經(jīng)緯智能紡織機械有限公司 李增潤 管幼平 程芝芳 韋金平/文

1 三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細紗機控制系統(tǒng)的搭建

圖1是三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細紗機每錠對應(yīng)的牽伸區(qū)示意圖，每一錠位有三根同軸但獨立傳動的后羅拉，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，以擴大設(shè)備的適紡范圍。從結(jié)構(gòu)示意圖上可以看到，三根粗紗共用一個前區(qū)牽伸倍數(shù)，通過改變后羅拉的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)單根粗紗的后區(qū)牽伸倍數(shù)，實際上是控制單位時間內(nèi)進入牽伸區(qū)的粗紗量，可以改變細紗成份配比。這樣的結(jié)構(gòu)，可以保證三根粗紗按需求量經(jīng)過牽伸后在加捻區(qū)耦合成細紗。

和普通的電子升降和電子牽伸細紗機一樣，三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細紗機采用獨立的可編程邏輯控制器(PLC)控制主軸電機按預(yù)設(shè)的錠子速度曲線運行。也需要根據(jù)細紗號數(shù)、管紗高度、鋼領(lǐng)板升降短動程、卷繞圈距等相關(guān)參數(shù)信息對鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板的升降運動進行控制，以便完成管紗成形。不同的是，牽伸區(qū)因為后羅拉是三根同軸且分別獨立運轉(zhuǎn)的后羅拉組合，需要一個單獨的可編程邏輯控制器，根據(jù)人機交互界面系統(tǒng)中設(shè)定的紡紗信息，控制各羅拉伺服驅(qū)動器，進而控制各羅拉電機，最終完成粗紗纖維的牽伸[1]。

圖2是根據(jù)機器紡紗功能的需要而搭建的主要控制系統(tǒng)原理圖。加捻主傳動系統(tǒng)和細紗卷繞成形系統(tǒng)一般分開各由單獨的PLC控制，控制參數(shù)需要根據(jù)細紗工藝由人工預(yù)先設(shè)定并存儲在人機交互界面中，設(shè)備運行時按需自動讀取并執(zhí)行。

設(shè)備控制的重點在于牽伸區(qū)。電子牽伸式細紗機，加捻主傳動部件和牽伸部件之間，已經(jīng)沒有機械關(guān)聯(lián)，紡紗參數(shù)的執(zhí)行，靠電氣元件執(zhí)行相關(guān)動作來完成，而且三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細紗機是一款主要紡制耦合細紗的設(shè)備，對羅拉的運動要求較高。

圖1 單錠對應(yīng)牽伸區(qū)示意圖

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

2 加捻主傳動、管紗成形傳動和牽伸傳動的數(shù)字化控制計算

一管細紗的紡制過程，一般被分為小紗、中紗和大紗三個階段，因為氣圈高度和直徑在不同階段里狀態(tài)不一樣，為了減小各個階段（包括落紗過程）的細紗斷頭數(shù)量和提高細紗產(chǎn)量，加捻主傳動已經(jīng)摒棄了過去靠接觸器和雙速電機結(jié)合的只有高低雙速的模式，而是靠三相異步電動機配置變頻器，在PLC的控制下運動，為了更好的適應(yīng)紡紗過程，根據(jù)實踐經(jīng)驗，對錠速進行分段控制。

在國產(chǎn)經(jīng)緯紡機系列細紗機上，錠速曲線優(yōu)化為9段線，圖3是某種細紗的錠速曲線示意圖，橫軸代表一落紗的總長百分比，縱軸代表主軸電機變頻器的頻率變化百分比。圖4所示的是錠子的傳動形式，電機根據(jù)錠速曲線變速運動，動力經(jīng)平皮帶帶動主軸轉(zhuǎn)動，并通過滾盤帶動錠帶、錠帶帶動錠盤傳動，錠速曲線的執(zhí)行，由PLC1根據(jù)“人機交互界面”里存儲的相關(guān)數(shù)據(jù)執(zhí)行。

