（机械电子工程专业论文）四电机分部传动粗纱机的计算机控制系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 粗纱机是棉纺厂的重要生产设备。棉纺技术的不断发展，对粗纱机也提出了 越来越高的要求。传统粗纱机传动系统过于复杂、控制精度低等缺陷，严重影响 了粗纱机的迸一步发展。为了简化粗纱机的传动系统，提高粗纱机的运行效率和 机电一体化水平，本文提出了采用计算机进行控制，四电机分部传动的新型粗纱 机传动系统设计方案，利用工控机技术、c a n 总线技术、p l c 技术、电机伺服控 制技术等一系列先进技术，对原有的粗纱机传动系统进行全面的改造。 本文第一章综述了本课题的研究背景、粗纱机的发展状况以及粗纱机的工序 任务和工艺流程，并简单介绍了本课题的主要研究内容。 第二章通过对传统粗纱机主要机构的功能与工作原理的分析和研究，针对其 机械传动方式上存在的缺陷，提出采用四电机进行分部传动的设计方案，简化传 动系统，并依照粗纱的卷绕和成形规律，进行数学建模。 第三章在介绍工控机、c a n 总线等技术的基础上，实现四电机分部传动粗纱 机计算机控制系统的总体方案设计。 第四章按照总体控制方案进行了系统详细的硬件设计与软件实现，对于如何 进行数据通讯，如何实现四伺服电机的同步控制、如何利用数学模型控制粗纱卷 绕成形进行了深入探讨。 第五章介绍了控制系统的安装调试及在粗纱机上进行大量纺纱试验的过程， 对试验结果进行了分析和研究，并对纺纱过程中出现的问题与解决方案进行阐述 与讨论。 第六章对本文的研究结果进行归纳总结，并指出课题进一步开展研究工作的 设想。 关键词：粗纱机计算机控制系统分部传动c a n 总线同步控制伺服电机 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f l y e rf r a m ei so n eo f t h ei m p o r t a n te q u i p m e n ti nc o t t o ns p i n n i n gm i l l w 油t h e d e v e l o p m e n to fc o t c o ns p i n n i n gt e c h n i q u e ，h i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ea t t c h e dt of l y e r f r a m et o o t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft r a d i t i o n a lf l y e rf r a m ei sc o m p l e x 1 0 wc o n t r 0 1 a c c u r a c nw h i c h w i l li n f l u e n c et h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f f l y e rf r a m eh a r d l y i no r d e r t o s i m p l i f y t h et r a n s m i s s i o n s y s t e mo ft r a d i t i o n a lf l y e rf r a m e ，r a i s e o p e r a t i o n e f f i c i e n c ya n di m p r o v et h em e c h a t r o n i c sl e v e l ，an e wp r o j e c ti sp r e s e n t e d ，a d o p t i n g f o u rm o t o rs e c t i o n a ld r i v es y s t e mw i t hc o m p u t e rc o n t r 0 1 t or e f o r mt h et r a n s m i s s i o n s y s t e mo f t r a d i t i o n a lf l y e rf r a m e t h o r o u g h l y ，s e v e r a la d v m a c e dt e c h n i q u e sa r ea d o p t e d i nt h i ss y s t e m ，s u c ha si p c ，p l c ，c 鲇qf i e l db u sa n ds e t v om o t o rc o n t r 0 1 c h a p t e ro n es u m m a r i z e st h eb a c k g r o u n do ft h i sr e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n t h i s t o r yo ff l y e rf r a m e ，a sw e l la st h ep r o c e s sa n dt e c h n i c sf l o wo fi t i nt h ee n d ，t h e c h i