梳棉機(jī)自調(diào)勻整器探討與應(yīng)用

曲學(xué)忠

（青島宏大紡織機(jī)械有限責(zé)任公司，山東 青島266101）

目前清梳聯(lián)工藝流程日臻完善，因其用工少、產(chǎn)量高且占地面積少等優(yōu)勢已被棉紡廠廣泛認(rèn)同和使用，在清梳聯(lián)流程中淘汰了成卷過程，梳棉機(jī)自調(diào)勻整器從而承擔(dān)起了對生條重不勻的控制。因此，在清梳聯(lián)工藝研究的初期，梳棉機(jī)自調(diào)勻整控制裝置也得到重視并一同進(jìn)入有針對性的研發(fā)。

1 梳棉機(jī)自調(diào)勻整器的作用

采用清梳聯(lián)工藝流程后，原棉通過管道由棉箱直接喂入梳棉機(jī)，經(jīng)棉箱開松后喂入的延棉因縱橫向的波動，單位時(shí)間內(nèi)喂入梳棉機(jī)的喂棉量產(chǎn)生差異，直接導(dǎo)致生條重量不勻的差異。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)因受清梳聯(lián)供棉系統(tǒng)穩(wěn)定性和棉箱差異的影響，梳棉機(jī)在不加勻整裝置的情況下，生條的重量不勻率（CV%）一般在4%～8%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到97烏斯特公報(bào)CV%值2.5%以內(nèi)的要求，因此必須對延棉的喂給量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以控制生條重量不勻。

針對延棉波動導(dǎo)致條重不勻這一因素，對電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)施自動調(diào)節(jié)控制，通過改變牽伸的方式，將生條的重量不勻控制在理想的范圍內(nèi)，這一過程被稱為勻整過程，該控制裝置被稱為自調(diào)勻整裝置。

2 自調(diào)勻整器的控制形式

自調(diào)勻整器的控制形式是根據(jù)檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置來決定的，一般包括長片段控制、短片段控制和超短片段控制及開環(huán)、閉環(huán)、混合環(huán)控制等形式。

2.1 長片段控制

根據(jù)給棉羅拉與給棉板的初始隔距，事先設(shè)定給棉羅拉位移傳感器的初始值，以理想棉層厚度喂入時(shí)產(chǎn)生的位移值作為設(shè)定比較值，當(dāng)位移傳感器檢測到棉層在理想棉層厚度基礎(chǔ)上發(fā)生縱橫向波動時(shí)，通過改變后部給棉羅拉的轉(zhuǎn)速，以調(diào)整牽伸形式改變喂給量，實(shí)現(xiàn)棉條重量不勻的調(diào)整。它的特點(diǎn)是反應(yīng)快，缺點(diǎn)是滯后調(diào)整。因?yàn)樵谡{(diào)整前，已儲存在整個(gè)梳理區(qū)內(nèi)的棉量已無法改變。該區(qū)域存儲棉條的長度可用一個(gè)簡單的方法進(jìn)行測量：在延棉處撒上彩色的粉末做標(biāo)記，當(dāng)帶標(biāo)記點(diǎn)的棉層喂入給棉羅拉的瞬間，將輸出端的棉條扯斷作為計(jì)量長度的首端，直到帶彩色標(biāo)記的棉條在檢測點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，再扯斷將其作為計(jì)量長度的末端，測量首末段長度即為失調(diào)長度，該區(qū)域也是大家常說的調(diào)整死區(qū)，死區(qū)長度的計(jì)算與梳棉機(jī)結(jié)構(gòu)的不同和梳理區(qū)長度有很大影響。

長片段控制也被稱為開環(huán)控制，因?yàn)樵诿迼l，輸出點(diǎn)未設(shè)置條重結(jié)果驗(yàn)證檢測，不能進(jìn)行信息反饋，無法對喂入量進(jìn)行補(bǔ)充修正，是一種開放的控制形式，只能通過調(diào)整外部補(bǔ)償和給定值進(jìn)行調(diào)整，特別是外部擾動及梳理過程中因棉網(wǎng)脫落等因素造成的重量不勻無法有效監(jiān)控，因此可靠性、穩(wěn)定性較差。

