ls i t u a t i o no fp r o d u c e ，c a nm o d i f ya n da d j u s tt h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a l s op e r f e c tt h es y s t e m ( 3 ) t h es y s t e mn o to n l yp a y s a t t e n t i o nt oa l lk i n d so ft h em a i nf u n c t i o n ，b u ta l s oa n a l y z e st h es p e e do fe a c hr o l l e b e i n gn o ts y n c h r o n o u sd u r i n gt h eo p e no rc l o s e d o w np r o c e s s t ot h es p i n n i n gm a c h i n e a sw e l la st h ef l a wc a u s e db yt h es p e e do f r o l l e r s ，w h i c hi n c r e a s ea l o n gw i t ht h el o a d d e c r e a s ed u r i n gp r o d u c t i o np r o c e s s f i n a l l y , i ts u c c e e d si ns o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ， a n de n a b l e st h eq u a l i t yo fy a r n ss t e a d y t h i ss y s t e mh a sl o t so fp r o m i n e n tm e r i t s ，s u c ha sv e r s a t i l et r a n s f o r m a t i o n ， f r i e n d l yc o n t a c ts u r f a c e ，e a s yo p e r a t i o n ，s m a l li n v e s t m e n ta n dq u i c ke f f i c i e n c y , a l lo f t h e s ev i r t u e sa r ev e r yg l a dt oa c c e p tb ym a n ye n t e r p r i s e s a f t e rd e b u g g e ds u c c e s s f u l l y , t h es y s t e mw a sp r o p a g a n d i z e da n dg e n e r a l i z ed u r i n g ”t h e13 t hn a t i o n a ls y m p o s i u mo n t h et e c h n o l o g i c a la d v a n c e m e n to ff a n c yy a r n & i t sf a b r i c ”w h i c hh o l di nd e c e m b e r a tp r e s e n t ，w eh a v eb e e nr e a c h e dt h ea g r e e m e n to fc o o p e r a t i o nw i t hs e v e r a l e n t e r p r i s e s ，a n dt h es y s t e mw i l ll a u n c hi n t op r o d u c t i o ni nm a r c hn e x ty e a r t a n gy u