e f r e s e a r c hc o n t e n ti sb r i e f l yi n t r o d u c e d c h a p t e rt w oa n a l y z e st h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h em a i nm e c h a n i s m ，a n d p r e s e n t an e wd e s i g nm e t h o dw i t hf o u rm o t o rs e c t i o n a ld r i v e t o s i m p l i f y t h e t r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h et r a d i o n a lf l y e rf r a m e ，t h e ng i v e san e w p a t t e r nb a s e do n t h er o l l i n gs h a p i n gr u l eo f f l y e rf r a m e i n c h a p t e rt h r e e ，s o m er e l a t e dt e c h n i q u e sa si p ca n dc a nb u sa r eb r i e f l y i n t r o d u c e d ，t h e na c h i e v e sa no v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t h c o m p u t e r c o n t r 0 1 i nc h a p t e rf o u r , o nt h eb a s i so f t h eo v e r a l ls c h e m e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r e a c c o m p l i s h e d n l ed a t ac o m m u n i c a t i o n t h es y n c h o r o u sc o n t r o lo fs e r v om o t o ra n d h o wt oc o n t r o lr o l l i n ga n ds h a p i n go f r o v i n g a r ed i s c u s s e di nd e t a i l i nc h a p t e rf i v e ，t h ed e b u g p r o c e s si sp r e s e n t e d ，t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ed i s c u s s e d a n da n a l y z e d ，t h ep r o b l e m si ns p i n n i n gt e s ta n dr e l e v a n ts o l u t i o n sa r ei n t r o d u e da n d d i s c u s s e dt o o f i n a l l y , i nc h a p t e rs i x ，as u m m a r i z a t i o n o nt h es t u d yr e s u l t so ft h i sp a p e ri sg i v e n ， t h ec o n c e i to f t h ef t l r t h e rr e s e a r c hw o r ki sp o i n t e do u t k e y w o r d s ：r o v i n gf r a m e ；c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m ；s e c t i o n a l d r i v e ； c a n b u s ；s y n c h o r o u sc o n t r o l ； s e r v om o t o r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 中国是纺织大国，同时也是纺织机械的需求大国，早在1 0 多年前原纺织工 业部就开始致力于纺机国产化的工作，但如今国外纺机设备仍占据着国内市场半 壁江山。据统计，“八五”期间，进口纺机占国内市场的6 7 ，“九五”期间 下降到5 3 ，但到2 0 0 0 年国外纺机的市场占有率又重新反弹到5 6 ，2 0 0 1 年 上半年占6 3 。 业内专家分析，国内纺织市场需求趋旺，纺织行业赢利水平不断提高；同时， 随着国际纺织品市场回暖，我国纺织品出口强劲增长：以及加入世界贸易组织给 扩大纺织品出口带来了利好前景，在这种大环境下，纺织企业开始在加快技术改 造，提高产品档次上下功夫，以期通过大规模进口设备，增强企业的市场竞争力。 但是，纺织设备进口成倍增长也带来一些问题。比如，进口的纺织设备种类雷同， 大量进口设备的技术性能不够先进。