粗纱机机电一体化课件

第九章,粗纱机机电一体化,本章知识点:,1.了解新型粗纱机机电一体化的技术特征。2.了解新型粗纱机传动系统数学模型的建立。3.掌握多电动机传动粗纱机的张力控制。4.掌握CCD张力传感器的特点及工作原理。5.了解自动落纱的形式及工作过程。,本章内容,第一节粗纱机概述一、粗纱机二、新型粗纱机机电一体化的主要技术特征第二节粗纱机控制系统一、新型粗纱机控制系统的要求二、四电动机传动的粗纱机三、其他多电动机粗纱机传动系统四、多电动机传动粗纱机张力控制五、粗纱自动落纱与自动运输（粗细联）思考题,一、粗纱机,第一节粗纱机概述,根据粗纱机的机构和作用，粗纱机可分为喂入、牵伸、加捻、卷绕和成形五个部分。同时为了保证产品的产量和质量，粗纱机还有一些辅助机构，如清洁装置、光电自停装置、防细节装置及张力补偿装置等。,粗纱工艺流程如图。棉条从机后条筒引出，经分条器将诸根棉条隔开后，由导条辊和喇叭口喂入牵伸装置。棉条被牵伸成规定线密度的须条后，由前罗拉输出，假捻器回转使须条获得捻度而形成粗纱，粗纱穿过锭翼的顶孔和侧孔，进入锭翼导纱臂，然后从导纱臂下端引出，在压掌曲臂上绕几圈，由压掌将粗纱卷绕在筒管上。锭翼安装在上龙筋上，锭子插入筒管中心孔，筒管安装在下龙筋上的筒管座上，以高于或低于锭翼的速度回转，筒管与龙筋之间的转速差使粗纱卷绕到筒管上，筒管在随锭翼回转的同时，又随下龙筋做升降运动，将粗纱卷绕成两端呈圆台形中间为圆柱形的粗纱卷装。,粗纱机工艺过程示意图,1-下龙筋2-粗纱筒子3-压掌4-翼锭牵伸装置5-锭子6-上龙筋7-假捻器8-粗纱9-输出罗拉10-导条辊11-棉条12-棉条筒,二、新型粗纱机机电一体化的主要技术特征,新型粗纱机具有高速度、大张力、大捻度、大卷装、定重量等特点，其机电一体化的主要技术特征有以下几项。,（1）电子计算机控制的多单元传动体系取代了锥轮变速及差微等机械传动系统，使复杂的机械传动系统大为简化。实现牵伸、锭翼、筒管和龙筋升降独立驱动，运用计算机控制技术，实现多单元之间的同步匹配，精确完成粗纱的卷绕，彻底消除粗纱机开关车造成的细节。（2）粗纱张力自动控制。新型粗纱机上应用张力传感器（CCD）自动控制与调节卷绕张力控制系统，能够在线调整粗纱张力，不论大纱、中纱、小纱或车间温湿度的变化，经计算机控制的卷绕张力始终保持恒定，使粗纱张力差异更加理想。（3）配备悬挂式全封闭高速锭翼，在高速旋转中避免了开式锭翼因气流大造成的纱条毛羽，飞花附入而形成的纱疵。全封闭式锭翼上、下端都有滚珠轴承，锭翼两臂封闭成环，高速回转时不易变形，运转平稳，最高锭速达1800转/分；锭端都配有高效假捻器，假捻效果明显。（4）粗纱机的牵伸系统有三罗拉双短皮圈式、三罗拉长短皮圈式及四罗拉双短皮圈式，目前国内外先进粗纱机多采用四罗拉双短胶圈，即D型牵伸。D型牵伸减小了无捻区，有利于加捻的均匀度；同时提高了纤维的平行伸直度，有利于改善粗纱条干；加压方式采用较先进的弹簧摇臂加压和气动加压。,（5）采用自动及半自动落纱技术提高自动化程度，并配有高架式运输轨道，能与细纱机配套，形成粗纱、细纱联合，提高生产率，降低了劳动强度，实现了传纱连续化及自动化。