a n h u i ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rr e nx u e - q i n k e y w o r d s ：f a n c ys p i n n i n gf r a m e ，c o n t r o l s y s t e m ，c a nb u s ， t e c h n i cm a n a g e m e n ts o f t w a r e 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学 位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大 学。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：；匆影会 指导教师签名： 日 期：卅牟弓日0 7 曰 v 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果，不包含本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。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 致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 习匆制企 日 州= 5 碉c l 曰 第l 章绪论 1 1 花式纱线的发展概况 绪论 随着我国加入w t o ，我国的纺织行业面临着很大的机遇和挑战。多年来，我 国纺织行业一直以低劳动力成本和低纺织品价格来参与世界行业的竞争。但目 前，我国纺织行业的劳动力成本已经高于巴基斯坦、印度、印尼等国家，要使我 国纺织行业能在严峻的国际竞争中立于不败之地，我们只有根据市场需求加大新 产品的开发力度，以开发创新能力、高水平的管理能力等来增强我们的竞争力。 随着市场经济的发展和人们生活水平的提高，服装面料的发展趋向于自然 化、时尚化、个性化，进而纺织产品的开发也顺应了市场的需求，向更新、更奇、 更多元化的方向发展。织物组织变化是有限，而花式纱线的应用能够最大程度地 丰富产品的花色品种，使其花色新颖、风格独特、立体感强、色彩丰富等等，满 足了人们的需求，因此市场对花式纱线的需求正逐年增长1 2 j j 。 自2 0 世纪7 0 年代以来，花式纱线就已成为国际纺织品市场上一大品种，几 乎所有纺织行业中均有应用。根据有关资料介绍，1 9 8 2 年法国毛纺女装中花式 纱线织物占4 4 ；1 9 8 3 年意大利毛纺女装中花式纱线织物占1 9 3 以上；美国9 5 的进口成衣均系花式纱线织物j 。 当今风行个性化消费的时代，为花式纱线的发展提供了更广阔的空间。近年 来，在国际纱线及面料展览会上花式纱线及其织物琳琅满目。特别是在2 0 0 5 年 9 月在上海举办的“上海国际流行纱线展( s p i n e x p o ) ”上，来自中国、意大利、 法国、西班牙、日本、美国等十几个国家的参展产品中有9 5 的纱线都是花式纱 线。在世界范围内，花式纱线的应用面处于增长势态，不仅在针织行业广泛应用， 在梭织面料方面也有很大进步，在装饰品、家纺行业应用发展非常迅速。尤其是 在”十一五”期间，全纺织行业要走个性化、差异化的路子，将加强对特种纤维的 研究和开发，这对目前并不算大的花式纱线行业无疑是个飞跃的机遇。 最近几年来花式纱线总的是在向复合型方面发展【6 】。复合型即多种色彩及多 种造型组合，除了多原料多色彩组合外，再加上造型设计，如平行纱、大肚纱、 圈圈纱、竹节纱、波纹纱等的交替使用。如今年新流行一种用圈圈线或园带线等 用彩色段染的涤纶丝在上面包成结子状的复合型花式线，也有用大肚纱外包双色 纤维，由于大肚纱较粗，包上去后仍显出白节，另有一种风格。