捻线机卷绕成形的柔性控制

1、研究探讨捻线机卷绕成形的柔性控制 3荣(丹东纺织高等专科学校)摘要 :采用可编程控制器和变频器对普通三相异步电机进行转速 、转向的实时控制 ,可以实现环锭捻线机圆锥面短动程等螺距交叉卷绕柔性控制 ,使环锭捻线机实现全面机电一体化改造成为可能 。介绍了捻线机卷 绕成形运动的组成 、对卷绕进行柔性控制的设计方法 、控制系统的组成及工作原理 。关键词 :捻线机 ;卷绕 ;控制 ;钢领板 ;变频器中图分类号 : ts103 . 23 + 4文献标识码 :a文章编号 :100127415 (2002) 0520020205这是实现数字柔性控制的必要条件 ; 锭子传动采用八锭为一组的独立电机锭带直接传动

2、,取消原 来的滚筒和锭带张力部件 ; 罗拉采用一个电机通 过一级齿形同步带降速直接传动 ; 钢领板由一个升降电机经蜗轮蜗杆的减速传动卷轮 ,再由卷轮 上的钢丝绳拖动升降 ,取消了原来的凸轮成形和 棘轮级升机构 ;取消原来的配电箱 ,增加一个电气控制箱 ,装在车头上 。 改造后的捻线机结构非常简洁 ,自动化程度高 ,工艺适应范围宽 ,节能且噪声低 ,可以用计算机或手持式编程器对捻度 、锭速 、卷装形状 、升降 速比等一系列工艺参数进行设置 ,是理想的柔性捻线加工设备 。捻度和锭速的控制是很容易实现 的 ,圆锥面短动程等螺距交叉卷绕的成形控制是 技术改造过程中的难点 。下面着重介绍如何使用pl c

3、 和数字变频调速技术 ,实现对捻线机卷绕成 形的柔性控制 。前言0采用环锭加捻方法的设备种类很多 ,如棉纺 、毛纺 、麻纺的细纱机和捻线机等等 。环锭加捻均 采用圆锥面短动程等螺距交叉卷绕的成形方法把纱线绕在筒管上 。这些设备在传动机构和自动化程度上已经有了很大的改进 ,但还是沿袭传统的 传动和控制方式 ,如仍采用变换齿轮齿数的办法 来改变捻度和卷装形状等工艺参数 ,仍配有复杂 而易损的凸轮成形机构 ,用行程开关和继电器控 制所谓的七自动 ,因此还存在许多缺点 。如工厂 必须储备大量的变换齿轮和易损件 ,使用成本较 高 ;更换齿轮时停车时间长 ,劳动强度大 ; 能耗和 噪声大 ; 成形凸轮易磨

4、损 ,影响卷绕质量 ; 升降速 比和一次升降动程不能改变 ,因而无法完成卷装 形状的最优化设置 ; 无法用计算机进行集中控制 管理等 。在光 、机 、电技术高速发展的今天 ,特别是计 算机技术的飞速发展及日趋成熟 ,采用现代技术 改造传统的捻线机和细纱机 ,克服上述缺点 ,对工 艺参数进行柔性控制 ,使整个捻线车间实现信息 化管理 是 完 全 可 能 的 。笔 者 利 用 数 控 技 术 对 a631 e 型环锭捻线机进行了技术改造 ,并在丹东 纺织厂试车 ,取得了理想的使用效果 。改造内容 包括 :改单电机集中传动形式为多电机分别传动 ,1捻线机卷绕成形运动的组成图 1 是捻线机卷绕数学模型

5、图 。采用圆锥面短动程等螺距交叉卷绕的成形方法 ,主要是为了 考虑下道工序高速络筒的需要 ,使在高速退绕时 不出现脱圈现象 。卷绕成形过程由四种运动组成 :(1) 纱线的等速喂给运动 v s , 由等速回转的 前罗拉完成 ;( 2) 卷绕运动 , 筒管与钢丝圈的速度之差即为 卷绕运动速度 ;3 辽宁省科委科研项目 ( 项目号 98223013)作者简介 :荣 ,男 ,1945 年生 ,副教授 ,丹东 ,118003收稿日期 :2001212218棉 纺 织 技 术cotto n te xtile te chnology第 30 卷 第 5 期2002 年 5 月277 【 21 】( 3) 钢

