國產(chǎn)自動絡(luò)筒機(jī)的研發(fā)與性能測試

郭俊勤

（江蘇凱宮機(jī)械股份有限公司，江蘇昆山 215316）

眾所周知，自動絡(luò)筒是紡織設(shè)備中關(guān)鍵而復(fù)雜的設(shè)備之一，集合電器控制和精密機(jī)械控制于一身。要合理地控制每個動作，高效高質(zhì)，有很多值得研究的課題和方向。隨著紡織裝備及工藝技術(shù)的發(fā)展，后道工序?qū)ν布喌囊蟛粩嗵岣?，傳統(tǒng)絡(luò)筒機(jī)已不適應(yīng)后道工序的高速、高效、高質(zhì)量要求，甚至早期自動絡(luò)筒機(jī)由于技術(shù)局限，也開始完全不適應(yīng)后道工序的要求；如防疊能力差、接頭質(zhì)量差、紗線毛羽增加太多等導(dǎo)致整經(jīng)斷頭多；定長精度不高導(dǎo)致整經(jīng)筒差較大，造成浪費(fèi)或重復(fù)工作；對電網(wǎng)環(huán)境要求高導(dǎo)致投資增加或技術(shù)落后增加耗電等。

為解決這一問題，各自動絡(luò)筒機(jī)生產(chǎn)商采用了不同的技術(shù)、工藝做了卓有成效的工作，使自動絡(luò)筒機(jī)達(dá)到了前所未有的技術(shù)高峰。江蘇凱宮機(jī)械股份有限公司以市場為導(dǎo)向，以高起點(diǎn)、高要求作為研發(fā)思路和理念，研發(fā)出KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)。攻克了國產(chǎn)自動絡(luò)筒機(jī)研發(fā)中的眾多技術(shù)難題，如用矢量驅(qū)動方法和DSP技術(shù)完成了多個步進(jìn)電機(jī)的集成驅(qū)動控制；應(yīng)用零電壓零電流軟開關(guān)的直流開關(guān)電源技術(shù)，消除了20KHz以下諧波；優(yōu)化完善整機(jī)控制程序和工藝參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)新版升級的及時性；完成了單錠裝配工裝和異形零件檢測模具設(shè)計(jì)；采用陶瓷應(yīng)變精密電橋技術(shù)研發(fā)出高靈敏度、高頻微力張力傳感器；設(shè)計(jì)了高速直流無刷電機(jī)、驅(qū)動器及控制程序，高等級直流無刷電機(jī)已替代進(jìn)口；開發(fā)了單錠控制測試專用軟件；研發(fā)了張力控制器與張力傳感器配合的張力閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1 國產(chǎn)自動絡(luò)筒機(jī)的主要性能特點(diǎn)

（1）槽筒采用直流無刷電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)，使槽筒運(yùn)轉(zhuǎn)更加可靠、效率更高，最高卷繞速度可達(dá)2200m/min；優(yōu)化紗路使其折角較小，接觸點(diǎn)少，卷繞速度提高，紗線質(zhì)量得到保證，減少毛羽量增加。

（2）采用張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對紗線張力的在線連續(xù)檢測和控制。筒子密度均勻，成形效果好。

（3）采用間斷式變速防疊控制技術(shù)，通過電腦程序控制電動機(jī)按特定曲線變速，使筒子具有良好的退繞性能，同時，只在需要時啟動防疊動作，減少了能源的消耗和對紗線的損傷。

（4）接頭循環(huán)采用電腦邏輯加時序控制代替機(jī)械控制，結(jié)構(gòu)更簡單，接頭循環(huán)更可靠、快捷，回絲少，效率高。

（5）動作完成質(zhì)量由傳感器探測，使動作重復(fù)度減少，且可靠性得到提高。

（6）采用變頻技術(shù)進(jìn)行整機(jī)負(fù)壓調(diào)節(jié)，可最大限度的節(jié)約能源，為用戶帶來效益。

（7）操作維修簡單，觸摸式的人機(jī)界面可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析及警報信息的實(shí)時觀察，操作方便。