将多色彩、多造 第1 章绪论 型在同一纱条中随机组合，不仅使织物表面上易产生条、斑疵点的现象得以掩饰， 而且织物外观色调丰富豪华、立体感强，提高了应用效果。特别是在较厚重的装 饰织物上，复合型花式纱线成了首选的纱线原料吲。 1 2 花式纺纱机的发展概况 近年来，随着纺织机械水平的不断提高，电子技术和计算机控制技术的发展， 花式纱线机相应得到很大的发展。2 0 世纪5 0 年代的花式纺纱机，大多采用合股 线作原料，在合股机上形成花式线，控制系统均采用凸轮杠杆等机械控制形式， 产品品种较少。2 0 世纪7 0 年代的花式纺纱机，开始走向多功能型，可以纺制多 种花型的花式线，机器设备的控制系统也采用了较先进的光电纹板、电子程控、 微电脑技术，代表机型为日本公立公司的c f 一2 0 型。其主要特点是三根罗拉分 别具有快速、中速、慢速、停止等四项功能，罗拉的变速采用了光电控制，缺点 是变速幅度小、可纺花式少、机构复杂i 引。7 0 年代末发展起来的空心锭花式纺纱 机，使之进入了微机控制、多马达调速的新时代，它具有产量高、性能好、产品 品种多、卷装大、调节方便、占地小等优点，因此经济效益显著，至今仍是花式 纺纱机发展的主要方向。 1 2 1 国外的发展 国外空心锭花式纺纱机从2 0 世纪5 0 年代发展到现在可归纳为两大类：一类 是以英国g d m 型和德国e s p 型为代表性机型，将传统纺制花式线所需的四道工序 ( 牵伸、成花、加固、络筒等) 一步完成，从而大大简化生产工艺，提高了生产效 率。另一类是以德国的f m f 型和意大利的f t f 型为代表的采用空心锭和环锭相结 合，采用同一台机器上二次加捻来完成花式线加工的方法。前者特点是机器结构 简单，效率高，但存在捻度较大，成纱回捻也较大，编结时容易歪斜等缺点。后 者机器结构较复杂，但经过空心锭和环锭的正反向二次加捻后，可使第一次加捻 后被捻紧的纤维在第二次反向加捻时得到退捻，因此成纱结构比较松软、理想。 从近几届国际纺机博览会的展出情况和有关文献来看，空心锭花式纺纱机发 展很快，许多发达国家都研制了各自的机型。德国的e s p i 型和e s p 一空心 锭花式纺纱机附有终端显示屏和多处理机控制系统，可以生产各种控制型和超喂 型的纤维型花式线。人们在不断完善控制罗拉变速技术的同时，对花式纱线的传 动系统也进行改进和优化，这将进一步提高整个控制系统的精度。九十年代以来， 开发的空心锭花式纺纱机基本使用微型计算机控制喂纱速度，如日本小关公司的 0 n 系列：意大利r p r 公司的p r 系列；英国g d 卜_ m k 3 型等供。 2 第1 章绪论 12 2 国内的发展 我国早期的国产花式纺纱机都是在传统细纱机或纺纱机上经改造设计而成， 或在其他自由端纺纱机上加装某种花式纱线的控制装置。8 0 年代国内引进和制 造了许多花式纺纱机，形式上有环锭、空心锭、空心锭加环锭、无牵伸装置、有 牵伸装置、甚至有两套牵伸装置、超喂型、电子控制型、直至计算机控制型等； 功能上有能生产纱线型或纤维型的花式纺纱机。自行生产的传统环锭花式纺纱机 大部分为机械式，如h 1 2 9 3 型、f a 7 3 1 型，可生产控制型和超喂型两大类花式线； 机电结合式的s g a l 3 1 型是采用电磁离合器控制罗拉动作，由光电控制图像带控 制花型，使用方便电机可进行无级调速 1 1 , 1 2 , 1 3 1 。目前已有较成熟的多功能花式纺 纱机，如苏州华飞科技有限公司研制的h f d k 一2 0 1 型微电脑双牵伸双空心锭双卷 绕多功能型花式纺纱机及h n 4 3 - - 0 2 型多功能花式纺纺纱机。 国内至今许多生产厂家仍使用由普通细纱机改装的花式纺纱机，其一在于改 机方便，不仅解决了设备的利用问题，同时降低购买专用花式纺纱机的成本。附 加装置的型号很多，生产成本低，单台产量提高；其二在于机器的适应性比较广， 既可用于棉纺、毛纺，也可以用于麻纺及混纺【l ”。 但从2 1 世纪初，各种复合式花式线发展很快。