臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品在四軸獨(dú)立懸錠粗紗機(jī)上的整合應(yīng)用

臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品在四軸獨(dú)立懸錠粗紗機(jī)上的整合應(yīng)用

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)客戶對高速、高質(zhì)、大卷裝、人機(jī)友好型粗紗機(jī)需求；同時現(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

2. 傳動結(jié)構(gòu)和工藝

傳動結(jié)構(gòu) 如圖2：

圖2 傳動結(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

根據(jù)紡紗工藝的要求，粗紗機(jī)將棉條熟條經(jīng)羅拉牽伸后，由前羅拉出紗，錠翼恒速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行加捻；同時卷繞系統(tǒng)帶動筒管旋轉(zhuǎn)，按照卷裝成型的要求，將加捻后的紗卷繞在筒管上．由于前羅拉出紗速度是恒定的，卷繞速度隨著卷繞直徑的增大而降速．同時龍筋緩慢升降，托動其上紗管上下往復(fù)動作，配合卷繞裝置使紗線逐層纏繞在紗管上，直到到達(dá)預(yù)設(shè)層數(shù)或紗線長度。

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，工作方式較為簡單，本文不再贅述。

三．基于臺達(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，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)動作過程中，各軸速度要求有高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性。同時，電機(jī)對外部負(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)合臺達(dá)完整、全面的產(chǎn)品線，我們選用臺達(dá)EH2系列PLC作為主控，選用臺達(dá)VE系列高性能矢量變頻器控制錠翼軸；臺達(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達(dá)AB系列伺服系統(tǒng)控制；觸摸屏為臺達(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

3. 主要控制器件功能

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)場電磁環(huán)境復(fù)雜，建議選用差動型編碼器。

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、停止、點(diǎn)動按鈕，均能啟停點(diǎn)動整臺機(jī)器，以方便檔車工操作；紡紗過程中，斷紗斷條均要求自動停車，故加裝光電傳感器，已檢測紗條是否工作正常；紡紗成型完成，龍筋自動下降到落紗位置，方便擋車工快速取下紗錠；同時，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，加裝落紗位置檢測開關(guān)、初繞位置檢測開關(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

四．調(diào)試難點(diǎn)、要點(diǎn)及應(yīng)對

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，整個過程是一個動態(tài)過程；由于捻度有限，紗線的極限張力較小，在整個紡紗過程，受傳動機(jī)械比例聯(lián)動同步性的波動、紗管時時直徑理論值和實(shí)際值的誤差，造成紗線出紗位置的上下波動（如圖3箭頭處所示），大的波動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，簡化了纏繞和龍筋軸的控制計(jì)算量．但由于CCD檢測在實(shí)際使用過程中，對環(huán)境要求較高，必須保持鏡面清潔，且面對市場成本壓力，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．同時針對不同的紗線要求自動調(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，不依賴于檢測外部器件，柔性好．但調(diào)試時要反復(fù)測試，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，紗錠纏繞未完成時系統(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。

由于市場大多伺服系統(tǒng)驅(qū)動器為增量式編碼器，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

3． 整機(jī)啟停的控制

在粗紗機(jī)紡紗處于初始階段和將要完成時，紗錠半徑對應(yīng)較小或較大，此時若以屏設(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)各個紡紗階段的自動速度轉(zhuǎn)換程序。

圖7 紡紗成型中段

五．結(jié)論

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·小時以內(nèi)。具備自動落紗和自動找初繞位置功能，有效降低擋車工勞動強(qiáng)度，提高了勞動效率，市場前景廣闊。

臺達(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．針對粗紗機(jī)行業(yè)，臺達(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，同時可滿足客戶個性化要求．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)。