紗線卷繞成型過程疊紗機(jī)理及防疊方法研究

張與超， 張 華

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018)

紗線在卷繞過程中具有較強(qiáng)的周期性規(guī)律，在卷繞到某些直徑時(shí)會(huì)出現(xiàn)參數(shù)耦合，從而出現(xiàn)嚴(yán)重的疊紗現(xiàn)象。疊紗現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致容紗量少、染色困難和機(jī)器震動(dòng)等諸多不利影響[1]。針對(duì)疊紗問題，謝衛(wèi)東等[2]提出了防止紗線重疊卷繞比確定方法，能有效解決疊紗問題；但是在實(shí)際應(yīng)用中，紗筒的直徑實(shí)時(shí)變化，難以測(cè)量，因此在生產(chǎn)中這種方法不適用。Wei等[3]介紹了一種最優(yōu)分散繞線的方法，即繞線過程按照紗筒的直徑使用分散的卷繞參數(shù)進(jìn)行卷繞成型，卷繞過程中控制比較復(fù)雜，而且也需要實(shí)時(shí)測(cè)量繞線直徑，在生產(chǎn)中并不適用。Zhou等[4]提出了基于雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器防疊方法，需要根據(jù)負(fù)載驅(qū)動(dòng)器的電流反饋，調(diào)整輸出轉(zhuǎn)矩；此方法是基于槽筒導(dǎo)紗的方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)槽筒轉(zhuǎn)速的擺頻控制達(dá)到防疊目的。實(shí)際應(yīng)用中槽筒的擺頻防疊效果一般，并且槽筒導(dǎo)紗方案對(duì)槽筒要求較高，使得生產(chǎn)成本較高。防止疊紗問題也有純機(jī)械的方案[5-9]，對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求比較高，后期的維護(hù)也比較麻煩，適用于傳統(tǒng)的齒輪箱導(dǎo)紗方案。筆者著重研究紗線出現(xiàn)重疊現(xiàn)象的機(jī)理及如何避免該現(xiàn)象的方法，提出一種開環(huán)周期動(dòng)態(tài)卷繞比防疊算法。該算法在橫動(dòng)導(dǎo)紗頭移動(dòng)的過程中，周期性改變紗線卷繞比，即卷繞速度與橫動(dòng)速度之間的比例，可減小疊紗概率。此方案只需要在伺服速度控制中控制單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)量的偏差即可實(shí)現(xiàn)，不需要測(cè)量紗線實(shí)時(shí)直徑等參數(shù)；以較低的成本，方便有效的方式解決紗線的疊紗問題。

1 紗線運(yùn)動(dòng)模型及疊紗機(jī)理分析

1.1 紗線卷繞成型運(yùn)動(dòng)模型

線筒被卷繞摩擦輥帶著轉(zhuǎn)動(dòng)，紗線卷繞過程可以視為2個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成：紗線在線筒上沿著切線方向卷繞和沿著軸向方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。線筒每卷繞一圈紗線將在線筒上形成一個(gè)螺旋線，當(dāng)導(dǎo)紗頭到達(dá)成型行程的邊緣時(shí)，導(dǎo)紗頭換向運(yùn)動(dòng)；此時(shí)將會(huì)在線筒上形成一個(gè)折返點(diǎn)，這個(gè)過程一直往復(fù)循環(huán)就會(huì)在線筒上形成2個(gè)反向的面紗，線筒的半徑隨著循環(huán)的進(jìn)行逐漸變大。此過程周期性比較強(qiáng)，當(dāng)多次往返點(diǎn)在線筒邊緣的同一個(gè)位置時(shí)，將會(huì)看到多股紗線在線筒上同一個(gè)位置繞出同樣的螺旋線，而橫向?qū)Ъ喤c卷繞的速度將影響螺旋線的螺距，當(dāng)螺距明顯而且多股紗線螺旋線疊加時(shí)就會(huì)形成明顯的疊紗現(xiàn)象。紗線卷繞成型主要由卷繞電機(jī)提供紗線在紗筒上的切向運(yùn)動(dòng)，橫動(dòng)伺服電機(jī)提供紗線在紗筒上沿著軸向的周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。在此過程中對(duì)紗錠形狀在不同的后續(xù)工藝中有著不同的要求。通常比較重要的要求是紗線在成型過程中2端面的紗線不能落紗，即在2端面不能形成蜘蛛網(wǎng)；其次疊紗問題也比較重要，疊紗現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致紗筒的震動(dòng)，染色過程染料不易浸透導(dǎo)致染色出現(xiàn)不良品等問題[10]。