2 設(shè)計(jì)理念和技術(shù)創(chuàng)新

新一代自動絡(luò)筒機(jī)的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在：充分滿足絡(luò)筒工藝的需要，能夠生產(chǎn)出成形更好的筒子；能夠全程監(jiān)控紗線質(zhì)量、保證去除所有有害疵點(diǎn)、降低毛羽和棉結(jié)的增量、降低條干的惡化；在以上兩點(diǎn)得到保證的前提下，提高生產(chǎn)速度、提高效率。新一代自動絡(luò)筒機(jī)卷繞速度都可以達(dá)到2200米/分以上。KGFA688自動絡(luò)筒機(jī)為了滿足紡織廠的需求，在設(shè)計(jì)上采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念；在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，運(yùn)用Solidworks、Matlab、UG等先進(jìn)的軟件對機(jī)械運(yùn)動、零件受力等進(jìn)行分析、模擬；電氣控制方面接合上位機(jī)技術(shù)、通信電子技術(shù)等設(shè)計(jì)理念，滿足了高速、高效、智能化的要求。

2.1 電子智能防疊

新型自動絡(luò)筒機(jī)采用新型電子防疊機(jī)構(gòu)，利用傳感器實(shí)時控制信息，確定易發(fā)生重疊的區(qū)域，當(dāng)筒紗卷繞處于重疊區(qū)時，通過電氣控制槽筒電機(jī)的加、減速過程，保證筒子獲得防止重疊所必需的滑移，達(dá)到防疊目的，從而保證筒子具有良好的退繞性能，只在需要時防疊，可避免對筒紗表面的損傷，減少能源的浪費(fèi)。

2.2 張力閉環(huán)控制

卷繞張力是管紗退繞時，紗線與紗管、張力盤的摩擦力形成的。其中，紗線與紗管間的摩擦力是不可控的，并隨著管紗退繞點(diǎn)位置而變化；張力盤與紗線的摩擦力是可控的。早期自動絡(luò)筒機(jī)張力盤對紗線壓力為恒力，因此卷繞張力會隨著退繞的進(jìn)行發(fā)生周期性的改變。這一周期性的改變會影響筒子的成型質(zhì)量。隨著控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代自動絡(luò)筒機(jī)為使筒子得到良好的成形，在卷繞過程中對張力盤壓力進(jìn)行了控制，使筒紗卷繞整個過程卷繞張力保持一致。KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)開發(fā)了張力傳感器，傳感器監(jiān)測張力變化，控制系統(tǒng)以此對張力盤加壓電磁鐵電壓進(jìn)行控制，在筒子形成的過程中卷繞張力始終在一個很小的范圍內(nèi)波動，使筒子成形質(zhì)量大幅提高。為使用戶對張力值進(jìn)行有效的設(shè)定，還在上位機(jī)加入了張力監(jiān)控功能，使用戶能夠清楚地看到張力的實(shí)際變化過程，以便對設(shè)定張力進(jìn)行調(diào)整，使筒子達(dá)到更好的效果。

張力裝置采用電磁加壓、張力閉環(huán)控制方式，張力值可由上位機(jī)設(shè)定。在紗路上安裝張力傳感器，實(shí)時檢測紗線張力波動，由控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，通過對電磁力的調(diào)整，得到均勻一致的卷繞張力，保證筒紗卷繞時密度的一致性，保證筒子成形良好，使后道織造工序退繞速度和效率大大提高。

為適應(yīng)不同的用戶，還加入了張力非閉環(huán)控制、變速張力控制等功能，供用戶選擇。

圖1 KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)張力控制機(jī)構(gòu)

2.3 完備的統(tǒng)計(jì)分析

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成對操作參數(shù)的設(shè)置，實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)和報警信息的統(tǒng)計(jì)和所有外圍裝置的控制，可以滿足數(shù)據(jù)的儲存、查詢及分析，方便快捷。

2.4 優(yōu)越的節(jié)能設(shè)計(jì)

自動絡(luò)筒機(jī)的耗能主要有兩部分，一是負(fù)壓吸風(fēng)系統(tǒng)，二是槽筒驅(qū)動。在KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)上，槽筒驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行效率提供高，降低了耗能。負(fù)壓吸風(fēng)系統(tǒng)采用設(shè)置定負(fù)壓或定頻率兩種方式，定頻率是自動絡(luò)筒機(jī)大多采用的方式，特點(diǎn)是可靠性高、技術(shù)上比較容易做到；定負(fù)壓式需要變頻控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的跟隨能力，對工藝方式要求也較高，既要滿足吸頭的要求，又不能產(chǎn)生振動。定負(fù)壓式的節(jié)能原因是在滿足同樣吸頭成功率的前提下，設(shè)備運(yùn)行在一個比較低速的狀態(tài)下，只有接頭單錠太多導(dǎo)致負(fù)壓下降到不能滿足吸頭時，負(fù)壓傳感器將壓力過低信息傳到控制系統(tǒng)進(jìn)行增速調(diào)節(jié)，反之降速。KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)的風(fēng)機(jī)變頻器是專門開發(fā)的，具有反應(yīng)速度快、負(fù)壓波動小的特點(diǎn)，節(jié)能效果明顯。

