張 偉范 真徐旭松陳祖英李 京

（1.江蘇理工學(xué)院，常州 213000；2.同和紡織機(jī)械制造有限公司，常州 213000）

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電子細(xì)紗機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探析

張 偉1范 真1徐旭松1陳祖英2李 京1

（1.江蘇理工學(xué)院，常州 213000；2.同和紡織機(jī)械制造有限公司，常州 213000）

摘 要：指出當(dāng)前細(xì)紗機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的缺陷，介紹一種現(xiàn)代細(xì)紗機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。從牽伸、電錠驅(qū)動(dòng)、卷繞成形等系統(tǒng)以及主傳動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制，解析主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；提出采用多電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)牽伸機(jī)構(gòu)，控制羅拉傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制；電錠傳動(dòng)改變傳統(tǒng)帶傳動(dòng)滑溜弊端，摒棄主軸、錠帶、滾盤、張力盤等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使紡紗更穩(wěn)定；電子凸輪在分離運(yùn)動(dòng)上的應(yīng)用，摒棄了機(jī)械凸輪和多桿機(jī)構(gòu)的合成傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了不同紡制工藝的快速更換。此外，闡述相關(guān)控制模塊及數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、控制智能化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化等新技術(shù)，減輕勞動(dòng)輕度，提高生產(chǎn)效率，為今后傳統(tǒng)細(xì)紗機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：細(xì)紗機(jī) 主傳動(dòng)系統(tǒng) 電子牽伸 電錠驅(qū)動(dòng)

引言

細(xì)紗機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是整機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵所在。但是，十幾年來(lái)，它的變化并不大，一般由吸風(fēng)電機(jī)、鋼領(lǐng)板升降電機(jī)和主電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。吸風(fēng)電機(jī)在風(fēng)箱和風(fēng)道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，解決紡紗中斷頭吸入或集聚功能；鋼領(lǐng)板升降電機(jī)完成紡紗過(guò)程中鋼領(lǐng)板在始紡或滿管落紗時(shí)的下降功能；主電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是細(xì)紗機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，被稱為主傳動(dòng)，包括牽伸傳動(dòng)、錠子傳動(dòng)、升降傳動(dòng)等部分功能。圖1為目前常見(jiàn)的主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)由帶輪、齒輪、棘輪、凸輪等組成的多級(jí)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)效率低，很難整機(jī)集中應(yīng)用自動(dòng)控制、同步協(xié)調(diào)、在線檢測(cè)及微調(diào)等數(shù)控技術(shù)，具備很大的創(chuàng)新空間。

隨著數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于紡機(jī)行業(yè)，實(shí)現(xiàn)紡紗過(guò)程的智能化控制。事實(shí)上，集聚紡、自動(dòng)落紗、細(xì)絡(luò)聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)、長(zhǎng)短車和電子成型等技術(shù)為一體的新一代集聚紡細(xì)紗機(jī)已經(jīng)勢(shì)不可擋。

圖1 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1 電子細(xì)紗機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電子牽伸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械牽伸傳動(dòng)裝置經(jīng)常要設(shè)計(jì)一個(gè)變速齒輪箱，而且各路傳動(dòng)速度范圍差異大，主電機(jī)同步轉(zhuǎn)速1500m/min，錠子轉(zhuǎn)速要求12000～20000r/min，需要增速。而升降凸輪的轉(zhuǎn)速是0.5～5r/min，需要減速300～3000倍。機(jī)械減速要經(jīng)7～8級(jí)減速才能達(dá)到，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沖擊大，且容易污染，需要較多的輪系與齒輪副變速，機(jī)械零部件多，制造的質(zhì)量差且成本較高。此外，除錠子傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速外，其余傳動(dòng)都是由同步帶輪、齒輪、鏈輪來(lái)傳動(dòng)，所以只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)變速。同時(shí)，要配置很多的變換齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)牽伸和捻度的變換，很不方便。級(jí)差大，不能滿足精細(xì)紡紗的工藝要求，且進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，變換齒輪要花費(fèi)很多時(shí)間。

