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傳統(tǒng)粗紗機(jī)，多采用錐輪（俗稱鐵炮）和差速箱裝置，機(jī)械結(jié)構(gòu)上較復(fù)雜，依賴于更換齒輪等方式的調(diào)整紡紗參數(shù)方式，已不適應(yīng)客戶對(duì)高速、高質(zhì)、大卷裝、人機(jī)友好型粗紗機(jī)需求；同時(shí)現(xiàn)代紡織技術(shù)及工藝的差異化發(fā)展，要求紡紗過程中能快速有效的調(diào)整控制諸元．目前我公司開發(fā)的獨(dú)立四軸懸錠粗紗機(jī)，很好的適應(yīng)這一要求。
關(guān)鍵詞：粗紗機(jī)；PLC；伺服；變頻器；HMI
一． 引言
粗紗機(jī)是將并條后的熟條加工成不同號(hào)數(shù)和捻度的粗紗，供細(xì)紗機(jī)紡制細(xì)紗的設(shè)備，適用普梳和精梳棉型纖維、60mm以下的化學(xué)纖維及其它混紡纖維。
我國粗紗機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，在過去幾十年中相對(duì)于傳統(tǒng)紡紗的其他設(shè)備發(fā)展較為滯后．這其中有多道粗紗機(jī)改單程粗紗機(jī)，并受細(xì)紗技術(shù)進(jìn)步的影響和超大牽伸細(xì)紗機(jī)研制開發(fā)爭(zhēng)論的干擾。20世紀(jì)90年以來，隨著先進(jìn)的粗紗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制理論的成熟，適應(yīng)客戶要求的高速、高質(zhì)、大卷裝、人機(jī)友好型粗紗機(jī)得到快速發(fā)展。
粗紗機(jī)就落紗過程的不同，分托錠式和懸錠式；其中懸錠式粗紗機(jī)依據(jù)電機(jī)軸數(shù)量又分： 兩軸式、三軸式、四軸式和七軸式粗紗機(jī)；四軸懸錠式粗紗機(jī)為本輪技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)．四軸懸錠式粗紗機(jī)又分帶差速箱式和四軸獨(dú)立式；本文基于臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品，就變頻和伺服構(gòu)成的四軸獨(dú)立式懸錠粗紗機(jī)闡述其技術(shù)要點(diǎn)．
二．機(jī)械結(jié)構(gòu)及相關(guān)工藝
1.四軸獨(dú)立懸錠式粗紗機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1：
傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 如圖2：
事實(shí)上，完整的懸錠粗紗機(jī)還應(yīng)包含清潔裝置：懸錠粗紗機(jī)普遍采用積極回轉(zhuǎn)式上下清潔器．由于其結(jié)構(gòu)獨(dú)立，工作方式較為簡(jiǎn)單，本文不再贅述。
三．基于臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品的電氣系統(tǒng)構(gòu)架
1. 電氣系統(tǒng)的構(gòu)架考量
四軸獨(dú)立懸錠式粗紗機(jī)，控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于四軸的同步比例聯(lián)動(dòng)，來模擬兩軸粗紗機(jī)差速箱合成各軸速度的過程；四軸獨(dú)立懸錠式粗紗機(jī)系統(tǒng)動(dòng)作過程中，各軸速度要求有高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性。同時(shí)，電機(jī)對(duì)外部負(fù)載的合理變化要求有快速而有效的應(yīng)變能力。