2.2 短片段控制

短片段控制檢測點(diǎn)一般設(shè)在棉條輸出羅拉處，輸出羅拉直接由單獨(dú)電機(jī)傳動，當(dāng)棉條通過時(shí)，通過檢測點(diǎn)處的位移傳感器檢出的位移量與標(biāo)準(zhǔn)棉條設(shè)定值的偏差量來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，不斷調(diào)整輸出羅拉牽伸方式，實(shí)現(xiàn)棉條重不勻的調(diào)整。它的不足是中短片段條干CV%較差，目前很少被采用。

2.3 超短片段控制

超短片段控制是將檢測點(diǎn)進(jìn)一步后移至圈條器上的小壓輥處，一般在要求高產(chǎn)，且大壓輥輸出端是大定量條重并帶預(yù)牽伸的圈條器上使用，通過檢測條重的變化，改變?nèi)l器上電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變牽伸調(diào)速，該控制類同于并條機(jī)勻整控制，可被理解為超短片段控制方式。

2.4 閉環(huán)控制

為解決開環(huán)控制的不足，在棉條的輸出端（階梯羅拉處）增設(shè)位移傳感器，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)條重時(shí)的位移量為給定值，當(dāng)檢測到條重發(fā)生變化時(shí)，傳輸至控制單元，對喂給量進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整。但是該調(diào)整方式因其滯后性仍然不能解決死區(qū)內(nèi)棉條的條重。對檢出及控制的處理時(shí)間要設(shè)置得當(dāng)，否則將產(chǎn)生超調(diào)和震蕩波，勻整效果惡化，因此，在勻整控制過程中，前環(huán)檢測參與實(shí)時(shí)控制僅占20%左右。但通過合理的軟件編程設(shè)計(jì)，該方案對本機(jī)臺和機(jī)臺間的外不勻起到了非常有效的控制效果，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種控制形式。

2.5 混合環(huán)控制

自動化控制原理中的混合環(huán)控制，一般是由電壓、電流、速度及溫度等多變量反饋、參與調(diào)整，以滿足輸出穩(wěn)定的控制過程。而在勻整控制系統(tǒng)中，混合環(huán)控制是在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，將棉箱單元納入此控制環(huán)節(jié)，進(jìn)一步改善棉箱輸出延棉的穩(wěn)定性和連續(xù)性。如通過棉箱內(nèi)設(shè)置壓力傳感器，檢測棉箱儲棉量的動態(tài)變化，或通過梳棉機(jī)給棉羅拉的轉(zhuǎn)速及棉層的變化，實(shí)時(shí)控制棉箱給棉羅拉的轉(zhuǎn)速，保持原棉連續(xù)喂給，達(dá)到棉箱穩(wěn)定輸出延棉的目的。

該方案成本增加較大且參數(shù)調(diào)整環(huán)節(jié)多，改善效果不明顯。實(shí)際上棉箱如同儲水池，保持一定的棉花儲有量和壓力即可，實(shí)踐證明勻整器對棉箱給棉羅拉的控制改善效果不明顯。

3 自調(diào)勻整裝置的基本控制原理及組成

梳棉機(jī)自調(diào)勻整控制裝置的任務(wù)是按工藝要求給梳棉機(jī)喂入恒定的纖維量，以保證棉條均勻。為了改善棉條的均勻度，勻整系統(tǒng)根據(jù)棉層厚度的變化，控制給棉羅拉轉(zhuǎn)速，不斷改變給棉羅拉與道夫的牽伸值。速度牽伸的改變，帶動單位長度棉層重量與棉條重量之比的改變，從而實(shí)現(xiàn)棉條重量不勻的調(diào)整。

勻整裝置由控制單元（中央處理器）、外部檢測單元（傳感器、接近開關(guān)）、驅(qū)動裝置（調(diào)速器）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動機(jī)）等組成。