今年8 月在上海的国际纱线展 览会上，国外的产品中仍然延续了去年的风格，复合花式纱线占了很大的比重。 一般花式纱线厂单一的设备已不能满足复合式花式线生产的需要【”】。 1 3 花式纺纱机控制技术的发展概况1 1 6 1 花式纺纱机与传统纺纱机的根本区别在于工作中各运转部件如罗拉等需要 进行变速从而形成不同的花型。由此，花式线开发的关键在于如何控制各罗拉的 变速，包括对变速的设定及变速精度和范围的控制等一系列技术【1 7 1 。因此，控制 技术是花式纺纱机发展的关键动力。从以上分析可得出，变速控制技术是花式纺 纱机控制技术发展的主要取向。尤其是电子技术和微机控制技术的飞速发展，使 得智能控制方法不仅在花式纺纱机，乃至整个行业机械的应用越来越普遍。 1 3 1 国外花式纺纱机控制技术的发展 a 机械控制 5 0 年代的花式纺纱机称为花式合股机，大多用线作原料，在合股机上形成 花式线，其控制部分采用凸轮杠杆控制。此时期的控制技术可称为机械控制。 b 光电与机械相结合的控制 第1 章绪论 7 0 年代，花式纺纱机走向多能型，其控制部分广泛采用当时先进的电磁离 合器、电磁刹车、光电纹板、电子程序等光电与机械相结合的控制方式。如：西 德s a u r e r h l i m a 的e e s x 花式纺纱机和日本共立c f 2 0 联合型花式纺纱机等。这 种光电与机械相结合的控制方式，可以对罗拉实行不同程度的变速控制，比早期 的花式纺纱机要进步得多，但仍存在很大的不足：罗拉速度变化极其有限，可纺 的花式不多：仍需采用变速齿轮箱，结构复杂：由程序控制箱或光电孔带产生控制 信号，操作比较繁琐，使用不方便。 c 变频器控制 日本o z e k i 科技有限公司( o z e k i te c h n o c o ，l t d ) 在i t m a 9 7 上展出的 o n - 2 2 3 n f 型“雪尼尔”花式线机，配备有4 组电子调速变速器，利用i c 控制器， 根据设计程序控制锭子，旋转导纱器，芯纱及喂纱罗拉的转速，生产出多种复杂 的“雪尼尔”花式线。 d 微型计算机控制 进入8 0 年代以后，由于微电子技术和微型计算机的发展，花式纺纱机进入 了微机控制多电机调速的新时期。如英国g & d 公司在1 9 8 3 年意大利i t m a 上展出 了利用微处理器控制的g d m - m k 3 型空心锭花式纺纱机。8 0 年代中后期，又推出 了最新机器g d m t r i t e x 型花式纺纱机。g d m m k 3 型空心锭花式纺纱机最初仍采 用直流电机驱动，但由于直流电机存在转速不稳定、不能瞬时变速从而影响对花 型的控制等缺点，后采用了微机控制的步进电机，使传动误差几乎等于零。该机 操作简便，控制灵活，使花式纺纱机的控制水平发展到了电子技术与计算机技术 相结合的新阶段。g & d 公司后来又发展了功能更强的g d m t r i t e x 型空心锭花式 纺纱机。该机较之以前的机型可以生产更丰富的花色品种，每锭配备三套独立的 双皮圈三罗拉牵伸机构，间断或连续喂给：传动系统采用先进的步进电机，完全 去掉了齿轮箱、离合器和直流电机等部件。 1 3 2 国内花式纺纱机控制技术的发展 我国对花式线生产设备的研制起步较晚，对其控制技术的研制相对更晚。至 今，我国对控制空心锭花式线纺纱方法的研究大体上集中于以下几个方面： a 单片机+ ( 步进电机+ 直流电机) 其典型代表是于9 1 年研制成功的主从分箱式多微机控制空心锭花式纺纱机 c f y 型。该方案采用多微机控制，传动部分由步进电机和直流电机混合组成。 b 变频调速控制 ( 1 ) p l c + 变频调速 其主要代表是浙江日发纺织有限公司生产的r f 2 1 5 花式稳线机。其控制系统 第l 章绪论 采用的是p l c 及变频器控制。在其控制系统中，前罗拉、后罗拉和卷绕机构采用 同步带和齿轮传动，分别由变频调速电机拖动，并配备电磁离合器和制动器，各 速度及其变化规律均可分别调整，任意组合。