三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司 李增潤(rùn) 管幼平 程芝芳 韋金平/文

1 三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)控制系統(tǒng)的搭建

圖1是三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)每錠對(duì)應(yīng)的牽伸區(qū)示意圖，每一錠位有三根同軸但獨(dú)立傳動(dòng)的后羅拉，加上中羅拉和前羅拉，一共五根羅拉，五者之間是互不關(guān)聯(lián)的傳動(dòng)，以擴(kuò)大設(shè)備的適紡范圍。從結(jié)構(gòu)示意圖上可以看到，三根粗紗共用一個(gè)前區(qū)牽伸倍數(shù)，通過(guò)改變后羅拉的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)單根粗紗的后區(qū)牽伸倍數(shù)，實(shí)際上是控制單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入牽伸區(qū)的粗紗量，可以改變細(xì)紗成份配比。這樣的結(jié)構(gòu)，可以保證三根粗紗按需求量經(jīng)過(guò)牽伸后在加捻區(qū)耦合成細(xì)紗。

和普通的電子升降和電子牽伸細(xì)紗機(jī)一樣，三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)采用獨(dú)立的可編程邏輯控制器(PLC)控制主軸電機(jī)按預(yù)設(shè)的錠子速度曲線運(yùn)行。也需要根據(jù)細(xì)紗號(hào)數(shù)、管紗高度、鋼領(lǐng)板升降短動(dòng)程、卷繞圈距等相關(guān)參數(shù)信息對(duì)鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板的升降運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，以便完成管紗成形。不同的是，牽伸區(qū)因?yàn)楹罅_拉是三根同軸且分別獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的后羅拉組合，需要一個(gè)單獨(dú)的可編程邏輯控制器，根據(jù)人機(jī)交互界面系統(tǒng)中設(shè)定的紡紗信息，控制各羅拉伺服驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制各羅拉電機(jī)，最終完成粗紗纖維的牽伸[1]。

圖2是根據(jù)機(jī)器紡紗功能的需要而搭建的主要控制系統(tǒng)原理圖。加捻主傳動(dòng)系統(tǒng)和細(xì)紗卷繞成形系統(tǒng)一般分開(kāi)各由單獨(dú)的PLC控制，控制參數(shù)需要根據(jù)細(xì)紗工藝由人工預(yù)先設(shè)定并存儲(chǔ)在人機(jī)交互界面中，設(shè)備運(yùn)行時(shí)按需自動(dòng)讀取并執(zhí)行。

設(shè)備控制的重點(diǎn)在于牽伸區(qū)。電子牽伸式細(xì)紗機(jī)，加捻主傳動(dòng)部件和牽伸部件之間，已經(jīng)沒(méi)有機(jī)械關(guān)聯(lián)，紡紗參數(shù)的執(zhí)行，靠電氣元件執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作來(lái)完成，而且三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)是一款主要紡制耦合細(xì)紗的設(shè)備，對(duì)羅拉的運(yùn)動(dòng)要求較高。

圖1 單錠對(duì)應(yīng)牽伸區(qū)示意圖

圖2 三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

2 加捻主傳動(dòng)、管紗成形傳動(dòng)和牽伸傳動(dòng)的數(shù)字化控制計(jì)算

一管細(xì)紗的紡制過(guò)程，一般被分為小紗、中紗和大紗三個(gè)階段，因?yàn)闅馊Ω叨群椭睆皆诓煌A段里狀態(tài)不一樣，為了減小各個(gè)階段（包括落紗過(guò)程）的細(xì)紗斷頭數(shù)量和提高細(xì)紗產(chǎn)量，加捻主傳動(dòng)已經(jīng)摒棄了過(guò)去靠接觸器和雙速電機(jī)結(jié)合的只有高低雙速的模式，而是靠三相異步電動(dòng)機(jī)配置變頻器，在PLC的控制下運(yùn)動(dòng)，為了更好的適應(yīng)紡紗過(guò)程，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)錠速進(jìn)行分段控制。