（6）新型粗纱机增加了许多负压吸尘点，能及时清除罗拉、皮辊、皮圈等处的短绒及杂质，防止纤维缠绕罗拉等部件，并保证不出现由于积聚短绒及飞花造成的纱疵。（7）具有精确的三定(定长、定向、定位)及自动生头功能。（8）工艺调整简单，通过触摸屏进行参数设置，同时可显示有关技术参数、产量、设备运行状态及设备故障，真正实现了人机对话，直观快捷。（9）具有联网功能，便于车间管理和监控；具有故障的自诊断、显示和统计功能，便于问题的查找和维修；还具有远程诊断和监控功能。,国内外部分最新型粗纱机的机电一体化技术特征,一、新型粗纱机控制系统的要求,第二节粗纱机控制系统,1.为简化结构、减少细节、适应不同纱支和翻改工艺的需求，新型粗纱机需多电动机传动；2.为避免细节的产生、提高纱线质量和强度，多电动机之间要求同步控制；3.为适应大中小纱及车间温湿度的变化，满足恒张力纺纱，需配置张力传感器；4.为保证成型质量，在换向区需设置换向不停区，且换向不停区随成纱直径的变化而不同；5.为满足人性化要求，需具备人机对话功能，故障自动诊断及显示功能；6.具备多种锭数间的控制系统扩展功能；7.具有网络控制功能，便于车间管理和监控；8.具有远程诊断和监控，便于快捷地服务用户；9.具有自动落纱及自动运输功能，包括定长满纱自停、自动空满管交换及自动运输、自动完成不同粗纱机、不同纺纱品种、不同细纱机之间的调度等。,二、四电动机传动的粗纱机,新型电脑粗纱机采用机电一体化技术，由计算机控制多电动机分部传动，去掉了原有的锥轮机构和成形机构，使复杂的机械传动系统大为简化。现有二、三、四、五甚至七台电动机同步传动的多种方案。一般来说，电动机使用数量越多，机械传动系统就越简化，但控制系统也会更复杂，制造成本也相应增加，目前以四台电动机同步传动居多。,（一）四台电动机驱动的粗纱机机械传动系统,四电动机粗纱机驱动系统,粗纱机的前罗拉转速决定出条速度，锭翼转速与前罗拉出条速度决定捻度大小，筒管转速与龙筋速度决定粗纱卷绕速度，龙筋升降速度决定粗纱成形。因此采用四台电动机分别控制前罗拉转速、锭翼转速、筒管转速和龙筋升降速度，这样就可以省去大量的变换齿轮，并且可以通过精确控制各电动机的转速，精确的实现工艺设计。,（二）各电动机速度控制数学模型,1.锭翼电动机M1转速,一般锭翼在纺纱过程中转速恒定，且消耗整机大部分功率，故在多电动机驱动的粗纱机中，将锭翼电动机称为主电动机，其转速可根据传动系统计算：,式中：nDt锭翼电动机速度，r/min;nt锭翼速度，r/min。,2.前罗拉电动机M2转速,一般情况下，在纺纱工艺固定时，前罗拉以恒速回转，前罗拉转速和前罗拉电动机转速按下式计算：,式中：nF前罗拉速度，r/min；nDF前罗拉电动机速度，r/min；dF前罗拉直径，mm；Tw粗纱捻度，捻/10cm；Tt粗纱号数，tex；at粗纱捻系数。,3.筒管电动机M3转速,现代粗纱机一般采用管导方式卷绕粗纱，即筒管转速高于锭翼转速，靠随筒管转速与锭翼转速的差实现粗纱的卷绕，粗纱每卷绕一层，其卷绕直径增大，筒管转速与锭翼转速的差值应相应减小，因此在纺纱过程中，筒管转速是逐级减小的。