環(huán)錠細(xì)紗機(jī)卷繞成形系統(tǒng)數(shù)字化研究

韋金平

(經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司,山西 晉中 030601)

0 引言

近年來(lái),紡機(jī)制造企業(yè)對(duì)紡織成套設(shè)備更新?lián)Q代的步伐加快,實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化控制、推進(jìn)智能紡織工廠建設(shè)是紡織行業(yè)較為迫切的技術(shù)需求。紡織生產(chǎn)線智能化要求各工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。以環(huán)錠細(xì)紗機(jī)為例,牽伸、加捻、集落和粗細(xì)絡(luò)聯(lián)等運(yùn)行控制要素相對(duì)簡(jiǎn)單,數(shù)字化進(jìn)程迅速,技術(shù)已經(jīng)非常成熟,但卷繞成形因其運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)較多,對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)改動(dòng)較大,數(shù)字化進(jìn)程相對(duì)緩慢。

和翼錠紡紗機(jī)紡制的粗紗條在后續(xù)工序上從粗紗管半徑的切向退繞不同,環(huán)錠紡后續(xù)工序是從細(xì)紗管軸向抽紗退繞,為了卷繞緊密、層次清晰、紗圈不相互糾纏,減小抽紗阻力和防止脫圈,采用法向螺距恒定且以錐狀逐層卷繞的成形方式;成形過(guò)程因細(xì)紗線密度、鋼領(lǐng)直徑、細(xì)紗管高度和直徑等客觀因素影響,需對(duì)短動(dòng)程、上升圈距、下降圈距、級(jí)升高度、管底成形、氣圈高度等參數(shù)實(shí)時(shí)控制。目前,多數(shù)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)采用鋼領(lǐng)板升降而非錠子升降,使環(huán)錠細(xì)紗機(jī)卷繞成形系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜[1]。

近十年間,鋼領(lǐng)板從機(jī)械升降到電子升降,再到積極升降,正逐步消除有級(jí)、近似、模糊的控制方法,而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)、精確、數(shù)字化的控制,需要對(duì)卷繞運(yùn)動(dòng)建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行精準(zhǔn)分析,并將運(yùn)動(dòng)規(guī)律編入伺服控制程序中,方可做到數(shù)字化。

1 環(huán)錠紡錐形卷繞數(shù)學(xué)分析

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡一管滿紗,分為筑底小紗、中紗、大紗和尾紗4個(gè)階段,各階段鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板的運(yùn)動(dòng)控制各有要點(diǎn),需分別討論。其中,中紗段和大紗段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有普遍意義,分析如下。

圖1中的圓錐為錐形紗頂?shù)睦硐肽Ｐ?用來(lái)分析鋼領(lǐng)板下降時(shí)的成形關(guān)系。空間直角坐標(biāo)系xyz的原點(diǎn)O設(shè)在錐頂。d為紗管直徑,D為筑底完成后的管紗直徑,α為卷繞角,設(shè)一點(diǎn)M′從原點(diǎn)處向下做法向螺距為h1cosα的螺旋運(yùn)動(dòng),M′點(diǎn)的軌跡長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系可推導(dǎo)如下。

圖1 鋼領(lǐng)板下降時(shí)計(jì)算參數(shù)模型

由2π/(h1cosα)=θ/OO′得OO′=MM′=θh1cosα/(2π),得O′M′=OM=h1θsinα/(2π),并設(shè)a1=h1cosα/(2π),b1=h1sinα/(2π),則M′點(diǎn)在坐標(biāo)系各軸的投影長(zhǎng)度為:

(1)

微分方程為:

(2)

微分弧長(zhǎng)為:

(3)

積分并還原后得:

(4)

式(4)是鋼領(lǐng)板下降時(shí)細(xì)紗在卷繞錐頂?shù)木砝@紗長(zhǎng)與細(xì)紗的卷繞角θ關(guān)系式,θ的定義域?yàn)?πd/(h1sinα),πD/(h1sinα)-e),其中e為級(jí)升高度。

同理,圖2為鋼領(lǐng)板上升時(shí)的卷繞關(guān)系,為了同上文中分析鋼領(lǐng)板下降時(shí)過(guò)程保持一致,將空間坐標(biāo)系設(shè)在圓錐的底面,坐標(biāo)系原點(diǎn)O設(shè)在底圓圓心。