3.1 檢測單元及功能

檢測信號的準(zhǔn)確拾取對條重控制結(jié)果的影響至關(guān)重要，是控制調(diào)整的重要依據(jù)。

3.1.1 棉層波動的檢測

根據(jù)棉層喂給方式確定檢測方式。

（1）逆向給棉方式：給棉板固定，給棉羅拉在給棉板的上方，給棉羅拉通過加壓可上下移動。當(dāng)棉層通過給棉板和給棉羅拉之間發(fā)生縱向（上下）波動時(shí)，給棉羅拉上下移動，設(shè)置在給棉羅拉兩端（左右）的兩只位移傳感器分別將位移信號轉(zhuǎn)換為電信號，傳送至控制單元進(jìn)行分析處理，控制給棉電機(jī)速度。棉層橫向的波動（左右兩端棉層厚度的差異），則通過左右兩只傳感器的檢測值取平均的方式進(jìn)行處理。

（2）順向給棉方式：給棉羅拉固定，給棉板在給棉羅拉的上方，給棉板通過加壓后可根據(jù)棉層波動產(chǎn)生位移，通過設(shè)置在給棉板處位移傳感器檢測到的位移變化，控制給棉電機(jī)速度。為了準(zhǔn)確地檢測棉層的波動，早期特呂茨勒公司生產(chǎn)的梳棉機(jī)的給棉板采用琴鍵式分段（8段）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對棉層橫向斷面分8段進(jìn)行檢測，位移變化取平均值后送至控制單元進(jìn)行調(diào)整，類似于目前成卷機(jī)后部的重錘檢測原理。該給棉板因加工制造復(fù)雜，維護(hù)調(diào)整不便，隨著棉箱延棉輸出的改善，該結(jié)構(gòu)已不再被采用。

后部位移傳感器還可設(shè)置棉層厚度極限喂給量位移值的閾值，起到檢測異物作用，當(dāng)檢測值超過閾值時(shí)可及時(shí)停止喂給，避免設(shè)備擠壞。

在棉層波動的檢測過程中，位移傳感器只是起到棉層經(jīng)過給棉羅拉及給棉板時(shí)位移變化量的信號檢出作用，變化量的準(zhǔn)確性完全取決于整個(gè)后部的喂給部件，因此給棉羅拉、給棉板不僅僅是完成機(jī)械結(jié)構(gòu)中對棉層的壓緊、握持、轉(zhuǎn)移功能，同時(shí)也是勻整器檢測部件的重要組成部分，必須兼顧勻整器檢測部件的功能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度及安裝能夠達(dá)到棉層變化信號的準(zhǔn)確檢出的要求。

隨著梳棉機(jī)產(chǎn)量的提高，為保證給棉羅拉的有效握持喂給，國內(nèi)有些機(jī)型的梳棉機(jī)的給棉羅拉包覆了鋸齒型針布，由于針布高低針的影響，對設(shè)定給棉羅拉和給棉板的初始隔距在橫向勢必產(chǎn)生差異，即便是保證了針高的一致性和羅拉的表面直線度，但初始隔距對應(yīng)電器的初始值已發(fā)生了變化，電氣的初始值變?yōu)獒樃咧导咏o棉羅拉和給棉板的初始隔距，光羅拉可對延棉在300～730 g／m2的波動范圍內(nèi)進(jìn)行有效勻整。羅拉包針布后，在針高加初始隔距的棉層厚度內(nèi)，棉層的變化無法通過位移檢測進(jìn)行勻整，而針布高度一般在1mm左右，按初始隔距設(shè)定0.127mm計(jì)算，延棉至少大于800g／m2時(shí)，后部才能檢出棉層的波動變化。這樣勢必要加大延棉的厚度才能滿足產(chǎn)生位移的需要，但對延棉生頭喂入又造成困難，還容易拱起。因此國外設(shè)備一般不簡單地采用包針布方式，而是對光羅拉的表面進(jìn)行滾花或加工成寶塔形齒狀，可以解決握持和有效檢測棉層變化，達(dá)到勻整的檢測要求。

目前國產(chǎn)梳棉機(jī)順向給棉的信號檢出效果與逆向相比穩(wěn)定性可靠性卻差異較大，機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較以前復(fù)雜，器件加工難度加大。

