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      三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2019-03-29 02:18:02經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司李增潤(rùn)管幼平程芝芳韋金平
      紡織機(jī)械 2019年2期
      關(guān)鍵詞:環(huán)錠捻度細(xì)紗機(jī)

      經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司 李增潤(rùn) 管幼平 程芝芳 韋金平/文

      1 三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)控制系統(tǒng)的搭建

      圖1是三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)每錠對(duì)應(yīng)的牽伸區(qū)示意圖,每一錠位有三根同軸但獨(dú)立傳動(dòng)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(dòng),以擴(kuò)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(gè)前區(qū)牽伸倍數(shù),通過(guò)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(shí)際上是控制單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入牽伸區(qū)的粗紗量,可以改變細(xì)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(guò)牽伸后在加捻區(qū)耦合成細(xì)紗。

      和普通的電子升降和電子牽伸細(xì)紗機(jī)一樣,三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)采用獨(dú)立的可編程邏輯控制器(PLC)控制主軸電機(jī)按預(yù)設(shè)的錠子速度曲線運(yùn)行。也需要根據(jù)細(xì)紗號(hào)數(shù)、管紗高度、鋼領(lǐng)板升降短動(dòng)程、卷繞圈距等相關(guān)參數(shù)信息對(duì)鋼領(lǐng)板和導(dǎo)紗板的升降運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,以便完成管紗成形。不同的是,牽伸區(qū)因?yàn)楹罅_拉是三根同軸且分別獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的后羅拉組合,需要一個(gè)單獨(dú)的可編程邏輯控制器,根據(jù)人機(jī)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(dòng)器,進(jìn)而控制各羅拉電機(jī),最終完成粗紗纖維的牽伸[1]。

      圖2是根據(jù)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)和細(xì)紗卷繞成形系統(tǒng)一般分開(kāi)各由單獨(dú)的PLC控制,控制參數(shù)需要根據(jù)細(xì)紗工藝由人工預(yù)先設(shè)定并存儲(chǔ)在人機(jī)交互界面中,設(shè)備運(yùn)行時(shí)按需自動(dòng)讀取并執(zhí)行。

      設(shè)備控制的重點(diǎn)在于牽伸區(qū)。電子牽伸式細(xì)紗機(jī),加捻主傳動(dòng)部件和牽伸部件之間,已經(jīng)沒(méi)有機(jī)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(dòng)作來(lái)完成,而且三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)是一款主要紡制耦合細(xì)紗的設(shè)備,對(duì)羅拉的運(yùn)動(dòng)要求較高。

      圖1 單錠對(duì)應(yīng)牽伸區(qū)示意圖

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

      2 加捻主傳動(dòng)、管紗成形傳動(dòng)和牽伸傳動(dòng)的數(shù)字化控制計(jì)算

      一管細(xì)紗的紡制過(guò)程,一般被分為小紗、中紗和大紗三個(gè)階段,因?yàn)闅馊Ω叨群椭睆皆诓煌A段里狀態(tài)不一樣,為了減小各個(gè)階段(包括落紗過(guò)程)的細(xì)紗斷頭數(shù)量和提高細(xì)紗產(chǎn)量,加捻主傳動(dòng)已經(jīng)摒棄了過(guò)去靠接觸器和雙速電機(jī)結(jié)合的只有高低雙速的模式,而是靠三相異步電動(dòng)機(jī)配置變頻器,在PLC的控制下運(yùn)動(dòng),為了更好的適應(yīng)紡紗過(guò)程,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)錠速進(jìn)行分段控制。

      在國(guó)產(chǎn)經(jīng)緯紡機(jī)系列細(xì)紗機(jī)上,錠速曲線優(yōu)化為9段線,圖3是某種細(xì)紗的錠速曲線示意圖,橫軸代表一落紗的總長(zhǎng)百分比,縱軸代表主軸電機(jī)變頻器的頻率變化百分比。圖4所示的是錠子的傳動(dòng)形式,電機(jī)根據(jù)錠速曲線變速運(yùn)動(dòng),動(dòng)力經(jīng)平皮帶帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng),并通過(guò)滾盤(pán)帶動(dòng)錠帶、錠帶帶動(dòng)錠盤(pán)傳動(dòng),錠速曲線的執(zhí)行,由PLC1根據(jù)“人機(jī)交互界面”里存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)執(zhí)行。