从引进设备情况看，技术上处于国际先进水 平的较少，旧设备占有较大比重，有些甚至是9 0 年代初期产品。业内人士对这 一状况表示忧虑，认为虽然国内纺织行业开始复苏，但大规模进口设备特别是较 为落后的旧设备，不利于我国纺织业的振兴和可持续发展。【l 】 国内的纺织机械行业经过几十年的发展，有了很大进步，取德了喜人的成果， 能基本满足纺织企业产业结构调整的需求。但是，与国际先进水平相比，依靠传 统的用工和管理、适应高速和机电一体化、保证纺纱质量的控制检测手段以及工 艺的合理性、品种的适应性上仍有不小的差距，技术竞争力比较差，总体水平低， 产品自主开发和创新能力薄弱。 根据纺织工业”十五”发展规划，纺织工业应通过结构调整，技术改造，实现 产业升级。这就需要众多的纺织机械制造企业面对现实，承认差距，发扬创新精 神，紧紧围绕纺织工业科技进步的趋势和当前进口量大，技术竞争能力较差的产 品领域，采取有效措施，提高自主开发能力和全社会配套能力，不断研制出符合 我国棉纺织企业发展的新型设备，形成一批有市场竞争力的产品，以期在未来的 纺机市场中占有一定份额。1 2 j 未来纺织机械发展的趋势将是高新技术的竞争，技术的竞争将更加激烈，多 学科、多门类的相互渗透，相互移植，相互采用，声、光、气、液、机、电、仪 等技术集于一体，促使纺织机械产品技术水平迅速提高。高科技含量的增加，使 纺织机械领域出现了新的前沿技术，并将逐步向纵深发展。 自动化控制技术的应用在深入普及。p l c 可编程序控制器、变频器、i p c 工 业控制计算机、分布传动、在线检测和p c s 控制系统等的采用，促使纺织机械 浙江大学硕士学位论文 向自动化、连续化、智能化方面发展，谋求高速度、大卷装、高效率、少用工， 求得高效益。i j j 作为棉纺厂的重要生产设备，粗纱机在生产流程中属于由熟条到纺成细纱前 的准备工序。粗纱工艺在纺织生产中占有重要的地位，如何在保证粗纱产品质量 的前提下，使粗纱机工作更可靠、结构更简单、操作更方便、效率更高，从而提 高粗纱机的产品竞争力，是纺织机械领域一个重要的研究课题【4 1 。近年来，正是 随着自动化控制技术在各行业的广泛应用与深入普及以及满足进一步提高纺机 竞争力的内在要求，在粗纱机上采用先进的基于计算机的电气传动控制技术取代 传统的机械传动控制，实现粗纱机高速、高效、高度的机电一体化的趋势已成为 必然【5 j 。本课题的研究正是在这种背景下开展的。 1 2 粗纱机的工序任务与工艺流程 粗纱机的目的是将精并后的熟条加工成不同支数和不同捻度的粗纱，粗纱机 工序加工的任务包括： ( 1 ) 牵伸将棉条拉长拉细，并使纤维进一步伸直平行和分离，将并条机输 出的熟条纺成中特细纱时，要经过1 5 0 2 0 0 倍的牵伸；纺成特细纱时要经过 2 0 0 3 0 0 倍的牵伸。由于目前皮圈式牵伸细纱机的牵伸能力和牵伸效率的限制， 熟条需要先在粗纱机上经过5 1 2 倍左右的牵伸，使其变细到定程度，以制成 适合于细纱机加工的粗纱。 ( 2 ) 加捻对牵伸后的须条加以适当的捻度，使纱条具有一定强度。经罗拉 牵伸后送出来的须条，由于截面中纤维数量的减少和纤维进一步伸直平行，强度 较低，加捻可以增加纤维间的紧密度，提高纱条的强度，便于卷绕与退绕，并有 利于细纱机的牵伸。 ( 3 ) 卷绕与成形将加捻后的粗纱卷绕在筒管上，做成一定形状和大小的卷装 形式，以便运输、储存及适应细纱机的喂入。1 6 1 基于粗纱机工序任务的实现，粗纱机主要分喂入和牵伸、加捻、卷绕和成 形等部分，如图1 - 1 所示。 粗纱机的工艺流程如下：棉条从机后棉条筒1 内引出，经导条辊2 传递输送， 喂入牵伸装置3 。经过牵伸后从前罗拉钳口输出的须条因强度太低，故由回转的 锭翼5 加上适当的捻度形成粗纱。粗纱穿过锭翼的顶孔和侧孔，进入锭翼导纱臂， 然后从导纱臂下端引出，在压掌曲臂上绕几圈，再引向压掌叶绕到筒管上。为了将 粗纱有规律地卷绕在筒管上，筒管一方面以高于锭翼的转速回转，另一方面又随 下龙筋9 作升降运动，最终将粗纱以螺旋线状绕在纱管表面上。随着纱管卷绕半 径的逐渐增大，每圈粗纱的卷绕长度也随之增加：由于前罗拉的输出速度是恒定 的因此，筒管的转速和龙筋的升降速度必须逐层递减。为了获得两端呈截头圆锥 形、中间为圆柱形的卷装外形，龙筋的升降动程还必须逐层缩短。【7 】 2 浙江大学硕士学位论文 3 图卜1粗纱机示意图 1 一棉条筒2 一导条辊3 一牵伸装置4 一粗纱5 一上龙筋 6 一锭翼7 一筒管8 一锭杆9 一下龙筋 1 3 粗纱机的研究和发展 中国粗纱机的批量生产始于2 0 世纪5 0 年代先后开发生产出5 0 年代的1 2 5 1 和1 2 5 2 型粗纱机、6 0 年代的a 4 5 3 型粗纱机，7 0 年代的a 4 5 6 型粗纱机，8 0 年 代的a 4 5 4 型粗纱机以及8 0 年代中后期至今的各种型号的悬锭粗纱机。在这5 0 多年粗纱机的开发生产历程中，每种新机型的出现都是在原来型号的基础上进行 了技术的改进和发展，凝聚着广大粗纱机研究生产人员的心血和智慧。尤其在 2 0 世纪8 0 年代中后期，粗纱机实现了从传统托锭型向新式悬锭型的转变，这是 我国粗纱机发展史上重要的技术突破，由此揭开厂中国粗纱机技术加速发展的序 幕。