三通道數碼紡環錠細紗機電控系統設計

經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 三通道數碼紡環錠細紗機控制系統的搭建

圖1是三通道數碼紡環錠細紗機每錠對應的牽伸區示意圖，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，五者之間是互不關聯的傳動，以擴大設備的適紡范圍。從結構示意圖上可以看到，三根粗紗共用一個前區牽伸倍數，通過改變后羅拉的轉速，調節單根粗紗的后區牽伸倍數，實際上是控制單位時間內進入牽伸區的粗紗量，可以改變細紗成份配比。這樣的結構，可以保證三根粗紗按需求量經過牽伸后在加捻區耦合成細紗。

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

圖2是根據機器紡紗功能的需要而搭建的主要控制系統原理圖。加捻主傳動系統和細紗卷繞成形系統一般分開各由單獨的PLC控制，控制參數需要根據細紗工藝由人工預先設定并存儲在人機交互界面中，設備運行時按需自動讀取并執行。

設備控制的重點在于牽伸區。電子牽伸式細紗機，加捻主傳動部件和牽伸部件之間，已經沒有機械關聯，紡紗參數的執行，靠電氣元件執行相關動作來完成，而且三通道數碼紡環錠細紗機是一款主要紡制耦合細紗的設備，對羅拉的運動要求較高。

圖1 單錠對應牽伸區示意圖

圖2 三通道數碼紡環錠細紗機控制系統原理圖

2 加捻主傳動、管紗成形傳動和牽伸傳動的數字化控制計算

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不一樣，為了減小各個階段（包括落紗過程）的細紗斷頭數量和提高細紗產量，加捻主傳動已經摒棄了過去靠接觸器和雙速電機結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，為了更好的適應紡紗過程，根據實踐經驗，對錠速進行分段控制。

在國產經緯紡機系列細紗機上，錠速曲線優化為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，電機根據錠速曲線變速運動，動力經平皮帶帶動主軸轉動，并通過滾盤帶動錠帶、錠帶帶動錠盤傳動，錠速曲線的執行，由PLC1根據“人機交互界面”里存儲的相關數據執行。

根據錠子的傳動路線圖，可以求得錠子的理論轉速為：

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的智能化控制計算。

對于三通道數碼紡環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速n5，然后換算出錠子的轉速，以減少細紗的捻度誤差。

錠子的實時轉速計算公式變為：

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設為固定值不合適，要以實踐數據為基礎，η2根據錠速曲線變化而變化。

細紗捻度值和錠子實時轉速，決定了牽伸區前羅拉的轉速，前羅拉的轉速為：

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速。這是由PLC3根據編碼器檢測到的n5、人機交互界面里存儲的η2和y自動計算得出[1]。

牽伸區的所有羅拉之間沒有機械關聯，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軸器聯結，為保證牽伸準確可靠，傳動不選用平皮帶等有打滑系數的方式。

牽伸區的所有運動都根據PLC3由人機交互界面里設定的參數自動計算而得，需要說明的是，粗紗進入后牽伸區，對于三通道數碼紡環錠細紗機而言，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，在電氣設計時，需要提前考慮牽伸效率系數，此系數需要在紡紗時打樣確定。

環錠細紗機紡紗時為了絡筒和“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，在機械升降時，鋼領板瞬時速度是由凸輪外形控制，是一個模擬量，在電子升降系統中，動力來自于伺服電機，借助于伺服系統的精確性，可以對鋼領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，通過數學計算，鋼領板上升時的瞬時速度為：

式中，Vg為鋼領板上升時瞬時速度，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。關于鋼領板的升降運動，由PLC2讀取人機交互界面里面設定的卷繞圈距h（決定于細紗號數）、短動程、管紗直徑等一系列參數自動計算后運行[2-3]。

3 一些特殊紡紗工藝的執行原理

除了上文中所述常規的環錠紡電氣化控制原理和方法，三通道數碼紡環錠細紗機重點在于執行一些特殊的紡紗工藝，紡制單紗、賽絡紗及以基于三通道耦合技術的混色紗、幻彩紗、竹節段彩紗、變支變捻紗等各式細紗。

一般的，細紗工藝參數表需要在人機界面里設定然后被選擇和執行，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 羅拉與伺服電機聯接示意圖

圖6 細紗卷繞三維模型圖

表1 三通道數碼紡工藝參數表示樣

三通道數碼紡環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的規律：

式中，e為理論總牽倍數，也就是假定以單根粗紗紡等線密度細紗時的牽伸倍數，e1為粗紗1總牽倍數，e2為粗紗2總牽倍數，e3為粗紗3總牽倍數?；诖耍梢灾?，細紗段號1是以粗紗各占1/3的比例紡制細紗，且三根細紗的后區牽伸倍數各為1.25倍，紡制的細紗號數為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定捻度1.2倍的細紗[4-5]。

三通道數碼紡環錠細紗機在紡紗時需要讀取預設的細紗工藝參數表，改變細紗配比、細紗線密度、捻度系數，都由程序執行參數表來完成；一般的，為了設備執行工藝的穩定性，都是改變牽伸羅拉的轉速，而不改變主軸的轉速。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速隨機變化，但是依然需要滿足公式5所示的數學關系。

4 結束語

三通道數碼紡環錠細紗機，是一款電子升降和全電子牽伸型細紗機，而且牽伸區的機械結構比普通細紗機更加復雜，本文分析并總結了該機在執行加捻、牽伸及紗管成形時所遵循的數學規律，以及基于此而搭建的電氣控制系統原理，為設備的電控系統進一步智能化提供借鑒。