基于設(shè)備的以上技術(shù)特征和客戶高品質(zhì)要求，結(jié)合臺(tái)達(dá)完整、全面的產(chǎn)品線，我們選用臺(tái)達(dá)EH2系列PLC作為主控，選用臺(tái)達(dá)VE系列高性能矢量變頻器控制錠翼軸；臺(tái)達(dá)A+系列大功率伺服系統(tǒng)控制卷繞軸；羅拉軸和龍筋軸分別選用臺(tái)達(dá)AB系列伺服系統(tǒng)控制；觸摸屏為臺(tái)達(dá)A系列真彩界面。
2. 電氣系統(tǒng)的整體構(gòu)架
構(gòu)建的電氣系統(tǒng) 如圖4：
A．觸摸屏： 四軸懸錠式粗紗機(jī)參數(shù)設(shè)定量大，本屏可直觀、便捷的設(shè)定和監(jiān)控各種參數(shù)；
B．PLC： EH2系列型，運(yùn)算速度快，支持4路高速脈沖輸出，穩(wěn)定可靠，可依據(jù)控制工藝擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)；
C．羅拉伺服：提供羅拉軸動(dòng)力，速度恒定，大小決定于錠翼轉(zhuǎn)速和捻度；
D．卷繞伺服：提供紗管卷繞動(dòng)力，速度隨紗的卷繞直徑增大而降低；
E．龍筋伺服：提供龍筋升降動(dòng)力，升降速度越小，紗線纏繞越密；
F．錠翼變頻：提供錠翼旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，速度恒定，由觸摸屏設(shè)定；變頻系統(tǒng)加裝速度回授PG卡，電機(jī)加裝臺(tái)達(dá)編碼器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制．考慮到粗紗機(jī)電控箱的配置離機(jī)頭較遠(yuǎn)，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜，建議選用差動(dòng)型編碼器。
4. 周邊控制線路
根據(jù)工藝要求，粗紗機(jī)身上并聯(lián)安裝多組操作盒，每組操作盒上設(shè)啟動(dòng)、停止、點(diǎn)動(dòng)按鈕，均能啟停點(diǎn)動(dòng)整臺(tái)機(jī)器，以方便檔車工操作；紡紗過程中，斷紗斷條均要求自動(dòng)停車，故加裝光電傳感器，已檢測(cè)紗條是否工作正常；紡紗成型完成，龍筋自動(dòng)下降到落紗位置，方便擋車工快速取下紗錠；同時(shí)，紗錠取下完成一次紡粗紗后，再次安裝新的紗管，操作觸摸屏相關(guān)按鈕，要求龍筋自動(dòng)上升到初繞位置停止，將新穿過錠翼的紗線手工纏繞在紗管初繞位置，操作啟動(dòng)按鈕，新的紡紗過程開始．這就要求，在龍筋上下升降的行程中，加裝落紗位置檢測(cè)開關(guān)、初繞位置檢測(cè)開關(guān)．考慮到龍筋上下升降行程不能超過極限值，必須加裝龍筋上下極限檢測(cè)開關(guān)。
以上控制點(diǎn)，直接接入PLC輸入點(diǎn)，控制邏輯由PLC運(yùn)算處理。
1. 紗線張力控制
四軸懸錠式粗紗機(jī)，從羅拉牽伸出的紗線，需穿過錠翼形成捻度再纏繞在筒管上，整個(gè)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程；由于捻度有限，紗線的極限張力較小，在整個(gè)紡紗過程，受傳動(dòng)機(jī)械比例聯(lián)動(dòng)同步性的波動(dòng)、紗管時(shí)時(shí)直徑理論值和實(shí)際值的誤差，造成紗線出紗位置的上下波動(dòng)（如圖3箭頭處所示），大的波動(dòng)不僅影響紗錠成型質(zhì)量，甚至超成斷頭，使整機(jī)停機(jī)，影響紡紗效率。
目前行業(yè)內(nèi)主要分兩種途徑解決上述問題：
第一種： 由張力CCD傳感器在線檢測(cè)粗紗張力，反饋到PLC運(yùn)算。