為了克服傳統(tǒng)機(jī)械牽伸傳動(dòng)工藝調(diào)整復(fù)雜的缺點(diǎn)，保證細(xì)紗機(jī)穩(wěn)定可靠的牽伸環(huán)境，為紗線均勻度和表面質(zhì)量提供保障，本文提出一種設(shè)計(jì)方案。該方案的牽伸型式采用三羅拉雙皮圈搖架加壓，總牽伸倍數(shù)在10～40倍，后區(qū)牽伸倍數(shù)控制在1.02～1.10，羅拉直徑為30，羅拉傳動(dòng)如圖2所示。交流伺服電機(jī)M1、M2分別同步傳動(dòng)牽伸羅拉和喂入羅拉，因喂入羅拉和中間羅拉轉(zhuǎn)速接近，可采用齒輪傳動(dòng)降低成本，牽伸倍數(shù)則通過(guò)改變牽伸羅拉轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，以避免傳統(tǒng)細(xì)紗機(jī)通過(guò)變換齒輪達(dá)到牽伸羅拉傳動(dòng)和錠子轉(zhuǎn)動(dòng)之間、牽伸羅拉和成形凸輪之間以及羅拉之間的牽伸變換。該牽伸系統(tǒng)具備兩大優(yōu)勢(shì)。一是電子牽伸可以改變喂入羅拉轉(zhuǎn)速和速度變化時(shí)間間隔，生產(chǎn)不同種類的竹節(jié)紗。因?yàn)榱_拉轉(zhuǎn)速的變化決定粗節(jié)大小，速度變化頻率決定粗節(jié)出現(xiàn)的規(guī)律。二是電子牽伸能夠更方便地調(diào)整牽伸系統(tǒng)的牽伸倍數(shù)和牽伸分配，不需要進(jìn)行齒輪調(diào)換，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)微調(diào)。

圖2 羅拉傳動(dòng)示意圖

兩個(gè)電機(jī)的獨(dú)立傳動(dòng)喂入羅拉和牽伸羅拉采集系統(tǒng)傳感器的輸入信號(hào)，并向伺服電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出信號(hào)，控制三個(gè)羅拉的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)牽伸倍數(shù)的改變。

根據(jù)捻度的定義公式，可知設(shè)備的工藝參數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

因此，可得電機(jī)M2的轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)喂入羅拉轉(zhuǎn)速公式：

可得電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速為：

1.2 錠子傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近十年來(lái)，細(xì)紗機(jī)加捻部分一般采用四錠一組，由主電機(jī)拖動(dòng)滾筒，錠帶帶動(dòng)錠子加捻的模式。但是，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的外廓尺寸較大，傳動(dòng)復(fù)雜；錠帶傳動(dòng)需要張緊，使得軸上受力大；錠帶傳動(dòng)中必然會(huì)出現(xiàn)彈性滑動(dòng)，且傳動(dòng)帶的壽命較短；錠子之間捻差較大，錠速不穩(wěn)定，不能精確地保證主、從傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速比關(guān)系；捻向調(diào)整麻煩，改變捻度需要進(jìn)行齒輪調(diào)換等缺陷。

為了消除上述錠帶傳動(dòng)的缺陷，采用單錠單電機(jī)傳動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錠帶傳動(dòng)模式，摒棄主軸、錠帶、滾盤、張力盤等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可有效解決帶傳動(dòng)滑溜造成的一系列問(wèn)題。單電機(jī)采用專用的，驅(qū)動(dòng)器體積小，且控制電機(jī)的功能植入控制器芯片中，響應(yīng)速度快，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，錠速可達(dá)20000r/min以上，能夠控制從啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程。

另外，使用電錠還具有節(jié)能。錠速穩(wěn)定，捻度不勻率降低，捻向改變方便，低噪聲，減小占地面積，實(shí)現(xiàn)一機(jī)異捻多品種同時(shí)生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)于電機(jī)一次性投入過(guò)高、保養(yǎng)、維護(hù)、管理等方面存在的問(wèn)題還有待解決。