采用可编程控制器( p l c ) 集中控制， 面板可直接显示各工艺参数，调整、设置，简单方便。 ( 2 ) 单片机十变频调速 在微机控制变频调速花式纺纱机的设计一文中，即采用变频调速，使用 单片机作为控制器。在其控制系统中，采用了s t d 总线技术。 1 4 课题研究的目的及意义 近年来，我国纺织品市场需求持续升温，花式纱线及其织物行业面i i 缶千载难 逢的发展机遇，尤其是复合型花式纱线产品的发展更是非常迅速，已经成为花式 纱线的发展方向和流行趋势。但我国正在使用的花式纺纱机存在较为严重的结构 性矛盾：高技术含量的产品短缺。国内常见的花式纺纱机主要包括两大类：一类 是采用单电机，通过复杂的机械传动系统来传动多个罗拉运动，其机器结构复杂， 配件多，更换加工品种时操作费时、费力。另一类花式纺纱机采用了变频调速技 术，但各电机只能按照设定值运行。这两类纺纱机的各罗拉在生产中都不能变速， 因此只能生产结构单一的花式纱线。还有少数纺纱机配备了简单的控制器，但只 能生产3 0 段左右的复合型花式纱线，且只能储存几十种花式纱线的生产数据【1 8 1 。 本课题的研究就是针对这种情况，研发一套可应用于改造多数花式纺纱机的 控制与工艺管理系统；同时开发工艺管理软件，建立纱线信息数据库，方便企业 进行花式纱线信息的管理和新型复合花式纱线的生产与研发。花式纱线生产企业 将该系统应用于花式纺纱机后，能够产生以下几方面的作用和影响： ( 1 ) 解决目前花式纱线生产企业面临的生产难题。 采用本系统对花式纺纱机进行改造后，可以通过计算机控制多电机协调运 动，使纺纱机的各牵伸罗拉、锭子以及卷绕机构在运行中独立调速，能够生产各 类复合型花式纱线。 ( 2 ) 有效开发旧机器潜能。 本课题研究成果是通过高新技术改造传统设备，提高国内普通花式纺纱机的 生产能力，达到进口花式纺纱机的生产水平。各花式纱线生产企业使用的花式纺 纱机不尽相同，但相当一部分是由细纱机经简单改造成的或较早期的花式纺纱 机。将这类机器进行改造对企业开发旧机器潜能，扩大生产规模和产量具有重要 的意义。 ( 3 ) 保证纱线质量更加稳定。 第1 章绪论 开关机过程中罗拉转速不同步以及纺纱时各罗拉转速随负载变化这两个问 题是纱线产生疵点的重要原因。系统在设计中对这两个问题进行了详细的分析， 并运用了较为先进的控制技术和手段，成功地解决这一问题，有益于企业进行纱 线质量控制，使纱线质量更加稳定。 ( 4 ) 增加企业开发品种 在改造控制系统基础上，系统还研发了工艺管理软件。企业利用软件的各种 工作模式可以设计开发原料多元化、结构复合型和高附加值的新型花式纱线，促 进花式纱线产品的多样化和差异化，丰富纱线品种。 ( 5 ) 为企业提供一种方便、快捷的工艺管理手段。 利用工艺管理软件能够存储和记录各种花式纱线的各类信息和工艺参数。研 发复合花式纱线时，在工艺允许条件下，可直接调用多款已有纱线进行组合设计， 有益于企业缩短开发周期和快速组织再生产。 ( 6 ) 投资小，见效快，能够取得更好的经济效益。 系统采用了c a n 总线、f p g a 等先进技术，实现了一台计算机控制企业所有的 花式纺纱机，有效地降低了系统成本，且相当于给每台控制的机器增加一台高性 能的计算机。纺纱机经改造后，能够生产需求量更大、利润更高、附加值更高的 复合型花式纱线，为企业带来较好的经济效益。 ( 7 ) 大容量的存储单元，完全满足企业管理花式纱线信息的需求 系统利用计算机存储量大的特点，将其作为控制系统的上位机，成功地解决 了目前一些控制器只能存储几种花式纱线信息的问题。 1 5 课题来源和课题主要任务 1 5 1 课题来源 本课题是西安市科技局。科技攻关”项目“花式纺纱机计算机控制系统的研 发”( 项目编号：g g 0 5 0 4 3 ) 的一部分，也是澳大利亚羊毛发展公司( a u s u a l i a n w o o l i n n o v a t i o nc o m p a n y ) 资助的研究生课题之一。 