从2 0 世纪8 0 年代至今短短的十几年间，随着我国市场经济的建立和发展， 粗纱机生产厂家不断增加，形成了你追我赶的竞争局面，机电一体化水平不断提 高，大大缩短了我国粗纱机与国际先进粗纱机技术水平的差距。 由于悬锭粗纱机无论在技术水平或在成纱质量上都比托锭粗纱机有很大提 高，是目前国产粗纱机开发生产的主导产品。第一代悬锭粗纱机生产始于2 0 世 纪8 0 年代末期，以天津纺机厂生产的f a 4 0 1 型粗纱机为代表，正常纺纱时锭翼 转速达到8 0 0 9 0 0r m i n ，这一代的粗纱机是纯机械型产品，机电一体化水平 较低特别是控制系统，多数功能是通过机械传动来实现的。第二代悬锭粗纱机 的生产始于2 0 世纪9 0 年代中期，以河北太行机械厂生产的f a 4 2 1 型粗纱机等机 型为代表，正常纺纱时锭翼转速可达到1 0 0 0r m i n ，机电一体化水平有所提高， 浙江大学硕士学位论文 主电机大多采用变频调速，整个电气系统采用p l c 控制，自动化程度较高，但主 要的传动控制仍以机械机构来完成，粗纱机的主传动部分由一台主电机经过复杂 的齿轮轮系进行传动，筒管和龙筋的变速由铁炮式的上下锥轮进行传动，龙筋升 降动程的变化采用繁杂的成形装置来实现，机械结构非常复杂。【8 l 在此期间，随着计算机技术、变频调速技术的发展，德国和日本先后推出新 型粗纱机。日本丰田公司9 0 年代中期将采用三电机分解传动的f l l 0 0 型悬锭粗 纱机推向市场。德国青泽公司在1 9 9 9 年法国巴黎国际纺织机械展览会上推出了 多电机分解传动的6 7 0 型悬锭粗纱机。这两种机型具有控制糟度高、机构更加简 单、自动化程度高的优点，它们的共同特点就是彻底取消了传统的变速装置、成 形装置和相关的轮系等机构，采用计算机控制多电机分解传动，并配备液晶显示 屏和触模式操作键盘，可进行人机对话，使纺纱工艺调整和更换品种极为方便。 他们生产的棉纺粗纱机代表了当时的世界先进水平。【4 j 1 9 】 而在国内，为追踪世界9 0 年代的最新技术，提高参与国际竞争的能力，太 行纺织机械厂和上海交通大学合作，共同开发研制了计算机控制的f a 4 2 5 型粗纱 机；天津纺织机械厂和纺织机电研究所合作，共同开发研制了计算机控制的 f a 4 8 1 型粗纱机。这2 种新机分别在1 9 9 8 年底和1 9 9 9 年初通过了科技成果鉴定， 是第三代国产悬锭粗纱机的代表机型。这两硬新成果推动了我国纺织工业的技术 进步，缩小了与国外先进水平的差距，填补了我国在该领域的空白。【4 】 f a 4 8 1 型粗纱机与传统的粗纱机相比在机械结构、系统传动以及电气控制方 面都有很大的变化。首先在整机的机械结构方面，取消了粗纱机传统上的锥轮变 速机构、成形机构和张力微调机构；在主传动系统中使用两台变频异步电机传 动；电气控制方面，采用了工业控制计算机、可编程序控制器和变频器等。f a 4 8 1 粗纱机具有液晶屏幕、图形显示和触模屏操作具有良好的人机对话功能，便于 纺纱品种和工艺的改变。f a 4 8 1 粗纱机纺纱时锭翼转速达到1 2 0 0r m i n ，并且 能够保证纺纱过程的张力恒定，具有满纱定长定位停车控制提高了纺纱质量和 产量。f a 4 2 5 型粗纱机也是采用两台电机分别传动锭翼及筒管，由计算机通过两 台变频器控制两台电机，电机速度信息由传感器反馈到计算机，计算机再对电机 实行闭环控制从而使主、变速电机在整个纺纱过程中得到良好的瞬时匹配，提 高了纺纱质量。 f o l d l j t 2 l 正在研究开发中的国产悬锭粗纱机，速度将进一步提高，正常纺纱时锭翼转 速将可达1 4 0 0r m i n 以上，自动化水平将进一步提高。为了较彻底的摆脱机械 传动方式对纺纱的质量和产量的限制，对粗纱机的主传动部分进行三电机或四电 机的分部传动控制成为主要的发展趋势，代表了中国粗纱机主要的发展方向。 1 4 课题研究的内容 山西经纬合力公司生产的f 4 3 1 粗纱机，基本上是属于第二代的悬锭式粗纱 4 浙江大学硕士学位论文 机，采用一台变频电机作为主电机，虽然整个电气系统采用p l c 控制，具有一定 的机电一体化水平，但由于系统主要采用机械传动控制，大大地限制了粗纱机锭 速的提高和纺纱产品的质量。 f a 4 3 1 粗纱机传统粗纱机采用铁炮式锥轮变速机构，中间变换齿轮繁多，传 动系统比较复杂。这种传动方式存在以下主要缺陷： ( 1 ) 铁炮本身笨重、惯性大，同时皮带易打滑，从而影响传动精度。 ( 2 ) 铁炮的设计制造非常麻烦。 ( 3 ) 成形机构体积大，机构复杂 ( 4 ) 保养维修工作量大。 ( 5 ) 品种翻改不方便。 ( 6 ) 需有张力微调装置和防细节装置才能保证纺纱质量。 f a 4 3 1 粗纱机正常纺纱锭速一般在1 2 0 0 r m i n 以下，且在粗纱卷绕直径较大 后粗纱张力无法较好地保持稳定。显然，f a 4 3 1 粗纱机传动方式上的缺陷，阻碍 了其向高速大卷装方向的进一步发展，在各项新技术得到快速发展、市场竞争日 趋激烈的今天很难有一席之地，必须对其进行全面的技术改造。 