圖1 紗線卷繞成型示意Figure 1 Schematic of yarn winding forming

1.2 疊紗現(xiàn)象及理論分析

紗線在線筒上的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看成橫動(dòng)導(dǎo)紗的速度與線筒切向運(yùn)動(dòng)紡線的合成。切向線速度為：

vj=n*π*d。

(1)

式中：vj為卷繞速度，n為紗筒轉(zhuǎn)速，d為紗筒直徑。

導(dǎo)紗頭的橫動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度為vL,則2個(gè)速度的合成速度:

v=vL+vj。

(2)

卷繞角度：

(3)

導(dǎo)紗頭在筒子寬w的行程內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則紗線會(huì)在筒子上形成方向相反的螺旋線。將線筒沿著徑向展開，則可以得到一個(gè)長(zhǎng)方形形狀,圖2為紗筒沿著徑向展開圖。

圖2 紗筒徑向展開Figure 2 Bobbin radially expansion

根據(jù)展開圖建立數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。假設(shè)紗線是一個(gè)剛體A,從原點(diǎn)O(0,0)以具有x軸方向的橫動(dòng)速度vL和沿著y軸方向的卷繞速度vj在坐標(biāo)系內(nèi)運(yùn)動(dòng)，剛體在坐標(biāo)系內(nèi)沿著合成速度方向軌跡1運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到矩形上邊時(shí)，此時(shí)剛好卷繞一整圈。由于矩形是紗筒的展開圖，則令A(yù)的y坐標(biāo)等于0，x坐標(biāo)不變，沿著軌跡2運(yùn)動(dòng)，依次沿著軌跡3，4運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到矩形右邊時(shí)，此時(shí)到達(dá)最大行程w，橫動(dòng)的導(dǎo)紗頭換向。根據(jù)展開圖，會(huì)等角度沿著軌跡5運(yùn)動(dòng)，并且以此沿著6，7和8運(yùn)動(dòng)。紗線便是如此往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，在線筒上形成一層又一層面紗，這就是紗線卷繞成型的過程。

圖3 卷繞過程數(shù)學(xué)模型Figure 3 Mathematical model of winding process

通常以端面折回點(diǎn)的分布情況來判斷紗線的重疊情況，端面重合點(diǎn)分布均勻，且折回點(diǎn)較多，則認(rèn)為紗線重疊現(xiàn)象較輕，如圖4所示。

圖4 端面折回點(diǎn)分布Figure 4 Distribution of return points

當(dāng)導(dǎo)紗頭往復(fù)1次時(shí)，時(shí)間為:

t=2w/vL。

(4)

式中t為導(dǎo)紗頭往復(fù)1次的時(shí)間。

此時(shí)筒子卷繞圈數(shù):

(5)

式中m為紗線在紗筒上卷繞的圈數(shù)。

當(dāng)m為正整數(shù)時(shí)，則折回點(diǎn)剛好重合，就會(huì)產(chǎn)生疊紗現(xiàn)象。

在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)紗頭的橫動(dòng)速度vL和卷繞速度vj為固定值。按照大卷裝倍捻機(jī)的工藝參數(shù)，卷繞角度α=24°，vj=100 m/min,則計(jì)算得：

(6)

將參數(shù)輸入到MATLAB模型模擬紗線卷繞過程，可以直觀地看到繞線過程的疊紗現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 數(shù)學(xué)模型仿真Figure 5 Mathematical model simulation

假設(shè)筒子直徑d=80 mm，筒子寬度w=200 mm，卷繞角度α=24°，重疊周期為T(表示導(dǎo)紗頭往復(fù)多少次會(huì)疊紗),則紗線重疊條件為:

(7)

式中k為任意正整數(shù)?？梢缘贸觯?/p>

(8)

假設(shè)以文中所提供參數(shù)計(jì)算，可得d=299.2*(T/k)。當(dāng)重疊周期為T=1，此時(shí)重疊直徑d有：299.2，149.6和99.7 mm。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，d的取值范圍通常為80～500 mm。表1為計(jì)算出來的重疊周期1～4的疊紗半徑。

表1 疊紗直徑計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of stack diameter

表1中的數(shù)據(jù)為折回點(diǎn)完全重合的情況。若考慮折回點(diǎn)偏移量很小時(shí)，疊紗直徑會(huì)更多。在這種周期性強(qiáng)且時(shí)間長(zhǎng)的情況下，疊紗現(xiàn)象明顯。

1.3 周期動(dòng)態(tài)卷繞比防疊算法

根據(jù)1.2節(jié)中將紗面展開得到的長(zhǎng)方形紗線運(yùn)動(dòng)模型，可以知道紗線的重疊程度和導(dǎo)紗行程、紗筒直徑及卷繞速度與橫動(dòng)速度之比有關(guān)。而這些因素當(dāng)中，紗線的行程由工藝決定；筒子直徑通常是個(gè)常數(shù)，不能隨意更改；紗線的卷繞速度又會(huì)影響紗線的捻度，因此不能變動(dòng)；所以要解決紗線成型過程中的疊紗問題只能從橫動(dòng)電機(jī)上想辦法。橫動(dòng)電機(jī)通常采用伺服電機(jī)，便于實(shí)時(shí)控制其速度與位置。橫動(dòng)電機(jī)的速度會(huì)影響導(dǎo)紗過程中紗線的螺距和卷繞角等參數(shù)，從而影響紗筒的外觀。由于伺服電機(jī)在換向過程中會(huì)有加速減速的情況，在長(zhǎng)時(shí)間的累積下，紗線的2端會(huì)產(chǎn)生硬邊，或者行程弧形邊緣，影響紗錠質(zhì)量。而解決辦法是對(duì)橫動(dòng)伺服電機(jī)加減速過程中累積的紗線做出補(bǔ)償，即讓橫動(dòng)速度周期性地產(chǎn)生一個(gè)微小偏差來解決疊紗問題?；诖斯P者提出了一種周期動(dòng)態(tài)卷繞比防疊算法。

2 算法的設(shè)計(jì)及仿真

2.1 周期動(dòng)態(tài)卷繞比防疊算法的設(shè)計(jì)

將導(dǎo)紗頭的一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)作為紗線成型過程中的最小運(yùn)動(dòng)周期。卷繞比是指導(dǎo)紗頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期，紗線在線筒上卷繞的圈數(shù)，通常計(jì)為J。根據(jù)定義得：

(9)

根據(jù)式(7)和(9)得:

J*T=k。

(10)

因此卷繞比的變化必然導(dǎo)致疊紗的變化。通常紗線的直徑非常小，一般化纖小于0.007 8 g/m(70 D)，因此紗筒直徑的增長(zhǎng)非常慢，此時(shí)周期T和k都是常數(shù)，固定的卷繞比必然引起明顯的疊紗現(xiàn)象。周期動(dòng)態(tài)卷繞比防疊算法是在紗線的卷繞過程中將卷繞比按照一個(gè)動(dòng)態(tài)的規(guī)律去變化，從而降低折回點(diǎn)周期重疊的概率和次數(shù)，達(dá)到減少疊紗的情況。卷繞比的變化過大將會(huì)影響紗線夾角的變化，根據(jù)式(10)，只需卷繞比輕微地變化即可改變k值，使之不等于正整數(shù)。因切向速度會(huì)對(duì)捻度產(chǎn)生重要影響，通常由工藝確定，而不能輕易改動(dòng)。因此只有改動(dòng)橫動(dòng)速度才能使動(dòng)態(tài)卷繞比的數(shù)值滿足設(shè)計(jì)要求。周期動(dòng)態(tài)卷繞比的變化規(guī)律對(duì)防疊的效果也會(huì)產(chǎn)生影響。根據(jù)橫動(dòng)速度波動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)2種不同控制曲線。