1 5 2 本课题研究的主要工作内容 在目前广泛应用的花式纺纱机中，主要包括两大类：一类是采用电气传动作 为主要传动方式的纺纱机，另一类是采用机械传动系统的纺纱机。对第一类纺纱 机，可以直接安装并使用控制和工艺管理软件。而第二类纺纱机，则先要对其传 动系统进行电气改造( 即空心锭的回转加捻运动由主电机通过龙带驱动，该电机 6 第1 章绪论 采用交流异步电动机，由主变频器控制：各牵伸罗拉采用步进电机控制，实现各 罗拉均能够按生产需要精确变速，并实现瞬时的停止和翻转) ，才能使用本系统 进行改造。 根据西安市科技局项目组的分工，本课题的任务和工作是通过对花式纱线生 产工艺的的分析，在电气传动纺纱机上，设计开发基于c a n 总线的花式纺纱机的 控制与工艺管理系统，实现系统设计功能。 本课题的主要工作内容： a 将几种预选控制方案进行比较，综合考虑各方案的控制精度、成本、可行 性等因素，选择相对最优。 b 按照选定的方案，设计控制系统硬件配置方案，研发控制装置并完成调试。 e 建立花式纱线数据库，用v i s u a lb a s i c 高级程序语言编写工艺管理软件， 与硬件配合实现对纺纱机生产、研发各类花式纱线的功能。 d 在实验室进行实验调试验证和纱线试纺试验。 本文后续章节将对以上各内容作详细阐述。 1 6 本章小结 本章简述了国内外花式纱线和花式纺纱机及其控制技术的发展现状和趋势， 介绍了本课题的来源和主要研究内容，提出本课题进行的目的和意义。该系统投 资小，见效快，能够解决花式纱线企业的生产难题，带来较好的经济效益，同时 为企业提供一种方便、快捷的工艺管理手段。其应用前景较好。 第2 章控制与工艺管理系统总体设计方案 2 控制与工艺管理系统总体设计方案 2 1 花式纱线的分类g 功n r 3 - 浏1 9 】 花式纱线是指利用不同的成纱原理和加工方法改变纱线的内部结构和外观形态 从而实现花式效应使纱线外观呈现不同几何形态。花式纱线按生产方法可分为超喂 型花式线、控制型花式线和特种花式线，如图2 1 所示： 超喂型花式线是指饰纱的速度大于芯纱的速度。其中，超喂数等于饰纱速度除 以芯纱速度。其特点是各罗拉速度保持一恒定的比例。 控制型花式线是由各罗拉按花型设计的要求进行变速形成的。 特种花式线是由特殊的生产设备制成的。例如雪尼尔线、包缠类、变形纱类、 带子类。 第一大类花式纱线按饰纱的喂入状态又可分为纤维型和纱线型两大类： 纤维型花式线是以粗纱作为饰纱，在喂入成形过程中需经过罗拉牵伸。 纱线型花式线是以细纱作为饰纱，在喂入成形过程中不需要经过罗拉牵伸。 8 第2 章控制与工艺管理系统总体设计方案 2 2 花式纺纱机工作原理 本课题主要研究目前常见的生产第一大类花式纱线的空心锭花式纺纱机的控制 技术。以目前较常见的五罗拉花式纺纱机【2 0 j 为例，说明花式纺纱机的生产原理及其 控制技术。 该机是在三罗拉花式纺纱机的基础上发展起来的，它主要加了一套牵伸装置， 送纱机构由原来的双罗拉改为四罗拉，下面输出罗拉照旧不变1 2 ”。其中三根罗拉和 普通细纱机一样，能使用粗纱喂入进行牵伸，能牵伸成适当粗细的须条作为饰纱， 和从芯纱罗拉送出的芯纱汇合，加上从空心锭上引出的固纱一同进入空心锭，经下 面输出罗拉输出，经过槽筒卷绕成筒子纱。 图2 2 五罗拉空心锭筒子卷绕花式纺纱机示意图 1 一芯纱2 一芯纱罗拉3 饰纱4 一摇架5 一导纱钩6 一后罗拉7 一中罗拉 8 一上下销及皮圈9 一导纱钩l o 一前罗拉 1 l 一磁管 1 2 - - 空心锭1 3 - - 固纱管 1 4 假捻器1 5 输出罗拉1 6 一导纱杆1 7 一槽筒1 8 一成纱筒子 如图2 2 所示【2 2 l ，芯纱1 经芯纱罗拉2 、导纱器5 和9 ，穿过磁管1 1 ；饰纱3 为一根粗纱，经过后罗拉6 、中罗拉7 、皮圈8 ，经前罗拉1 0 牵伸后的须条在磁口 与芯纱汇合初步形成花型；和固纱1 3 一起进入空心锭管1 2 ，到空心锭管下端在假 捻器1 4 上绕一圈完成假捻和退捻，固纱形成的真捻固定最终花型，经输出罗拉1 5 、 9 第2 章控制与工艺管理系统总体设计方案 导纱杆1 6 、槽筒1 7 卷绕到筒子1 8 上。 