9 1 1 3 1 本课题就是要在f a 4 3 1 粗纱机的基础上，利用计算机控制技术、c a n 总线技 术、电机伺服控制技术等的一系列先进技术，彻底取消铁炮传动变速机构，以工 业控制计算机作为整个电气控制系统的主控核心，锭翼的转速、前罗拉的牵伸速 度、筒管的卷绕速度以及龙筋轴的升降速度各由一个伺服电机进行驱动，实行四 电机分部传动的计算机控制，从而较彻底地简化传动系统，缩短传动链，实现粗 纱机的高速、高效及高度的机电一体化，以达到国内粗纱机的领先水平，并追踪 世界的先进水平。预计正常纺纱时的锭速可达1 5 0 0 r m i n 以上，并能保证粗纱大 卷装时的张力稳定，从而大大提高粗纱机的生产效率。 课题的主要研究内容包括： 1 、在对粗纱机原有传动系统进行分析的基础上，确定四电机分部传动控制 的总体设计方案，并建立合理的计算机控制的数学模型； 2 、设计四电机分部传动控制系统的硬件部分，包括系统整体的构架、系统 主要设备的连接及c a n 总线网络设计； 3 、设计四电机分部传动控制系统的软件部分，包括上位工控机的软件设计、 p l c 程序设计以及伺服控制器的内部控制流组态设计： 4 、进行系统调试并对调试结果进行分析，同时对调试过程出现的问题和解 决方案进行讨论。 浙江大学硕士学位论文 第二章机械机构的简化与数学模型的建立 为了彻底简化原有的机械传动系统，必须对粗纱机的主要机构进行深入分 析，在理解结构与工作原理的基础上，利用基于计算机的四电机分部电气传动控 制替代原有的机械传动控制，来驱动粗纱机主要传动部分的动作，从而摆脱原有 机械传动方式的限制，在大大简化机械传动结构的同时，提高粗纱机的控制精度、 运行效率和操作效率，提升竞争能力和产品档次。 2 1 粗纱机主要机构的结构与工作原理 2 1 1 喂入机构和牵伸机构 粗纱机的喂入机构由导条辊、喇叭口和横动装置等组成。其作用是将熟棉 条从条筒内引出并送给牵伸机构，熟条在喂入牵伸机构前，应防止或尽量减少 棉条的意外牵伸。棉条筒实现大卷装之后，为便于工人机后操作，粗纱机采用高 架式导条喂入，前、中、后导条辊由后罗拉积极传动。各导条辊的相对位置要 与条筒规格相适应。既要操作方便又要减少意外牵伸。横动装置由后罗拉尾端 蜗杆、蜗轮和行星轮系传动，装在横动装置上的喇叭带动须条沿着罗拉轴向缓 慢地往复移动，以防止皮辊长期运转后被须条磨出凹槽。 牵伸机构是粗纱机的重要部分，将喂入的熟条牵伸成具有一定线密度的纱 条，以便通过锭翼后加捻成为粗纱。棉纺粗纱机牵伸机构有三上四下曲线牵伸、 双短皮圈和长短皮圈牵伸等型式。三上四下牵伸装置结构简单，稳定耐用，保养 方便，但在粗纱定量轻、牵伸倍数较大时，对纤维的控制力不够，粗纱条干均匀 度不及双皮圈牵伸装置好。新机型已普遍采用皮圈牵伸装置。图2 - i 为目前新 型粗纱机较多采用的四罗拉双短皮圈牵伸： i ll： ir r 。、厂一、彳氡厂，、 0么戮_ tj r、厂，弋晰、厂、 弋八状 夕 t 匮主章伸氍后幸伸区 图2 - 1四罗拉双短皮圈牵伸示意图 如上图所示，四罗拉双短皮圈牵伸分集束区、主牵伸区、后牵伸区，使牵 伸区不集束、集束区不牵伸。双皮圈牵伸装置的前区摩擦力界布置较合理，浮 游区较小，能有效地控制纤维运动，具有总牵伸倍数较高、粗纱条干均匀度好等 优点。【6 】【7 】【1 5 】 6 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 加捻机构 粗纱机的加捻机构主要包括锭子、锭翼和假捻器等元件。从前罗拉输出的 须条呈松散状态，强力较弱，必须经过加捻机构的加捻，使纤维互相抱合，成 为具有一定强度的纱条。 粗纱机的加捻机构以锭翼的设置形式不同而分为三类，即悬吊式( 吊锭) 、竖 式( 竖锭) 和封闭式。f a 4 3 1 粗纱机采用的是悬吊式加捻机构，如图2 2 所示。锭 翼2 与锭杆4 合为一组合件，以轴承固装于上方的固定龙筋6 上，形成悬吊锭翼。 锭翼结构的上部为上轴，下部为锭杆。锭翼由顶端螺旋齿轮或齿形带直接传动， 锭杆从上部插入筒管3 内以稳定筒管的上部。锭翼2 又称为锭壳，由空心臂、实 心臂和压掌组成。空心臂是引导粗纱的通道，实心臂起平衡作用。压掌由压掌杆、 压掌叶、上圆环和下圆环组成，上、下圆环套在空心臂上，可在一定范围内绕空心 臂转动。 在纱条加捻时，将纱条一端握持，使另一端绕自身轴线回转，则回转一周，纱 条上便得到一个捻回。在粗纱机上，纱条自前罗拉输出，并被前钳口握持，穿过锭 翼顶孔，从侧孔引出，通过空心臂、压掌叶缠绕在筒管上。当锭翼回转时，侧孔以 下的纱条只绕筒管做公转，不绕本身轴线自转，不起加捻作用，而顶孔至侧孔的 段纱条，则随着锭翼的回转绕本身轴线自转，锭翼回转一周便加上一个捻回，完成 加捻作用。这段纱条加捻时产生的扭矩向上传递，使捻回分布到锭翼至前罗拉问 的一段纱条上。前罗拉连续输出，锭翼不停地回转，因而纺出具有一定捻度和强力 的粗纱。 图2 - 2 粗纱机加捻机构示意图 1 一前罗拉2 一锭翼3 一筒管4 一锭杆5 一机架 6 一上龙筋7 - - 下龙筋8 一粗纱9 一压掌 7 浙江大学硕士学位论文 出 纱条单位长度上的捻回数称为捻度，捻回数愈多则捻度愈大。捻度可由下式算 捻度( 捻m ) = 锭翼转速( r m i n ) 须条输出速度( m m i n ) 在锭翼转速确定的情况下，粗纱捻度取决于须条输出速度( 如忽略须条在前 钳口的打滑，则等于前罗拉表面线速度) 。这意味着可通过须条输出速度的改变来 调节粗纱捻度的大小。如果捻度太小，则粗纱强力太低而会引起粗纱意外伸长或 断头。