這種方式，減低了核心運(yùn)算難度，簡(jiǎn)化了纏繞和龍筋軸的控制計(jì)算量．但由于CCD檢測(cè)在實(shí)際使用過程中，對(duì)環(huán)境要求較高，必須保持鏡面清潔，且面對(duì)市場(chǎng)成本壓力，此種解決方式普及度并不高，但值得關(guān)注。
第二種： 在標(biāo)準(zhǔn)理論計(jì)算公式下，增加張力補(bǔ)償程序，進(jìn)而微調(diào)紗管旋轉(zhuǎn)速度和龍筋升降速度，達(dá)到調(diào)整粗紗張力的目的．同時(shí)針對(duì)不同的紗線要求自動(dòng)調(diào)用不同的補(bǔ)償系數(shù)．其普遍采用的是補(bǔ)償微調(diào)卷繞軸速度。
此種方式，成本小，效果明顯，不依賴于檢測(cè)外部器件，柔性好．但調(diào)試時(shí)要反復(fù)測(cè)試，不斷積累不同紗線在不同層數(shù)的修正系數(shù)值．本案采用此方式。
2．龍筋位置的斷電記憶
在紡紗時(shí)，紗錠纏繞未完成時(shí)系統(tǒng)外部斷電是經(jīng)常存在的，重新上電后，要求粗紗機(jī)能繼續(xù)斷電前位置和參數(shù)繼續(xù)紡紗。
由于市場(chǎng)大多伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器為增量式編碼器，斷電不能記憶軸當(dāng)前位置；本案通過4N25光偶連接PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器編碼器輸出口，通過PLC斷電記憶區(qū)來記憶斷電前位置值。其連接方式 如圖6。
在粗紗機(jī)紡紗處于初始階段和將要完成時(shí)，紗錠半徑對(duì)應(yīng)較小或較大，此時(shí)若以屏設(shè)最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)，紗線在纏繞邊緣的離心力與紡紗中段差別較大，不利于形成高質(zhì)量紗錠．這就要求紡紗初始階段和將要完成時(shí)整機(jī)速度降低運(yùn)行，減少斷頭率，提高成紗質(zhì)量．程序中必須設(shè)計(jì)各個(gè)紡紗階段的自動(dòng)速度轉(zhuǎn)換程序。
以上述方案為依托研發(fā)的四軸獨(dú)立懸錠式粗紗機(jī)已在山東某紡織機(jī)械廠研發(fā)成功，錠翼速度最高可達(dá)1350r/min,紗錠成型勻稱，紗線排布一致性好，一次成型紗線長度可達(dá)3200m；捻度、紗錠成型角度、成型長度、紡紗長度等均可柔性設(shè)定。紡紗張力更為穩(wěn)定，在錠速1100r／min條件下斷頭在0.5根／臺(tái)·小時(shí)以內(nèi)。具備自動(dòng)落紗和自動(dòng)找初繞位置功能，有效降低擋車工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率，市場(chǎng)前景廣闊。
臺(tái)達(dá)擁有變頻器、PLC、伺服系統(tǒng)、人機(jī)界面、編碼器等完整工業(yè)控制器件產(chǎn)品線，為客戶提供先進(jìn)全面的解決方案．針對(duì)粗紗機(jī)行業(yè)，臺(tái)達(dá)可提供兩軸式、三軸式、四軸式變頻或伺服系統(tǒng)整體解決方案，同時(shí)可滿足客戶個(gè)性化要求．基于紡織行業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，公司專門成立的紡織行業(yè)應(yīng)用處，服務(wù)紡織行業(yè)。
參考文獻(xiàn)
1 周琪. 紡織機(jī)械基礎(chǔ)概論.北京：中國紡織出版社.2006.
2 周炳榮.紡紗機(jī)械 .北京：中國紡織出版社.1999.
3 臺(tái)達(dá)VFD-VE變頻器使用手冊(cè) .中達(dá)電通股份有限公司.2007.