      根據(jù)錠子的傳動(dòng)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(shí)時(shí)頻率,50為交流電頻率,n1為主軸電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,d2為電機(jī)帶輪直徑,σ3為平皮帶厚度,d4為主軸帶輪直徑,d6為滾盤(pán)直徑,d7為錠盤(pán)直徑,σ8為錠帶厚度,η1為電機(jī)帶輪與主軸帶輪之間的傳動(dòng)效率,η2為滾盤(pán)與錠盤(pán)之間的傳動(dòng)效率。

      實(shí)際上,因?yàn)槭瞧狡鲃?dòng),必然存在著打滑現(xiàn)象,而且電機(jī)變速時(shí),由于慣性原因打滑尤為明顯,這會(huì)造成η1和η2不是一個(gè)可以精確測(cè)得的定值,計(jì)算出的理論錠速和實(shí)際錠速會(huì)有所差別,不能直接用于牽伸區(qū)的智能化控制計(jì)算。

      對(duì)于三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)這樣的全電子牽伸細(xì)紗機(jī),往往采取在主軸上安裝光電碼盤(pán)式編碼器,直接檢測(cè)實(shí)時(shí)主軸轉(zhuǎn)速n5,然后換算出錠子的轉(zhuǎn)速,以減少細(xì)紗的捻度誤差。

      錠子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

      圖4 細(xì)紗機(jī)加捻傳動(dòng)示意圖

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

      細(xì)紗捻度值和錠子實(shí)時(shí)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(xì)紗捻度值,dq為前羅拉直徑,此處不計(jì)捻縮率。最終由前羅拉的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和“前羅拉伺服電機(jī)到前羅拉”之間的傳動(dòng)比計(jì)算出前羅拉電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是由PLC3根據(jù)編碼器檢測(cè)到的n5、人機(jī)交互界面里存儲(chǔ)的η2和y自動(dòng)計(jì)算得出[1]。

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

      牽伸區(qū)的所有運(yùn)動(dòng)都根據(jù)PLC3由人機(jī)交互界面里設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算而得,需要說(shuō)明的是,粗紗進(jìn)入后牽伸區(qū),對(duì)于三通道數(shù)碼紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)而言,因?yàn)閾u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(jì)時(shí),需要提前考慮牽伸效率系數(shù),此系數(shù)需要在紡紗時(shí)打樣確定。

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

      圖6是細(xì)紗卷繞成形的三維模型圖,通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算,鋼領(lǐng)板上升時(shí)的瞬時(shí)速度為:

      式中,Vg為鋼領(lǐng)板上升時(shí)瞬時(shí)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(duì)于初始位置的細(xì)紗卷繞角度,D為管紗外徑。關(guān)于鋼領(lǐng)板的升降運(yùn)動(dòng),由PLC2讀取人機(jī)交互界面里面設(shè)定的卷繞圈距h(決定于細(xì)紗號(hào)數(shù))、短動(dòng)程、管紗直徑等一系列參數(shù)自動(dòng)計(jì)算后運(yùn)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(xì)紗機(jī)重點(diǎn)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(xì)紗。

      一般的,細(xì)紗工藝參數(shù)表需要在人機(jī)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(xì)紗,若配色表如下所示,

      圖5 羅拉與伺服電機(jī)聯(lián)接示意圖

      圖6 細(xì)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(xì)紗機(jī)在紡制耦合等線密度細(xì)紗時(shí),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(xì)紗時(shí)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)。基于此,可以知道,細(xì)紗段號(hào)1是以粗紗各占1/3的比例紡制細(xì)紗,且三根細(xì)紗的后區(qū)牽伸倍數(shù)各為1.25倍,紡制的細(xì)紗號(hào)數(shù)為19.7g/km;細(xì)紗段號(hào)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(xì)紗號(hào)數(shù)為19.7g/km的細(xì)紗;細(xì)紗段號(hào)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(xì)紗[4-5]。

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

      4 結(jié)束語(yǔ)

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

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