捻度大固然能提高粗纱强力，却会降低粗纱机的产量，而且过大的捻度也不 利于细纱机进一步牵伸。因而需根据纤维原料和纺纱工艺来合理选取捻度。f a 4 3 1 粗纱机在生产中是通过改变捻度变换齿轮来调整前罗拉的输出速度从而实现粗 纱捻度的改变。【6 】【7 】【1 4 】【1 5 】 2 1 3 卷绕成形机构 、粗纱的卷绕过程 ( 一) 管纱的形状粗纱经过加捻后，需要卷绕在简管上，以便运往细纱工序 进一步加工。绕成的管纱形状，中间呈圆柱体，两端呈截头圆锥体，如图2 3 所示。 粗纱的卷绕首先是沿着筒管轴向逐圈卷绕在筒管上，第一层绕完后，改变轴向卷 绕的方向，卷绕第二层，依次逐层卷绕，直到满纱，这样逐圈逐层卷绕便于在细纱 机上退绕。卷绕过程中，粗纱沿着筒管轴向的卷绕高度逐层缩短，使两端绕成截头 圆锥的形状，以免两端脱圈、冒纱，难于退绕而成为坏纱。【1 4 】【】6 】 图2 _ 3 粗纱管纱示意图 ( 二) 粗纱卷绕的条件 为了将管纱绕成上述的形状，粗纱卷绕时，必须符 合以下四个条件： ( 1 ) 管纱的卷绕速度与卷绕直径成反比，粗纱卷绕时，任一时间内管纱的绕取 浙江大学硕士学位论文 长度，必须和前罗拉输出的长度相等，即 驴去 ， 式中： 。一管纱的卷绕转速( r m i n ) 上一单位时间前罗拉输出纱条的长度( m m m l n ) ： d 。一管纱的卷绕直径( 姗) 由式( 2 1 ) 可知，如果前罗拉的输出速度不变，而管纱的卷绕直径逐层增大， 那么管纱的卷绕转速在同一层内相同，但随着卷绕直径的变大应逐层减慢，即与 管纱的卷绕直径成反比。 ( 2 ) 筒管与锭翼有相对运动粗纱通过锭翼压掌的引导卷绕到筒管上，筒管和 锭翼必须有相对运动，才能实现卷绕。由于筒管和锭翼同向回转，因此两者的转速 应有差异。简管回转速度大于锭翼回转速度的称为管导，锭翼回转速度大于筒管 回转速度的称为翼导。由于加捻作用，锭翼转速恒定不变，因此采用翼导时，筒管 转速随着卷绕直径的增加而增大，致使管纱回转不稳定，动力消耗不平衡，而且断 头后，管纱上的纱头在回转气流作用下退绕的飘头易影响邻纱。此外，采用翼导还 会因传动惯性而使开车启动时张力增加而导致断头。由于翼导存在这些缺点，所 以在棉纺粗纱机上，都采用管导式卷绕。在卷绕中，筒管转速与锭翼转速之差为卷 绕转速刀。，即 n _ n b n j ( 2 2 ) 式中：玩一筒管的回转速度( r m i n ) ； ，z 。一锭翼的回转速度( r m i n ) ，即锭子转速。 由式( 2 2 ) 可知，筒管的回转速度由恒速和变速两部分组成，筒管的恒速与锭 速相等，筒管的变速为卷绕速度，与管纱的卷绕直径成反比。 ( 3 ) 筒管的升降速度与管纱的卷绕直径成反比粗纱逐圈轴向排列是由升降 龙筋带动简管作升降运动而实现的，每绕一圈粗纱，升降龙筋需移动一个圈距。升 降龙筋的升降速度为： v = ( 工+ q ) ( 翮女) 式中：q 一粗纱轴向卷绕圈距( 咖) 。 对照( 2 - 1 ) 式可得升降龙筋的升降速度 v 刮 。+ q ( 2 3 ) 如果粗纱线密度不变，轴向卷绕圈距是个常量。由式可知，升降龙筋的升降速 口 浙江大学硕士学位论文 度在同一卷绕层内相同，而相继各层逐层减慢，即筒管的升降速度与管纱的卷绕 直径成反比。 ( 4 ) 升降龙筋的升降动程逐层缩短为了使管纱绕成两端呈截头圆锥体的形 状，升降龙筋的升降动程需要逐层缩短，以使管纱各卷绕层高度逐层缩短。【7 】【1 4 】 ( 三) 粗纱机的卷绕传动系统为了便于理解粗纱卷绕过程中各机构间的内 在联系，现对粗纱机的卷绕传动系统作一简要说明。传动系统如图2 4 所示，主 轴由电动机传动，它一方面传动锭子，另一方面经捻度齿轮传动主动铁炮和前罗 拉，并将自身的恒速传入差动装置。主、被动铁炮由皮带传动，被动铁炮将自身变 速一方面传入差动装置，另一方面传至升降齿轮。差动装置将主轴传来的恒速与 被动铁炮传来的变速合成后，经摆动装置传至筒管。升降齿轮经换向齿轮、升降 轴传动升降龙筋( 下龙筋) 。 苜管撂砖蓑置 图2 4粗纱机卷绕部分的传动衙图 卷绕成形装置有以下三个作用： ( 1 ) 控制铁炮皮带逐层改变被动铁炮的速度。 ( 2 ) 控制换向齿轮改变升降龙筋的运动方向。 ( 3 ) 控制升降龙筋逐层缩短动程。【6 】【7 】f 1 4 】【l s 】 长度齿轮 浙江大学硕士学位论文 二、变速装置 变速装置是卷绕成形机构的一个主要部分，它是筒管及升降龙筋的主要动力 来源。传统粗纱机采用铁炮变速，铁炮的两端一端大一端小，横向每个部位的直 径都不相等，从而利用直径的不相等产生速度变化。铁炮变速机构一般分为双曲 线铁炮和直线铁炮两类。国内新机大多采用双曲线铁炮变速装置( 包括f a 4 3 1 ) ， 如图2 - 5 所示，双曲线变速铁炮为一对直径变化的中空截头圆锥体。主、被动铁 炮平行排列，主动铁炮由主轴传动，速度为恒定。主动铁炮通过皮带传动被动铁炮 移动皮带的位置，则被动铁炮变速。当空管卷绕时，铁炮皮带处于起始位置，即主 动铁炮的大端传动被动铁炮的小端，被动铁炮转速最大。每卷绕一层粗纱后，成形 装置控制铁炮皮带移动一小段距离s ，主动铁炮直径减小，被动铁炮直径增大，其 转速减慢。皮带随粗纱卷绕直径逐层移动，被动铁炮转速逐层减慢，直到满纱，此 时被动铁炮转速最小。