在國(guó)產(chǎn)經(jīng)緯紡機(jī)系列細(xì)紗機(jī)上，錠速曲線優(yōu)化為9段線，圖3是某種細(xì)紗的錠速曲線示意圖，橫軸代表一落紗的總長(zhǎng)百分比，縱軸代表主軸電機(jī)變頻器的頻率變化百分比。圖4所示的是錠子的傳動(dòng)形式，電機(jī)根據(jù)錠速曲線變速運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)平皮帶帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)滾盤(pán)帶動(dòng)錠帶、錠帶帶動(dòng)錠盤(pán)傳動(dòng)，錠速曲線的執(zhí)行，由PLC1根據(jù)“人機(jī)交互界面”里存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)執(zhí)行。

根據(jù)錠子的傳動(dòng)路線圖，可以求得錠子的理論轉(zhuǎn)速為：

圖3 錠速曲線圖

公式1中，x為變頻器實(shí)時(shí)頻率，50為交流電頻率，n1為主軸電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，d2為電機(jī)帶輪直徑，σ3為平皮帶厚度，d4為主軸帶輪直徑，d6為滾盤(pán)直徑，d7為錠盤(pán)直徑，σ8為錠帶厚度，η1為電機(jī)帶輪與主軸帶輪之間的傳動(dòng)效率，η2為滾盤(pán)與錠盤(pán)之間的傳動(dòng)效率。

實(shí)際上，因?yàn)槭瞧狡鲃?dòng)，必然存在著打滑現(xiàn)象，而且電機(jī)變速時(shí)，由于慣性原因打滑尤為明顯，這會(huì)造成η1和η2不是一個(gè)可以精確測(cè)得的定值，計(jì)算出的理論錠速和實(shí)際錠速會(huì)有所差別，不能直接用于牽伸區(qū)的智能化控制計(jì)算。

對(duì)于三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)這樣的全電子牽伸細(xì)紗機(jī)，往往采取在主軸上安裝光電碼盤(pán)式編碼器，直接檢測(cè)實(shí)時(shí)主軸轉(zhuǎn)速n5，然后換算出錠子的轉(zhuǎn)速，以減少細(xì)紗的捻度誤差。

錠子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

圖4 細(xì)紗機(jī)加捻傳動(dòng)示意圖

大量的錠速測(cè)試實(shí)驗(yàn)和細(xì)紗捻度測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，若要求細(xì)紗捻度差小于±2.5%，η2設(shè)為固定值不合適，要以實(shí)踐數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，η2根據(jù)錠速曲線變化而變化。

細(xì)紗捻度值和錠子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，決定了牽伸區(qū)前羅拉的轉(zhuǎn)速，前羅拉的轉(zhuǎn)速為：

式中，y為細(xì)紗捻度值，dq為前羅拉直徑，此處不計(jì)捻縮率。最終由前羅拉的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和“前羅拉伺服電機(jī)到前羅拉”之間的傳動(dòng)比計(jì)算出前羅拉電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是由PLC3根據(jù)編碼器檢測(cè)到的n5、人機(jī)交互界面里存儲(chǔ)的η2和y自動(dòng)計(jì)算得出[1]。

牽伸區(qū)的所有羅拉之間沒(méi)有機(jī)械關(guān)聯(lián)，各自獨(dú)立傳動(dòng)，其傳動(dòng)方式如圖5所示，伺服電機(jī)與羅拉之間通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，為保證牽伸準(zhǔn)確可靠，傳動(dòng)不選用平皮帶等有打滑系數(shù)的方式。

牽伸區(qū)的所有運(yùn)動(dòng)都根據(jù)PLC3由人機(jī)交互界面里設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算而得，需要說(shuō)明的是，粗紗進(jìn)入后牽伸區(qū)，對(duì)于三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)而言，因?yàn)閾u架壓力、粗紗捻度、粗紗材料、牽伸速度的不同，牽伸效率是不同的，因此，在電氣設(shè)計(jì)時(shí)，需要提前考慮牽伸效率系數(shù)，此系數(shù)需要在紡紗時(shí)打樣確定。

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗時(shí)為了絡(luò)筒和“直接緯”織造時(shí)退紗的方便，在往細(xì)紗管上卷繞細(xì)紗時(shí)，采用短動(dòng)程加級(jí)升的方式錐形螺旋卷繞細(xì)紗，為了紡止脫圈等問(wèn)題，要求圈距恒定且與細(xì)紗線密度相關(guān)，在機(jī)械升降時(shí)，鋼領(lǐng)板瞬時(shí)速度是由凸輪外形控制，是一個(gè)模擬量，在電子升降系統(tǒng)中，動(dòng)力來(lái)自于伺服電機(jī)，借助于伺服系統(tǒng)的精確性，可以對(duì)鋼領(lǐng)板速度進(jìn)行精密控制，保證卷繞時(shí)圈距恒定，分析如下：