筒管电动机转速控制模型可由下式确定：,式中：nK筒管转速，r/min；nDK筒管电动机转速，r/min;dK粗纱的卷绕直径，mm；粗纱张力牵伸系数；nf手动张力补偿;P粗纱张力实际值与目标值之差，没有CCD时为0。,（9-1）,（9-2）,在正常生产过程中，粗纱卷绕直径dK为变化量，随着粗纱卷绕层数的增加而增加。确定了dK的变化规律，就可以确定筒管电动机转速。dK规律确定若有误差，将严重影响粗纱的卷绕。粗纱卷绕时，应使纱圈沿筒管轴向整齐排列，粗纱的圈层之间既不重叠，又无空隙。假设每根粗纱截面均为椭圆形，其沿筒管轴向的长轴为h（mm），也称为粗纱卷绕的圈距；沿筒管半径方向的短轴为（mm），也称为粗纱卷绕的层厚，由于内部纱层受到外部纱层的挤压，粗纱各层厚度并不一致。,粗纱筒子的轴向截面示意图,内部纱层厚度小于外部纱层的厚度，研究认为，粗纱各纱层的厚度由内向外基本成等差数列，即：,式中：相邻两层粗纱之间的厚度差。,各纱层的厚度可分别表示为：,第层：,粗纱各卷绕层的卷绕直径分别为：,第1层：,第层：,（=1n）,式中：dK0筒管直径，mm；粗纱卷绕层数，由内向外=1n，n为粗纱卷绕总层数。,（9-3）,粗纱在卷绕过程中，纱层之间存在相嵌情况，而第一层纱是直接绕在筒管上的，没有相嵌的情况，所以在系统控制程序计算卷绕直径时，第一层纱的卷绕直径就出现误差，因此构造粗纱筒管系数，对第一层粗纱的卷绕直径进行修正，的值域范围0.11.5，一般取0.7，构造公式：,式中：筒管系数；dK0筒管修正计算直径，mm。,（9-4）,（9-5）,粗纱卷绕时，应使纱圈沿筒管轴向整齐排列，粗纱的圈层之间既不重叠，又无空隙。粗纱轴向卷绕密度与粗纱号数的平方根成反比，经验公式如下：,（9-6）,式中：粗纱轴向卷绕密度，圈/cm。C轴向卷绕常数。,C一般为8590，下表按C为87计算所得粗纱轴向卷绕密度的结果。,粗纱径向卷绕密度一般根据实际经验并通过试验决定，下面给出的是粗纱径向卷绕密度与粗纱轴向卷绕密度之间关系的经验公式：,（9-7）,式中：粗纱径向卷绕密度；圈/cm。B粗纱压扁系数，即粗纱截面长短轴之比，一般为5.58。,由于：,系数B选择时，要考虑下列因素：压掌压向粗纱的压力增加；粗纱锭速加快；粗纱捻系数增大；粗纱定量减轻；粗纱轴向卷绕密度减小。这些因素都能使径向卷绕密度增加，因此常数值可选得大些，反之则应选得小些。,（9-8）,（9-9）,取1=，将上述公式依次代至公式公式（9-1），并整理后得出（9-10）公式，如下：,由筒管电动机转速公式（9-10）可知，影响纺纱张力的因素包括：筒管直径dK0，主要影响第一层纱及小纱的张力，与纺纱张力成反比。筒管系数，值域范围0.11.5，一般取0.7，主要影响小纱张力，与纺纱张力成反比。张力系数，取值范围0.91.1，一般为1.02，影响小、中、大纱的张力，与纺纱张力成正比。纱层厚度1，主要影响大纱的张力，与纺纱张力成反比。相邻两层粗纱之间的厚度差，取值范围为0.0030.0041，一般取0.00351，主要影响中、大纱的张力，与纱的张力成反比。,4.龙筋升降电动机M4速度及粗纱卷绕成型,龙筋升降速度：,式中：VL龙筋升降速度，mm/min。,龙筋升降电动机转速：,式中：nDS龙筋升降电动机转速，r/min；dS龙筋升降轴链盘直径，mm。