6、领板的升降运动 ;( 4) 级升运动 。在圆柱形等螺距卷绕时 , 如把纱线的轴心线所在的圆柱面 ( 直径为 d k 的圆柱面) 展开为一个平面( 见图 3) , 则得 :sin = h n/ (d k ) = v h / v sv h = h nv s / (d k )( 1)式中 , d k 为卷绕直径 ; 为螺旋角 ; h n 为法向螺距 ; v h 为垂直导纱速度 ; v s 为单位时间的 卷绕长度 , 在不计捻缩的情况下 , 等于前罗拉线速 度 。要维持 h n 为常值 , v h 与 d k 之间必须成反比 关系 。如果把圆锥形交叉卷绕视作由许多直径逐渐变化的圆柱形卷绕组成 , 在直

7、径为 d k 处微元圆 柱面上 , 同样存在上述数学关系 , 只有这样才能保证在锥面上 h n 值不变 。在圆锥面等螺距交叉卷绕的柔性控制系统中 , 为使钢领板升降速度 v h满足 ( 1) 式 , 升降拖动电机的转速必须是随 d k 的 变化而变化的 。图 1 卷绕数学模型图2卷绕柔性控制设计原理2 . 1钢领板的运动规律图 2 是卷满一个纱管整个工作循环过程的钢 领板运动速度曲线图 ,现分成三个阶段加以叙述 。图 3 圆柱面纱线展开图为了实现 ( 1) 式所示钢领板运动速度规律 , 在控制系统中只有把钢领板运动位置 hu 或时间 t u 当作变量 , 才能实现正确控制 。为此必须推导出 v

8、 h = f ( hu) 和 v h = f ( t u) 的函数关系 。钢领板刚上升时 t u = 0 , hu = 0 , 在直径为 d k处 , hu 与 d k 的几何关系为 :d k = d 1 - 2tan hu将 ( 2) 式代入 ( 1) 式求得 :( 2)图 2 钢领板运动速度曲线图 v s h nu ( 3)v hu =( d1 - 2tan hu)钢领板快速升至卷绕开始位置 (0 a)2 . 1 . 1( 3) 式为钢领板上升时速度与位置 hu 的函数关系 , 式中 h nu 为上升时的法向螺距 。把关系 式 ( 3) 转换成微分方程 :为便于拔装筒管操作 ,钢领板运动最

9、后停止在落纱位 。为了降低开车断头率 ,开始纺纱卷绕 时钢领板应处在下降运动中 。因此 ,自动工作循 环的开始是钢领板快速上升 ,当上升到 ( h + 10)mm 时转为下降 ,此时才启动罗拉和锭子的回转 ,开始进入正常的加捻卷绕运动 。d hu=v s h nu( 4)d t( d1 - 2tan hu)解该微分方程 : v s h nu2 . 1 . 2正常卷绕过程 (a - e)( d 1 - 2tan hu) d hu =对 ( 5) 式两边积分 :d t( 5)不论圆锥形交叉卷绕或圆柱形平行卷绕 ,为始终保证纱层厚度的均匀 ,以维持应有的纱层曲 面形状 ,就要把纱线绕成法向等螺距的螺

10、旋线 ,即h n 为常值不变 , 以使纱线在卷绕面上均匀分布 。hu( d 1 - 2tan hu) d hu0v s h nut= 1d t0u 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 棉 纺 织 技 术cotto n te xtile te chnology第 30 卷 第 5 期2002 年 5 月【 22 】278可以得到 :功能相当强大 ,运算速度快 ,最大可以扩展到 128点 ,可与个人计算机进行通讯 ,用该产品所附带的 软件“f pso f t”, 可 以

11、 对 pl c 进 行 编 程 , 对 程 序 的运行还可以进行监视 。光电编码器安装在升降 电机轴上 ,钢领板的位置与编码器输出的脉冲数对应 ,系统属于闭环控制 。pl c 在程序运行时能 输出相应的控制信号进入变频器的控制端口 ,使 变频器输出相应频率 、相位 、加减速时间 ,以控制电机转速和回转方向 。因此 ,变频器的参数设定 是至关重要的 。( d1 hu - tan hu2 )(d1 ) 2 - 4tan v s h nu t ut u =( 6)v s h nud1 -( 7)hu =2tan 将 ( 7) 式代入 ( 3) 式得 : v s h nu v hu =( 8)(d1