圖2 鋼領(lǐng)板上升時(shí)計(jì)算參數(shù)模型

設(shè)點(diǎn)M′從底面與x軸的交點(diǎn)處向上做法向螺距為h2cosα的螺旋運(yùn)動(dòng),M′點(diǎn)的軌跡長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系推導(dǎo)如下。

由2π/(h2cosα)=θ/OO′得OO′=MM′=θh2cosα/(2π),進(jìn)而得OM=O′M′=D/2-θh2cosα/(2π),設(shè)a2=h2cosα/(2π),b2=h2sinα/(2π),則M′點(diǎn)在坐標(biāo)系各軸的投影長(zhǎng)度為:

(5)

微分方程為:

(6)

(7)

經(jīng)積分并還原,得:

[h2/(4πsinα)]ln|2[h2sinα/(2π) ]2θ-h2Dsinα/(2π)+(h2sinα/π)

(8)

其中,θ的定義域?yàn)閇0,π(D-d)/(h2sinα)]。

以上公式分別求出鋼領(lǐng)板升降時(shí)卷繞細(xì)紗的長(zhǎng)度和卷繞角之間的關(guān)系,可用來(lái)計(jì)算鋼領(lǐng)板在升降細(xì)紗的實(shí)時(shí)卷繞長(zhǎng)度,也是推導(dǎo)鋼領(lǐng)板實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度的必要條件,同時(shí)基于近年較受業(yè)內(nèi)關(guān)注的“主動(dòng)鋼領(lǐng)技術(shù)研發(fā)”的需求,把卷繞角θ作為自變量。

(9)

且dθ/dt為細(xì)紗卷繞時(shí)的角速度,根據(jù)環(huán)錠紡的規(guī)律,錠子轉(zhuǎn)速為nd、鋼絲圈轉(zhuǎn)速為ng時(shí),細(xì)紗卷繞轉(zhuǎn)速為nj=nd-ng,即卷繞角速度為2π(nd-ng)=dθ/dt。

所以卷繞速度的表達(dá)式轉(zhuǎn)化為:

(10)

在紡紗過(guò)程中,前羅拉的出紗速度Vr等于卷繞速度Vj。

又因dz=axdθ(其中,ax即a1,a2),所以鋼領(lǐng)板運(yùn)動(dòng)速度:

Vg=dz/dt=axdθ/dt=2axπ(nd-ng)

(11)

將式(10)代入式(11)并還原得:

(12)

出于管紗成形的需要,要以等法向螺距的方式在圓錐面上卷繞成形,保證不脫圈和卷繞密度均勻,所以鋼領(lǐng)板的運(yùn)動(dòng)表達(dá)式比較復(fù)雜,式(12)是環(huán)錠細(xì)紗機(jī)為了滿足上述成形要求、鋼領(lǐng)板上升和下降時(shí)實(shí)時(shí)速度關(guān)聯(lián)繞紗轉(zhuǎn)角θ的理論表達(dá)式[2]。這僅僅是理想化的推導(dǎo),實(shí)際紡紗生產(chǎn)中還要受捻縮系數(shù)、氣圈高度變化等因素的影響。但是,它給出了鋼領(lǐng)板運(yùn)動(dòng)的量化數(shù)學(xué)表達(dá)式,是推行卷繞成形實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制的理論依據(jù)。

2 機(jī)械升降結(jié)構(gòu)原理分析

傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)用一套較為復(fù)雜的牽吊式機(jī)械結(jié)構(gòu)近似模擬上述運(yùn)動(dòng)要求,圖3是一套較為典型的機(jī)械升降結(jié)構(gòu)原理示意。

1—大搖臂;2—大搖臂輪;3—級(jí)升卷繞鏈輪;4—升降凸輪;5—主鏈條;6—副分配軸鏈輪;7—副分配軸鏈條;8—位叉機(jī)構(gòu);9—凸釘鏈輪;10—主分配軸;11—鋼領(lǐng)板牽吊輪;12—導(dǎo)紗板鏈輪;13—主副分配軸鏈輪1;14—重力平衡鏈輪;15—主副分配軸鏈條;16—主副分配軸鏈輪2;17—副分配軸;18—小電機(jī)及離合機(jī)構(gòu);19—棘輪機(jī)構(gòu);20—蝸桿;21—蝸輪;22—推桿;23—小搖臂;24—級(jí)升卷繞鏈輪;25—級(jí)升鏈條。圖3 機(jī)械升降結(jié)構(gòu)原理示意