2.5 高效的接頭循環(huán)

自動絡(luò)筒機(jī)的最大優(yōu)勢在于自動接頭，使自動絡(luò)筒在產(chǎn)量、質(zhì)量、降低勞動強(qiáng)度等方面均有優(yōu)勢。利用數(shù)字化控制技術(shù)和傳感器的發(fā)展，使接頭循環(huán)得到優(yōu)化，消除不必要的重復(fù)動作。KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)接頭各動作有單獨(dú)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，動作相對獨(dú)立，通過傳感器判斷動作的成功狀態(tài)，確定下一個動作的啟動與否。優(yōu)化動作之間的連接關(guān)系，判斷動作的成功與否。因此，接頭循環(huán)智能化程度高，縮短接頭時間，另外，還需要各動作之間的協(xié)調(diào)以及動作的可靠。KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、專用光電傳感器，選用了性能及可靠性都很高的步進(jìn)電機(jī)，接頭成功率大幅度提高，減少了接頭時間，提高了生產(chǎn)效率，接頭動作迅捷靈活，用時短、可靠性高。

智能化接頭循環(huán)時間是浮動的，具體時間與各動作成功時間相關(guān)。一次接頭成功時間可控制在7秒之內(nèi)，二次、三次接頭時智能循環(huán)可以節(jié)約的時間與傳統(tǒng)自動絡(luò)筒機(jī)相比優(yōu)勢會更加明顯。傳統(tǒng)的自動絡(luò)筒機(jī)每次接頭循環(huán)失敗，就會從頭開始整個循環(huán)過程，這樣多一次循環(huán)就會增加整個循環(huán)時間的一倍。傳統(tǒng)自動絡(luò)筒機(jī)1次循環(huán)時間為8秒多，即每失敗一次就會增加1個8秒多。KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)智能循環(huán)，各動作傳感器會判斷循環(huán)中的某一個動作的成功與否，如果某個失敗只需重復(fù)失敗的單個動作，增加的時間也就只有前面失敗的那個動作的時間。這就降低了接頭循環(huán)時間，提高了運(yùn)行效率，同時還降低了回絲率。

2.6 直流無刷電機(jī)的運(yùn)用

槽筒驅(qū)動用直流無刷電機(jī)應(yīng)具有滿足工藝要求的運(yùn)行平穩(wěn)性，滿足防疊及制動超載能力，使槽筒運(yùn)行滿足啟動加速、防疊高頻擺動、快速制動的要求；轉(zhuǎn)速可達(dá)7500轉(zhuǎn)/分，運(yùn)行精度達(dá)到0.5‰，即在7500轉(zhuǎn)/分運(yùn)行時轉(zhuǎn)速誤差在±3轉(zhuǎn)/分以內(nèi)，使槽筒運(yùn)行在可控范圍內(nèi)，使定長精度提高，可以達(dá)到0.3%以內(nèi)。

2.7 專用310V直流電源的使用

專用310V直流電源為高性能、高效率、高可靠性的控制系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。先進(jìn)的電子元器件為高技術(shù)的控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了可能性。高性能電子元器件對環(huán)境的要求很高，用戶的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境卻經(jīng)常是電網(wǎng)波動非常大，有些地區(qū)甚至達(dá)到20%的波動。惡劣環(huán)境對控制系統(tǒng)的性能和可靠性影響巨大，為解決控制系統(tǒng)可能面臨的威脅，提高KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)對用戶環(huán)境的適應(yīng)性，新型自動絡(luò)筒機(jī)開發(fā)了310V大功率直流電源。此電源可以承受20%的電網(wǎng)波動，并且在電網(wǎng)波動時輸出電壓波動可控制在1%以內(nèi)。這就為現(xiàn)代電子控制技術(shù)提供非常平穩(wěn)的用電環(huán)境，使機(jī)器性能可以按照用戶和開發(fā)人員的意圖完成各動作，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。實(shí)際上KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)各項(xiàng)性能的提高和穩(wěn)定與此電源的使用有密切關(guān)系，是控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。