4 臺(tái)達(dá)ASDA AB系列伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用技術(shù)手冊(cè). 中達(dá)電通股份有限公司.2007
5 臺(tái)達(dá)DVP-PLC應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)(程序篇). 中達(dá)電通股份有限公司.2006
關(guān)鍵詞：粗紗機(jī)；PLC；伺服；變頻器；HMI
一． 引言
粗紗機(jī)是將并條后的熟條加工成不同號(hào)數(shù)和捻度的粗紗，供細(xì)紗機(jī)紡制細(xì)紗的設(shè)備，適用普梳和精梳棉型纖維、60mm以下的化學(xué)纖維及其它混紡纖維。
我國粗紗機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，在過去幾十年中相對(duì)于傳統(tǒng)紡紗的其他設(shè)備發(fā)展較為滯后．這其中有多道粗紗機(jī)改單程粗紗機(jī)，并受細(xì)紗技術(shù)進(jìn)步的影響和超大牽伸細(xì)紗機(jī)研制開發(fā)爭(zhēng)論的干擾。20世紀(jì)90年以來，隨著先進(jìn)的粗紗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制理論的成熟，適應(yīng)客戶要求的高速、高質(zhì)、大卷裝、人機(jī)友好型粗紗機(jī)得到快速發(fā)展。
粗紗機(jī)就落紗過程的不同，分托錠式和懸錠式；其中懸錠式粗紗機(jī)依據(jù)電機(jī)軸數(shù)量又分： 兩軸式、三軸式、四軸式和七軸式粗紗機(jī)；四軸懸錠式粗紗機(jī)為本輪技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)．四軸懸錠式粗紗機(jī)又分帶差速箱式和四軸獨(dú)立式；本文基于臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品，就變頻和伺服構(gòu)成的四軸獨(dú)立式懸錠粗紗機(jī)闡述其技術(shù)要點(diǎn)．
二．機(jī)械結(jié)構(gòu)及相關(guān)工藝
1.四軸獨(dú)立懸錠式粗紗機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1：
圖1 整機(jī)圖
傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 如圖2：
圖2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
圖中 1.卷繞伺服電機(jī) 2 .羅拉伺服電機(jī) 3. 錠翼變頻電機(jī) 4 .龍筋升降電機(jī)
5 .羅拉裝置（其牽伸原理如圖3） 6 .錠翼裝 7 .卷繞裝置
8 .龍筋9 .萬向節(jié)
圖3 羅拉牽伸原理
事實(shí)上，完整的懸錠粗紗機(jī)還應(yīng)包含清潔裝置：懸錠粗紗機(jī)普遍采用積極回轉(zhuǎn)式上下清潔器．由于其結(jié)構(gòu)獨(dú)立，工作方式較為簡(jiǎn)單，本文不再贅述。
三．基于臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品的電氣系統(tǒng)構(gòu)架
1. 電氣系統(tǒng)的構(gòu)架考量
四軸獨(dú)立懸錠式粗紗機(jī)，控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于四軸的同步比例聯(lián)動(dòng)，來模擬兩軸粗紗機(jī)差速箱合成各軸速度的過程；四軸獨(dú)立懸錠式粗紗機(jī)系統(tǒng)動(dòng)作過程中，各軸速度要求有高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性。同時(shí)，電機(jī)對(duì)外部負(fù)載的合理變化要求有快速而有效的應(yīng)變能力。