機(jī)械升降結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)基本過(guò)程為:細(xì)紗機(jī)主傳動(dòng)軸經(jīng)過(guò)變速輪系把動(dòng)力和不換向的圓周運(yùn)動(dòng)傳遞給升降凸輪,升降凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)壓迫大搖臂產(chǎn)生擺動(dòng),安裝在大搖臂左端的大搖臂輪帶動(dòng)主鏈條上下運(yùn)動(dòng),鏈條的另一端固定在凸釘鏈輪的輪緣上,從而引起凸釘鏈輪、主分配軸和鋼領(lǐng)板牽吊輪作一定角度的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng),包覆在鋼領(lǐng)板牽吊輪輪緣上的鏈條(牽吊帶)同步拉動(dòng)鋼領(lǐng)板做上下運(yùn)動(dòng),完成鋼領(lǐng)板的升降。同步的,主分配軸通過(guò)鏈條鏈輪帶動(dòng)副分配軸進(jìn)而帶動(dòng)導(dǎo)紗板鏈輪往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng),再通過(guò)鏈條(牽吊帶)拉動(dòng)導(dǎo)紗板做上下運(yùn)動(dòng),完成氣圈高度調(diào)整。在大搖壁上擺時(shí),帶動(dòng)小搖臂上擺,小搖臂的右端有推桿推動(dòng)棘爪運(yùn)動(dòng)并撐轉(zhuǎn)棘輪一定齒數(shù),再通過(guò)和棘輪同軸的蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度,與之同軸的級(jí)升卷繞鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度,卷繞起一定長(zhǎng)度的級(jí)升鏈條,級(jí)升鏈條拉動(dòng)級(jí)升鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)很小的角度,級(jí)升鏈輪和搖臂輪同軸,進(jìn)而引起主鏈條在搖臂輪上卷繞一定角度。當(dāng)大搖臂下擺時(shí),棘爪從棘輪齒上滑過(guò)而不引起棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng),則被卷繞主鏈條的長(zhǎng)度就是級(jí)升高度。當(dāng)鋼領(lǐng)板上升到一定高度并觸發(fā)落紗信號(hào)時(shí),小電機(jī)及離合器開始工作,快速釋放級(jí)升卷繞鏈輪卷繞的鏈條,并最終引起鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板快速下落,完成包身紗和留頭紗的卷繞。

另外,從主鏈條到主分配軸之間凸釘鏈輪的輪緣上安裝了凸釘,其實(shí)際功能是在剛開始紡紗時(shí),通過(guò)改變鏈輪的半徑值降低主分配軸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度,也就是降低短動(dòng)程高度和級(jí)升高度,完成小紗筑底(筑底最直接目的是更多的卷繞細(xì)紗)。在紡筑底小紗段,為了控制氣圈高度,通過(guò)設(shè)置位叉機(jī)構(gòu)減少導(dǎo)紗板的高度變化,原理和凸釘一樣。當(dāng)鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板下降時(shí),在各自鏈條的牽吊下靠自身重力下降,上升時(shí),靠主鏈條拉動(dòng),為減小主鏈條受力,需另外設(shè)置重錘或扭桿等工件,以平衡部分來(lái)自鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板的質(zhì)量。以國(guó)產(chǎn)FA506型機(jī)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)細(xì)紗機(jī),在采用扭桿式平衡時(shí),試圖均勻漸變地控制平衡力輸出,涉及到彈力扭桿、扇形鏈輪、平衡凸輪等,結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,難以量化,平車時(shí)不易校正[3]。

在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí),大搖臂上和升降凸輪接觸的轉(zhuǎn)子位置是可調(diào)的,用以微調(diào)短動(dòng)程和圈距;小搖臂上推桿的安裝位置也是可微調(diào)的,用以調(diào)節(jié)棘爪每次運(yùn)動(dòng)撐動(dòng)的棘輪齒數(shù)引起級(jí)升的變化;若需要改變短動(dòng)程和卷繞疏密層時(shí)間比,必要時(shí)需要更換不同升降比的凸輪,在紡制特殊緯紗時(shí)根據(jù)卷繞要求,安裝梅花型升降凸輪等。從以上描述可知,卷繞系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源于主軸,在機(jī)械升降時(shí)代,加捻、牽伸、卷繞成形是同一個(gè)動(dòng)力源,由傳動(dòng)系統(tǒng)保證三者同步,這是機(jī)械升降系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