1.3 升降傳動(dòng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)細(xì)紗機(jī)由主電機(jī)傳動(dòng)卷繞成形變換齒輪，再由棘輪與凸輪機(jī)構(gòu)合成往復(fù)變速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼領(lǐng)板升降和細(xì)紗卷繞成形，其機(jī)構(gòu)復(fù)雜易發(fā)生故障，需要通過(guò)計(jì)算變換調(diào)整相應(yīng)的零件來(lái)適應(yīng)工藝變化，增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率。

為了克服傳統(tǒng)凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，本文的升降傳動(dòng)采用伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，并用電子凸輪預(yù)設(shè)凸輪曲線軌跡，直接驅(qū)動(dòng)鋼領(lǐng)板，摒棄傳統(tǒng)凸輪機(jī)構(gòu)復(fù)雜的缺陷，精確控制鋼領(lǐng)板上下變速升降和始繞動(dòng)程遞增等成形運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，是紗錠成形示意圖。它分為管身和管底兩個(gè)部分，H為紗層高度（也稱短動(dòng)程），R為最大卷繞半徑，r為最小卷繞半徑（通常為紗管半徑），β為卷繞圓錐形的錐角（經(jīng)驗(yàn)值為10～15°），h為法向螺距，即紗層相鄰兩根紗線的最小距離。

圖3 紗錠成形示意圖

根據(jù)卷繞成形的原理可知，鋼領(lǐng)板的升降動(dòng)程決定了紗錠的形狀和紗線繞制的疏密程度，且鋼領(lǐng)板上升對(duì)應(yīng)卷繞層，下降對(duì)應(yīng)束縛層。而想要控制電子凸輪的行程曲線，就必須構(gòu)建鋼領(lǐng)板上升和下降的位移曲線以及得到鋼領(lǐng)板上升和下降的位移差值。

鋼領(lǐng)板上升和下降行程公式分別為：

級(jí)升計(jì)算公式：

設(shè)凸輪轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)紗管卷繞長(zhǎng)度為L(zhǎng)［3］：

根據(jù)以上公式，可以計(jì)算出電子凸輪曲線。然后，根據(jù)不同工藝要求，輸入H、R、r、級(jí)升Y以及上升和下降曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的參數(shù)值，并且伺服驅(qū)動(dòng)可以根據(jù)用戶實(shí)時(shí)輸入的參數(shù)生成新的行程路線。另外，為了方便調(diào)試和檢修，可以根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算出鋼領(lǐng)板短動(dòng)程H和級(jí)升分別對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，并根據(jù)主軸和從軸的周期脈沖數(shù)生成的曲線進(jìn)行對(duì)照。

2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)

主傳動(dòng)系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（PLC）集中控制，并與觸摸屏和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相連，其主傳動(dòng)系統(tǒng)控制框圖見(jiàn)圖4。

圖4 主傳動(dòng)系統(tǒng)控制框圖

用PCC以及現(xiàn)代總線技術(shù)控制整個(gè)細(xì)紗機(jī)的傳動(dòng)狀態(tài)，各部分邏輯動(dòng)作根據(jù)紡紗理論和實(shí)際檢測(cè)信息進(jìn)行優(yōu)化控制。

電子牽伸傳動(dòng)控制流程圖如圖5所示。紡機(jī)啟動(dòng)后，由用戶輸入?yún)?shù)，編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速，并反饋到PLC控制器中，再對(duì)實(shí)測(cè)錠速與設(shè)定錠速進(jìn)行比較。當(dāng)偏差超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，通過(guò)將算法計(jì)算修訂后的頻率發(fā)給變頻器來(lái)調(diào)整電錠轉(zhuǎn)速；當(dāng)偏差在設(shè)定范圍時(shí)，則計(jì)算伺服電機(jī)M1、M2的轉(zhuǎn)速，再根據(jù)伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)，計(jì)算出脈沖周期和個(gè)數(shù)，并向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖，控制三個(gè)羅拉的轉(zhuǎn)速。