基于設(shè)備的以上技術(shù)特征和客戶高品質(zhì)要求，結(jié)合臺(tái)達(dá)完整、全面的產(chǎn)品線，我們選用臺(tái)達(dá)EH2系列PLC作為主控，選用臺(tái)達(dá)VE系列高性能矢量變頻器控制錠翼軸；臺(tái)達(dá)A+系列大功率伺服系統(tǒng)控制卷繞軸；羅拉軸和龍筋軸分別選用臺(tái)達(dá)AB系列伺服系統(tǒng)控制；觸摸屏為臺(tái)達(dá)A系列真彩界面。
2. 電氣系統(tǒng)的整體構(gòu)架
構(gòu)建的電氣系統(tǒng) 如圖4：
圖4 電氣系統(tǒng)構(gòu)架
A．觸摸屏： 四軸懸錠式粗紗機(jī)參數(shù)設(shè)定量大，本屏可直觀、便捷的設(shè)定和監(jiān)控各種參數(shù)；
B．PLC： EH2系列型，運(yùn)算速度快，支持4路高速脈沖輸出，穩(wěn)定可靠，可依據(jù)控制工藝擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)；
C．羅拉伺服：提供羅拉軸動(dòng)力，速度恒定，大小決定于錠翼轉(zhuǎn)速和捻度；
D．卷繞伺服：提供紗管卷繞動(dòng)力，速度隨紗的卷繞直徑增大而降低；
E．龍筋伺服：提供龍筋升降動(dòng)力，升降速度越小，紗線纏繞越密；
F．錠翼變頻：提供錠翼旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，速度恒定，由觸摸屏設(shè)定；變頻系統(tǒng)加裝速度回授PG卡，電機(jī)加裝臺(tái)達(dá)編碼器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制．考慮到粗紗機(jī)電控箱的配置離機(jī)頭較遠(yuǎn)，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜，建議選用差動(dòng)型編碼器。
4. 周邊控制線路
根據(jù)工藝要求，粗紗機(jī)身上并聯(lián)安裝多組操作盒，每組操作盒上設(shè)啟動(dòng)、停止、點(diǎn)動(dòng)按鈕，均能啟停點(diǎn)動(dòng)整臺(tái)機(jī)器，以方便檔車工操作；紡紗過程中，斷紗斷條均要求自動(dòng)停車，故加裝光電傳感器，已檢測(cè)紗條是否工作正常；紡紗成型完成，龍筋自動(dòng)下降到落紗位置，方便擋車工快速取下紗錠；同時(shí)，紗錠取下完成一次紡粗紗后，再次安裝新的紗管，操作觸摸屏相關(guān)按鈕，要求龍筋自動(dòng)上升到初繞位置停止，將新穿過錠翼的紗線手工纏繞在紗管初繞位置，操作啟動(dòng)按鈕，新的紡紗過程開始．這就要求，在龍筋上下升降的行程中，加裝落紗位置檢測(cè)開關(guān)、初繞位置檢測(cè)開關(guān)．考慮到龍筋上下升降行程不能超過極限值，必須加裝龍筋上下極限檢測(cè)開關(guān)。
以上控制點(diǎn)，直接接入PLC輸入點(diǎn)，控制邏輯由PLC運(yùn)算處理。
圖5 觸摸屏程序之參數(shù)設(shè)定界面
1. 紗線張力控制
四軸懸錠式粗紗機(jī)，從羅拉牽伸出的紗線，需穿過錠翼形成捻度再纏繞在筒管上，整個(gè)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程；由于捻度有限，紗線的極限張力較小，在整個(gè)紡紗過程，受傳動(dòng)機(jī)械比例聯(lián)動(dòng)同步性的波動(dòng)、紗管時(shí)時(shí)直徑理論值和實(shí)際值的誤差，造成紗線出紗位置的上下波動(dòng)（如圖3箭頭處所示），大的波動(dòng)不僅影響紗錠成型質(zhì)量，甚至超成斷頭，使整機(jī)停機(jī)，影響紡紗效率。
目前行業(yè)內(nèi)主要分兩種途徑解決上述問題：
第一種： 由張力CCD傳感器在線檢測(cè)粗紗張力，反饋到PLC運(yùn)算。
這種方式，減低了核心運(yùn)算難度，簡(jiǎn)化了纏繞和龍筋軸的控制計(jì)算量．但由于CCD檢測(cè)在實(shí)際使用過程中，對(duì)環(huán)境要求較高，必須保持鏡面清潔，且面對(duì)市場(chǎng)成本壓力，此種解決方式普及度并不高，但值得關(guān)注。