由于筒管的卷绕转速、升降龙筋的升降速度都和管纱的卷 绕直径成反比，所以被动铁炮的转速也必须按此规律变化，才能保证正常卷绕。在 落纱完成后应将铁炮皮带轮恢复到起始位置，以便重新卷绕下一次。为此在下铁 炮上装有升降装黄，落纱时抬起下铁炮以松开皮带。 主动铁炮 被动铁炮 图2 5 双曲线铁炮传动示意图 双曲线铁炮是采用皮带的等量移动、不等量变速来满足工艺要求的。若将铁 炮沿轴线剖开，其剖面的外形为一条双曲线。被动铁炮转速的变化是否符合规律， 取决于主、被动铁炮的外形曲线是否正确。所以铁炮外形曲线的设计必须满足以 下三点： ( 1 ) 主动铁炮与被动铁炮半径之和为一常量，以保证一落纱中传动皮带松紧 基本一致。 ( 2 ) 被动铁炮的回转速度与管纱的卷绕直径成反比。 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 铁炮皮带的位移量与管纱卷绕直径的增量成正比，以便将不同的卷绕直 径转换为皮带的对应位置，来确定铁炮半径和皮带位置的对应关系。【7 】【】 三、差动装置 筒管的回转速度，包括恒速部分和变速部分。差动装置的作用是将主轴传来 的恒速和下铁炮传来的变速合在一起，通过摆动装置传向筒管，以完成卷绕作用。 f a 4 3 1 粗纱机采用臂速输出传动筒管的差动机构，如图2 - 6 所示： 主轴信秉 图2 - 6 差动结构示意图 n ，是由被动铁炮传递来的变速回转，n ，为主轴传递来的恒速回转，经差动 机构合成后的转速n ；传向筒管。粗纱机上采用差动装置的目的有三： 1 减轻铁炮负担 铁炮承担的卷绕速度，占筒管回转速度的比例很小，其 余则由主轴承担。这样，可以减轻铁炮的负荷，减少皮带滑溜，有利于正常卷绕。 2 便于改变捻度当改变捻度时，调整捻度齿轮，可使主动铁炮的速度改 变。而主动铁炮轴一方面传动前罗拉，一方面传动被动铁炮，因而使前罗拉的输出 速度、筒管的卷绕速度以及升降龙筋的升降速度同步改变，而锭子回转速度不变。 这样，便于改变粗纱捻度。 3 便于盘头每当落纱停车后，可将被动铁炮抬起，再启动开车时，因被动铁 炮不回转，筒管与锭翼的速度相同，前罗拉输出的纱条只加捻不卷绕，盘绕在锭翼 顶端，可供下一落纱生头使用。【7 】【1 4 】 四、摆动装置 摆动装置位于差动装置输出合成速度齿轮和筒管轴端齿轮之间，其作用是将 差动装置输出的合成速度传递给筒管。筒管既要回转，又要随升降龙筋做上下移 动，因而这套传动机构的输出端也必须随升降龙筋的升降而摆动，故称为摆动装 置。摆动装置的形式摆动装置有齿轮式、链条式、万向联轴节一花键轴结合式等 多种。根据使用效果，近年来，国内外新型粗纱机多采用万向联轴节一花键轴结合 式摆动装置，如图2 7 所示。 浙江大学硕士学位论文 图2 7刀向联轴节摆动装置示意图 1 一花键轴2 一花键套筒3 一万向十字头4 一筒管轴 此装置由花键轴l 、花键套筒2 、万向十字头3 等组成。花键轴1 在花键套 筒2 内可以自由伸缩，以适应龙筋升降时筒管轴对于主轴相对距离的变化。万向 联轴节的安装必须满足下列两个条件，才能使输出轴和输入轴瞬时角速度完全相 等： ( 1 ) a 、b 、c 三轴( 输入轴、输出轴及花键轴) 和两头( 两个十字头) 在同一平 面内； ( 2 ) 输入轴和输出轴相互平行。【7 l 【1 4 】 五、升降装置 升降装置的作用是使升降龙筋作有规律的运动。如前所述，粗纱卷绕时，每绕 一圈粗纱，升降龙筋需移动一个圈距，因为筒管的卷绕速度与纱管的卷绕直径成 反比，所以升降龙筋的升降速度，也需依此规律变化。故传统粗纱机升降龙筋的升 降、筒管卷绕的传动由同一对铁炮承担。为了逐层卷绕粗纱，每绕完一层后，升降 龙筋需换向一次；为了使纱管两端呈截头圆锥体形状，每绕完一层粗纱后，升降龙 筋的动程应缩短一些。升降龙筋的换向及动程的缩短都由成形装置控制。f a 4 3 1 粗纱机采用齿条式升降装置，如图2 8 所示。 图2 8齿条式升降装置示意图 1 一升降齿条2 一升降龙筋3 一升降链轮4 一平衡轴5 一平衡链轮 6 一平衡重锤7 一升降轴8 - 升降齿轮9 一升降杠杠 浙江大学硕士学位论文 升降装置的工作原理：被动铁炮传来的变速通过轮系及换向齿轮传至升降轴 7 ，通过固装在升降轴上的升降齿轮8 传动固装在升降龙筋上的升降齿条1 ，从而 实现升降龙筋2 的升降运动。每当换向时，由两个换向齿轮交替地与主动伞齿轮 啮合，以改变升降轴的回转方向和升降龙筋的运动方向。齿条式升降装置的升降 轴只能设在升降龙筋降至最低位置时的下方，以方便升降杠杆的运动。当升降龙 筋处于最低位置时，为了保证升降齿条的下降，升降轴离地高度应大于龙筋的升 降高度，这样，既不能使升降龙筋最低位置非常接近于下方的固定龙筋，又不能使 升降龙筋最高位置时齿条触及上面部件，所以限制了卷装高度。【7 】【1 4 】 六、成形装置 成形装置是一种机械式或机电式自动控制机构。为了符合粗纱卷绕的要求， 每当管纱卷绕一层粗纱后，成形装置应立即同时完成以下三个动作： ( 1 ) 将铁炮皮带向主动铁炮小端移动一小段距离，使筒管的卷绕速度和升降 龙筋的升降速度减慢。 ( 2 ) 使换向齿轮交替啮合一次，以改变龙筋的运动方向。 ( 3 ) 成形齿轮( 棘轮) 转动一个角度，圆齿杆移动- - + 段距离，以缩短龙筋 升降动程，使管纱两端形成截头圆锥形。 