圖5 電子牽伸傳動(dòng)控制流程圖

采用智能化電錠技術(shù)，單錠紡紗性能指標(biāo)可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)紡紗張力進(jìn)行優(yōu)化。另外，電錠速度控制更加方便精準(zhǔn)，可以根據(jù)紡紗張力變化設(shè)定不同的紡紗速度，進(jìn)一步提高紡紗速度。通過(guò)電錠實(shí)時(shí)物理參數(shù)的采集，可瞬間判斷出正確檢測(cè)結(jié)果，使錠子和羅拉能夠及時(shí)自動(dòng)停止，從而避免斷頭后繞花現(xiàn)象的出現(xiàn)［5-6］。

整個(gè)框架由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)分離的羅拉，按多軸高同步要求驅(qū)動(dòng)，跟隨虛擬主軸，并嚴(yán)格按照事先設(shè)定的凸輪曲線軌跡傳動(dòng)，完成各軸對(duì)虛擬主軸的位置同步以及可調(diào)的分離效果。這個(gè)所謂的虛擬主軸并非真實(shí)存在的軸，而是按照各軸預(yù)先設(shè)定的位置關(guān)系建立的一個(gè)同步模型。當(dāng)紗型、有效輸出長(zhǎng)度等工藝參數(shù)或相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，可以在人機(jī)界面上重新設(shè)定，自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，快速方便地切換至新的工藝［7-10］。

3 結(jié)語(yǔ)

電子牽伸傳動(dòng)相對(duì)齒輪牽伸傳動(dòng)有本質(zhì)上的飛躍，不僅避免了齒輪傳動(dòng)的劣勢(shì)，抗干擾能力強(qiáng)，而且實(shí)現(xiàn)了羅拉轉(zhuǎn)速的精確控制，使?fàn)可飙h(huán)境穩(wěn)定可靠，提高了牽伸控制精度和成紗質(zhì)量。

電錠、電子凸輪與在線檢測(cè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)紡紗過(guò)程的全程監(jiān)控，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)調(diào)整，為未來(lái)細(xì)紗機(jī)自動(dòng)接頭的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件和基礎(chǔ)。

通過(guò)控制器PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，發(fā)揮了數(shù)控技術(shù)在紡紗領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。細(xì)紗機(jī)數(shù)字化、智能化的不斷創(chuàng)新，是紡機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的重要一環(huán)，也是細(xì)紗制造技術(shù)的革新方向。它終將改變傳統(tǒng)紡織行業(yè)生產(chǎn)管理模式，為未來(lái)紡紗企業(yè)的“無(wú)人工廠”模式奠定基礎(chǔ)。

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The Electronic Design of the Main Drive System of Spinning Machine

ZHANG Wei1，F(xiàn)AN Zhen1，XU Xusong1，CHEN Zuying2，LI Jing1
（1.Jiangsu Institute of technology， Changzhou 213000；2. Textile Machinery Manufacturing Co. Ltd.， Changzhou 213000）

Abstract:Points out the defects of current spinning machine main transmission system and introduces a design of main drive system of modern spinning machines. Respectively， from the drafting， spindle drive， winding shaping system and the main drive system of coordination and control， analysis of the main drive system design. The multi motor drive alone drafting mechanism， control roller transmission， to realize digital control； electric spindle drive to change the traditional drawbacks of slippage of drive， get rid of the spindle， spindle tapes， rolling wheel， a tension pulley and other mechanical transmission mechanism， which allows the spinning more stable； electronic cam in separate operations on the application， get rid of the m echanical cam and linkage of the synthetic transmission， realize the rapid replacement of different spinning technology. Describes the related control module and a mathematical model， mechanical and electrical integration， control intelligent， simple structure and new technology， reduce labor mild and improves the production efficiency， as in traditional s pinning machine main drive system design for reference.

Key words:spinning machine， main drive system， electronic drafting， spindle drive

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助（51475219），研究生科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（YJSK14008）。