根據(jù)錠子的傳動路線圖，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為變頻器實時頻率，50為交流電頻率，n1為主軸電機額定轉(zhuǎn)速，d2為電機帶輪直徑，σ3為平皮帶厚度，d4為主軸帶輪直徑，d6為滾盤直徑，d7為錠盤直徑，σ8為錠帶厚度，η1為電機帶輪與主軸帶輪之間的傳動效率，η2為滾盤與錠盤之間的傳動效率。

實際上，因為是平皮帶傳動，必然存在著打滑現(xiàn)象，而且電機變速時，由于慣性原因打滑尤為明顯，這會造成η1和η2不是一個可以精確測得的定值，計算出的理論錠速和實際錠速會有所差別，不能直接用于牽伸區(qū)的智能化控制計算。

對于三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細紗機這樣的全電子牽伸細紗機，往往采取在主軸上安裝光電碼盤式編碼器，直接檢測實時主軸轉(zhuǎn)速n5，然后換算出錠子的轉(zhuǎn)速，以減少細紗的捻度誤差。

錠子的實時轉(zhuǎn)速計算公式變?yōu)椋?/p>

圖4 細紗機加捻傳動示意圖

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

細紗捻度值和錠子實時轉(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為細紗捻度值，dq為前羅拉直徑，此處不計捻縮率。最終由前羅拉的實時轉(zhuǎn)速和“前羅拉伺服電機到前羅拉”之間的傳動比計算出前羅拉電機的轉(zhuǎn)速。這是由PLC3根據(jù)編碼器檢測到的n5、人機交互界面里存儲的η2和y自動計算得出[1]。

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

牽伸區(qū)的所有運動都根據(jù)PLC3由人機交互界面里設(shè)定的參數(shù)自動計算而得，需要說明的是，粗紗進入后牽伸區(qū)，對于三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細紗機而言，因為搖架壓力、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)計時，需要提前考慮牽伸效率系數(shù)，此系數(shù)需要在紡紗時打樣確定。

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

圖6是細紗卷繞成形的三維模型圖，通過數(shù)學計算，鋼領(lǐng)板上升時的瞬時速度為：

式中，Vg為鋼領(lǐng)板上升時瞬時速度，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為相對于初始位置的細紗卷繞角度，D為管紗外徑。關(guān)于鋼領(lǐng)板的升降運動，由PLC2讀取人機交互界面里面設(shè)定的卷繞圈距h（決定于細紗號數(shù)）、短動程、管紗直徑等一系列參數(shù)自動計算后運行[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)錠細紗機重點在于執(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紗。

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

圖5 羅拉與伺服電機聯(lián)接示意圖

圖6 細紗卷繞三維模型圖

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)錠細紗機在紡制耦合等線密度細紗時，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紗時的牽伸倍數(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)?；诖耍梢灾?，細紗段號1是以粗紗各占1/3的比例紡制細紗，且三根細紗的后區(qū)牽伸倍數(shù)各為1.25倍，紡制的細紗號數(shù)為19.7g/km；細紗段號2是在以粗紗1占50%、粗紗2占30%，粗紗3占20%的比例紡制細紗號數(shù)為19.7g/km的細紗；細紗段號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倍的細紗[4-5]。

三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細紗機在紡紗時需要讀取預(yù)設(shè)的細紗工藝參數(shù)表，改變細紗配比、細紗線密度、捻度系數(shù)，都由程序執(zhí)行參數(shù)表來完成；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。對于一些等線密度的隨機幻彩紗的紡制，盡管三根后羅拉的轉(zhuǎn)速隨機變化，但是依然需要滿足公式5所示的數(shù)學關(guān)系。

4 結(jié)束語

三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細紗機，是一款電子升降和全電子牽伸型細紗機，而且牽伸區(qū)的機械結(jié)構(gòu)比普通細紗機更加復(fù)雜，本文分析并總結(jié)了該機在執(zhí)行加捻、牽伸及紗管成形時所遵循的數(shù)學規(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)進一步智能化提供借鑒。