3.1.2 大壓輥輸出羅拉處條重檢測

棉條輸出羅拉處設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)條重通過時(shí)位移傳感位移檢測值為設(shè)定值，當(dāng)通過階梯羅拉的棉條條重發(fā)生變化時(shí)，位移傳感器將位移變化量轉(zhuǎn)換為電信號傳送至控制單元，實(shí)現(xiàn)給棉電機(jī)的速度調(diào)整。該檢測傳感器的設(shè)置可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)條重?cái)?shù)值的取樣采集、CV%值變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控及動態(tài)圖形的描繪，信息交流更加直觀，同時(shí)還可設(shè)定不同的閾值，起到堵管停車的檢測保護(hù)作用。

大定量帶預(yù)牽伸圈條器的檢測則設(shè)置在小壓輥處，原理同上。

3.1.3 測速接近開關(guān)

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度反饋及速度比例跟蹤而設(shè)置。

（1）給棉電機(jī)測速接近開關(guān)：以脈沖輸出方式檢測當(dāng)前電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)給棉電機(jī)的速度反饋，并計(jì)算當(dāng)前電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速值。與道夫測速接近開關(guān)的脈沖數(shù)，通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)給棉與道夫初始牽伸的設(shè)定，并可通過電機(jī)與給棉羅拉的傳動比計(jì)算當(dāng)前實(shí)際給棉轉(zhuǎn)速。

（2）道夫測速接近開關(guān)：根據(jù)初始安裝位置計(jì)算脈沖數(shù)與前述給棉電機(jī)脈沖數(shù)，計(jì)算道夫給棉間的初始牽伸比。在道夫?qū)嶋H運(yùn)轉(zhuǎn)和升降速過程中，對給棉電機(jī)進(jìn)行比例跟蹤，并可根據(jù)測速點(diǎn)到出條羅拉的傳動比計(jì)算當(dāng)前出條速度值。合適的安裝位置可對設(shè)備起到安全保護(hù)作用，當(dāng)檢測到道夫意外停轉(zhuǎn)時(shí)（如斷皮帶），可及時(shí)停止給棉電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免過量棉花喂入導(dǎo)致擠車。

3.2 驅(qū)動裝置

由終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定，若選用伺服電機(jī)需配置伺服驅(qū)動器，變頻電機(jī)選用變頻器控制即可。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要指電動機(jī)。電動機(jī)的選擇與梳棉機(jī)配置要求相關(guān)，高產(chǎn)梳棉機(jī)一般選用伺服電機(jī)驅(qū)動，其具有低速輸出力矩大、硬度好，調(diào)速范圍寬、傳動結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。目前采用變頻器控制變頻電機(jī)的調(diào)速形式較多，大多能夠滿足一般控制調(diào)速要求。

通過上述介紹，自調(diào)勻整器其外圍單元結(jié)構(gòu)已經(jīng)比較簡單明了，在此基礎(chǔ)上根據(jù)工藝要求建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過軟件的編程設(shè)計(jì)，可達(dá)到一般的調(diào)速控制要求。梳棉機(jī)所紡原料的對象有棉、粘膠、化纖及特種纖維等，它們受擠壓的變異特性各有不同，而梳棉機(jī)的喂給結(jié)構(gòu)和信號檢出方式的影響也決定了它最終的使用效果，這就是為什么為了解決棉條重量不勻這一結(jié)果，人們會探討和采取多種不同的控制形式和推出多種型號的勻整控制裝置之所在。

4 自調(diào)勻整器應(yīng)用實(shí)例簡介

青島宏大紡織機(jī)械有限責(zé)任公司梳棉機(jī)配置的自調(diào)勻整器，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從FT021到FT029系列自調(diào)勻整器的研發(fā)，F(xiàn)T024以前系列勻整器，作為獨(dú)立控制單元與梳棉機(jī)配套，F(xiàn)T025以后系列勻整器通過總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與梳棉機(jī)主機(jī)電氣系統(tǒng)的通訊，而新型FT028型自調(diào)勻整器則與梳棉機(jī)主機(jī)電器控制實(shí)現(xiàn)了集成化設(shè)計(jì)，成為整機(jī)電器控制的組成之一，進(jìn)一步降低了成本，簡化了配置。