此套系統(tǒng)大量運(yùn)用在低于600錠的環(huán)錠細(xì)紗機(jī)短機(jī)時(shí)代,為了模擬實(shí)現(xiàn)上文中推導(dǎo)出來(lái)的數(shù)學(xué)關(guān)系,研發(fā)者設(shè)計(jì)了這套復(fù)雜而巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)。數(shù)十年前,錠速不高,錠數(shù)不大,自動(dòng)化程度低,此套系統(tǒng)完全適用;隨著長(zhǎng)機(jī)時(shí)代的到來(lái),錠速大幅提升到20 kr/min甚至更高,錠數(shù)達(dá)到1200錠甚至1800錠以上,而且粗細(xì)絡(luò)聯(lián)、牽伸伺服化、電錠加捻、集體落紗系統(tǒng)等的應(yīng)用和市場(chǎng)對(duì)紡紗品質(zhì)更高的要求,使此套機(jī)械升降系統(tǒng)不再適用。錠數(shù)增多使鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板整體質(zhì)量增大,位叉因位置和自身尺寸問(wèn)題,既無(wú)法承受過(guò)重又不能加強(qiáng)設(shè)計(jì)而退出,改用偏心輪又影響小紗階段的氣圈高度[4];扭桿式重力平衡完全無(wú)法滿足要求,改為重錘平衡后平衡質(zhì)量的百分比難以取舍,重錘過(guò)重則鋼領(lǐng)板受導(dǎo)桿摩擦力和機(jī)械安裝精度有限的影響,下降時(shí)動(dòng)作不暢甚至在機(jī)器長(zhǎng)向出現(xiàn)局部卡頓,造成安全事故或者細(xì)紗大量斷紗、卷繞成形不良,過(guò)輕則增加升降凸輪與大搖臂之間的擠壓力,受力面磨損嚴(yán)重,升降凸輪在回轉(zhuǎn)時(shí)因轉(zhuǎn)速增大撞擊嚴(yán)重,不再適合細(xì)紗機(jī)提速,因此,推出了電子升降卷繞成形系統(tǒng)。

3 電子升降結(jié)構(gòu)控制原理

正如上文所述,機(jī)械升降結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在長(zhǎng)錠、高速、自動(dòng)化方向的發(fā)展,加之近年伺服系統(tǒng)應(yīng)用成本的降低,環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在原牽吊式升降的基礎(chǔ)上,取消升降凸輪、大搖臂、棘輪棘爪等機(jī)構(gòu),采用單獨(dú)的伺服電機(jī)作為動(dòng)力源的電子升降結(jié)構(gòu)原理示意見圖4。

1—伺服電機(jī);2—錐齒輪副。圖4 電子升降結(jié)構(gòu)原理示意

電子升降即將蝸輪蝸桿副和新增加的一套錐齒輪副內(nèi)置在新設(shè)計(jì)的變速箱里,采用伺服電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)牽吊式升降系統(tǒng)。變速箱內(nèi)潤(rùn)滑條件比原開放式嚙合有所改善,取消升降凸輪后,將主鏈條的動(dòng)作規(guī)律編寫進(jìn)伺服電機(jī)的控制程序里,使鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板運(yùn)動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)了伺服化控制,模糊的模擬量變成可調(diào)的數(shù)字量,是技術(shù)的大進(jìn)步。不過(guò),原牽吊式結(jié)構(gòu)并未從根本上得到改變,在鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板切換運(yùn)動(dòng)方向時(shí),加速度方向變化產(chǎn)生的巨大沖擊力依然由鏈條承擔(dān);錠數(shù)增多,所有鏈條和牽吊帶受力必然增加,更換更大型號(hào)和節(jié)距的鏈條,使鏈條在鏈輪輪緣上卷繞時(shí)多邊形效應(yīng)明顯,導(dǎo)致升降打頓、圈距變化、卷繞不良;且鋼領(lǐng)板與導(dǎo)紗板的質(zhì)量平衡問(wèn)題依然未得到根本解決,無(wú)法實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、高速、安全受控的運(yùn)動(dòng)。因此,隨著細(xì)紗機(jī)在超高速、超長(zhǎng)錠、智能化方向的發(fā)展,需要一套更為先進(jìn)的伺服裝置控制卷繞成形系統(tǒng)。