12、) 2 - 4tan v s h nut u( 8) 式表示钢领板上升时 , 上升速度 v hu与上升时间 t u 之间函数关系 。在钢领板刚下降时 t d = 0 , hd = 0 , 在直径 d k处 , 对应的 hd 与 d k 的几何关系为 :d k = 2tan hd + d 0( 9) 式代入 ( 1) 式得 :( 9) v s h nd v hd =( 10)hd 的( d0 + 2tan hd)(10) 式为钢领板下降时速度与位置函数关系 , 式中 hd 为下降时位置变量 , h nd 为下降时的卷绕螺距 。同理可推导出下降时速度 v hd与下降时间 t d之间函数关系 :v

13、s h nd图 4 控制原理框图v hd =( 11)(d0 ) 2 + 4tan h nd v s t d2 . 2 . 2 变频器参数设定变频器要设定的参数项很多 ,不涉及卷绕成 形参数的项可按照使用说明书要求结合运动特性一次设定后就可以不再改变 。与卷绕成形有关参数项的设定方法如下 :(1) 输出频率上限 ( 钢领板下降时的起始频 率) : fdmax = kv dmax , k 称之为频速系数 , 即钢 领板 运 动 速 度 为 1 mm/ s 时 变 频 器 输 出 频 率 ( hz) ,它的大小与传动结构和传动比有关 。(2) 输出频率下限 ( 钢领板上升时的起始频率) : fum

14、in = kv umin 。(3) 加减速时间 ( 从 0 hz 升至 50 hz 所需时 间) :加速时间 t a0 , t a1 , t a2 , t a3 ; 减速时间 t a0 , t a1 , t a2 , t a3 。 为了减少换向静止时间 , t a0 、t a0 可 设定为 0 . 1 s0 . 5 s 。在上升时 ,可把时间 (b c)分成三等分 ,求出中间两个时间的上升速度 v u1 、v u2和对应频率 fu1 = k v u1 , fu2 = k v u2 , 则t a1 = t u 50/ 3/ ( fu1 - fumin ) ,式中 t u 为 bc 段的时间值 。

15、同理可求出 t a2 、t a3 。下降时 (ab) , 用同样方法可求出 t a1 , t a2 , t a3图 2 中 b c 之间的曲线应符合 ( 8) 式 ,ab之间的曲线应符合 ( 11) 式 。随着上升与下降 运动交替进行 , 钢领板的位置不断提高 , 每次级升 m 毫米 , 经过 n 次 , 直至满管 。数学模型中的参数 h n 、d 0 、d 1 、m 、h 、l , 可以通过专门为之设计 的电子表格软件 , 根据纱线材料和细度要求进行 优化确定 。2 . 1 . 3卷绕满管后 ,钢领板快速下降到落纱位停止 ( e g)钢领板升到最高点 ( 满管位) , 开始以v dmax的速

16、度快速下降 ,到落纱位 g点时快速停止 , 以便于自动落纱机工作 。2 . 2控制系统的组成及工作原理2 . 2 . 1系统组成图 4 是实现钢领板运动速度曲线的控制原理 框图 。系统中采用的变频器和可编程控制器分别 是“松 下 电 工”制 造 的 v f7 e 型 和 f p0232 t 型 。变频器具备四档加 、减速时间设定 ,上限频率设定 和下限频率设定 ,快速制动功能等 。光电编码器可选用每转 200 个脉冲或更高一些的产品 。f p0232 t 型可编程控制器是一种超小型的 pl c ,它的 1994-2013 china academic journal electronic pu

17、blishing house. all rights reserved. 棉 纺 织 技 术cotto n te xtile te chnology第 30 卷 第 5 期2002 年 5 月279 【 23 】。直接利用变频器的输出频率加减速时间可以设定的特性 (必须选用具有四档加 、减速时间设定 的变频器) ,运行比较简单的程序就可以实现变速 运动的要求 。由于变频器输出频率变化是线性 的 ,所以实际上曲线是三条连续的折线 ,它与理论曲线非常贴近 ,误差很小 ,能满足等螺距卷绕的要 求 。2 . 2 . 3 pl c 控制程序图 5 是依据图 2 要求画出的 pl c 输出点 y2 y5

18、动作时序图 , pl c 的输出点 y2 y5 与变 频器相关控制点连接 。输出点 y2 、y3 控制升降电机正转/ 停止 、反转/ 停止 , y4 、y5 的通断组合 控制加减速时间的切换 ,它们合理组合就可以完 成所设定数学模型的卷绕 。因为钢领板运动速度和方向是通过与动程位置 hu 或 hd 对应的光电 编码器发出的脉冲信号数来进行控制的 ,所以在程序中必须用位置变量 ,而不能使用时间变量 ,这样可以提高控制精度 。卷装总高度可用程序中升 降次数 n 来设定 ,从图 1 可知 n = ( l - h) / m 。钢领板升降的极限位是用两个行程开关控制的 。求编制的钢领板下降时速度控制程序