,龙筋换向时间：,式中：th龙筋换向时间，s；粗纱成型角，度。,在实际应用时，也可采用软件定时器计时或用计数器记录编码器发出的脉冲数产生龙筋换向中断信号，计算机响应中断，并发出换向指令。,（三）四台电动机驱动的粗纱机控制系统,采用四台电动机分别传动牵伸罗拉、锭翼、筒管和龙筋升降。取消了传统粗纱机中的锥轮，成形机构、差动机构、摆动机构和换向机构等，还取消了捻度、升降、卷绕、张力、成形角度等变换齿轮，简化了机械结构。,天津宏大FA491（JWF1416）型粗纱机控制系统采用可编程控制器和工业控制计算机联合控制系统，工控机主要用于进行较复杂的数学计算，与可编程控制器进行I/O硬通讯，通过触摸屏实现人机对话。可编程控制器是工控机的一个下位机，执行工控机指令并进行逻辑控制。,FA491（JWF1416）型粗纱机电气控制系统,第九章粗纱机机电一体化,三、其他多电动机粗纱机传动系统,五电动机变频驱动的粗纱机传动系统,五电动机变频驱动的粗纱机与四电动机相比，除粗纱机的传动系统中前罗拉、筒管、锭翼与龙筋升降由各自的电动机控制之外，增加一台电动机控制中、后罗拉的转速。后罗拉决定总牵伸倍数。采用五台电动机分别控制，可以省去主牵伸区牵伸变换齿轮，并且可以通过电动机的精确调速，实现精确的工艺设计,其传动系统如图。,(一)粗纱机五电动机传动,粗纱机也有用七台电动机分别单独传动锭翼、筒管、龙筋升降、导条辊和牵伸罗拉(用三台)，在上述四电动机传动的基础上，分别采用变频与伺服电动机传动牵伸区的前罗拉、中罗拉与导条辊，在原已取消升降、捻度等工艺变换齿轮的基础上，又取消了全部牵伸变换齿轮，实现了完全的电子牵伸，使牵伸罗拉间的牵伸倍数可无级调节，牵伸倍数的调整精度更高，范围更广。组成随动控制系统。七部分完全独立的传动，替代了传统粗纱机复杂的机械传动，用现代驱动、控制技术组成的随动控制系统，精度较高、操作、维护更加方便，减少了机器的故障率，同时，提高了机器的灵活性和适应性，适合品种及工艺多变的市场需求。,(二)粗纱机七电动机传动,四、多电动机传动粗纱机张力控制,粗纱张力是决定粗纱伸长率和粗纱筒管卷绕密度的决定性因素，粗纱张力的在线测控是卷绕过程控制的核心。不同的车速，纤维品种、工艺要求（纯棉、涤棉、精梳普梳、定量的大小等）都影响粗纱张力的大小。粗纱机纺制粗纱的过程中，小纱、中纱、大纱不同阶段的粗纱张力也是不同的。由于对粗纱张力的影响因素非常复杂，试图找到一个精准的数学模型来控制粗纱张力是非常困难的，近年来众多的学者以及工程技术人员做了大量的工作，控制粗纱张力的方法包括PID控制、模糊控制、网络神经控制等等，随着科学技术的不断发展，粗纱张力控制模型也越来越精确，可以不再依赖硬件反馈来控制粗纱张力。,（一）采用CCD张力传感器自动补偿,粗纱机纺纱时，锭翼顶端至前罗拉间的纱条，因张力不稳定呈现不同程度的下垂，该纱段的粗纱张力就纺纱正常与否，可分为三种情况（如图）：,纺纱段粗纱挺直，并伴随剧烈抖动，即粗纱纺纱张力过大，同时粗纱加捻三角区长度波动，使粗纱伸长率波动较大。如图A位，也是粗纱的最高位置。纺纱段粗纱严重松弛下垂，张力小且极不稳定，甚至出现“麻花状”。