2 3 花式纺纱机控制系统要求分析 以上分析的五罗拉花式纺纱机结构较为简单，目前一些花式纱线生产企业还装 配有多组牵伸机( 两组五根、三组七根) 、双空心锭、双牵伸结构的多功能型的花式 纺纱机，但其控制原理相同。 目前花式纱线企业面临的主要问题是多数花式纺纱机的各罗拉在生产过程中不 能变速或单独调速，生产纱线的结构较为单一和花式纱线工艺单管理较为复杂两方 面2 3 1 。由以上分析可知，与普通纱线相比较，花式纱线的生产工艺较为复杂。只有 少部分花式线品种的生产工艺要求生产时各罗拉以恒速运行，像结子纱一类的花式 纱线，则要求纺纱机的某些罗拉以分段变速的方式运行，有些纱型还要求罗拉有短 时间的停顿甚至反转。所以花式纺纱机控制系统开发其关键在于对各运转罗拉变速 的控制技术。因此得出花式纺纱机控制系统的基本要求为： a 控制系统运行稳定可靠，抗干扰性强。这是衡量控制系统成功与否的最关键 指标之一。 b 各罗拉均能单独调速和分段变速，达到能够生产各类复合型花式纱线的要求。 c 控制系统系统能够同时控制多个异步电机和步进电机。花式纺纱机各罗拉的 驱动方式可能不同，如有些纺纱机的各罗拉全部采用变频器进行调速，有些需要生 产结子线等的纺纱机的部分罗拉或全部罗拉则使用步进电机驱动。 d 系统可设定的变化段需在1 0 0 0 段左右，满足生产和研发结构更加复杂的复合 型纱线的要求。 e 具有较先进的随机工作模式。 衡量花捻机控制系统水平的标准除了要求控制系统本身具有相应的控制功能，还 需要在一些以下的其他辅助控制要求： a 系统改变控制规律，不必改变系统的硬件，只要按新的控制规律编出新程序即 可。 b 系统的同步性好，控制启动和停机的过渡过程。这一点是有效保证纱线品质的 重要手段。 c 信息处理能力强，及时给操作人员提供有用的信息和指示，人机界面友好。 d 操作简便、效率高，有助于工艺管理。 e 成本较小，见效较快等。 1 0 第2 章控制与1 ：艺管理系统总体设计方案 总的来说，设计方案应以系统整体最佳为目标。 2 4 系统总体设计方案 2 4 1 系统备选方案 通过对花式纺纱机工作原理及其控制技术的分析，共提出了三套方案以供选择。 a 控制器( 以单片机为核心) + 花式纺纱机( 图2 _ 3 ) l 控制器( 单片机) l花式纺纱机 l i 控制器( 单片机) l花式纺纱机 l 图2 - 3 控制系统a 方案 b 计算机( 工艺管理软件) + 控制器( 以f p g 为核心) + 花式纺纱机( 图2 - 4 ) 图2 - 4 控制系统b 方案 c 计算机( 工艺管理软件) + 控制器( 以d s p 为核心) + 花式纺纱机( 图2 5 ) 图2 - 5 控制系统c 方案 第2 章控制与工艺管理系统总体设计方案 2 4 2 各方案分析及选择 a 方案 优点：基于单片机的控制器十分重视性能价格比，是为了满足低价位普通花式 线纱纺机的需要，而以单片机为核心的控制系统具有控制功能强、体积小巧、价格 低廉的特点。 缺点：首先，花式线的生产工艺参数较为复杂，在进行设置时需要有个容易 理解的操作界面，最好能够有相应的图形显示。而单片机控制器由于采用l e d 数码 管显示，无法满足复杂操作界面的要求。其次，单片机的存储单元小，对于大量的 纱线信息的保存无能为力。再次，花式线纺纱机的机型种类多，控制要求也不一样。 一台控制器要能够满足多种机型的工艺需要，用单片机来实现颇为困难【2 3 】。 b 方案 优点：首先，采用c a n 总线技术的优越性体现在几方面：一台电脑可以控制车 间所有的纺纱机；带有通讯能力这样，有利于缩短系统开发周期；超强的稳定性和 纠错能力对系统稳定性起到重要作用。其次，在控制系统中引入了工艺单管理软件， 有利于企业对纱线工艺的管理和使用，并通过计算机将各种工艺参数发送到多台机 纺纱机，省去了操作人员逐台输入大量参数的过程，解决企业提高生产效率的瓶颈 问题，且准确定好。