現(xiàn)以FT025型勻整器為例做一簡介。

4.1 采用混合環(huán)控制，給棉羅拉兩端加位移傳感器檢測棉層厚度的變化，前端大壓輥處位移傳感器檢測條重變化，道夫、給棉傳動位置加測速傳感器，實(shí)時(shí)跟蹤和檢測給棉、道夫電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)生條的勻整控制。

4.2 采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)與梳棉機(jī)主機(jī)PLC和顯示屏的通訊，可通過梳棉機(jī)顯示屏對其進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定、信息交換及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和圖表、圖形的顯示，也可通過勻整器自身顯視屏按鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，作為獨(dú)立單元使用，更為靈活方便。

4.3 采用雙CPU計(jì)算機(jī)運(yùn)算系統(tǒng)，一片負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)的信息處理，一片進(jìn)行檢測信號的實(shí)時(shí)運(yùn)算控制處理，響應(yīng)速度快，滿足了高產(chǎn)梳棉機(jī)棉層快速喂給時(shí)棉層波動的檢測處理和控制。

4.4 根據(jù)所紡原料的纖維被擠壓特性不同所產(chǎn)生的位移差異，如：純棉、純滌、粘膠纖維等預(yù)設(shè)增益補(bǔ)償值（Gain）。首先設(shè)置勻整器為比例跟蹤狀態(tài)，通過調(diào)整牽伸設(shè)定，取生條定量稱重，當(dāng)達(dá)到或接近標(biāo)準(zhǔn)定量值時(shí)，將此時(shí)出條傳感器位移量所轉(zhuǎn)換的電壓值設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)條重值；轉(zhuǎn)換勻整器狀態(tài)由比例跟蹤狀態(tài)轉(zhuǎn)為勻整狀態(tài)，后部位移信號參與控制，勻整器根據(jù)棉層波動進(jìn)行牽伸調(diào)整，再取樣稱重比較，如偏離標(biāo)準(zhǔn)定量，則進(jìn)行相應(yīng)的加減定量補(bǔ)償微調(diào)，直至達(dá)到要求。

4.5 實(shí)時(shí)顯示棉層的狀態(tài)和變化趨勢。在棉層的勻整范圍內(nèi)，若在棉層勻整厚度下限運(yùn)行，勻整器進(jìn)行加速調(diào)整；若在上限運(yùn)行則減速調(diào)整；若出現(xiàn)加速調(diào)整時(shí)生條偏重，減速調(diào)整時(shí)棉條偏輕，說明增益補(bǔ)償超調(diào)，要對增益Gain值進(jìn)行修訂，直至滿足要求。

4.6 設(shè)置大壓輥生條出口處檢測傳感器，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，方便生條標(biāo)準(zhǔn)定量的設(shè)置，并根據(jù)生條定量的變化值計(jì)算顯示生條的CV%值及變化趨勢圖；經(jīng)過內(nèi)部存儲器定時(shí)采集數(shù)據(jù)，分組取樣對比分析，若出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)條重的趨勢，通過計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償修正；該閉環(huán)控制系統(tǒng)很好地解決了給定值偏移產(chǎn)生的條重偏移，有效地控制了本機(jī)臺及機(jī)臺間的生條重量外不勻。

5 結(jié)束語

自調(diào)勻整控制裝置對梳棉機(jī)生條重不勻指標(biāo)的改善和提高起到了很好的控制作用，但延棉波動是造成生條重不勻的首要原因，因此改進(jìn)和完善棉箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善棉箱延棉的穩(wěn)定輸出，對生條重不勻指標(biāo)的提高起到事半功倍的作用。自調(diào)勻整器作為梳棉機(jī)這一特定條件下應(yīng)用的電器裝置，對機(jī)械檢測部件的結(jié)構(gòu)及精度都密切相關(guān)。所以自調(diào)勻整裝置在梳棉機(jī)上若能夠發(fā)揮很好的勻整作用，也就是該裝置機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的最完美體現(xiàn)。