第二種： 在標(biāo)準(zhǔn)理論計(jì)算公式下，增加張力補(bǔ)償程序，進(jìn)而微調(diào)紗管旋轉(zhuǎn)速度和龍筋升降速度，達(dá)到調(diào)整粗紗張力的目的．同時(shí)針對(duì)不同的紗線要求自動(dòng)調(diào)用不同的補(bǔ)償系數(shù)．其普遍采用的是補(bǔ)償微調(diào)卷繞軸速度。
此種方式，成本小，效果明顯，不依賴于檢測(cè)外部器件，柔性好．但調(diào)試時(shí)要反復(fù)測(cè)試，不斷積累不同紗線在不同層數(shù)的修正系數(shù)值．本案采用此方式。
2．龍筋位置的斷電記憶
在紡紗時(shí)，紗錠纏繞未完成時(shí)系統(tǒng)外部斷電是經(jīng)常存在的，重新上電后，要求粗紗機(jī)能繼續(xù)斷電前位置和參數(shù)繼續(xù)紡紗。
由于市場(chǎng)大多伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器為增量式編碼器，斷電不能記憶軸當(dāng)前位置；本案通過4N25光偶連接PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器編碼器輸出口，通過PLC斷電記憶區(qū)來記憶斷電前位置值。其連接方式 如圖6。
圖６ 龍筋伺服編碼器通過4N25轉(zhuǎn)換后接入PLC
在粗紗機(jī)紡紗處于初始階段和將要完成時(shí)，紗錠半徑對(duì)應(yīng)較小或較大，此時(shí)若以屏設(shè)最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)，紗線在纏繞邊緣的離心力與紡紗中段差別較大，不利于形成高質(zhì)量紗錠．這就要求紡紗初始階段和將要完成時(shí)整機(jī)速度降低運(yùn)行，減少斷頭率，提高成紗質(zhì)量．程序中必須設(shè)計(jì)各個(gè)紡紗階段的自動(dòng)速度轉(zhuǎn)換程序。
圖7 紡紗成型中段
以上述方案為依托研發(fā)的四軸獨(dú)立懸錠式粗紗機(jī)已在山東某紡織機(jī)械廠研發(fā)成功，錠翼速度最高可達(dá)1350r/min,紗錠成型勻稱，紗線排布一致性好，一次成型紗線長度可達(dá)3200m；捻度、紗錠成型角度、成型長度、紡紗長度等均可柔性設(shè)定。紡紗張力更為穩(wěn)定，在錠速1100r／min條件下斷頭在0.5根／臺(tái)·小時(shí)以內(nèi)。具備自動(dòng)落紗和自動(dòng)找初繞位置功能，有效降低擋車工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率，市場(chǎng)前景廣闊。
臺(tái)達(dá)擁有變頻器、PLC、伺服系統(tǒng)、人機(jī)界面、編碼器等完整工業(yè)控制器件產(chǎn)品線，為客戶提供先進(jìn)全面的解決方案．針對(duì)粗紗機(jī)行業(yè)，臺(tái)達(dá)可提供兩軸式、三軸式、四軸式變頻或伺服系統(tǒng)整體解決方案，同時(shí)可滿足客戶個(gè)性化要求．基于紡織行業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，公司專門成立的紡織行業(yè)應(yīng)用處，服務(wù)紡織行業(yè)。
參考文獻(xiàn)
1 周琪. 紡織機(jī)械基礎(chǔ)概論.北京：中國紡織出版社.2006.
2 周炳榮.紡紗機(jī)械 .北京：中國紡織出版社.1999.
3 臺(tái)達(dá)VFD-VE變頻器使用手冊(cè) .中達(dá)電通股份有限公司.2007.
4 臺(tái)達(dá)ASDA AB系列伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用技術(shù)手冊(cè). 中達(dá)電通股份有限公司.2007
5 臺(tái)達(dá)DVP-PLC應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)(程序篇). 中達(dá)電通股份有限公司.2006
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論