圖6是細(xì)紗卷繞成形的三維模型圖，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，鋼領(lǐng)板上升時(shí)的瞬時(shí)速度為：

式中，Vg為鋼領(lǐng)板上升時(shí)瞬時(shí)速度，h為卷繞圈距，α為紗管半錐角，Vl為前羅拉旋轉(zhuǎn)的外圓線速度（出紗速度），θ為相對(duì)于初始位置的細(xì)紗卷繞角度，D為管紗外徑。關(guān)于鋼領(lǐng)板的升降運(yùn)動(dòng)，由PLC2讀取人機(jī)交互界面里面設(shè)定的卷繞圈距h（決定于細(xì)紗號(hào)數(shù)）、短動(dòng)程、管紗直徑等一系列參數(shù)自動(dòng)計(jì)算后運(yùn)行[2-3]。

3 一些特殊紡紗工藝的執(zhí)行原理

除了上文中所述常規(guī)的環(huán)錠紡電氣化控制原理和方法，三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)重點(diǎn)在于執(zhí)行一些特殊的紡紗工藝，紡制單紗、賽絡(luò)紗及以基于三通道耦合技術(shù)的混色紗、幻彩紗、竹節(jié)段彩紗、變支變捻紗等各式細(xì)紗。

一般的，細(xì)紗工藝參數(shù)表需要在人機(jī)界面里設(shè)定然后被選擇和執(zhí)行，例如以三種顏色、定量為350g/km的純棉粗紗紡制細(xì)紗，若配色表如下所示，

圖5 羅拉與伺服電機(jī)聯(lián)接示意圖

圖6 細(xì)紗卷繞三維模型圖

表1 三通道數(shù)碼紡工藝參數(shù)表示樣

三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在紡制耦合等線密度細(xì)紗時(shí)，必須遵循下式所體現(xiàn)的規(guī)律：

式中，e為理論總牽倍數(shù)，也就是假定以單根粗紗紡等線密度細(xì)紗時(shí)的牽伸倍數(shù)，e1為粗紗1總牽倍數(shù)，e2為粗紗2總牽倍數(shù)，e3為粗紗3總牽倍數(shù)。基于此，可以知道，細(xì)紗段號(hào)1是以粗紗各占1/3的比例紡制細(xì)紗，且三根細(xì)紗的后區(qū)牽伸倍數(shù)各為1.25倍，紡制的細(xì)紗號(hào)數(shù)為19.7g/km；細(xì)紗段號(hào)2是在以粗紗1占50%、粗紗2占30%，粗紗3占20%的比例紡制細(xì)紗號(hào)數(shù)為19.7g/km的細(xì)紗；細(xì)紗段號(hào)3是在以粗紗1和2各占50%的比例紡制捻度為設(shè)定捻度1.2倍的細(xì)紗[4-5]。

三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在紡紗時(shí)需要讀取預(yù)設(shè)的細(xì)紗工藝參數(shù)表，改變細(xì)紗配比、細(xì)紗線密度、捻度系數(shù)，都由程序執(zhí)行參數(shù)表來(lái)完成；一般的，為了設(shè)備執(zhí)行工藝的穩(wěn)定性，都是改變牽伸羅拉的轉(zhuǎn)速，而不改變主軸的轉(zhuǎn)速。對(duì)于一些等線密度的隨機(jī)幻彩紗的紡制，盡管三根后羅拉的轉(zhuǎn)速隨機(jī)變化，但是依然需要滿足公式5所示的數(shù)學(xué)關(guān)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，是一款電子升降和全電子牽伸型細(xì)紗機(jī)，而且牽伸區(qū)的機(jī)械結(jié)構(gòu)比普通細(xì)紗機(jī)更加復(fù)雜，本文分析并總結(jié)了該機(jī)在執(zhí)行加捻、牽伸及紗管成形時(shí)所遵循的數(shù)學(xué)規(guī)律，以及基于此而搭建的電氣控制系統(tǒng)原理，為設(shè)備的電控系統(tǒng)進(jìn)一步智能化提供借鑒。