以及采用的f p g a 技术在系统存储单元和功能扩展能方面具有较 明显的优越性。 缺点：由于计算机在系统中作为上位机，起着为向下位机发送数据和管理纱线 各类信息和数据的作用。为了保证纱线数据的安全性和生产过程的不冲突，有较多 研发需求的企业应另外配置一台计算机备用。 c 方案 优点：采用d s p 技术进行系统控制信号的处理，其高速性和精确性较为突出， 控制系统的实时性好。同时具有b 方案的优点。 缺点：该方案优点较为突出，但对于纺纱机控制系统的研发来说，其缺点也很 突出。企业使用的一些花式纺纱机上仍然使用了较早的模拟型变频器，为了保证控 制系统的通用性，控制系统采用模拟信号进行控制更加恰当。而d s p 技术的优越性 体现在对数字信号的处理上，对本方案作用不明显。 据上述的综合分析和比较，结合花式纱线各方面的实际情况，选用b 方案作为 系统的设计方案。 第2 章控制与工艺管理系统总体设计方案 2 4 3 系统方案表述 本课题设计的花式纺纱机控制系统中，空心锭的回转加捻运动由主电机通过龙 带驱动，该电机采用交流异步电动机，由主变频器控制。各牵伸罗拉前罗拉采用步 进电机控制，实现各罗拉均能够按生产需要精确变速，并实现瞬时的停止和翻转。 输出罗拉和卷绕罗拉由独立的异步电动机带动，并分别由一变频器控制。同时建立 纱线信息数据库，开发花式纱线工艺管理软件，计算机通过控制器以控制多电机协调 运动，实现纺纱机的各牵伸罗拉、锭子以及卷绕机构在运行中能够独立调速，达到 生产复合型花式纱线的要求。对于部分已经采用了多电机传动的花式纺纱机，则只 加装控制器和工艺管理软件。 依照该方案设计的系统结构示意图如图2 6 所示： 2 5 本章小结 图2 6 系统结构示意 本章在分析花式纺纱机的工作原理基础上，提出了系统设计的要求和三种备选 方案，进行综合比较后选定了系统方案并对系统方案进行了综合性表述。 第3 章控制系统设计 3控制系统设计 控制系统作为整个系统的基础，其性能直接影响到系统的效率和成线质量， 必须满足实时性、可靠性、灵活性的要求。控制系统设计包括控制系统硬件和基 于c a n 总线的控制软件两部分的设计。 3 1 控制系统设计 3 1 1 控制系统详细分析 在进行控制器的设计之前，首先应该对控制系统所要实现的功能有一个非常 清楚、细致的认识。根据上一章中提出的系统总体方案，在详细分析本课题对控 制系统要求的基础上，将这些要求分解成以下具体的设计目标： & 以p c 机作为上位机，所有工艺参数设置、运行过程中工艺参数的控制、故 障处理与分析都借助于p c 机来实现； b 一台计算机通过c a n 卡控制生产设间的所有花式纺纱机，以方便纱线生产 企业对花式纺纱机和花式纱线的信息化和网络化管理。 c 一台花式纺纱机上安装一个控制器，每个控制器能够同时控制8 个变频器 和6 个步进电机。由于花式纺纱机的结构较为复杂，生产用途不尽相同，系统对 纺纱机传动方式的改造中，有些纺纱机的罗拉和锭子全部采用变频器进行控制， 有些则采用变频器和步进电机结合使用的方式。本着留有发展空间和通用的设计 原则，控制器的设计要满足这两类基本控制方案不同的花式纺纱机。 d 纺纱机的启动和停机过程中，各罗拉的转速比要保持稳定。这是保证纱线 在开关机过程中不产生疵点的有效保证手段，也是本系统相比其他花式纺纱机控 制系统较重要的优点之一。 o 控制器有保存生产数据的功能。纺纱机关机后并重新启动后，如果计算机 没有重新发送数据，控制器按最后一次存储的参数控制纺纱机工作。 f 随机运行功能。花式纱线的各类结构是通过控制纺纱机的两个重要参数形 成的，这两个参数为罗拉的运行速度和该速度的持续时间。其中，纺纱机各罗拉 运行速度的关系决定了纱线的花型，而持续时间决定这花型的长度。 g 控制系统应有适当的状态指示( 运行、设置) 和故障查询帮助功能。便于对 第3 章控制系统设计 控制系统的管理和维护。 3 1 2 控制系统结构图 根据上述功能分析，