2.8 現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用

由于現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，使自動絡(luò)筒機(jī)的各項(xiàng)控制功能都大幅提高，帶來信息量的大幅增加。為使控制系統(tǒng)能更好的工作和生產(chǎn)過程能被更及時的監(jiān)控和調(diào)整，采用CAN總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同機(jī)器之間的互聯(lián)互通和信息傳遞，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，節(jié)約用工，便于管理。

2.9 自主研發(fā)的捻接器

為打破國外壟斷捻接器的市場局面，KG-FA688型自動絡(luò)筒機(jī)自主研發(fā)了新型捻接器，在紡紗效果上，已經(jīng)基本可以替代進(jìn)口產(chǎn)品。

圖2 國產(chǎn)新型捻接器

3 紡紗性能測試情況

紡紗性能試驗(yàn)分別對接頭強(qiáng)力、接頭成功率、張力、毛羽、定長CV%值、筒子成形等項(xiàng)目進(jìn)行了測試。

3.1 高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能

高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能檢驗(yàn)單錠的槽筒運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、紗路角度的合理性及退繞張力一致性等，針對高速運(yùn)轉(zhuǎn)下影響較大的毛羽進(jìn)行了高速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。從1200到2200m/min的高速變化，整機(jī)的毛羽基本沒有改變，指標(biāo)處于Uster公報同級水平。

3.2 定長一致性

定長的一致性直接影響筒子重量，定長CV%值是用戶生產(chǎn)管理和工藝設(shè)定的依據(jù)之一，經(jīng)測試新機(jī)定長CV%值可達(dá)到1%以內(nèi)。

3.3 接頭質(zhì)量

自動絡(luò)筒機(jī)正常運(yùn)行的重要條件就是保證接頭質(zhì)量。衡量接頭質(zhì)量的兩大因素主要包括接頭成功率和接頭強(qiáng)力。兩臺車兩個品種的測試結(jié)果，三次成結(jié)率均達(dá)到97%以上，接頭強(qiáng)力測試結(jié)果均達(dá)到指標(biāo)要求。

3.4 筒子質(zhì)量

筒子質(zhì)量包括成形、硬度兩個主要指標(biāo)，筒子成形主要通過壞筒率，經(jīng)兩臺車3班筒子測試，壞筒率均≤1%。

3.5 成紗質(zhì)量

實(shí)紡CJ80S棉紗，絡(luò)筒前后管紗與筒紗指標(biāo)對比，詳見表1、表2所示。

表1 CJ80S管紗與筒紗質(zhì)量對比（注：絡(luò)筒紡紗速度2000m/min）

表2 CJ80S紗不同絡(luò)紗速度的管紗與筒紗3mm毛羽對比

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：絡(luò)紗后紗線的質(zhì)量指標(biāo)有所下降，但并不明顯，與國外自動絡(luò)筒機(jī)的成紗指標(biāo)比較接近。1300 m/min、1500 m/min和1900 m/min三種車速情況下，3mm毛羽增長率差異不大。

4 結(jié)束語

國產(chǎn)自動絡(luò)筒機(jī)經(jīng)過不斷地創(chuàng)新進(jìn)取，把先進(jìn)的研發(fā)、設(shè)計(jì)理念融入設(shè)備開發(fā)上，形成了多項(xiàng)核心技術(shù)，積累了大量的技術(shù)數(shù)據(jù)和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提升了國產(chǎn)設(shè)備整體技術(shù)水平和開發(fā)能力，可為紡織行業(yè)持續(xù)發(fā)展提供良好的裝備。在新型自動絡(luò)筒機(jī)發(fā)展到了一個新階段的情況下，通過槽筒防疊、張力閉環(huán)、上位機(jī)參數(shù)設(shè)定、負(fù)壓閉環(huán)控制、高效接頭工藝、精確定長等先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用，國產(chǎn)自動絡(luò)筒機(jī)可較好地實(shí)現(xiàn)智能化、人性化、高效率、高質(zhì)量設(shè)備的特點(diǎn)和要求。經(jīng)紡紗性能測試，以KGFA688型自動絡(luò)筒機(jī)為代表的國產(chǎn)機(jī)型性能穩(wěn)定，可在一定工藝條件下取代國外設(shè)備。

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