1) 橫動(dòng)速度使用三角波的變化方式進(jìn)行周期變化，如圖6所示。橫動(dòng)基礎(chǔ)速度vL可根據(jù)式(6)計(jì)算；波動(dòng)中的最小速度v2=0.95vL,最大速度v1=1.05*vL。

圖6 伺服電機(jī)速度變化規(guī)律1Figure 6 Speed variation law of servo motor 1

2) 橫動(dòng)速度根據(jù)周期使用鋸齒波的變化方式進(jìn)行周期變化，如圖7所示。

圖7 伺服電機(jī)速度變化規(guī)律2Figure 7 Speed variation law of servo motor 2

2.2 周期動(dòng)態(tài)卷繞比防疊算法的仿真

將以上2種速度波動(dòng)規(guī)律曲線的周期動(dòng)態(tài)卷繞比防疊算法在MATLAB上進(jìn)行仿真。仿真模型參數(shù)如下：空筒直徑為85 mm,滿筒直徑為260 mm,橫動(dòng)行程為160 mm,卷繞角度為30°,運(yùn)行時(shí)間為400 min,防疊周期為20,速度波動(dòng)為5%。在不進(jìn)行防疊算法設(shè)計(jì)時(shí)，很明顯在某些直徑的時(shí)候，換向發(fā)生嚴(yán)重的重合現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 折回點(diǎn)分布規(guī)律1Figure 8 Distribution law of return points 1

在使用2.1節(jié)中三角波的速度變化規(guī)律時(shí)，可以看出換向點(diǎn)分布比較均勻，僅在少數(shù)直徑時(shí)，有輕微的重合現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 折回點(diǎn)分布規(guī)律2Figure 9 Distribution law of return points 2

在使用2.1節(jié)中鋸齒波角波的速度變化規(guī)律時(shí)，可以看出換向點(diǎn)分布比三角波效果更好，幾乎沒有重合現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 折回點(diǎn)分布規(guī)律3Figure 10 Distribution law of return points 3

從仿真效果來說，2種速度波動(dòng)規(guī)律都有良好的防疊效果，因此周期動(dòng)態(tài)卷繞比防疊算法可以滿足生產(chǎn)需求。

3 算法在倍捻機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

未經(jīng)過防疊算法處理的紗筒如圖11所示。

在倍捻機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行算法移植實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)橫動(dòng)導(dǎo)紗電機(jī)采用的伺服系統(tǒng)有17位精度的編碼器，具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；卷繞速度與錠子速度均用霍爾傳感器實(shí)時(shí)采樣，速度控制精準(zhǔn)。將算法移植到該平臺(tái)，進(jìn)行多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到的效果如圖12所示。

圖12 防疊算法效果Figure 12 Anti stacking algorithm effect

4 結(jié)論

基于仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)際測(cè)試，周期動(dòng)態(tài)卷繞比防疊算法在紗線電子成型系統(tǒng)中有較好的防疊效果。在仿真試驗(yàn)中，由于鋸齒波速度有突變，有利于防疊，因此仿真結(jié)果好于三角波。在實(shí)際試驗(yàn)中，橫動(dòng)速度按照三角波波動(dòng)規(guī)律，紗線成型角度波動(dòng)均勻，機(jī)器振動(dòng)小。按照鋸齒波波動(dòng)規(guī)律，橫動(dòng)速度有突變，機(jī)器振動(dòng)情況比三角波幅度大，而且紗線卷繞面沒有三角波美觀。對(duì)比需要實(shí)時(shí)采集紗線直徑的防疊算法，筆者提出的算法成本較低，容易部署，并且穩(wěn)定性更高。紗線防疊在紡織行業(yè)是一個(gè)難點(diǎn)，更好的防疊算法能夠進(jìn)一步提高紗錠的質(zhì)量，從而提升后道工序乃至成品的質(zhì)量，因此防疊算法的研究具有重要的意義。