由于加捻三角区增大，其中的纤维彼此间松散，联系力弱，不利于粗纱捻回传递到加捻三角区，也导致粗纱伸长率过大且不稳定，如图B位。纺纱段粗纱紧而不拉直、不出现振荡，从而能使加捻三角区获得捻回，这样就使粗纱纺纱段张力、粗纱伸长率比较稳定。如图C位，C位是比较理想的位置。,CCD张力传感器安装于前罗拉与假捻器之间，检测和控制粗纱机的粗纱张力。检测粗纱张力用的CCD传感器属于光电型的位置传感器，检测距离一般在25mm，检测精度为0.1mm。CCD传感器将检测到的粗纱位置和粗纱震动频率可通过模拟量输出或通过通讯方式（RS422/485）输出。计算机读到CCD检测到粗纱位置信号PV，再与设定的基准位置SV比较，差值P若超过允许的范围，则发出指令改变筒管电动机的速度，起到调节粗纱张力的作用。,式中：PV张力位移测量值；SV张力位移目标值。,P值通过张力传感器自动反馈给控制系统。当P0时，筒管转速nK自动减少，粗纱张力就变小；反之当P0时，nK增大，粗纱张力变大。,为了检测的准确性，一般每台车上安装23个CCD传感器，对其所检测到张力偏差值进行平均。采用CCD张力传感器自动补偿，张力调节精度极高，而且，计算机记忆着适应于各个品种纺纱条件的张力状态，当更换品种时，可自动选择最佳张力状态，不必重新手动设定，同时消除了各机台之间出现张力和卷绕长度不均匀现象。实验表明，张力传感器在粗纱张力调节中只能起局部小范围的微调作用。它在使用上具有一定的局限性，如果依据它来调节大范围的粗纱张力，效果不好。它主要用来调节由车间温湿度变化引起的张力变化和当锭翼转速大于1300r/min时粗纱张力的变化。,（二）手动补偿,粗纱卷绕过程中大纱、中纱、小纱的不同状态，粗纱张力有明显变化，但粗纱张力的变化是有规律的。一种是小纱张力大，中纱张力小，大纱张力大，此时的手动补偿值是小纱张力小，中纱张力大，大纱张力小，如图（a）；另外一种正好相反，如图（b）。,针对粗纱张力的波动规律，设计了手动补偿nf，它可以覆盖整个纺纱过程，保证整个纺纱过程恒张力或接近恒张力。手动补偿值nf的变化曲线可设计成若干段，实际进行张力补偿值计算时可采用插值算法。,（一）国内外粗纱全自动落纱的主要方式,五、粗纱自动落纱与自动运输（粗细联）,粗纱机自动落纱技术是提高自动化程度、生产效率和降低劳动强度，实现纺纱过程连续化的关键技术。自动落纱粗纱机是在悬锭粗纱机基础上，配备粗纱自动落纱装置，从落纱到生头，直至开车全自动进行，减轻了操作工的劳动强度，提高了生产效率。粗纱机采用的全自动落纱形式主要有内置式和外置式。相对来说，内置式结构紧凑、整机简洁美观大方，外置式由于升降平台位于机前，占地面积大，结构不够简化。粗纱机制造厂商生产的自动落纱粗纱机的自动落纱方式各不相同，代表产品有德国青泽公司670型全自动落纱粗纱机、意大利马佐里公司FT1-D型全自动落纱粗纱机、西班牙Electro-Jet公司的全自动落纱粗纱机、天津宏大1418A型全自动落纱粗纱机和江苏宏源的HY495型全自动落纱粗纱机。,德国青泽公司670型自动落纱粗纱机自动落纱装置为内置式，自动落纱方式为：当粗纱纺制到设定长度，锭翼定向定位后，粗纱机自动停车，下龙筋自动超降，粗纱被拉断分离。