19、流程图 ,加减速时间和升降的切换是靠编码器的输出脉冲数(与下降动程度很高 。hd 对应) 进行闭环控制的 ,控制精图 6 下降程序流程图整机的控制程序还包括锭子 、罗拉回转运动的控制程序 ,中途停车 、开车 、落纱和底纱成形等 操作控制程序 ,这里就不作介绍了 。图 5 pl c 输出动作时序图在卷绕成形过程中 ,电机换向切换时会有静止时间 。静止时间过长会使纱线在该位置出现重 叠卷绕现象 ,造成成形不良 ,严重影响络筒工序的正常进 行 , 所 以 第 一 加 减 速 时 间 t a0 设 定 很 小 。 换向切换位置的正确性和级升值的同一性 ,同样 也影响着卷绕成形的质量 。由于在换向切换时

20、 ,运动曲线中不允许有减速定位的过程 ,所以惯性缓冲后的实际停止位置与设定值会有一个差值 , 该差值是随机动态变化的 ,而且下降时的缓冲值 要大于上升时的缓冲值 。这个动态误差需进行实 时补偿 ,才能使级升值保持同一性 。这就需要在 程序中有实际换向时的静止位置的检测 ,把检测 到的值与设定值进行比较 、运算 ,把差值补偿到级 升的设定值中去 ,这样才能保证每次的级升值相 同 ,这一点是十分重要的 。图 6 就是根据这一要结束语3通过对 a631 e 型捻线机的改造实践 ,证明上述控制方法是可行的 。由于不采用集中传动方 法 ,在设计制造新型捻线机时可取消笨重的铸铁 机架 ,取而代之的是钢板构

21、件组合式机架 ,在一种机型上替换几种零件就可改变锭距 、升降动程 ,扩大机器对纱线细度的适用范围 ,更大程度上体现 它的优越性 。现有的 pl c 和变频器都设有与计算机的通讯接口 ,一台计算机可连接 32 台 pl c 。 根据捻线工艺的已知参数 : 纱线的细度 、锭速 、捻 度 、卷装几何参数 、升降速比等 ,可以用电子表格 设计专用软件 ,自动运算出变频器所需设定的各 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 棉 纺 织 技 术cotto n te xtile te

22、 chnology第 30 卷 第 5 期2002 年 5 月【 24 】280项参数值和 pl c 程序中的数据设定值 ,在控制室就可以对每个机台进行工艺参数优化设置 ,实现 对捻线车间的计算机信息化管理 。由于细纱机与 捻线机的卷绕成形方法相同 ,所以上述控制方法 也同样适用于各种细纱机 。版社 ,1996 .陈 浦 . 纺 纱 工 艺 学m1 上 海 : 上 海 交 通 大 学 出 版 社 ,1994 .陈金平 . 变频器在粗纱机传动中的应用设计初步j 1 中国纺织大学学报 ,2000 ; (6) :6164 .赵怀勋 ,张平国. 喷气织造技术研讨j 1 棉纺织技 术 ,1999 ;27

23、 (12) :5255 .234参考文献 :1陈人哲 . 纺织机械设计原理m. 北京 : 中国纺织出flexible control of win ding an d sha ping in the twist ing fra merong hong(dando ng textile college)abstractthe speed and diversio n of t he t hree2p hase moto r are under real2time co nt rol wit ht he p ro grammable co nt roller and t he inverter ,

24、 so t he flexible co nt rol of t he sho rt st ro ke , equal pitch , and cro ss winding o n t he circular co nical surf ace is realized , and t his make it po ssible t hat t he t wisting f rame realizes mechanical2elect rical integratio n all ro und. the part s of winding movement of t wisting f rame

25、 , t he design of flexible co nt rol of winding and t he st ruct ure and operating p rincipleof t he co nt rol system are also int ro duced.key wordstwisting frame , winding , co nt rol , ring2board , inverter解决 a272 f 型并条机压辊齿轮损坏的措施我厂有 a272 f 型并条机 28 台 , 该机原设计的前 、后 压 辊 自 停 装 置 是 由 压 辊 自 停 触 头 (a272 f20726) 触及到自停片 ( a272 f20703) 后 停 车的 。使用中发现 ,当缠绕前后压辊的现象频繁 发生