成形机构为一控制机构，其结构很复杂，而且要求动作灵敏。f a 4 3 1 的成形 机构实物如图2 - 9 所示。 图2 - 9f a 4 3 1 粗纱机成形机构图 在粗纱机纺纱过程中，装于龙筋一侧的天平架随龙筋作下降运动，并带动圆 齿杆和后摇架作顺时针运动，装于后摇架臂上的两根链条，左面一根被拉紧，右 1 4 浙江大学硕士学位论文 面一根则呈松弛状态。这样，弹簧的拉力就作用到前摇架的右臂上，有使前摇架 做顺时针运动的趋势。但由于前摇架上部的燕尾凸头被右面一个鸟形挚子阻挡而 不能转动，当龙筋下降到一定高度时，后摇架臂上右碰头螺钉触及鸟形挚子的尾 部，并使其尾部向下运动，则头部被翘起，致使前摇架失去阻挡，在弹簧拉力的 作用下，迅速做顺时针运动。同时左面一个鸟形挚子在弹簧的作用下，有前摇架 燕尾凸起的上面落到下面，为龙筋向上运动控制前摇架下一次动作做好准备。 前摇架的顺时针运动，使成形机构迅速完成三个动作，并产生三个作用： 移动铁炮皮带。如传动图所示，重锤始终给主轴一个转力的力距。由于 成形挚子的阻挡，成形锥轮不能回转，但当前摇架顺时针运动时，使成形棘轮回 转半齿的角度，再由来自靠模的一锥齿轮传来的很小的一个角度，通过一个差动 机构来合成一个转动角，从而传动长齿条，拉动皮带叉。使锥轮皮带移动- d , 段 距离，起到降低筒管卷绕速度和龙筋升降速度的作用。 改变龙筋运动方向。当前摇架顺时针运动同时，拉动拉杆，从而通过一 个换向齿轮机构使下龙筋改变运动方向。 当棘轮转过半齿时，通过齿轮传动，使装于成形轴上的角度变换齿轮回 转，并带动圆齿杆向左移动一段距离，从而缩短了圆齿杆的摆动半径。在圆齿杆 上下摆动的角度不变的情况下，龙筋的升降动程相应缩短。每绕一层纱就缩短预 定的动程，最后绕成两头成锥形的管纱。 成形角度的大小通过调换角度变换齿轮来实现。【6 】【7 】【1 4 】【1 5 】1 1 6 2 2 机械结构的简化 在上一节中详细地讲述了粗纱机主要机构的结构及其工作原理。f a 4 3 1 粗纱 机的总体传动结构如图2 1 0 所示，主要采用机械传动控制。 筒管的卷绕速度和龙筋的升降速度必须随着筒管直径的增加而下降，它们由 下铁炮传动。铁炮本身笨重、惯性大，同时皮带易打滑，从而影响传动精度，且 滑移率各处不同，因此影响粗纱张力和伸长率的恒定，易造成断头和纱线不匀， 同时在更换品种时，由于皮带起始位置调整不准确等，影响纱线的质量。另外， 铁炮一般采用双曲线方式，并需根据需要对铁炮曲线进行修正，其设计和制造非 常麻烦，保养维修工作量大。由于采用铁炮方式传动，大大限制了粗纱机锭速的 进一步提高。 为了减少铁炮负荷，并使卷绕和升降合用一个变速件传动，f a 4 3 1 采用差动 机构，将主轴的恒速与铁炮的变速合成后传给筒管。对于差动装置有较高的工艺 要求，要求其传动比配置得当，才能保证筒管的恒速与锭速相等，使得卷绕规律 正常。随着差动机构齿轮的磨损，很难保证筒管的恒速与锭速的一致性，从而破 坏卷绕规律。而传递合成速度给筒管的摆动装置的安装有很高要求，才能保证转 速的等量传递。 浙江大学硕士学位论文 成形装置为了完成缩短动程、龙筋换向、移动铁炮皮带3 个动作，成形机构 体积大，结构复杂，控制精度较难保证。为了保证张力恒定，获得较好的纺纱质 量，传统粗纱机一般都需要采用张力补偿装置：为了防止停车阶段张力过大产生 细节，还必须采用专门的防细节装置等等。 为了得到不同捻度，主轴传动前罗拉的轮系中必须有可变的捻度牙，并且上 铁炮和前罗拉同时由捻度牙传动，以便输出纱条的速度与卷绕纱条的速度同时变 化。 每当一落纱纺满时，铁炮皮带已移至主动铁炮的小头位置，为了将铁炮皮带 移至主动铁炮大头的始纺位置，必须配备专门的铁炮皮带复位机构，抬起下铁炮， 然后使下铁炮落下，以便开始下一落纱的正常纺纱。 可以说，f a 4 3 1 机电一体化水平还比较低，特别是控制系统，多数功能是通 过机械传动来实现的。调整点多且繁杂，操作劳动强度大，多数纺纱参数的调整 范围较窄，而且调整精度有限，影响了纺纱的效率和质量。在粗纱机向高速大卷 装方向发展的今天，传统粗纱机传动方式上的缺陷，阻碍了粗纱机的进一步发展。 由于电力电子、微电子和信息技术的快速发展，交流电机伺服调速技术日益 完善并得到应用。矢量控制技术的实用化。使交流电机的机械特性达到了可以和 直流电机变压后的机械特性相媲美的程度【1 7 】【1 8 】。因此可把伺服调速技术应用到 粗纱机传动中以克服老式传动机构的不足。从前面的分析，可以发现控制系统的 主要任务就是对四个部分的运转进行控制： ( 一) 恒速的主轴部分( 传动锭翼) ： ( 二) 要求变速的前罗拉部分( 改变捻度时) ： ( 三) 筒管的卷绕速度； ( 四) 龙筋的升降速度。 因此，我们在新的粗纱机中采用四个伺服电机进行分部传动的控制系统，如 图2 1 l 所示，对四个主传动部分分别进行传动控制。锭翼由电机经同步齿形带、 齿轮传动驱动；筒管的转速较高，直接由电机经联轴器驱动，筒管电机直接装在 升降龙筋上，省去了摆动装置；前罗拉转速约为3 5 0 7 0 0 r p m ，由电机经同步齿 形带传动，再经齿轮传动到其他罗拉；龙筋升降速度较低0 2 1 2 m m i n ，由电 机通过蜗轮蜗杆减速传动升降轴。四电机分部传动大大缩短了传动链，加上伺服 电机调速的精确性，提高了粗纱机的传动精