车内轨道自动对接，吊锭嘴及空筒管在拖链带动下，进入车内，使吊锭嘴与满纱筒管对中，此时拖链上吊锭嘴及空筒管相邻排列。下龙筋上升，使吊锭嘴取满纱管，然后，下龙筋下降到一定位置，拖链移动半个锭距距离，使空筒管对准筒管轴，下龙筋上升，将空筒管放置在筒管轴上，下龙筋下降至纺纱位置，拖链带着满筒运行至车后，轨道复位。粗纱机自动生头，进入新一轮纺纱。,德国青泽公司668型粗纱机,意大利马佐里公司FT1-D型自动落纱粗纱机自动落纱装置为外置式，自动落纱方式为：当粗纱纺制到设定长度后，粗纱机自动停车，下龙筋自动超降，拉断粗纱。然后，下龙筋向前移出到机前，升降平台带着空筒管和吊锭下降，吊锭嘴及空筒管相邻排列，并使吊锭嘴和满纱管对中，便于取满筒纱。取到满筒纱后，升降平台上升到一定位置，空筒管移动半个锭距距离后，使空筒管对准筒管轴，然后，升降平台二次下降，将空筒管放置在筒管轴上，升降平台上升到工作位置，下龙筋向后移至车内工作位置，龙筋上升到纺纱位置，粗纱机自动生头，进入新一轮纺纱。,天津宏大JWF1418A型自动落纱粗纱机自动落纱装置为外置式，自动落纱方式为：粗纱机纺制到设定长度后，粗纱机自动停车，下龙筋第一次自动超降并拉断粗纱，机械手从机前进入车内，抓住满筒纱，下龙筋作第二次自动超降使筒管齿轮脱离满筒纱。机械手带着满筒纱从车内退回至车前，即机械手将满筒纱取出。升降平台带着空筒管和吊锭嘴下降，吊锭嘴及空筒管相邻排列，并使吊锭嘴和机械手上满筒纱对正，便于取满筒纱。取到满筒纱后，升降平台上升到一定位置，使空筒管移动半个锭距距离后，使空筒管对准机械手，然后升降平台二次下降，将空筒管放置在机械手上，升降平台上升到工作位置，机械手带着空筒管从机前进入机内，下龙筋上升将空筒管放置在筒管齿轮上，机械手从机内退回到机前，下龙筋上升至纺纱位置，粗纱机自动生头，进入新一轮纺纱。JWF1418A型自动落纱粗纱机填补了上锭杆式粗纱机自动落纱的空白，推动了国内粗纱机的技术进步。,天津宏大JWF1418A型粗纱机,江苏宏源的HY495型粗纱机全自动落纱装置为内置式，自动落纱方式为：纺纱至满纱，锭翼定向定位自动停车。下龙筋超降，粗纱被拉断分离。车面与轨道首尾相贯通，落纱拖链从机后的后备轨道中进入机前轨道，使拖链上空吊锭与满纱筒管对准，停止运动。下龙筋上升，满纱被吊锭取走。下龙筋再次超降，拖链移动半个锭距距离，使空管对准下锭杆。下龙筋再次上升，空筒管放置在下锭杆上。下龙筋下降至始纺位置，拖链带着满纱返回到后备轨道中。车面轨道断开复位，自动生头，进入新一轮纺纱。,江苏宏源的HY495型粗纱机,内置式自动落纱装置的落纱拖链轨道布置如图,内置式自动落纱装置的车面断续轨道设于机器内部上龙筋锭翼与锭翼之间，正常纺纱运行下断续轨道与车面横向垂直，与普通粗纱机基本相同。当落纱时通过气缸推动，使车面断续轨道与车面横向平行并首尾相贯通，供落纱时落纱拖链在其中运行。车后轨道（如下图所示）既是满管储存轨道，又是粗细联空满管交换储存轨道，落纱拖链就储存在其中。,落纱拖链轨道布置,1-转向轨道2-断续轨道3-储存轨道4-链条转向控制机构,当需要落纱时，落纱拖链由车后轨道移至车面断续轨道