4 積極升降結(jié)構(gòu)原理

近年來(lái),隨著紡紗速度的大幅提升和超長(zhǎng)錠細(xì)紗機(jī)的推廣,原牽吊式卷繞成形系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要,成為細(xì)紗機(jī)速度提升和產(chǎn)品升級(jí)的短板。越來(lái)越多的新型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)摒棄了牽吊式卷繞成形系統(tǒng),采用積極升降系統(tǒng);積極升降系統(tǒng)逐漸成為高端細(xì)紗機(jī)的主流配置。所謂積極升降,是指卷繞成形系統(tǒng)有獨(dú)立動(dòng)力源,鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板運(yùn)動(dòng)完全受控于升降機(jī)構(gòu)。圖5a)是一種積極升降結(jié)構(gòu)原理示意,圖5b)是升降執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意。

a) 積極升降結(jié)構(gòu)原理

b) 升降執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意1—伺服電機(jī);2—變速輪系;3—傳動(dòng)軸;4—傳動(dòng)齒輪;5—鋼領(lǐng)板齒輪;6—鋼領(lǐng)板絲桿;7—導(dǎo)紗板齒輪;8—導(dǎo)紗板絲桿。圖5 一種積極升降結(jié)構(gòu)原理示意

其中,伺服電機(jī)是動(dòng)力源,通過(guò)變速輪系,將動(dòng)力分配到細(xì)紗機(jī)兩側(cè)的傳動(dòng)軸,傳動(dòng)軸上多點(diǎn)分布傳動(dòng)齒輪;傳動(dòng)齒輪和鋼領(lǐng)板齒輪形成90°交錯(cuò)軸嚙合傳動(dòng);鋼領(lǐng)板齒輪和導(dǎo)紗板齒輪外嚙合,二者既是齒輪,又是絲桿螺母,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)鋼領(lǐng)板絲桿和導(dǎo)紗板絲桿做上下平動(dòng),絲桿頂端分別與鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板固聯(lián)。因此,鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板的運(yùn)動(dòng)完全受控于伺服電機(jī),而伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)可遵循式(12)的要求,且在紡制不同品種細(xì)紗時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)精確可調(diào)而無(wú)須更換任何零件,這是積極升降的優(yōu)勢(shì)。

由圖5b)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意可知,傳動(dòng)齒輪和鋼領(lǐng)板齒輪形成交錯(cuò)軸傳動(dòng),因?yàn)閷?dǎo)紗板齒輪和鋼領(lǐng)板齒輪外嚙合,所以為了保證雙絲桿同升同降,絲桿旋向與各自動(dòng)力齒輪旋向相同,通常環(huán)錠細(xì)紗機(jī)卷繞高度在180 mm,為了避免始紡和終紡以及單次升降時(shí)氣圈高度變化太大引起細(xì)紗張力巨變斷紗,鋼絲圈與導(dǎo)紗鉤之間的高度(即氣圈高度)也要隨鋼領(lǐng)板的升降而升降。受限于牽伸等其他機(jī)構(gòu),目前導(dǎo)紗板的升降高度約控制為60 mm,此值靠雙絲桿不同螺距和螺紋頭數(shù)調(diào)節(jié)?？梢?該機(jī)構(gòu)除了未能實(shí)現(xiàn)原牽吊式位叉功能,其他方面均優(yōu)于牽吊式[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗速度大幅提升,其牽伸和加捻部分因相對(duì)獨(dú)立且運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單早已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制,唯有卷繞成形系統(tǒng)數(shù)字化進(jìn)程較為緩慢,主要是因?yàn)橄到y(tǒng)比較復(fù)雜,對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)影響較大。筆者根據(jù)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡錐形紗所需運(yùn)動(dòng)規(guī)律,推導(dǎo)出鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板的運(yùn)動(dòng)遵循的數(shù)學(xué)規(guī)律,分析了從機(jī)械升降到電子升降再到積極升降過(guò)程中各系統(tǒng)的工作原理,詳述技術(shù)進(jìn)步過(guò)程。限于篇幅和討論重點(diǎn),并未給出卷繞成形過(guò)程中其他運(yùn)動(dòng)的量化表達(dá)式,如小紗筑底、尾紗控制、氣圈高度調(diào)整等,這些需要另行討論?？傊?紡織行業(yè)對(duì)高產(chǎn)、高品質(zhì)、智能化紡織的需求,實(shí)際上是對(duì)紡機(jī)成套設(shè)備在各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的要求,只有做好基礎(chǔ)研究,摒棄落后的控制方式,采用新技術(shù),才能推進(jìn)紡織數(shù)字化進(jìn)程。