捻线机多参数控制系统研究

　　国内外传统捻线机大多采用单电动机传动系统，传动路线长、结构复杂。其捻度由更换捻度齿轮改变传动比得到，捻向通过改变电动机转向得到S捻和z捻，卷取运动和往复导纱运动是通过齿轮、凸轮分级传动实现。这样，捻线机实现了锭子加捻运动、卷取罗拉的卷取运动和导纱嘴往复导纱运动。当前，随着机电一体化技术的发展和劳动力成本的提高，多电动机传动已成为捻线机的发展趋势。本文根据捻线机传动系统特点，提出一种基于PLC的捻线机的多参数控制系统，能满足捻线机正常的工艺要求。

1 新型捻线机多电动机控制系统方案

　　在本文中，捻线机的加捻运动、卷取运动和导纱运动分别采用异步电动机和伺服电动机传动，其控制系统原理如图1所示。

　　由图1可知，在该控制系统主要采用PLC、触摸屏等组成。锭子的加捻运动由主电动机通过龙带切向传动，该电机为交流异步电动机，即主电动机;卷取运动由卷取电动机驱动卷取罗拉实现，该电动机同样采用交流异步电动机，往复导纱运动分别由两个伺服电动机驱动滚珠丝杠、左右导纱嘴实现。四个电动机的运动由PLC协调控制捻线机的主

　要参数如锭速、捻度、捻向、卷取角等参数通过触摸屏实时显示和监测，纱线的加捻、卷取和导纱等关键运动得以实现，加工纱线符合工艺要求的捻度、捻向、卷取角、卷筒成型。与传统捻线机相比，这种新型捻线机摒弃传统凸轮导纱机构、捻度变换机构、机械式防叠和防凸边、硬边机构，传动路线缩短，机构设计简单、合理。

2 捻线机主要参数和运动数学模型的建立

　　2.1 锭子加捻数学模型

　　纱线加捻由主电动机通过龙带高速切向传动锭子转动，纱线在锭子的出口和导纱钩之间获得捻度。由纺纱工艺加捻理论可知，捻度公式如下：

　　由式(1)可知，捻度的确定与锭子转速n锭、卷取罗拉转速n卷有关。也就是在锭子速度确定后，纱线捻度的大小可通过改变卷取电机转速来实现，无需更换捻度变换齿轮，这样，更换品种方便。

　　2.2 纱线卷取运动数学模型

　　捻线机纱线的卷取原理如同络筒机、细纱机、粗纱机的卷取运动一样，也是由往复导纱运动和卷取回转运动合成的。本文以卷取圆锥形卷筒为例，其卷取运动如图2所示

　　根据捻线机卷取理论，卷筒由卷取罗拉摩擦滚动，根据纱线卷取基本理论可知，在图2b中卷绕点丁沿卷装母线的移动速度¨与导纱点日的速度VH之间存在如下关系：

　　式(2)～式(4)中：u为卷取点的位移；s为导纱嘴的移动距离；h为卷取点至导纱嘴法向距离；w为卷筒的回转角速度；R1为锥形卷装筒大端半径；Z为锥形卷筒母线长度；δ为锥形卷筒的半锥角；t为卷取时间。

 
图2纱线卷取运动

　　式(2)-(6)同样适合于圆柱卷取筒子，根据这些公式，当给定导纱运动规律s(t)时，可确定卷筒上的纱圈形状u(θ)(θ为卷取圆锥形卷筒锥面上位置角)；反之，若给定纱圈形状u(θ)时，则可由此确定导纱运动规律s(t)。
 

　　2.3 往复导纱运动数学模型

　　从纺纱工艺来说，在理想的导纱运动情况下，纱线在恒张力和等密度卷取情况下质量最好。所以绕纱速度V应满足下式：

　　式(7)中，当C1为常数时，绕纱速度V为常数，纱线卷取张力比较均匀，符合工艺上的恒张力卷取要求。对于卷取密度来说，当纱线的规格、品种一定时，卷取角α对卷取密度的影响最大。要实现等密度卷取，卷取角α应满足下式：

　　式(8)中，当C2为常数时，卷取角α为定值，若选择合适的变加速度导纱模型可使纱线密度波动、张力波动最小，卷筒成型良好。所以，根据以上分析对导纱运动模型进行改进，其改进后的半导纱周期的运动模型曲线如图3所示。

 
图3 改进后的导纱运动规律曲线

　　图3中，三个曲线的横坐标为滚珠丝杆的运动时间t，纵坐标分别为角位移θ、角速度w和角加速度ε。图3a中AB、CD段是往返点过渡曲线，中间部分BC段为正常运动曲线。试制样机中，中间采用等速运动规律过渡，两往返点附近选择正弦加速度规律。在导纱行程的两往返点处的加速度、速度同为零，这样导纱嘴速度降为零后再反向，可避免反向时的惯性冲击，整个行程内的最大加速度得到有效的控制，所以该导纱运动模型缓冲惯性冲击，避免传统导纱系统惯性力大的缺陷。此外，由于导纱嘴由伺服电动机单独通过程序控制实现，所以要更换卷筒时，只需修改相应控制程序，而无需改变机械传动部分齿轮和凸轮机构，提高了效率。

　　3.1 基于RS-485的加捻和卷取模型实现

　　在捻线机多参数控制系统中，PLC和多个变频器之间通讯采用Rs一485时的接线如图4所示。若变频器超过一台时，可以通过更改变频器站号设置实现不同的变频器和PLC进行通讯。

 
图4 PLC和变频器的RS-485通讯

　　在试制的控制系统中，变频器采用三菱公司的，和pLC通讯分三个阶段：通讯请求阶段、收到数据的响应阶段和PLC根据变频器返回数据的响应阶段。在不同阶段，根据应答数据和指令代码的不同，通讯数据格式不一样。如要求异步电动机运转，常用指令代码为运行频率的写入HED、输出频率H6F和电机运行指令HEA，变频器和PLC通讯时，使用十六进制数，这些数据自动使用AsCII码传输。

　　3.2 伺服导纱模型实现

　　伺服导纱模型原理如图5所示。

 
图5伺服导纱系统

　　该模型由伺服电动机直接驱动导纱嘴运动，把伺服电动机的驱动滚珠丝杆的旋转运动转换为导纱嘴的往复直线运动。

4 结语

　　目前，基于多参数控制系统的新型捻线机已试制样机，如图6所示，其主要技术参数如下：

 
图6捻线机样机

　　主电动机功率为7.5 kw；卷取电动机功率为2.2 kw；伺服电动机功率为750 w；导纱嘴往复次数为60次／分；锭速范围为5000～13 500 r／min，通过主电动机无级调速来实现；捻度范围为80~2 000捻／m，可以通过修改上位机参数即改变卷取电机转速来改变捻度；捻向：Z或S向，通过修改上位机参数改变主电机转向来改变捻向。

　　基于多参数的新型捻线机，采用PLC控制，其机械性能得到改善，控制更方便，适用于多品种、小批量生产，能够提高纱线质量和生产效率，简化了机器结构，减轻了工人的劳动强度。